Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

Hybrid vehicle applications often require both high-voltage system and low-voltage system. High-voltage system usually includes an energy storage, most often either a supercapacitor or a battery, diesel generator or range extender, and the traction drive of the vehicle. High-voltage system also often includes some auxilliary drives such as air-compressors or hydraulics pumps. The low-voltage system usually comprises of the control units, headlamps etc. Traditionally the low-voltage system has been fed from the alternator of the diesel motor, but with the high-voltage system available, the idea of removing the alternator and downsizing the battery, by the use of DC/DC-converter between HV- and LV-systems has gained more interest. The device described in this thesis is a multiconverter, which includes an high-voltage inverter, which could be used for the auxilliary drives, and an isolated DC/DC-converter for powering the low-voltage system. This thesis describes the hardware design of the multiconverter, with the main focus on the electrical dimensioning and the thermal analysis of the high-voltage side of the unit. For the DC/DC-converter the traditional solution of using silicon IGBT transistors as the power semiconductors is compared with silicon-carbide MOSFET transistors. The thermal model is verified with efficiency test of the prototype and the results are compared with the calculated values. Improvement possibilities of the used thermal model are also analyzed based on the measurement results.