Analisi Termica di Moduli di Potenza per Veicoli a Trazione Ibrida

Over the last years, hybrid electric vehicles are becoming increasingly widespread attracting the interest of researchers in this field. Significant innovations have been recently achieved about components like electrical machines, energy storages, and power converters. Focusing on power converter, its function is to ensure the energy conversion from alternating current to direct current sides, and vice versa, by using power semiconductors as IGBTs, DIODEs, and MOSFETs. Despite power electronic devices are usually characterized by efficiencies over 90%, they can be characterized by heat flux densities in the order of hundreds of W/cm^2. The main purpose of the present PhD thesis is to perform a detailed thermal analysis on power conversion systems. An electro-thermal simulation tool (Virtual Test Bench) which can address the power converter design is developed and presented. The tool allows to evaluate any multilevel power converter topologies by covering a wide range of possible operating conditions. Moreover, many power module technologies can be evaluated at low computational cost and by avoiding costly laboratory tests. The proposed tool enables the anticipated identification of designs to be rejected because of their low efficiency. Therefore, the experimental efforts can be only focused on the most promising solutions. In the present work, the simulation tool is successfully validated against experiments and literature results. A large simulation campaign is then conducted by considering a number of power converter configurations. Their performance are evaluated by means an accurate power losses computation in both steady-state and time-dependent conditions. In addition, the behavior of single semiconductors equipping the power converter is detailedly investigated. Performance and reliability of such devices are ensured by means a dedicated cooling system. In the current work, only active cooling systems are taken into account. In detail, the focus is on design and application of submerged impinging jet cooling technique. A 3D-CFD simulation approach is adopted. The simulation methodology is firstly applied on a simplified geometry made by a single jet. For this geometry, results are compared to experimental test case obtaining a good overall correlation. Then, the validated 3D-CFD methodology is adopted to complete a detailed parametric study of jet cooling solution applied in power converters. The effect of nozzle diameter, aspect ratio, arrangement, and number of jets are accurately investigated. The research activity allows to understand in detail the power converter behavior from a thermal point of view. The power converter design process can be strongly supported by the developed Virtual Test Bench, in fact the individuation of the best power module configuration is fast and accurate. Moreover, the tool can be furthermore developed to allow a multi-objective optimization of power converter. Finally, submerged impinging jets represent an efficient and flexible cooling approach for semiconductors with low pumping power level.

Negli ultimi anni, i veicoli a trazione ibrida si stanno diffondendo in maniera sempre più estesa, rendendo più forte l’interesse dei ricercatori. Con ciò, componenti come motori elettrici, batterie, e convertitori di potenza sono stati interessati da significative innovazioni. Il presente lavoro di tesi di dottorato si focalizza principalmente sui convertitori di potenza, il cui scopo è quello di garantire la conversione di potenza da Corrente Alternata in Corrente Continua, e viceversa, per mezzo di semiconduttori come IGBT, DIODI e MOSFET. Nonostante i convertitori di potenza raggiungano tipicamente efficienze superiori al 90%, essi possono essere interessati da flussi termici nell’ordine di centinaia di W/cm^2. Lo scopo principale di questa tesi di dottorato è quello di eseguire un’analisi termica dettagliata sui sistemi di conversione di potenza. E’ stato sviluppato un tool di simulazione in grado di effettuare simulazioni di tipo elettro-termico (Banco Prova Virtuale). Questo strumento è in grado di valutare qualsiasi topologia di convertitore di potenza considerando un ampio range di condizioni operative. Inoltre, un elevato numero di moduli di potenza può essere esaminato con una potenza di calcolo limitata e bypassando test sperimentali. Tale strumento è in grado di identificare e scartare le configurazioni che presentano una bassa efficienza. In questo modo è possibile focalizzarsi solo sulle soluzioni più promettenti. In questo lavoro, il tool di simulazione è stato accuratamente validato con dati sperimentali e risultati di letteratura. Successivamente, è stata condotta una larga campagna di simulazione su diverse configurazioni di convertitori di potenza. Le prestazioni di tali dispositivi sono state valutate attraverso un accurato calcolo delle dissipazioni sia in condizioni stazionarie che dinamiche. Inoltre, è stato descritto in maniera dettagliata il comportamento dei signoli semiconduttori di potenza. Per garantire prestazioni e affidabilità di tali dispositivi è necessario lo studio di un sistema di raffreddamento. Ci si è concentrati su una strategia di cooling a getti sommersi. Tutto lo studio è stato svolto con un approccio 3D-CFD. Inizialmente, la metodologia di calcolo è stata effettuata su una geometria semplificata che includeva un singolo getto, i cui risultati sono stati confrontati con un caso test sperimentale, ottenendo un’ottima correlazione. Di conseguenza, la metodologia di calcolo è stata adottata per effettuare un dettagliato studio parametrico. E’ stato valutato nel dettaglio l’effetto del diametro, dell’aspect ratio, della disposizione e del numero degli ugelli. L’attività di ricerca ha permesso di comprendere in dettaglio il comportamento dei convertitori di potenza dal punto di vista elettro-termico. La progettazione del PC può essere fortemente supportata dal Banco Prova Virtuale sviluppato, infatti l’individuazione della migliore configurazione dei moduli di potenza è veloce ed accurata. I getti sommersi rappresentano un approccio di raffreddamento efficiente e flessibile per i semiconduttori e la potenza di pompaggio in gioco è piuttosto bassa.