Analysis and design of a 48kW three phase inverter for MotoStudent application

QuartoDiLitro, a student team from the University of Padua, is dedicated to developing two motorbike prototypes to compete in the international MotoStudent championship. This thesis focuses on the development of the power stage of a custom traction inverter, with the goal of optimizing the performance of the electric prototype’s powertrain. The dissertation describes the design process carried out for the implementation of an initial evaluation board. The design process starts with an assessment of the technical requirements established by the competition and the characteristics of the electric motor provided. Based on these constraints, the choice of transistor technology, the main component of an inverter, is addressed. Various solutions are therefore considered including traditional MOSFETs and IGBTs. Once the most suitable technology has been defined, a MATLAB script and a Simulink simulation model have been developed to optimally select a transistor among the solutions available from the main manufacturers. To facilitate component selection, the model provides an estimation of conduction and switching losses, it enables an informed comparison among available devices. The capacitor bank was sized using both analytical calculations and Simulink simulations to determine the voltage and current ripple values directly from the application. Based on the results obtained from the previous analyses, the specifications required the implementation of a decoupling filter using multiple capacitors connected in parallel. Following the evaluation of all components, including the gate driving circuitry, an initial evaluation board was designed to experimentally assess the actual performance of the system. Since only the power stage is considered, control signals are provided by a laboratory microcontroller, while different current and voltage sensors were tested for system monitoring and control, in order to identify the most suitable solution for integration into the final prototype.

QuartoDiLitro, team dell’Università di Padova, è una squadra di studenti impegnata nello sviluppo di due prototipi per competere nel campionato internazionale MotoStudent. L’elaborato si concentra sullo sviluppo dello stadio di potenza di un inverter di trazione custom, con l’obiettivo di ottimizzare le prestazioni del gruppo propulsore del prototipo elettrico. L’elaborato descrive il processo di progettazione seguito per l’implementazione di una prima scheda di valutazione. Inizialmente vengono analizzate le specifiche tecniche imposte dal regolamento e le caratteristiche tecniche del motore elettrico entrambi forniti dalla competizione. Sulla base di tali vincoli, si affronta la scelta della tecnologia dei transistor, elemento principale di un inverter. Sono quindi considerate diverse soluzioni includendo MOSFET e IGBT. Definita la tecnologia più idonea, sono stati sviluppati uno script MATLAB e un modello di simulazione in Simulink per selezionare in modo ottimale un transistor tra le soluzioni reperibili presso i principali produttori. Il modello, per facilitare la scelta del componente, consente di stimare le perdite di potenza in conduzione e in commutazione per ciascun componente analizzato. Successivamente, è stato eseguito il dimensionamento del banco di condensatori, sia attraverso calcoli analitici, sia sfruttando le simulazioni MATLAB e Simulink per determinare direttamente dall’applicazione i valori di ripple in tensione e in corrente. A seguito dei risultati ottenuti dalle analisi precedenti, le specifiche imposte hanno reso necessaria la realizzazione del condensatore di decoupling mediante l’impiego di più dispositivi collegati in parallelo. Una volta scelti tutti i componenti, inclusa la circuiteria di gate driving, è stato realizzato un primo prototipo di valutazione, destinato alla verifica sperimentale delle prestazioni del sistema. Trattandosi della sola parte di potenza, i segnali di controllo vengono forniti da un microcontrollore disponibile in laboratorio. Diversi sensori di corrente e tensione vengono valutati per il monitoraggio e il controllo del sistema, al fine di individuare la soluzione più idonea per l’integrazione nel prototipo finale.