Enhanced control and modulation techniques for asymmetrical six-phase drives with wide band gap semiconductors
- Autores: Maitane Carrasco Núñez
- Directores de la Tesis: Juan Manuel Guerrero Muñoz (codir. tes.), Amaia López de Heredia (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2025
- Idioma: inglés
- Títulos paralelos:
- Estrategias de Control y Modulación Mejoradas para Accionamientos de Seis Fases Asimétricos con Semiconductores de Banda Ancha Prohibida
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Briz del Blanco (presid.), María Martínez Gómez (secret.), Francisco Javier Poza Lobo (voc.), Víctor Manuel López Martín (voc.), Luca Zarri (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energía y Control de Procesos por la Universidad de Oviedo
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUO
- Resumen
El cambio climático al que se enfrenta el mundo es una amenaza global innegable, siendo el sector del transporte uno de los principales emisores de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, es esencial alcanzar los objetivos de descarbonización en este sector y cumplir con los compromisos del Acuerdo de París. Para lograr esta meta, los vehículos eléctricos (VEs) deben mejorar su eficiencia, autonomía y fiabilidad, así como reducir su costo y volumen. Estos problemas pueden resolverse mediante la mejora en el diseño del inversor, el motor y el control del sistema de tracción. Los sistemas de tracción eléctricos tradicionales para vehículos eléctricos suelen basarse en accionamientos trifásicos. Sin embargo, la demanda de una mayor densidad de potencia en los sistemas de tracción ha incrementado el interés en los accionamientos multifásicos como una solución prometedora. Los sistemas multifásicos ofrecen la posibilidad de reducir la potencia nominal de los semiconductores, lo que permite alcanzar mayores rangos de potencia. Además, los sistemas multifásicos presentan ventajas potenciales como la capacidad de tolerancia a fallos y un mayor grado de libertad debido a su redundancia. En cuanto al inversor de tracción, se requieren nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia y reducir el costo y volumen. Por esta razón, los dispositivos de banda ancha prohibida (Wide Band Gap, WBG) están surgiendo como una alternativa. Estas tecnologías permiten mayores frecuencias de conmutación, temperaturas de operación más elevadas y mayores eficiencias. No obstante, la rápida conmutación de los semiconductores WBG produce altas dv/dt, lo que puede dañar el sistema de tracción.
Esta tesis tiene como objetivo explorar la integración de sistemas de tracción multifásicos e inversores basados en tecnología WBG para mejorar el rendimiento y la eficiencia de los vehículos eléctricos. El sistema de tracción considerado en esta investigación es un inversor binivel de seis fases, basado en GaN, y una máquina IPMSM de seis fases asimétrica.
Por un lado, se describe el principio de funcionamiento de la estrategia de control implementada para este sistema, detallando su operación y aspectos de diseño. A continuación, se presentan los resultados de simulación para validar el rendimiento del control. Estas simulaciones aplican el perfil de par máximo en todo el rango de velocidades, desde cero hasta la velocidad máxima alcanzable. Además, se evalúa el rendimiento del control en la región de par constante y en la región de debilitamiento de flujo mediante el análisis de un punto de velocidad fijo dentro de cada región. Tras examinar estos resultados, se analiza la implementación del control en el microcontrolador TMS320F28379D. Este análisis aborda los desafíos asociados con la implementación del control en el microcontrolador junto con los dispositivos GaN. La alta frecuencia de conmutación de estos dispositivos reduce el tiempo disponible para la ejecución del control, impidiendo su ejecución dentro del tiempo requerido. Por lo tanto, esta tesis propone dividir el control entre dos CPUs diferentes. De este modo, el control puede ejecutarse en el tiempo de muestreo requerido, aprovechando las altas frecuencias de conmutación de los semiconductores GaN. Además, se investiga un control con frecuencia de conmutación variable para mejorar la eficiencia del sistema de tracción multifásico basado en GaN. Este control tiene como objetivo reducir las pérdidas de potencia disminuyendo la frecuencia de conmutación en función del factor de modulación seleccionado (mf).
Por otro lado, en esta tesis se investigan seis técnicas de modulación PWM. Las dos primeras técnicas analizadas son las más utilizadas: SPWM y la inyección de armónico de orden cero, denominada ZIPWM. Las siguientes cuatro técnicas de modulación analizadas son variantes de SVPWM. Debido a los grados de libertad que ofrecen las máquinas multifásicas, las técnicas SVPWM ofrecen diversas posibilidades según el número de vectores activos aplicados. En esta tesis se analizan las siguientes modulaciones: SVPWM con aplicación de dos vectores adyacentes (SVPWM2L), cuatro vectores adyacentes (SVPWM4L) y cinco vectores adyacentes (CBSVPWM). Estas técnicas de modulación están bien documentadas en la literatura, sin embargo, su implementación práctica en un microcontrolador no ha sido explorada. Por ello, en esta tesis se realiza la implementación práctica de cada técnica de modulación en el microcontrolador TMS320F28379D utilizando programación de alto nivel con el software Matlab/Simulink. Además, se presentan resultados de simulación a lo largo de todo el rango de velocidad para cada técnica de modulación, ya que en la literatura solo se examina la región de par constante. Al igual que en el análisis del rendimiento del control, se analizan dos puntos de velocidad específicos.
Uno de los desafíos asociados a la implementación de dispositivos GaN es la tensión en modo común (MC). En máquinas multifásicas, este problema puede abordarse implementando una técnica de modulación que logre una tensión de MC constante. Aunque investigaciones previas han propuesto técnicas de modulación destinadas a reducir la tensión de MC, su implementación en software suele ser compleja. Por lo tanto, se realizan modificaciones en la modulación SVPWM que logra una tensión de MC constante para garantizar una implementación sencilla en el microcontrolador. Se lleva a cabo el mismo análisis de simulación que para las demás modulaciones. Finalmente, se realiza una comparación entre las modulaciones analizadas evaluando los parámetros de rendimiento de THD, WTHD, rizado de corriente, pérdidas de potencia y eficiencia, análisis de MC y requisitos de tiempo de ejecución.
La última parte presenta los resultados experimentales obtenidos en esta tesis. Se realizan dos pruebas experimentales diferentes. La primera prueba experimental presentada es la validación de la partición del control en dos CPUs. En la segunda prueba experimental, se valida la modificación propuesta en la modulación que logra una tensión en MC constante, la cual se llevó a cabo durante la estancia de investigación en la LJMU. Cada prueba experimental proporciona detalles de su respectivo banco de pruebas y discute los resultados experimentales obtenidos.
The climate change that the world is facing is an undeniable global threat, with the transportation sector being one of the primary greenhouse gas emissions. Therefore, it is essential to achieve decarbonisation objectives in this sector and meet the commitments under the Paris Agreement. To meet this target, EVs drive must improve their efficiency, autonomy and reliability and reduce cost and volume. These problems can be solved by improving the design of the inverter, motor, and drive control. Traditional electric drives for Electric Vehicle (EV)s typically rely on three phase drives. However, the demand for higher power density in traction drives has increased interest in multiphase drives as a promising solution. Multiphase drives offer the possibility of lowering the power ratings of the semiconductors, which allows higher power ranges. Besides that, multiphase drives provide potential advantages such as fault-tolerant capability and a degree of freedom due to their redundancy. Regarding the traction inverter, new technologies are required to improve efficiency and reduce the cost and volume. For this reason, Wide Band Gap (WBG) devices are emerging as an alternative. These technologies allow higher switching frequencies, higher operating temperatures and higher efficiencies. Nevertheless, WBG semiconductors¿ fast switching leads to high dv/dt, which can potentially damage the drive.
This thesis aims to explore the integration of multiphase drive systems and WBG-based inverters to improve the performance of the EV and its efficiency. The drive considered in this investigation is a two-level, six-phase GaN-based inverter and a dual three-phase IPMSM machine.
On the one hand, the working principle of the implemented control strategy for this drive is explained, detailing its operation and design aspects. Following this, the simulation results are presented to validate the performance of the control. These simulations apply the maximum torque profile across the entire speed range, from zero to the maximum achievable speed. Additionally, the performance of the control is evaluated in the constant torque region and the flux-weakening region by analysing a fixed speed point within each region. After examining these results, the implementation of the presented control in the TMS320F28379D microcontroller is discussed. This analysis discusses the challenges associated with implementing the control in the microcontroller with GaN devices. The high switching frequency of these devices reduces the available execution time for the control, preventing it from being executed within the required time. Therefore, this thesis proposes partitioning the control into two different CPUs. In this way, the control can be executed at the required sample time, taking advantage of the high switching frequencies of the GaN semiconductors. Moreover, a variable switching frequency control is investigated to improve the efficiency of the multiphase GaN-based inverter drive. This control aims to reduce power losses by lowering the switching frequency in relation to the selected mf ratio.
On the other hand, six PWM modulations are investigated in this thesis. The first two analysed techniques are the most widely used modulation methods: SPWM and the zero order harmonic injection, referred to as ZIPWM. The next four analysed modulations techniques are SVPWM techniques. Due to the degrees of freedom offered by multiphase machines, the SVPWM offer various possibilities based on the number of the applied active vectors. In this thesis the analysed modulations are: SVPWM applying two-neighbouring vectors (SVPWM2L), four neighbouring vectors (SVPWM4L), and five-neighbouring vectors (CBSVPWM). These modulations techniques are well-documented in the literature. However, their implementation in a microcontroller has not been explored. Hence, the practical implementation of each modulation technique on the TMS320F28379D microcontroller using a high-level programming with Matlab/Simulink software is done in this thesis. Additionally, simulation results across the full speed range are provided for each modulation technique since in the literature only the constant torque region is examined. As in the control performance analysis, two specific speed points are analysed.
One of the challenges associated with the implementation of GaN devices is the CMV. In multiphase machine, this problem can be addressed by implementing a modulation technique that achieves a constant CMV. Although previous research has proposed modulation techniques aimed at CMV reduction, their software implementation is often complex. Therefore, modifications are made in the SVPWM modulation that achieves a constant CMV to ensure an easy implementation in the microcontroller. The same simulation analysis is conducted as for the other modulations. Finally, a comparison between the analysed modulations is done evaluating the performance parameters of THD, WTHD, current ripple, power losses and efficiency, CMV analysis and execution time requirements.
The last part presents the experimental results obtained in this thesis. Two different experimental tests are done. The first presented experimental test is the validation of the partitioning of the control into two CPUs. In the second experimental test, the proposed modulation modifications that achieve a constant CMV are validated, which was carried out during the research stay at LJMU. Each experimental test provides details of its respective test bench and discusses the obtained experimental results.
