Undersøkelse av en 200kW SiC-basert IBC for hydrogendrevene høyhastighetsferger
Master thesis
View/ Open
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2500]
Abstract
I denne avhandlingen ble en undersøkelse av en 200kW SiC-basert 6-fase IBC gjennomført. Bus-spenningen på 1kV ble forskynt med energi av seriekoblede FC stacks med en spenningsvarianse fra 520-900V.Høy vekt og volum er genrelt problematisk for alle kjøretøyapplikasjoner. Brenselceller har i tillegg svært lav strømrippeltoleranse, noe som gjør lav vekt og volum av omformeren vanskelig å realisere. Innledende estimater basert på komponter tenkt for dagens fergeprosjekter viste en FC omformervekt på over ett ton. Et eventuelt kriterium om galvanisk skille i omformeren vil gi ytterligere vekt og volumsøkninger i tillegg til økte kostnader. Flere intervjuer med industrien førte imidlertid til at en u-isolert topologi i kombinasjon med CM filtre ble regnet som det mest gunstige. Nettopp IBC-omformer topologien ble undersøkt basert på et litteraturstudie for den spesifikke fergeapplikasjonen. SiC halvledere ble benyttet ettersom de tillot betydelig vekt og volumsreduksjon i tillegg til å være godt egnet for IBC’ens spennings og strømnivåer.Omformerens lastprofiler for høyhastighetsfergesambandet i Trondheim ble anslått basert på data fra Trondheim-Vanvikan distansen. FC atferd ble undersøkt basert på PowerCell Sweden’s MS100 stacks og en omtrentlig 3-delt linearisering ble utviklet som en FC-approksimasjon. Denne kompenserte også for FC aldring. Videre ble IBC atferd for ulike antall faser undersøkt, og en 6-fase med part-load operasjon ble foreslått basert på de oppdagede lastprofilene og ratingene til halvlederne. En ideell statisk modell ble utviklet i tillegg til en omtrentlig dynamisk modell i Simulink. Disse modellene ble brukt sammen med verifiserende teori for å bestemme worst-case driftscenarier for alle halvleder- og passive komponenter. Komponentene ble deretter dimensjonert etter disse driftscenariene.1700V SiC MOSFET’er og SiC Schottky dioder levert av Wolfspeed var de mest gunstige komponentene på markedet, og tillatte 100kHz drift. Halvleder DP testing i LTspice viste seg å gi for optimistiske resultater, så datablader ble derfor brukt for dimensjonering. Sammenlignbare Si-alternativer funnet på markedet viste seg å være utilistrekkelige. Det ble utført grove beregninger av virkningsgrad basert på datablader. En passende kondensator ble funnet via datablader, og det ble utviklet en spole-algoritme for å kunne gjøre estimeringer av spoleparametere. Den foreslåtte algoritmen ble laget basert på Ferrite 3F3 og Litz wire for 100kHz. Algoritmen returnerer vekt, volum og ESR. Liquid coolers ble også funnet under antakelse av et 40°C intern kjølesystem i fergen. Dette ble brukt til å verifisere at komponentene oppfyller termiske restriksjoner.Til slutt ble totalvekt, volum og virkningsgrad av omformeren bestemt. Inkludert IP67 casing var estimatene for henholdsvis vekt og volum 319.2 kg og 180liter, mens den laveste virkningsgraden for omformeren var 98.2%. Videre var maksimal strømrippel 2.56% under 8.3% av rated omformerdrift. Sammenligning med både en konvensjonell 100kHz boost omformer og en 5kHz tilsvarende IBC omformer viste at begge disse løsningene vil føre til en vekt rundt 3 ton. Dette viser at både komponenter som kan operere under høy frekvens og IBC struktur bør taes i bruk for å oppnå en rimelig omformervekt og volum under antakelsene gjort i denne avhandlingen. In this thesis, an investigation of a 200kW SiC-based 6-ph IBC was carried out. The bus voltage is1kV, supplied by series connected FC stacks with a voltage range from 520-900V.Weight and volume are of great concerns for all vehicle applications. Fuel cells also have verylow current ripple toleration, making low converter weight and volume hard to realize. Initialestimations showed an FC converter weight of over a ton for the ferry. An eventual criterion ofgalvanic isolation would further add weight and volume but also cost. Comprehensiveinterviews with industry, however, revealed that an un-isolated topology in combination withCM filters is considered most favorable. The investigated IBC converter topology wasdetermined to be the topology of choice based on a literature study for the specific ferryapplication. SiC semiconductor was utilized as they allowed significant weight reductioncompared to Si in addition to being well suited for the IBC voltage and currents.Converter load profiles for an actual high-speed ferry in Trondheim was estimated. Fuel cellbehavior based on PowerCell Sweden MS100 stacks was investigated, and an approximate 3-piece linearization was developed as an FC approximation, also accounting for FC aging. IBCbehavior for a different number of phases was investigated, and a 6-ph part-load operationscheme was proposed based on the discovered load profiles and semiconductor ratings. Anideal static model was developed together with an approximate dynamic model in Simulink.These models were used together with theory verification to determine the worst-caseoperating scenarios for all the semiconductor and passive components, respectively. Theconverter components were then dimensioned correspondingly.1700V SiC MOSFETs and SiC Schottky diodes provided by Wolfspeed was found adequate forthe application allowing 100kHz operation. Semiconductor DP testing in LTspice was found toprovide too optimistic results, and datasheets were therefore used for dimensioning.Comparable market-available Si options were found to be disadvantageous. Rough efficiencyestimations based on datasheets were also carried out. A suitable capacitor was found in thedatasheets, while it was necessary to develop an inductor algorithm to acquire inductorinformation. A proposed algorithm was created based on ferrite 3F3 and Litz wire for 100kHzapplication providing weight, volume, and ESR. Liquid coolers were also found assuming thepossibility to tap in on a 40°C internal cooling system in the ferry. Liquid cooler datasheetsverified that the components fulfilled the specified thermal restrictions.Finally, the total weight, volume, and efficiency of the converter were determined. IncludingIP67 casing, the weight and volume were 319.2kg and 180liter respectively, while the lowestefficiency was 98.2%. Furthermore, the maximum current ripple was 2.56% during 8.3% ratedoperating power. Comparison with both a conventional 100kHz boost converter and a 5kHzcorresponding IBC converter showed that both these solutions would lead to weight aroundii3tons. This indicates that the combination of high-frequency components and IBC utilization isnecessary to keep an adequate converter weight under the assumptions given in this thesis.