Show simple item record

dc.contributor.advisorPeftitsis, Dimosthenis
dc.contributor.advisorAarskog, Fredrik
dc.contributor.authorBye, Håkon Magne
dc.date.accessioned2019-10-31T15:17:56Z
dc.date.available2019-10-31T15:17:56Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2625864
dc.description.abstractI 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.
dc.description.abstractIn this thesis, an investigation of a 200kW SiC-based 6-ph IBC was carried out. The bus voltage is 1kV, 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 very low current ripple toleration, making low converter weight and volume hard to realize. Initial estimations showed an FC converter weight of over a ton for the ferry. An eventual criterion of galvanic isolation would further add weight and volume but also cost. Comprehensive interviews with industry, however, revealed that an un-isolated topology in combination with CM filters is considered most favorable. The investigated IBC converter topology was determined to be the topology of choice based on a literature study for the specific ferry application. SiC semiconductor was utilized as they allowed significant weight reduction compared 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 cell behavior 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. IBC behavior for a different number of phases was investigated, and a 6-ph part-load operation scheme was proposed based on the discovered load profiles and semiconductor ratings. An ideal static model was developed together with an approximate dynamic model in Simulink. These models were used together with theory verification to determine the worst-case operating scenarios for all the semiconductor and passive components, respectively. The converter components were then dimensioned correspondingly. 1700V SiC MOSFETs and SiC Schottky diodes provided by Wolfspeed was found adequate for the application allowing 100kHz operation. Semiconductor DP testing in LTspice was found to provide too optimistic results, and datasheets were therefore used for dimensioning. Comparable market-available Si options were found to be disadvantageous. Rough efficiency estimations based on datasheets were also carried out. A suitable capacitor was found in the datasheets, while it was necessary to develop an inductor algorithm to acquire inductor information. A proposed algorithm was created based on ferrite 3F3 and Litz wire for 100kHz application providing weight, volume, and ESR. Liquid coolers were also found assuming the possibility to tap in on a 40°C internal cooling system in the ferry. Liquid cooler datasheets verified that the components fulfilled the specified thermal restrictions. Finally, the total weight, volume, and efficiency of the converter were determined. Including IP67 casing, the weight and volume were 319.2kg and 180liter respectively, while the lowest efficiency was 98.2%. Furthermore, the maximum current ripple was 2.56% during 8.3% rated operating power. Comparison with both a conventional 100kHz boost converter and a 5kHz corresponding IBC converter showed that both these solutions would lead to weight around ii 3tons. This indicates that the combination of high-frequency components and IBC utilization is necessary to keep an adequate converter weight under the assumptions given in this thesis.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleUndersøkelse av en 200kW SiC-basert IBC for hydrogendrevene høyhastighetsferger
dc.typeMaster thesis


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record