SHINE – Swiss Hybrid Inverter

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501784
• Projekttitel Englisch: SHINE – Swiss Hybrid Inverter

Schlüsselwörter (Englisch)

Inverter, SiC, MOSFET, Si, IGBT

Kurzbeschreibung (Englisch)

One of the twenty-first century most pressing challenges is an alternative, clean, efficient and reliable urban transport system. Currently, the 2050 Energy Strategy transportation energy targets are strongly lagging behind. Electric vehi-cles, equipped with artificial intelligence, advanced control and communications, can improve energy efficiency, safety and reliability as well as cost effectiveness. The scope of the project is to address the energy challenge for automotive sector by enabling reduction of CO₂ emission, improving the energy efficiency and reliability of a wide range of EV/HEV while maintaining a contained cost that enables the adoption of EV on a large scale. Within this vision, we focus our research towards developing one of the next generation PE converters for transportation: we will simulate, build and measures the efficiency of a prototype Si IGBT/SiC MOSFET cross hybrid Switch with 1,2 kV and 100 kW. Additionally we will equip the converter with intelligent controllers and advanced monitoring and diagnostics systems.

Kurzbeschreibung (Italienisch)

Una delle sfide piu’ pressanti del ventunesimo secolo è un sistema di trasporto urbano alternativo, pulito, efficiente e affidabile. Attualmente, gli obiettivi energetici di trasporto della strategia energetica 2050 sono fortemente in ritardo. I veicoli elettrici, dotati di intelligenza artificiale, controllo avanzato e comunicazioni, possono migliorare l'efficienza energetica, la sicurezza e l'affidabilità, nonché l'efficacia dei costi. Lo scopo del progetto è quello di affrontare la sfida energetica per il settore automobilistico, consentendo la riduzione delle emissioni di CO₂, migliorando l'efficienza energetica e l'affidabilità di un'ampia gamma di EV / HEV mantenendo un costo contenuto che consente l'adozione di EV su un grande scala. All'interno di questa visione intendiamo focalizzare la nostra ricerca verso lo sviluppo di un convertitore di potenza di nuova generazione per il trasporto in particolare per elettro veicoli. Nel corso del progetto, simuleremo, costruiremo e misureremo l'efficienza di un prototipo di Switch ibrido MOSFET Si IGBT / SiC con 1,2 kV e 100 kW. Inoltre doteremo il convertitore di sistemi di sistemi avanzati di controllo monitoraggio e diagnostica.

Schlussbericht (Deutsch)

Im Rahmen des Projekts SHINE haben wir eine neue Leistungselektronik-Topologie namens Adjustable Hybrid Switching (AHS) für Anwendungen im Bereich der Elektromobilität entwickelt und ihr Potenzial unter verschiedenen Konfigurationen und Antriebsprofilen bewertet. Der AHS-Wechselrichter besteht aus XS-Cross-Hybrid-Bauelementen, die aus parallelen SiC- und Si-Bauelementen zusammengesetzt sind, die je nach Laststrombedarf geschaltet werden und wie ein "elektrisches Getriebe" für den Stromrichter arbeiten.

Zunächst wurde ein dynamischer Schalttester gebaut, um die Schaltverluste der Hybridschalter mit verschiedenen Verhältnissen von Si-IGBTs zu SiC-MOSFETs zu ermitteln. Dies war notwendig, da keine Daten über die Verluste in Parallelschaltern verfügbar sind. Diese Verluste wurden als Input für Simulationen verwendet, um systematisch die Leistungseffizienz für verschiedene WLTP-Fahrzyklen zu extrahieren und die optimalen Wechselrichterkonfigurationen zu definieren.

Die optimale AHS-Konfiguration, die aus der Analyse des Kosten-Nutzen-Verhältnisses ermittelt wurde, ist ein Verhältnis von 1:4 SiC-MOSFETs zu Si-IGBTs. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Voll-SiC-Wechselrichter im Vergleich zu Voll-Si-Wechselrichtern eine Effizienzsteigerung von bis zu 9 % aufweisen, basierend auf typischen WLTP-Zyklen. Im Vergleich dazu zeigte der AHS eine Verbesserung des Wirkungsgrads zwischen 5 und 8 % gegenüber dem vollständigen Si-Wandler, während er auf Halbleiterebene 2,5 Mal billiger ist. Der AHS zeigte auch eine Effizienzverbesserung gegenüber dem XS-Hybrid. Aufgrund der unabhängigen Gate-Drive-Steuerung bietet die AHS-Topologie im Vergleich zu ihren Si- und SiC-Pendants eine überlegene Redundanz im Falle eines Ausfalls der individuellen Gate-Steuerung.

Schlussbericht (Englisch)

In the project SHINE, we have developed a new power electronics topology called Adjustable Hybrid Switching (AHS) for electric mobility applications, and have evaluated its potential under different configurations and drive profiles. The AHS inverter consists of XS-cross hybrid devices composed from parallel SiC and Si devices, which are switched based on load current demand, working like an “electric gear” for the power converter.

First, a dynamic switching tester has been built to extract the switching losses of the hybrid switches with different ratios of Si-IGBTs to SiC-MOSFETs. This was necessary because there is no data available for losses in parallel switches. Such losses were used as input for simulations in order systematically extract the power efficiency for different WLTP drive cycles and to define the optimum inverter configurations.

The optimum AHS configuration determined from the cost-efficiency trade-off analysis was found to be the ration of 1:4 SiC MOSFET to Si IGBTs. Simulation results show that full SiC inverters exhibit up to 9% efficiency enhancement compared to full Si inverter, based on typical WLTP cycles. Comparably, the AHS demonstrated improvement between 5% and 8% efficiency over the full Si converter consistently, while being 2.5 times cheaper at semiconductor level. The AHS also exhibited efficiency improvement over the XS-hybrid. Because of the independent gate drive control, the AHS topology offers superior redundancy compared to its Si, and SiC counterparts in case of individual gate control failure. 

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 2'722 kB

Schlussbericht (Französisch)

Dans le cadre du projet SHINE, nous avons développé une nouvelle topologie d'électronique de puissance appelée "Adjustable Hybrid Switching" (AHS) pour les applications de mobilité électrique, et avons évalué son potentiel sous différentes configurations et profils d'entraînement. L'onduleur AHS est constitué de dispositifs hybrides XS-cross composés de dispositifs SiC et Si parallèles, qui sont commutés en fonction de la demande en courant de la charge, fonctionnant comme un "engrenage électrique" pour le convertisseur de puissance. 

Tout d'abord, un testeur de commutation dynamique a été construit pour extraire les pertes de commutation des commutateurs hybrides avec différents ratios de Si-IGBTs par rapport aux SiC-MOSFETs. Cela était nécessaire car il n'existe pas de données disponibles pour les pertes des commutateurs parallèles. Ces pertes ont été utilisées comme données d'entrée pour les simulations afin d'extraire systématiquement le rendement énergétique pour différents cycles de conduite WLTP et de définir les configurations optimales des onduleurs. 

La configuration optimale de l'AHS déterminée à partir de l'analyse du compromis coût-efficacité s'est avérée être le rapport de 1:4 entre les MOSFET SiC et les IGBT Si. Les résultats de simulation montrent que les onduleurs tout SiC présentent une amélioration de l'efficacité allant jusqu'à 9 % par rapport aux onduleurs tout Si, sur la base de cycles WLTP typiques. Comparativement, l'AHS a démontré une amélioration de l'efficacité entre 5 % et 8 % par rapport au convertisseur Si complet, tout en étant 2,5 fois moins cher au niveau des semi-conducteurs. L'AHS a également montré une amélioration du rendement par rapport au XS-hybrid. En raison du contrôle indépendant de la commande de grille, la topologie AHS offre une redondance supérieure par rapport à ses homologues Si et SiC en cas de défaillance de la commande de grille individuelle.