Contributions to the design of power modules for electric and hybrid vehicles: trends, design aspects and simulation techniques

En la ultima decada, la proteccion del medio ambiente y el uso alternativo de energias renovables estan tomando mayor relevancia tanto en el ambito social y politico, como cientifico. El sector del transporte es uno de los principales causantes de los gases de efecto invernadero y la polucion existente, contribuyendo con hasta el 27 % de las emisiones a nivel global. En este contexto desfavorable, la electrificacion de los vehiculos de carretera se convierte en un factor crucial. Para ello, la transicion de la actual flota de vehiculos de carretera debe ser progresiva forzando la investigacion y desarrollo de nuevos conceptos a la hora de producir vehiculos electricos (EV) y vehiculos electricos hibridos (HEV) mas eficientes, fiables, seguros y de menor coste. En consecuencia, para el desarrollo y mejora de los convertidores de potencia de los HEV/EV, este trabajo abarca los siguientes aspectos tecnologicos: - Arquitecturas de la etapa de conversion de potencia. Las principales topologias que pueden ser implementadas en el tren de potencia para HEV/EV son descritas y analizadas, teniendo en cuenta las alternativas que mejor se adaptan a los requisitos tecnicos que demandan este tipo de aplicaciones. De dicha exposicion se identifican los elementos constituyentes fundamentales de los convertidores de potencia que forman parte del tren de traccion para automocion. - Nuevos dispositivos semiconductores de potencia. Los nuevos objetivos y retos tecnologicos solo pueden lograrse mediante el uso de nuevos materiales. Los semiconductores Wide bandgap (WBG), especialmente los dispositivos electronicos de potencia basados en nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC), son las alternativas mas prometedoras al silicio (Si) debido a las mejores prestaciones que poseen dichos materiales, lo que permite mejorar la conductividad termica, aumentar las frecuencias de conmutacion y reducir las perdidas. - Analisis de tecnicas de rutado, conexionado y ensamblado de modulos de potencia. Los modulos de potencia fabricados con dies en lugar de dispositivos discretos son la opcion preferida por los fabricantes para lograr las especificaciones indicadas por la industria de la automocion. Teniendo en cuenta los estrictos requisitos de eficiencia, fiabilidad y coste es necesario revisar y plantear nuevos layouts de las etapas de conversion de potencia, asi como esquemas y tecnicas de paralelizacion de los circuitos, centrandose en las tecnologias disponibles.Teniendo en cuenta dichos aspectos, la presente investigacion evalua las alternativas de semiconductores de potencia que pueden ser implementadas en aplicaciones HEV/EV, asi como su conexionado para la obtencion de las densidades de potencia requeridas, centrandose en la tecnica de paralelizacion de semiconductores. Debido a la falta de informacion tanto cientifica como comercial e industrial sobre dicha tecnica, una de las principales contribuciones del presente trabajo ha sido la propuesta y verificacion de una serie de criterios de diseno para el diseno de modulos de potencia. Finalmente, los resultados que se han extraido de los circuitos de potencia propuestos demuestran la utilidad de dichos criterios de diseno, obteniendo circuitos con bajas impedancias parasitas y equilibrados electrica y termicamente. A nivel industrial, el conocimiento expuesto en la presente tesis permite reducir los tiempos de diseno a la hora de obtener prototipos de ciertas garantias, permitiendo comenzar la fase de prototipado habiendose realizado comprobaciones electricas y termicas.