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Thermal Characterization and Comparison of Intelligent Power Modules for Permanent-Magnet Synchronous-Motor Drives

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2 Contents CONTENTS ........................................................................................................................................... 2 PREFACE .............................................................................................................................................. 5 ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................................................... 7 CHAPTER 1 .......................................................................................................................................... 9 INTRODUCTION TO ELECTRIC DRIVES ............................................................................................ 9 1. Generalities about electric drives............................................................................................................... 9 2. Overviews on electrical drives .................................................................................................................. 14 a. Power converter/control stage ............................................................................................................ 15 b. Electric motor....................................................................................................................................... 18 c. Coupler ................................................................................................................................................. 33 d. Mechanical load ................................................................................................................................... 33 e. Feedback .............................................................................................................................................. 37 CHAPTER 2 ........................................................................................................................................ 38 PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS (PMSMs) .......................................................... 38 1. PMSMs and permanent magnet materials .............................................................................................. 38 2. Classification of Permanent Magnet Motors ........................................................................................... 39 a. Direction of field flux ........................................................................................................................... 39 b. Flux density distribution ...................................................................................................................... 40 c. Surface mounted and interior mounted PM motors ........................................................................... 40 3. Clarke’s transformation ............................................................................................................................ 42 4. Park’s transformation ............................................................................................................................... 44 5. Mathematical modeling of PMSMs .......................................................................................................... 47 6. Field Oriented Control (FOC) .................................................................................................................... 49 7. Sensorless FOC techniques for PMSMs .................................................................................................... 51 8. Hardware implementation of the FOC algorithm .................................................................................... 53 9. Space Vector Modulation (SVM) .............................................................................................................. 54 10. Six-step modulation ................................................................................................................................. 63 CHAPTER 3 ........................................................................................................................................ 68 INTELLIGENT POWER MODULES (IPMs) ....................................................................................... 68 1. Generalities on IPMs ................................................................................................................................ 68 2. IPMs: integration technologies ................................................................................................................ 71 a. Monolithic integration ......................................................................................................................... 71 b. Hybrid integration ................................................................................................................................ 73 3. SLLIMM IGBT Intelligent Power Modules: features and benefits ............................................................ 75 a. Overtemperature protection ............................................................................................................... 77 3 b. Bootstrap circuit .................................................................................................................................. 78 c. Comparator and “Smart shutdown” for fault sensing and protection ................................................ 81 d. Integrated operational amplifiers (Op-Amps) ...................................................................................... 83 e. Interlocking and dead time function .................................................................................................... 84 f. Undervoltage Lockout (UVLO) ............................................................................................................. 84 g. High voltage level shift ......................................................................................................................... 85 4. Thermal analysis ....................................................................................................................................... 85 a. Thermal resistance ............................................................................................................................... 85 b. Thermal capacitance ............................................................................................................................ 88 5. Thermal behavior modeling ..................................................................................................................... 89 6. Thermal analysis of IPMs .......................................................................................................................... 92 CHAPTER 4 ........................................................................................................................................ 96 PCB DESIGN FOR IPM APPLICATIONS ........................................................................................... 96 1. PCB electrical design: overviews ................................................................................................................... 96 a. First stage design ................................................................................................................................. 97 b. Second stage design ............................................................................................................................. 98 c. ST Motor Control Workbench ............................................................................................................ 103 d. IAR Embedded Workbench IDE .......................................................................................................... 106 CHAPTER 5 ..................................................................................................................................... 108 THERMAL PERFOMANCES OF SLLIMM-nano IPMs .......................................................................108 1. Thermal behavior of SLLIMM-nano IPMs in free-air condition .............................................................. 108 2. Thermal behavior of SLLIMM-nano IPMs with a small heatsink ............................................................ 113 3. Thermal behavior of SLLIMM-nano IPMs with a large heatsink............................................................. 116 4. Junction temperature estimation .......................................................................................................... 118 CHAPTER 6 ..................................................................................................................................... 122 CONCLUSIONS ...........................................................................................................................122 1. Synopsis .................................................................................................................................................. 122 APPENDIX A ................................................................................................................................... 124 MATLAB TM SCRIPTS ....................................................................................................................124 1. abc to dq0 transformation ..................................................................................................................... 124 2. abc to dq0 transformation for synchronous-machines quantities ......................................................... 124 APPENDIX B ................................................................................................................................... 127 SLLIMM TM -nano .........................................................................................................................127 1. Datasheet, resources and related info ................................................................................................... 127 4 APPENDIX C ................................................................................................................................... 128 PCBs PICTURES ..........................................................................................................................128 1. Orcad Layout: PCB structure .................................................................................................................. 128 2. PCBs photos ............................................................................................................................................ 129 BIBLIOGRAPHY ............................................................................................................................. 130
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Thermal Characterization and Comparison of Intelligent Power Modules for Permanent-Magnet Synchronous-Motor Drives

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Informazioni tesi

  Autore: Giuseppe Attilio Laudani
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2011-12
  Università: Università degli Studi di Catania
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria elettronica
  Relatore: Angelo Raciti
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 131

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