• Detailed analysis of a high frequency wide bandgap power converter
  • Simulation and preliminary design of possible Air Core Transformers
  • Preliminary analysis regarding the impact of high voltage (6.5kV) SiC MOSFETs on the system
  • Solutions based on a high voltage transistor, Figure 1
  • Multilevel/Multicell solutions, Figure 2
  • Solutions based on cascode device (several SiC MOSFETs/JFETs in series), Figure 3
  • Evaluation of the performance metrics (efficiency/size/reliability)
  • We need to understand the importance of each design decision on the overall performance
• Design of a high frequency wide bandgap power converter
  • Evaluation of possible high voltage SiC Modules in the power converter
• Designing and Building of the Air Core SST platform composed of multiple converters
• Modelling and stability of the future transport MVDC grid

Scientific, Technical and economic impact

The ASSTRA launches development of a new paradigm for efficient and reliable energy processing based on the Air Core SST. The
conceptual development and practical demonstration of this energy processing component are the sole objectives of this project.
From the scientific and technical point of view, ASSTRA will allow increasing the knowledge, resources and skills of Europe in the field of
MVDC energy processing enabling European partnerships in world-wide collaborations. CEI will acquire a leading position in this
technology.
A study by the EU parliament assumes that by 2050 maritime traffic will be responsible for almost a fifth of global CO2 emissions. This
puts at risk the targets of the Paris Climate Agreement, which specifies limiting global warming to well below two percent. There are
predictions that worldwide sales of fully electric and hybrid ships will increase, and that the figure could reach $20 billion by 2027. From the
point of view of the future airplanes, they will demand significantly higher power levels in which the current low frequency AC distribution
simply will not suffice. The Boeing 787 requires about 1.5 megawatts of electrical power to drive its systems. Therefore, it will be needed to
radically change the power distribution paradigm and ASSTRA with its Air Core SST will provide a solution for these problems

La electrificación de todas las modalidades de transporte es el proceso que ya se ha empezado y existe una gran necesidad para nuevas tecnologías que van a ofrecer más rendimiento eléctrico y más densidad de potencia, aproximadamente, 200-300 g/kW si utilizamos la idea propuesta en este proyecto.
Este ahorro es si comparamos una solución que utiliza una ferrita para el núcleo con nuestro transformador con el núcleo de aire. Adicionalmente, como tendencias en las potencias utilizadas apunta haca el rango de MW, las soluciones para la red eléctrica en aviones y barcos eléctricos van hacia ideas basadas en la corriente continua porque estas redes ofrecen más rendimiento y no es necesario sincronizarlas. Por ello, nuestra idea del transformador de corriente continua es uno de los componentes clavos para el desarrollo de estos sistemas.
La topología propuesta consta solo de una etapa, mientras las soluciones clásicas (para las redes de corriente alterna), normalmente, requieren tres etapas (rectificador, convertidor CC-CC de alta frecuencia con aislamiento, inversor). Dos etapas adicionales pesan unos 2-3 kg/kW, estresando los ahorros en peso que se obtiene aplicando la idea propuesta. Al mismo tiempo, es más barato y más robusto, ya que
requiere menos componentes.
En este proyecto no se ha demostrado solamente la funcionalidad del prototipo, sino se ha analizado si esta solución impacta las soluciones ya existentes, y se ha concluido que no afecta negativamente la estabilidad del sistema.
El rendimiento total está entre 94% y 96% y a la primera vista es relativamente bajo. Sin embargo, si hacemos una comparación justa y comparamos nuestra solución de una etapa con las soluciones del estado de arte de tres etapas, podemos ver que en el peor caso el rendimiento total es parecido. Para legar a una solución aceptable por la industria global se requiere más trabajo y más pruebas (antes de todo de fiabilidad), pero por todo lo que hemos visto y medido, creemos que esta idea si que ha
aportado al reto seleccionado.
Evitando el núcleo de ferrita en el diseño del transformador directamente estamos bajando la necesidad de materiales/cerámicas basados en hierro, haciendo impacto en los temas ecológicos, relacionados con la excavación de este material.
La idea desarrollada en este proyecto en si misma es solo una pieza en un puzle mucho más grande,
porque estamos apoyando el paradigma del avión/barco eléctrico resolviendo uno de los problemas pendientes en esta área. Claramente, si, como la sociedad, logramos desarrollar el transporte eléctrico esta idea podría apoyar la mejora del medioambiente, impactando a la huella del carbón de estas aplicaciones.
Los nuevos modelos electro-térmicos basados en redes neuronales, que se han desarrollado para la optimización de magnéticos, podrían generalizarse y para otras áreas de electrónica (diseño de PCBs, módulos, etc.) y nos han llevado a la creación de nuevas áreas de investigación. Ahora mismo estamos utilizando estas ideas en un proyecto europeo (All2GaN, liderado por Infineon) para bajar el tiempo de diseño de convertidores basados en GaN, con la idea de impactar directamente al desarrollo de elementos necesarios para la electrificación de la industria europea.
Finalmente, gracias al tema y los resultados del proyecto el IP fue invitado participar en la escuela de verano de doctorandos europeos (organizado por European Center for Power Electronics – ECPE). De esta manera hemos transmitido nuestras ideas del transformador con el núcleo de aire a los futuros especialistas en el tema de electrónica de potencia. Al mismo tiempo, la metodología de modelado, diseño y optimización se ha incluido en el curso de máster del centro (CEI – ETSII) dentro de la asignatura de High Frequency Magnetic Design, impactando una base de alumnos incluso más grande.