The use of high-powered electrical energy systems requires an efficient and capable means to move electrical energy from one location to another while reducing energy losses. This paper describes the design and construction process of a high-powered busbar system that is to be implemented in pulsed-power applications. In order to obtain a robust system capable of handling in excess of 25kJ, both mechanical and electrical analyses were performed to verify a capable design. The following methodology describes how the Lorentz force was balanced with mechanical forces during the design process and then validated after construction was completed using the fundamental Maxwell equations and computer simulations. Main focuses include handling of EMF, high current density concentrations, and overall mechanical stability of the system and how these effects determine the physical design and implementation. In the end, a repeatable methodology is presented in the form of a design process that can be implemented in any system given the design criteria. / Master of Science

La conception de jeux de barres nécessite le développement de modèles et d'outils informatiques spécifiques à ce domaine du génie électrique afin d'être compatible avec les méthodes de dimensionnement existantes. Les principales grandeurs utiles lors d'une conception sont : les courants circulant dans chaque conducteur ainsi que les grandeurs directement liées aux courants telle que la puissance dissipée sous forme de pertes joules. Les autres grandeurs recherchées découlent de la connaissance du courant: l'induction magnétiques et les efforts éîectrodynamiques. Dans un premier temps une approche qualifiable de conventionnelle est menée afin d'obtenir des modèles pouvant être utilisés dans des environnements de dimensionnement. Cette approche permet de présenter les difficultés matérielles ou théoriques rencontrées avec ces méthodes. Dans un second temps l'approche proposée afin d'évaluer le courant électrique est présentée et validée à l'aide d'une maquette et de simulations éléments finis. Lorsque le courant est connu, il est possible de mettre en place les méthodes de calcul permettant d'évaluer l'induction magnétique ainsi que les efforts éîectrodynamiques, puis de valider ces calculs à l'aide de simulation éléments finis. Finalement la méthodologie d'optimisation est présentée et deux optimisations sur des cas réels sont présentées.

The aim of this work is to simulate the electric field in the space of busbar HV switchgear. More precisely, the aim is to find a place with the most critical value of the electric field, the design of measures to reduce the size of the field at this point. The simulation was performed using the finite element method program. The simulation found the most critical area. Using the basic physical principles it has been proposed solution. This solution reduced twice the magnitude the electric field in this area.

The development and implementation of silicon carbine (SiC) devices is steadily increasing facilitating the electrification of aircrafts. In this thesis, a printed circuit board (PCB) based heavy copper busbar design and verification are introduced for a SiC based 250 kW multiphase drive system operated at 40,000 ft. Finite-element analysis (FEA) simulation studies of the PCB busbar are conducted to optimize the electric field intensity. Busbar modeling technic is also discussed to derive the current distribution and extract the loss. The measured partial discharge inception voltage (PDIV), switching transients and converter-level validations are provided for insulation, thermal and commutation loop verifications. As the part of the inverter system, the integrated gate driver is designed with SPI communication to drive the wide bandgap SiC power modules. With feature of drain-to-source current sensing feature, the gate driver could also provide over-current protection to fast-switching SiC power modules. The converter level verification is performed under single, dual, and quadruple three-phase inverter system for aviation motor drive to evaluate the overall performance of the powertrain converter. The outcomes of this research contribute to the advancement of electric aircraft technology by leveraging the benefits of SiC devices and optimizing busbar design, providing valuable insights and guidelines for engineers and researchers involved in the development and optimization of power electronic systems for all-electric aircraft applications. / Master of Science / This research focuses on the design and verification of PCB (Printed Circuit Board) busbars for a multiphase SiC-based all-electric aircraft powertrain converter. Silicon Carbide (SiC) devices, known for their high efficiency and fast-switching capabilities, are used in the converter to enhance its performance. The goal is to develop an optimized busbar design that ensures efficient power distribution and minimizes energy losses in this advanced aviation powertrain system. The study explores different aspects of busbar insulation design and analyzes busbar current distribution and loss extraction using simulation and modeling techniques. Additionally, gate driver design and communication network are investigated to drive and protect the wide bandgap SiC devices and to ensure the overall performance of the powertrain converter. The converter level verification is also performed under single, dual, and quadruple three-phase inverter system for aviation motor drive. The findings of this research contribute to the advancement of electric aircraft technology, utilizing SiC devices and optimized busbar design, and provide valuable insights for engineers and researchers working on power electronic systems for electric aircraft applications.

The importance of further research in the field of solar cells is crucial for the transition to cleaner energy. The aim of this project is to design and manufacture a contact system that can measure busbarless solar cells with an LBIC-system. In this project mono-crystalline busbarless solar cells were utilized, busbarless solar cells only have small fingers that go vertically. When an incident photon hits the solar cell it can be absorbed by the bulk material, by the pn-junction an electrical field will set the electrons in motion so an electrical current can be harvested. LBIC, which stands for light beam induced current is a technique to spatially map the quantum efficiency of a solar cell, there is also an availability to make phasemeasurements. There are two different quantum efficiencies, External quantum efficiency (EQE) and Internal quantum efficiency (IQE). The phase measurement of the LBIC shows how much resistance exists between the point of current-generation and the contacts where the current is collected. A contact system with a comb-like figure of phosphor bronze was manufactured and mounted on to the LBIC-machine. Several measurements were executed on two solar cells. This new contact system can measure busbarless solar cells, with a good connection to almost all the fingers on the solar cell. The lack of contact with some fingers seemed to not affect the end result too much. It isn’t vital to have contact with all fingers to get a decent LBIC-mapping. / Vikten av ytterligare forskning inom området solceller är avgörande för omställningen till renare energi. Syftet med detta projekt är att designa och tillverka ett kontaktsystem som kan mäta solceller utan busbars med ett LBIC-system. I detta projekt användes monokristallina solceller utan busbars, solceller utan busbars har endast smala fingrar som går vertikalt. När en infallande foton träffar solcellen kan den absorberas av bulkmaterialet, vid pn-övergången kommer ett elektriskt fält att sätta elektronerna i rörelse så att en elektriskström kan samlas in. LBIC, som står för light beam induced current är en teknik för att rumsligt kartlägga kvantverkningsgraden för en solcell, det finns även en möjlighet att göra fasmätningar. Det finns två olika kvanteffektiviteter, Extern kvanteffektivitet (EQE) och Intern kvanteffektivitet (IQE). Fasmätningen av LBIC visar hur mycket motstånd som finns mellan punkten för strömgenerering och kontakterna där strömmen samlas. Ett kontaktsystem med en kamliknande figur gjord av fosforbrons tillverkades och monterades på LBIC-maskinen. Flera mätningar utfördes på två solceller. Detta nya kontaktsystemet kan mäta solceller utan busbars, med bra anslutning till nästan alla fingrar på solcellen. Bristen på kontakt med enskilda fingrar verkade inte påverka slutresultatet alltför mycket. Det är alltså då inte nödvändigt att ha kontakt med alla fingrar för att få en anständig LBIC-mätning.

Thermal expansion can be an issue in solid busbars, the expansion is caused by several factors and can cause plastic deformation in connection points or structure around it. The expansion occurs due to temperature differences in the busbar as a result of altered ambient temperature and/or joule heating. The environment where a vehicle is used can be harsh and varying in temperatures a lot. For future fast charging systems, a high amount of current will be passed in the conductors. In a stationary installation, this could be solved by increasing the cross-section area. In vehicles, the weight, cost, and space limitations callfor optimization of the conductor. In this thesis, there are several geometrical alterations done to the busbar to investigate the possibility to reduce the amount of stress acting on the connection points. The main geometrical evaluation is to compare a straight busbar to a U-shaped busbar. In the U-shape, the height, bend radius, and cross-section shape are investigated. To investigate this issue a simulation model was developed using Comsol, this software was used to evaluate stress values, max temperature, losses, and displacement. The results from the simulation showed that the U-shape has a large potential to reduce the amount of stress. Also, the cross-section shape tests showed that the steady-state temperature was lower for the more flatter shaped busbar. This is true both for the U-shape and straight busbar. This resulted inreduced amount of thermal expansion causing lower amount of stress, without adding any weight. The weight parameter is extremely important for vehicle implementation. The last test is looking at the busbar material where nickel-plated copper is compared to anodized aluminum. This test is divided into two parts, the first one is looking at an aluminum busbar compared to a copper busbar of the same geometry. This test showed that the losses in the aluminum busbar were much higher, but the steady-state temperature and max stress were lower. The second part of the test investigated the compensated aluminum busbar, this one is modeled by compensating the cross-section area for the higher resistance value of aluminum. The results from this busbar compared to the standard-shaped busbar showed a substantially lower stress, temperature and weight. But the overall dimensions are larger due to the compensated cross-section area. Having this larger Cross section area might hinder the implementation of aluminium busbars in parts of the vehicle where there is a lack of space, like in a battery box. / Termisk expansion i solida busbars är ett vanligt problem vid kraftig temperaturvariation. Problemet ökar med längden av busbaren och kan leda till plastisk deformation i infästningen av busbaren. Temperaturvariationen kan ske genom varierad omgivningstemperatur eller genom resistiv uppvärmning. Om en busbar ska användas i ett fordon för kraftöverföring är arbetsmiljön mycket påfrestande. Den termiska uppvärmningen går normalt att motverka genom att öka tvärsnittsarean, men i ett fordon där vikt, kostnad och platsbrist minskar möjligheten för ökad tvärsnittsarea blir optimering av ledaren extra viktig. För att undersöka problemet utvecklades en simuleringsmodell med hjälp av Comsol. Denna programvara använder för att utvärdera spänningskoncentrationer, maxtemperatur, förluster och utböjningar i busbaren. För att undersöka eventuella lösningar togs det fram flera geometriska variationer till busbaren, där möjligheten att använda en “U-form” utgjorde basen i en jämförelse mot en vanlig rakbusbar. För U-formen undersöktes U-höjden, böj-radien samt tvärsnittsformen. Även en jämförelse mellan nickelpläterad koppar och anodiserad aluminiumgenomfördes för att urskilja eventuella för och nackdelar med materialen. Resultaten från simuleringarna visade att U-formen gav klart lägre spänning i kontaktpunkterna. Även tvärsnittsformen påverkade temperaturen och spänningen i busbaren, där den plattare varianten presterade bättre på alla parametrar som undersöktes i simuleringen. För utvärderingen av materialet utfördes två tester, det första testet jämför en busbar i aluminium mot en i koppar med exakt samma geometri, detta testvisade att temperaturen samt spänningen blir lägre i aluminiumvarianten, dock ökar förlusterna kraftigt då aluminium har högre resistans än koppar. I den andra testet användes en kompenserad aluminiumbusbar där tvärsnittsarean har ökats för att ge samma resistans som kopparvarianten. Denna busbar fick en mycket lägre sluttemperatur, spänning och vikt. Förlusterna blev detsamma. Den högre tvärsnittsarean ger dock en fysiskt större busbar.

Les outils informatiques deviennent incontournables pour les concepteurs de circuits en électronique de puissance. Les étapes de tests sur prototypes n'échappent pas à cette règle. Le travail présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans cet axe de " prototypage informatique ". Il met en avant l'étude de l'environnement électromagnétique des composants de puissance. Plus précisément, les imperfections dues au câblage seront étudiées. Dans un premier temps, les inductances parasites sont étudiées pour des structures particulières de câblage : la technologie busbar. Cette étude s'inscrit dans une volonté d'intégrer le câblage comme un composant à part entière dans les logiciels. Une méthode permettant de s'affranchir des déséquilibres en courant dans les composants mis en parallèles est également présentée. Dans une deuxième partie, l'aspect capacitif est pris en compte. Le but de cette étude est de trouver une méthode rapide et efficace de déterminer les capacités parasites de systèmes complexes. Une comparaison de plusieurs logiciels est donc effectuée. La méthode retenue est une adaptation de la méthode PEEC. Celle-ci est validée par des mesures.

Les jeux de barres, canalisations électriques préfabriquées et plus généralement toutes les interconnexions sont indispensables à l'architecture de la filière électrique. Ces connectiques que l'on souhaiterait ‘transparentes' sont néanmoins le ‘parent pauvre' de l'optimisation car elles sont le lieu de pertes par effet Joule souvent largement supérieures au minimum théorique, du fait de répartitions de courant non-uniformes dans leurs sections.<br />Afin de prendre en compte ce phénomène dès la conception (au travers d'un outil logiciel dédié), on introduit une méthode de modélisation adaptée. Alors que les méthodes éléments finis sont adaptées aux organes de conversion électromécaniques, les connexions sont plus naturellement modélisées par la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit).<br />Couplée à des optimiseurs, cette méthode se révèle très efficace pour améliorer le design des conducteurs, tant sur l'agencement des barres pour lutter contre les effets de proximité que, comme on le montre ici, sur la forme des sections pour minimiser l'effet de peau par couplage à des algorithmes génétiques. Les outils développés donnent alors accès à une marge de gain importante jusqu'ici peu explorée. Afin de s'adapter aux dispositifs étudiés, dont une partie est entourée d'enveloppes métalliques, une extension de la méthode (baptisée ‘µPEEC') prenant en compte l'aimantation des tôles ferromagnétiques est proposée.<br />Pour l'épineux problème du choix de fonction objectif, l'analyse du cycle de vie et la recherche du moindre impact environnemental peuvent orienter l'arbitrage entre coût matière et pertes Joule consenties. Une extrapolation des gains accessibles est proposée.

Après sa production dans des centrales, l'électricité est acheminée sur de longues distances à travers le réseau électrique qui comporte des appareils haute tension destinés à la protection des installations. Parmi ces dispositifs, le GIS (Gaz Insulated Switchgear), dans lequel l'isolation électrique est assurée par le gaz SF6, est très utilisé. Il est soumis à des normes de sécurité imposant, notamment, des seuils de température à ne pas dépasser durant son fonctionnement. La connaissance et la maîtrise des phénomènes électromagnétiques et thermiques à l'origine des augmentations de température dans le GIS sont des enjeux cruciaux. Elles permettent un dimensionnement plus rapide et plus précis des appareils, aboutissant à un unique essai de validation des critères fixés par les normes. Elles fourniront également des solutions visant à réduire les échauffements des GIS. Cette réduction est importante car elle permet la circulation d'un courant plus élevé dans le GIS, ce qui aboutit à une amélioration des performances de l'appareil. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse présentent une analyse des phénomènes électro-thermiques dans le GIS et plus précisément dans les jeux de barres. Ils permettent la détermination des paramètres influençant l'augmentation de température dans cette géométrie. La contribution de chaque mode de transfert de chaleur (convection, rayonnement) est estimée et discutée. Une modélisation numérique du champ de température induite par la circulation du courant dans les jeux de barres est également proposée, en tenant compte du couplage avec le champ de vitesse induit. / Electricity is produced by power stations and is transported throughout the electric-power transmission at long distances with high voltage apparatus. The GIS (Gas Insulated Switchgear) is widely used switchgear. The electric insulation is ensured by the gas SF6. Security IEC norms impose temperature rises not to be exceeded during GIS operating. It is important to know and control the electromagnetic and thermal phenomenons which generate temperature rises. The switchgear design could then be faster and more precise, leading to only one successful temperature rise test. Solutions to reduce temperatures could also be found. The temperature rise reduction is crucial as it allow a higher current flowing through the GIS and an increase of its efficiency. The word achieved during this thesis presents an analysis of electro-thermal phenomenons in GIS and, more precisely, in busbars. It leads to the determination of the parameters influencing temperature rises and of the heat transfers proportion which is assessed and discussed. A numerical modelization is carried out to examine the temperature rises induced by the current flow in busbars.

The main objective of master‘s thesis was creation logical overcurrent busbar protection. The first part of document describes teaching test panels with ABB REF feeder protection´s terminals. These panels are installed in Laboratory of electrical protections at Department of electrical power engineering, Faculty of electrical engineering and communication, Brno University of technology. On these panels we can simulate the real involvement of the distribution station. Were subsequently describes used digital protection´s terminals REF 543. Then was designed configuration of these panels so to achieve logical busbar protection, which will be able to assess the short circuit fault and shut the smallest part of the busbar system. Within the configuration it was necessary to solve the cooperation of protection terminals. This was finally accomplished through connecting wires between each test panel. After the configuration it was necessary make the tests. We used secondary protection tester CMC 256plus. After the tests was analysis fault´s records and has been verified the accuracy of the proposed logical busbar protection.