Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
An Ultra-Low Loss Inductorless dv/dt Filter Concept for Medium Power Voltage Source Motor Drive Converters with SiC Devices
KTH, Skolan för elektro- och systemteknik (EES), Elkraftteknik. Bombardier Transportation Sweden AB.ORCID-id: 0000-0003-4307-2410
Visa övriga samt affilieringar
(Engelska)Ingår i: IEEE transactions on power electronics, ISSN 0885-8993, E-ISSN 1941-0107Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Submitted
Nationell ämneskategori
Teknik och teknologier
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-207165OAI: oai:DiVA.org:kth-207165DiVA, id: diva2:1096464
Forskningsfinansiär
Energimyndigheten, 41426-1
Anmärkning

QC 20170531

Tillgänglig från: 2017-05-17 Skapad: 2017-05-17 Senast uppdaterad: 2017-05-31Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. On Gate Drivers for MOS-Controlled Power Devices and dv-dt Filters for Train Traction Converters
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>On Gate Drivers for MOS-Controlled Power Devices and dv-dt Filters for Train Traction Converters
2017 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

In this thesis, low-loss gate-drive solutions and a proposed dv/dt-filter have been investigated with focus on train traction converters with dv/dt constraints.By using the silicon carbide (SiC) junction field-effect transistor (JFET), the switching losses can be significantly reduced compared to the commonly used insulated-gate bipolar transistor (IGBT), but complex gate-driver solutions are required for high utilization in terms of loss reduction.For the IGBT and the p-i-n diode, the dv/dt across the diode at the turn-ON process of the IGBT was found to be as highest with low phase current and low temperature while the losses are as highest at high phase currents and temperatures. Therefore, a proposal meeting this tradeoff has been addressed in this thesis tailored at minimal cost for the new half-bridge package resulting in a switching loss reduction of up to 30 %.For the SiC metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), an investigation has been performed in order to use the train operation point in order to minimize the switching losses given a certain dv/dt requirement. In addition, separate control of the di/dt and dv/dt were implemented. In total, a loss reduction of 20 % is achieved. In addition, phase short-circuit investigations have been performed using the SiC MOSFET with a gate-driver proposal meeting the application requirements. The results show that short circuits with fast current rise can be terminated.Finally, a new dv/dt filter which uses the stray inductance present in the inter-connections between the power devices and the convert output terminals as a filter component is proposed. By doing so, the SiC MOSFETs can be fully utilized with high dv/dt and low switching losses even though the converter output dv/dt levels are in the range of the levels for which an IGBT equipped converter exhibits with ultra-low additional filter losses. As a consequence, the switching frequency can be four times higher for the same switching losses.

Abstract [sv]

I den här avhandlingen har drivdonslösningar för krafthalvledare och ett föreslagit dv/dt-filter blivit undersökta med fokus på tåg nät- och maskinströmriktare med dv/dt-begränsningar. Låga förluster på krafthalvledarna medför reduceringar på vikt, volym och kostnad på omriktarkomponenter som kyldelar och kapslingar.

Krafthalvledarna som är studerade i den här avhandlingen är kiselkarbid JFET (junction field-effect transistor) och MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) och även de välkända kiselkomponenterna IGBT och p-i-n diod.

Studien på JFET:n har visa att omslagsförlusterna kan bli avsevärt reducerade jämfört med IGBT:n, men komplexa drivdonslösningar krävs för hög utnyttjandegrad med avseende på förlustreduceringar.

För den så ofta använda kisel IGBT:n och p-i-n dioden, har studien visat att dv/dt över dioden vid tillslagsprocessen av IGBT:n är som högst vid låg fasström och låg temperatur. å andra sidan, de mest kritiska arbetspunkterna förlustmässigt i ett tåg är när krafthalvledartemperaturen och strömmen är som högst. För att adressera den här motsättningen i avhandlingen, är en ny lösning till minimal produktkostnad föreslagen. Den är skräddarsydd för det nya krafthalvledarhuset, vilket är konstruerat som halvbrygga. Med den föreslagna lösningen, blir dv/dt vid låga strömmar är begränsad, medan förlusterna vid höga är reducerade.

För SiC MOSFET:n har en undersökning är uförts för att använda tågets arbetspunkt för att minska omslagsförlusterna vid ett givet dv/dt-krav. Vidare har separat styrning av di/dt och dv/dt implementerats. Till skillnad från de bipolära komponenterna IGBT och p-i-n diod, så ökar dv/dt för SiC MOSFET och JBS dioden med kommuterad ström och temperatur. Därför är vinsten att göra en så dan optimering mindre än för IGBT:n och p-i-n dioden. Vidare har en undersökning avseende kortslutningar på SiC MOSFET:n utförts med ett förslag på drivdon som möter applikationskraven. Resultaten visar att kortslutningar med snabb strömstigning kan bli släckta, men p.g.a. den lägre termiska massan behöver kortslutningsdetekteringen och släckningen ske snabbare än med IGBT:n.

Slutligen har ett nytt dv/dt-filter föreslagits. Det nya konceptet använder sig av parasitinduktansen som finns i anslutningen mellan krafthalvledaren och omriktarens utgång. Med hjälp av det här tillvägagångssättet, kan SiC MOSFET:n bli fullt utnyttjad även om dv/dt på omriktarens utgång är på samma nivå som en omriktare med IGBT:er med mycket låga filterförluster. Med hjälp av att använda det här filtret, kan omslagsfrekvensen tillåtas vara fyra gånger högre än vid samma omslagsförluster jämfört med en lösning där den tillåtna nivån på dv/dt är uppnådd med hjälp av att justera drivdonet.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. s. 59
Serie
TRITA-EE, ISSN 1653-5146
Nyckelord
Power semiconductor devices, DC-AC power converters, Silicon carbide, Insulated gate bipolar transistors, P-i-n diodes, Schottky diodes, Traction motors, Power MOSFET, Krafthalvledare, DC-AC kraftomvandlare, kiselkarbid, IGBT, P-i-n dioder, Schottky dioder, traktionsmotorer, Effekt-MOSFET
Nationell ämneskategori
Teknik och teknologier
Forskningsämne
Elektro- och systemteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-207166 (URN)978-91-7729-443-6 (ISBN)
Disputation
2017-06-15, F3, Lindstedtsvägen 26, våningsplan 2, Stockholm, 15:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Forskningsfinansiär
Energimyndigheten, 41426-1VINNOVA, 2014-05502VINNOVA, 2012-03699
Anmärkning

QC 20170519

Tillgänglig från: 2017-05-19 Skapad: 2017-05-17 Senast uppdaterad: 2017-06-15Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Personposter BETA

Nee, Hans-Peter

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Velander, ErikBotling, FredrikZanuso, GiovanniNee, Hans-Peter
Av organisationen
Elkraftteknik
I samma tidskrift
IEEE transactions on power electronics
Teknik och teknologier

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetricpoäng

urn-nbn
Totalt: 386 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf