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 Experimental Evaluation of SiC Switches in Soft-Switching Converters
Alstom Power.
KTH, Skolan för elektro- och systemteknik (EES), Elektrisk energiomvandling.ORCID-id: 0000-0002-1755-1365
Alstom Power.
KTH, Skolan för elektro- och systemteknik (EES), Elektrisk energiomvandling.
2014 (Engelska)Ingår i: IEEE transactions on power electronics, ISSN 0885-8993, E-ISSN 1941-0107, Vol. 29, nr 5, s. 2527-2538Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Soft-switching converters equipped with insulated gate bipolar transistors (IGBTs) in silicon (Si) have to be dimensioned with respect to additional losses due to the dynamic conduction losses originating from the conductivity modulation lag. Replacing the IGBTs with emerging silicon carbide (SiC) transistors could reduce not only the dynamic conduction losses but also other loss components of the IGBTs. In the present paper, therefore, several types of SiC transistors are compared to a state-of-the-art 1200-V Si IGBT. First, the conduction losses with sinusoidal current at a fixed amplitude (150 A) are investigated at different frequencies up to 200 kHz. It was found that the SiC transistors showed no signs of dynamic conduction losses in the studied frequency range. Second, the SiC transistors were compared to the Si IGBT in a realistic soft-switching converter test system. Using a calorimetric approach, it was found that all SiC transistors showed loss reductions of more than 50%. In some cases loss reductions of 65% were achieved even if the chip area of the SiC transistor was only 11% of that of the Si IGBT. It was concluded that by increasing the chip area to a third of the Si IGBT, the SiC vertical trench junction field-effect transistor could yield a loss reduction of approximately 90%. The reverse conduction capability of the channel of unipolar devices is also identified to be an important property for loss reductions. A majority of the new SiC devices are challenging from a gate/base driver point-of-view. This aspect must also be taken into consideration when making new designs of soft-switching converters using new SiC transistors.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
IEEE Press, 2014. Vol. 29, nr 5, s. 2527-2538
Nyckelord [en]
Bipolar junction transistor (BJT), conductivity modulation, insulated gate bipolar transistor (IGBT), junction field-effect transistor (JFET), metal-oxide-semiconductor FET (MOSFET), resonant converters, silicon carbide (SiC), soft switching
Nationell ämneskategori
Elektroteknik och elektronik
Forskningsämne
Järnvägsgruppen - Elsystem
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-122678DOI: 10.1109/TPEL.2013.2265380ISI: 000329991500038Scopus ID: 2-s2.0-84893080393OAI: oai:DiVA.org:kth-122678DiVA, id: diva2:623257
Anmärkning

QC 20130710

Tillgänglig från: 2013-05-26 Skapad: 2013-05-26 Senast uppdaterad: 2017-12-06Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. On Gate Drivers and Applications of Normally-ON SiC JFETs
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>On Gate Drivers and Applications of Normally-ON SiC JFETs
2013 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

In this thesis, various issues regarding normally-ON silicon carbide (SiC)Junction Field-Effect Transistors (JFETs) are treated. Silicon carbide powersemiconductor devices are able to operate at higher switching frequencies,higher efficiencies, and higher temperatures compared to silicon counterparts.From a system perspective, these three advantages of silicon carbide can determinethe three possible design directions: high efficiency, high switchingfrequency, and high temperature.The structure designs of the commercially-available SiC power transistorsalong with a variety of macroscopic characteristics are presented. Apart fromthe common design and performance problems, each of these devices suffersfrom different issues and challenges which must be dealt with in order to pavethe way for mass production. Moreover, the expected characteristics of thefuture silicon carbide devices are briefly discussed. The presented investigationreveals that, from the system point-of-view, the normally-ON JFET isone of the most challenging silicon carbide devices. There are basically twoJFET designs which were proposed during the last years and they are bothconsidered.The state-of-the-art gate driver for normally-ON SiC JFETs, which wasproposed a few years ago is briefly described. Using this gate driver, theswitching performance of both Junction Field-Effect Transistor designs wasexperimentally investigated.Considering the current development state of the available normally-ONSiC JFETs, the only way to reach higher current rating is to parallel-connecteither single-chip discrete devices or to build multichip modules. Four deviceparameters as well as the stray inductances of the circuit layout might affectthe feasibility of parallel connection. The static and dynamic performance ofvarious combinations of parallel-connected normally-ON JFETs were experimentallyinvestigated using two different gate-driver configurations.A self-powered gate driver for normally-ON SiC JFETs, which is basicallya circuit solution to the “normally-ON problem” is also shown. This gatedriver is both able to turn OFF the shoot-through current during the startupprocess, while it also supplies the steady-state power to the gate-drivecircuit. From experiments, it has been shown that in a half-bridge converterconsisting of normally-ON SiC JFETs, the shoot-through current is turnedOFF within approximately 20 μs.Last but not least, the potential benefits of employing normally-ON SiCJFETs in future power electronics applications is also presented. In particular,it has been shown that using normally-ON JFETs efficiencies equal 99.8% and99.6% might be achieved for a 350 MW modular multilevel converter and a40 kVA three-phase two-level voltage source converter, respectively.Conclusions and suggestions for future work are given in the last chapterof this thesis.

Abstract [sv]

I denna avhandling behandlas olika aspekter av normally–ON junction–field–effect–transistorer (JFETar) baserade på kiselkarbid (SiC). Effekthalvledarkomponenteri SiC kan arbeta vid högre switchfrekvens, högre verkningsgradoch högre temperatur än motsvarigheterna i kisel. Ur ett systemperspektivkan de tre nämnda fördelarna användas i omvandlarkonstruktionen för attuppnå antingen hög verkningsgrad, hög switchfrekvens eller hög temperaturtålighet.Såväl halvledarstrukturen som de makroskopiska egenskaperna för kommersiellttillgängliga SiC–transistorer presenteras. Bortsett från de vanligakonstruktions–och prestandaproblemen lider de olika komponenterna av ettantal tillkortakommanden som måste övervinnas för att bana väg för massproduktion.Även framtida SiC–komponenter diskuteras.Ur ett systemperspektiv är normally-ON JFETen en av de mest utmanandeSiC-komponenterna. De två varianter av denna komponent som varittillgängliga de senaste åren har båda avhandlats.State–of–the–art–drivdonet för normally-ON JFETar som presenteradesför några år sedan beskrivs i korthet. Med detta drivdon undersöks switchegenskapernaför båda JFET-typerna experimentellt.Vid beaktande av det aktuella utvecklingsstadiet av de tillgängliga normally–ON JFETarna i SiC, är det möjligt att uppnå höga märkströmmar endastom ett antal single–chip–komponenter parallellkopplas eller om multichipmodulerbyggs. Fyra komponentparametrar samt strö-induktanser för kretsenkan förutses påverka parallellkopplingen. De statiska och dynamiska egenskapernaför olika kombinationer av parallellkopplade normally-ON JFETarundersöks experimentellt med två olika gate–drivdonskonfigurationer.Ett självdrivande gate-drivdon för normally-ON JFETar presenteras också.Drivdonet är en kretslösning till “normally–ON–problemet”. Detta gatedrivdonkan både stänga av kortslutningsströmmen vid uppstart och tillhandahållaströmförsörjning vid normal drift. Med hjälp av en halvbrygga medkiselkarbidbaserade normally–ON JFETar har det visats att kortslutningsströmmenkan stängas av inom cirka 20 μs.Sist, men inte minst, presenteras de potentiella fördelarna med användningenav SiC-baserade normally-ON JFETar i framtida effektelektroniskatillämpningar. Speciellt visas att verkningsgrader av 99.8% respektive 99.5%kan uppnås i fallet av en 350 MW modular multilevel converter och i en40 kVA tvånivåväxelriktare. Sista kaplitet beskriver slutsatser och föreslagetframtida arbete.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2013. s. x, 102
Serie
Trita-EE, ISSN 1653-5146 ; 2013:28
Nyckelord
Silicon Carbide, Normally-ON Junction Field-Effect Transistors (JFETs), Gate-Drive Circuits, Protection circuits, High-Efficiency Converters.
Nationell ämneskategori
Annan elektroteknik och elektronik
Forskningsämne
Järnvägsgruppen - Elsystem
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-122679 (URN)978-91-7501-799-0 (ISBN)
Disputation
2013-06-14, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, KTH, Stockholm, 13:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

QC 20130527

Tillgänglig från: 2013-05-27 Skapad: 2013-05-26 Senast uppdaterad: 2013-05-27Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(1002 kB)1168 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 1002 kBChecksumma SHA-512
6dff8d9a0e554d773b845343070061609c915a5ae935394acfac3b6fda4635b4932ccca2d6fea35d5adae184bddcca924926c768618b81df2da45a17c0dd078b
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopusIEEEXplore

Personposter BETA

Nee, Hans-Peter

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Nee, Hans-PeterPeftitsis, Dimosthenis
Av organisationen
Elektrisk energiomvandling
I samma tidskrift
IEEE transactions on power electronics
Elektroteknik och elektronik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 1168 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 269 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