Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Analysis of short circuit type II and III of high voltage SiC MOSFETs with fast current source gate drive principle
Show others and affiliations
2016 (English)In: 2016 IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference, IPEMC-ECCE Asia 2016, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2016, 3392-3397 p., 7512839Conference paper (Refereed)
Abstract [en]

The Silicon Carbide (SiC) MOSFET is considered to be the leading candidate for future 1.7 kV and 3.3 kV switches in 2-level voltage source converters (VSC) up to 2 MW. For those converters, short circuit (SC) in the dc-link loop can occur due to a number of reasons, e.g. faulty semiconductor modules, faulty gate drivers (GDs), or electro-magnetic interference (EMI). Termination of such SCs is important in order to protect components and reduce the damage in the converter box. This paper presents a new short circuit protection scheme based on a universal current-source GD principle without dedicated hardware components. The performance of the design is evaluated for SC in the dc-link loop under load conditions, called type II and type III. Moreover, measurement results are presented using the proposed GD connected to a 1700 V 300 A SiC MOSFET tested during SC type II and III at two different dc-link stray inductances, 30 nH and 100 nH, and at two different temperatures, 25 °C and 125 °C. The conclusions are that the proposed scheme is able to terminate both SC type II and III with fast reaction time, with low energy dissipation, with a margin of about 15 times below the destructive level for dc-link voltages and load currents up to 1050 V and 300 A respectively.

Place, publisher, year, edition, pages
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2016. 3392-3397 p., 7512839
Series
IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference IPEMC
Keyword [en]
FPGA, Gate Drive, Short Circuit, SiC MOSFET, Energy dissipation, Field programmable gate arrays (FPGA), HVDC power transmission, Motion control, Power control, Power converters, Power electronics, Reconfigurable hardware, Short circuit currents, Silicon carbide, Wide band gap semiconductors, Gate drives, Low energy dissipations, Magnetic interference, Semiconductor modules, Short-circuit protection, Silicon carbide MOSFETs, Voltage source converters, MOSFET devices
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-197145DOI: 10.1109/IPEMC.2016.7512839ISI: 000390949703092ScopusID: 2-s2.0-84983341192ISBN: 9781509012107 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-197145DiVA: diva2:1056006
Conference
8th IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference, IPEMC-ECCE Asia 2016, Hefei, China, 22 May 2016 through 26 May 2016
Note

QC 20161213

Available from: 2016-12-13 Created: 2016-11-30 Last updated: 2017-05-17Bibliographically approved
In thesis
1. On Gate Drivers for MOS-Controlled Power Devices and dv-dt Filters for Train Traction Converters
Open this publication in new window or tab >>On Gate Drivers for MOS-Controlled Power Devices and dv-dt Filters for Train Traction Converters
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
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.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. 59 p.
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146
Keyword
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
National Category
Engineering and Technology
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-207166 (URN)978-91-7729-443-6 (ISBN)
Public defence
2017-06-15, F3, Lindstedtsvägen 26, våningsplan 2, Stockholm, 15:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Energy Agency, 41426-1VINNOVA, 2014-05502VINNOVA, 2012-03699
Note

QC 20170519

Available from: 2017-05-19 Created: 2017-05-17 Last updated: 2017-05-22Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Nee, Hans-PeterSadik, Diane-Perle
By organisation
Electric Power and Energy Systems
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

Altmetric score

Total: 21 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf