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
An Ultra-Low Loss Inductorless dv/dt Filter Concept for Medium Power Voltage Source Motor Drive Converters with SiC Devices
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electric Power and Energy Systems. Bombardier Transportation Sweden AB.ORCID iD: 0000-0003-4307-2410
Show others and affiliations
(English)In: IEEE transactions on power electronics, ISSN 0885-8993, E-ISSN 1941-0107Article in journal (Refereed) Submitted
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-207165OAI: oai:DiVA.org:kth-207165DiVA, id: diva2:1096464
Funder
Swedish Energy Agency, 41426-1
Note

QC 20170531

Available from: 2017-05-17 Created: 2017-05-17 Last updated: 2017-05-31Bibliographically 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. p. 59
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146
Keywords
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: 2017-06-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Authority records BETA

Nee, Hans-Peter

Search in DiVA

By author/editor
Velander, ErikBotling, FredrikZanuso, GiovanniNee, Hans-Peter
By organisation
Electric Power and Energy Systems
In the same journal
IEEE transactions on power electronics
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 313 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