Charakterystyka tranzystorów z węglika krzemu w wysokosprawnych przekształtnikach

High Efficiency Power Converter Systems with Silicon Carbide Transistors

dr inż. Marek ADAMOWICZ

Abstract

Semiconductor power devices made from silicon carbide (SiC) reached a level of technology enabling their widespread use in power converters. In this paper the author presents the recent developments concerning SiC-based power converters as well as describing some results of the research carried out at the Gdansk University of Technology. The paper describes the static and dynamic properties of investigated SiC transistors and presents selected issues related to their implementation in power converters. The examples of realized SiC-based power converters with powers up to 40 kW, e.g. for high speed induction motor drives and small wind turbines have also been presented in the paper.

Streszczenie

Półprzewodnikowe przyrządy mocy z węglika krzemu (SiC) osiągnęły poziom technologiczny umożliwiający powszechne stosowanie w układach przekształtnikowych. W artykule omówiono ostatnie osiągnięcia dotyczące układów przekształtnikowych z przyrządami z węglika krzemu oraz wybrane wyniki badań realizowane na Politechnice Gdańskiej. W artykule opisano właściwości statyczne i dynamiczne tranzystorów MOSFET i JFET z węglika krzemu oraz zagadnienia związane z realizacją ultraszybkich układów sterowania bramkowego. Przedstawiono przykłady wykonanych przekształtników o mocach do 40 kW, m.in. do napędu z silnikiem wysokoobrotowym oraz małej elektrowni wiatrowej.

Keywords

silicon carbide, SiC MOSFET, SiC JFET, power converter, gate driver circuits

Słowa kluczowe

węglik krzemu, SiC MOSFET, SiC JFET, przekształtnik energoelektroniczny, układy

Rys. / Fig.

Bibliografia / Bilbiography

[1] M . K. Das: "SiC MOSFET Module Replaces up to 3x Higher Current Si IGBT Modules in Voltage Source Inverter Application", Bodo’s Power

Systems, Feb. 2013, 22 – 24, www.bodospower.com

[2] C. Rocneanu: "Are SiC Solutions Really Still More Expensive than Si Solutions Today?", Bodo’s Power Systems, Sept. 2013, 38 – 40,

www.bodospower.com

[3] M . Adamowicz, J. Pietryka, S. Giziewski, M. Rutkowski, Z. Krzemiński: "Układy sterowania bramkowego tranzystorów z węglika krzemu

SiC JFET w falownikach napięcia", Przegląd Elektrotechniczny, R. 88 (2012), nr 4b, s. 1– 6

[4] M . Adamowicz, S. Giziewski, J. Pietryka, Z. Krzemiński: "Performance Comparison of SiC Schottky Diodes and Silicon Ultra-Fast Recovery

Diodes", Proc. IEEE Conf. Compatiblity and Power Electronics (CPE), 2011, CD-ROM

[5] D .-P. Sadik, J. Colmenares, D. Peftitsis, J.-K. Lim, J. Rabkowski, H.-P. Nee: "Experimental investigations of static and transient current sharing

of parallel-connected silicon carbide MOSFET s", Proc. 15th European Conf. Power Electronics and Applications (EPE), 2013, 1–10

[6] M . Adamowicz, S. Giziewski, J. Pietryka, M. Rutkowski, Z. Krzeminski: "Evaluation of SiC JFET s and SiC schottky diodes for wind generation

systems", in Proc. IEEE Int. Symp. Ind. Electron. (ISIE), 2011, 269 –276

[7] A . Lemmon, M. Mazzola, J. Gafford, K. Speer: "Comparative analysis of commercially available silicon carbide transistors", iProc. 27th Annu.

IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. (APEC), 2012, 2509 –2515

[8] A . Lemmon, M. Mazzola, J. Gafford, C. Parker: "Instability in Half-Bridge Circuits Switched With Wide Band-Gap Transistors", IEEE Transactions

on Power Electronics, vol. 29, nr 5, May 2014, 2380 – 2392

[9] A . Lemmon, M. Mazzola, J. Gafford, C. Parker: "Stability Considerations for Silicon Carbide Field-Effect Transistors", IEEE Transactions on Power

Electronics, vol. 28, nr 10, Oct. 2013, 4453 – 4459

[10] J. Rąbkowski, M. Zdanowski, R. Barlik: "Sterownik bramkowy dla tranzystorów SiC pracujących w układzie mostka", Elektronika: konstrukcje,

technologie, zastosowania, R. 53(2012), nr 12, 76 – 79

[11] S . Giziewski, "Wysokoczęstotliwościowy przekształtnik z tranzystorami SiC JFET ", Przegląd Elektrotechniczny, R. 88 (2012), nr 12b, 287– 290

[12] N . Oswald, P. Anthony, N. McNeill, B. H. Stark: "An Experimental Investigationof the Tradeoff between Switching Losses and EMI Generation

with Hard-Switched All-Si, Si-SiC, and All-SiC Device Combinations", Power Electronics, IEEE Transactions on (vol. 29 , issue 5), May 2014

[13] M . Adamowicz, R. Strzelecki, Z. Krzemiński: "Hybrid high-frequency-SiC and line-frequency-Si based PEBB for MV modular power

converters", Proc. 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society (IECON), 2012, 5197 - 5202.

[14] J. Huber, J. W. Kolar: “Optimum number of cascaded cells for high-power medium-voltage multilevel converters”, materiały IEEE Energy

Conversion Congress and Exposition ECCE, 2013, http://ieeexplore.ieee.org