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On the perspectives of SiC MOSFETs in high-frequency and high-power isolated DC/DC converters
Eial Awwad, Abdullah
Increasing demand for efficiency and power density pushes Si-based devices to some of their inherent material limits, including those related to temperature operation, switching frequency, and blocking voltage. Recently, SiC-based power devices are promising candidates for high-power and high-frequency switching applications. Today, SiC MOSFETs are commercially available from several manufacturers. Although technology affiliated with SiC MOSFETs is improving rapidly, many challenges remain, and some of them are investigated in this work. The research work in this dissertation is divided into the three following parts.
Firstly, the static and switching characteristics of the state-of-the-art 1.2 kV planar and double-trench SiC MOSFETs from two different manufacturers are evaluated. The effects of different biasing voltages, DC link voltages, and temperatures are analysed. The characterisation results show that the devices exhibit superior switching performances under different operating conditions. Moreover, several aspects of using the SiC MOSFET’s body diode in a DC/DC converter are investigated, comparing the body-diodes of planar and double-trench devices. Reverse recovery is evaluated in switching tests considering the case temperature, switching rate, forward current, and applied voltage. Based on the measurement results, the junction temperature is estimated to guarantee safe operation. A simple electro-thermal model is proposed in order to estimate the maximum allowed switching frequency based on the thermal design of the SiC devices. Using these results, hard- and soft-switching converters are designed, and devices are characterised as being in continuous operation at a very high switching frequency of 1 MHz. Thereafter, the SiC MOSFETs are operated in a continuous mode in a 10 kW / 100-250 kHz buck converter, comparing synchronous rectification, the use of the body diode, and the use of an external Schottky diode. Further, the parallel operation of the planar devices is considered. Thus, the paralleling of SiC MOSFETs is investigated before comparing the devices in continuous converter operation. In this regard, the impact of the most common mismatch parameters on the static and dynamic current sharing of the transistors is evaluated, showing that paralleling of SiC MOSFETs is feasible. Subsequently, an analytical model of SiC MOSFETs for switching loss optimisation is proposed. The analytical model exhibits relatively close agreement with measurement results under different test conditions. The proposed model tracks the oscillation effectively during both turn-on and –off transitions. This has been achieved by considering the influence of the most crucial parasitic elements in both power and gate loops.
In the second part, a comprehensive short-circuit ruggedness evaluation focusing on different failure modes of the planar and double-trench SiC devices is presented. The effects of different biasing voltages, DC link voltages, and gate resistances are evaluated. Additionally, the temperature-dependence of the short-circuit capability is evaluated, and the associated failure modes are analysed. Subsequently, the design and test of two different methods for overcurrent protection are proposed. The desaturation technique is applied to the SiC MOSFETs and compared to a second method that depends on the stray inductance of the devices.
Finally, the benefits of using SiC devices in continuous high-frequency, high-power DC/DC converters is experimentally evaluated. In this regard, a design optimisation of a high-frequency transformer is introduced, and the impact of different core materials, conductor designs, and winding arrangements are evaluated. A ZVZCS Phase-Shift Full-Bridge unidirectional DC/DC converter is proposed, using only the parasitic leakage inductance of the transformer. Experimental results for a 10 kW, (100-250) kHz prototype indicate an efficiency of up to 98.1% for the whole converter. Furthermore, an optimized control method is proposed to minimise the circulation current in the isolated bidirectional dual active bridge DC/DC converter, based on a modified dual-phase-shift control method. This control method is also experimentally compared with traditional single-phase shift control, yielding a significant improvement in efficiency. The experimental results confirm the theoretical analysis and show that the proposed control can enhance the overall converter efficiency and expand the ZVZCS range.
Die steigende Nachfrage nach Effizienz und Leistungsdichte bringt Si-basierte Leistungsbauteile an einige inharente Materialgrenzen, die unter anderem mit der Temperaturbelastung, der Schaltfrequenz und der Blockierspannung in Zusammenhang stehen. In jüngster Zeit sind SiC-basierte Leistungsbauelemente vielversprechende Kandidaten für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen. Aktuell sind SiC-MOSFETs von mehreren Herstellern im Handel erhältlich. Obwohl sich die Technologie der SiC-MOSFETs rasch verbessert, werden viele Herausforderungen bestehen bleiben. Einige dieser Herausforderungen werden in dieser Arbeit untersucht. Die Untersuchungen in dieser Dissertation gliedern sich in die drei folgenden Teile:
Im ersten Teil erfolgt, die statische und die transiente Charakterisierung der aktuellen 1,2 kV Planar- und Doubletrench SiC-MOSFETs verschiedener Hersteller. Die Auswirkungen unterschiedlicher Gatespannungen, Zwischenkreisspannungen und Temperaturen werden analysiert. Die Ergebnisse der Charakterisierung zeigen, dass die Bauteile überlegene Schaltleistungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufweisen. Darüber hinaus wird der Einsatz der internen SiC-Bodydioden in einem DC/DC-Wandler untersucht, wobei die Unterschiede zwischen Planar- und Doppeltrench-Bauteilen aufgezeigt werden. Das Reverse-Recovery-Verhalten wird unter Berücksichtigung der Gehäusetemperatur, der Schaltgeschwindigkeit, des Durchlassstroms und der angelegten Spannung bewertet. Anhand der Messergebnisse wird die Sperrschichttemperatur geschätzt, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Ein einfaches elektrothermisches Modell wird vorgestellt, um die maximal zulässige Schaltfrequenz auf der Grundlage des thermischen Designs der SiC-Bauteile abzuschätzen. Anhand dieser Ergebnisse werden hart- und weichschaltende Umrichter konzipiert und die Bauteile werden im Dauerbetrieb mit einer sehr hohen Schaltfrequenz von 1 MHz untersucht. Danach werden die SiC-MOSFETs im Dauerbetrieb in einem 10 kW / 100-250 kHz-Tiefsetzsteller betrieben. Dabei wird die Synchrongleichrichtung, die Verwendung der internen Diode und die Verwendung einer externen Schottky-Diode verglichen. Außerdem wird die Parallelisierung von SiC-MOSFETs untersucht, bevor die Parallelschaltung der verschiedenen Bauelemente ebenso im kontinuierlichen Konverterbetrieb verglichen wird. Es wird der Einfluss der häufigsten Parametervariationen auf die statische und dynamische Stromaufteilung der Transistoren analysiert, was zeigt, dass eine Parallelisierung von SiC-MOSFETs möglich ist. Anschließend wird ein analytisches Modell der SiC-MOSFETs zur Schaltverlustoptimierung vorgeschlagen. Das analytische Modell zeigt eine relativ enge Übereinstimmung mit den Messergebnissen unter verschiedenen Testbedingungen. Das vorgeschlagene Modell bildet die Schwingungen sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten effektiv nach. Dies wurde durch die Berücksichtigung der wichtigsten parasitären Elemente in Strom- und Gatekreisen erreicht.
Im zweiten Teil wird eine umfassende Bewertung der Kurzschlussfestigkeit mit Fokus auf verschiedene Ausfallmodi der planaren und double-trench SiC-Bauelemente vorgestellt. Die Auswirkungen unterschiedlicher Gatespannungen, Zwischenkreisspannungen und Gate-Widerständen werden ausgewertet. Zusätzlich wird die temperaturabhängige Kurzschlussfähigkeit ausgewertet und die zugehörigen Fehlerfälle werden analysiert. Anschliessend wird die Auslegung und Prüfung von zwei verschiedenen Verfahren zum Überstromschutz evaluiert. Die „Desaturation“-Technik wird auf SiC-MOSFETs angewendet und mit einer zweiten Methode verglichen, welche die parasitäre Induktivität der Bauelemente nutzt.
Schließlich wird der Nutzen des Einsatzes von SiC-Bauteilen in kontinuierlichen Hochfrequenz- Hochleistungs-DC/DC-Wandlern experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird eine Designoptimierung eines Hochfrequenztransformators vorgestellt und der Einfluss verschiedener Kernmaterialien, Leiterausführungen und Wicklungsanordnungen wird bewertet. Es wird ein unidirektionaler ZVZCS Vollbrücken-DC/DC-Wandler vorgestellt, der nur die parasitäre Streuinduktivitat des Transformators verwendet. Experimentelle Ergebnisse fur einen 10 kW, (100-250) kHz Prototyp zeigen einen Wirkungsgrad von bis zu 98,1% für den gesamten Umrichter. Abschließend wird ein optimiertes Regelverfahren verwendet, welches auf einem modifizierten Dual-Phase-Shift-Regelverfahren basiert, um den Kreisstrom im isolierten bidirektionalen Dual-Aktiv-Brücken-DC/DC-Wandler zu minimieren. Diese Regelmethode wird experimentell mit der herkömmlichen Single-Phase-Shift-Regelung verglichen. Hierbei zeigt sich eine deutliche Effizienzsteigerung durch die neue Regelmethode. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die theoretische Analyse und zeigen, dass die vorgeschlagene Regelung den Gesamtwirkungsgrad des Umrichters erhöhen und den ZVZCS-Bereich erweitern kann.
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