| dc.description.abstract | Denne masteroppgaven har undersøkt bruken av halvleder komponenter med høy båndbredde (WBG) i høyeffektsomformere. Sammenlignet med tradisjonelle halvledere, som for eksempel silisium (Si), så har WBG halvledere som for eksempel silisiumkarbid egenskaper som gjør det mulig å produsere komponenter med høyere blokkespenning, lavere ledetap, og raskere svitsjing. Alle disse egenskapene er ønskelige når det skal produseres høyeffektsomformere, men fordi SiC-teknologi fremdeles ikke har modnet enda så er det problemer med både kostnader og pålitelighet. Disse manglene betyr at fullstendig SiC integrasjon i det industrielle markedet fremdeles ikke er gjennomførbart. Derfor kreves nytenkende løsninger, som for eksempel hybrid Si-SiC svitsjen (HyS).
HyS består av en parallellkobling mellom en Si IGBT og en SiC MOSFET. Si IGBT'en tar hånd om steady-state strømoverføring, noe som gjør det mulig å bruke en laveffekt SiC MOSFET som en hjelpesvitsj som tar hånd om svitsjingen i omformeren. Ved å sette sammen de to svitsjene på denne måten blir det mulig å utnytte seg av de ønskelige egenskapene til en SiC MOSFET i en høyeffektsomformer for en fornuftig kostnad. Det er spesielt interesse for å øke svitsjehastigheten til omformeren siden det vil gjøre det mulig å redusere størrelsen på passive komponenter, som for eksempel spoler og kondensatorer, som vil bidra til å minimere massen til systemet. Av den grunn ble det sett på som nødvendig å undersøke hvordan HyS svitsjen opererte i en høyeffektsomformer. På den måten kunne det fastslås om bruk av HyS-løsningen kunne bidra til å øke den maksimalt oppnåelige svitsjefrekvensen, f_(sw,max), for en gitt omformer, og eventuelt hvor mye f_(sw,max) kunne økes med. Videre, så ble det sett på som viktig å identifisere de største utfordringene som måtte løses for å kunne realisere HyS-løsningen.
For å kunne verifisere HyS-løsningen så ble både de elektriske og termiske egenskapene av HyS-svitsjen evaluert ved hjelp av simuleringer. De dynamiske elektriske egenskapene til HyS'en ble kartlagt ved å bruke Simscape-biblioteket i Simulink. Disse simuleringene gjorde det mulig å sette sammen en rekke approksimasjoner av oppførselen til HyS'en som deretter skulle brukes i simuleringene av de termiske egenskapene til HyS-løsningen. De termiske egenskapene ble evaluert ved å bruke steady-state-analyseverktøyet til PLECS. Gjennom en rekke tester av forskjellige parametere hos HyS'en, ble forholdet til disse parameterne med f_(sw,max) kartlagt. | |
| dc.description.abstract | This master thesis has investigated the use of wide bandgap (WBG) semiconductors in high-powered converters. In comparison to the traditionally used semiconductors, like silicon (Si), WBG semiconductors like silicon carbide (SiC) enable the production of devices with larger breakdown voltages, lower conduction losses, and faster switching. All these attributes are desirable for use in high-powered converters, but because of the immaturity of SiC technology there are cost and reliability issues. These deficiencies makes full SiC integration a nonviable solution for the industrial market. Therefore, novel solutions, like the hybrid Si-SiC switch (HyS) needs to be employed.
The HyS consists of a parallel connection of a Si IGBT and SiC MOSFET. The Si IGBT takes care of the steady-state conduction, enabling the use of a low-powered SiC MOSFET as an auxiliary switch in order to handle the hard switching actions of the converter. By using this configuration, the desirable features of SiC can be integrated into high-powered converters for a reasonable cost. Namely, increasing the switching speed of the converter is desirable as it would lead to a decrease in the size of passive components like inductors and capacitors, decreasing the bulk of the system. Therefore, it was deemed necessary to investigate the use of the HyS solution in a high-powered converter in order to establish if, and potentially by how much, the use of the HyS would increase the maximum achievable switching frequency, f_(sw,max), of the given converter. Furthermore, the most pertinent practical challenges for realizing the HyS solution needed to be identified so that proper mitigation techniques could be put into place.
In order to verify the use of the HyS solution, the electrical and thermal performance of the HyS was assessed using simulations. Using the Simscape library in Simulink, the dynamic electrical performance of the HyS and its constituent components was assessed. From these simulations, several approximations of the dynamic behaviour of the HyS that would be used during the thermal simulations were established. Then, steady-state analysis of the thermal performance of the HyS was conducted using PLECS. During these simulations, a parametric sweep was conducted in order to assess how different operating conditions affected the f_(sw,max) of a converter using the HyS solution.
These simulations uncovered that by using the HyS solution instead of a solo IGBT in a high-powered converter, f_(sw,max) could be increased significantly. However, this was dependent on several factors, like minimizing the stray inductance in the HyS module, optimizing the current rating of the SiC MOSFETs, and maximizing the cooling efficiency of the system. Therefore, this thesis proposes a design process for an HyS custom module in order to combat the most pressing of these practical challenges. | |
