Temperature Dependency and Active Gate Driver enabled Active Temperature Control of SiC Power MOSFETs

Abstract

SiC effekt MOSFETer er sårbar mot termiske effekter, noe som kan påvirke påliteligheten deres på grunn av termomekanisk stress ved laggrensesnittene. For å dempe dette kan metoder for å redusere temperatursvingninger i overgangene under lastendringer forlenge levetiden og påliteligheten til disse komponentene. Aktive gate-drivere (AGD) gjør det mulig å manipulere SiC effekt MOSFETs ledningsevne og koblingsatferd ved kjøretid. Dette inkluderer koblingstap som utgjør en betydelig del av de totale komponenttapene, spesielt ved høyere koblingsfrekvenser for omformere med høy effekttetthet. Dermed kan denne relativt nye tilnærmingen brukes til å implementere aktiv temperaturkontroll (ATC), som viser lovende potensiale i å forlenge den estimerte levetiden til SiC MOSFETer og forbedre systemets pålitelighet.

Denne masteroppgaven har som mål å gi en omfattende oversikt over metodikken for å utforske effektiviteten til en foreslått ATC. Denne ATCen er basert på en virtuell kjøleribbe-tilnærming for å generere en jevn kontrollreferanse. For å utvikle en nøyaktig og realistisk modell av SiC effekt MOSFETens atferd ved ulike driftstemperaturer, ble temperaturavhengige karakteristiske data hentet ved hjelp av en Power Device Analyzer. Til dette formålet ble design og implementering av en controllerbar synkron buck omformer utført for å regulere temperaturen til en kjøleribbe som skulle brukes som en oppvarmingsplate. Presis ID-VDS og overføringskarakteristikker for en C3M0075120D SiC MOSFET fra Wolfspeed ved ulike temperaturer ble oppnådd.

De innhentede eksperimentelle karakteriserings- og koblingstapdataene for en tilsvarende SiC MOSFET fra en AGD-studie ga det nødvendige grunnlaget for en elektrisk tapsmodell. Den indre grensesnitt temperaturen ble estimert ved å integrere en termisk modell av den gitte TO-247-pakken og en RA-T2X-25E-kjøleribbe fra Ohmite. ATC simuleringsresultatene indikerer en mulig reduksjon på 14,97% i temperatursvingninger ved en gitt lastprofil for å undersøke trinnresponsen, med minimal innvirkning på omformerens drift. Valget av kontrollvariabler for å optimalisere svitsjeytelsen til SiC MOSFETen blir omfattende diskutert. Eksperimentell validering av den foreslåtte ATCen mangler fortsatt for å bekrefte nøyaktigheten og effekten.

SiC power MOSFETs are susceptible to thermal effects, which can impact their reliability due to thermal-mechanical stress at the layer interface. To mitigate this, methods for reducing junction temperature fluctuations during load changes can enhance the longevity and reliability of these devices. Active Gate Drivers (AGD) enable the manipulation of SiC power MOSFET conduction and switching behavior at run-time. This includes the switching losses that constitute a major part of the total device losses, especially moving toward higher switching frequencies for high power density converters. Thus, this relatively new approach could be used to implement Active Temperature Control (ATC), which shows promising effects in extending the estimated lifetime of SiC MOSFETs and improving system reliability.

This master's thesis aims to provide an extensive overview of the methodology for exploring the efficacy of a proposed ATC. This ATC is based on a virtual heatsink approach for generating a smooth control reference. To develop an accurate and realistic model of the SiC power MOSFET behavior at different operating temperatures, temperature-dependent characteristic data were obtained by means of a Power Device Analyzer. For this purpose, the design and implementation of a controllable synchronous buck converter to regulate the temperature of a heatsink to be used as a heating plate was successfully executed. Precise ID-VDS and transfer characteristics of a C3M0075120D SiC MOSFET from Wolfspeed at various temperatures were accomplished.

The obtained experimental characterization and switching-loss data of an equivalent SiC MOSFET from an AGD study provided the necessary basis for an electrical power-loss model. The junction temperature was estimated by integrating a thermal model of the given TO-247 package and an RA-T2X-25E heatsink from Ohmite. The ATC simulation results indicate a feasible 14.97% reduction in temperature fluctuations at a given load profile for examining the step-response, with minimal impact on the converter operation. The selection of control variables to optimize the switching performance of the SiC MOSFET is comprehensively discussed. Experimental validation of the proposed ATC is still missing to confirm its accuracy and viability.