Ключові слова
double pulse test
power electronics
Si-MOSFET
SiC-MOSFET
Si-IGBT
switching losses
electric drive
high-frequency PWM напівпровідники з широкою забороненою зоною
тест подвійним імпульсом
силова електроніка
Si-MOSFET
SiC-MOSFET
Si-IGBT
втрати на перемикання
електропривод
високочастотна ШІМ
Як цитувати
Анотація
Роботу присвячено практичному визначенню та порівнянню динамічних характеристик кремнієвого (Si) MOSFET, карбід кремнієвого (SiC) MOSFET та кремнієвого IGBT у разі роботи на активно-індуктивне навантаження, що є актуальним для електроприводів та статичних перетворювачів параметрів електричної енергії. Розглянуто основні переваги та проблеми, що виникають під час застосування високошвидкісних ключів. Наведено методику тесту подвійним імпульсом (Double-Pulse Test, DPT), що є поширеним методом для експериментального визначення динамічних характеристик MOSFET та IGBT. Розроблено та виготовлено експериментальну установку, з використанням якої за однакової напруги та для різних струмів комутації проведено тестування процесів переключання транзисторів. В результаті аналізу проведених тестів показано, що за інших рівних умов SiC-MOSFET забезпечує найменші втрати на перемикання, що робить цей тип транзисторів найбільш придатним для використання у застосуваннях з високою частотою широтно-імпульсної модуляції. Показано, що SiC-MOSFET потенційно може забезпечити зменшення мертвого часу перетворювача у порівнянні з Si-IGBT, що дає можливість покращити динамічні властивості автономних інверторів напруги та спростити або повністю відмовитися від застосування алгоритмів компенсації мертвого часу. Результати виконаних досліджень можуть бути використані під час розробки силових напівпровідникових перетворювачів електроприводів різних типів або статичних перетворювачів параметрів електричної енергії. Бібл. 27, рис. 13, табл. 3.
Посилання
Liu X., Hofmann M., Streit F. and Maerz M. Digital Twin for Intelligent and SiC-based Drive Systems. 11th International Electric Drives Production Conference (EDPC), Erlangen, Germany, 07-09 December 2021. Pp. 1-8. DOI: https://doi.org/10.1109/EDPC53547.2021.9684201.
Buffolo M., Favero D., Marcuzzi A., De Santi C., Meneghesso G., Zanoni E. Review and Outlook on GaN and SiC Power Devices: Industrial State-of-the-Art, Applications, and Perspectives. IEEE Transactions on Electron Devices. 2024. Vol. 71. No 3. Pp. 1344-1355. DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2023.3346369.
Taha W., Azer P., Callegaro A.D., Emadi A. MultiphaseTraction Inverters: State-of-the-Art Review and Future Trends. IEEE Access. 2022. Vol. 10. Pp. 4580-4599. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3141542.
Deng X., Mohamed M.A.S., Lambert S., Mecrow B. Development of a High-Speed, Permanent Magnet, SiCBased Drive With Integrated Input Filters. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2020. Vol. 35. No 2. Pp. 863-874. DOI: https://doi.org/10.1109/TEC.2020.2973449.
Yuan X., Laird I. and Walder S. Opportunities, Challenges, and Potential Solutions in the Application of Fast-Switching SiC Power Devices and Converters. IEEE Transactions on Power Electronics. 2021. Vol. 36. No 4. Pp. 3925-3945. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.3024862.
Ciechonski Rafal. Growth and characterization of SiC and GaN. URL: https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:17053/FULLTEXT01.pdf (accessed at 03.02.2025).
Iannaccone G., Sbrana C., Morelli I., Strangio S. Power Electronics Based on Wide-Bandgap Semiconductors: Opportunities and Challenges. IEEE Access. 2021. Vol. 9. Pp. 139446-139456. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3118897.
CoolMOS™ SJ MOSFETs benefits in hard and soft switching SMPS topologies. Semiconductor & System Solutions Infineon Technologies. URL: https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Product Brochure_CoolMOS_Benefits_in_Hard_Soft_Switching-ProductBrochure-v07_01-EN.pdf?fileId=db3a3043338c8ac80133aca62ba63047 (accessed at 03.02.2025).
500V-950V CoolMOS™ N-Channel Power MOSFET Infineon Technologies. Semiconductor & System Solutions Infineon Technologies. URL: https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/n-channel/500v-950v/ (accessed at 03.02.2025).
Khanna V.K. The Insulated gate bipolar transistor (IGBT): theory and design. Hoboken, NJ, USA: Wiley-IEEE Press, 2003. 627 p. DOI: https://doi.org/10.1002/047172291X
Technology Details Infineon Technologies. Semiconductor & System Solutions Infineon Technologies. URL: https://www.infineon.com/cms/en/product/technology/silicon-carbide-sic/technology-details/ (accessed at 03.02.2025).
Transphorm Releases Industry's First 1200V Sapphire-Based GaN Device Simulation Model. EverGreat Technology. EverGreat Technology. URL: https://www.evgreat.com/news/transphorm-releases-industrys-first-1200v-sapphire-based-gan-device-simulation-model/ (accessed at 03.02.2025).
Longobardi G. GaN for power devices: Benefits, applications, and normally-off technologies. International Semiconductor Conference (CAS), Sinaia, Romania, 11-14 October 2017. Pp. 11-18. DOI: https://doi.org/10.1109/SMICND.2017.8101144.
Vasilets S., Vasilets K. Improvement of the mathematical model of the IGBT transistor with respect to the nonlinearity of transition capacities. Newsletter of the KrNU named after Mykhailo Ostrogradsky. 2018. No 1. P. 9–14.
Mondal B., Pogulaguntla R.T., Arun Karuppaswamy B. Double Pulse Test Set-up: Hardware Design and Measurement Guidelines. IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), Jaipur, India, 14-17 December 2022. Pp. 1-6. DOI: https://doi.org/10.1109/PEDES56012.2022.10080339.
Zhang Q., Wang R., Chen Y. Design of a Double Pulse Test Platform for Switching Devices. IEEE 3rd China International Youth Conference on Electrical Engineering (CIYCEE), Wuhan, China, 03-05 November 2022. Pp. 1-5. DOI: https://doi.org/10.1109/CIYCEE55749.2022.9959070.
Zhang Z., Guo B., Wang F.F., Jones E.A., Tolbert L.M., Blalock B.J. Methodology for Wide Band-Gap Device Dynamic Characterization. IEEE Transactions on Power Electronics. 2017. Vol. 32. No 12. Pp. 9307-9318. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2655491.
Zheng C., Boroyevich D., Mattavelli P., Ngo K. A frequency domain study on the effect of DC-link decoupling capacitors. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Denver, CO, USA, 15-19 September 2013. Pp.1886-1893. DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE.2013.6646938.
Zhang Z., Wang F., Tolbert L.M., Blalock B.J., Costinett D.J. Understanding the limitations and impact factors of wide bandgap devices' high switching-speed capability in a voltage source converter. Proc. IEEE Wide Bandgap Power Devices and Applications, Oct. 2014. Pp. 7-12. DOI: https://doi.org/10.1109/WiPDA.2014.6964614
UCC53x0 Single-Channel Isolated Gate Drivers. Analog | Embedded processing | Semiconductor company. TI.com. URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc5390.pdf?ts=1735096761485 (accessed at 03.02.2025).
Digital oscilloscope SIGLENT SDS1104X-U. SIGLENT. URL: https://siglentua.com/uk/catalog/digital-oscilloscopes/digital-oscilloscope-siglent-sds1104x-u/ (accessed at 03.02.2025).
Double Pulse Testing Power Semiconductor Devices with Oscilloscope & AFG. Test- und Messgeräte. Tektronix. URL: https://www.tek.com/en/documents/application-note/double-pulse-test-tektronix-afg31000-arbitrary-function-generator (accessed at 03.02.2025).
Circuit Protection, Fuses, Power Control & Sensing Solutions. URL: https://www.littelfuse.com/assetdocs/littelfuse-discrete-mosfets-ixf-52n100x-datasheet?assetguid=dc55a3c4-8c68-427d-a26d-524403f41306 (accessed at 03.02.2025).
NGTB50N120FL2WAG IGBT - Field Stop II/4 Lead. URL: https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/ngtb50n120fl2wa-d.pdf (date of publication: 05.19.2024).
IMZ120R030M1H CoolSiC™ 1200V SiC Trench MOSFET Silicon Carbide MOSFET. Semiconductor & System Solutions - Infineon Technologies. URL: https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IMZ120R030M1H-DataSheet-v02_02-EN.pdf?fileId=5546d46269e1c019016a92fdcc776696 (accessed at 03.02.2025).
IDWD15G120C5 CoolSiCTM 1200V Schottky Diode DataSheet. Semiconductor & System Solutions. Infineon Technologies. URL: https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDWD15G120C5-DataSheet-v02_01-EN.pdf?fileId=5546d462689a790c016933d54d2b5489 (accessed at 03.02.2025).
Badawi N., Knieling P., Dieckerhoff S. High-speed gate driver design for testing and characterizing WBG power transistors. 15th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), Novi Sad, Serbia, 04-06 September 2012. Pp. LS6d.4-1-LS6d.4-6. DOI: https://doi.org/10.1109/EPEPEMC.2012.6397499.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Авторське право (c) 2025 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА