SiC-IGBT kan användas i många olika applikationer, från frekvensomriktare och trefasomriktare till frekvensomriktare och trefasomriktare. Fördelarna är hög verkningsgrad och minimal switchförlust samtidigt som de bidrar till att minska komponentstorleken.
För att utvärdera deras prestanda har vi konstruerat ett experimentellt system. Resultatet visade att dessa nya switchar kan öka effektiviteten i traditionella AGPU-system.
Kostnad
Kostnaden är ofta en avgörande faktor i applikationer med effektomvandlare. Kiselkarbidkomponenter (SiC) erbjuder betydande kostnadsfördelar jämfört med motsvarande Si-IGBT-komponenter, vilket gör dem till attraktiva alternativ för högeffektiva och snabba motorstyrningar tack vare lägre tillverkningskostnader och högre switchfrekvenser som ger bättre prestanda och effekttäthet än standard Si-IGBT.
Att välja en effektiv gate-drivkrets är centralt för att minska omformarkostnaden. En bra gate-drivkrets bör ha låg induktans för att minska spänningsöverslag och ringning på grund av felaktig induktans; dessutom måste den tåla höga strömbelastningar samtidigt som den ger tillräcklig galvanisk isolering mellan sig själv och lasten.
Konstruktörer som vill sänka kostnaderna måste välja en optimal gate-driver-design och switchfrekvens. En optimal frekvens bör vara så låg som möjligt utan att man producerar skrymmande filterkomponenter, enligt forskning på SiC-IGBT- och Si-IGBT-omvandlare vid olika vindhastigheter och 30 kHz och 3 kHz kopplingsfrekvenser; effektiviteten var högre för SiC-IGBT vid högre vindhastigheter - men detta uppvägdes av högre kostnader och volymer i samband med SiC-IGBT-omvandlare.
Prestanda
SiC-IGBT-enheter har överlägsen effektivitet och effekttäthet jämfört med traditionella Si-baserade enheter, samt lägre enhetsförluster och driftstemperaturer som gör dem lämpliga för högpresterande applikationer som motorstyrningar. För att maximera prestandan måste dessa enheter arbeta vid högre switchfrekvenser, så syftet med den här artikeln är att undersöka hur SiC-IGBT-enheter fungerar i ett AGPU-system.
Det experimentella arbetet omfattade användning av en 62 mm, 400 A, 1,2 kV Si-IGBT-modul med DC-länkkondensatorer, induktor på inverterarsidan, luftkyld kylfläns, grinddrivdon med skyddslogik och sensorer samt spännings- och strömmätningar med både handhållna oscilloskop (MICsig 200 MHz handhållet multifunktionsoscilloskop och Hantek UT201 clampmeter), mätningar av grind-till-emitter-spänning respektive överskottsström; resultaten visade att SiC-IGBT hade kortare kopplingstider än sina traditionella motsvarigheter (figur 4).
SiC-IGBT-omvandlarna uppvisade låg switchförlust med 2 A belastning. Deras analys av transientresponsen för kollektor-till-emitter-spänningen visade också detta faktum: grindmotståndet vid påslagning minskade när belastningsströmmen ökade, men grindmotståndet vid avstängning ökade när belastningsströmmen ökade, vilket ledde till stora överslagsströmmar och ringar i spänningsvågformen. Volymerna för passiva komponenter, som induktansvolymer på båda nätsidorna (induktansvolymerna på nätsidan beräknades), kondensatorvolymer och filtervolymer, utvärderades och jämfördes; resultaten visade att SiC-IGBT-omvandlaren hade lägre totalvolymer än den traditionella Si-IGBT-omvandlaren.
Effektivitet
SiC-IGBT i AGPU-system kan öka sin effektivitet avsevärt genom att ersätta traditionella Si-transistorer med SiC-transistorer. Detta kan åstadkommas genom att sänka de totala systemförlusterna och öka kopplingshastigheten, t.ex. genom att sänka resonansfrekvensen, öka avstängningsfördröjningen eller använda grinddrivdon med minskad induktans.
I detta dokument undersöks prestandan hos SiC-IGBT-moduler som används i AGPU-baserade kraftomvandlingssystem. Tre experimentella system har konstruerats och skapats: ett traditionellt AGPU-system, ett SPT-system (single pulse test) och en trefasomvandlare. Resultaten jämförs sedan och analyseras för att jämföra skillnader i driftprestanda mellan Si-IGBT och SiC-IGBT-moduler.
En omfattande jämförelse av beteendet vid hård omkoppling genomfördes med 1200 V Si-IGBT- och SiC-IGBT-moduler, och resultaten visade att SiC-IGBT har lägre resonansfrekvenser, lägre överskjutningsström och minskade omkopplingsförluster än Si-IGBT. Tillslagsegenskaperna för de båda typerna av kraftaggregat jämfördes också, vilket visade att SiC-IGBT hade kortare tillslagsfördröjning och lägre resonansfrekvenser än Si-IGBT.
SiC-IGBTs är beroende av att ha ett lågt gatemotstånd vid påslagning som en viktig del av deras framgångsrika drift, eftersom snabb laddning av deras gate-till-emitter-spänning kräver snabba laddningstider. Externa gatemotstånd för påslagning/avstängning måste ha låga induktansvärden för att minska eventuella ringningar som orsakas av vilseledande induktanser och förhindra eventuella ringningseffekter.
Säkerhet
SiC MOSFETs högre switchfrekvenser bidrar till att minska förlusterna i dioder och gate-drivdon, vilket ökar den totala omvandlarverkningsgraden. Dessutom kan dessa MOSFET:er vara mindre känsliga för fel orsakade av högenergipartiklar som orsakas av tre huvudfaktorer - enhetens materialtyp, enhetens ytarea och spänningsspänning - med bredare bandgap och mindre enhetsstorlekar som gör dem mindre sårbara.
SiC MOSFETs utvärderades mot standard IGBTs av kisel (Si) för att jämföra deras prestanda som omvandlarkomponenter. Resultaten visade att SiC-komponenterna minskade effektförlusterna för en typisk 3-fas SPWM 2-nivåomvandlare med nästan 10 gånger; den ökade kopplingsfrekvensen bidrog också till att sänka induktorns vikt med 68%, vilket resulterade i betydande besparingar av omvandlarens totala vikt.
Denna studie jämför komponenterna i en nätansluten 190 kVA 2L-VSC som består av SiC-MOSFETs och Si-IGBTs konstruerade för användning i ett 690 V-nät, inklusive LCL-filterkonstruktioner för DC-länk och nätsida med SiC-MOSFETs som en del av en LCL-filterkonstruktion för 690 V-nät. Jämförelsen baseras på experimentell karakterisering av switchbeteende samt datablad som visar on-state-beteende. SiC-MOSFETs har reducerade switchförluster samt reducerad strömde-rating vid höga temperaturer, vilket gör dem idealiska för industriella applikationer där stabil effekt är avgörande.
Swedish 
English