On Gate Drivers for MOS-Controlled Power Devices and dv-dt Filters for Train Traction Converters

↓ Direkt till sidans innehåll
↓ Direkt till sidans sekundära innehåll (sidomenyn)

Sökning: WFRF:(Nee Hans Peter 1963 ) > (2015-2019) > On Gate Drivers for...

On Gate Drivers for MOS-Controlled Power Devices and dv-dt Filters for Train Traction Converters

Velander, Erik, 1980- (författare): KTH,Skolan för elektro- och systemteknik (EES),Bombardier Transportation Sweden AB,Power Electronics

Nee, Hans-Peter, 1963- (preses): KTH,Elkraftteknik

Iannuzzo, Francesco, Professor (opponent): AAlborg Universitet

(creator_code:org_t)

ISBN 9789177294436
Stockholm : KTH Royal Institute of Technology, 2017
Engelska 59 s.

Relaterad länk:: https://urn.kb.se/re...

Doktorsavhandling (övrigt vetenskapligt/konstnärligt)

Abstract Ämnesord

Stäng

In this thesis, low-loss gate-drive solutions and a proposed dv/dt-filter have been investigated with focus on train traction converters with dv/dt constraints.By using the silicon carbide (SiC) junction field-effect transistor (JFET), the switching losses can be significantly reduced compared to the commonly used insulated-gate bipolar transistor (IGBT), but complex gate-driver solutions are required for high utilization in terms of loss reduction.For the IGBT and the p-i-n diode, the dv/dt across the diode at the turn-ON process of the IGBT was found to be as highest with low phase current and low temperature while the losses are as highest at high phase currents and temperatures. Therefore, a proposal meeting this tradeoff has been addressed in this thesis tailored at minimal cost for the new half-bridge package resulting in a switching loss reduction of up to 30 %.For the SiC metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), an investigation has been performed in order to use the train operation point in order to minimize the switching losses given a certain dv/dt requirement. In addition, separate control of the di/dt and dv/dt were implemented. In total, a loss reduction of 20 % is achieved. In addition, phase short-circuit investigations have been performed using the SiC MOSFET with a gate-driver proposal meeting the application requirements. The results show that short circuits with fast current rise can be terminated.Finally, a new dv/dt filter which uses the stray inductance present in the inter-connections between the power devices and the convert output terminals as a filter component is proposed. By doing so, the SiC MOSFETs can be fully utilized with high dv/dt and low switching losses even though the converter output dv/dt levels are in the range of the levels for which an IGBT equipped converter exhibits with ultra-low additional filter losses. As a consequence, the switching frequency can be four times higher for the same switching losses.

I den här avhandlingen har drivdonslösningar för krafthalvledare och ett föreslagit dv/dt-filter blivit undersökta med fokus på tåg nät- och maskinströmriktare med dv/dt-begränsningar. Låga förluster på krafthalvledarna medför reduceringar på vikt, volym och kostnad på omriktarkomponenter som kyldelar och kapslingar.Krafthalvledarna som är studerade i den här avhandlingen är kiselkarbid JFET (junction field-effect transistor) och MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) och även de välkända kiselkomponenterna IGBT och p-i-n diod.Studien på JFET:n har visa att omslagsförlusterna kan bli avsevärt reducerade jämfört med IGBT:n, men komplexa drivdonslösningar krävs för hög utnyttjandegrad med avseende på förlustreduceringar.För den så ofta använda kisel IGBT:n och p-i-n dioden, har studien visat att dv/dt över dioden vid tillslagsprocessen av IGBT:n är som högst vid låg fasström och låg temperatur. å andra sidan, de mest kritiska arbetspunkterna förlustmässigt i ett tåg är när krafthalvledartemperaturen och strömmen är som högst. För att adressera den här motsättningen i avhandlingen, är en ny lösning till minimal produktkostnad föreslagen. Den är skräddarsydd för det nya krafthalvledarhuset, vilket är konstruerat som halvbrygga. Med den föreslagna lösningen, blir dv/dt vid låga strömmar är begränsad, medan förlusterna vid höga är reducerade.För SiC MOSFET:n har en undersökning är uförts för att använda tågets arbetspunkt för att minska omslagsförlusterna vid ett givet dv/dt-krav. Vidare har separat styrning av di/dt och dv/dt implementerats. Till skillnad från de bipolära komponenterna IGBT och p-i-n diod, så ökar dv/dt för SiC MOSFET och JBS dioden med kommuterad ström och temperatur. Därför är vinsten att göra en så dan optimering mindre än för IGBT:n och p-i-n dioden. Vidare har en undersökning avseende kortslutningar på SiC MOSFET:n utförts med ett förslag på drivdon som möter applikationskraven. Resultaten visar att kortslutningar med snabb strömstigning kan bli släckta, men p.g.a. den lägre termiska massan behöver kortslutningsdetekteringen och släckningen ske snabbare än med IGBT:n.Slutligen har ett nytt dv/dt-filter föreslagits. Det nya konceptet använder sig av parasitinduktansen som finns i anslutningen mellan krafthalvledaren och omriktarens utgång. Med hjälp av det här tillvägagångssättet, kan SiC MOSFET:n bli fullt utnyttjad även om dv/dt på omriktarens utgång är på samma nivå som en omriktare med IGBT:er med mycket låga filterförluster. Med hjälp av att använda det här filtret, kan omslagsfrekvensen tillåtas vara fyra gånger högre än vid samma omslagsförluster jämfört med en lösning där den tillåtna nivån på dv/dt är uppnådd med hjälp av att justera drivdonet.

Nyckelord

Power semiconductor devices
DC-AC power converters
Silicon carbide
Insulated gate bipolar transistors
P-i-n diodes
Schottky diodes
Traction motors
Power MOSFET
Krafthalvledare
DC-AC kraftomvandlare
kiselkarbid
IGBT
P-i-n dioder
Schottky dioder
traktionsmotorer
Effekt-MOSFET
Electrical Engineering
Elektro- och systemteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)
dok (ämneskategori)

Hitta via bibliotek

On Gate Drivers for MOS-Controlled Power Devices and dv-dt Filters for Train Tra... (Sök publikationen i LIBRIS)

Till lärosätets databas

Hitta mer i SwePub

Av författaren/redakt...: Velander, Erik, ...; Nee, Hans-Peter, ...; Iannuzzo, France ...

Av lärosätet: Kungliga Tekniska Högskolan

Sök utanför SwePub

Sök vidare i:: Google; Google Book Search; Google Scholar

Kungliga biblioteket hanterar dina personuppgifter i enlighet med EU:s dataskyddsförordning (2018), GDPR. Läs mer om hur det funkar här.
Så här hanterar KB dina uppgifter vid användning av denna tjänst.

LIBRIS.kb.se