On the perspectives of SiC MOSFETs in high-frequency and high-power isolated DC/DC converters

Die steigende Nachfrage nach Effizienz und Leistungsdichte bringt Si-basierte eistungsbauteile an einige inhärente Materialgrenzen, die unter anderem mit der Temperaturbelastung, der Schaltfrequenz und der Blockierspannung in Zusammenhang stehen. In jüngster Zeit sind SiC-basierte Leistungsbauelemente vielversprechende Kandidaten für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen.Aktuell sind SiC-MOSFETs von mehreren Herstellern im Handel erhältlich. Obwohl sich die Technologie der SiC-MOSFETs rasch verbessert, werden viele Herausforderungen bestehen bleiben. Einige dieser Herausforderungen werden in dieser Arbeit untersucht. Die Untersuchungen in dieser Dissertation gliedern sich in die drei folgenden Teile:Im ersten Teil erfolgt, die statische und die transiente Charakterisierung der aktuellen 1,2 kV Planarund Doubletrench SiC-MOSFETs verschiedener Hersteller. Die Auswirkungen unterschiedlicher Gatespannungen, Zwischenkreisspannungen und Temperaturen werden analysiert. Die Ergebnisse der Charakterisierung zeigen, dass die Bauteile überlegene Schaltleistungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufweisen. Darüber hinaus wird der Einsatz der internen SiC-Bodydioden in einem DC/DC-Wandler untersucht, wobei die Unterschiede zwischen Planar- und Doppeltrench-Bauteilen aufgezeigt werden. Das Reverse-Recovery-Verhalten wird unter Berücksichtigung der Gehäusetemperatur, der Schaltgeschwindigkeit, des Durchlassstroms und der angelegten Spannung bewertet.Anhand der Messergebnisse wird die Sperrschichttemperatur geschätzt, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Ein einfaches elektrothermisches Modell wird vorgestellt, um die maximal zulässige Schaltfrequenz auf der Grundlage des thermischen Designs der SiC-Bauteile abzuschätzen. Anhand dieser Ergebnisse werden hart- und weichschaltende Umrichter konzipiert und die Bauteile werden im Dauerbetrieb mit einer sehr hohen Schaltfrequenz von 1 MHz untersucht. Danach werden die SiC-MOSFETs im Dauerbetrieb in einem 10 kW / 100-250 kHz-Tiefsetzsteller betrieben. Dabei wird die Synchrongleichrichtung, die Verwendung der internen Diode und die Verwendung einer externen Schottky-Diode verglichen. Außerdem wird die Parallelisierung von SiC-MOSFETs untersucht, bevor die Parallelschaltung der verschiedenen Bauelemente ebenso im kontinuierlichen Konverterbetrieb verglichen wird. Es wird der Einfluss der häufigsten Parametervariationen auf die statische und dynamische Stromaufteilung der Transistoren analysiert, was zeigt, dass eine Parallelisierung von SiC-MOSFETs möglich ist. Anschließend wird ein analytisches Modell der SiC-MOSFETs zur Schaltverlustoptimierung vorgeschlagen. Das analytische Modell zeigt eine relativ enge Übereinstimmung mit den Messergebnissen unter verschiedenen Testbedingungen. Das vorgeschlagene Modell bildet die Schwingungen sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten effektiv nach. Dies wurde durch die Berücksichtigung der wichtigsten parasitären Elemente in Strom- und Gatekreisen erreicht. Im zweiten Teil wird eine umfassende Bewertung der Kurzschlussfestigkeit mit Fokus auf verschiedene Ausfallmodi der planaren und double-trench SiC-Bauelemente vorgestellt. Die Auswirkungen unterschiedlicher Gatespannungen, Zwischenkreisspannungen und Gate-Widerstände werden ausgewertet. Zusätzlich wird die temperaturabhängige Kurzschlussfähigkeit ausgewertet und die zugehörigen Fehlerfälle werden analysiert. Anschließend wird die Auslegung und Prüfung von zwei verschiedenen Verfahren zum Überstromschutz evaluiert. Die „Desaturation“-Technik wird auf SiC-MOSFETs angewendet und mit einer zweiten Methode verglichen, welche die parasitäre Induktivität der Bauelemente nutzt.Schließlich wird der Nutzen des Einsatzes von SiC-Bauteilen in kontinuierlichen Hochfrequenz-Hochleistungs-DC/DC-Wandlern experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird eine Designoptimierung eines Hochfrequenztransformators vorgestellt und der Einfluss verschiedener Kernmaterialien, Leiterausführungen und Wicklungsanordnungen wird bewertet. Es wird ein unidirektionaler ZVZCS Vollbrücken-DC/DC-Wandler vorgestellt, der nur die parasitäre Streuinduktivität des Transformators verwendet. Experimentelle Ergebnisse für einen 10 kW, (100-250) kHz Prototyp zeigen einenWirkungsgrad von bis zu 98,1% für den gesamten Umrichter. Abschließend wird ein optimiertes Regelverfahren verwendet, welches auf einem modifizierten Dual-Phase-Shift-Regelverfahren basiert, um den Kreisstrom im isolierten bidirektionalen Dual-Aktiv-Brücken-DC/DC-Wandler zu minimieren. Diese Regelmethode wird experimentell mit der herkömmlichen Single-Phase-Shift-Regelung verglichen. Hierbei zeigt sich eine deutliche Effizienzsteigerung durch die neue Regelmethode.Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die theoretische Analyse und zeigen, dass die vorgeschlagene Regelung den Gesamtwirkungsgrad des Umrichters erhöhen und den ZVZCS-Bereich erweitern kann.