Νέες τεχνικές αυτόνομης εξισορρόπησης ρευμάτων και προστασίας από υπερεντάσεις παραλληλισμένων MOSFETs καρβίδιου του πυριτίου

Abstract

The key requirements of new technology power converters are to maximize efficiency, minimize volume and high reliability and robustness in short-circuit/overvoltage conditions. Silicon Carbide (SiC) semiconductor switches offer the proper characteristics to reliably meet the demands of modern converters. Among the SiC semiconductor switches, the most popular SiC transistor is the SiC MOSFET because of its exceptional characteristics. However, to date, commercially available SiC MOSFETs cannot be exploited in medium- and high-power density applications due to the high value of their characteristic currents. This limitation can be overcome by paralleling a number of SiC MOSFETs, increasing the power density of a system. However, due to the fact that SiC MOSFETs do not have identical technical parameters, uneven distribution of the load current occurs between the paralleled power switches with the possibility of overcurrent events, endangering the reliability of the power switches and the system. In this Ph.D. dissertation, techniques are proposed to significantly limit the current imbalance between the paralleled power switches, allowing the use of SiC MOSFETs in medium- and high-power density applications and avoiding any possibility of overcurrent due to the current imbalance. A thorough literature review of current balancing techniques between paralleled SiC MOSFETs proposed to date in the current literature is performed to investigate their advantages and disadvantages. In order to find an improved current balancing technique, the effect of five proposed methods against the uneven distribution of currents is investigated both individually and in combination. This investigation is carried out and evaluated through a series of simulations and experimental trials using a step-down DC-DC power converter (chopper), connecting in parallel two SiC MOSFETs. Through these tests, a final proposed method is proposed, capable of fully balancing the parallel currents of SiC MOSFETs regardless of the cause of the imbalance. In addition, the structure, operating principles and application needs of the proposed technique are presented which can be implemented either as a manual or self-regulating system, having the capability of both manual and self-regulating balancing of currents between parallel connected SiC MOSFETs. Particular emphasis is placed on the design and development principles of the proposed self-regulating current balancing technique. The reliability of both techniques is tested and validated through a series of simulations and experimental tests under different test conditions using the step-down DC-DC power converter, demonstrating their performance and effectiveness against a variety of unbalance challenge cases. Through this process, the ability of both techniques to offer and ensure an even distribution of the load current between the parallel-connected SiC MOSFETs is verified even from the first power converter cycles, excluding the possibility of overcurrent due to the uneven distribution of the currents. Therefore, the application of the proposed technique allows the exploitation of the excellent characteristics of SiC MOSFETs and their integration into high power density power electronics converters.

Οι βασικές απαιτήσεις των μετατροπέων ισχύος νέας τεχνολογίας είναι η μεγιστοποίηση της απόδοσης, η ελαχιστοποίηση του όγκου και η υψηλή αξιοπιστία και ανθεκτικότητα σε συνθήκες βραχυκύκλωσης/υπέρτασης. Οι ημιαγωγικοί διακόπτες καρβιδίου του πυριτίου (SiC) προσφέρουν τα κατάλληλα χαρακτηριστικά προκειμένου να ανταποκριθούν με αξιοπιστία στις επιταγές των σύγχρονων μετατροπέων. Ανάμεσα στους ημιαγωγικούς διακόπτες SiC, το πιο δημοφιλές SiC τρανζίστορ είναι το SiC MOSFET λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών που διαθέτει. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, τα εμπορικά διαθέσιμα SiC MOSFET δεν μπορούν να αξιοποιηθούν σε εφαρμογές μέσης και υψηλής ισχύος λόγω της υψηλής τιμής των ρευμάτων που τις χαρακτηρίζουν. Ο παραπάνω περιορισμός μπορεί να ξεπεραστεί με τον παραλληλισμό ενός αριθμού SiC MOSFET, αυξάνοντας το επίπεδο ισχύος ενός συστήματος. Παρόλα αυτά, λόγω του γεγονότος ότι τα SiC MOSFET δεν έχουν πανομοιότυπες τεχνικές παραμέτρους, οδηγώντας σε άνισο διαμοιρασμό του ρεύματος φορτίου ανάμεσα στους παραλληλισμένους διακόπτες ισχύος με την πιθανότητα εμφάνισης υπερεντάσεων, διακινδυνεύοντας την αξιοπιστία των διακοπτών ισχύος και του συστήματος. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται τεχνικές με τις οποίες περιορίζεται σε σημαντικό βαθμό η ανισοκατανομή του ρεύματος μεταξύ των παραλληλισμένων διακοπτών ισχύος, επιτρέποντας την αξιοποίηση των SiC MOSFET σε εφαρμογές μέσης και υψηλής ισχύος και αποφεύγοντας οποιαδήποτε πιθανότητα υπερέντασης που οφείλεται στην ανισοκατανομή των ρευμάτων. Πραγματοποιείται μια εξονυχιστική βιβλιογραφική ανασκόπηση των τεχνικών εξισορρόπησης των ρευμάτων μεταξύ παραλληλισμένων SiC MOSFET που έχουν προταθεί μέχρι σήμερα από τη σύγχρονη βιβλιογραφία με σκοπό τη διερεύνηση των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων τους. Με σκοπό την εύρεση μια βελτιωμένης τεχνικής εξισορρόπησης των ρευμάτων διερευνάται η επίδραση πέντε προτεινόμενων μεθόδων απέναντι στην ανισοκατανομή των ρευμάτων τόσο εξατομικευμένα όσο και συνδυαστικά. Η διερεύνηση αυτή διενεργείται και αξιολογείται μέσω μιας σειράς προσομοιώσεων και πειραματικών δοκιμών με τη χρήση ενός μετατροπέα συνεχούς ρεύματος υποβιβασμού τάσης (τεμαχιστής), εντός του οποίου πραγματοποιείται ο παραλληλισμός δύο SiC MOSFET. Μέσα από αυτές τις δοκιμές, προτείνεται μία τελική προτεινόμενη μέθοδος, ικανή να εξισορροπεί εξ ολοκλήρου τα ρεύματα των παραλληλισμένων SiC MOSFET ανεξάρτητα από την αιτία πρόκλησης της ανισοκατανομής. Επιπλέον, παρουσιάζονται η δομή, οι αρχές λειτουργίας και οι ανάγκες εφαρμογής της προτεινόμενης τεχνικής η οποία μπορεί να υλοποιηθεί είτε ως ένα σύστημα χειροκίνητης ή αυτορρυθμιζόμενης λειτουργίας, διαθέτοντας την ικανότητα τόσο της χειροκίνητης όσο και της αυτορρυθμιζόμενης εξισορρόπησης των ρευμάτων μεταξύ παράλληλα συνδεδεμένων SiC MOSFET. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις αρχές σχεδίασης και ανάπτυξης της προτεινόμενης αυτορρυθμιζόμενης τεχνικής εξισορρόπησης των ρευμάτων. Η αξιοπιστία και των δύο τεχνικών δοκιμάζεται και επιβεβαιώνεται μέσω μιας σειράς προσομοιώσεων και πειραματικών δοκιμών υπό διαφορετικές συνθήκες δοκιμής με τη χρήση του μετατροπέα υποβιβασμού τάσης, (chopper ενός τεταρτημόριου), αποδεικνύοντας την απόδοση και την αποτελεσματικότητά τους έναντι ποικίλων περιπτώσεων πρόκλησης της ανισοκατανομής. Μέσα από αυτή τη διαδικασία, επαληθεύεται η ικανότητα και των δύο τεχνικών να προσφέρουν και να εξασφαλίζουν μία ομοιόμορφη κατανομή του ρεύματος φορτίου μεταξύ των παράλληλα συνδεδεμένων SiC MOSFET ακόμη και από τους πρώτους κύκλους λειτουργίας του μετατροπέα ισχύος, αποκλείοντας το ενδεχόμενο υπερέντασης που οφείλεται στην ανισοκατανομή των ρευμάτων. Συνεπώς, η εφαρμογή της προτεινόμενης τεχνικής επιτρέπει την αξιοποίηση των εξαιρετικών χαρακτηριστικών των SiC MOSFET και την ενσωμάτωσή τους σε μετατροπείς των ηλεκτρονικών ισχύος μεγάλης ισχύος.