Medium voltage energy conversion using Silicon Carbide-based power devices

Project title: Medium voltage energy conversion using Silicon Carbide-based power devices.

Tytuł projektu: Przetwarzanie energii w obszarze średnich napięć z wykorzystaniem przyrządów mocy z węglika krzemu.

Project manager/Kierownik projektu: dr hab. inż. Jacek Rąbkowski, prof. PW.

Personal staff/Skład osobowy: mgr inż. Grzegorz Wrona, mgr inż. Przemysław Trochimiuk, mgr inż. Rafał Kopacz, inż. Krzysztof Frąc.

Project subject:

The main scientific objective of the project is to analyze and experimentally test three various approaches to construct power converters in medium voltage range using Silicon Carbide power devices and, finally, to compare the different methods and qualify them in terms of their assets and liabilities.

Tematyka projektu:

Głównym celem badawczym projektu jest przeanalizowanie i eksperymentalne przebadanie trzech różnych rozwiązań konstruowania przekształtników w obszarze średnich napięć z użyciem przyrządów mocy z węglika krzemu oraz, finalnie, porównanie poszczególnych metod i określenie ich wad i zalet.

Project abstract:

In recent years, thanks to mastering the production technology SiC-based power devices appear in an increasing number of low voltage power electronic devices, increasing their energy efficiency and reducing their weight and size. In particular, the interests lie in the area of medium voltages, i.e. above 1 kV, thus, research projects are conducted in three directions. First of all, high-voltage transistors are used, which, currently, can reach voltages up to 27.5kV. However, at this stage, they are extremely expensive and also cannot operate at high currents. Therefore, there is plenty of research done on power switches based on low voltage transistors connected in series. The price of such transistors has dropped significantly in recent years, and there is also evidence showing that its parameters are stable over time. Finally, the third approach to use SiC transistors in the medium voltage area is to employ systems with multilevel topologies and low voltage components, which are also a potent subject for research. All research results showcase that SiC power components provide the possibility to construct power electronic systems with significantly better parameters in comparison to those built in Si technology. However, there have not been any works in regard to a comparison of those three aforementioned concepts to use the new SiC devices in medium voltage area. The main scientific goal of this project is to make such a comparison.

Of course, in medium voltage range, a number of different power electronic systems can be found, therefore, in this project, a comparison of the basic component structure of the so-called power electronic functional block is considered. Most DC/DC, DC/AC or AC/DC systems are implemented with the use of such blocks, therefore, finally, three power electronic functional blocks will be developed and tested on the basis of three different concepts and their analytical, simulation and experimental comparison will be made. The maximum parameters of the tested systems are voltage up to 1.8 kV DC and output current up to 300 A. All functional blocks will be subjects to laboratory tests, in particular power loss measurements using electrical and thermal methods.

As a result of the project, knowledge of medium voltage semiconductor power devices will be significantly expanded, in particular in the area of power circuit and gate drivers design for fast switching Silicon Carbide transistors. Comparison and indication of the best concept for the use of the new technology, including the development of three types of power electronic functional blocks will contribute to accelerating its introduction to practical applications. The technology could be used in power electronic systems in electric traction, electric drives or those cooperating with the power system. As a result, the new systems will be characterized by higher energy efficiency, which will reduce electricity consumption and thus indirectly reduce greenhouse gas emissions. In addition, silicon carbide devices will allow to increase the frequency of the systems operation, which will reduce the size of passive elements (chokes, transformers) and will reduce the consumption of natural resources (copper, aluminum). All the above-mentioned effects of the project will have a definitely positive impact on the development of science, civilization and society.

Streszczenie projektu:

W ostatnich latach dzięki opanowaniu technologii wytwarzania przyrządy mocy z SiC pojawiają się w coraz to większej liczbie urządzeń energoelektronicznych niskiego napięcia powodując podniesienie ich sprawności energetycznej oraz obniżenie masy i rozmiarów. Szczególnie duże oczekiwania wiąże się z nową technologią w obszarze napięć średnich, czyli powyżej 1 kV, w związku z tym prowadzone są prace badawcze w trzech kierunkach. Przede wszystkim sięga się po tranzystory wysokonapięciowe, aktualnie istnieją przykłady tranzystorów SiC na napięcia przebicia do 27.5kV. Na tym etapie są one niezwykle kosztowne, a także nie są w stanie przewodzić zbyt dużych prądów. Dlatego prowadzone są prace nad łącznikami mocy bazującymi na tranzystorach niskonapięciowych połączonych szeregowo. Cena takich tranzystorów istotnie spadła w ostatnich latach, istnieją też dane świadczące o stabilności ich parametrów w czasie. Wreszcie trzecia możliwa koncepcja użycia tranzystorów SiC w obszarze średnich napięć to sięgnięcie po układy o topologii wielopoziomowej i elementy niskonapięciowe. W tym zakresie także prowadzone są prace badawcze. Wszystkie wyniki badań pokazują, że elementy SiC pozwalają uzyskać układy energoelektroniczne o istotnie lepszych parametrach w odniesieniu do tych budowanych na bazie technologii krzemowej. Jednak nikt nie podjął próby porównania trzech wspomnianych koncepcji użycia nowych elementów w obszarze średnich napięć. Wykonanie takiego porównania jest zasadniczym celem naukowym tegoż projektu.

Oczywiście w zakresie średnich napięć można spotkać szereg różnych układów energoelektronicznych, dlatego też, w tym projekcie, jest przeprowadzane porównanie podstawowej struktury składowej tzw. energoelektronicznego bloku funkcjonalnego. Większość układów DC/DC, DC/AC czy AC/DC jest realizowana z użyciem takich właśnie bloków, w związku z tym, finalnie, będą opracowane i przebadane trzy energoelektroniczne bloki funkcjonalne na podstawie trzech różnych koncepcji i dokonanie ich analityczne, symulacyjne i eksperymentalnego porównanie. Maksymalne parametry badanych układów to napięcie stałe do 1,8 kV DC i prąd wyjściowy do 300 A. Wszystkie bloki funkcjonalne zostaną poddane testom laboratoryjnym, w szczególności pomiarom strat mocy przy pomocy metod elektrycznych i termicznych.

W wyniku realizacji projektu wiedza w zakresie półprzewodnikowych przyrządów mocy pracujących przy średnich napięciach zostanie istotnie poszerzona, w szczególności w obszarze projektowania obwodów mocy oraz sterowników bramkowych szybko przełączających tranzystorów z węglika krzemu. Porównanie i wskazanie najlepszej koncepcji użycia nowej technologii, w tym opracowanie trzech typów energoelektronicznych bloków funkcjonalnych przyczyni się do przyspieszenia jej wprowadzania do zastosowań praktycznych. Można będzie ją użyć w układach energoelektronicznych w trakcji elektrycznej, napędach elektrycznych czy tych współpracujących z systemem elektroenergetycznym. W efekcie nowe układy będą się cechować wyższą sprawnością energetyczną, co ograniczy zużycie energii elektrycznej a więc pośrednio ograniczy emisję gazów cieplarnianych. Ponadto przyrządy z węglika krzemu pozwolą podnieść częstotliwość pracy układów, co zmniejszy rozmiary elementów biernych (dławiki, transformatory) i w pozwoli zmniejszyć zużycie surowców naturalnych (miedź, aluminium). Wszystkie wymienione efekty projektu będą miały zdecydowanie pozytywny wpływ na rozwój nauki oraz cywilizację i społeczeństwo.

Projects figures/ Rysunki projektowe: