Simulation of Soft-Switching Power Converters Applying Si IGBTS and SiC MOSFETS

Abstract

Power electronic circuits experience losses from switching power semiconductors, categorized as switching and conduction losses. Advancements in SiC and GaN semiconductors reduce switching losses. SiC offers improved frequencies and lower losses compared to silicon. Reducing switching duration decreases losses but introduces challenges with higher dv/dt and EMI. Soft-switching, specifically ZVS, mitigates losses by eliminating overlap between current and voltage transitions. Implementing ZVS faces challenges with temperature and load dynamics. Soft-switching benefits high-frequency transformers, reducing losses and simplifying design. The goal of this work is to build a simulation model for analyzing switching loss reduction and ARCP ZVS technology in power converters. The model will focus on the half bridge main circuit and include simulations of both main circuit components (SiC MOSFET and Si IGBT) and auxiliary circuit components, accounting for their nonlinearities and dependencies. The aim is to accurately model soft-switching behavior and examine the control of resonance with large stray inductances. The simulation results will provide guidelines for planning and implementation, including sensor frequency band and accuracy, maximum tolerable stray magnitudes, and switching event durations. Additionally, the work aims to simulate the reduction of switching losses compared to hard-switching in the same main circuit. The resulting simulation model will allow for analysis of the main circuit's behavior in real applications, considering various variables. A comparative analysis of power loss characteristics between Si IGBT and SiC MOSFET models, with and without ZVS functionality, reveals that SiC MOSFET technology demonstrates inherently lower power losses compared to Si IGBT technology. Additionally, implementing an auxiliary circuit effectively reduces power losses in both Si IGBT and SiC MOSFET configurations. These findings suggest that utilizing SiC technology and auxiliary circuit techniques can lead to significant efficiency improvements in power electronics applications. Developing the Si IGBT simulation model posed challenges compared to the SiC MOSFET model. The IGBT's inherent switching speed limitations hindered reliable simulation operation, particularly in high-frequency switching applications. Optimizing resonant circuit parameters can mitigate some challenges, but the fundamental limitation remains in the IGBT's switching speed. Thus, while Si IGBTs have advantages in specific ranges, their application in high-frequency switching circuits with auxiliary ZVS techniques is essentially limited.

Tehoelektroniikkapiireissä esiintyy puolijohdekomponenteissa syntyviä häviöitä, jotka jaetaan kytkentä- ja johtohäviöihin. SiC- ja GaN-puolijohdekomponttien kehitys vähentää kytkentähäviöitä. SiC tarjoaa parannettuja taajuuksia ja pienempiä häviöitä verrattuna piihin. Kytkennän keston lyhentäminen vähentää häviöitä, mutta aiheuttaa haasteita du/dt:n ja EMI:n kanssa. Pehmeä kytkentä, erityisesti ZVS, vähentää häviöitä poistamalla päällekkäisyydet virran ja jännitteen siirtymien välillä. ZVS:n toteuttaminen kohtaa haasteita lämpötilan ja kuormadynamiikan suhteen. Pehmeä kytkentä hyödyttää korkeataajuisia muuntajia, vähentäen häviöitä ja yksinkertaistaen suunnittelua. Tämän työn tavoitteena oli luoda simulointimalli kytkentähäviöiden vähentämisen ja ARCP ZVS -tekniikan analysointiin. Malli keskittyy puolisillan pääpiiriin ja sisältää simuloinnit sekä pääpiirin komponenteille (SiC MOSFET ja Si IGBT) että apupiirin komponenteille, ottaen huomioon niiden epälineaarisuudet ja riippuvuudet. Tavoitteena on mallintaa pehmeän kytkennän käyttäytyminen tarkasti ja tutkia resonanssin hallintaa suurilla hajainduktansseilla. Simulaatiotulokset tarjoavat suuntaviivoja suunnittelulle ja toteutukselle, mukaan lukien anturin taajuuskaista ja tarkkuus, maksimaalisesti siedettävät hajamagnitudit ja kytkentätapahtuman kesto. Lisäksi työn tavoitteena on simuloida kytkentähäviöiden vähentämistä verrattuna kovan kytkennän kytkentähäviöihin samassa pääpiirissä. Syntyvä simulointimalli mahdollistaa pääpiirin käyttäytymisen analysoinnin todellisissa sovelluksissa, ottaen huomioon erilaiset muuttujat. Vertaileva analyysi tehohäviöominaisuuksista Si IGBT- ja SiC MOSFET -mallien välillä, ZVS-toiminnallisuudella ja ilman sitä, paljastaa, että SiC MOSFET -teknologia tuottaa luontaisesti alhaisemmat tehohäviöt verrattuna Si IGBT -teknologiaan. Lisäksi apupiirin käyttö vähentää tehohäviöitä sekä Si IGBT- että SiC MOSFET -konfiguraatioissa. Nämä havainnot viittaavat siihen, että SiC-teknologian ja apupiirin hyödyntäminen voi johtaa merkittäviin tehokkuuden parannuksiin tehoelektroniikan sovelluksissa. Si IGBT -simulaatiomallin kehittäminen aiheutti haasteita verrattuna SiC MOSFET -malliin. IGBT:n luontaiset kytkentänopeusrajoitukset haittasivat luotettavaa simulaatiotoimintaa, erityisesti korkean taajuuden kytkentäsovelluksissa. Resonanssipiirin parametrien optimoinnilla voidaan välttää joitain haasteita, mutta perustavanlaatuinen rajoitus on IGBT:n kytkentänopeus. Näin ollen, vaikka Si IGBT:t tarjoavat etuja tietyillä toiminta-alueilla, niiden soveltaminen korkeataajuisten kytkentäpiirien kanssa, joissa käytetään apulaitteena ZVS-tekniikkaa, on luontaisesti rajoitettua.