Gate Driver Circuit for Silicon Carbide MOSFET-based Two-Switch Flyback

Thumbnail Image

Files

master_Hietanen_Joni-Markus_2020.pdf (907.02 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2020-06-15

Department

Major/Subject

Electrical Power and Energy Engineering

Mcode

ELEC3024

Degree programme

AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)

Language

en

Pages

69+3

Series

Abstract

In a continuously electrifying world, electric power conversion continues to have a significant impact on the overall electricity consumption, due to imperfections in the conversion process. Whether the electric energy needs to be converted for power transmission or charging up electronic devices, the field will remain relevant well into the remote future. Additionally, semiconductor material improvements, for example from Silicon (Si) to Silicon Carbide (SiC), lead to more efficient and higher power density converter designs. The increased power density enables the development of next-generation power supplies, which can improve the process of electric power conversion even further. However, the new material possesses special characteristics, that must be considered during the design process. In this master's thesis, a gate driver concept for a two-switch flyback converter equipped with SiC MOSFETs is proposed. The gate driver design is conducted in terms of the specific demands set by the SiC MOSFETs. The thesis consists of an extensive literature review, as well as circuit simulations performed with the LTSpice simulator. The entire design process is presented starting from the working principle of the selected power converter topology, to the specification of the initial requirements set by Silicon Carbide material, and ending up to the simulation results. The requirements induce three alternative circuit solutions during the design process that are compared to each other during the simulations. Additionally, two different SiC MOSFET models are composed for further circuit evaluation. The derived results evidence the functionality of the proposed concept, as well as identify the main problems of the design process, that have to be resolved. Two of the three solutions were found to contain genuine potential for further development.

Jatkuvasti sähköistyvässä maailmassa sähköenergian muuttaminen muodosta toiseen vaikuttaa merkittävästi sähkön kokonaiskulutukseen, sillä muutosprosessi sisältää aina häviöitä. Vaikka olisi kyse sähköenergian muuttamisesta sen siirtoa tai elektronisten laitteiden latausta varten, ala tulee pysymään relevanttina vielä kaukaiseen tulevaisuuteen. Tämän lisäksi puolijohdemateriaalien kehittyminen esimerkiksi piistä (Si) piikarbidiin (SiC) johtaa yhä energiatehokkaampien ja tehotiheämpien muuttajien suunnitteluun. Kasvanut tehotiheys mahdollistaa uuden sukupolven muuttajien kehityksen, jolloin sähköenergian muutosprosessia pystytään parantamaan yhä enemmän. Uusi materiaali omaa kuitenkin erityispiirteitä, jotka täytyy ottaa huomioon suunnittelun aikana. Tässä diplomityössä ehdotetaan ratkaisua kaksikytkimisen, epäsuoraan tehonsiirtoon perustuvan tasasähkömuuttajan hilaohjainpiirille, jossa muuttajan kytkiminä on käytetty piikarbidi-MOSFETteja. Hilaohjaimen suunnittelu on kauttaaltaan toteutettu piikarbidin tarkkojen vaatimusten mukaisesti. Diplomityö koostuu laajasta kirjallisuuskatsauksesta ja piirien simulaatioista, jotka on toteutettu LTSpice-työkalulla. Työssä esitetään suunnitteluprosessi kokonaisuudessaan alkaen tasasähkömuuttajan toimintaperiaatteesta jatkuen piikarbidin erityisvaatimuksiin ja lopuksi suunnitellun piirin simuloinnin tuloksiin. Piikarbidin erityisvaatimusten vuoksi prosessissa syntyi kolme vaihtoehtoista ratkaisua, joita vertaillaan simulaatioiden jälkeen. Lisäksi simulaatioita varten rakennettiin kaksi erillistä piikarbidi-MOSFET-mallia, jotta niiden erilaiset ominaisuudet voitaisiin ottaa huomioon jokaisessa piiriratkaisussa. Saadut tulokset todistavat ehdotetun piirin toiminnallisuuden samalla tunnistaen vakavimmat ongelmat suunnitteluprosessissa. Kahden kolmesta ratkaisusta havaittiin olevan niin lupaavia, että niissä on aitoa potentiaalia jatkokehitykselle.

Description

Supervisor

Kyyrä, Jorma

Thesis advisor

Leppäaho, Jari

Keywords

flyback, MOSFET, SiC, silicon carbide, gate driver, switched-mode power supply

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202006213950

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC