Short-Circuit Characteristics of High-Power Silicon Carbide MOSFET Modules
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Westberg, Tobias
Date
2023-10-09
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
77+1
Series
Abstract
This thesis studies short-circuit characteristics of high-power silicon carbide (SiC) MOSFET modules. Due to the weaker short-circuit ruggedness of SiC MOSFETs compared to Si IGBTs, the short-circuit withstand time is reduced. Parasitic components in SiC MOSFETs as well as in the modules affect both the switching speed and the voltage stress on the switches. The output characteristics of a 2-kV 750-A SiC MOSFET half-bridge module are measured in a double-pulse tester, by performing current sweeps. The results from the current sweeps are used to characterize a threshold model (T-model) and a surface-potential-based model (SP-model). The SP-model matches better with the measurement results. Hard switching fault (HSF) and fault under load (FUL) are experimentally performed to analyze the short-circuit behavior of the module. The module has a peak short-circuit current of more than 20 times the rated current. In low-impedance short circuits, the module shows a current change limiting behavior. The current change limiting behavior is caused by a common inductance in the gate and power circuit. This behavior increases the time reaching the peak short-circuit current and the current fall time during turn-off. As a result, the power dissipation during a low-impedance fault is reduced and the voltage stress during turn-off is limited. These advantages indicate that the inclusion of a common inductance could increase the short-circuit withstand time of high-power SiC MOSFET modules.I detta arbete studeras kortslutningsegenskaperna hos högeffektsmoduler med MOS-transistorer av kiselkarbid (SiC). Kortslutningsmotståndstiden är förkortad på grund av sämre robusthet mot kortslutningar hos MOS-transistorer av SiC jämfört med IGBTar av kisel (Si). Parasitiska komponenter i själva SiC MOS-transistorn såväl som i modulerna påverkar både kopplingshastigheten och spänningsbelastningen på halvledaren. De statiska egenskaperna för en 2-kV 750-A SiC MOS-transistor-halvbryggsmodul testas i en dubbelpulstestare genom att utföra strömsvep. Strömsvepen utförs genom att öka strömmen snabbt tills MOS-transistorn blir mättad. Resultaten från dessa svep används för att karakterisera en tröskelmodell och en model baserad på ytpotential. Under testtiden sker en uppvärmning, vilket förskjuter temperaturen från starttemperaturen. Detta beaktas när modellerna karakteriseras. SP-modellen stämmer bättre överens med mätresultaten både i strömsveparna och i kortslutningar. Hårt kopplingsfel och fel under belastning utförs för att analysera kortslutningsbeteendet hos modulen och SP-modellen. Modulen uppnår en toppkortslutningsström som är mer än 20 gånger den dimensionerade strömmen, vilket tyder på en hög konduktans i det saturerade området. Vid kortslutningar med låg impedans visar modulen ett beteende för begränsad strömändring, vilket orsakas av en gemensam induktans i styr- och kraftkretsen. Även om modulen är försedd med en så kallad Kelvin-anslutning, delar kraftströmmen och styrströmmen en gemensam rutt, vilket producerar en gemensam induktans. Vid snabba strömförändringar i kraftkretsen, produceras en spänning över induktansen vilket i sin tur påverkar styr-käll-spänningen. Undersökningen visar att beteendet ökar tiden för att nå maximala kortslutningsströmmen och strömfallstiden under avstängning. En ekvation har förslagits för att approximera den maximala strömförändringen av MOS-transistorer i kortslutning, där en gemensam induktans är en del av gatekretsen. På grund av den begränsade maximala strömförändringen, reduceras effektförlusten under ett lågimpedansfel och spänningsbelastningen under avstängning. Dessa fördelar indikerar att införandet av en gemensam induktans kan öka kortslutningsmotståndstiden för högeffektsmoduler med MOS-transistorer av SiC.Description
Supervisor
Hinkkanen, MarkoThesis advisor
Hortans, MagnusKeywords
electro-thermal model, high-power module, MOSFET, parasitic component, short circuit, silicon carbide