Módulos de potência híbridos IGBT de silício e MOSFET de carbeto de silício em paralelo
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Gabriel Azevedo Fogli
Thiago Ribeiro de Oliveira
Porfirio Cabaleiro Cortizo
Thiago Ribeiro de Oliveira
Porfirio Cabaleiro Cortizo
Resumo
A eletrônica de potência é chave para os processos de descarbonização. Os conversores
permitem integrar fontes renováveis, eletrificação de carros, e serão essenciais no processo
de eletrificação de aviões e outros meios de transportes. O componente central desses
conversores são os transistores. Tradicionalmente fabricados em silício (Si), duas tecnologias
se destacavam: o MOSFET para aplicações de baixa tensão; e os IGBT para aplicações
de média tensão. Nos últimos anos o desenvolvimento de transistores com materiais wide
band gap (WBG), principalmente o carbeto de silício (SiC) e o nitreto de gálio (GaN),
que possuem melhor desempenho que os componentes de silício mudou esse cenário. O
SiC tornou viável a tecnologia MOSFET no mesmo nível de tensão do IGBT. Entretanto,
apesar do melhor desempenho, a utilização dos dispositivos WBG ainda encontra desafios
quanto ao custo elevado e a disponibilidade de componentes. Buscando aproveitar as
vantagens do MOSFET SiC a um custo menor, esse trabalho apresenta o estudo sobre a
implementação de um módulo híbrido de 1200V. Ele é composto por um IGBT de Si e um
MOSFET de SiC em paralelo. Dessa forma um SiC de menor capacidade de corrente, e
consequente mais barato, é usado em paralelo com o IGBT podendo atender uma potência
maior por um custo menor, aproveitando a vantagem das duas tecnologias. O trabalho
foca em qual diodo usar para completar o módulo híbrido, o diodo de corpo do MOSFET
SiC ou um diodo discreto, sendo consideradas 3 tecnologias diferentes: diodo Schottky
de SiC; diodo ultrarrápido de Si; e diodo de arseneto de gálio (GaAs), caracterizando o
módulo com essas 3 tecnologias. Em um segundo momento o trabalho foca na dinâmica
do IGBT chaveando a zero de tensão quando uma sequência de comutação é usada para
operar a módulo híbrido, mostrando os efeitos na corrente e nas perdas do módulo híbrido.
Por fim, os resultados são usados para calcular as perdas do módulo híbrido proposta em
um inversor de 540 V/30 kW para avaliação do desempenho em uma aplicação real.
Abstract
Power electronics is key to the decarbonization process. Converters allow the integration of
renewable sources, electrification of cars, and will be essential in the process of electrification
of airplanes and other means of transportation. The central component of these converters
are transistors. Traditionally manufactured in silicon (Si), two technologies stood out: the
MOSFET for low voltage applications and the IGBT for medium voltage applications.
In recent years, the development of transistors with wide band gap (WBG) materials,
mainly silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), which have better performance
than silicon components, has changed this scenario. SiC has made MOSFET technology
viable at the same voltage levels as the IGBT. However, despite the improved performance,
the use of WBG devices still faces challenges in terms of high cost and availability of
components. In order to take advantage of the MOSFET SiC at a lower cost. This paper
presents a study about the implementation of a 1200V hybrid switch. It is composed
of a Si IGBT and a SiC MOSFET in parallel. In this way, a smaller and consequently
cheaper SiC is used in parallel with the IGBT, which can be used to create a higher power
converter at a lower cost. The technology also allows the advantages of the IGBT to be
exploited. The work focuses on which diode to use to complete the hybrid switch, the SiC
MOSFET body diode or a discrete diode considering. Three different diode technologies
are tested: SiC Schottky diode; ultrafast Si diode; and Gallium Arsenide(GaAs) diode,
characterizing the switch with all technologies. In a second step, the work focuses on the
dynamics of the IGBT switching at zero voltage when a switching sequence is used to
operate the hybrid switch, showing the effects on the current and losses of the hybrid
switch. Finally the results are used to calculate the losses of the proposed hybrid switch in
a 540 V/30 kW inverter for performance to evaluate performance in a real application.
Assunto
Engenharia elétrica, Eletrônica de potencia, Semicondutores de gap largo, Transistores, Conversores de corrente elétrica
Palavras-chave
Módulo híbrido, Wide Band Gap, SiC MOSFET, Si IGBT, Paralelização de transistores