Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2021 - zeszyt 1

SiC-Based Magnetic-less DC-DC Converter with Wide Temperature Range Operation

10.15199/48.2021.01.10

nr katalogowy: 129831
10.15199/48.2021.01.10

Streszczenie

This paper presents a concept and experimental results of the magnetic-less converter suitable for wide temperature range operation. The DC-DC converter uses a variant of a switched-capacitor voltage multiplier topology, silicon carbide (SiC) and IGBT (insulated gate bipolar transistor) semiconductors and resonant circuits with air-based chokes designed on PCB (printed circuit board), as well as high temperature resonant capacitors and PCB materials. Ferrite materials are not required which and therefore the problems with inductance variation versus temperature do not exist

Abstract

W artykule przedstawiono koncepcję i wyniki doświadczalne przekształtnika do pracy w szerokim zakresie temperatur. W przekształtniku zastosowano wariant topologii rezonansowo przełączalnych kondensatorów, półprzewodniki z węglika krzemu (SiC) i IGBT oraz obwody rezonansowe z dławikami powietrznymi zaprojektowanymi na PCB, a także wysokotemperaturowe kondensatory rezonansowe oraz specjalny materiał PCB. Rdzeń ferrytowy nie został tu zastosowany, a zatem nie istnieje problemy ze zmianą indukcyjności w zależności od temperatury pracy układu. (Przekształtnik DC-DC bazujący na SiC pracująy w szerokim zakresie temperatur).

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] Guo, X.; Xun, Q.; Li, Z.; Du, S. Silicon Carbide Converters and MEMS Devices for High-temperature Power Electronics: A Critical Review. Micromachines (Basel). 2019;10(6):406. Published 2019 Jun 19. doi:10.3390/mi10060406
[2] Buttay, C.; Planson, D.; Allard, B.; Bergogne, D.; Bevilacqua, P.; Joubert, C.; Lazar, M.; Martin, C.; Morel, H.; Tournier, D.; Raynaud, C.; State of the art of high temperature power electronics, Materials Science and Engineering: B, Volume 176, Issue 4,2011,Pages 283-288,ISSN 0921-5107.
[3] Wang, Z. et al. Temperature-Dependent Short-Circuit Capability of Silicon Carbide Power MOSFETs, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 2, pp. 1555-1566, Feb. 2016. doi: 10.1109/TPEL.2015.2416358
[4] Deshpande, A.; and Luo, F. Practical Design Considerations for a Si IGBT + SiC MOSFET Hybrid Switch: Parasitic Interconnect Influences, Cost, and Current Ratio Optimization, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 1, pp. 724-737, Jan. 2019. doi: 10.1109/TPEL.2018.2827989
[5] Zhong, X.; Wu, X.; Zhou, W.; Sheng, K. An All-SiC High- Frequency Boost DC–DC Converter Operating at 320 °C Junction Temperature, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 10, pp. 5091-5096, Oct. 2014. doi: 10.1109/TPEL.2014.2311800.
[6] Qi, F.; Wang, M.; Xu, L. Investigation and Review of Challenges in a High-Temperature 30-kVA Three-Phase Inverter Using SiC MOSFETs, in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 54, no. 3, pp. 2483-2491, May-June 2018. doi: 10.1109/TIA.2018.2796059
[7] Olejniczak, K. et al., A compact 110 kVA, 140°C ambient, 105°C liquid cooled, all-SiC inverter for electric vehicle traction drives, 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, FL, 2017, pp. 735-742. doi: 10.1109/APEC.2017.7930776
[8] Wrzecionko, B.; Bortis, D.; Kolar, J. W. A 120 °C Ambient Temperature Forced Air-Cooled Normally-off SiC JFET Automotive Inverter System, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 5, pp. 2345-2358, May 2014. doi: 10.1109/TPEL.2013.2294906
[9] Juanjuan, L.; Zhe Z.; Jianhong, H.; Yi, H.; Hao, Z.; Ruixiang, H. High-temperature characteristics of SiC module and 100 kW SiC AC-DC converter at a junction temperature of 180 °C, Global Energy Interconnection, Volume 2, Issue 6, 2019, Pages 521-530,
[10] Marzoughi, A.; Wang, J.; Burgos, R.; Boroyevich, D. Characterization and Evaluation of the State-of-the-Art 3.3-kV 400-A SiC MOSFETs, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 10, pp. 8247-8257, Oct. 2017.
[11] Barlow, M.; et al. SiC-CMOS digital circuits for high temperature power conversion, 2016 IEEE 4th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), Fayetteville, AR, 2016, pp. 223-227.doi: 10.1109/WiPDA.2016.7799942.
[12] Lei, Y.; Pilawa-Podgurski, R.C.N. A general method for analyzing resonant and soft-charging Operation of switchedcapacitor converters, IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 10, pp. 56505664, Oct. 2015.
[13] Stala, R.; Piróg, S.; Penczek, A.; Kawa, A.; Waradzyn, Z.; Mondzik, A.; Skała, A. A family of high-power multilevel switched capacitor-based resonant DC-DC converters – operational parameters and novel concepts of topologies, , 65, No 5 pp. 639-651, 2017.
[14] Waradzyn, Z.; Stala, R.; Mondzik, A.; Penczek, A.; Skała, A.; Pirog, S. Efficiency Analysis of MOSFET-Based Air-Choke Resonant DC-DC Step-Up Switched-Capacitor Voltage Multipliers. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 64(11), pp. 8728–8738. doi: 10.1109/ TIE.2017.2698368.
[15] Waradzyn, Z.; Stala, R.; Mondzik, A.; Pirog, S. Switched capacitor-based power electronic converter – optimization of high frequency resonant circuit components. In: J. Kabziński, ed., Advanced Control of Electrical Drives and Power Electronic Converters, ser. Studies in Systems, Decision and Control, Vol. 75, Switzerland: Springer International Publishing AG, pp. 361–378.
[16] Waradzyn, Z.; Stala, R.; Skała, A.; Mondzik, A.; and Penczek, A. A Cost-Effective Resonant Switched-Capacitor DC-DC Boost Converter – Experimental Results and Feasibility Model. Power Electronics and Drives 3(38), No. 1, 2018 DOI: 10.2478/pead-2018-0004.
[17] Ye, Y.; Cheng K. W. E. A family of single-stage switchedcapacitor– inductor PWM converters, IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 11, pp. 5196–5205, Nov. 2013, doi: 10.1109/TPEL.2013.2245918.
[18] Wu, B.; Li, S.; Smedley, K. M.; and Singer, S. A family of twoswitch boosting switched-capacitor converters, IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 10, pp. 5413–5424, Oct. 2015, doi: 10.1109/TPEL.2014.2375311.
[19] Cao and Peng F. Z. A family of zero current switching switched-capacitor dc-dc converters, in Proc. 25th Annu. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo., Feb. 21–25, 2010, pp. 1365–1372, doi: 10.1109/APEC.2010.5433407.
[20] Jiao, Y.; Luo, F. L. N-switched-capacitor buck converter: topologies and analysis, IET Power Electron., vol. 4, no. 3, pp. 332–341, Mar. 2011, doi: 10.1049/iet-pel.2010.0104.
[21] SH260 - High Performance, Polyimide Laminate and Prepreg. Online: http://www.syst.com.cn.
[22] Mn-Zn Ferrite Material characteristics - November 2019 Online: https://product.tdk.com/info/en/catalog/datasheets/ferrite_mnzn_ material_characteristics_en.pdf
[23] Konrad, J.; Koini, M.; Schossmann, M.; Puff, M. New demands on DC link power capacitors, Congress on Automotive Electronic Systems - 3rd and 4th, December 2014
[24] Surface Mount Multilayer Ceramic Chip Capacitors (SMD MLCCs) KC-LINK™ for Fast Switching Semiconductor Applications DC Link, Snubber, Resonator Capacitor, 150°C (Commercial & Automotive Grade) Online: https://content.kemet.com/datasheets/KEM_C1039_KCLINK_ C0G.pdf
[25] Datasheet of UJ3C065030B3- 650V-27mW SiC FET. Preliminary, December 2019. Online: https://unitedsic.com/datasheets/DS_UJ3C065030B3.pdf
[26] Datasheet of IKB15N65EH5 TRENCHSTOP TM 5 high speed switching IGBT copacked withfull rated current RAPID 1 antiparallel diode. Online: https://www.infineon.com/dgdl/Infineon- IKB15N65EH5-DS-v02_01- EN.pdf?fileId=5546d46262b31d2e0162cd1328dc4914
[27] The datasheet of UCC21520, UCC21520A 4-A, 6-A, 5.7- kVRMS Isolated Dual-Channel Gate Driver datasheet (Rev. C): http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc21520.pdf
[28] Timothy Hegarty, An overview of conducted EMI specifications for power supplies, Texas Instruments, 2018. Online: https://www.ti.com/lit/wp/slyy136/slyy136.pdf?ts=1595574171360&r ef_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2021-1 , nr katalogowy 129831 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2021-1 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	58.00 zł
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2021-10 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	55.00 zł
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2021-11 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	55.00 zł
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2021-12 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	55.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2021-1

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma