Evaluation of SiC and GaN FETs in zero-voltage switching interleaved boost converters

• Autorzy: Zimoch Piotr

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2019.09.40

Warianty tytułu

PL

Ewaluacja stosowania tranzystorów polowych SiC i GaN w wielofazowych przekształtnikach typu boost ZVS

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In recent years silicon carbide and gallium nitride transistors have become a popular choice for power converters, such as LLC resonant converters, power factor correction circuits, etc. This paper presents a direct comparison of silicon, silicon carbide and gallium nitride field effect transistors (FETs) in a 900 W, two-phase, zero-voltage switching boost converter with a switching frequency range of (300 – 500) kHz. Through analysis, calculations and experimental examination, it is shown, that using gallium nitride and silicon carbide transistors results in a significant increase in converter efficiency, as well as other benefits, such as lower power consumed by the driving circuits and lower working temperature.

PL

W ostatnich latach wzrosła popularność tranzystorów półprzewodnikowych wykonanych z węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN) w zastosowaniach takich, jak przekształtniki rezonansowe LLC, układy PFC, itp. Niniejszy artykuł prezentuje bezpośrednie porównanie tranzystorów krzemowych, z węglika krzemu oraz z azotku galu w dwufazowym przekształtniku typu boost ZVS o częstotliwości przełączania w zakresie (300 – 500) kHz i mocy 900 W. Poprzez analizę, obliczenia i weryfikację eksperymentalną wykazano, że zastosowanie tranzystorów SiC i GaN skutkuje znaczącym wzrostem sprawności przekształtnika, oraz innymi korzyściami, takimi, jak niższa moc pobierana przez obwody sterowników bramkowych oraz niższa temperatury pracy.

Słowa kluczowe

EN

interleaved boost converter; silicon carbide; gallium nitride; zero voltage switching

PL

wielofazowe przekształtniki boost; węglik krzemu; azotek galu; miękkie przełączanie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 95, nr 9
• Strony: 186--192
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zimoch Piotr

• Politechnika Śląska, Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki, ul. B. Krzywoustego 2, 44-100 Gliwice

Bibliografia

• [1] J. Rąbkowski, D. Peftitsis, H.P. Nee: “Silicon Carbide Power Transistors: A New Era in Power Electronics Is Initiated”, IEEE Industrial Electronics Magazine, Vol. 6, No. 2, pp. 17-26, Jun. 2012
• [2] R.L. Kini, A.J. Sellers, M.R. Hontz, M.R. Kabir, R. Khanna: “Comparison of GaN and Si-based photovoltaic power conversion circuits using various maximum power point tracking algorithms”, 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, FL, pp. 2977-2982, 2017
• [3] J. Biela, M. Schweizer, S. Waffler, J.W. Kolar: “SiC versus Si – Evaluation of Potentials for Performance Improvement of Inverter and DC/DC Converter Systems by SiC Power Semiconductors”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 7, pp. 2872-2882, Jul. 2011
• [4] S. Hazra, S. Madhusoodhanan, S. Bhattacharya, G.K. Moghaddam, K. Hatua: “Design considerations and performance evaluation of 1200 V, 100 A SiC MOSFET based converter for high power density application”, Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Denver, CO, pp. 4278-4285, 2013
• [5] C. Zheng, Y. Yiying, M. Danilovic, D. Boroyevich: “Performance evaluation of SiC power MOSFETs for high-temperature applications”, 2012 15th EPE/PEMC, Novi Sad, Serbia, pp. DS1a.8-1-DS1a.8-9, 2012
• [6] M. Zdanowski, J. Rabkowski, R. Barlik: “Highly-Efficient and Compact 6 kW/4x125 kHz Interleaved DC-DC Boost Converter with SiC Devices and Low-Capacitive Inductors”, Energies, Vol. 10, No. 3, pp. 363-377, 2017
• [7] B.H. Choi, W.L. Sung, V.X. Thai, T.R. Chun: “A Novel Single-SiC-Switch-Based ZVZCS Tapped Boost Converter”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 10, pp. 5181-5194, Oct. 2014
• [8] A.Q. Cai, L. Siek: “A 2-kW, 95% Efficiency Inductive Power Transfer System Using Gallium Nitride Gate Injection Transistors”, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 5, No. 1, pp. 458-468, Mar. 2017
• [9] K. Przybyła: “Possible application of SiC and GaN MOSFET transistors in class DE inverters”, Pr. Nauk. PŚl., Elektryka, Vol. 62, No. 3-4, pp. 23-33, 2016
• [10] W. Zhang, F. Wang, D.J. Costinett, L.M. Tolbert, B.J. Blalock: “Investigation of Gallium Nitride Devices in High-Frequency LLC Resonant Converters”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, No. 1, pp. 571-583, Jan. 2017
• [11] S. Dusmez, Z. Ye, “Designing a 1kW GaN PFC stage with over 99% efficiency and 155W/in3 power density”, 2017 IEEE 5th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), Albuquerque, NM, pp. 225-232, 2017
• [12] L. Wuhua, H. Xiangning: “Review of Nonisolated High-Step-Up DC/DC Converters in Photovoltaic Grid-Connected Applications”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 4, pp. 1239-1249, Apr. 2011
• [13] A. Tomaszuk, A. Krupa: “High efficiency high step-up DC/DC converters – a review”, Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, Vol. 59, No. 4, pp. 475-483, Dec. 2011
• [14] M. Abbasi, N. Mortazavi, A. Rahmati: “A novel ZVS interleaved boost converter”, The 5th Annual International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC 2014), Tehran, pp. 535-538, 2014
• [15] L. Joo-Hyuk, K. Jae-Hyung, W. Chung-Yuen, J. Su-Jin, J. Yong-Chae: “Soft switching multi-phase boost converter for photovoltaic system”, 2008 13th International Power Electronics and Motion Control Conference, Poznan, Poland, pp. 1924-1928, 2008
• [16] K. Jae-Hyung, J. Yong-Chae, L. Su-Won, L. Tae-Won, W. Chung-Yuen: “Power Loss Analysis of Interleaved Soft Switching Boost Converter for Single-Phase PV-PCS”, Journal of Power Electronics, Vol. 10, No. 4, pp. 335-341, Jul. 2010
• [17] G. Calderon-Lopez, A.J. Forsyth: “High-Power Dual-Interleaved ZVS Boost Converter with Interphase Transformer for Electric Vehicles”, 2009 24th Annual IEEE APEC, Washington, DC, pp. 1078-1083, 2009
• [18] G. Yao, A. Chen, X. He: „Soft Switching Circuit for Interleaved Boost Converters”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 22, No. 1, pp. 80-86, Jan. 2007
• [19] A. Van den Bossche, V. Valtchev, J. Ghijselen, J. Melkebeek: “Two-Phase Zero Voltage Switching Boost Converter for Medium Power Applications”, Conference Record of 1998 IEEE Industry Applications Conference, St. Louis, MO, pp. 1546-1553, 1998
• [20] ST Microelectronics: “STW36N60M6 datasheet”, March 2017
• [21] United Silicon Carbide: “UJC06505K SiC Cascode datasheet”, Rev. A, September 2017
• [22] Transphorm: “TPH3207WS GaN FET datasheet”, November 2017
• [23] B. Agrawal, M. Preindl, A. Emadi, "Turn-off energy minimization for soft-switching power converters with wide bandgap devices," 2017 IEEE ICIT, Toronto, 2017, pp. 236-241.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).