Si-IGBT and SiC MOSFET power modules: A comparison for low-voltage industrial drives

Abstract

With industrial motor systems consuming 53% of the global electricity, there is a critical need for efficient variable frequency drives (VFD). A VFD controls the operation of an electric motor by varying the frequency and voltage of its power supply. Its operation is based on rapid switching of semiconductor switches. These switches traditionally use silicon-based insulated-gate bipolar transistors (Si-IGBTs). However, silicon as a material is approaching its limits and further advancements are difficult to find. In the search for more advanced materials, wide-bandgap semiconductors have gained a lot of interest. The silicon carbide metal-oxide semiconductor field-effect transistor (SiC MOSFET) is a promising candidate to be the successor to the SiIGBT. However, there are some concerns regarding fast switching, reliability and high cost.

SiC MOSFETs have very fast switching transitions, which reduce switching losses, but also introduce high rates of change for voltage (dv/dt) and current (di/dt), which are problematic for motor loads. To account for this, the switching transition speed can be reduced, which in turn increases the switching losses. Additionally, they cost significantly more than the cost-mature Si-IGBTs, and their reliability is less established.

This thesis studies the opportunities of applying SiC MOSFET power modules to industrial low-voltage VFDs. The study is conducted by performing a double-pulse test on a Si-IGBT module that is commonly used in VFDs. Measurements include switching losses, dv/dt, di/dt, and switching delays at 25 ºC and 150 ºC across four current levels. Identical measurements are conducted for a similarly rated SiC MOSFET module. The speed of the SiC MOSFET switching transition is adjusted via gate resistors. The resistors are selected so that the worstcase dv/dt values are similar to those of the IGBT module. The switching loss measurements are used to simulate the performance of both modules in an inverter (INU) application.

The double-pulse results show that the difference in switching losses remains significant even after slowing down the SiC MOSFET switching transition. Due to high-frequency ringing, the reverse recovery measurement of the SiC MOSFET is inconclusive; therefore, datasheet values are used for comparisons. The SiC MOSFET module shows a reduction of 36-79% in total switching losses compared to the IGBT module, depending on the load current and device temperature. The difference is highest at low current and high temperature.

The simulated MOSFET-INU can output approximately 25% more power or operate at a switching frequency 8.6 kHz higher than the IGBT-INU. The nominal efficiencies of the IGBTINU and MOSFET-INU are 99.09% and 99.46% respectively. This 0.37% improvement in efficiency represents a remarkable reduction in total power losses at high output powers.

These results are used to assess the opportunities that SiC MOSFET modules offer for lowvoltage industrial VFDs. Key applications are identified, where the advantages of the MOSFETINU can justify the increased initial investment. Such applications include green transition projects, heavy-duty processes, high-speed applications, compact installations and precision motors. Some applications that might still prefer the IGBT-INU are considered as well. Such applications include low-duty, highly cyclical, and short-circuit-prone applications. Additionally, some challenges in implementation are identified that need to be addressed before the SiC MOSFET modules can be applied to a commercial VFD.

Koska teolliset sähkömoottorit kuluttavat 53 % kaikesta sähköenergiasta, energiatehokkaille taajuusmuuttajille on kriittinen tarve. Taajuusmuuttaja kontrolloi sähkömoottorin toimintaa muuttamalla sen syöttöjännitteen taajuutta ja amplitudia. Taajuusmuuttajan toiminta pohjautuu puolijohdekytkimien nopeaan kytkemiseen. Nämä kytkimet ovat perinteisesti käyttäneet piipohjaista IGBT-teknologiaa (Si-IGBT), mutta koska piin materiaaliominaisuudet rajoittavat kehitystä, niin piikarbidi MOSFET-kytkimet (SiC MOSFET) ovat herättäneet paljon kiinnostusta. SiC MOSFET teknologian käyttö ei kuitenkaan ole täysin ongelmatonta.

SiC MOSFET:ien suuri kytkentänopeus aiheuttaa nopeita jännitteen ja virran muutoksia, jotka ovat haitallisia moottorikuormille. Kytkentänopeutta voidaan rajoittaa, mutta tämä nostaa kytkentähäviöitä. SiC MOSFET-moduulit ovat myös kalliimpia kuin Si-IGBT-moduulit ja niiden luotettavuudesta on vähemmän näyttöä.

Tämä työ käsittelee SiC MOSFET tehomoduulien tarjoamia mahdollisuuksia matalajännitteisissä taajuusmuuttajissa. Työssä on valittu tutkittavaksi yleisesti taajuusmuuttajissa käytetty SiIGBT-moduuli ja vastaava SiC MOSFET-moduuli. Moduuleilta mitataan kytkentähäviöt, jännitteen ja virran muutosnopeudet ja viiveet tuplapulssitestillä. Testi suoritetaan neljällä eri virtatasolla 25 °C ja 150 °C lämpötilassa. SiC MOSFET:in korkeimmat jännitteen muutosnopeudet muokataan hilavastuksilla vastaamaan IGBT:n arvoja. Kytkentähäviömittauksia käytetään simuloimaan moduulien suorituskykyä invertteri (INU) -sovelluksessa.

Moduulimittaukset osoittavat SiC MOSFET-moduulin kytkentäenergioiden olevan huomattavasti pienemmät kuin IGBT-moduulilla kytkennän hidastamisen jälkeenkin. Korkeataajuisen värähtelyn takia SiC MOSFET:in takaisinvirtaushäviöitä ei pysty luotettavasti mittaamaan, joten datalehtiarvoja hyödynnetään vertailussa. SiC MOSFET:in kytkentähäviöt olivat 36–79% pienemmät kuin IGBT:n riippuen virrasta ja lämpötilasta. Ero on suurin matalalla virralla ja korkealla lämpötilalla.

Simuloitu MOSFET-INU voi syöttää noin 25% enemmän tehoa tai operoida 8.6 kHz korkeammalla kytkentätaajuudella kuin IGBT-INU. Nimellispisteessä IGBT-INU:n ja MOSFET-INU:n simuloidut energiatehokkuudet ovat 99.09% ja 99.46%, mikä tarkoittaa, että MOSFET-INU on 0.37% energiatehokkaampi. Suurilla tehoilla 0.37% ero energiatehokkuudessa johtaa huomattaviin energiasäästöihin.

Tuloksissa havaittujen etujen pohjalta pääteltiin mitkä taajuusmuuttajasovellukset hyötyisivät näistä eduista eniten. Vihreän siirtymän projekteissa, raskaan käytön teollisuusmoottoreissa, suurnopeussovelluksissa, tarkkuusmoottoreissa ja ahtaissa asennuskohteissa, kuten laivakäytöissä, MOSFET-INU:n korkeamman ostohinnan voi oikeuttaa sen tarjoamilla hyödyillä. Vähäkäyttöisiin, erittäin syklisiin, oikosulkualttiisiin sovelluksiin IGBT-INU:n valinta on helpompi oikeuttaa. Työssä käsitellään myös, mitä toimenpiteitä vaaditaan ennen kuin SiC MOSFETmoduuleita voidaan käyttää kaupallisessa taajuusmuuttajassa.