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Modellazione e validazione di moduli di potenza MV SiC

da | 31 Mag, 23 | Power |

I transistor di potenza convenzionali al silicio hanno raggiunto i loro limiti teorici[2] in termini di efficienza, densità e temperatura di esercizio. Sono stati sostituiti da sistemi come il carburo di silicio SiC, basato su dispositivi con bandgap più ampio [3]. Il rapporto tra la tensione di blocco e la resistenza di stato è prodotto dall’energia di bandgap del SiC, di per sé più elevata [4]. Questo è il motivo per cui i convertitori basati su SiC sono più efficienti di quelli basati su SiC a livelli di tensione più elevati. I dispositivi IGBT al silicio hanno dominato nella storia del mercato, mentre i MOSFET al SiC sono stati progettati perfettamente per le applicazioni con livelli di tensione medi, ovvero 2kV-10kV [5]. Inoltre, è stato osservato che i MOSFET SiC hanno la capacità di eseguire transizioni in modo molto più rapido rispetto agli IGBT Si, noti per la loro efficienza e densità di potenza elevata [1]. Questi dispositivi sono noti per la loro capacità di essere utilizzati nelle navi militari, nei sistemi di accumulo di energia e nel trasporto ferroviario ad alta velocità [6][7][8]. L’impegno essenziale di questo articolo è l’introduzione di un modello di MOSFET MV SiC computazionalmente efficiente, eseguito in LT spice. Questo modello di potenza a singolo gadget viene utilizzato per eseguire una modellazione per l’XHV-7, che è un modulo SiC MOSFET a metà connessione da 6,5 kV, un lavoro in corso da parte di Cree, Wolfspeed [1]. L’approvazione di questo modello viene effettuata confrontando il rendimento del modello con le forme d’onda osservate dal test del battito cardiaco a doppio impulso (DPT) in una serie di condizioni di lavoro fino alla valutazione del modulo. Questo articolo rappresenta un passo avanti per ovviare all’assenza di modelli SPICE generalmente accessibili per i moduli MOSFET SiC a media tensione. Qui l’articolo originale.

Modello di MOSFET MV SiC

Si osserva un delicato equilibrio tra la complessità del calcolo e l’accuratezza della simulazione attraverso la modellazione dei semiconduttori di potenza. I tipi di modelli [9] utilizzati per la modellazione di sistemi compatti sono:

  • Comportamentale
  • Semi-fisico
  • Fisico

Modello comportamentale:
Mostra la risposta del dispositivo agli stimoli in modo matematico con poca o nessuna considerazione per la fisica del dispositivo sottostante.

Semi-fisico
Il modello semi-fisico descrive la fisica dei semiconduttori ed è accompagnato da semplificazioni della non-fisica che hanno la capacità di ridurre la complessità computazionale.

Fisico
Le descrizioni matematiche fornite dalla fisica dei semiconduttori sono utilizzate dai modelli basati sulla fisica, solitamente suddivisi per regioni, per il calcolo della risposta del dispositivo che si basa sulle equazioni caratteristiche. L’incertezza nei parametri del modello è ridotta dalle proprietà della geometria. Il modello del MOSFET SiC presentato in questo articolo è un modello di sottocircuito con un nucleo di dispositivi N-MOS di livello 3 [1]. Il livello 3 NMOS presenta i seguenti vantaggi significativi:

  • È efficiente dal punto di vista computazionale.
  • È noto per la sua ragionevole accuratezza.
  • Ha la capacità di convergere correttamente nella simulazione.


Alcuni dei suoi parametri sono noti per la capacità di regolazione decrescente [10]. Un diagramma dettagliato del modello di MOSFET SiC è stato presentato nelle figure 1a e b; esso mostra che il CGS è implementato con un condensatore lineare per catturare la capacità dipendente dalla tensione (C-V) del MOSFET SiC, mentre le sorgenti di corrente comportamentali sono utilizzate per modellare gli elementi CGD e CDS dipendenti dal bias, senza un significativo overhead computazionale [1].

Figura 1: (a) Circuito del modello di matrice MV, (b) Schema del circuito per le capacità del dispositivo dipendenti dalla tensione

Modello del modulo XHV-7

Il modello basato su transistor SiC da 6,5kV è stato presentato nella sezione precedente. È necessario considerare la geometria e la topologia delle posizioni degli interruttori per catturare il comportamento del modulo di potenza MCPM multi-chip. Il modello XHV-7, che è un MCPM half-bridge a MOSFET SiC da 6,5 kV in fase di sviluppo da parte di Cree|Wolfspeed, è stato creato con il modello single-die [1]. La Fig. 2 mostra l’immagine del MCPM XHV-7 a MOSFET SiC da 6,5 kV [1]. Si è notato che la caratterizzazione dei parassiti dell’imballaggio del dispositivo gioca un ruolo importante nella creazione del modello MCPM con precisione. I dettagli sulle induttanze parassite dell’XHV-7 sono stati riportati nel numero di riferimento [11].

Figura 2: MOSFET MCPM XHV-7 6,5kV SiC

Conclusioni

Si può concludere che è difficile fornire modelli SPICE accurati e affidabili per i MOSFET SiC a media tensione, perché non sono ampiamente disponibili. Questo argomento è stato affrontato in questo articolo presentando un modello comportamentale efficiente in modo computazionale proprio per i MOSFET SiC a media tensione, implementato in LT spice. Il modello del MOSFET SiC fornito in questo articolo è un modello di sottocircuito con un nucleo di elementi NMOS di livello 3. L’elemento NMOS di livello 3 presenta notevoli vantaggi, come l’efficienza computazionale, la ragionevole accuratezza e la capacità di convergere correttamente nella simulazione. È stata dimostrata una minore energia di commutazione totale da parte dell’XHV-7 rispetto al modulo IGBT al silicio considerato, a 25 °C.

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