High Performance Power Electronics with Wide Bandgap Power Semiconductors for Industrial, Marine, Renewable Energy & Smart Grid Applications

Forbruk og produksjon av elektrisk energi krever oftest at den tilgjengelige effekten omformes. For eksempel produserer solceller likestrøm, men siden det elektriske kraftsystemet er basert på vekselstrøm, må effekten fra solcellene omdannes før systemet kan kobles på nett. Kraftelektronikk sørger for det, men også for at så mye energi som mulig høstes fra kilden, enten denne er sol, vind eller annet. Prosesseringen av effekt skjer ved bruk av halvlederkomponenter som transistorer og dioder. I kraftelektronikk er disse designet for å håndtere store effekter, og de styres for å få så lite effekttap som mulig, enten helt av eller helt på i vekselvirkning med hverandre. Til nylig har grunnmaterialet i halvlederkomponentene vært silisium, men i den senere tid har forskning på nye materialer hatt et gjennombrudd, slik at komponenter basert på silisiumkarbid og galliumnitrid begynner å bli tilgjengelig fra produsentene. Disse nye komponentene kjennetegnes ved at de har materialegenskaper, blant annet vidt båndgap (energien som kreves for å slippe et elektron løs), som i prinsippet gjør dem svært fordelaktige sammenlignet med tradisjonell teknologi. De nye komponentene har potensiale til å føre til et paradigmeskifte i kraftelektronikk. Teoretisk vil de kunne føre til at omformerne blir mye mer kompakte og billigere, men samtidig med høyere ytelse og lavere effekttap enn tradisjonell teknologi. For å komme dit kreves det imidlertid forskning på anvendelsen av de nye komponentene, som er kjernen i dette prosjektet. Slik forskning vil ikke bare resultere i nye kraftelektronikksystemer, men vil også være med på å påvirke design av komponentene, i en vekselvirkning med komponentprodusentene. I dette prosjektet bygges kompetanse for å ta i bruk neste generasjons krafthalvledere med vidt båndgap, som i sin tur vil resultere i ny kraftelektronikk av høy kvalitet for fremtiden, med anvendelser innen industri, marin sektor, fornybar energi, og smart grid. Prosjektet har 2 PhD-studenter, hvor en arbeider med komponenter laget av galliumnitrid (GaN), og den andre arbeider med komponenter laget av silisiumkarbid (SiC). I tillegg har SINTEF Energi en arbeidspakke på EMC og kompakt design. Vi viser til tidligere rapporter for resultater og aktiviteter i prosjektet for perioden 2015-2017. I 2018 har hovedaktivitetene vært som følger. PhD-studenten som arbeider med SiC har fokusert på kvaliteten på intrinsikke dioder i SiC-felteffekttransistorer, og teknikker for best å kunne utnytte potensialet for hurtig svitsjing i SiC-komponenter. I tillegg har ytelsesgevinster ved bruk av SiC MOSFET heller enn Si IGBT (tradisjonell teknologi) for vindkraftapplikasjoner blitt kvantifisert fra et virkningsgradssynspunkt. 3 artikler har blitt publisert i 2018. Doktorgradsstudenten som arbeider med GaN-teknologi har gjennomført det planlagte 3 måneders utvekslingsoppholdet i G2Elab, Grenoble, Frankrike. Denne utvekslingen var vellykket og har ført til samarbeid på to artikler som for tiden er under utarbeidelse. Kandidaten gikk igjennom midtveisevaluering av doktorgradsarbeidet 27. september, hvor førsteamanuensis Pierre Lefranc fra G2Elab var en av evaluatorene. 1 artikkel har blitt publisert i 2018. SINTEF Energi har jobbet med utvikling av en avansert, aktiv gatedriver prototype, som er ment å skulle gi gunstigere svitsjeforløp for komponentene. Prototypen er for tiden under testing, og en konferanseartikkel om emnet har blitt sendt inn, og er for tiden under vurdering. Vi har organisert en workshop i samarbeid mellom prosjektet og IEEE Norway PELS/IAS/IES, med tittelen "Seminar on Wide Band Gap Power Semiconductors". Dette ble arrangert i Trondheim 27. september 2018 med bred deltakelse fra industri, samt PhD- og mastergradsstudenter fra NTNU. I 2019 har Subhadra Tiwari levert hennes PhD-avhandling, som har tittel "SiC MOSFETs and Diodes: Characterization, Applications and Low-Inductive Converter Design Considerations". Disputas er planlagt 13. september 2019. SINTEF Energi har konkludert sin arbeidspakke og har dokumentert resultatene i rapporten "Gate driving techniques for EMI mitigation". Ole Christian Spro fortsetter sitt arbeid på GaN-teknologi; denne delen av prosjektet vil konkludere først i 2020 siden Spro har hatt en utvidet kontrakt på NTNU, i tillegg til pappapermisjon i prosjektperioden.

The project has made scientific contributions in: *Development of ancillary electronics needed for the efficient use of wide bandgap devices in power electronics converters. *The implementation of prototypes of new converters based on the new devices, both for SiC and GaN devices. *Modelling of the devices. *Low-inductive design. *EMI mitigation and driver design. The project has in addition: *Transferred the knowledge to Norwegian industry. *Educated 2 PhD-students. *Made an impact on research based education at NTNU. The project has also had an impact on product development in Norwegian power electronics industry: -EFD Induction has launched a 1.85 MW, 300 kHz welder, based on SiC. -Eltek has launched a compact, high efficiency power supply based on GaN.

Power Electronics, conversion of electric energy from one form to another by the use of power semiconductors such as transistors and diodes, is key technology for the efficient utilization of electricity in production, transmission, and end use. Power electronics is required for the integration of new renewable electricity from offshore wind and solar resources, for marine, and for many industrial applications. New power semiconductors based on silicon carbide and gallium nitride are expected to lead to a paradigm shift in power electronics, as they offer improved performance compared to their traditional counterparts based on silicon, leading to improved efficiency, smaller size, lower weight, and ultimately lower cost. Wide bandgap devices also enable high temperature operation of power electronics, for e.g. down-hole applications for the efficient utilization of offshore oil and gas resources. For the Norwegian power electronics industry, it is important to be in the forefront of the developments. With a fierce international competition in the field, it is hard for them to prioritize research where commercially competitive products cannot be expected in the nearest future. Therefore, a competence building project in co-operation with NTNU and SINTEF Energy is an ideal solution to the R&D efforts required to deal with challenges in design with wide bandgap devices. One challenge is related to the extremely fast switching speeds of the new components, which makes the design of driver circuits (the circuits that turn the semiconductor devices on and off) very challenging, and which leads to increased problems with electromagnetic interference (EMI), which must be handled appropriately. The present project will build competence for the Norwegian industry, which will enable the industry to utilize the improved characteristics of the new devices in new products, based on a thorough understanding of the devices and associated challenges such as driver design and EMI.