Adaptive Silicon Carbide Electrical Energy Conversion Technologies for Medium Voltage Direct Current Grids

Den pressende samfunnsutfordringen med avkarbonisering av det eksisterende kraftnettet krever en høyere integrasjon av fornybare energikilder. Dette innebærer en omlegging av den eksisterende elektriske infrastrukturen mot et fremtidig smartnett. Mellomspente likestrøms-nett (MVDC) er nøkkelteknologien som vil oppfylle flere krav til utforming og operasjon av fremtidens smarte nett, som for eksempel fleksibel kraftflyt og et mer liberalt energimarked. Elektriske omformere basert på halvlederteknologi, vil være én av de mest nødvendige delene i fremtidige MVDC nett. En utfordring er at nåværende silisium-basert halvlederteknologi har nådd sin teoretiske grense. Derimot kan en utnyttelse av fordelaktige egenskaper ved silisiumkarbid-basert teknologi (SiC) forbedre ytelsen til omformere i form av høyere virkningsgrad, lavere operasjonstemperatur og høyere effekttetthet. Høyspente SiC-komponenter er ideelle til å erstatte silisium-komponenter i MVDC-omformere. Dagens omformere har rigide design som yter best i et smalt operasjonsområde. Hovedmålet til ASiCC er å utvikle digitalt tilpasningsdyktige omformerdesign og -operasjonsmetoder som kan prosessere og inkorporere digital informasjon om variasjon i last og kilder samt temperatur i halvlederkomponentene. Dette nye digitaliserte omformerdesignet vil kunne dynamisk tilpasse sin elektriske og termiske ytelse, samt forbedre pålitelighet, ved å forme svitsjeforløpene og ledningsevnen til de høyspente SiC-komponentene. Forskningsaktivitetene i ASiCC vil bestå av teori- og simuleringsøvelser, samt eksperimentell validering av de forskjellige konseptene for digitaliserte omformere. I innledende fasen av ASiCC-prosjektet, ble design og ytelse av SiC-baserte kraftelektronikkomformere i mellomspenningsklassen rettet mot bruksskala solcelleinstallasjoner og batterilagringssystem for mellomspenningsnett undersøkt. Fokuset rundt disse undersøkelsene var å vurdere termiske karakteristikker og pålitelighet av SiC metall oksid silisium-felteffekttransistor (MOSFET) benyttet i kraftelektronikkomformere. For å utføre avansert elektrisk design av SiC-baserte kraftelektronikkomformere, kreves nøyaktig statisk og dynamisk karakterisering og modellering av de benyttede halvlederkomponentene. Et fleksibelt lav-induktans lab-oppsett er bygget for å undersøke de dynamiske karakteristikkene av forskjellige typer SiC MOSFET transitorer. Eksperimentelle målinger fra dette oppsettet er brukt til å utvikle nøyaktige statiske og dynamiske modeller for lav- og høyspennings SiC MOSFETer. Sanntids-modeller av SiC MOSFETer and SiC-baserte DC/DC omformere har blitt utviklet for redusert simulerings tid og redusert sannsynlighet for problemer med numerisk konvergens. I tillegg er utfordringene ved utnyttelse av høyspent SiC MOSFET halvledere i høy-effekts DC/DC omformere analysert med fokus på optimalt valg av dødtid og svitsje-frekvens. Elektrotermisk modellering og optimalt design av komponenter benyttet i kraftelektronikkomformere for minimering av termisk stress har også blitt undersøkt. Det har blitt vist at tilpasset design av magnetiske komponenter samt valg av operasjonsområde minimerer termisk stress av SiC MOSFET halvledere under lastvariasjoner i applikasjoner som involverer brenselceller. En adaptiv moduleringsmetode som muliggjør optimal operasjon av høy-effekts DC-DC omformere under varierende lastprofiler har blitt utviklet. Effektøkning og samtidig reduksjon av termisk stress vil føre til økt pålitelighet av SiC MOSFETer. Den har og vært testet på sanntids-modellen av en SiC-basert omformer-modell. I den siste fasen av ASiCC-prosjektet har en 100 kW prototype av en galvanisk isolert DC/DC omformer blitt bygd. Videre har en digital adaptiv gate driver blitt utviklet. Den tillater justering av elektrisk og termisk ytelse for SiC MOSFETer som må håndtere betydelige lastvariasjoner. Denne driveren har blitt simulert for mange operasjonspunkt og har blitt testet eksperimentelt i laboratoriet. Et trådløst kommunikasjonsgrensesnitt for kontroll av driveren i høy-effekt SiC MOSFET moduler har også blitt utviklet. Prosjektteamet bestod av en prosjektleder og to stipendiater som var finansierte via ASiCC og ansatt ved institutt for elektrisk energi ved NTNU. Via ASiCC-prosjektet har syv masteroppgaver blitt tildelt studenter. Formidling og kommunikasjon av forskningsresultat mot akademia og industri har blitt gjennomført for maksimal uttelling av forskningsprosjektet. Et vitenskapelig seminar som er basert på arbeidet gjort i dette prosjektet ble gitt under Applied Power Electronics Conference i Mars 2023. I tillegg har flere presentasjoner blitt gitt i internasjonale konferanser og workshoper. Videre ble den første disputasen gjennomført i november 2023 ved NTNU, mens andre disputas er planlagt for høsten 2024.

The ASiCC project aimed at delivering adaptive power electronic technologies that utilize Silicon Carbide (SiC) power semiconductors, which can continuously optimize their efficiency and reliability under source and load variations. ASiCC has two key outcomes. The first outcome (component-level) is the development of adaptive technologies enabling a fine-tuned electrothermal performance optimization of SiC power semiconductor devices employed in low-voltage and medium-voltage power electronic systems. The second outcome (system-level) is the development of adaptive operating schemes for continuous reliability enhancement of SiC-based power electronic systems under stochastic operating modes. ASiCC created the necessary expertise in the area of high-performance power electronics for DC grids, which, in the near future, will facilitate the penetration of more solar and offshore wind energy generation and enable a smoother integration of storage systems with the electric grid at higher efficiencies and improved reliabilities. The project’s outcome will be exploited by various sectors of industry. Power electronic manufacturers will enhance their technology and products portfolio by integrating the new adaptive power converter designs, allowing them to be more competitive and penetrate into new markets. Renewable electrical energy operators will maximize the harvested electricity due to the increased power electronics efficiencies and minimize the maintenance costs due to the improved reliability; thus, decreasing operating costs and increasing revenue. Electric vehicle manufacturers will be able to offer vehicles with longer driving ranges, making them a more attractive alternative for drivers. ASiCC’s outcomes will also be exploited by the scientific and academic communities by setting the foundation for a new era in the development of high-efficiency and high-reliability power electronics. Finally, the outcomes are expected to be used by policy makers developing new regulatory frameworks for electricity generation and utilization. ASiCC has a strong environmental and societal impact. The new adaptive power electronic technologies will accelerate the integration of more distributed renewables that will also have an impact on the further reduction of green-house emissions. This is in line with EU target on 27% renewables integration to 2030 that sets targets on CO2 and NOx emissions reductions by 25%. The Norwegian Government has also set an ambitious goal to make Norway carbon neutral by 2050. Increasing renewables in the grid will pave the way for extensive freedom in the energy market allowing the reduction of the electricity cost. The higher degree of electrification in marine vessels enabled by ASiCC’s developments results in higher operating efficiencies which will lower their operating cost and reduce logistic and transportation costs. A further impact is the generation of more jobs in the Norwegian and global industry.

Decarbonization of the existing electricity grid infrastructure remains an urgent societal challenge that presently hinders the supply of clean and sustainable electric power. This challenge requires the urgent transformation of the electricity grid by enabling decentralization of electric power generation through integrating more renewable energy sources and by electrifying transport and heating sectors. The medium-voltage direct current (MVDC) is the key technology that will fulfill several design and operating constraints of the future smart grid, such as flexible power control, grid stability, bidirectional power flow and a more liberal energy market. Power electronics converters are vital MVDC grid apparatus that perform electrical energy conversion by using semiconductor switches. However, the current Silicon technology of semiconductor switches has reached its theoretical limits. Exploiting the advantageous characteristics of wide bandgap semiconductors and in particular, Silicon Carbide (SiC) based switches to build power electronics converters for MVDC applications is crucial. High-voltage SiC is the ideal semiconductor replacement of Silicon in MVDC converters. The reason being that SiC switches will advance the performance of power electronics in terms of efficiency, operating temperature and power density. Research on adaptive designs for driving SiC semiconductors incorporating information from load and source variability and semiconductor switch temperature is the key objective of the ASiCC project. The novel digital-based, adaptive gate driving technologies will shape the switching behavior of the high-voltage SiC semiconductor switches and dynamically alter the overall performance of the converter in a coordinated way. Dedicated dissemination activities and communication of the research findings with academic and industrial users are planned to ensure the highest impact of the proposed research.