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 vitale 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 løpet av den 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 lab-oppsett er bygget for å undersøke de dynamiske karakteristikkene av forskjellige typer SiC MOSFET halvledere. Eksperimentelle målinger fra dette oppsettet er brukt til å utvikle nøyaktige statiske og dynamiske modeller for lav- og høyspennings SiC MOSFETer. 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. 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, som vil føre til økt pålitelighet – er pågående forskningsområder. 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. For øyeblikket, blir ytelsen av den utviklede driveren fastsatt og vurdert for høy-effekts SiC MOSFET moduler. Samtidig er også et trådløst kommunikasjonsgrensesnitt for kontroll av driveren under utvikling. Prosjektteamet består av en prosjektleder og to PhD-studenter ved institutt for elkraftteknikk ved NTNU. Via ASiCC-prosjektet har seks masteroppgaver blitt tildelt studenter. Formidling og kommunikasjon av forskningsresultat mot akademia og industrien er planlagt for maksimal uttelling fra forskningsprosjektet. Det første vitenskapelige seminaret som er basert på arbeidet gjort i dette prosjektet vil bli gitt under Applied Power Electronics Conference i Mars 2023.

-

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.