Sterowniki bramkowe dla tranzystorów z węglika krzemu (SiC) przegląd rozwiązań

Transkrypt

1 Jacek RĄBKOWSKI 1,2, Mariusz ZDANOWSKI 1, Roman BARLIK 1 Politechnika Warszawska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej (1), KTH Royal Institute of Technology, Electrical Energy Conversion (E2C) Lab (2) Sterowniki bramkowe dla tranzystorów z węglika krzemu (SiC) przegląd rozwiązań Streszczenie. Artykuł przedstawia przegląd rozwiązań sterowników bramkowych tranzystorów mocy z węglika krzemu. Omówiono kolejno przypadki tranzystorów złączowych (JFET): normalnie załączonych a także normalnie wyłączonych oraz sterowniki prądu bazy dla tranzystorów bipolarnych (BJT). Przedstawiono także wyniki badań eksperymentalnych przebiegi prądów i napięć zarejestrowane w trakcie testów dwupulsowych, obrazujące procesy łączeniowe dla każdego z omawianych tranzystorów. Abstract. The paper presents an overview of the gate drive units for Silicon Carbide power transistors. Solutions for two types of Junction Field Effect Transistors: normally-on and normally-off as well as base drive units for bipolar transistors (BJTs) are described. Experimental results waveforms of the currents and voltages recorded during double-pulse tests are presented in order to illustrate switching behavior of discussed transistors. (Gate drive units for silicon carbide power transistors solutions overview) Słowa kluczowe: węglik krzemu, tranzystor JFET, tranzystor BJT, sterowniki bramkowe. Keywords: Silicon Carbide, JFET, BJT, gate drive units. Wstęp Wprowadzenie na rynek przyrządów półprzewodnikowych wykonanych z węglika krzemu (SiC) wiązało się z wieloma trudnościami technologicznymi, dotyczącymi wytwarzania podłóż i formowania struktur [1-5]. Skomplikowany przebieg procesu produkcyjnego rzutuje na cenę przyrządów z SiC i będzie ona zawsze wyższa niż ich odpowiedników krzemowych, co często było przyczyną poddawania w wątpliwość celowości rozwoju tej technologii. Stało się jednak faktem, że pierwszy produkt z węglika krzemu, który pojawił się kilka lat temu na rynku dioda Schottky ego rozwiał wiele z tych wątpliwości. Doskonałe właściwości dynamiczne tej diody, które ograniczają łączeniowe straty mocy w przekształtnikach, okazują się być warte wyższej ceny [6-11]. Odzwierciedla to stale rosnący poziom sprzedaży tych elementów ( >70 mln VA w roku 2010 [12]). Oczywiście w porównaniu ze skalą sprzedaży elementów krzemowych jest to ułamek procenta a osiągnięcie udziału w rynku rzędu 1% będzie uznawane za sukces. Nie można już jednak traktować technologii SiC, jako jednej z naukowych ciekawostek, szczególnie wobec postępującego wprowadzenia na rynek przyrządów w pełni sterowalnych, wytwarzanych z tego materiału. Do przyrządów tych należą cztery typy tranzystorów: dwie odmiany tranzystorów złączowych JFET normalnie załączonych [13-18] i normalnie wyłączonych [19-24], tranzystor bipolarny BJT [25-28] oraz tranzystor MOSFET [29-32]. Zestawione w tabeli 1 dane, dotyczące dostępnych przyrządów (stan na połowę 2011r.) wskazują na możliwości ich zastosowań do budowy przekształtników o mocy do kilkunastu kw [33-53]. Nie ma też przeszkód w łączeniu równoległym przyrządów z węglika krzemu, pozwalającym na zwiększenie przewodzonych przez nie prądów [54-55]. Wymienione cztery przyrządy cechują się niskimi stratami przewodzenia, nieosiągalnymi dla porównywalnych przyrządów krzemowych (IGBT) w klasie napięciowej 1200V. Odpowiednio sterowane mogą osiągać bardzo krótkie czasy przełączeń, co przekłada się na bardzo małe łączeniowe straty energii i otwiera drogę do podwyższenia częstotliwości przełączeń lub/i podwyższenia sprawności energetycznej przekształtników. Wreszcie, dzięki doskonałym właściwościom termicznym, przyrządy z SiC mają możliwość pracy w podwyższonych temperaturach. Jednym z głównych problemów poruszanych w większości publikacji, dotyczących sterowanych przyrządów z węglika krzemu jest zapewnienie odpowiednich parametrów sygnałów sterujących i realizacji samych sterowników bramkowych [55-60]. Wymagania stawiane sterownikom bramkowym poszczególnych tranzystorów z SiC są jednak na tyle odmienne, że nie jest możliwe bezpośrednie zaadaptowanie rozwiązań stosowanych dla krzemowych tranzystorów typu IGBT czy MOSFET. Wyjątek stanowi jedynie tranzystor SiC MOSFET, którego sterownik jest zbliżony do rozwiązań dotychczasowych. Jest to o tyle istotne, że w dużej mierze warunkuje zainteresowanie tranzystorami SiC. Nie ulega wątpliwości, że niezależnie od aplikacji wszyscy projektanci urządzeń energoelektronicznych, zastępując tranzystory z Si tranzystorami z SiC, woleliby ograniczyć się tylko do zamiany samego elementu mocy. Niestety, wykorzystanie doskonałych statycznych i dynamicznych właściwości tranzystorów z SiC wiąże się nie tylko z uwzględnieniem ich wysokiej ceny, ale także z pokonaniem trudności w realizacji odpowiednich sterowników bramkowych. W niniejszym artykule przedstawiono krótki przegląd wybranych sterowników bramkowych tranzystorów SiC, sporządzony na podstawie dostępnej literatury przedmiotu, ale przede wszystkim wyników kilkuletnich doświadczeń autorów w tym zakresie [17],[18],[44],[50]-[53]. Ze względu na to, że sterownik dla tranzystora SiC MOSFET [61],[62] jest bardzo zbliżony do rozwiązania stosowanego dla tranzystorów krzemowych w artykule skupiono się na układach sterowania trzech pozostałych typów tranzystorów, tzn. dwóch odmian tranzystorów JFET i tranzystora BJT. Dla każdego z nich omówiono podstawowe układy sterowników bramkowych oraz przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych w postaci testów dwupulsowych, pozwalających na ocenę właściwości dynamicznych łączników, w których podstawowymi przyrządami są rozpatrywane tranzystory, współpracujące z diodami Schottky ego z SiC. Tabela 1. Parametry dostępnych tranzystorów SiC (07/2011) Rodzaj Parametry Producent JFET normalnie 1200V/85mΩ Semisouth załączony 1200V/45mΩ JFET normalnie 1200V/100mΩ Semisouth wyłączony 1200V/63mΩ 1700V/550mΩ BJT 1200V/6A 1200V/20A Transic/Fairchild MOSFET 1200V/80mΩ 1200V/160mΩ CREE PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 88 NR 4b/

2 Sterowniki dla tranzystora SiC JFET normalnie załączonego Dzięki prostej strukturze półprzewodnikowej tranzystory typu JFET jako pierwsze przyrządy sterowane z węglika krzemu już w połowie pierwszej dekady XXI wieku wyszły poza fazę testów laboratoryjnych i były oferowane w postaci egzemplarzy próbnych w typowych obudowach TO220 [13-18]. Od tego czasu, obok pierwszego typu tranzystora JFET tzw. lateral channel pojawiły się kolejne odmiany określane mianem discretized - source vertical channel, buried gate oraz double gate trench [63], a ich parametry wciąż są udoskonalane wraz z poprawą jakości podłóż SiC oraz technologii wytwarzania. Wspólną cechą wymienionych typów tranzystorów JFET jest charakterystyka inwersyjna - elementy są normalnie załączone. Oznacza to, że przy braku polaryzacji złącza bramka - źródło (GS) tranzystory są w stanie przewodzenia a niewielkie napięcie dodatnie obniża ich rezystancję przewodzenia. Napięcie zatkania kanału (tzw. pinch - off) ma wartość ujemną, przy czym ze względu na charakterystykę złącza GS, odpowiadającą diodzie PiN, występuje także zjawisko przebicia lawinowego. Na rys. 1a przedstawiono najprostszy układ sterownika bramkowego dla tranzystora JFET. Zasadniczym podzespołem jest układ scalony, stosowany w przypadku tranzystorów MOSFET lub IGBT. Rezystancja rezystora bramkowego R G wpływa na wartość szczytową prądu bramki a więc szybkość procesów łączeniowych. Ze względu na specyfikę sterowanego tranzystora biegun dodatni zasilacza układu sterującego jest dołączony do wyprowadzenia źródła tranzystora. Napięcie zasilające sterownik powinno być tak dobrane, by przewyższało bezwzględną wartość napięcia zatkania kanału i jednocześnie było niższe niż bezwzględna wartość napięcia przebicia lawinowego tranzystora. W przypadku, gdy prosta wersja sterownika bramkowego nie jest w stanie zapewnić krótkich czasów procesów łączeniowych, a takie wymagania są zwykle stawiane tranzystorom z węglika krzemu, można przyjąć napięcie zasilania o wartości bezwzględnej większej niż napięcie przebicia. Można wówczas zastosować rozwiązanie wg rysunku 1b, zaproponowane w [57]. Specjalny obwód DRC włączony szeregowo z rezystorem bramkowym pozwala na doprowadzenie ujemnego napięcia GS o wartości mniejszej niż napięcie przebicia. W stanie wyłączenia tranzystora rezystor R S ogranicza prąd przebicia i uniemożliwia uszkodzenia złącza GS a wraz z nim całego przyrządu. Różnica napięć między napięciem zasilania a przebicia tranzystora występuje na kondensatorze C S. Przy przechodzeniu do stanu przewodzenia napięcie to wymusza proces forsowania prądu bramki. Przykład przebiegów wartości chwilowych prądów i napięć, zarejestrowanych w trakcie badań normalnie załączonego tranzystora JFET (100mΩ/1200V, SiCED) pokazano na rysunku 2. Tranzystor był przełączany w trybie testu dwupulsowego w układzie łącznika z dławikiem, jako obciążeniem i diodą SiC Schottky ego (10A/1200V), jako diodą rozładowczą. Zastosowano przy tym sterownik bramkowy według rysunku 1b, zasilany napięciem o wartości V EE =-24V, oraz rezystor bramkowy o wartości R G =2,2Ω. W skład sterownika wchodziły także następujące elementy: dioda SiC Schottky ego D S 3A/40V, R S =12kΩ, C S =10nF. Zaprezentowane przebiegi świadczą o bardzo dobrych właściwościach dynamicznych tranzystora JFET. Przy użyciu odpowiednio dobranego sterownika bramkowego osiągnięto czasy przełączeń mieszczące się w granicach 20ns. Ze względu na duże stromości wartości chwilowych napięcia i prądu występują także wysokoczęstotliwościowe oscylacje, spowodowane pasożytniczymi indukcyjnościami i pojemnościami połączeń, tranzystora oraz sterownika. Rys.1. Schemat ideowy sterownika bamkowego dla tranzystora SiC JFET normalnie załączonego: wersja podstawowa; wersja umozliwiajaca wprowadzenie złącza GS na próg przebicia lawinowego [57] Rys.2. Oscylogramy prądu drenu i napięcia dren - źródło tranzystora SiC JFET przy załączaniu ( i wyłączaniu ( zarejestrowane w trakcie testu dwupulsowego (2 A/dz; 100 V/dz; 20 ns/dz) Zdecydowanie niekorzystną cechą, z punktu widzenia niezawodności działania urządzeń z tranzystorami JFET, jest przechodzenie w stan przewodzenia przy braku zasilania sterownika bramkowego. Problem ten może być rozwiązany przez zastosowania inteligentnych sterowników wyposażonych w dodatkowe funkcje zabezpieczające [64] i/lub przez wybór odpowiedniej topologii obwodu głównego przekształtnika np. w postaci falownika prądu [65]. Spotyka się także rozwiązanie, polegające na zmianie charakterystyki sterowania poprzez budowę łącznika, w 188 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 88 NR 4b/2012

3 którym tranzystor JFET współpracuje z niskonapięciowym tranzystorem krzemowym MOSFET w układzie kaskody [66]. Sterowniki dla tranzystora bipolarnego Z analizy publikacji dotyczących tranzystorów bipolarnych wykonanych z węglika krzemu (4H-SiC NPN) wynika, że element ten znacząco się różni na korzyść od swojego krzemowego odpowiednika [25-28]. Zasadniczą zaletą jest bardzo niskie napięcie nasycenia, nieprzekraczające 1 V (dla przyrządu o powierzchni złącza 15mm 2 ). Pomimo, że napięcie złączowe dla węglika krzemu jest rzędu 3V, wyzyskane zostało tu zjawisko znoszenia się napięć baza-kolektor i baza-emiter w stanie nasycenia tranzystora. Wzmocnienie prądowe β jest także zdecydowanie większe (do 50) w porównaniu z odpowiednikami krzemowymi. Ze względu na dużą wartość dopuszczalnego natężenia pola elektrycznego SiC nie ma konieczności głębokiego domieszkowania tego materiału, co powoduje, że problemy z przełączaniem i przebiciem wtórnym znane z krzemowych BJT nie występują. Mimo korzystnych właściwości tranzystora SiC BJT, jego sterowanie nie jest zagadnieniem prostym. Przede wszystkim, aby tranzystor przewodził w nasyceniu sterownik musi dostarczyć odpowiedni prąd bazy. Wydaje się, że dla obecnie dostępnych elementów o wartości prądu kolektora do 20A nie jest opłacalne stosowanie znanych od lat 80-ych sterowników proporcjonalnych. Celowe jest stosowanie rozwiązań zbliżonych do tych, które są stosowane do sterowania tranzystorów MOSFET lub IGBT. W najprostszym przypadku można zastosować rozwiązanie sterownika ze źródłem zasilania i rezystorem bazy podobne jak na rysunku 1a. Jednak, aby uzyskać dobre właściwości dynamiczne sterownik musi zapewniać forsowanie prądu bazy. W tym celu można użyć kondensatora forsującego C B, włączonego równolegle do rezystora bramkowego, w sposób pokazany na schemacie z rysunku 3a [67]. Wspiera on szybkie zmiany (narastanie i opadanie) prądu bazy tak w procesie załączania, jak i wyłączania tranzystora. W zastosowaniach, gdzie niezbędna jest duża dynamika procesów łączeniowych i jednocześnie niski pobór mocy sterownika rozwiązanie z kondensatorem forsującym nie jest jednak optymalne. Krótkie czasy przełączeń wymagają wysokiego napięcia zasilania sterownika, czego nie można pogodzić z niskimi stratami mocy w sterowniku. Z pomocą przychodzi tu oryginalne rozwiązanie sterownika dwustopniowego (2SRC) [70], przedstawionego na rysunku 3b. W tym przypadku stopień zasilany ze źródła niskiego napięcia V CCL odpowiada za dostarczenie prądu bazy o odpowiednim natężeniu przy jak najmniejszych stratach mocy. Z drugiej strony stopień zasilany ze źródła wysokiego napięcia V CCH, zawierający kondensator forsujący C B, zapewnia odpowiednią dynamikę zmian prądu bazy. Niewielki rezystor R DP służy do stłumienia oscylacji powstających w obwodzie sterownika na skutek istnienia pasożytniczych indukcyjności i pojemności. Przykład przebiegów prądów i napięć tranzystora SiC BJT (BitSiC1206, Transic), zarejestrowanych w trakcie dwupulsowych testów łącznika (moduł HexSiC1206EA) pokazano na rysunku 4. Do sterowania tranzystora użyto sterownika 2SRC, w której wartości wysokiego i niskiego napięcia wyniosły odpowiednio 5V i 24V. Wartości pozostałych elementów wynosiły: R B =5,6Ω, C B =6,8nF oraz R DP =1Ω. Procesy załączenia (rys.4 i wyłączenia (rys.4 tranzystora wykazują bardzo dobre właściwości dynamiczne tak, że czasy przełączeń mieszczą się w granicach 20ns. Oznacza to uzyskanie bardzo małych łączeniowych strat energii i możliwość pracy przy częstotliwościach rzędu setek khz [52]. Przy nominalnym prądzie kolektora wartość mocy pobieranej przez sterownik (100kHz, wsp. wypełnienia 50%) wyniosła 1,58W (w stanie czuwania 300mW). Wartość ta, w porównaniu do sterowników tranzystorów krzemowych IGBT o analogicznych parametrach prądowo - napięciowych jest znacząca, jednak warto zauważyć, że uzyskane czasy przełączeń i całkowite straty mocy w łączniku są dla nich nieosiągalne. Rys.3. Schematy sterowników tranzystorów BJT: sterownik z kondensatorem forsującym; układ zoptymalizowanego sterownika dwustopniowego (2SRC) Rys.4. Oscylogramy prądu kolektora i napięcia kolektor-emiter tranzystora SiC BJT przy załączaniu ( i wyłączaniu ( zarejestrowane w trakcie testu dwupulsowego - sterownik o strukturze 2SRC (2A/dz; 100 V/dz;20 ns/dz) PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 88 NR 4b/

4 Sterowniki dla tranzystora SiC JFET normalnie wyłączonego Dążenie do wyeliminowania inwersyjnej charakterystyki sterowania najprostszych wersji tranzystorów JFET zaowocowało opracowaniem ulepszonej odmiany tranzystora tego typu (ang. enhancement mode JFET), o strukturze określanej jako discretized - source vertical channel [63]. Dzięki zmianie szerokości kanału i odpowiedniemu domieszkowaniu uzyskano tranzystor JFET, który przy braku polaryzacji bramki nie przewodzi prądu a więc jest elementem normalnie wyłączonym. Charakteryzuje się on szeregiem interesujących właściwości, typowych dla przyrządów z węglika krzemu, w tym m.in. małą rezystancją w stanie przewodzenia i krótkimi czasami przełączeń [19-24]. Jednak, aby w pełni wykorzystać jego możliwości należy zastosować odpowiedni sterownik bramkowy o stosunkowo złożonej konfiguracji. Wynika to z faktu, że przewodzenie tranzystora wymaga dodatkowego spolaryzowania złącza GS napięciem większym niż napięcie progowe (V GS,TH 1 V), i wymuszenia przepływu ciągłego prądu bramki. W publikacji [68] przeprowadzono analizę zależności między natężeniem tego prądu a wartością rezystancji przewodzenia r ON dla różnych temperatur struktury półprzewodnikowej. Z analizy tej wynika, że dla prądu drenu I D =10 A prąd bramki powinien wynosić aż 300 ma tak, aby rezystancja r ON była równa ok. 100 mω. Sterownik musi zatem spełniać warunki podobne jak w przypadku omówionego wcześniej tranzystora SiC BJT, zapewniając przepływ prądu bramki w stanie przewodzenia tranzystora JFET oraz szybkie zmiany tego prądu w trakcie załączania i wyłączania przyrządu. Przy niewygórowanych wymaganiach odnośnie czasów przełączeń tranzystora można zastosować sterownik bramkowy, zbliżony do tego z rysunku 1a, bądź też bardziej rozwinięty układ z rys. 3a, który dzięki zasilaniu dwoma napięciami zapewnia odpowiednie forsowanie prądu bramki. Podobnie jak w przypadku tranzystora SiC BJT, najkorzystniejsze jest zastosowanie zoptymalizowanego sterownika dwustopniowego. Jego odmianę z dwoma rezystorami (2SR) przedstawiono na rysunku 5 [60], [69]. Stopień dynamiczny tego sterownika, zawierający rezystor R g2, jest w stanach przełączania aktywowany na okres ok. 200 ns, zapewniając szybkie przeładowanie pojemności tranzystora. W czasie poza procesami przełączania obwód z rezystorem R g2 powinien być wyłączony i wykazywać dużą impedancję. W stanie przewodzenia tranzystora, drugi stopień sterownika (odpowiadający za kontrolę stanów statycznych), zasilany ze źródła napięcia V CC za pośrednictwem układu obniżającego napięcie (DC/DC), wymusza w obwodzie bramki prąd o natężeniu nastawianym za pomocą rezystora R g1. Do sterowania normalnie wyłączonego tranzystora JFET można też zastosować z powodzeniem strukturę dwustopniową z kondensatorem forsującym (2SRC) według rysunku 3b. Mimo zbliżonej zasady działania, układy 2SR i 2SRC wykazują różnice w zakresie właściwości eksploatacyjnych. Sterownik o strukturze 2SR wymaga skomplikowanego układu logicznego i charakteryzuje się dużą wrażliwością na zakłócenia, a przypadkowe załączenie obwodu dynamicznego prowadzi do uszkodzenia R g2 i samego tranzystora. Natomiast sterownik 2SRC cechuje się ograniczeniem współczynnika wypełnienia. Wynika to z konieczności pełnego rozładowania kondensatora C B po wyłączeniu tranzystora zanim dojdzie do kolejnego załączenia, co w zależności od parametrów może zająć do kilkuset ns. Na rysunku 6 pokazano przykładowe oscylogramy prądów i napięć tranzystora SiC JFET o charakterystyce normalnie wyłączony (SJEP120R100, Semisouth Laboratories Inc.) w trakcie testu dwupulsowego. Badania były prowadzone przy zastosowaniu sterownika o strukturze 2SRC według schematu z rysunku 3b. Napięcia zasilania sterownika wynosiły 5 V i 24 V. Pozostałe elementy miały następujące parametry: R B =10Ω, C B =3,3nF i R DP =1Ω. Podobnie jak dla tranzystora SiC BJT uzyskano dosyć krótkie czasy przełączeń poniżej 40ns i dużą stromość przebiegów prądów i napięć, co przekłada się na niewielkie wartości energii przełączeń. Warto zauważyć, że ze względu na pojemności pasożytnicze dławika i diody wartość energii wyłączenia jest znacznie większa niż energii załączenia. Ponadto widoczne są wysokoczęstotliwościowe oscylacje w napięciu dren-źródło powstałe prawdopodobnie na skutek dużej pojemności pasożytniczej dren-bramka. Rys.5. Schemat dwustopniowego sterownika bramkowego (2SR) dla normalnie wyłączonego tranzystora SiC JFET [60] Rys.6. Oscylogramy prądu drenu i napięcia dren - źródło tranzystora SiC JFET przy załączaniu ( i wyłączaniu ( zarejestrowane w trakcie testu dwupulsowego z diodą Schottkyego SiC sterownik bramkowy o strukturze 2SRC (4 A/dz; 100 V/dz; 40 ns/dz) 190 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 88 NR 4b/2012

5 Podsumowanie Zaprezentowane w artykule wyniki badań laboratoryjnych świadczą wyraźnie, że tranzystory z węglika krzemu cechują się doskonałymi właściwościami dynamicznymi przy odpowiednim sposobie sterowania. Przy użyciu technologii krzemowej niemożliwe jest osiągnięcie tak krótkich czasów przełączeń, rzędu dziesiątek ns, dla tranzystorów z Si w klasie 1200V. Zdolność szybkiego przełączania tranzystorów węglikowokrzemowych wiąże się bezpośrednio z możliwością redukcji łączeniowych strat energii. W połączeniu z niskimi stratami mocy w stanach przewodzenia i zdolnością pracy w wysokich temperaturach daje to niespotykane możliwości optymalizacji parametrów przekształtników energoelektronicznych, budowanych przy użyciu tych przyrządów. Wdrażanie technologii węglikowo krzemowej w obszarze energoelektroniki wiąże się jednak z koniecznością rozwiązywania wielu problemów, co pokazuje także niniejsza publikacja. Normalnie załączone tranzystory JFET wymagają szczególnego podejścia w przypadku przekształtników o charakterze źródeł napięcia. Z kolei tranzystory JFET normalnie wyłączone oraz BJT wymagają prądu bramki/bazy, co się przekłada na znaczący wzrost poboru mocy przez sterowniki. Także tranzystor SiC MOSFET jest dużo trudniejszy do sterowania niż jego krzemowy odpowiednik i wciąż budzi wątpliwości co do stabilności parametrów. Mimo tych przeszkód analiza rynku wskazuje, że stopień akceptacji i zapotrzebowania na przyrządy z SiC wykazuje ciągłą tendencje rosnącą. Podziękowania Autorzy dziękują Electrical Energy Conversion(E2C) Lab, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm za udostępnienie tranzystorów SiC BJT do badań. LITERATURA [1] Bakowski M., Status and prospects SiC power devices, IEEJ Transactions on Industry Applications, vol. 126, No. 4, 2006, [2] Stephani D., Status, prospects and commercialization of SiC power devices, Device Research Conference, 2001, 14 [3] Friedrichs P.; Rupp R., Silicon carbide power devices - current developments and potential applications, in Proc. European Conference on Power Electronics and Applications, 2005 [4] Friedrichs P., Silicon Carbide Power semiconductors New opportunities for high efficiency, 3-rd IEEE Conf. on Industrial Electronics and Applications ICIEA 2008, [5] Treu M. et al., Strategic considerations for unipolar SiC switch options: JFET vs. MOSFET, IEEE Industry Applications Conference IAS 2007, [ 6 ] Hefner A.R. et al., SiC Power diodes provide breakthrough performance for a wide range of applications, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 16, Iss. 2, 2001, [7] Richmond J., Hard Switched Silicon IGBTs Cut Switching Losses in Half with Silicon Carbide Schottky Diodes, Application Note CWR-AN03, CREE [8] Barlik R., Rąbkowski J., Nowak M., Przyrządy mocy z węglika krzemu (SiC) i ich zastosowanie w energoelektronice, Przegląd Elektrotechniczny Nr 11/2006, 1-7 [9] Barlik R., Rąbkowski J., Nowak M., Investigations of Transistor IGBT and Silicon Carbide Schottky Diode Switch, International Conference Microtechnology and Thermal Problems In Electronics MicroTherm 2007, Łódź 2007, [10] Rąbkowski J., Nowak M., Barlik R., Badania porównawcze właściwości wybranych krzemowych i węglikowo-krzemowych łączników mocy, Przegląd Elektrotechniczny, 2008, Vol. 7, [11] Barlik R., Nowak M., Rabkowski J., Grzejszczak P., Ocena właściwości trójfazowego przekształtnika PWM z diodami zwrotnymi z węglika krzemu, VIII Krajowa Konferencja Elektroniki KKE 08, 2008, [12] Rousse P., SiC market and industry update, International SiC Power Electronics Aplications Workshop ISiCPEAW, Stockholm, 2011 ( [13] Friedrichs P. et al., The vertical silicon carbide JFET a fast and low loss solid state power switching device, 9-th European Conference on Power Electronics and Applications Conf. Record, EPE 2001 [14] Weis B., Braun M., Friedrichs P., Turn-off and short-circuit behavior of 4H SiC JFETs, IEEE Industry Applications Conference IAS 2001, vol.1, [15] Boughrara N. et al., Robustness of SiC JFET in Short-Circuit Modes, IEEE Electron Device Letters, Vol. 30, No.1, January 2009, [16] Friedrichs P., Rupp R., Behavior of high voltage SiC VJFETs under avalanche conditions, 21 Annual IEEE Applied Power Electronics APEC 2006 Conf. Record. [17] Rabkowski J., Silicon carbide JFET fast high voltage device for power electronics applications, Przeglad Elektrotechniczny No. 4/2009, [18] G. Tolstoy, D. Peftitsis, J. Rabkowski, and H-P.Nee, Performance tests of a 4,1x4,1mm 2 SiC LCVJFET for a DC/DC boost converter application, Proc. European Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2010, ECSCRM 2010, 29 August-2 September 2010, Oslo, Norway. [19] SiC Enhancement-Mode Junction Field Effect Transistor and Recommendation For Use, AN-SS1 Application Note, Semisouth ( [20] Bondarenko V., Mazzola M.S., Kelley R., Cai Wang, Yi Liu, Johnson W., SiC devices for converter and motor drive applications at extreme temperatures, IEEE Aerospace Conference, 2006 [21] Kelley R.L., Mazzola M., Morrison S., Draper W., Sankin I., Sheridan D., Casady J., Power factor correction using an enhancement-mode SiC JFET, IEEE Power Electronics Specialists Conference PESC, 2008 [22] Sankin I. et al., Normally-Off SiC VJFETs for 800 V and 1200 V Power Switching Applications, 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's, 2008, [23] Ritenour A.; Sheridan D.C.; Bondarenko V.; Casady J.B,, Saturation current improvement in 1200 V normally-off SiC VJFETs using non-uniform channel doping, 22nd International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD), 2010, [24] Sheridan D.C., Ritenour A., Kelley R., Bondarenko V., Casady J.B., Advances in SiC VJFETs for renewable and highefficiency power electronics applications, International Power Electronics Conference (IPEC), [25] BiTSiC1206BB-P1 rev. B, Datasheet by Transic, 2010 [26] Lindgren A., Domeij M., 1200V 6A SiC BJTs with very low VCESAT and fast switching, 6th International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS), 2010, 1-5 [27] M. Domeij et. Al., 2.2 kv SiC BJTs with low Vcesat fast switching and short-circuit capability, in Proc. International Conference on SiC and Related Materials 2009 (ICSCRM 2009), October 2009, Nuremberg, Germany. [28] Lindgren A., Domeij M., Degradation free fast switching 1200 V 50 A silicon carbide BJT's, Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2011 Twenty-Sixth Annual IEEE, [29] Cllanan B., Application Considerations for Silicon Carbide MOSFETs, Application Note CPWR-AN08, CREE [30] Cooper J.A., Melloch M.R., Singh R., Agarwal A., Palmour J.W., Status and prospects for SiC power MOSFETs, IEEE Transactions on Electron Devices, vol.49, no.4, Apr 2002, [31] Godignon P. et al., 6H-SiC MOSFET structures for power device fabrication process characterization, International Semiconductor Conference, CAS '99, 1999., vol.1, [32] Hatayama T., Hino S., Miura N., Oomori T., Tokumitsu E., Remarkable Increase in the Channel Mobility of SiC-MOSFETs by Controlling the Interfacial SiO 2 Layer Between Al 2 O 3 and SiC, IEEE Transactions on Electron Devices, vol.55, no.8, Aug. 2008, [33] Friedli T., Round S. D., Kolar J. W., A 100 khz SiC Sparse Matrix Converter, IEEE Power Electronics Specialists Conference PESC 2007, June 2007, [34] Cass Callaway J. et al., Evaluation of SiC JFETs for a Three- Phase Current-Source Rectifier with High Switching Frequency, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 88 NR 4b/

6 Twenty Second Annual IEEE Applied Power Electronics Conference, APEC 2007, [35] Friedli T., Round S.D., Hassler D., Kolar J.W., Design and Performance of a 200-kHz All-SiC JFET Current DC-Link Backto-Back Converter, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 45, Issue: 5, [36] Rixin Lai and all, A High-Power-Density Converter, IEEE Industrial Electronics Magazine, Vol. 4, Issue 4, 2010, 4 12 [37] Abou-Alfotouh A.M., Radun A.V., Hsueh-Rong Chang, Winterhalter C., A 1-MHz hard-switched silicon carbide DC-DC converter, IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 21, Issue 4, July 2006, [38] Biela J., Schweizer M.,Waffler S.,Kolar J. W., SiC vs. Si - Evaluation of Potentials for Performance Improvement of Inverter and DC-DC Converter Systems by SiC Power Semiconductors, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume 58, Issue 7, July 2011, [39] Stalter O., Kranzer D., Rogalla S., Burger B., Advanced solar power electronics, 22nd International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD), 2010, 3 10 [40] Hui Zhang, Tolbert L.M., Ozpineci B., Impact of SiC Devices on Hybrid Electric and Plug-In Hybrid Electric Vehicles, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 47, Issue: 2, 2011, [41] Wrzecionko B.,Biela J., Kolar J.W., SiC power semiconductors in HEVs: Influence of junction temperature on power density, chip utilization and efficiency, 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics IECON '09, 2009, [42] Waffler S.,Preindl M.,Kolar J.W., Multi-objective optimization and comparative evaluation of Si soft-switched and SiC hardswitched automotive DC-DC converters, 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics IECON '09, 2009, [43] Funaki T. et al., Power Conversion With SiC Devices at Extremely High Ambient Temperatures, IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 22, Issue 4, July 2007, [44] Peftitsis D., Tolstoy G., Antonopoulos A., Rabkowski J., Lim J., Bakowski M., Angquist L., Nee H.P., High-Power Modular Multilevel Converters with SiC JFETs, to be published in IEEE Transactions on Power Electronics, 2012 [45] Wang G. et all, Comparisons of 6.5kV 25A Si IGBT and 10-kV SiC MOSFET in Solid-State Transformer Application, Energy Conversion Congress and Exposition ECCE 2010, [46] Mazzola M.S.; Kelley R.; Application of a Normally OFF Silicon Carbide Power JFET in a Photovoltaic Inverter, Applied Power Electronics Conference and Exposition APEC 09, 2009, [47] Kranzer D., Wilhelm C., Reiners F., Burger B., Application of normally-off SiC-JFETs in photovoltaic inverters, 13 th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE '09, [48] Wang Jun et al., 10 kv SiC MOSFET Based Boost Converter, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 45, Iss. 6, 2009, [49] Domes D., Hofmann W., SiC JFET in Contrast to High Speed Si IGBT in Matrix Converter Topology, IEEE Power Electronics Specialists Conference PESC 2007, June 2007, [50] Rąbkowski J., Barlik R., Three-phase Inverter with SiC JFETs and Schottky Diodes, Przegląd Elektrotechniczny Nr 11a, 2010 [51] Rąbkowski J., Zdanowski M., Barlik R., Silicon Carbide Inverter with two series Z-networks, 20 th International Symposium on Industrial Electronics, ISIE 2011 [52] Peftitsis D., Rabkowski J., Tolstoy G., Nee H.P., Experimental comparison of a dc/dc converter with SiC JFETs and SiC bipolar transistors, 14 th European Conference on Power Electronics and Applications EPE 2011 [53] D. Peftitsis, R. Baburske, J. Rabkowski, J. Lutz, G. Tolstoy, and H.-P. Nee, Challenges regarding parallel-connection of SiC JFETs, 8 th International Conference on Power Electronics- ECCE Asia, [54] Chinthavali M., PuqiNing Yutian Cui, Tolbert L.M., Investigation on the parallel operation of discrete SiC BJTs and JFETs, Twenty-Sixth Annual IEEEApplied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2011, [55] Allebrand B., Nee H.P., On the choice of blanking times at turn-on and turn-off for the diode-less SiC JFET inverter bridge, in Proc. of the European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), August [56] Allebrand B., On SiC JFET converters: components, gatedrivers and main-circuit considerations, Doctoral Thesis, KTH Stockholm, Sweden, 2005 [57] Round, S.; Heldwein, M.; Kolar, J.; Hofsajer, I.; Friedrichs, P., A SiC JFET driver for a 5 kw, 150 khz three-phase PWM converter, Fourtieth IAS Annual Meeting - Industry Applications Conference, 2005, Volume 1, [58] Orellana A., Piepenbreier B., Fast gate drive for SiC-JFET using a conventional driver for MOSFETs and additional protections, 30th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, IECON 2004, Volume 1, [59] Bergogne, D et al., Normally-On SiC JFETs in power converters: Gate driver and safe operation, 6th International Conference on Integrated Power Electronics Systems (CIPS), 2010 [60] Kelley, R.; Ritenour, A.; Sheridan, D.; Casady, J., Improved two-stage DC-coupled gate driver for enhancement-mode SiC JFET, Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2010, [61] Cllanan B., SiC MOSFET Double Pulse Fixture, Application Note CPWR-AN09, CREE [62] Cllanan B., SiC MOSFET Isolated Gate Driver, Application Note CPWR-AN10, CREE [63] R. K. Malhan, M. Bakowski, Y. Takeuchi, N. Sugiyama, A. Schöner, Design, process, and performance of all-epitaxial normally-off SiC JFETs, Phys. Status Solidi A 206, No. 10, [64] Han T. J. et al, High density 50kW SiC inverter systems using a JFET based six-pack module, 8 th International Conference on Power Electronics-ECCE Asia, 2011, [65] Rabkowski J., Zdanowski M., Barlik R., Nowak M., Fault protection system for Current Source Inverter with normally on SiC JFETs, European Conference on Silicon Carbide and Related Materials ECSCRM 2010, Oslo 2010 [66] Siemieniec R., Kirchner U., The 1200V Direct-Driven SiC JFET power switch, 14 th European Conference on Power Electronics and Applications EPE 2011 [67] Drive circuit and switching, Application Note TSC-TR001, Transic, 2010 [68] Wrzecionko B. et al., Novel AC Coupled Driver for Ultra Fast Switching of Normally-off SiC JFETs, 36 th Annual Industrial Electronics Society Conference IECON 2010, [69] Adamowicz M. et al., Evaluation of SiC JFETs and SiC Schottky Diodes for Wind Generation Systems, 20 th International Symposium on Industrial Electronics, ISIE 2011 [70] Rabkowski J., Tolstoy G., Peftitsis D. Nee H., Low-Loss High- Performance Base-Drive Unit for SiC BJTs, accepted for publication in IEEE Transactions on Power Electronics, 2011 Autorzy: dr inż. Jacek Rąbkowski, mgr inż. Mariusz Zdanowski, prof. dr hab. Roman Barlik, Politechnika Warszawska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, ul. Koszykowa 75, Warszawa, jacek.rabkowski@isep.pw.edu.pl, zdanowsm@ee.pw.edu.pl, rbarlik@isep.pw.edu.pl. 192 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 88 NR 4b/2012