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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10011239&local_id=10018322
고전압 디바이스용 Si-C 단결정 성장 및 소자설계
Reports NRF is supported by Research Projects( 고전압 디바이스용 Si-C 단결정 성장 및 소자설계 | 2006 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 김남오(조선이공대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00226
Year(selected) 2006 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 08월 29일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research Summary
  • Korean
  • 대전력 컨버더의 응용에서 전력용 소자의 내전압이 충분하지 않기 때문에 대용량 변압기는 상용전압 강하에 사용되었다. 현재의 추세는 변압기가 없는 시스템이나 소형 고주파 변압기가 적용된다. 이 경우에는 스위칭 주파수의 실현성이 논쟁의 핵심이 될 수 있다. 본 연구에서는 대전력 컨버터에 적용되는 IEGT와 SiC-PiN 다이오드의 조합에서 스위칭 주파수의 한계를 나타내었다. 최근, SiC 소자 기술은 전력전자의 실제적인 응용에 평가 되고 발전되고 있다. 상용 SiC 쇼트키 다이오드는 항복전압이 1200V에서 이용된다. 고전압 응용 분야에서는 SiC-PiN 다이오드의 매우 좋은 특성이 기대되고 있으며, 시험 형태의 소자로 응용되고 있다. 또한, 실리콘 스위칭 소자와 SiC-PiN 다이오드의 하이브리드로 수행되고 있다. 스위칭 소자의 스위칭 특성은 각각 Si와 SiC 다이오드의 실제적인 컨버터 회로의 조건 하에서 비교 되어야만 한다. 본 연구에서는 첫번째로 2.5kV SiC-PiN 다이오드 스위칭 소자와 초퍼 회로에서 3.3kV IEGT 인덕터 부하와 비교하여 나타내었다. SiC-PiN 다이오의 스위칭 특성을 1200V 바이어스 직류전압와 40A 컷-오프 전류에서 나타내었다. IEGT를 포함한 전체 스위칭 손실은 시험용 초퍼 회로에서 평가 되었다. 실험 결과에서는 역방향 회복 시간과 IEGT 턴-온 손실은 SiC-PiN 다이오드와 IEGT의 조합에서 현저히 감소됨을 나타내었다. 더욱더, 스위칭 손실이 감소됨을 조사하였고, 고 스위칭 주파수에서 SiC-PiN 다이오드와 IEGT의 조합으로 대전력 응용면에서 이용이 적용되었으며, 소자 시뮬레이션은 실험결과를 바탕으로 실행되었다. 소자 시뮬레이션은 IEGT의 내부 파라메타는 전체 소자 손실의 최소값을 확인하는데 적용되었다. 가능한 스위칭 주파수는 실험 회로내의 전체 소자 손실에 의하여 평가 되었다.
  • English
  • In the application of High-Voltage power converters, the bulky and heavy transformer is used for step down utility voltage, because a blocking voltage of power devices is not enough. Now, there are new trends that adopt the transformer-less system or small sized high frequency transformer. In this case, the possibility of switching frequency will become the real issue in a conflict. In this paper, we will present the limitation of switching frequency in the combination of IEGT and SiC-PiN diode to apply high-voltage power converters.
    Recently, The SiC device technology is beginning to be evaluated in practical application of power electronics. Some commercial SiC Schottky-based diode is available under 1200-breakdown voltage. In the high voltage applications (>2000V), superior characteristics of SiC-PiN diode have been expected. Recently the superiority is confirmed by the prototype device fabrications. Also, a good performance of hybrid combination of SiC-diodes with silicon switching devices has been presented. As the switching characteristics of switching devices and diode influence each other, characteristics of Si and SiC diodes must be compared under condition of practical converter circuit.
    In this paper, firstly, we present a comparison between 2.5kV SiC-PiN diode switching device, which is 3.3kV IEGT in the inductively loaded chopper circuit. The experimental switching characteristics of SiC-PiN diode are presented under 1200-V DC bias voltage and 40-A cutoff current. The total switching loss including that of IEGT is evaluated in the test chopper circuit. Experimental results show that the reverse recovery time and IEGT turn-on loss are significantly reduced in the combination of SiC-PiN diode and IEGT. In addition, to investigate a reduction of switching losses and ability of high switching frequency using combination of SiC-PiN diode and IEGT in the field of high power application, a device simulation is carried out based on experimental results. In the device simulation, the internal parameters of the IEGT are adjusted to find the minimum value of total devices loss. The possible switching frequency by comprehensive total devices loss in the test circuit is evaluated.

Research result report
  • Abstract
  • 대전력 컨버더의 응용에서 전력용 소자의 내전압이 충분하지 않기 때문에 대용량 변압기는 상용전압 강하에 사용되었다. 현재의 추세는 변압기가 없는 시스템이나 소형 고주파 변압기가 적용된다. 이 경우에는 스위칭 주파수의 실현성이 논쟁의 핵심이 될 수 있다. 본 연구에서는 대전력 컨버터에 적용되는 IEGT와 SiC-PiN 다이오드의 조합에서 스위칭 주파수의 한계를 나타내었다. 최근, SiC 소자 기술은 전력전자의 실제적인 응용에 평가 되고 발전되고 있다. 상용 SiC 쇼트키 다이오드는 항복전압이 1200V에서 이용된다. 고전압 응용 분야에서는 SiC-PiN 다이오드의 매우 좋은 특성이 기대되고 있으며, 시험 형태의 소자로 응용되고 있다. 또한, 실리콘 스위칭 소자와 SiC-PiN 다이오드의 하이브리드로 수행되고 있다. 스위칭 소자의 스위칭 특성은 각각 Si와 SiC 다이오드의 실제적인 컨버터 회로의 조건 하에서 비교 되어야만 한다. 본 연구에서는 첫번째로 2.5kV SiC-PiN 다이오드 스위칭 소자와 초퍼 회로에서 3.3kV IEGT 인덕터 부하와 비교하여 나타내었다. SiC-PiN 다이오의 스위칭 특성을 1200V 바이어스 직류전압와 40A 컷-오프 전류에서 나타내었다. IEGT를 포함한 전체 스위칭 손실은 시험용 초퍼 회로에서 평가 되었다. 실험 결과에서는 역방향 회복 시간과 IEGT 턴-온 손실은 SiC-PiN 다이오드와 IEGT의 조합에서 현저히 감소됨을 나타내었다. 더욱더, 스위칭 손실이 감소됨을 조사하였고, 고 스위칭 주파수에서 SiC-PiN 다이오드와 IEGT의 조합으로 대전력 응용면에서 이용이 적용되었으며, 소자 시뮬레이션은 실험결과를 바탕으로 실행되었다. 소자 시뮬레이션은 IEGT의 내부 파라메타는 전체 소자 손실의 최소값을 확인하는데 적용되었다. 가능한 스위칭 주파수는 실험 회로내의 전체 소자 손실에 의하여 평가 되었다
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구에서는 고압 대전력 전압형인버터에 적용하기 위한 SiC-PiN 다이오드 스위칭 디바이스들의 특성을 조사하였다. 40A, 1200V 유도성부하의 스위칭회로 실험으로 IEGT와 SiC-PiN 다이오드를 결합한 고정압 컨버터의 스위칭 주파수 한계에 대하여 새롭게 조사를 하였다. 그리고 IEGT와 SiC-PiN 다이오드의 고속 스위칭 능력에 대하여 시뮬레이션과 실험을 통하여 검토한 결과 실적용이 양호한 결과 얻을 수 있었다.
    상업화된 Si-PiN 다이오드와 본 연구에서 개발한 2.5kV SiC-PiN 다이오드의 온 전압특성을 실험에 의해 검토한 결과 대전력용으로 전압이 실리콘 다이오드보다 높은 특성을 보였줌을 확인하였다.
    향후 SiC-PiN 다이오드 2.5kV급 고압 대전력 전력변환장치에 실증시험을 통해 전력산업현장에 활용할 계획이다. 그리고 국내의 SiC-PiN 다이오드제작이 가능한 업체와 연계하여 산업화를 실현할 예정이다.
  • Index terms
  • Silicon Carbide, PiN diode, IEGT, Switching loss , Device Simulation, High Power Converters
  • List of digital content of this reports
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