Abstracts Computer Science

Variable-speed power switch gate driver for switching loss reduction in automotive inverters

by Alexey Sokolov

In the present time, electrical power conversion is performed more and more widely using fully-controllable semiconductor devices such as IGBTs, MOSFETs, and Silicon-Carbide (SiC) MOSFETs, in conjunction with diodes made of the same materials. DC to AC conversion and vice-versa is required in brushless motor/generator drives powered by DC sources, such as batteries in electric and hybrid electric vehicles.This thesis reviews modern gate drivers and performance testing methods for gate drivers. Based on hardware testing results, it introduces a new method of switching loss reduction for IGBT converters, implemented through a series of innovations on the gate driver operation principle and schematics. The switching loss reduction is achieved by varying the IGBT gate current across different switching transitions, depending on the load current and other factors. In particular, it has been shown that increasing the gate current (and switching transition speed) near load current zero-crossings results in more complete utilization density of the IGBT safe operating area, allowing a tradeoff to reduce switching losses, and to increase converter efficiency. The proposed method leaves motor harmonic losses completely unchanged and does not modify the pulse width modulation scheme. Dans le temps présent, la conversion de puissance électrique se fait de plus en plus en utilisant des appareils semi-conducteurs contrôlables, comme IGBT, MOSFET, et MOSFET à carbide de silicium (SiC), ensemble avec des diodes fabriqués des mêmes matériaux. La conversion CC à CA et vice-versa est nécessaire pour alimenter des moteurs et des génératrices sans balais par des sources CC, comme les batteries dans les véhicules électriques et hybrides.Cette thèse examine les "gate drivers" modernes et méthodes de vérification de leur performance. Basé sur les résultats des tests de matériel, elle introduit une nouvelle méthode de réduction des pertes de commutation pour les convertisseurs à IGBT, réalisée par une série d'innovations sur le principe d'opération du "gate driver" et ses schémas. La réduction des pertes de commutation se fait en changeant le courant de gâchette parmi les différentes transitions de commutation, dépendamment du courant passant par la charge, et d'autres facteurs. En particulier, il a été montré qu'en augmentant le courant de gâchette (et la vitesse de transition de commutation) proche des moments quand le courant de charge passe par zéro, a comme résultat l'utilisation plus complète de l'aire d'opération sécuritaire du IGBT, ce qui permet de réduire les pertes de commutation et d'augmenter l'efficacité du convertisseur. La méthode proposée laisse les pertes harmoniques du moteur sans changements, et ne modifie pas le schéma de modulation de largeur d'impulsions.