Piikarbidipohjaisten (SiC) tehoelektroniikkalaitteiden vahvuudet ja haasteet sähkö-magneettisen yhteensopivuuden näkökulmasta

Abstract

Viime vuosikymmenen aikana WBG-puolijohteiden ominaisuuksien tutkimus ja kehitys on edennyt merkittävästi. Piikarbiditeknologian (SiC) ylivoimaiset suorituskykyominaisuudet ovat herättäneet laajaa kiinnostusta samalla kun perinteisten piipohjaisten (Si) laitteiden teoreettiset rajat alkavat tulla vastaan erityisesti suurjännitesovelluksissa. Nopean kytkentäkyvyn ansiosta SiC-laitteet mahdollistavat korkeammat kytkentätaajuudet ja alhaisemmat kytkentähäviöt, mikä johtaa parempaan hyötysuhteeseen, pienempään komponenttikokoon sekä tehokkaampaan jäähdytykseen.

Toisaalta SiC-teknologian nopea kytkentä aiheuttaa jyrkkiä jännitteen- ja virran muutoksia (dv/dt, di/dt), mikä lisää sähkömagneettista häiriötä (EMI) ja vaatii erityistä huomiota piikarbidipohjaisten laitteiden suunnittelussa. Tässä diplomityössä syvennytään SiC-laitteiden aiheuttamiin sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) haasteisiin, ja tarkastellaan aiempien tutkimusten perusteella käytettyjä EMI-vaimennusmenetelmiä sekä niiden vaikutuksia häiriöiden käyttäytymiseen tehoelektroniikkajärjestelmissä.

Tutkimuksen tulokset osoittivat, että huolellinen EMC-suunnittelu on merkittävä osa SiC-laitteiden toteutusta. Kirjallisuudessa esiin nousseet vaimennusmenetelmät, kuten suodattimien, suojauksen ja maadoituksen optimointi, osoittautuivat keskeisiksi keinoiksi hallita näitä EMI-haasteita. Erityisesti passiivisten suodattimien ja modulaatiotekniikan yhteensovittamisella on saavutettu EMC-standardeja täyttävät häiriötasot. Haasteita kuitenkin esiintyy yhä korkeamman taajuuskomponenttien vaimentamisessa, mikä edellyttää jatkotutkimusta.

Over the past decade the research and development of wide-bandgap (WBG) semiconductor properties have progressed significantly. The superior performance characteristics of silicon carbide (SiC) technology have attracted widespread interest, as the theoretical material limits of conventional silicon (Si)-based devices are increasingly being reached, particularly in high-voltage applications. Due to their fast-switching capability, SiC devices enable higher switching frequencies and lower switching losses, leading to improved efficiency, smaller component size, and more effective thermal management.

On the other hand, the rapid switching behavior of SiC technology causes steep voltage and current transients (dv/dt, di/dt), which increase electromagnetic interference (EMI) and require special attention in the design of SiC-based systems. This thesis focuses on the electromagnetic compatibility (EMC) challenges associated with SiC devices and examines, based on previous studies, various EMI mitigation techniques and their effects on interference behavior in power electronic systems.

The results of the study indicated that careful EMC design is a critical aspect of implementing SiC-based devices. EMI mitigation methods highlighted in the literature, such as the optimization of filters, shielding, and grounding, proved to be essential tools for addressing these EMI challenges. In particular, the combination of passive filters and modulation techniques has been shown to achieve interference levels compliant with EMC standards. Nevertheless, challenges remain still in attenuating higher-frequency components, which call for further research.