Real-Time FPGA Simulation of High-Voltage Silicon Carbide MOSFETs

门阵列 碳化硅 现场可编程门阵列 电气工程 切换时间 拓扑(电路) MOSFET 电压 计算机科学 晶体管 电子工程 工程类 材料科学 嵌入式系统 冶金
作者
Gard Lyng Rødal,Dimosthenis Peftitsis
出处
期刊:IEEE Transactions on Power Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:38 (3): 3213-3234 被引量:11
标识
DOI:10.1109/tpel.2022.3223951
摘要

This article presents a real-time field-programmable gate array (FPGA)-based dynamic model of high-voltage and high-current silicon carbide (SiC) metal-oxide-semiconductor field-effect transistor ( mosfet ) half-bridge power modules. The dynamic switching model utilizes the Shichman and Hodges equations using voltage-dependent nonlinear device capacitances and module electrical parameters to obtain an accurate dynamic model of the device switching transients. The key device states gate-source voltage, drain current, and drain-source voltage are modeled and discretized using forward Euler discrete integration method. Analysis of synthesizing the discrete-time model into real-time FPGA-based system with real-time data output from the on-board digital-to-analog converter is presented in detail. The model is utilized in modeling a 320-kW, medium-voltage dc/dc dual-active bridge converter and verified using dynamic experimental results from a 3.3-kV SiC mosfet half-bridge power module. It has been shown that the presented discrete-time dynamic switching model accurately describes the turn- on and turn- off switching transients of the SiC power module at various voltage and current levels. Such models are useful for rapid and cost effective design and prototyping of SiC-based power electronic systems by defining key design and operating parameters, such as deadtime, switching frequency, and switching losses.
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