Insulation Evaluation in a SiC Power Module via Electric Field Simulation and Partial Discharge Measurement
Authors
Suleimenova, Aliya ; Højgaard, Flemming
Term
4. term
Education
Publication year
2020
Submitted on
2020-05-19
Pages
98
Abstract
Siliciumcarbid (SiC) er et halvledermateriale med bredt båndgab, som muliggør mindre og lettere effektmoduler, der kan arbejde ved højere spændinger, temperaturer og koblingsfrekvenser end silicium. Det gør SiC relevant for højvoltsløsninger som fremtidens 10 kV jernbaneudstyr. Udfordringen er, at højere spændinger forstærker de lokale elektriske felter i et modul. Disse felter kan udløse partielle udladninger (PD) – små, gentagne elektriske gennembrud i isolationen – som fremskynder ældningen af den isolerende silikonegel og kan forkorte modulets levetid. I dette studie vurderer vi den elektriske isolation i et 1,2 kV SiC MOSFET-modul. Med simulationer baseret på finite element-metoden (FEM) fandt vi den højeste feltstyrke i grænsefladen mellem silikonegelen og det metalliserede keramiske substrat. Faseopløste målinger af partielle udladninger (PRPD) understøttede dette ved at indikere, at overfladeudladninger sandsynligvis initieres netop her. På den baggrund foreslår vi metoder til elektrisk feltkontrol i SiC MOSFET-modulet for at begrænse PD-aktivitet og forbedre isolationspålideligheden.
Silicon carbide (SiC) is a wide-bandgap semiconductor that enables smaller, lighter power modules that operate at higher voltages, temperatures, and switching frequencies than silicon. This makes SiC attractive for high-voltage systems such as future 10 kV railway equipment. The challenge is that higher voltages intensify local electric fields inside a module. These fields can trigger partial discharges (PDs)—tiny, repeated electrical breakdowns in the insulation—that accelerate ageing of the silicone gel and can shorten the module’s lifetime. In this study, we assess the electrical insulation of a 1.2 kV SiC MOSFET module. Using finite element method (FEM) simulations, we found the highest electric field at the interface between the silicone gel and the metallized ceramic substrate. Phase-resolved partial discharge (PRPD) measurements supported this by indicating that surface discharges are likely to start at the same location. Based on these findings, we propose electric-field control measures within the SiC MOSFET module to limit PD activity and improve insulation reliability.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents