Reconfigurable circuits (Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)) for accelerating applications have been a key technology for many years. Thus, the world’s leading data center operators and providers of cloud infrastructures, namely Microsoft, IBM, and soon Amazon, are using FPGAs on their application platforms. The central question of this contribution is how FPGAs can be virtualized for a flexible and dynamic deployment in cloud infrastructures. In addition to the virtualization of FPGA resources, service models for the provision of virtualized FPGAs are developed and embedded into a resource management system in order to evaluate the cloud system’s behaviour. The objective of this work is not to build a cloud architecture, but rather to examine selected aspects of cloud systems with regard to the integration of reconfigurable hardware. The FPGAs are not only virtualized but, unlike in many other projects, the entire system and the application are taken into account. As a result, the vFPGAs are used dynamically and adaptively at different locations and topologies in the cloud architecture, depending on the user’s requirements. Furthermore, a prototypical implementation of a cloud system has been developed, and evaluated in several projects. The virtualization using state-of-the-art FPGAs has shown that the establishment of homogenous environments is possible. The Migration of a partial FPGA context is also possible with current FPGA architectures, but is associated with high costs in form of hardware resources. Furthermore, a simulation was carried out to determine whether virtualization and migration, could contribute to a more efficient utilization of resources in a larger cloud system or impair the service level agreement. In summary, both the developed virtualization and the possibility of a migration make it possible to reduce the amount of necessary resources in a modern cloud system. / Rekonfigurierbare Schaltkreise wie Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stellen seit Jahren für viele Unternehmen eine Schlüsseltechnologie zur Hintergrundbeschleunigung von Anwendungen und Cloud- Diensten dar. Als weltweit führende Betreiber von Rechenzentren und Anbieter von Cloud-Infrastrukturen setzten mittlerweile Microsoft, IBM und demnächst auch Amazon in ihren Systemen FPGAs auf Anwendungsebene ein, um sowohl die Rechenleistung zu erhöhen als auch die Verlustleistung und damit die Betriebskosten zu reduzieren. Ebenso stellt die Erhöhung der Zugangssicherheit durch Nutzung von FPGAs einen weiteren bedeutenden Aspekt dar. Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit besteht darin, wie FPGAs durch Virtualisierung effizient auf der Anwendungsebene nutzbar gemacht werden können. Das Ziel besteht darin, die FPGAs wie andere Komponenten flexibel und dynamisch in der Cloud einzusetzen. Um ein Cloud-System mit FPGAs evaluieren zu können, werden zunächst Servicemodelle für eine Bereitstellung der virtualisierten FPGAs entwickelt und in eine Ressourcenverwaltung eingebettet. Ziel der Arbeit ist hierbei nicht der Aufbau einer Cloud-Architektur selbst, sondern vielmehr die Untersuchung ausgewählter Aspekte mit Hinblick auf die Integration rekonfigurierbarer Hardware in eine Cloud. Dabei wird die klassische System-Virtualisierung auf die rekonfigurierbare Hardware übertragen, um eine Abstraktion vom physischen FPGA zu erreichen und diesen möglichst effizient auslasten zu können. Das Ziel besteht hierbei darin, mehrere unabhängige, nebenläufig arbeitende Nutzerkerne auf demselben physischen FPGA zu realisieren und durch Migration auf andere Rechenknoten zu übertragen sowie von der physischen Größe und der Architektur des FPGAs zu abstrahieren. Dabei wird nicht nur der FPGA virtualisiert, sondern – anders als bei der Mehrzahl vergleichbarer Arbeiten – das Gesamtsystem und der Einsatzzweck berücksichtigt. Ein prototypisch entwickeltes Cloud-System wurde im Rahmen mehrerer Projekte evaluiert. Durch diese prototypische Umsetzung wird nachgewiesen, dass eine FPGA-Virtualisierung auf aktuellen FPGAs möglich ist und welche Kosten dazu erforderlich sind. Ebenso zeigt sich, dass aufgrund bestimmter fester Strukturen eine Etablierung von homogenen Bereichen notwendig ist, um die Migration eines partiellen FPGA-Kontextes zu ermöglichen und eine effiziente Lastverteilung in der Cloud zu realisieren. Die prototypische Implementierung zeigt, dass eine Migration mit aktuellen FPGA-Architekturen möglich, aber mit Kosten in Form von FPGA-Ressourcen verbunden ist. Des Weiteren wird mittels Simulation untersucht, ob die in einem komplexen Anwendungsszenario angewendete Migration auch in einem größeren Cloud-System zu einer effizienteren Auslastung der Ressourcen beitragen kann. Zusammenfassend ist sowohl durch die entwickelte Virtualisierung als auch durch die Möglichkeit einer Migration die Einsparung von Hardware-Ressourcen und somit auch Energie in einem modernen Cloud-System möglich.

Silicon Carbide, a wide band gap (WBG) semiconductor, has pushed electrical limits beyond Silicon (Si) when it comes to power electronics. It has offered the electrification of society showing promise for a greener future. However, owing to higher material defects, particularly at the oxide/semiconductor interface, threshold voltage (VTH) instability has been a persistent problem. This thesis examines the drift in VTH when a bipolar ac gate bias stress is applied to 4H-SiC MOSFETs. For this purpose, a gate stress setup using a gate driver IC is created. This is followed by a measure-stress-measure (MSM) sequence at varying gate voltages to study the effects of VGS,on, VGS,off, and voltage overshoots on the drift. Two critical VGS,off biases are found. The drift is negligible until the first critical point, accelerated, between the first and second bias, and decelerated beyond the second point with degradation of the oxide. Overshoots/undershoots in the gate drive loop shows an excess drift of 37.77% with only undershoots contributing entirely to this percentage. Drift at higher temperature is smaller than at room temperature but with changing slope. After 400 hours of stress at +18/ − 8V, a VTH drift of 17.5% while a RDS,on drift of only 2.5 % is measured. End of life VTH for devices in this thesis show a drift of 280mV at the automotive application switching limit and 500mV at the solar applications switching limit. The findings are intended for better understanding of device performance limits at high switching cycles and voltage biases. / Bredbandgapsmaterialet kiselkarbid har utvidgat gränserna för kraftelektronikens elektriska prestanda jämfört med vad som går att åstadkomma med kisel. Kiselkarbiden har gett nya möjligheter för samhällets elektrifiering vilket är lovande för en grön framtid. På grund av materialdefekter speciellt vid gränsytan mellan kiselkarbid (SiC) och kiseldioxid har det varit ett bestående problem med drivande tröskelspänning. Det här examensarbetet undersöker drift för tröskelspänningen då gate-terminalen i en 4H-SiC MOSFET utsätts för en bipolär alternerande spännings-stress. För detta ändamål har en mätuppställning med en IC-krets för gate-styrning byggts upp. Detta följs av en mät-stress-mät sekvens för varierande gate-source spänningar (VGS) för att studera effekter av VGS,on,VGS,off och spännings-överslängar på tröskelspänningsdriften. Två kritiska nivåer för VGS,off har påvisats. Tröskelspänningsdriften är försumbar före den första nivån, accelererad mellan den första och andra nivån, och retarderad efter den andra nivån med degradering av gate-oxiden. För överslängar och underslängar i gate-spänningen syns en extra tröskelspänningsdrift på 37.77 % där enbart underslängarna bidrar till driften. Tröskelspänningsdriften vid högre temperatur är mindre än vid rumstemperatur men med förändrad lutning för subtröskelspänningskarakteristiken. Efter 400 timmars stress med +18V/-8V, uppmättes en tröskelspänningsdrift på 17.5 % men endast 2.5 % drift för on-resistansen. Vid slutet av förväntad livstid i form av switch-cykler uppmättes 280 mV drift för biltillämpningar och 500 mV för solpanelstillämpningar. Resultaten är ämnade att förbättra förståelsen för komponentprestandans begränsningar efter ett stort antal switch-cykler och olika gate-source spänningar.

Gate-all-around (GAA) nanosheet field effect transistors (NSFETs) seem to be one of the most promising replacement options for FinFETs towards scaling down below to the sub-7nm technology nodes. They offer better electrostatics and control of short channel effects (SCEs) due to their superior control over the channel and their large effective channel width. Moreover, one can vertically stack multiple nanosheets to improve the drive strength of the device at a much-relaxed geometry than an aggressively scaled FinFET. However, stacking nanosheets would result in complex device structure, leading to significant process variability. Process variations could arise from irregular sheet thicknesses, random doping fluctuations, strain-induced variability, temperature effects, etc. which would affect the performance of the device. This has put a great emphasis on the need to come up with a properly calibrated process and simulation tools to analyze the performance of the NSFETs by identifying the sources of process variations with utmost precision. For this purpose, a TCAD-based simulation assessment has been done to model the design and performance of GAA NSFETs. The study explores the impacts of the variation in various physical parameters including the number of nanosheets, the sheet thickness, the work-function (WF) of metal gate stack layers, operational temperatures and channel doping on the electrical performance of the NSFETs. Moreover, a detailed fabrication process simulation flow for the design of a 3-sheet GAA NSFET has been presented. The simulation results predict that the process variations primarily have an impact on the device threshold voltage (Vth) which in turn influences the on-off currents, and the sub-threshold swing of the device. A comparative analysis has been done to understand the deviation of these electrical characteristics from their ideal values as a result of these variations. / Gate-all-around (GAA) nanoblads-fälteffekttransistorer (NSFETs) verkar vara ett av de mest lovande ersättningsalternativen för FinFET transistorer för att möjliggöra skalning ner till sub 7nm teknologinoderna. Denna typ av transistorer har bättre elektrostatik och kontroll av kortkanalseffekter (SCE) tack vare sin goda kontroll över kanalen och sin stora effektiva kanalvidd. Man kan dessutom stapla nanoblad vertikalt för att förbättra komponentens strömdrivningsförmåga med en mer relaxerad geometri än för en aggressivt skalad FinFET. Att stapla nanoblad gör komponentens struktur mer komplex vilket leder till betydande processvariabilitet. Processvariationer kan uppstå från oregelbundna tjocklekar för bladen, slumpmässiga dopningsfluktuationer, töjningsinducerad variabilitet, temperatureffekter m.m. Alla dessa variationer kan påverka komponentens prestanda. Det är därför viktigt att etablera korrekt kalibrerade process- och simuleringsverktyg för att analysera prestandan hos nanoblads-transistorerna. För detta ändamål har en TCAD-baserad simuleringsstudie gjorts för att modellera designen och prestandan för GAA nanoblads-transistorer. Studien undersöker effekterna av variationen i olika fysiska parametrar, inklusive antalet nanoblad och bladtjockleken, utträdesarbetet för metallgaten, temperaturen och kanaldopningen på den elektriska prestandan hos nanobladstransistorerna. Dessutom har ett detaljerat processimuleringsflöde för utformningen av 3-blads transistorer presenterats. Simuleringsresultaten visar att processvariationerna i första hand har en inverkan på transistorns tröskelspänning som i sin tur påverkar av- och på- strömmarna och subtröskelegenskaperna. En jämförande analys har gjorts för att förstå avvikelsen mellan dessa elektriska egenskaper från deras idealvärden som ett resultat av dessa variationer.

Den välkända linjära Stage-Gate processen har genom åren blivit till en av de vanligaste produktutvecklingsprocesserna för de flesta stora företag inom tillverkningsindustrin. Innovation och teknologi sker i snabb takt och ny teknik utvecklas ständigt vilket innebär att företagen också måste anpassa sig för att fortsätta vara konkurrenskraftiga. De iterativa produktutvecklingsprocesserna har tagit över alltmer under de senaste åren, en av dessa är Design Thinking. Forskning om samexistensen av dessa båda processer inom samma organisation är mycket begränsad, syftet är därför med denna studie att öka kunskapen kring hur företag kan arbeta med integrering av iterativa processer, mer specifikt, Design Thinking i en Stage-Gate process. Studien inleddes med en litteraturstudie där kunskap och förståelse för iterativa och linjära utvecklingsprocesser skapades. Datainsamling med stöttning av denna teoretiska bakgrund genomfördes i form av en intervjustudie där tillämpning av processerna Design Thinking i kombination med Stage-Gate på arbetsplatser undersöktes. Resultatet av intervjustudien analyserades för att besvara frågor kring strategier och tillvägagångssätt för hur och när Design Thinking kan implementeras i en linjär process teoretiskt och praktiskt. I studien har tre internationellt väletablerade företag deltagit, dessa tre företag har tidigare erfarenhet av att arbeta med Design Thinking och valdes till detta projektet då de har tydligt strukturerade arbetsprocesser kopplat till ämnet. Gemensamt för företagen som deltog i studien är att de alla ser vikten att arbeta iterativt i utvecklingsprojekt och att de upplever stora möjligheter i form av bland annat stora tidsbesparingar bara organisationerna vågar investera den tid som krävs för upplärning. De är också enade om att en involverad användare är avgörande för ett lyckat projekt, men att vid implementeringen finns en rad utmaningar som övervinns genom att fatta rätt beslut. Företagen har anpassat Design Thinking och Stage-Gate processerna efter sin bransch och nuvarande processtruktur, vilket resulterat i att denna rapport inte beskriver en generellt anpassad process utan flera alternativa processer. / The famous linear Stage-Gate process has over the years become the standard product development process for most large manufacturing companies. Technological innovation is occurring at a fast-pace and new technologies are constantly being developed, meaning that companies must adapt if they want to remain competitive. The iterative product development processes have become in recent years increasingly popular, among them, Design Thinking. Since research on the coexistence of these both processes within the same organization is very limited. The purpose of this study is to increase knowledge about how companies can work with the integration of iterative processes, more specifically Design Thinking in a Stage-Gate process. The study began with a literature research with the aim to acquire knowledge and understanding of iterative and linear development processes linked to process structure and user involvement. Part of the study was based on an empirical study in the format ofsemi-structured interviews in order to collect data with the support of the theoreticalbackground. The interviews aimed to investigate the possible combination of DesignThinking and Stage-Gate within the same organization. The results of these interviews were analyzed in the interest of answering questions about strategies and approaches to how and when Design Thinking can be implemented in a linear process. Three internationally well-established companies have participated in the study. These three companies have previous experience of working with Design Thinking and were selected for this study because they have successfully implemented these processes. The companies that participated in this study had something in common, they all see the importance of working iteratively in development projects and they have seen considerable opportunities in the form of time savings if they are willing to invest the time required for training. They also agree that user involvement is crucial for a successful project, but the implementation faces a number of challenges that can be overcome by making the right decisions. The companies have adapted Design Thinking and Stage-Gate processes according to their sector and current process structure, which results in this report not describing a generally adapted process but several alternative processes.

I dagsläget tenderar många att använda tjänster som hanteras separat. Arbetet undersöker om det är möjligt att sammankoppla ett fåtal tjänster i en gemensam webbapplikation för att underlätta kommunicering mellan tjänsterna samt att förbättra användarvänligheten. Företaget A Great Thing har i åtanke att skapa en webbapplikation som tillåter användare att med hjälp av deras applikation skapa agenter som sköter händelser från användarens begäran, exempelvis “spela upp en låt vid en viss tid”. Metodiken som tillämpats har dels varit en fallstudie och dels användarbaserade metoder i form av enkätundersökning samt ett användartest. Ytterligare undersöktes hur kommunikationen går mellan tjänsters API, och de nödvändiga parametrar som utbyter data. Slutligen evalueras den framtagna prototypen enligt vissa riktlinjer inom användarvänlighet. Examensarbetets resultat är i form av en webbprototyp med fokus på användarvänlighet, implementering av API:er, användartest på faktiska användare samt statistik på efterfrågan av tjänster. Vidare har även en marknadsundersökning utförts för att belysa ekonomiska vinstmöjligheter genom API-distribution. Slutsatsen dras att det är möjligt att sammankoppla API:er och dess tjänster för att uppnå ett användarvänligt gränssnitt samt hur nödvändiga parametrar disponeras på ett effektivt vis. Vidare är förhoppningen att utomstående läsare skapar en förståelse om hur sammankopplingen går till på ett strukturerat och informativt tillvägagångssätt. Även hur olika tekniska metoder inom användarvänlighet kan tillämpas vid konstruktion av prototyper. / Nowadays people tend to use services and appliances that are managed seperately. This thesis examines the possibility of connecting different services into one main web application to faciliate communication between these services. A Great Thing have embraced the need of connecting applications to a single device and therefore, wants to create a web application integrated with the use of agents. These agents are built to manage the events a user request. For example ”Play a song at a specific time”. The methodology applied has partly been a case study and partly user-based methods in form of a survery and a user test. Further research was conducted on communication between service API:s and the necessary parameters that exchange data. Finally, the developed prototype was evaluated according to some usability guidelines. The thesis’s results are presented in the form of a web prototype focused on usability, implementation of APIs, user test of actual users and statistics of demanded services. In addition, a market research has been conducted to highlight economic benefits through API distribution. The conclusion is drawn that it is possible to link API:s and their services to achieve a user-friendly interface and how to use different parameters in an efficient way. Furthermore, the hope is that external readers will understand how the connection between API:s works in a structured and informative approach. Also how different technical methods for usability can be applied in construction of prototypes.

Railway is a complex system, with many components that are linked with one another. If a failure occurs in a sub-system, it can affect the functionality and the safety of the whole. Signalling represents a crucial component of the railway system because it ensures safety, and it can optimize capacity on the lines. In Europe, private companies control the development and the implementation of new signalling equipment in the railway lines. However, system development processes must satisfy the European standards and the client requirements, which limit the possibility to apply changes in the generic system development process and it leads to employ the same processes in each project, without removing redundant steps and tailoring to the project needs. Recently, Alstom Rail Sweden AB performed the implementation of new signalling system in Älvsjö depot, overcoming several wastes in the process. In this Master Thesis, Älvsjö depot project is compared with a standard project, performed according to the usual procedure used in Alstom projects. The parameters compared are the resource allocation and the days of delay. The results from the data have revealed that projects can benefit through the adoption of the Lean philosophy principles: reduction of waste, increased flexibility, and standardization without eliminating the Stage Gate process in their projects. / Järnvägen är ett komplext system med många komponenter som är kopplade till varandra. Om ett fel uppstår i ett delsystem kan det påverka hela systemets funktionalitet och säkerhet. Signalering utgör en avgörande komponent i järnvägssystemet eftersom den garanterar säkerheten och kan optimera kapaciteten på linjerna. I Europa kontrollerar privata företag utvecklingen och implementeringen av ny signalutrustning på järnvägslinjerna. Systemutvecklingsprocesserna måste dock uppfylla de europeiska standarderna och kundkraven, vilket begränsar möjligheten att tillämpa förändringar i den generiska systemutvecklingsprocessen och leder till att samma processer används i varje projekt, utan att ta bort överflödiga steg och skräddarsy efter projektbehoven. Nyligen genomförde Alstom Rail Sweden AB implementeringen av ett nytt signalsystem i Älvsjö depå och övervann flera slöserier i processen. I detta examensarbete jämförs Älvsjödepåns projekt med ett standardprojekt, utfört enligt det vanliga förfarandet som används i Alstoms projekt. De parametrar som jämförs är resursfördelningen och antalet förseningsdagar. Resultaten från datan har visat att projekt kan dra nytta av att anta Lean-filosofins principer: minskning av slöseri, ökad flexibilitet och standardisering utan att eliminera Stage Gate-processen i sina projekt.

Silicon is the main material used in electronics. The evolution of power electronics and the need for more power efficient semiconductor devices led silicon to its limits. Silicon carbide is a promising material for electronic applications with a wide band-gap, high critical electric field, high thermal conductivity and saturation velocity. Except from its superiority to silicon, silicon carbide comes with a drawback of about two orders of magnitude more interface traps in the SiC/SiO2 interface compared with silicon. A result of this drawback is a flat-band voltage shift when applying a stress to the gate of MOS capacitors and power MOSFETs. In order to study the pure characteristics of the SiC/SiO2 interface, two stress methods, a current pulse stress and gate voltage upsweep, have been applied on 4H-SiC capacitors with nitrided thermal oxides at room temperature and at higher temperatures. The flat-band voltage recovery was examined. The flat-band voltage could be restored at room temperature with a gate voltage downsweep while a restoration is not needed at higher temperatures. The maximum voltage (initial voltage) and the voltage rate of the downsweep were investigated and higher initial voltages and lower voltage rates showed to lead to better VFB restoration. A 200 millisecond long current pulse stress was implemented and it had almost similar effects as the voltage upsweep which lasts 50 seconds. / Kisel är det viktigaste materialet som används i elektronik. Utvecklingen av kraftelektronik och behovet av mer energieffektiva halvledarkomponenter ledde kisel till sina gränser. Kiselkarbid är ett lovande material för elektroniska applikationer med ett brett bandgap, högt kritiskt elektriskt fält, hög värmeledningsförmåga och hög mättningshastighet. Förutom dess överlägsenhet gentemot kisel, kommer kiselkarbid med en nackdel med cirka två storleksordningar fler gränssnittsfällor i SiC / SiO2-gränssnittet jämfört med kisel. Ett resultat av denna nackdel är en förskjutning av flatbands-spänningen, VFB, när man applicerar en spänning på gaten till MOS-kondensatorer och kraft- MOSFETar. För att studera de rena egenskaperna hos SiC/SiO2-gränssnittet har två spänningsmetoder, en strömpulsstress och ett uppåtriktat gate-spänningssvep, applicerats på 4H-SiC- kondensatorer med nitriderade termiska oxider vid rumstemperatur och vid högre temperaturer. Återställning av VFB undersöktes. VFB kan återställas vid rumstemperatur med ett nedåtriktat gate-spänningssvep medan en återställning inte behövs vid högre temperaturer. Den maximala spänningen (initialspänningem) och svephastigheten för det nedåtriktade svepet undersöktes och högre initialspänningar och lägre svephastigheter visade sig leda till bättre VFB-återställning. En 200 millisekund lång strömpuls-stress implementerades och den hade nästan samma effekter som ett uppåtriktat spänningssvep

I produktutvecklingen förlitar man sig ofta på processer för att driva igenom lyckade projekt, inte minst i företag av större karaktär. En traditionell process som än idag är dominerande i många stora företag är Stage-Gate. Processen är av linjär karaktär och anses vara väldigt effektiv. En uppkommande process med syfte att främja kreativitet är Design Thinking. Processen är iterativ och sätter användaren i fokus. Syftet med detta kandidatexamensarbete är att undersöka hur man i produktutvecklingen hos större etablerade företag kombinerar de två olika processerna Design Thinking och Stage-Gate. Arbetet undersöker kombinationen av en mer iterativ process som Design Thinking och en linjär och mer traditionell Stage-Gate-process och tar reda i vilken mån dessa processer används samt när och varför de används. Arbetet ska också undersöka ifall det finns någon pågående utveckling av processer och i så fall vad en sådan utveckling baseras på. Rapporten grundar sig i en litteraturstudie för att skapa en förståelse om nuvarande kunskapsläge samt undersöka olika synsätt i ämnet. Arbetet bygger också på en empirisk studie av två stora företag i form av semistrukturerade intervjuer. Respondenterna på företagen arbetar aktivt med produktutvecklingsarbete och besitter kunskap om båda processerna Design Thinking och Stage-Gate. Informationen som genererats har sedan tolkats, analyserats samt diskuterats. Slutsatserna som kan dras från undersökningen är att i stora företag används till störst del en Stage-Gatead process då det är viktigt med en tydlig struktur i stora företag. Design Thinking används mest som ett komplement och i situationer då problemet inte är väldefinierat. Utveckling av befintliga processer sker löpande men då handlar det främst om finjustering, att helt byta process är inget som är relevant. / In product development, companies often rely on processes to achieve successful projects, not least in companies of a larger size. A traditional process that is still dominant in many large companies today is Stage-Gate. The process is linear and is considered to be very effective. An emerging process with the goal to encourage creativity is Design Thinking. The process is iterative and puts the user in focus. The purpose of this bachelor's thesis is to investigate how the product development of larger, more established companies combines the two processes Design Thinking and Stage-Gate. The thesis examines the combination of a more iterative process such as Design Thinking and a linear and more traditional Stage-Gate process and analyzes to what extent these processes are used as well as when and why. The report will also investigate if there is any ongoing development of processes and, if so, what such a development is based on. The report is grounded on a literature study to create an understanding of the current state of knowledge and to explore different perspectives within the subject. The thesis is also based on an empirical study of two large companies where semi-structured interviews are used. The respondents at the companies work with product development and have knowledge of both the Design Thinking and Stage-Gate processes. The information generated has then been interpreted, analyzed and discussed. The conclusions that can be drawn from the study are that in large companies a Stage-Gated process is used to a large extent, since it is important to have a clear structure in large companies. Design Thinking is mostly used as a complement and in situations where the problem is not well defined. Development of existing processes is ongoing, but is mainly about fine-tuning, to completely change the process is not relevant.

The Frequency Disturbance Recorder (FDR) is a specialized data acquisition device designed to monitor fluctuations in the overall power system. The device is designed such that it can be attached by way of a standard wall power outlet to the power system. These devices then transmit their calculated frequency data through the public internet to a centralized data management and storage server. By distributing a number of these identical systems throughout the three major North American power systems, Virginia Tech has created a Frequency Monitoring Network (FNET). The FNET is composed of these distributed FDRs as well as an Information Management Server (IMS). Since frequency information can be used in many areas of power system analysis, operation and control, there are a great number of end uses for the information provided by the FNET system. The data provides researchers and other users with the information to make frequency analyses and comparisons for the overall power system. Prior to the end of 2004, the FNET system was made a reality, and a number of FDRs were placed strategically throughout the United States. The purpose of this thesis is to present the elements of a new generation of FDR hardware design. These elements will enable the design to be more flexible and to lower reliance on some vendor specific components. Additionally, these enhancements will offload most of the computational processing required of the system to a commodity PC rather than an embedded system solution that is costly in both development time and financial cost. These goals will be accomplished by using a Field Programmable Gate Array (FPGA), a commodity off-the-shelf personal computer, and a new overall system design. / Master of Science

This work investigates the voltage scaling feasibility of several low voltage SiC MOSFET modules operated as a single series-connected switch using active gate control. Both multilevel and two-level topologies are capable of achieving higher blocking voltages in high-power converter applications. Compared to multilevel topologies, two-level switching topologies are of interest due to less complex circuitry, higher density, and simpler control techniques. In this work, to balance the voltage between series-connected MOSFETs, device turn-off speeds are dynamically controlled on active gate-drivers using active gate control. The implementation of the active gate control technique (specifically, turn-off dv/dt control) is described in this thesis. Experimental results of the voltage balancing behavior across eight 1.7 kV rated SiC MOSFET devices in series (6 kV total dc bus voltage) with the selected active dv/dt control scheme are demonstrated. Finally, the voltage balancing performance and switching behavior of series-connected SiC MOSFET devices are discussed. / Master of Science / According to ABB, 40% of the world's power demand is supplied by electrical energy. Specifically, in 2018, the world's electrical demand has grown by 4% since 2010. The growing need for electric energy makes it increasingly essential for systems that can efficiently and reliably convert and control energy levels for various end applications, such as electric motors, electric vehicles, data centers, and renewable energy systems. Power electronics are systems by which electrical energy is converted to different levels of power (voltage and current) depending on the end application. The use of power electronics systems is critical for controlling the flow of electrical energy in all applications of electric energy generation, transmission, and distribution. Advances in power electronics technologies, such as new control techniques and manufacturability of power semiconductor devices, are enabling improvements to the overall performance of electrical energy conversion systems. Power semiconductor devices, which are used as switches or rectifiers in various power electronic converters, are a critical building block of power electronic systems. In order to enable higher output power capability for converter systems, power semiconductor switches are required to sustain higher levels of voltage and current. Wide bandgap semiconductor devices are a particular new category of power semiconductors that have superior material properties compared to traditional devices such as Silicon (Si) Insulated-Gate Bipolar Junction Transistors (IGBTs). In particular, wide bandgap devices such as Silicon Carbide (SiC) Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) have better ruggedness and thermal capabilities. These properties provide wide bandgap semiconductor devices to operate at higher temperatures and switching frequencies, which is beneficial for maximizing the overall efficiency and volume of power electronic converters. This work investigates a method of scaling up voltage in particular for medium-voltage power conversion, which can be applied for a variety of application areas. SiC MOSFET devices are becoming more attractive for utilization in medium-voltage high-power converter systems due to the need to further improve the efficiency and density of these systems. Rather than using individual high voltage rated semiconductor devices, this thesis demonstrates the effectiveness of using several low voltage rated semiconductor devices connected in series in order to operate them as a single switch. Using low voltage devices as a single series-connected switch rather than a using single high voltage switch can lead to achieving a lower total on-state resistance, expectedly maximizing the overall efficiency of converter systems for which the series-connected semiconductor switches would be applied. In particular, this thesis focuses on the implementation of a newer approach of compensating for the natural unbalance in voltage between series-connected devices. An active gate control method is used for monitoring and regulating the switching speed of several devices operated in series in this work. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of this method in order to achieve up to 6 kV total dc bus voltage using eight series-connected SiC MOSFET devices.