In this thesis, various issues regarding normally-ON silicon carbide (SiC)Junction Field-Effect Transistors (JFETs) are treated. Silicon carbide powersemiconductor devices are able to operate at higher switching frequencies,higher efficiencies, and higher temperatures compared to silicon counterparts.From a system perspective, these three advantages of silicon carbide can determinethe three possible design directions: high efficiency, high switchingfrequency, and high temperature.The structure designs of the commercially-available SiC power transistorsalong with a variety of macroscopic characteristics are presented. Apart fromthe common design and performance problems, each of these devices suffersfrom different issues and challenges which must be dealt with in order to pavethe way for mass production. Moreover, the expected characteristics of thefuture silicon carbide devices are briefly discussed. The presented investigationreveals that, from the system point-of-view, the normally-ON JFET isone of the most challenging silicon carbide devices. There are basically twoJFET designs which were proposed during the last years and they are bothconsidered.The state-of-the-art gate driver for normally-ON SiC JFETs, which wasproposed a few years ago is briefly described. Using this gate driver, theswitching performance of both Junction Field-Effect Transistor designs wasexperimentally investigated.Considering the current development state of the available normally-ONSiC JFETs, the only way to reach higher current rating is to parallel-connecteither single-chip discrete devices or to build multichip modules. Four deviceparameters as well as the stray inductances of the circuit layout might affectthe feasibility of parallel connection. The static and dynamic performance ofvarious combinations of parallel-connected normally-ON JFETs were experimentallyinvestigated using two different gate-driver configurations.A self-powered gate driver for normally-ON SiC JFETs, which is basicallya circuit solution to the “normally-ON problem” is also shown. This gatedriver is both able to turn OFF the shoot-through current during the startupprocess, while it also supplies the steady-state power to the gate-drivecircuit. From experiments, it has been shown that in a half-bridge converterconsisting of normally-ON SiC JFETs, the shoot-through current is turnedOFF within approximately 20 μs.Last but not least, the potential benefits of employing normally-ON SiCJFETs in future power electronics applications is also presented. In particular,it has been shown that using normally-ON JFETs efficiencies equal 99.8% and99.6% might be achieved for a 350 MW modular multilevel converter and a40 kVA three-phase two-level voltage source converter, respectively.Conclusions and suggestions for future work are given in the last chapterof this thesis. / I denna avhandling behandlas olika aspekter av normally–ON junction–field–effect–transistorer (JFETar) baserade på kiselkarbid (SiC). Effekthalvledarkomponenteri SiC kan arbeta vid högre switchfrekvens, högre verkningsgradoch högre temperatur än motsvarigheterna i kisel. Ur ett systemperspektivkan de tre nämnda fördelarna användas i omvandlarkonstruktionen för attuppnå antingen hög verkningsgrad, hög switchfrekvens eller hög temperaturtålighet.Såväl halvledarstrukturen som de makroskopiska egenskaperna för kommersiellttillgängliga SiC–transistorer presenteras. Bortsett från de vanligakonstruktions–och prestandaproblemen lider de olika komponenterna av ettantal tillkortakommanden som måste övervinnas för att bana väg för massproduktion.Även framtida SiC–komponenter diskuteras.Ur ett systemperspektiv är normally-ON JFETen en av de mest utmanandeSiC-komponenterna. De två varianter av denna komponent som varittillgängliga de senaste åren har båda avhandlats.State–of–the–art–drivdonet för normally-ON JFETar som presenteradesför några år sedan beskrivs i korthet. Med detta drivdon undersöks switchegenskapernaför båda JFET-typerna experimentellt.Vid beaktande av det aktuella utvecklingsstadiet av de tillgängliga normally–ON JFETarna i SiC, är det möjligt att uppnå höga märkströmmar endastom ett antal single–chip–komponenter parallellkopplas eller om multichipmodulerbyggs. Fyra komponentparametrar samt strö-induktanser för kretsenkan förutses påverka parallellkopplingen. De statiska och dynamiska egenskapernaför olika kombinationer av parallellkopplade normally-ON JFETarundersöks experimentellt med två olika gate–drivdonskonfigurationer.Ett självdrivande gate-drivdon för normally-ON JFETar presenteras också.Drivdonet är en kretslösning till “normally–ON–problemet”. Detta gatedrivdonkan både stänga av kortslutningsströmmen vid uppstart och tillhandahållaströmförsörjning vid normal drift. Med hjälp av en halvbrygga medkiselkarbidbaserade normally–ON JFETar har det visats att kortslutningsströmmenkan stängas av inom cirka 20 μs.Sist, men inte minst, presenteras de potentiella fördelarna med användningenav SiC-baserade normally-ON JFETar i framtida effektelektroniskatillämpningar. Speciellt visas att verkningsgrader av 99.8% respektive 99.5%kan uppnås i fallet av en 350 MW modular multilevel converter och i en40 kVA tvånivåväxelriktare. Sista kaplitet beskriver slutsatser och föreslagetframtida arbete. / <p>QC 20130527</p>

Silicon Carbide (SiC) is a wide-bandgap (WBG) semiconductor materialwhich has several advantages such as higher maximum electric field, lowerON-state resistance, higher switching speeds, and higher maximum allowablejunction operation temperature compared to Silicon (Si). In the 1.2 kV - 1.7kV voltage range, power devices in SiC are foreseen to replace Si Insulatedgatebipolar transistors (IGBTs) for applications targeting high efficiency,high operation temperatures and/or volume reductions. In particular, theSiC Metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) – which isvoltage controlled and normally-OFF – is the device of choice due to the easeof its implementation in designs using Si IGBTs.In this work the reliability of SiC devices, in particular that of the SiCMOSFET, has been investigated. First, the possibility of paralleling two discreteSiC MOSFETs is investigated and validated through static and dynamictests. Parallel-connection was found to be unproblematic. Secondly, drifts ofthe threshold voltage and forward voltage of the body diode of the SiC MOSFETare investigated through long-term tests. Also these reliability aspectswere found to be unproblematic. Thirdly, the impact of the package on thechip reliability is discussed through a modeling of the parasitic inductancesof a standard module and the impact of those inductances on the gate oxide.The model shows imbalances in stray inductances and parasitic elementsthat are problematic for high-speed switching. A long-term test on the impactof humidity on junction terminations of SiC MOSFETs dies and SiCSchottky dies encapsulated in the same standard package reveals early degradationfor some modules situated outdoors. Then, the short-circuit behaviorof three different types (bipolar junction transistor, junction field-effect transistor,and MOSFET) of 1.2 kV SiC switching devices is investigated throughexperiments and simulations. The necessity to turn OFF the device quicklyduring a fault is supported with a detailed electro-thermal analysis for eachdevice. Design guidelines towards a rugged and fast short-circuit protectionare derived. For each device, a short-circuit protection driver was designed,built and validated experimentally. The possibility of designing diode-lessconverters with SiC MOSFETs is investigated with focus on surge currenttests through the body diode. The discovered fault mechanism is the triggeringof the npn parasitic bipolar transistor. Finally, a life-cycle cost analysis(LCCA) has been performed revealing that the introduction of SiC MOSFETsin already existing IGBT designs is economically interesting. In fact,the initial investment is saved later on due to a higher efficiency. Moreover,the reliability is improved, which is beneficial from a risk-management pointof-view. The total investment over 20 years is approximately 30 % lower fora converter with SiC MOSFETs although the initial converter cost is 30 %higher. / Kiselkarbid (SiC) är ett bredbandgapsmaterial (WBG) som har flera fördelar,såsom högre maximal elektrisk fältstyrka, lägre ON-state resitans, högreswitch-hastighet och högre maximalt tillåten arbetstemperatur jämförtmed kisel (Si). I spänningsområdet 1,2-1,7 kV förutses att effekthalvledarkomponenteri SiC kommer att ersätta Si Insulated-gate bipolar transistorer(IGBT:er) i tillämpningar där hög verkningsgrad, hög arbetstemperatur ellervolymreduktioner eftersträvas. Förstahandsvalet är en SiC Metal-oxidesemiconductor field-effect transistor (MOSFET) som är spänningsstyrd ochnormally-OFF, egenskaper som möjliggör enkel implementering i konstruktionersom använder Si IGBTer.I detta arbete undersöks tillförlitligheten av SiC komponenter, specielltSiC MOSFET:en. Först undersöks möjligheten att parallellkoppla tvådiskretaSiC MOSFET:ar genom statiska och dynamiska prov. Parallellkopplingbefanns vara oproblematisk. Sedan undersöks drift av tröskelspänning ochbody-diodens framspänning genom långtidsprov. Ocksådessa tillförlitlighetsaspekterbefanns vara oproblematiska. Därefter undersöks kapslingens inverkanpåchip:et genom modellering av parasitiska induktanser hos en standardmoduloch inverkan av dessa induktanser pågate-oxiden. Modellen påvisaren obalans mellan de parasitiska induktanserna, något som kan varaproblematiskt för snabb switchning. Ett långtidstest av inverkan från fuktpåkant-termineringar för SiC-MOSFET:ar och SiC-Schottky-dioder i sammastandardmodul avslöjar tidiga tecken pådegradering för vissa moduler somvarit utomhus. Därefter undersöks kortslutningsbeteende för tre typer (bipolärtransistor,junction-field-effect transistor och MOSFET) av 1.2 kV effekthalvledarswitchargenom experiment och simuleringar. Behovet att stänga avkomponenten snabbt stöds av detaljerade elektrotermiska simuleringar för allatre komponenter. Konstruktionsriktlinjer för ett robust och snabbt kortslutningsskyddtas fram. För var och en av komponenterna byggs en drivkrets medkortslutningsskydd som valideras experimentellt. Möjligheten att konstrueradiodlösa omvandlare med SiC MOSFET:ar undersöks med fokus påstötströmmargenom body-dioden. Den upptäckta felmekanismen är ett oönskat tillslagav den parasitiska npn-transistorn. Slutligen utförs en livscykelanalys(LCCA) som avslöjar att introduktionen av SiC MOSFET:ar i existerandeIGBT-konstruktioner är ekonomiskt intressant. Den initiala investeringensparas in senare pågrund av en högre verkningsgrad. Dessutom förbättrastillförlitligheten, vilket är fördelaktigt ur ett riskhanteringsperspektiv. Dentotala investeringen över 20 år är ungefär 30 % lägre för en omvandlare medSiC MOSFET:ar även om initialkostnaden är 30 % högre. / <p>QC 20170524</p>