This thesis presents an energy monitoring system to measure energy consumption of software applications to support security and power management for embedded devices. The proposed system is composed of an Actel Fusion device and a custom designed energy measurement circuit. The Fusion device measures the voltage and the current of the target device at a defined sampling rate. The energy measurement circuit is designed as a current integrator over fixed intervals using the switched-capacitor integrator technique to store energy information of the target device within Fusion’s sampling intervals. This circuit is designed to accommodate the low sampling rate of the Fusion device. Experimental results showed that the Fusion device allows the measurement of the energy of the target device at a minimum rate of 15 µs. The energy measurement circuit is implemented using the 65 nm CMOS technology. Simulation results showed that this circuit provides 91%~97% average energy measurement accuracy.

SiC in Space is one of the experiments on KTH’s miniature satellite, MIST. The experiment carries out tests on bipolar junction transistors of silicon and silicon carbide. This thesis describes how the characteristics of a transistor can be measured using analog circuits. The presented circuit design will work as a prototype for the SiC in Space experiment. The prototype measures the base current, the collector current, the base-emitter voltage as well as the temperature of the transistor. This thesis describes how a test circuit may be designed. The selected design has been constructed in incremental steps, with each design choice explained. Different designs have been developed. The designs have been verified with simulations. We have also constructed and tested three different prototypes on breadboards and printed circuit boards. / SiC in Space är ett av experimenten på KTHs miniatyrsatellit, MIST. Experimentet utför test på bipolära transistorer av kisel och kiselkarbid. Detta examensarbete förklarar hur transistorns karakteristik kan mätas med analoga kretsar. Den framtagna kretsdesignen kommer att fungera som en prototyp till SiC in Space-experimentet. Prototypen mäter basströmmen, kollektorströmmen, bas-emitter-spänningen samt temperaturen för transistorn. Detta examensarbete förklarar hur en testkrets kan designas. Den valda designen byggs i inkrementella steg, där varje designval förklaras. Olika designer har utvecklats. Designerna har verifierats genom simuleringar. Vi har också konstruerat och testat tre olika prototyper på kopplingsdäck och kretskort.

The Silicon Carbide Bipolar Transistor is a device that is barely brought into real application so far. It features very low conduction losses and a high power density. The application is in some points different and unusual in comparison to the mainstream power semiconductors as IGBTs or MOSFETs. The Silicon Carbide Bipolar Transistor, the SiC-BJT, is a current driven device and the effort in driving is uncommonly high. As an outcome of the present work it can be said that it is more like a shift of requirements from the power semiconductor power unit to the driver stage. With consideration of all system losses, including driving losses, the final unoptimized COSIVU prototype inverter system gained an increase of efficiency of 40-60% in comparison to the IGBT-based reference system dependent on the applied load points. In terms of reliability and possible failure modes, the SiC-BJT behaves differently from the mainstream devices. One result of the project is that the chips itself are quite robust but the packaging needs some improvements. Thermal impedance spectroscopy is a method for detecting possible deterioration in the cooling path of a device. A method for temperature estimation of the SiC-BJT during on-state will be presented in this work. The electronic hardware for thermal impedance spectroscopy has been developed to do the measurements in a non-laboratory setup in the inverter in real application. Furthermore, the hardware implementation was realized on a very small space for integration into an in-wheel motor inverter system. / Der Siliciumkarbid Bipolartransistor ist ein leistungselektronisches Bauelement, was bis heute kaum über Labor- und Forschungsprojekte hinaus anwendungsnah zum Einsatz kam. Er verfügt über sehr geringe Durchlassverluste und eine hohe Leistungsdichte. Seine Verwendung und Anwendung ist in mancher Hinsicht anders und unüblich im Vergleich zu den etablierten leistungselektronischen Bauelementen wie IGBT und MOSFET. Der Siliciumkarbid Bipolartransistor, also der SiC-BJT, ist ein stromgesteuertes Bauteil, weswegen der Aufwand für die Treiber sehr hoch ist. Die praktische Arbeit im Rahmen des Forschungsprojektes „COSIVU“ mit den SiC-BJTs in Verbindung mit dem fertigen integrierten Invertersystem hat unter anderem gezeigt, dass es mehr eine Verschiebung der Anforderungen von der Leistungselektronik hin zu den Treibern für die Leistungselektronik ist. Unter Betrachtung der Verluste des gesamten Systems, einschließlich der Motor-, Treiber- und Steuerverluste, hat das fertige Prototyp-Invertersystem, welches durchaus noch Potential zur Optimierung besaß, eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht. Gegenüber dem auf IGBT basierenden Referenz-Invertersystem, hat das COSIVU Invertersystem eine Verbesserung des Wirkungsgrades um 40-60 % erreicht. Eine Erkenntnis aus dem Forschungsprojekt in Bezug auf Zuverlässigkeit und mögliche Fehler und Defekte ist, dass der Chip selbst zwar ziemlich robust ist, aber dass die Gehäuse-, Aufbau- und Verbindungstechnik angepasst und verbessert werden sollte. Thermische Impedanzspektroskopie ist eine Methode um Verschlechterungen im Kühlpfad eines leistungselektronischen Halbleiters zu erkennen, was ein Kriterium für die Alterung des Bauteils ist. Eine Methode zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur von SiC-BJTs während des normalen Durchlassbetriebes wird in dieser Arbeit vorgestellt. Die Platine für die thermische Impedanzspektroskopie wurde entwickelt, um die Messung in einem laborfernen Aufbau in einer echten Inverteranwendung durchzuführen. Zudem wurden die Platinenaufbauten auf sehr kleiner Fläche realisiert. Die Integration musste nämlich sehr kompakt gestaltet werden, da es sich um ein „in-wheel“ Motor-Inverter-System handelt, was zum größten Teil innerhalb eines Fahrzeugrades untergebracht ist.