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Moore's Law influences more than just the speed of the latest microprocessor. The law drives many facets of the semiconductor realm. As Moore's Law continues to prevail, switching frequencies for electronics will rise. These increased switching frequencies will cause transient losses to be augmented, especially for power electronics. However, there has been a lack of work on how to improve the most simple semiconductor power device, the PiN diode. Therefore, considerable effort has been made to reduce switching losses in modern power semiconductor devices. Power diodes are used as a building block for almost all power electronics, especially boost converters for power factor correction. The re5earch presented in this thesis demonstrates that switching losses will be reduced when a power diode is replaced by two lower voltage diodes arranged in series. One such company, Q-speed, is already implementing such a technique [l]. The company is using two fast recovery diodes on one integrated circuit. Q-speed's results were comparable to more expensive methods to reduce switching losses such as the use of exotic materials like silicon-carbide. There have been many models to date for the PiN diode, but no research ha5 been published about this innovative idea. Research gathered in this thesis from extensive TCAD simulations and experiments will enlighten the power semiconductor field to this interesting approach.

As switching speeds for DC-DC converter applications keep becoming faster and faster and voltage requirements become smaller and smaller, the need for new device structures becomes more prevalent. Designers of these new structures will need to make sure they take into consideration the different power losses associated with the different structures and make modifications to reduce or if possible eliminate them. A new 30V LDMOS device has been created and is being implemented into a synchronous buck converter for future DC-DC conversions. This new lateral device has a Figure of Merit of 80mÙ*nC, representing a 50% reduction from the conventional trench MOSFET. The only draw back with this new device is that the body diode power loss has increased significantly. There are two principal goals of this research. The first is to reduce the body diode reverse recovery characteristics of a 30V LDMOS transistor without employing an additional Schottky diode, increasing the Figure of Merit, or decreasing the breakdown voltage past 30 volts. The second is to achieve 75% reduction in reverse recovery charge (Qrr) through each solution. Four solutions will be presented in this study and have been verified through extensive ISE-TCAD device and circuit simulation.

Předkládaná práce se zabývá parametrem “Reverse Recovery Time“ u polovodičových prvků a jeho vlivem na typické spínací obvody. V první části práce je objasněno co je “Reverse Recovery Time“ a jeho jednotlivé části. V další sekci je popsána jeho fyzikální podstata. Na konci teoretická části je rozebrán jeho efekt na spínací ztráty a doporučená metoda měření tohto parametru . Praktická část práce je zaměřena na simulace Dpdr45nres45 v prostředích Cadence a TCAD. Poslední část se zabývá návrhem obvodu na měření u reálných diod a samotným měřením diod a tranzistorů.

This dissertation presents the derivation, analysis and application issues of advanced topologies with coupled inductors. The proposed innovative solutions can achieve significant performance improvement compared to the state-of-the-art technology. New applications call for high-efficiency high step-up DC-DC converters. The basic topologies suffer from extreme duty ratios and severe rectifier reverse recovery. Utilizing coupled inductor is a simple solution to avoid extreme duty ratios, but the leakage inductance associated with the coupled inductor induces severe voltage stress and loss. An innovative solution is proposed featuring with efficient leakage energy recovery and alleviated rectifier reverse recovery. Impressive efficiency improvement is achieved with a simple topology structure. The coupled inductor switching cell is identified. Topology variations and evaluations are also addressed. The concept that utilizes coupled inductors to alleviate rectifier reverse recovery is then extended, and new topologies suitable for other applications are generated. The proposed concept is demonstrated to solve the severe rectifier reverse recovery that occurs in continuous current mode (CCM) boost converters. Significant profile reduction and power density improvement can be achieved in front-end CCM power factor correction (PFC) boost converters, which are the overwhelmingly choice for use in telecommunications and server applications. This dissertation also proposes topologies to realize the single-stage parallel PFC by utilizing coupled inductors. Compared to the state-of-the-art single-stage PFC converters, the proposed topologies introduce a new power flow pattern that minimizes the bulk-capacitor voltage stress and the switch current stress. / Ph. D.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit DC/DC-Wandlern zur Einbindung von Doppelschichtkondensatoren in das Fahrzeugenergiebordnetz. Zunächst werden die Anforderungen an derartige DC/DC-Wandler anhand dreier entsprechender Beispielanwendungen zusammengestellt und verglichen. Für die Anwendung zur Entkopplung transienter Hochleistungsverbraucher, wie beispielsweise eine elektrische Lenkung, wird ein DC/DC-Wandler-Konzept entwickelt. Es findet ein Vergleich von drei geeigneten Topologien mittels einer hierfür erarbeiteten Methode statt, mit dem Ziel die beste Lösung für den betrachteten Anwendungsfall zu ermitteln. Um adäquate Kritierien für die Wahl der Schaltfrequenz und der Induktivitäten von Speicherdrosseln aufzustellen, erfolgt eine Untersuchung des Einflusses des Drosselstromwechselanteils auf das Schaltverhalten der MOSFETs sowie auf bestimmte Bereiche der EMV-Störemissionen. Als Methoden zur Optimierung des Synchrongleichrichterbetriebs werden das Parallelschalten von Schottky-Dioden und Synchrongleichrichtern sowie die Variation der Ausschalttotzeiten von Synchrongleichrichtern untersucht. Weiterhin wird unter Berücksichtigung der Besonderheiten der Anwendung und Topologie ein Konzept für die Regelung des Wandlers entwickelt. Abschließend findet eine Vorstellung ausgewählter Aspekte zur Umsetzung des DC/DC-Wandler-Konzepts sowie der Ergebnisse experimenteller Untersuchungen statt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit DC/DC-Wandlern zur Einbindung von Doppelschichtkondensatoren in das Fahrzeugenergiebordnetz. Zunächst werden die Anforderungen an derartige DC/DC-Wandler anhand dreier entsprechender Beispielanwendungen zusammengestellt und verglichen. Für die Anwendung zur Entkopplung transienter Hochleistungsverbraucher, wie beispielsweise eine elektrische Lenkung, wird ein DC/DC-Wandler-Konzept entwickelt. Es findet ein Vergleich von drei geeigneten Topologien mittels einer hierfür erarbeiteten Methode statt, mit dem Ziel die beste Lösung für den betrachteten Anwendungsfall zu ermitteln. Um adäquate Kritierien für die Wahl der Schaltfrequenz und der Induktivitäten von Speicherdrosseln aufzustellen, erfolgt eine Untersuchung des Einflusses des Drosselstromwechselanteils auf das Schaltverhalten der MOSFETs sowie auf bestimmte Bereiche der EMV-Störemissionen. Als Methoden zur Optimierung des Synchrongleichrichterbetriebs werden das Parallelschalten von Schottky-Dioden und Synchrongleichrichtern sowie die Variation der Ausschalttotzeiten von Synchrongleichrichtern untersucht. Weiterhin wird unter Berücksichtigung der Besonderheiten der Anwendung und Topologie ein Konzept für die Regelung des Wandlers entwickelt. Abschließend findet eine Vorstellung ausgewählter Aspekte zur Umsetzung des DC/DC-Wandler-Konzepts sowie der Ergebnisse experimenteller Untersuchungen statt.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem besonders kritischen Ausschaltvorgang bipolarer Leistungsdioden, bei dem das im Durchlass vorhandene Ladungsträgerplasma abgebaut wird. Schwerpunkt ist dabei die Untersuchung von zwei ungewollten Phänomenen, die während des Ausschaltens auftreten können. Diese sind ein plötzliches Abreißen des Rückstroms während der Kommutierung und eine Zerstörung der Diode mit einem lokalen Aufschmelzen in der aktiven Fläche. Betrachtet wird dazu der Ladungsträgerberg, der sich während des Schaltvorgangs bildet. Durch die Analyse des Verhaltens der Ladungsträgerbergfronten, lässt sich sowohl der Einfluss von Schaltbedingungen auf den Plasmaabbau als auch der Unterschied von anodenseitigen und kathodenseitigen Stromfilamenten erklären. Die Erkenntnisse werden auf das moderne Diodenkonzept CIBH (Controlled Injection of Backside Holes) angewandt. Das Potential von CIBH-Dioden zur Verbesserung der Höhenstrahlfestigkeit und Stoßstromfestigkeit wird aufgezeigt. Schließlich wird das neue Anodenemitterkonzept IDEE (Inverse Injection Dependency of Emitter Efficiency) vorgestellt, welches in Kombination mit CIBH die Gesamteigenschaften von Dioden maßgeblich verbessert. Die aktuelle Version Dissertation_Roman_Baburske_2011_11_21.pdf ist um einige Tippfehler bereinigt. / This work concerns the reverse-recovery process of bipolar power diodes. The focus is the investigation of two undesirable phenomena. These are the sudden strong reverse-current decay and the destruction of the diode with a local melting of the chip in the active area. The plasma layer, which arises during the switching period, is considered. An analysis of the plasma-layer front dynamics allows an understanding of the influence of switching parameters on the plasma extraction and the different behavior of anode-side and cathode-side filaments. The results of the analysis are used to describe the operation of the modern diode concept CIBH (Controlled Injection of Backside Holes). The potential of CIBH diodes to improve cosmic-ray stability and surge-current ruggedness is investigated. Finally, a new anode-emitter concept called IDEE (Inverse Injection Dependency of Emitter Efficiency) is introduced, which improves in combination with CIBH the overall performance of a power diode.

In this thesis new circuit solutions of universal precision rectifiers with current active elements are proposed. Based on the knowledge of current active elements, universal precision rectifiers and adverse impacts on these circuits new circuit solutions are proposed. These circuits are then simulated and compared with the known circuits of precision rectifiers. In concusion two original circuits and two proposed circuit solutions based on original ones are implemented, their properties are experimentally measured and their function are verified. The main active element in the original circuit are the OPA or THS, the proposed circuits are used the OPA and THS and the universal current conveyor, which offers a wide range of application use and realization of different variations of active current elements.

This thesis project focuses on the simulation, design, hardware realization, and performance evaluation of a Three-phase Three-level (3-L) Sparse Neutral Point Clamped Converter (SNPCC) for Industrial Variable Speed Drives (VSDs). The basic operating principle of the SNPCC is briefly described based on switching functions. Accordingly, the modulation strategies as a combination of switching sequences are introduced. Three representative strategies are selected to be verified in this project. Afterward, active and passive components are selected based on analytical analysis mainly focusing on semiconductors losses, AC-side differential mode and common mode stresses. Meantime, the analytical analysis enables a straightforward performance comparison among the selected modulation strategies. Additionally, the reverse recovery process in the anti-parallel diode is identified, of which the energy losses are calculated. A calorimetric method is adopted in this project, which allows accurate temperature rise monitoring and provides a reliable way to measure the power losses generated by semiconductors. Eventually, an 800V 7.5kW prototype is constructed and put under test. The performance of the designed SNPCC is therefore evaluated and compared from losses and AC-side flux-linkage ripples perspectives, with the promising features highlighted and limits indicated. / Projektet fokuserar på simulering, konstruktion, hårdvarutillverkning och utvärdering av en trefas tre-nivå (3-L) Sparse Neutral Point Clamped Converter (SNPCC) för industriella varvtalsstyrda motordrifter (VSD). SNPCC:s grundläggandefunktionsprincip beskrivs kortfattat utifrån så kallade switchningsfunktioner. Därefter introduceras moduleringsstrategierna som en kombination av switchningssekvenser. Tre representativa strategier har valts ut för att verifieras i detta projekt. Därefter väljs aktiva och passiva komponenter på grundval av en analys som främst fokuserar på halvledarförluster och ledningsbundna störningar på växelsströmssidan. Analysen gör det möjligt att göra en enkel jämförelse av prestanda mellan de valda moduleringsstrategierna. Dessutom identifieras body-diodens återhämtningsprocess och energiförlusterna beräknas. I detta projekt används en kalorimetrisk förlustberäkning, som möjliggör noggrann övervakning av temperaturökningen och ger ett tillförlitligt sätt att mäta energiförlusterna i effekthalvledarna. Slutligen konstrueras och testas en 800V 7.5kW-prototyp. Prestandan hos den konstruerade SNPCC:n utvärderas med hänseende till förluster och flödesrippel på växelströmssidan. Fördelarna för den föreslagna tekniken lyfts fram och begränsningarna anges.