Thesis (M.S.)--West Virginia University, 2008. / Title from document title page. Document formatted into pages; contains xi, 108 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references (p. 85-93).

Thesis (M.S.)--Mississippi State University. Department of Electrical and Computer Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph.D)--Physics, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Co-Chair: Conrad, Edward; Committee Co-Chair: First, Phillip; Committee Member: Carter, Brent; Committee Member: de Heer, Walter; Committee Member: Zangwill, Andrew. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2006. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 181-188).

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργική συμπεριφορά ημιαγωγικών στοιχείων από καρβίδιο πυριτίου (SiC). Συγκεκριμένα, σε μια πρώτη φάση πραγματοποιείται διεξοδική βιβλιογραφική μελέτη των άρθρων που σχετίζονται με το ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος SiC JFET και ειδικότερα η διερεύνηση των ιδιοτήτων του εκείνων που το καθιστούν ανώτερο σε σχέση με άλλα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος από πυρίτιο (Si) ή από SiC, για διακοπτικές εφαρμογές μεγάλης ισχύος και θερμοκρασιών, σύμφωνα με τις τρέχουσες τεχνολογικές εξελίξεις. Σε μια δεύτερη φάση, η διπλωματική εργασία αυτή πραγματεύεται την κατασκευή δύο μετατροπέων ανύψωσης τάσης τύπου boost: ο ένας κατασκευάζεται για βέλτιστη λειτουργία με συμβατικά ημιαγωγικά στοιχεία από πυρίτιο (Si MOSFET και Si pn δίοδος), ενώ ο δεύτερος είναι πανομοιότυπος με τον πρώτο με την ουσιαστική διαφορά ότι τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται είναι από καρβίδιο πυριτίου. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται ένα SiC JFET και μία SiC δίοδος Schottky. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αρχικά γίνεται μια μικρή εισαγωγή στις ιδιότητες του SiC ως υλικού προς χρήση για κατασκευή ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και συγκρίνεται με το Si. Επίσης εξάγονται οι λόγοι εκείνοι που, σύμφωνα με τη βιβλιογραφική μελέτη, καθιστούν το JFET ισχύος ως το καταλληλότερο για να κατασκευαστεί από SiC. Στη συνέχεια γίνεται εμβάθυνση στη λειτουργική συμπεριφορά του SiC JFET, δηλαδή μελετώνται τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την αγωγή, την αποκοπή και τη μεταβατική του λειτουργία, όπως και η σημασία άλλων ιδιαιτεροτήτων της δομής του που επιδρούν σε αυτήν. Ακολούθως, αποτυπώνονται και μελετώνται 3 βασικές δομές SiC JFET, αναφέρονται τα χαρακτηριστικά τους και επισημαίνονται οι διαφορές τους. Έπειτα, γίνεται αναφορά στην ιδιαιτερότητα των SiC JFET να βρίσκονται σε κατάσταση αγωγής όταν δεν παλμοδοτούνται (normally-on), όπως και στους διακόπτες συνδεσμολογίας σε σειρά (cascode). Στη συνέχεια, καταγράφονται εφαρμογές ισχύος στις οποίες τα SiC JFET βρίσκουν χρήση. Το επόμενο βήμα είναι η κατασκευή των δύο μετατροπέων boost. Πιο συγκεκριμένα τίθενται οι συνθήκες λειτουργίας που καλούνται να εκπληρώσουν, διαστασιολογούνται τα παθητικά στοιχεία τους και σχεδιάζονται τα κυκλώματα ελέγχου και παλμοδότησης της πύλης. Τέλος, γίνονται μετρήσεις στους δύο μετατροπείς και λαμβάνονται αποτελέσματα που αφορούν τις απώλειες και το βαθμό απόδοσης, απ’ τα οποία εξάγονται χαρακτηριστικές καμπύλες για τον κάθε μετατροπέα. / In this diploma thesis, a bibliographical study of the Silicon Carbide (SiC) power JFET's operational behaviour is conducted. The SiC JFET exhibits such operational properties that help to establish it as an advanced power device, in comparison to other Silicon (Si) and SiC power devices. The SiC JFET is a favorable option for high voltage, high power and high temperature switching applications. Once the bibliographical part is conducted, the design and implementation of a 500 W dc/dc boost converter is discussed and analyzed, that employs a SiC VJFET and a SiC Schottky Barrier Diode (SBD. This converter is compared with an identical, more conventional boost converter that uses a Si MOSFET and a Si pn diode, in terms of efficiency and voltage step-up ratio.

Release of metallic fission products from fully intact tri-structural isotropic (TRISO) fuel particles raises serious concern on the safety of high temperature gas-cooled reactors (HTGRs). In TRISO particles, SiC and/or ZrC coating is considered as the major barrier for the migration of the fission products. This thesis focuses on the migration mechanism study of Ag in SiC and Pd in ZrC.The mechanism of the migration of Ag in SiC is a long-lasting mystery. None of the currently existing models could satisfactorily explain the reported experimental facts. In this work, a new mechanism, termed as the “reaction-recrystallization” model, is proposed to explain the Ag migration behavior through SiC. Designed SiC/Ag diffusion couple experiments were carried out, and the results indicate that Ag migrates in SiC by the following three steps. First, Ag reacts with SiC to form an Ag-Si alloy (reaction). Second, carbon precipitates as a second phase and subsequently reacts with the Ag-Si alloy to form new β-SiC (recrystallization). Third, the Ag-Si alloy penetrates through the SiC layer by wetting its grain boundaries (migration). The validity of the proposed model was supported by thermodynamic calculations. (Chapter 3) The finding that SiC could be recrystallized in the presence of Ag inspires the idea of Ag-assisted crack healing in SiC. Cracks were intentionally generated by indenting the bulk SiC by a Vickers indenter. After vacuum annealing with Ag powder, the indent impressions were healed by newly-formed β-SiC grains with a recovery ratio of~ 60%. Median cracks were fully healed by both newly formed SiC and Ag-Si nodules. TEM observation reveals that the newly formed β-SiC layer is presented between the Ag-Si nodule and pristine SiC crack surface and smooths the tortuous crack surface. The above result is in potential to solve the problem of brittleness of SiC as a structural material. (Chapter 4)ZrC is considered as a candidate to replace SiC in TRISO fuel particles. The migration behavior of Pd in ZrC was investigated by designed Pd/ZrC diffusion couple experiments. It is found that ZrC reacts with Pd at temperatures higher than 600 °C to form Pd3Zr and amorphous carbon. The reaction kinetics parameters, i.e., the activation energy and the reaction order, along with the inter-diffusion coefficients of Zr and Pd, were calculated based on established models. These results provide preliminary explanation to the Pd migration in ZrC (Chapter 5).

Le carbure de silicium (SiC) est l'un des matériaux les plus prometteurs pour les dispositifs électroniques de puissance. Même si la modélisation a prouvé sa capacité à assister le développement du procédé de croissance des cristaux de SiC, de nombreux aspects ne sont toujours pas décrits de façon satisfaisante. Cette thèse a pour but d'utiliser les outils de modélisation pour étudier les phénomènes fondamentaux ayant lieu dans la croissance massive du SiC, que ce soit en phase vapeur (PVT) ou en phase liquide (TSSG). Pour la méthode PVT, une attention particulière est portée sur la physico-chimie de l'interface solide-vapeur. Pour simuler la cristallisation stœchiométrique du SiC à partir d'une phase gazeuse non-congruente, phénomène mal décrit par le modèle d'Hertz-Knudsen, nous avons considéré le SiC comme une solution solide en utilisant la modélisation couplée du transfert de masse et de la thermodynamique. Cette approche donne une évaluation de la composition du cristal de SiC qui peut être liée à des paramètres contrôlables. De telles corrélations peuvent servir de base pour contrôler la densité de défauts ponctuels, la stabilité des polytypes et la concentration de dopage. Dans le cas du procédé TSSG, les effets de la vitesse de rotation du cristal et de la fréquence du champ magnétique sont étudiés. La convection électromagnétique est la principale contribution régissant les mouvements de fluide à basse fréquence alors que la convection naturelle et l'effet Marangoni deviennent dominants à haute fréquence. Dans les conditions expérimentales utilisant les basses fréquences, la vitesse de croissance du cristal pourrait encore être accrue en augmentant la vitesse de rotation. Une modélisation analytique, couplée aux calculs de dynamique des fluides a permis de décrire les interactions entre le flux de liquide et la direction de propagation des marches de croissance à la surface du cristal. Un paramètre de phase a été introduit comme critère d'apparition de macromarches, à l'origine d'instabilités morphologiques. / Silicon Carbide (SiC) is one of the most desirable materials for power electronic devices. The development of the growth process, to achieve larger size and higher quality is on the way. Even if modeling has proved its ability to assist the optimization of the growth processes, there are still some strong issues which are not considered in a satisfactory way. This thesis aims to use the modeling tools to tackle those challenging fundamental and technological issues on both industrially used PVT and emerging TSSG processes. In the PVT process, special attention is paid to the physical chemistry at the solid-vapor interfaces. Especially, we investigated the way to model the stoichiometric crystallization of SiC from a non-congruent vapor as the Hertz-Knudsen model was shown to be not adapted. We thus considered SiC as a solid solution using coupled mass transport modeling and thermodynamics. This approach gives an assessment to the chemistry of the SiC crystal which can be linked to the controllable parameters. Such correlations may serve as a basis to control the points defect density, stable polytypes, and doping concentration. Concerning the TSSG process, the effects of crystal rotation speed and operating frequency are studied. The electromagnetic convection is the main contribution governing the growth process using low frequency while the combined buoyancy and Marangoni convections become dominant at high frequency. In the experimental conditions using low frequency, the crystal growth rate could still be enhanced by increasing the rotation speed. The phase parameter is also introduced using the combined fluid dynamics and analytical modeling. This provides a comprehensive visualization of the interactions between fluid flow and step flow and a guideline to improve the surface morphology of the crystal.

Herein, we study the contact damage performance of two armour ceramics, alumina and silicon carbide, with varying microstructures and one particle-reinforced ceramic nanocomposite, alumina/silicon carbide, in an attempt to understand the microstructural mechanisms that affect plasticity and cracking under quasi-static and dynamic conditions. Quasi-static contact damage was imitated using Vickers indentation over a varying load regime. Numerical analysis of the indentation size effect, performed using the proportional specimen resistance model, allowed the contributions of plastic deformation and cracking to be separated into two individual values. In all three samples, higher levels of surface energy were found to correlate with increased amounts of cracking per unit area of indentation impression. Analytical modelling of crack initiation during Vickers indentation together with quantitative measurements of surface flaw populations revealed that such an increase in cracking damage was the result of higher densities of larger flaws. The hardness of the monolithic ceramics was found vary based on grain size and porosity levels, a smaller average grain size and lower porosity levels resulting in higher hardness values. In the nanocomposite materials, hardening was found to occur with further additions of silicon carbide nanoparticles. Such an effect has been attributed to the increased dislocation densities, as measured using Cr3+/Al2O3 fluorescence spectroscopy, and the impedance of dislocation movement within the lattice due to the presence of silicon carbide nanoparticles. In order to simulate dynamic contact damage, a low velocity, scaled-down drop-weight test was designed and developed. The dynamic contact damage resistance was determined based on the depth of penetration of a blunt indenter. In the monolithic ceramics, the indenter penetration was found to be shallower in materials of higher hardness. However, the nanocomposite materials displayed an opposing trend, the indenter penetration becoming deeper in the samples of higher hardness. The macro-scale fracture patterns produced during drop-weight impacts were seen to vary based on flaw populations and indenter penetration. In certain microstructures, extensive micro-cracking was also observed.

De nos jours, les limites du réacteur batch, outil conventionnel de l'industrie de la chimie fine, en termes de transfert thermique et de transfert de matière, conduisent à envisager le passage en continu de réactions dont les problématiques d'exothermie et de rapidité rendent leur industrialisation difficile. Les réacteurs-échangeurs compacts sont un exemple de technologies intensifiées continues alliant les performances d'un échangeur de chaleur couplées à un bon mélange ainsi qu'à un comportement de type piston offert par le design spécifique de leurs canaux. L'objectif de ces travaux est de démontrer la faisabilité de la transposition en continu d'une réaction fondamentale de la chimie des silicones, recensée comme l'une des plus exothermiques, dans un réacteur-échangeur intensifié conçu dans un matériau innovant : le Carbure de Silicium. La démarche a consisté à étudier les différentes phases de la réaction à plusieurs échelles afin de construire un modèle cinétique. L'exploitation de ce modèle a permis de définir les conditions optimales de la réaction permettant de répondre aux contraintes industrielles en termes de conversion, de consommation de catalyseur et de production industrielle. Enfin, une démarche d'optimisation et d'extrapolation du réacteur a été mise en place pour le pilotage industriel de la réaction étudiée. / Nowadays in the field of fine chemistry, limitations of conventional batch reactors in term of heat and mass transfer lead to increase the interest in the transposition of reactions from batch to continuous mode. It is particularly the case of fast and highly exothermic reactions as they raise safety issues in batch reactor. Compact heat-exchanger reactors (HEX reactor) are an example of continuous intensified technologies as they offer the heat transfer performances of heat exchangers coupled with high mixing and plug-flow behaviour, thanks to specific designs of channels. The aim of this work is to demonstrate the feasibility of the transposition of a fast and highly exothermic hydrosilylation reaction, a fundamental method for the industrial synthesis of organosilicon compounds, into a continuous heat-exchanger reactor made of a very innovative material: the silicone carbide. The methodology adopted consists in investigating hydrosilylation kinetics studies at different residence time scales. Then kinetics modelling and optimisation allow defining the features for process industrialization. Industrials objectives in terms of conversion and catalyst reduction are reached with a shorter time. Moreover the outstanding heat transfer performances of the HEX reactor, which entirely absorb the high exothermicity, successfully demonstrate the feasibility of the transposition into continuous

Les évènements climatiques de ces dernières années ont encouragé de nombreux pays à augmenter la part des énergies renouvelables et non génératrices de gaz à effets de serre. Cependant, pour faciliter leur intégration à grande échelle, le besoin d’un super réseau européen se fait sentir. Ce nouveau réseau, principalement basé sur du courant continu sous haute tension (HVDC) nécessitera l’utilisation de convertisseurs DC-DC. Par conséquent, ce mémoire propose et étudie des topologies basées sur l’association de convertisseurs DC-DC élémentaires isolés. Il est organisé en une introduction, 3 chapitres et une conclusion. Dans l’introduction, un état de l’art est réalisé sur les technologies actuellement mises en oeuvre dans les applications HVDC. Le contexte de l’étude, lié au développement des réseaux DC interconnectés et maillés est ensuite développé. Dans le premier chapitre, des solutions basées sur l’association de convertisseurs DC DC élémentaires isolés sont étudiées puis comparées en termes de dimensionnement des éléments réactifs et de rendement. Cette étude nous a permis de sélectionner trois topologies pour la suite de notre travail. Dans le deuxième chapitre, nous évoquons tout d’abord les différentes problématiques pouvant apparaitre lors de la mise en oeuvre des solutions proposées. Dans un second temps, en prenant une ferme éolienne offshore comme cas d’application, les solutions proposées sont comparées en termes de pertes et de nombre de composants avec une topologie basée sur une association de convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) utilisés dans les réseaux HVDC. Le troisième chapitre présente l’étude et la mise en oeuvre de deux prototypes de convertisseur DC-DC isolés, d’une puissance de 100 kW et fonctionnant sous une tension de 1,2 kV. Ces prototypes ont permis de valider expérimentalement les performances des topologies étudiées dans le premier chapitre. Finalement, la dernière partie propose une conclusion des travaux présentés dans cette thèse. Ces travaux nous ont permis de montrer que les solutions proposées présentent un intérêt pour le cas d’application sélectionné. / The catastrophic environmental effects seen in the last couple of decades have encouraged many countries to increase the proportion of C02-free energy from renewable sources. However, for the easier integration of these energies on a large scale, the need of a European SuperGrid has emerged. This new grid, mainly based on High-Voltage- Direct-Current (HVDC) will require the use of DC-DC converters. Therefore, this manuscript proposes and studies topologies based on the association of isolated elementary DC-DC converters. It is organized in one introduction, 3 chapters and one conclusion. In the introduction, a state-of-the-art of the technologies currently used in HVDC applications is proposed. The context of the study, linked to development of the meshed DC grids, is developed afterwards. In the first chapter, solutions based on the association of elementary isolated DC-DC converters are studied and then compared in terms of reactive components sizing and efficiency. This study permitted the selection of three topologies for the rest of our work. In the second chapter, we mention the issues which may appear during the implementation of the solution. Then, by taking an offshore wind farm as application case, the solution is compared, in terms of loss and component number, with a topology based on the association of Modular Multilevel Converters (MMC) currently used in HVDC grids. The third chapter presents the study and the implementation of two 100 kW DC-DC converter prototypes, operating at 1.2 kV. These prototypes allowed the experimental validation of the performances of the topologies studied in the first chapter. Finally, the last part proposes a conclusion of the work achieved in this thesis. This work allowed it to be shown that the proposed solutions are interesting for the selected application case.