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.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第16855号 / 工博第3576号 / 新制||工||1540(附属図書館) / 29530 / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 引原 隆士, 教授 木本 恒暢, 教授 小野寺 秀俊 / 学位規則第4条第1項該当

Silicon carbide (SiC) power switching devices promise to be a major breakthrough for new generation ac three-phase power converters, offering increased junction temperature, low specific on-resistance, fast switching, and low switching loss. These characteristics are desirable for increasing power density, providing faster system dynamics, and improving power quality. At present, the normally-on SiC JFET prototypes available from SiCED are the first SiC power switches close to commercialization. The objective of this work is to characterize the switching behavior of the prototype SiC JFET devices, as well as demonstrate the feasibility of achieving high switching frequency for a 2 kVA three-phase converter. The switching characterization of the 1200 V SiC JFET prototypes is shown for a wide range of operating conditions such as switched voltage, switched current, and junction temperature. The SiC JFET is shown to be a fast-switching, low-loss device offering performance benefits compared to traditional silicon (Si) power devices of similar ratings. Utilizing the SiC JFET, a three-phase ac buck rectifier is then demonstrated with a 150 kHz switching frequency and a rated power of 2 kVA. Additionally, improvements are made to the charge control scheme for the buck rectifier allowing power factor compensation and reduction of input current transients. / Master of Science

To support the study of potential utilization of the emerging silicon carbide (SiC) devices, two SiC active switches, namely 1.2 kV, 5 A SiC JFET manufactured by SiCED, and 1.2 kV, 20 A SiC MOSFET by CREE, have been investigated systematically in this thesis. The static and switching characteristics of the two switches have firstly been characterized to get the basic device information. Specific issues in the respective characterization process have been explored and discussed. Many of the characterization procedures presented are generic, so that they can be applied to the study of any future SiC unipolar active switches. Based on the characterization data, different modeling procedures have also been introduced for the two SiC devices. Considerations and measures about model improvement have been investigated and discussed, such as predicting the MOSFET transfer characteristics under high drain-source bias from switching waveforms. Both models have been verified by comparing simulation waveforms with the experimental results. imitations of each model have been explained as well. In order to capture the parasitic ringing in the very fast switching transients, a modeling methodology has also been proposed considering the circuit parasitics, with which a device-package combined simulation can be conducted to reproduce the detailed switching waveforms during the commutation process. This simulation, however, is inadequate to provide deep insights into the physics behind the ringing. Therefore a parametric study has also been conducted about the influence of parasitic impedances on the device's high-speed switching behavior. The main contributors to the parasitic oscillations have been identified to be the switching loop inductance and the device output junction capacitances. The effects of different parasitic components on the device stresses, switching energies, as well as electromagnetic interference (EMI) have all been thoroughly analyzed, whose results exhibit that the parasitic ringing fundamentally does not increase the switching loss but worsens the device stresses and EMI radiation. Based on the parametric study results, this thesis finally compares the difference of SiC JFET and MOSFET in their respective switching behavior, comes up with the concept of device switching speed limit under circuit parasitics, and establishes a general design guideline for high-speed switching circuits on device selection and layout optimization. / Master of Science

This thesis provides insight into state-of-the-art 1.2 kV silicon carbide (SiC) power semiconductor transistors, including the MOSFET, BJT, SJT, and normally-on and normally-off JFETs. Both commercial and sample devices from the semiconductor industry's well-known manufacturers were evaluated in this study. These manufacturers include: Cree Inc., ROHM Semiconductor, General Electric, Fairchild Semiconductor, GeneSiC Semiconductor, Infineon Technologies, and SemiSouth Laboratories. To carry out this work, static characterization of each device was performed from 25 ºC to 200 ºC. Dynamic characterization was also conducted through double-pulse tests. Accordingly, this thesis describes the experimental setup used and the different measurements conducted, which comprise: threshold voltage, transconductance, current gain, specific on-resistance, parasitic capacitances, internal gate resistance, and the turn on and turn off switching times and energies. For the latter, the driving method used for each device is described in detail. Furthermore, for the devices that require on-state dc currents, driving losses are taken into consideration. While all of the SiC transistors characterized in this thesis demonstrated low specific on-resistances, the SiC BJT showed the lowest, with Fairchild's FSICBH057A120 SiC BJT having 3.6 mΩ•cm2 (using die area) at 25 ºC. However, the on-resistance of GE's SiC MOSFET proved to have the smallest temperature dependency, increasing by only 59 % from 25 ºC to 200 ºC. From the dynamic characterization, it was shown that Cree's C2M0080120D second generation SiC MOSFET achieved dv/dt rates of 57 V/ns. The SiC MOSFETs also featured low turn off switching energy losses, which were typically less than 70 µJ at 600 V bus voltage and 20 A load current. / Master of Science

Actuellement, il y a une baisse du prix des ressources énergétiques distribuées, en particulier l'énergie solaire photovoltaïque, conduisant à la croissance significative de leur capacité d'installation dans de nombreux pays. D'autre part, les politiques encourageant l'efficacité énergétique ont favorisé le développement de charges DC dans les zones domestiques, telles que l'éclairage LED, les ordinateurs,, les téléphones, les téléviseurs, les moteurs DC efficaces et les véhicules électriques. Grace à ce changement, le système de distribution de microgrid DC devient plus attractive que le système de distribution à courant alternatif traditionnel. Les avantages principaux du microgrid DC sont l'efficacité énergétique plus élevée, plus facile à intégrer avec les sources d'énergie distribuées et le système de stockage. Alors que de nombreuses recherches se concentrent sur les stratégies de contrôle et la gestion de l'énergie dans le microgrid DC, sa protection reçoit une attention insuffisante et un manque de réglementation et d'expériences. La protection dans les réseaux DC est plus difficile que dans le réseau AC en raison de l'arc continu, de la valeur plus élevée du courant de courtcircuit et du taux de défaut de montée. En outre, dans les réseaux distribués à courant continu sont composés de nombreux dispositifs de commutation électroniques et semi-conducteurs, qui ne supportent le courant de défaut que quelques dizaines de microsecondes. Les disjoncteurs mécaniques, qui ont un temps de réponse de quelques dizaines de millisecondes, ne semblent pas satisfaire aux exigences de sécurité du microréseau à courant continu. L'absence d'un dispositif de protection efficace constitue un obstacle au développement du microgrid DC dans le système distribué. Cette thèse propose un disjoncteur DC auto-alimenté à courant continu utilisant normalement JFET SiC, qui offre un excellent dispositif de protection pour les microgrids DC grâce à son temps de réponse rapide et ses faibles pertes à l'état passant. La conception du disjoncteur DC à semi-conducteurs vise à répondre à deux objectifs: temps de réponse rapide et fiabilité. Les spécifications conçues et les énergies critiques qui entraînent la destruction du disjoncteur sont identifiées sur la base des résultats mesurés d'un JFET populaire dans le commerce. Un pilote de protection très rapide et fiable basé sur une topologie à convertisseur flyback avant est utilisé pour générer une tension négative suffisante pour tourner et maintenir le JFET SiC. Le convertisseur sera activé chaque fois que le disjoncteur détecte des défauts de court-circuit en détectant la tension de drain-source de JFET et crée une tension négative s'applique à la porte de JFET. Pour éviter une défaillance de la porte par surtension au niveau de la grille du JFET, la tension de sortie du convertisseur de retour vers l'avant est régulée à l'aide de la mesure coté primaire. Les résultats expérimentaux sur le prototype du disjoncteur DC ont validé les principes de fonctionnement proposés et ont confirmé que le disjoncteur DC à semi-conducteurs proposé peut interrompre le défaut en 3 μs. D'un autre côté, un modèle du JFET normalement activé dans l'environnement Matlab/Simulink est construit pour étudier les comportements du SSCB pendant une durée de court-circuit. L'accord entre la simulation et les résultats expérimentaux confirment que ce modèle JFET peut être utilisé pour simuler le fonctionnement d'un disjoncteur DC et dans l'étude du fonctionnement du microgrid DC pendant le processus de défaut et de compensation / Currently, there is a drop in the price of distributed energy resources, especially solar PVs, which leads to a significant growth of the installed capacities in many countries. On the other hand, policies encouraging energy efficiency have promoted the development of DC loads in domestic areas, such as LEDs lighting, computers, telephones, televisions, efficient DC motors and electric vehicles. Corresponding to these changes in sources and loads, DC microgrid distribution system becomes more attractive than the traditional AC distribution system. The main advantages of the DC microgrid are higher energy efficiency, easier in integrating with distributed energy sources and storage systems. While many studies concentrate on the control strategies and energy management in the DC microgrid, the protection still receives inadequate attention and lack of regulations and experiences. Protection in DC grids is more complex than AC grids due to the continuous arc, higher short circuit current value and fault rate of rising. Furthermore, the DC distributed grids are composed of many electronic and semiconductor switching devices, which only sustain the fault currents of some tens of microseconds. Mechanical circuit breakers, which have a response time in tens of milliseconds, seem not to meet the safety requirement of DC microgrids. The lack of effective protection devices is a barrier to the development of DC microgrids in the distributed systems. This thesis proposes a self-power solid state DC circuit breaker using normally-on SiC JFET, which offers a great protection device for DC microgrids due to its fast response time and low on-state losses. The design of the solid state DC circuit breaker aims to meet two objectives: fast response time and high reliability. The designed specifications and critical energies that result in the destruction of the circuit breaker are identified on the basis of the experiments of a commercial normally-on JFET. In addition, a very fast and reliable protection driver based on a forward-flyback converter topology is employed to generate a sufficient negative voltage to turn and hold off the SiC JFET. The converter will be activated whenever short-circuit faults are detected by sensing the drain-source voltage, then creating a negative voltage applied to the gate of JFET. To avoid gate failure by overvoltage at the gate of JFET, the output voltage of the forward-flyback converter is regulated using Primary Side Sensing technique. Experimental results validated the working principle of the proposed solid state DC circuit breaker with fault clearing time less than 3 μs. Additionally, a model of the normally-on JFET in Matlab/Simulink environment is built for exploring the behaviors of the solid-state DC circuit breaker during short-circuit faults. The agreement between the simulation and experimental results confirms that this JFET model can be appropriately used for the investigation of solid state DC circuit breaker operations and DC microgrids in general during fault evens and clearing fault processes

Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l'électronique supporte l'absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n'empêche pas d'atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol... Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l'utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN...), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie " commande " de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C'est dans ce contexte de faiblesse concernant l'étage de commande rapprochée qu'a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s'inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l'art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d'entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l'effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d'un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d'onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ.

Depuis le début des années 2000, les composants en carbure de silicium (SiC) sont présents sur le marché principalement sous la forme de diodes Schottky et de transistors FET. Ces nouveaux semi-conducteurs offrent des performances en commutation bien supérieures à celles des composants en silicium (Si) ce qui se traduit par une diminution des pertes et une réduction de la température de fonctionnement à système de refroidissement identique. L’utilisation de composants SiC ouvre donc la possibilité de concevoir des convertisseurs plus compacts ou à une fréquence de commutation élevée pour une même compacité. C’est avec cet objectif d’augmentation de la fréquence de commutation qu’a été menée cette étude axée sur l’utilisation de composants SiC au sein d’un onduleur triphasé. Le convertisseur sur lequel se base l’étude accepte une tension d’entrée de 450V et fournit en régime nominal un courant de sortie efficace par phase de 40 A. Le choix des composants SiC s’est porté sur des transistors JFET Normally-Off et des diodes Schottky SiC car ces composants étaient disponibles à la vente au début de ces travaux et offrent des pertes en commutation et en conduction inférieures aux autres structures en SiC. Les transistors FET possèdent une structure et des propriétés bien différentes des IGBT habituellement utilisés pour des convertisseurs de la gamme considérée notamment par leur capacité à conduire un courant inverse avec ou sans diode externe. De ce fait, il est nécessaire de développer de nouveaux outils d’aide au dimensionnement dédiés à ces composants SiC. Ces outils de calculs sont basés principalement sur les paramètres électriques et thermiques du système et sur les caractéristiques des composants SiC. Les premiers résultats montrent qu’en autorisant la conduction d’un courant inverse au sein des transistors, il est possible de diminuer le nombre de composants. Basées sur ces estimations, une maquette de bras d’onduleur a été développée et testée. Les premiers thermiques montrent que pour une puissance de 12kW, il est possible d’augmenter la fréquence de commutation de 12 kHz à 100 kHz. / Since 2000, Silicon Carbide (SiC) components are available on the market mainly as Schottky diodes and FET transistor. These new devices provide better switching performance than Silicon (Si) components that leads to a reduction of losses and operating temperatures at equivalent cooling system. Using SiC components allows to a better converter integration. It is in this context that ECA-EN has started this thesis dedicated to using SiC devices in a three-phase inverter at high switching frequency. The converter object of this study is supply by a input voltage of 450V and provides a current of 40A per phase. The components used for these study are SiC Normally-Off JFET and Schottky Diodes because these devices were commercialized at the begining of this thesis and offer better switching performance than others SiC components. FET transistors have a different structure compared to traditionnal IGBT especially their capability to conduct a reverse current with or without body diode. So it is necessary to develop new tools dedicated to the design of converters built with SiC components. These tools are based on the electrical properties of the converters and the statics and dynamics characteristics of the transistor and the diode. The results show that when the transistors conduct a reverse current, the number of components/dies can be reduced. According to data, a PCB board of an inverter leg has been built and tested at ECA-EN. The thermal measurement based on the heatsink shows that the switching frequency of an inverter leg can be increased from 12 to 100 kHz for an ouput power of 12kW.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, les dispositifs en carbure de silicium (SiC) sont bien adaptés pour fonctionner dans des environnements à haute température, haute puissance, haute tension et haute radiation. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur à large bande d'énergie interdite. Ce matériau possède des caractéristiques en température et une tenue aux champs électriques bien supérieure à celles de silicium. Ces caractéristiques permettent des améliorations significatives dans une grande variété d'applications et de systèmes. Parmi les interrupteurs existants, le JFET en SiC est l'interrupteur le plus avancé dans son développement technologique, et il est au stade de la pré-commercialisation. Le travail réalisé au cours de cette thèse consiste à caractériser électriquement des JFET- SiC de SiCED en fonction de la température (25°C-300°C). Des mesures ont été réalisé en statique (courant-tension), en dynamique (capacité-tension) et en commutation sur charge R-L (résistive-inductives) et dans un bras d'onduleur. Un modèle multi-physique du transistor VJFET de SiCED à un canal latéral a été présenté. Le modèle a été développé en langage MAST et validé aussi bien en mode de fonctionnement statique que dynamique en utilisant le simulateur SABER. Ce modèle inclut une représentation asymétrique du canal latéral et les capacités de jonction de la structure. La validation du modèle montre une bonne concordance entre les mesures et la simulation.

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande d'énergie interdite, remarquable par ses propriétés physiques situées à mi-chemin entre le silicium et le diamant. Ceci suscite actuellement un fort intérêt industriel pour son utilisation dans la fabrication de composants susceptibles de fonctionner dans des conditions extrêmes : forte puissance et haute température. Les travaux de thèse se sont focalisés sur la levée de verrous technologiques pour réaliser des composants latéraux de type JFET (Junction Field Effect Transistor) et les intégrer monolithiquement dans des substrats SiC-4H. L'objectif est de réaliser un bras d'onduleur intégré en SiC avec deux étages commande et puissance. Dans un premier temps, nous avons entamé cette thèse par une caractérisation de deux lots de composants JFET latéraux à canaux N et P réalisés dans le cadre de deux projets ANR précédents cette thèse. De cette étude nous avons extrait plusieurs points positifs, comme celui qui concerne la tenue en tension des JFET de puissance et l'intégration monolithique des JFET basse tension. Mais, nous avons aussi mis en évidence, la nécessité d'optimiser la structure de composants et d'améliorer certaines étapes technologiques, principalement, la définition des canaux par implantation ionique, le contact ohmique et la gravure profonde. Des études approfondies pour réaliser le contact ohmique sur SiC type P et des procédés pour réaliser une gravure profonde dans le SiC ont été développés. Ces études ont permis d'obtenir une faible résistance de contact comparable à l'état de l'art mondial, d'avoir des calibres en courant plus élevés et par conséquent une meilleure modulation. Pour la gravure, un masque dur à base de silicium et nickel (NiSi), nous a permis de mettre en place un procédé original qui permet des gravures profondes du SiC et réaliser les structures intégrés des JFET. L'ensemble de ces améliorations technologiques nous a permis d'obtenir des nouveaux lots de composants JFET P et N intégrés sur la même puce, avec des meilleures performances par rapport aux précédentes réalisations, notamment avec une conduction dans les canaux 10 à 100 fois plus importante. Nous avons également obtenu une modulation du courant Ids en fonction de la tension Vgs sur un nombre très important de JFET en augmentant significativement le rendement par rapport aux lots précédents.