This paper deals with a method to additionally heat with switching losses in a classical power cycling test, as it is often used for power semiconductors.The fundamentals of testing, switching behavior, thermal and electrical characteristics of semiconductors are covered.The core of the work is the construction, start-up and solution of technical problems during the testing of the test stand. Another aspects are the measurement and software challenges in generating the pulse pattern and in evaluating the results. The last part of the work deals with the testing of different types of semiconductors, such as IGBTs and MOSFETs, which were also made of different materials, such as silicon and silicon carbide, and had different voltage classes.:Contents i Symbols and Abbreviations iii Introduction 1 1. Power Cycling Lifetime 2 1.1. Power Cycling-induced Ageing Mechanisms and Test Methods 2 1.1.1. Overview of Packaging Technologies and their Wear-out Failures 2 1.1.2. Failure Mechanisms in Power Modules and Discrete Devices 6 1.1.3. Basic Structure of a Test Bench for DC Power Cycling Tests 8 1.1.4. Modifications for SiC MOSFET Operation 12 1.1.5. Measurement Accuracy, Limits and Consequences for Test Evaluation 16 1.1.6. Thermal Resistance and Thermal Impedance Spectroscopy 18 1.2. Empirical Power Cycling Lifetime Models 21 2. Specific Limitations in Conditions for some Devices 27 3. Approaches of an Application-close Power Cycling Test 30 4. New Test Bench Concept with an adjustable part of switching losses 35 4.1. Basics for Switching 35 4.1.1. Active Clamping 38 4.1.2. Boosted Active Clamping 40 4.2. Repetitive Unclamped Inductive Switching 42 4.3. Test Bench Concept for Power Cycling Test with Turn-off Losses 44 4.4. Dimensioning of the Stray Inductance 47 4.4.1. Current Ripple and Attainable Switching Losses 51 4.5. Special Setup for Si and SiC MOSFETs 57 4.6. Measurement Algorithm and necessary Hardware 58 4.6.1. Measurement Hardware 58 4.6.2. Measurement Algorithm 60 4.6.3. Challenges during the Measurement 62 4.6.4. Current Source for Fast Regulation 66 5. Test Results with IGBTs 69 5.1. Modules with Baseplate 69 5.2. Modules without Baseplate 80 5.3. IGBTs in Discrete Housings 90 6. Test Results with MOSFETs 97 6.1. Low Voltage Si MOSFETs 97 6.2. SiC MOSFETs 106 7. Analysis of Si Low-voltage MOSFETs Results with FEM 107 8. Conclusion and Outlook 113 9. Acknowledgement 118 References 119 Appendix 136

Cette thèse traite des convertisseurs multiniveaux destinés aux applications moteurs rapides, utilisés notamment dans le domaine de l'Oil \& Gas. L'objectif est l'étude d'une structure qui permette de réduire les pertes par commutation, en comparaison avec la topologie conventionnelle NPC (Neutral Point Clamped) 3 niveaux, actuellement utilisée. De plus, la structure de convertisseur doit permettre de fournir des grandeurs d'entrée au moteur ayant un faible taux de distorsion harmonique, de manière à ne pas créer des échauffements supplémentaires dans le moteur.Après avoir effectué une étude des différentes structures existantes, la structure NPP (Neutral Point Piloted) 3 niveaux est finalement retenue au vu de ses différentes qualités. En effet, grâce à la mise en série de composants semi-conducteurs, les pertes par commutation de ces derniers sont divisées par deux par rapport aux composants homologues de la topologie NPC. Après avoir comparé les topologies NPC et NPP en termes de forme d'onde et de répartition des pertes dans les composants, l'auteur s'intéresse à la validation expérimentale de cette structure. Les performances atteintes par le convertisseur NPP sont intéressantes puisqu'elles permettent de commuter à des fréquences deux fois plus élevées que la topologie NPC pour un courant donné ou de commuter un courant plus important pour une fréquence de commutation donnée.Les schémas de commutation des différents composants du bras NPP sont étudiés afin de comprendre le gain non négligeable obtenu sur cette structure.Malgré le fait que la structure NPP permette de commuter à des fréquences deux fois plus élevées que la structure NPC, on ne peut pas s'affranchir du filtre sinus en sortie de l'onduleur de manière à respecter les contraintes harmoniques au niveau du moteur. Ainsi, une topologie de filtre sinus à inductances couplées a été introduite / This PhD thesis deals with multilevel inverters dedicated to high speed motors applications, used in Oil \& Gas applications. The main objective is to study a topology which enables reducing switching losses, in comparison with the conventional 3-level NPC (Neutral Point Clamped) topology. Moreover, the inverter has to provide motor input signals with a low harmonic distortion level, not to create undesired additional heating in the motor. After a study of the existing topologies, the 3-level NPP (Neutral Point Piloted) topology is chosen regarding all its benefits. Indeed, thanks to series connection of semi-conductor components, switching losses can be divided by two compared to homologous components on the NPC topology. After having compared NPC and NPP topologies in terms of waveforms and losses distribution in components, the author interest is the experimental validation of this topology. The performances reached by the NPP inverter are interesting because it enables to switch two times faster than for a NPC topology for a given current or to switch a higher current for a given switching frequency. The switching schemes of the NPP leg are studied to understand the gain obtained on this topology. In spite of the fact that switching frequency can be doubled on the NPP topology, the sinus filter can not be avoided in order to respect harmonic specification on the motor. A sinus filter with coupled inductances is introduced so that to responds the different sizing criteria

Le travail de cette thèse apporte une contribution aux méthodes de réglage de la tension dans les réseaux électriques. Il s’agit de fournir au réseau la puissance active et surtout la puissance réactive nécessaire pour réguler la tension et aboutir à un système équilibré vue du côté source. Ces puissances sont extraites d’une source d’energie renouvelable : une attention particulière a été portée à l’énergie éolienne raccordée au réseau à travers la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA) pilotée par des convertisseurs statiques. Le système de contrôle le plus répandu des éoliennes est basé principalement sur la technique d’extraction du maximum de puissance. Cependant, cette technique limite la mise en oeuvre deservices auxiliaires, telle que la participation des éoliennes au réglage de la tension dans le réseau électrique. Pour cela, une nouvelle méthode d’extraction du coefficient de puissance optimal, permettant d’améliorer la participation de la MADA à la régulation de la tension dans le réseau (compensation de la puissance réactive et du déséquilibre), a été développée. Le convertisseur multiniveaux à structure NPC (Neutral Point Clamped) raccordant l’énergie renouvelable au réseau a été étudié. La commande prédictive assurant simulatnément l’amélioration du facteur de puissance, l’équilibrage du réseau électrique et du bus continu du convertisseur NPC a été proposée. Ensuite, l’application de cette commande prédictive a été elargie en lui attribuant plusieurs objectifs : amélioration du facteur de puissance avec équilibrage du réseau, équilibrage du bus continu, minimisation des pertes par commutation et réduction de la tension de mode commun. La minimisation des pertes a été obtenue en proposant une nouvelle stratégie qui consiste à exploiter les datasheets constructeurs donnant l’évolution de l’énergie dissipée durant la commutation en fonction du courant. Ces courbes expérimentales ont été transformées en modèlesmathématiques implémentés dans la commande prédictive. Les résultats de simulation et expérimentaux sont présentés pour évaluer les performances de la méthode proposée. / The work in this research thesis presents a contribution to voltage regulation in electrical networks. By considering adequate active and reactive powers injection into the grid, voltage control and load balancing are provided. These powers are generated from a grid connected renewable energy conversion system : a special attention was paid to the Wind Energy ConversionSystem (WECS) based on Doubly-Fed Induction Generator (DFIG).The typical control strategy for WECS is the maximum power coefficient tracking method. However, this method limits desirable ancillary power services, such as the participation of wind turbines in voltage regulation in the power grid. Therefore, a new method that derives the optimal power coefficient enhancing the participation of WTS in voltage regulation in the network (reactive and unbalanced power compensation), has been developed. The multilevel NPC (Neutral Point Clamped) converter, used for grid interface connection of renewable energy sources systems, has been studied. A predictive control method for the three-level NPC converter, capable of simultaneously compensating the problems of : DC link capacitors voltage balancing, load balancing and power factor correction in the power system, has been proposed. Then, the application of this predictive control was extended to simultaneously achieve multiple objectives: load balancing with power factor correction in the network, DC link capacitors voltage balancing, switching losses minimization and common mode voltage reduction. The switching losses minimization was obtained by proposing a new strategy which consists on exploiting the manufacturer datasheets that gives the evolution of the switching loss energy in function of the circulating current. The experimental curves of the datasheet are expressed in a mathematical model implemented in the predictive control. Simulation and experimental results are presented to evaluate the performance of the proposed method.

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