This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.

This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.:1 Introduction 2 State of the art of SiC devices and medium-voltage diodes 2.1 Silicon carbide diodes and medium-voltage modules 2.2 Medium-voltage power diodes 3 Characterization of the SiC PiN diode module 37 3.1 Introduction 3.2 Experimental setup 3.3 Experimental results: static behaviour 3.4 Experimental results: switching behaviour 3.5 Comparison with 6.5-kV silicon diode 3.6 Oscillations in the SiC diode 3.7 Summary 4 Comparison at converter level 4.1 Introduction 4.2 Power device modelling 4.3 Determination of maximum converter power rating 4.4 Analysis 4.5 Increased efficiency through model predictive control 4.6 Summary 5 Conclusion

Le carbure de silicium (SiC) possède plusieurs propriétés exceptionnelles comme une large bande interdite, un champ électrique critique et une vitesse de saturation des porteurs élevée pour remplacer le silicium (Si) dans des domaines de fonctionnement jusque-là inaccessibles avec le Si. Un nombre important de démonstrateurs des composants de puissance en SiC faisant état de performances remarquables ainsi que la disponibilité commerciale des composants en SiC confirment la maturité de la filière SiC et montrent les progrès technologiques réalisés au cours des dernières années. Cependant, il existe peu d’études sur les coefficients d’ionisation du SiC, lesquels sont pourtant indispensables pour prévoir précisément la tenue en tension des composants de puissance en SiC. Ce travail contribue donc à mieux déterminer ces coefficients. Pour cela, un bon nombre de diodes spécialement conçues pour la détermination des coefficients d’ionisation du SiC par la technique OBIC (Optical Beam Induced Current) ont été réalisées sur différents wafers de SiC-4H et de SiC-6H, deux polytypes courant du SiC. Cette technique repose sur un faisceau de laser ultraviolet qui génère des paires électrons-trous dans la zone de charge d’espace d’une diode sous test. La mesure du courant résultant permet d’accéder aux coefficients d’ionisation. A partir des mesures OBIC sur les diodes réalisées, nous avons pu déduire les coefficients pour ces deux polytypes du SiC. Plus particulièrement, les coefficients d’ionisation du SiC-4H sont déterminés dans une large gamme de champ électrique grâce aux mesures sur les différents dopages. Les paramètres des coefficients déterminés dans ce travail peuvent être utilisés en conception de dispositifs haute tension pour prédire plus précisément l’efficacité de leur protection périphérique. / Silicon carbide (SiC) has several exceptional properties as a wide band-gap, a high critical electric field and a high saturation velocity of carriers to replace silicon (Si) in the applications previously inaccessible with Si. A significant number of SiC power devices showing outstanding performances and the commercial availability of SiC devices confirm the maturity of SiC industry and show the SiC technological advances in recent years. However, there are few studies on the ionization coefficients in SiC, which nevertheless essential to accurately predict the breakdown voltage of SiC power devices. This work contributes to better determine these coefficients. For this, numerous diodes which are specifically designed for the determination of ionization coefficients in SiC by using OBIC (Optical Beam Induced Current) technique were realized on different wafers of 4H-SiC and 6H-SiC, two usual polytypes of SiC. This technique relies on an ultraviolet laser beam which generates electron-hole pairs in the space charge region of a diode under test. The resulting current measurement provides access to the ionization coefficients. From OBIC measurements performed on the diodes, we were able to deduce the ionization coefficients for the both polytypes of SiC. In particular, the ionization coefficients for 4H-SiC are determined in a wide range of electric field through measurements on devices with different doping level. The parameters of ionization coefficients determined in this work can be used in design of high voltage devices to predict more accurately the efficiency of periphery protections.

Diese Arbeit befasst sich mit Hochleistungsdioden aus den Halbleitermaterialen Silizium und Siliziumkarbid. Analysiert werden die statischen und dynamischen Schalteigenschaften. Bei den SiC-Bauelementen handelt es sich um unipolare Schottky-Dioden und bei den Silizium-Dioden um bipolare pin-Dioden. Bei den SiC-Schottky-Dioden liegt der Schwerpunkt auf der Analyse des statischen Durchbruchverhaltens von Randstrukturen und auf der Untersuchung der Selbsterwärmung bei Einzel- und Mehrpulsbelastung. Bei den bipolaren Silizium-Dioden wird das Durchbruchverhalten bei niedrigen und hohen Stromdichten untersucht. Aus den Sperrcharakteristiken, die positiv und negativ differentielle Widerstandsäste aufweisen, lassen sich Schlussfolgerungen auf das dynamische Verhalten ziehen. Das Abschaltverhalten (reverse recovery) der mit Plasma überschwemmten Bauelemente wird zuerst im Hinblick auf den Einfluss von Strukturparametern untersucht, um die prinzipiellen Einflussgrößen zu erläutern. Dann folgen die Ergebnisse zur Filamentbildung, die bei den hohen Belastungen der Bauelemente während des Kommutierungsprozesses auftreten können. Die auftretenden Filamentstrukturen werden analysiert und - soweit möglich - Einflussgrößen herausgearbeitet. Schließlich wird noch auf den Einfluss von Randstrukturen auf das Filamentierungsverhalten, die als Inhomogenität in jedem Bauelement vorhanden sind, eingegangen.

Diese Arbeit befasst sich mit Hochleistungsdioden aus den Halbleitermaterialen Silizium und Siliziumkarbid. Analysiert werden die statischen und dynamischen Schalteigenschaften. Bei den SiC-Bauelementen handelt es sich um unipolare Schottky-Dioden und bei den Silizium-Dioden um bipolare pin-Dioden. Bei den SiC-Schottky-Dioden liegt der Schwerpunkt auf der Analyse des statischen Durchbruchverhaltens von Randstrukturen und auf der Untersuchung der Selbsterwärmung bei Einzel- und Mehrpulsbelastung. Bei den bipolaren Silizium-Dioden wird das Durchbruchverhalten bei niedrigen und hohen Stromdichten untersucht. Aus den Sperrcharakteristiken, die positiv und negativ differentielle Widerstandsäste aufweisen, lassen sich Schlussfolgerungen auf das dynamische Verhalten ziehen. Das Abschaltverhalten (reverse recovery) der mit Plasma überschwemmten Bauelemente wird zuerst im Hinblick auf den Einfluss von Strukturparametern untersucht, um die prinzipiellen Einflussgrößen zu erläutern. Dann folgen die Ergebnisse zur Filamentbildung, die bei den hohen Belastungen der Bauelemente während des Kommutierungsprozesses auftreten können. Die auftretenden Filamentstrukturen werden analysiert und - soweit möglich - Einflussgrößen herausgearbeitet. Schließlich wird noch auf den Einfluss von Randstrukturen auf das Filamentierungsverhalten, die als Inhomogenität in jedem Bauelement vorhanden sind, eingegangen.