Radio frequency oscillations up to several hundreds of MHz were observed during turn-off the high-current conducting IGBTs. They are described in this work as Transient Avalanche oscillations. Other than PETT oscillations that happen in the tail current phase, this oscillation appears during the rise of collector-emitter voltage VCE and during the fall of the collectoremitter current ICE. The turn-off process of IGBTs are investigated with the help of measurements, the circuit- and device-simulations to reveal the working mechanisms of transient high-frequency oscillations. For the first time the Transient Avalanche Oscillation is successfully reproduced with computer simulation, which allows the further investigation on the influences of individual parameters. The participation of IMPATT mechanism in Transient Avalanche oscillation is demonstrated. The interaction between IMPATT mechanism und PETT mechanism during the setting up of depletion region in IGBTs was investigated. Measures to suppress such oscillation are discussed on the levels of chip design, module design and the driver concept. Supplying electron current during critical phase is found to be an effctive method to avoid the dynamic avalanche and the TA-oscillation. / Radio Frequenz Oszillationen bis zu mehreren hundert MHz wurden während des Abschaltens von Hochstrom leitenden IGBTs beobachtet. Sie werden in dieser Arbeit als Transient Avalanche Oscillationen beschrieben. Anders als PETT Oszillationen, die in der Tail-Strom Phase vorkommen, erscheint diese Oszillation während des Anstiegs der Kollektor-Emitter-Spannung VCE und des Fallens des Kollektor-Emitter Stroms ICE. In dieser Arbeit werden die Abschaltvorgänge von IGBTs mit Hilfe von Messungen, Schaltungs- bzw. Device-Simulationen untersucht, um die Wirkungsmechanismen der transient erscheinenden hochfrequenten Oszillationen zu erklären. Es ist erstmals gelungen solche Transient Avalanche Oszillationen mit der Simulation zu reproduzieren und anschließend die Einflüsse einzelner Parameter zu untersuchen. Die Beteiligung des IMPATT Mechanismus an der Transient Avalanche Oszillation wurde nachgewiesen. Die Interaktion von IMPATT und PETT während Aufbau der Raumladungszone im IGBT wurde untersucht. Maßnahmen zur Unterdrückung der Oszillation werden auf den Ebenen von Chip-Design, Modulauslegung und der Treiberschaltung diskutiert. Das Zuführen des Elektrostromes während der kritischen Phase wird als ein effective Methode zur Vermeidung der TA-Oscillation nachgewiesen.

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.

Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung eines neuartigen Phasenbausteins mit der Topologie des Dreipunkt – Neutral Point Clamped – Stromrichters mit Spannungszwischenkreis (3L-NPC-VSC) für Windkraftanwendungen. Wichtige Anforderungen an den Phasenbaustein und daraus resultierende Herausforderungen, sowie Lösungen für ausgewählte Teilprobleme werden präsentiert. Um die Vorteile des 3L-NPC-VSC für Hersteller von Windkraftanlagen zugänglich zu machen, ist es sinnvoll, einen neuartigen Phasenbaustein zu entwickeln. Der Phasenbaustein soll einfach in Systeme zu integrieren sein, in denen gegenwärtig Zweipunktstromrichter (2L-VSC) zum Einsatz kommen. Da sich Modulation, Zwischenkreisbalancierung und Kurzschlussschutz vom 2L-VSC unterscheiden, soll der Phasenbaustein diese Herausforderungen eigenständig bewältigen. Die Arbeit beschreibt die Konzeption eines solchen Phasenbausteins und behandelt insbesondere die Modulation, die Zwischenkreisbalancierung und den Kurzschlussschutz des 3L-NPC-VSC. Ein Vergleich verschiedener Modulationsverfahren wurde durchgeführt und die am besten geeigneten Verfahren für die Implementation in den Phasenbaustein ausgewählt. Eine Anforderung war, dass dieser Signale einer übergeordneten Regelung verarbeiten kann, welche für einen 2L-VSC berechnet wurden. Ein Überblick der Zwischenkreisbalancierungsverfahren zeigte, dass nahezu alle den Nachteil einer zusätzlich benötigten Strommessung haben. Die Untersuchung einer neuen an der Professur Leistungselektronik der TU Dresden entwickelten Methode ohne den Bedarf der Strommessung zeigte, dass diese anwendbar ist. Der Algorithmus wurde simuliert, implementiert und experimentell getestet und zeigte gute Resultate. Die Aufgabe eines komplett unabhängigen Kurzschlussschutzes war die schwierigste. Alle möglichen Fehler innerhalb eines Moduls wurden analysiert und kategorisiert. Einige Fehlertypen können innerhalb einer Phase behandelt werden. Entsprechende Algorithmen wurden entwickelt und getestet. Allerdings gibt es Fehlertypen, die nicht durch die Steuerung einer einzelnen Phase behandelt werden können. Eine schnelle Kommunikation zwischen den drei Phasen des Konverters wäre notwendig. Alternativ könnte eine übergeordnete Steuerung diese Fehler behandeln. Zum Schluss wurde ein Demonstrator des Phasenbausteins aufgebaut und experimentell untersucht. Einige Messergebnisse werden gezeigt, um die Funktion zu verifizieren.

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.

Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung eines neuartigen Phasenbausteins mit der Topologie des Dreipunkt – Neutral Point Clamped – Stromrichters mit Spannungszwischenkreis (3L-NPC-VSC) für Windkraftanwendungen. Wichtige Anforderungen an den Phasenbaustein und daraus resultierende Herausforderungen, sowie Lösungen für ausgewählte Teilprobleme werden präsentiert. Um die Vorteile des 3L-NPC-VSC für Hersteller von Windkraftanlagen zugänglich zu machen, ist es sinnvoll, einen neuartigen Phasenbaustein zu entwickeln. Der Phasenbaustein soll einfach in Systeme zu integrieren sein, in denen gegenwärtig Zweipunktstromrichter (2L-VSC) zum Einsatz kommen. Da sich Modulation, Zwischenkreisbalancierung und Kurzschlussschutz vom 2L-VSC unterscheiden, soll der Phasenbaustein diese Herausforderungen eigenständig bewältigen. Die Arbeit beschreibt die Konzeption eines solchen Phasenbausteins und behandelt insbesondere die Modulation, die Zwischenkreisbalancierung und den Kurzschlussschutz des 3L-NPC-VSC. Ein Vergleich verschiedener Modulationsverfahren wurde durchgeführt und die am besten geeigneten Verfahren für die Implementation in den Phasenbaustein ausgewählt. Eine Anforderung war, dass dieser Signale einer übergeordneten Regelung verarbeiten kann, welche für einen 2L-VSC berechnet wurden. Ein Überblick der Zwischenkreisbalancierungsverfahren zeigte, dass nahezu alle den Nachteil einer zusätzlich benötigten Strommessung haben. Die Untersuchung einer neuen an der Professur Leistungselektronik der TU Dresden entwickelten Methode ohne den Bedarf der Strommessung zeigte, dass diese anwendbar ist. Der Algorithmus wurde simuliert, implementiert und experimentell getestet und zeigte gute Resultate. Die Aufgabe eines komplett unabhängigen Kurzschlussschutzes war die schwierigste. Alle möglichen Fehler innerhalb eines Moduls wurden analysiert und kategorisiert. Einige Fehlertypen können innerhalb einer Phase behandelt werden. Entsprechende Algorithmen wurden entwickelt und getestet. Allerdings gibt es Fehlertypen, die nicht durch die Steuerung einer einzelnen Phase behandelt werden können. Eine schnelle Kommunikation zwischen den drei Phasen des Konverters wäre notwendig. Alternativ könnte eine übergeordnete Steuerung diese Fehler behandeln. Zum Schluss wurde ein Demonstrator des Phasenbausteins aufgebaut und experimentell untersucht. Einige Messergebnisse werden gezeigt, um die Funktion zu verifizieren.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 1.3 Inhalt der Arbeit 2 Stromrichter für Windkraftanlagen 2.1 Stand der Technik 2.1.1 Zweipunktstromrichter mit Spannungszwischenkreis 2.1.2 Dreipunkt-Neutral-Point-Clamped-Stromrichter mit Spannungszwischenkreis 2.1.3 Kommerziell verfügbare Stromrichter für WKA 2.2 Vollumrichterlösung mit erhöhter Ausgangsspannung 2.2.1 Motivation und Anforderungen 2.2.2 Vereinfachter Vergleich von Zwei- und Dreipunktstromrichtern 2.3 Herausforderungen bei der Realisierung des 3L-NPC-VSC 3 Struktur und Funktion eines neuartigen 3L-NPC-Phasenbausteins 3.1 Struktur und Schnittstellen 3.1.1 Stand der Technik für 3L-NPC Phasenbausteine 3.1.2 Neuartiger 3L-NPC-VSC-Phasenbaustein 3.2 Realisierung 3.2.1 Anforderungen 3.2.2 Technische Realisierung 3.3 Experimentelle Verifikation 3.3.1 Versuchsstand 3.3.2 Messergebnisse 4 Modulation und Zwischenkreisbalancierung eines 3L-NPC-VSC 4.1 Modulationsarten im Überblick 4.1.1 Trägerbasierte Modulation für den 3L-NPC-VSC 4.2 Ausgewählte Modulation für den neuartigen Phasenbaustein 4.2.1 Zweipunktraumzeigermodulation in einem Trägerband 2L-SVM 4.2.2 Dreipunktraumzeigermodulation 3L-SVM 4.3 Stand der Technik bei Zwischenkreisbalancierungsverfahren 4.4 Die direkte Totzeitregelung zur Zwischenkreisbalancierung 4.4.1 Theoretische Grundlagen 4.4.2 Simulative Verifikation der direkten Totzeitregelung 4.4.3 Experimentelle Verifikation der DDTC 5 Kurzschlussschutz eines 3L-NPC-VSC-Phasenbausteins 5.1 Versuchsstand I5.2 Kurzschlussfehler einer 3L-NPC-VSC-Phase 5.2.1 Kategorisierung der Kurzschlüsse 5.2.2 Untersuchte Bauteilfehler innerhalb einer 3L-NPC-VSC-Phase 5.3 Kurzschlussbehandlungsmethoden 5.3.1 Stand der Technik 5.3.2 Schutzmaßnahmen für 3L-NPC-VSC 5.4 Analyse von Kurzschlüssen und Ableitung von Behandlungsmaßnahmen 5.4.1 Fehler eines äußeren IGBTs 5.4.2 Fehler eines inneren IGBTs 5.4.3 Fehler einer Clampdiode 5.5 Maßnahmen zur sicheren Behandlung von Kurzschlüssen in 3L-NPC-VSC 6 Zusammenfassung

Eine wichtige Eigenschaft von Leistungsdioden ist ihre Stoßstromrobustheit, also die Fähigkeit, einem kurzeitigen hohen Strom standzuhalten. Bei Dioden aus SiC wird dabei häufig auf die MPS-Struktur zurückgegriffen. In dieser Arbeit wird das Stoßstromverhalten von neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden von Infineon untersucht. Dabei wird gemessen, welchem Strom die Dioden bei einem Halbsinus-Puls von 10ms standhalten. Das Ergebnis wird mit der Robustheit herkömmlicher SiC-Schottky-Dioden verglichen. Die Stoßstromrobustheit bei Parallelschaltung wird untersucht. Mittels elektro-thermischer Simulationen werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Stoßstromrobustheit der Dioden erörtert. Hierbei wird die Schichtdicke erhöht und Kupfer statt Aluminium als Anodenmetallisierung angenommen. Des Weiteren wird das Simulationsmodell hinsichtlich der Lotschicht und eines reduzierten SiC-Substrats variiert. Die MPS-Dioden weisen bei hohem Strom einen negativen differentiellen Widerstand auf, hervorgerufen durch die Injektion von Minoritätsladungsträgern aus den p-dotierten Gebieten. Die Aktivierung der Injektion von Minoritätsladungsträgern in Abhängigkeit der Größe der p-dotierten Gebiete wird ebenfalls mittels Simulationen untersucht. Ein Vergleich verschiedener Caughey-Thomas-Parameter zur Modellierung der Ladungsträgermobilität in FEM-Bauelementsimulatoren wird durchgeführt. Das Ausschaltverhalten der MPS-Dioden wird unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dazu zählen das Abschalten unter Anwendungsbedingungen, das Abschalten unter Überlast von bis zum fünfzehnfachen Nennstrom, das Abschalten mit hohen Strom- und Spannungssteilheiten und das Abschalten in Parallelschaltung und mit zusätzlicher parasitärer Induktivität. Die Untersuchungen zeigen eine hohe Robustheit der neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden. / The surge current ruggedness is an import property of power diodes. In case of SiC diodes this is realized by a Merged-pin-Schottky (MPS) structure. In this thesis the surge current ruggedness of novel 1200V SiC MPS diodes from Infineon is investigated. The maximum current during a half sine surge current pulse of 10ms is determined in measurements for various diodes and compared to the surge current ruggedness of conventional Schottky diodes. Furthermore, the surge current ruggedness in parallel arrangement is measured. By the means of electro-thermal simulations options to improve the surge current ruggedness are investigated. The simulation model is varied concerning the diodes anode metalization layer thickness and material. The layer thickness is increased and the typical aluminum is replaced by copper. Additionally, the influence of the silicon carbide substrate thickness and the solder layer thickness and material on the surge current ruggedness is simulated. The MPS diodes possess a negative differential resistance at high currents caused by the injection of minority carriers by the p-doped regions. The injection of minority carriers in dependence of the size of the p-regions is also examined in simulations. Furthermore, different parameter sets of the the Caughey-Thomas formula to describe the carrier mobility are compared. The turn-off behavior of the diodes is measured under different conditions such as the turn-off from fifteen times the rated current, the turn-off with high current and voltage slopes and the turn-off in parallel arrangement and with additional inductance. The investigation show a high robustness of the novel 1200V SiC MPS diodes.

En raison de ses avantages inhérents, tels que son faible coût, sa fiabilité élevée, sa capacité de fonctionnement à grande vitesse et en environnements difficiles, la machine à réluctance variable (MRV) est une solution attrayante pour l'industrie automobile. Cependant, la traction automobile est une application pour laquelle le comportement acoustique du groupe motopropulseur doit être particulièrement considéré, dans l'optique de ne pas dégrader le confort des passagers. Afin de rendre la MRV compétitive pour cette application automobile, le travail présenté se concentre sur plusieurs méthodes de contrôle cherchant à améliorer le comportement acoustique des MRV en réduisant les vibrations d'origine électromagnétique. Un modèle multi-physique électromagnétique / mécanique semi-analytique est proposé à partir de résultats de simulation numérique obtenus par la méthode des éléments finis. Ce modèle multiphysique est composé de modèles électromagnétiques et structurels, qui sont reliés par la composante radiale de la force électromagnétique. Deux méthodes de contrôle sont ensuite proposées. La première réduit la vibration en faisant varier l'angle de coupure du courant, la fréquence du la variation étant basée sur les propriétés mécaniques de la structure MRV. De plus, une fonction aléatoire uniformément distribuée est introduite pour éviter une composante fréquentielle locale de forte vibration. Une seconde méthode est basée sur le contrôle direct de la force (DFC), qui vise à obtenir une force radiale globale plus douce pour réduire les vibrations. Un adaptateur de courant de référence (RCA) est proposé pour limiter l'ondulation de couple introduite par le DFC, provoquée par l'absence de limitation de courant. Cette seconde méthode de réduction des vibrations appelée DFC & RCA est évaluée par des tests expérimentaux utilisant un prototype de MRV 8/6 afin de montrer sa pertinence. Une solution de partitionnement hardware/software est proposée pour implémenter cette méthode sur une carte FPGA utilisée en combinaison avec un microprocesseur. / Due to its inherent advantages Switched Reluctance Machine (SRM) are appealing to the automotive industry. However, automotive traction is a very noise sensitive application where the acoustic behavior of the power train may be the distinction between market success and market failure. To make SRM more competitive in the automotive application, this work will focus on the control strategy to improve the acoustic behavior of SRM by vibration reduction. A semi-analytical electromagnetic/structural multi-physics model is proposed based on the simulation results of numerical computation. This multi-physics model is composed by electromagnetic and structural models, which are connected by the radial force. Two control strategies are proposed. The first strategy to improve the acoustic behavior of SRM by vibration reduction. A semi-analytical electromagnetic/ structural multi-physics model is proposed based on the simulation results of numerical computation. This multi-physics model is composed by electromagnetic and structural models, which are connected by the radial force. Two control strategies are proposed. The first one reduces the vibration by varying the turn-off angle, the frequency of the variable signal is based on the mechanical property of switched reluctance machine. Besides, an uniformly distributed random function is introduced to avoid local high vibration component. Another one is based on the Direct Force Control (DFC), which aims to obtain a smoother total radial force to reduce the vibration. An reference current adapter (RCA) is proposed to limit the torque ripple introduced by the DFC, which is caused by the absence of the current limitation. The second vibration reduction strategy named DFC&RCA is evaluated by experimental tests using an 8/6 SRM prototype. A hardware/software partitioning solution is proposed to implement this method, where FPGA board is used combined with a Microprocessor.

Radio frequency oscillations up to several hundreds of MHz were observed during turn-off the high-current conducting IGBTs. They are described in this work as Transient Avalanche oscillations. Other than PETT oscillations that happen in the tail current phase, this oscillation appears during the rise of collector-emitter voltage VCE and during the fall of the collectoremitter current ICE. The turn-off process of IGBTs are investigated with the help of measurements, the circuit- and device-simulations to reveal the working mechanisms of transient high-frequency oscillations. For the first time the Transient Avalanche Oscillation is successfully reproduced with computer simulation, which allows the further investigation on the influences of individual parameters. The participation of IMPATT mechanism in Transient Avalanche oscillation is demonstrated. The interaction between IMPATT mechanism und PETT mechanism during the setting up of depletion region in IGBTs was investigated. Measures to suppress such oscillation are discussed on the levels of chip design, module design and the driver concept. Supplying electron current during critical phase is found to be an effctive method to avoid the dynamic avalanche and the TA-oscillation. / Radio Frequenz Oszillationen bis zu mehreren hundert MHz wurden während des Abschaltens von Hochstrom leitenden IGBTs beobachtet. Sie werden in dieser Arbeit als Transient Avalanche Oscillationen beschrieben. Anders als PETT Oszillationen, die in der Tail-Strom Phase vorkommen, erscheint diese Oszillation während des Anstiegs der Kollektor-Emitter-Spannung VCE und des Fallens des Kollektor-Emitter Stroms ICE. In dieser Arbeit werden die Abschaltvorgänge von IGBTs mit Hilfe von Messungen, Schaltungs- bzw. Device-Simulationen untersucht, um die Wirkungsmechanismen der transient erscheinenden hochfrequenten Oszillationen zu erklären. Es ist erstmals gelungen solche Transient Avalanche Oszillationen mit der Simulation zu reproduzieren und anschließend die Einflüsse einzelner Parameter zu untersuchen. Die Beteiligung des IMPATT Mechanismus an der Transient Avalanche Oszillation wurde nachgewiesen. Die Interaktion von IMPATT und PETT während Aufbau der Raumladungszone im IGBT wurde untersucht. Maßnahmen zur Unterdrückung der Oszillation werden auf den Ebenen von Chip-Design, Modulauslegung und der Treiberschaltung diskutiert. Das Zuführen des Elektrostromes während der kritischen Phase wird als ein effective Methode zur Vermeidung der TA-Oscillation nachgewiesen.