Dissertations / Theses on the topic 'IGBT power modules'

The purpose of this work is to study in deep the transition phenomena of IGBTs in order to evaluate different optimization strategies for losses reduction and propose a novel technique. In power applications a particular attention must be taken to such phenomena as commutation losses, overcurrents during the turn-ON and overvoltage at the turn-OFF of the devices. These phenomena are connected to non ideal behavior of real devices and stray circuit parameters. Steep profiles of current lead to large ElectroMagnetic Interference (EMI) and overvoltages, while rapid variations of the voltage can produce phenomena of "latch-up" in single IGBT or unwanted commutations. On the other hand, slow commutations are characterized by low values of dv/dt and di/dt, causing excessive losses in those power application during commutations. Therefore, it is essential to face the issue with opposite requirements at the design stage obtaining optimal tradeoff.

The increased demand of offshore power conversion systems is driven by newly initiated offshore projects for wind farms and oil production. Because of long distances to shore and inaccessibility of the equipment long repair times must be expected. At the same time the offshore environment is extremely harsh. Thus, high reliability is required for the converters and it is important to have good knowledge of the switching devices. This thesis investigates switching characteristics and losses of commercially available IGBT modules to be used for this application. It focuses on switching time and switching energy losses depending on gate resistance, current and voltage levels, operation temperatures, and show differences between several devices of the same type. Some test show how device characteristics and losses when the device has been exposed to stress over a certain period.

Power electronics are an enabling technology and play a critical role in the establishment of an environmentally-friendly and sustainable low carbon economy. The electrification of passenger vehicles is one way of achieving this goal. It is well acknowledged that Electric vehicles (EVs) have inherent advantages over the conventional internal combustion engine (ICE) vehicles owing to the absence of emissions, high efficiency, and quiet and smooth operation. Over the last 20 years, EVs have improved significantly in their system integration, dynamic performance and cost. It has attracted much attention in research communities as well as in the market. In 2011 electric vehicle sales were estimated to reach about 20,000 units worldwide, increasing to more than 500,000 units by 2015 and 1.3 million by 2020 which accounts for 1.8 per cent of the total number of passenger vehicles expected to be sold that year. In general, electric vehicles use electric motors for traction drive, power converters for energy transfer and control, and batteries, fuel cells, ultracapacitors, or flywheels for energy storage. These are the core elements of the electric power drive train and thus are desired to provide high reliability over the lifetime of the vehicle. One of the vulnerable components in an electric power drive train is the IGBT switching devices in an inverter. During the operation, IGBT power modules will experience high mechanical and thermal stresses which lead to bond wire lift-off and solder joint fatigue faults. Theses stresses can lead to malfunctions of the IGBT power modules. A short-circuit or open-circuit in any of the power modules may result in an instantaneous loss of traction power, which is dangerous for the driver and other road users. These reliability issues are very complex in their nature and demand for the development of analytical models and experimental validation. This work is set out to develop an online measurement technique for health monitoring of IGBT and freewheeling diodes inside the power modules. The technique can provide an early warning prior to a power device failure. Bond wire lift-off and solder fatigue are the two most frequently occurred faults in power electronic modules. The former increases the forward voltage drop across the terminals of the power device while the latter increase the thermal resistance of the solder layers. As a result, bond wire lift-off can be detected by a highly sensitive and fast operating in-situ monitoring circuit. Solder joint fatigue is detected by measuring the thermal impedance of the power modules. This thesis focuses on the design and optimisation of the in-situ health monitoring circuit in an attempt to reducing noise, temperature variations and measurement uncertainties. Experimental work is carried out on a set of various IGBT power modules that have been modified to account for different testing requirements. Then the lifetime of the power module can be estimated on this basis. The proposed health monitoring system can be integrated into the existing IGBT driver circuits and can also be applied to other applications such as industrial drives, aerospace and renewable energy.

This doctoral thesis investigates modes of failure of the IGBT power module and how these modes can be coerced from an open circuit failure mode (OCFM) to a stable short circuit failure mode (SCFM) by using different interconnect technologies and material systems. SCFM is of great importance for a number of applications where IGBT power modules are connected in series string e.g. high voltage modular multi-level converters (M2LC) where one module failing to an OCFM can shut down the whole converter. The failure modes of IGBT samples based on wirebond, flexible PCB, sandwich and press pack structured interconnect technologies have been investigated. Destructive Type-II failure test were performed which concluded that the SCFM is dependent on the energy level dissipating in the power module and the interconnect technology. The higher thermal mass and stronger mechanical constraint of the interconnect enables module to withstand higher energy dissipation. The cross-sections of the tested samples have been characterised with the scanning electron microscope and three dimensional X-ray computed tomography imaging. It was observed that the networked conductive phases within the solidification structure and the Sn-3.5Ag filled in cracks of the residual Si IGBT are responsible for low resistance conduction paths. The best networked conductive phase with lowest electrical resistance and high stability was offered by Ag if used as an intermediate interconnect material on emitter side of an IGBT. To offer a stable SCFM, a module has to be custom designed for a particular application. Hence for the applications which demand a stable SCFM, the IGBT module design becomes an integrated part of the complete power electronics system design.

Cette thèse a pour objet l'étude de la fiabilité de modules de puissance triphasés à IGBTs 200 A - 600 V, destinés à la construction d'onduleurs de traction pour des applications automobiles hybrides ou électriques. Ces travaux visent à évaluer la tenue de ces modules de puissance en régime de cyclage thermique actif à hautes température, en mettant l'accent sur leur résistance à la fatigue thermomécanique. Deux approches complémentaires ont été mises en oeuvre dans ce but: tests de vieillissement accéléré et modélisation numérique. Une compagne d'essais de vieillissement par cyclage actif a été menée avec des profils de température variés, définis par la température ambiante et la variation de température de jonction des IGBTs, utilisés comme facteurs d'accélération des contraintes. Au cours de ces tests, les composants ont électriquement fonctionné dans des conditions semblables à une application réelle (commande MLI). L'objectif était d'identifier les modes de défaillance, d'estimer l'influence des facteurs d'accélération du vieillissement, et d'évaluer la pertinence des indicateurs de défaillance classiques dans ces conditions de stress thermiques sévères. Aussi, afin de mieux comprendre les mécanismes de défaillance responsables de la fatigue de l'assemblage des modules considérés, une modélisation thermomécanique visant à déterminer l'impact des modèles de comportement mécanique sur la durée de vie estimée des brasures, a été développée. La réponse de l'assemblage à des contraintes de cyclage actif similaires à celles appliquées durant les essais a été évaluée par analyse numérique. Les différentes lois de comportement ont été comparées en termes de contraintes, déformations plastiques, et densité d'énergie plastique dans les brasures
This thesis is dedicated to reliability investigations led on three-phase 200~A~--~600~V IGBT power modules, designed for building drive inverters for hybrid or electric automotive traction applications. The objective was to evaluate the durability of the studied modules when they withstand power cycling in high temperature environments, and especially their resistance to thermo-mechanical fatigue. Two complementary approaches were considered: accelerated aging experiments and numerical modeling.A series of power cycling tests was carried out over a large range of temperature profiles, defined by the ambient temperature and IGBT junction temperature excursion. These quantities are used as thermal stress acceleration factors. Those experiments were led in realistic electrical conditions (PWM control scheme). They aimed at identifying the failure modes of the target devices, assessing the impact of the acceleration factors on their aging process, and evaluating the suitability of standard aging indicators as damage precursors in such harsh loading conditions. Besides, to better understand the failure mechanisms governing the fatigue life of the modules assembly, a thermo-mechanical modeling focusing on solder joints was built. Our simulation efforts concentrated on the appraisal of constitutive modeling effects on solder joints lifetime estimation. Numerical analysis of the assembly response to power cycling in similar operating conditions as practiced in experiments were performed. Behavior laws were then compared on stress, plastic strain, and strain energy density developed within the joints

L’électronique de puissance a un rôle de plus en plus grandissant dans les systèmes de transports : voitures électriques et hybrides, trains et avions. Pour ces applications, la sécurité est un point critique et par conséquent la fiabilité du système de puissance doit être optimisée. La connaissance du temps de fonctionnement avant défaillance est une donnée recherchée par les concepteurs de ces systèmes. Dans cette optique, un indicateur de défaillance précoce permettrait de prédire la défaillance des systèmes avant que celle-ci soit effective. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation électromécanique des puces de puissance IGBT et MOSFET. L’exploitation de cette caractérisation devrait permettre, à plus long terme, de mettre en évidence un indicateur de l’état mécanique des assemblages de puissance à des fins de fiabilité prédictive
Power electronics has a role increasingly growing up in transport:electric and hybrid vehicles, trains and aircraft. For these applications, security is a critical point, thus the reliability of the power assembly must be optimized. The knowledge of time to failure is very important information for the designers of these systems. Inthis context, an early failure indicator would predict system failuresbefore it becomes effective. In this thesis, we focused on the electromechanical characterization of power transistors: MOSFET and IGBT. Based on these results this electromechanical characterization should help us in the longer term, to highlight an early failure indicator of the power assembly

Dans le cas des installations photovoltaïques, l’onduleur est le premier élément défaillant dont il est difficile d’anticiper la panne, et peu d’études ont été faites sur la fiabilité de ce type de convertisseur. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils et méthodes en vue d'étudier le vieillissement des modules de puissance dans ce type d'application en se focalisant sur les phénomènes de dégradation liés à des aspects thermomécaniques. En règle générale, le vieillissement accéléré des modules de puissance est effectué dans des conditions aggravées de courant (Cyclage Actif) ou de température (Cyclage Passif) pour accélérer les processus de vieillissement. Malheureusement, en appliquant ce type de vieillissement accéléré, des mécanismes de défaillances qui ne se produisent pas dans la vraie application peuvent être observés et, inversement, d'autres mécanismes qui se produisent habituellement peuvent ne pas apparaître. La première partie de la thèse se focalise donc sur la mise en place d'une méthode de vieillissement accéléré des composants semi-conducteurs des onduleurs photovoltaïques. Cela est fait en s’appuyant sur l’analyse des profils de mission du courant efficace de sortie des onduleurs et de la température ambiante, extraits des centrales photovoltaïques situées au sud de la France sur plusieurs années. Ces profils sont utilisés pour étudier les dynamiques du courant photovoltaïque, et sont introduites dans des modèles numériques pour estimer les pertes et les variations de la température de jonction des semi-conducteurs utilisés dans les onduleurs, en utilisant l’algorithme de comptage de cycles "Rainflow". Cette méthode est ensuite mise en œuvre dans deux bancs expérimentaux. Dans le premier, les composants sous test sont des modules IGBT. Les composants sont mis en œuvre dans un banc de cyclage utilisant la méthode d'opposition et mettant en œuvre le profil de vieillissement défini précédemment. Un dispositif in-situ de suivi d'indicateurs de vieillissement (impédance thermique et résistance dynamique) est également proposé et évalué. Le deuxième banc est consacré à l'étude de modules de puissance à base de MOSFET SiC. Le vieillissement est effectué dans les mêmes conditions que pour les modules IGBT et de nombreux indicateurs électriques sont monitorés mais, cette fois ci, en extrayant les composants de l'onduleur de cyclage. Les résultats obtenus ont permis de déterminer des indicateurs de vieillissement d’IGBT et de MOSFET SiC utilisés dans un onduleur photovoltaïque
In the case of photovoltaic installations, the DC/AC inverter has the highest failure rate, and the anticipation of its breakdowns is still difficult, while few studies have been done on the reliability of this type of inverter. The aim of this PhD is to propose tools and methods to study the ageing of power modules in this type of application, by focusing on ageing phenomena related to thermo-mechanical aspects. As a general rule, the accelerated ageing of power modules is carried out under aggravated conditions of current (Active Cycling) or temperature (Passive Cycling) in order to accelerate the ageing process. Unfortunately, when applying this type of accelerated ageing tests, some failure mechanisms that do not occur in the real application could be observed, while inversely, other mechanisms that usually occur could not be recreated. The first part of the PhD focuses on the implementation of an accelerated ageing method of the semiconductor devices inside photovoltaic inverters. This is accomplished by analyzing the mission profiles of the inverter’s output current and ambient temperature, extracted over several years from photovoltaic power plants located in the south of France. These profiles are used to study photovoltaic current dynamics, and are introduced into numerical models to estimate losses and junction temperature variations of semiconductors used in inverters, using the cycle counting algorithm “Rainflow”. This method is then performed in two experimental test benches. In the first one, the devices under test are IGBT modules, where the accelerated ageing profile designed is implemented using the opposition method. Moreover, an in-situ setup for monitoring ageing indicators (thermal impedance and dynamic resistance) is also proposed and evaluated. The second bench is devoted to study the ageing of SiC MOSFET power modules. The accelerated ageing test is carried out under the same conditions as for the IGBT modules with more monitored electrical indicators, but this time by disconnecting the semiconductor devices from the inverter. The results obtained allowed to determine several potential ageing indicators of IGBTs and SiC MOSFETs used in a photovoltaic inverter

Les transistors IGBT sont les composants semi-conducteurs de puissance les plus couramment utilisés dans les fonctions de l'électronique de puissance. Ils sont fréquemment assemblés dans des modules contenant plusieurs puces et réalisant l'interconnexion à la fois électrique et thermique avec l'environnement. Dans de nombreuses applications, ces modules sont soumis à un cyclage thermique actif généré par les variations du régime de fonctionnement du système. Ceci est à l'origine de différentes dégradations d'origine thermomécaniques pouvant mener à la défaillance. Les tests de vieillissement sont l'un des moyens permettant de mieux comprendre les mécanismes de dégradations en imposant des conditions de stress connues mais également de construire des modèles de fiabilité comportementaux utiles dans l'estimation de durée de vie des systèmes.Le présent travail décrit la mise en œuvre d'une méthode de test originale destinée à des modules IGBT de la gamme 600V-200A et basée sur l'utilisation d'onduleurs fonctionnant en modulation de largeur d'impulsion. Elle exploite la variation de température de jonction provoquée par cette modulation pour générer un cyclage thermique d'une fréquence très supérieure (2Hz à 10Hz) à celles habituellement utilisées pour ce type de test. Ceci permet de réduire considérablement la durée de ces tests et d'accéder à des gammes basses de l'amplitude des cycles thermiques.Les essais de vieillissement imposent de suivre l'évolution de paramètres indicateurs afin d'estimer régulièrement l'état des composants testés et d'appliquer des conditions d'arrêt. Le paramètre utilisé dans le présent travail est la tension VCE des IGBT, qui est un bon révélateur de l'état des fils de bondings, maillons faibles de ces modules. En complément du développement de la méthode de cyclage proprement-dite, un dispositif de suivi automatique du paramètre VCE a été développé afin de limiter la durée des phases de caractérisations correspondantes. Ce dispositif permet également de mesurer la température de jonction de façon indirecte et de reconstruire le profil de température dynamique pendant le cyclage.Cet ensemble a permis d'obtenir des résultats exploitables sur une trentaine d'échantillons avec des amplitudes de cycle comprises entre 30°C et 50°C. Ils mettent en évidence un seul type de dégradation, la fissuration des attaches entre les fils de bonding et la métallisation d'émetteur avec, dans certains cas, le décollement complet du fil (lift-off). Des essais à différentes fréquences de cyclage pour la même amplitude ont été réalisés sur un groupe de ces échantillons. Si le nombre d'échantillons consacrés à comparaison n'est pas encore réellement suffisant, les résultats obtenus sont similaires et semblent donc démontrer que la fréquence de test n'impacte pas le mode de vieillissement dans la gamme de température étudiée. Cette observation est une première validation de la pertinence de la méthode proposée qui permet de réduire d'un facteur cinq à dix les durées de test
IGBT transistors are the most used power semiconductor devices in power electronics and are often integrated in power modules to constitute basic switching functions. In various applications, IGBT power modules suffer thermal cycling (or power cycling) due to variations of operating conditions. This power cycling induces thermo mechanical stress that can lead to damages and then, to failures. Ageing tests are a means to identify and analyze the degradation mechanisms due to power cycling by imposing calibrated test conditions. In addition, their results can be used to establish empiric lifetime models that are useful for power converter designers.The present work describes the implementation of an ageing test method dedicated to IGBT modules operating in the 600V-200A range. This method takes advantage of particular operating conditions generated by pulse width modulation inverters in which the IGBT modules to be tested are introduced. The modulation induces a variation of IGBT die temperature, i.e. a power cycling, of which the frequency is significantly higher (2Hz to 10Hz) than the operating frequencies of classical test systems. By using this technique, the test length is reduced while low values of thermal amplitude can be reached.Throughout the ageing tests, the monitoring of ageing indicators is required to evaluate the sample health and to stop the operation when predefined conditions are reached. In the present work, the ageing indicator is the on-state voltage VCE across the IGBT device that is relevant in regard with wire bond degradations. Therefore, as a complement of the fast test method, an automated VCE monitoring system has been developed in order to fully take benefit of the high test-speed. In addition, this system is able to measure the junction temperature and to provide the temperature profile during the power cycling.This test bench has made possible the ageing process of three dozen of samples by applying thermal swing amplitudes in the 30°C-50°C range, that is not reachable with classical test benches operating in low frequency because of the unacceptable test length. The results show that only one kind of damage is generated by the present test conditions, i.e. the degradation of attaches between the emitter metallization and the wire bonds. In many case, complete lift-off have been observed. Some samples have been used to evaluate the influence of thermal swing frequency on the results. The latter are unchanged when the frequency varies between 2Hz and 0.2Hz, therefore it is a first validation of the fast test relevance

Dans de nombreux domaines, tels que l’industrie des transports ou bien des infrastructures, la tendance est à l’introduction toujours plus importante d’équipements électriques. De ce fait, les industriels sont de plus en plus confrontés à la nécessité de fournir des dispositifs robustes et fiables avec un minimum de maintenance. Les composants électroniques, tels que les transistors IGBTs ou MOSFETs et les diodes rassemblés dans des modules de puissance, sont au cœur de la conversion d'énergie électrique. En conséquence, ils sont soumis en opération à de fortes contraintes environnementales et fonctionnelles (température, humidité…). L’ensemble de ces contraintes a un impact sur la durée de vie des composants, et donc sur la fiabilité des dispositifs. D’un point de vue économique, le remplacement d’un équipement défectueux est moins pénalisant qu’une défaillance brutale du système. Ainsi, l’utilisation d’outils de diagnostic est nécessaire pour prédire la durée de vie restante des dispositifs en opération, et mettre en place une maintenance adaptée et efficace.Pour déterminer la durée de vie restante des modules de puissance en opération, des modèles de durée de vie sont utilisés. La plupart de ces modèles sont établis soit de manière empirique, soit de manière physique, soit de manière statistique. Les modèles empiriques sont les plus courants, car leur réalisation et implémentation sont maintenant bien connues. Ils se basent sur des résultats issus de tests de cyclage accélérés qui reproduisent les contraintes endurées par le module de puissance sous des conditions "accélérées" de fonctionnement. Une extrapolation est ensuite nécessaire pour obtenir l’état de santé du dispositif dans des conditions normales de fonctionnement. Le principal inconvénient de ces modèles réside dans le manque de description des mécanismes physiques responsables de l’endommagement. Ce manque peut mener potentiellement à des erreurs, notamment lors de l’extrapolation. C’est pourquoi les modèles basés sur la physique connaissent un intérêt grandissant.Dans cette thèse, deux modèles de durée de vie basés sur la physique et appliqués aux modules de puissance IGBTs sont proposés et comparés. La première approche est basée sur les déformations induites à l’intérieur de l’assemblage du module lorsque soumis à des contraintes thermiques. Dans ce cas, la dégradation est décrite via la quantification des déformations pour un stress thermique donné. Dans la seconde approche, le modèle de durée de vie est basé directement sur l’endommagement via l’établissement d’un modèle de dégradation. La comparaison des deux modèles met en lumière les défauts et qualités de chacun. D’une manière plus générale, l’établissement et la comparaison de ces modèles s’inscrit dans une démarche de développement d’outils de diagnostic afin de prédire la durée de vie restante des modules de puissance en opération
The domain of power electronics reliability has become an important center of interest with the recent massive system electrification. The manufacturers are more and more confronted to the necessity of producing reliable devices with optimized maintenance. Electronics components, such as IGBTs, diodes and MOSFETs assembled in power modules, are at the center of the systems conversion, and as a consequence, are subjected to high environmental and functional stresses (ambient temperature, vibrations…). All these factors have a strong impact on the components lifetime and thus on the devices reliability. Economically, scheduling a maintenance with a system replacement is less detrimental than a brutal failure of the system. As a consequence, the use of lifetime prognostic tools is necessary. The problematic consists in the health state prediction of power modules in functioning to be able to schedule a maintenance before the failure of the equipment.To be able to determine the remaining useful lifetime of power modules in functioning, lifetime models are used. These models can either be empirical, physical or statistical. The empirical models are the most common ones, because of their easy establishment and implementation. They are based on results from accelerated power cycling tests, which reproduce the stresses endured by the power modules in severe conditions. An extrapolation is then needed to obtain the power module health state in normal functioning conditions. The main drawback of these models is the lack of description of the physical mechanisms leading to damage, resulting potentially in errors in particular during extrapolation. That’s the reason why physical models start to draw more attention.In the thesis, two physical lifetime models of IGBT power modules are proposed. The first approach is based on deformation induced inside the device assembly in operation. The degradation is in this case described by the quantification of deformation related to thermal stresses. In the second approach, the lifetime model is based directly on damage through the establishment of a degradation model. These two lifetime models are finally compared to show the benefits and disadvantages of each. More generally, the establishment and comparison of these models is part of an approach to develop diagnostic tools so that the remaining useful lifetime of power modules can be predicted in operation

Actuellement, le module de puissance (convertisseur de puissance) standard hybride 2D est la technologie de référence qui domine le marché de la moyenne et de la forte puissance. Ce dernier se présente sous la forme d'un boitier à multi-puces discrètes. Les puces à semi-conducteur sont reliées entre elles par des faisceaux de wire-bonding (câblage par fils) pour former des cellules de commutation. La technologie d'interconnexion wire-bonding présente une grande maturité technologique, et ses modes de défaillance sont bien connus aujourd'hui. Toutefois, cette technologie est un facteur limitant en termes de performances électrique et thermomécanique, d'intégrabilité tridimensionnelle et de productivité. Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer et d'étudier de nouvelles architectures de convertisseurs de puissance très intégrés. Comparée à la technologie hybride, dite de référence, les architectures proposées visent à un degré d'intégration plus poussé, avec un effort d'intégration partagé et conjoint au niveau semi-conducteur (intégration monolithique) et au niveau assemblage (intégration hybride). L'intégration monolithique consiste à intégrer les interrupteurs formant les cellules de commutation dans de nouvelles architectures de puces, passant ainsi de la notion de puce dipôle à celle de macro-puce multi-pôle. L'intégration hybride repose sur le développement de nouvelles technologies de report et d'assemblage de ces macro-puces. Pour valider les trois nouvelles architectures d'intégrations proposées, la démarche a consisté dans un premier temps à étudier et valider le fonctionnement des nouvelles puces par des simulations SentaurusTM TCAD. Ensuite, les puces multi-pôles ont été réalisées en s'appuyant sur la filière IGBT disponible dans la plateforme de micro-fabrication du LAAS-CNRS. Pour finir, les puces ont été reportées sur des cartes PCB, afin de réaliser des circuits de conversions prototypes. La maille de commutation très intégrée proposée présente une inductance parasite inférieure au nanohenry, ce qui est remarquable comparée à ce qui est présenté dans l'état de l'art (env. 20 nH)
Currently, the standard 2D hybrid power module (power converter) is the reference technology for the medium and high power market. This hybrid power module is a discrete multi-chip case. The semi-conductor chips are interconnected by wire-bonding to form switching cells. The wire-bonding interconnection technology is a limiting factor in terms of electrical and thermomechanical performances, three-dimensional integrability and productivity. The aim of this thesis is to study new architectures of very integrated power converters. Compared to the so-called hybrid reference technology, the proposed architectures aim at a greater degree of integration, with an integration at both the semi-conductor level (monolithic integration) and the packaging level (hybrid integration). Monolithic integration consists in integrating switching cells into new multi-terminal macro-chip architectures. Hybrid integration consists in developing of new technologies to assemble these macro-chips. To validate the different proposed integration architectures, the first step was to study and validate the operating modes of the new chips by SentaurusTM TCAD simulations. Then, the multi-terminal chips were realized in the micro and nanotechnology platform of LAAS-CNRS laboratory. Finally, the chips were bonded on PCB substrates to realize power converter circuit prototypes. The highly integrated switching loop presents a stray inductance loop lower than one nanohenry, wich is an important improvement as compared to the values reported in literature (about 20 nH)

Satisfaire les besoins en énergie de manière responsable est possible grâce aux énergies renouvelables, notamment éoliennes et solaires. Cependant ces centres de captation d’énergie sont éloignés dans zones de consommation. Le transport de l’énergie via des réseaux HVDC (haute tension courant continu) permet un rendement et une flexibilité avantageuse face au transport HVAC (haute tension courant alternatif). Ceci est rendu possible grâce aux convertisseurs utilisant l’électronique de puissance. Les récents développements sur les semi-conducteurs à large bande interdite, plus particulièrement le carbure de silicium (SiC) offrent la possibilité de concevoir ces convertisseurs plus simples, utilisant des briques technologiques de plus fort calibre (≤ 10 kV). Cependant le packaging, essentiel à leur bon fonctionnement, ne suit pas ces évolutions. Dans cette thèse, nous explorons les technologies actuelles ainsi que les limites physique et normatives liées au packaging haute tension. Des solutions innovantes sont proposées pour concevoir un module de puissance haute tension, impactant que faiblement les paramètres connexes (résistance thermique, isolation électrique et paramètres environnementaux). Les éléments identifiés comme problématiques sont traités individuellement. La problématique des décharges partielles sur les substrats céramiques métallisés est développée et une solution se basant sur les paramètres géométriques a été testée. Le boitier standard type XHP-3 a été étudié et une solution permettant de le faire fonctionner à 10 kV à fort degré de pollution a été développée
The supply of carbon-free energy is possible with renewable energy. However, windfarms and solar power plants are geographically away from the distribution points. Transporting the energy using the HVDC (High Voltage Direct Current) technology allow for a better yield along the distance and result in a cost effective approach compared to HVAC (High Voltage Alternative Current) lines. Thus, there is a need of high voltage power converters using power electronics. Recent development on wide bandgap semiconductors, especially silicon carbide (SiC) allow a higher blocking voltage (around 10 kV) that would simplify the design of such power electronic converters. On the other hand, the development on packaging technologies needs to follow this trend. In this thesis, an exploration of technological and normative limitation has been done for a high voltage power module design. The main hot spot are clearly identified and innovative solutions are studied to provide a proper response with a low impact on parasitic parameters. Partial Discharges (PD) on ceramic substrates is analyzed and a solution of a high Partial Discharge Inception Voltage (PDIV) is given based on geometrical parameters. The XHP-3 like power modules are studied and a solution allowing a use under 10 kV at a high pollution degree (PD3) is given

Le contrôle de la fiabilité des composants électroniques critiques est un des enjeux des acteurs du secteur ferroviaire. Les modules de puissance à IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) appartiennent à cette liste de composants. Ils sont soumis à de fortes contraintes correspondant à celles rencontrées dans des environnements ferroviaires sévères. Les conditions environnementales rencontrées dans l’exploitation ferroviaire et les fortes exigences en termes de disponibilité imposent des niveaux de fiabilité élevés aux IGBT. Dans une optique d’amélioration de leur fiabilité, une méthodologie d’évaluation a été développée basée sur une approche probabiliste et supportée par un réseau bayesien. Pour la mise en place du modèle, plusieurs briques de travail ont été assemblées. En premier lieu, une approche originale nommée « Cycle en U» a été proposée mettant en évidence de façon biunivoque un niveau système associé au train et un niveau composant assimilable à l’IGBT considérés simultanément selon des vues fonctionnelles et dysfonctionnelles. Dans ce cadre, le travail a conduit, dans un premier temps, à mettre en évidence les mécanismes caractérisant, dans une logique descendante, l’influence de la sollicitation du train sur la sollicitation du composant puis, selon une logique ascendante, de l’impact dysfonctionnel de la défaillance au niveau composant sur la fiabilité du système. Dans un deuxième temps, les résultats de cette analyse ont débouché sur la mise en place de la structure d’un modèle bayesien dont le caractère générique lui permet d’être déployé pour la modélisation fiabiliste de tout type de système ferroviaire. Le travail de modélisation basé sur les réseaux bayesiens sert de support au rapprochement entre modèles analytiques (physique de défaillance) et données issues de l’utilisation du composant élémentaire dans son environnement de fonctionnement. Le modèle a été utilisé pour la modélisation de la fiabilité d’un IGBT dans un cadre d’application correspondant au métro de la ville de Chennai en Inde. Les données et connaissances expertes recueillies sur le projet ont permis de déterminer les tables de probabilités du réseau bayesien. Les résultats probabilistes du modèle ont été traduites en indicateurs de fiabilité
The reliability control of critical electronic components is one of the challenges to be faced by railway stakeholders. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) power modules belong to this list of components. They are subject to high stresses corresponding to those encountered in harsh railway environments. The environmental conditions encountered in rail operations and the demanding availability requirements impose high levels of reliability on IGBT. In order to improve their reliability, an evaluation methodology has been developed based on a probabilistic approach and supported by a Bayesian network. For the implementation of the model, several working elements were assembled. First, an original approach called "U-Cycle" was proposed, highlighting in a one-to-one way a system level associated with the train and a component level similar to the IGBT considered simultaneously according to functional and dysfunctional views. In this context, the work led, first, to highlight the mechanisms characterizing, in a top-down logic, the influence of train loading on component stress and, in a bottom-up logic, the dysfunctional impact of the failure at component level on system reliability. In a second step, the results of this analysis led to the implementation of the structure of a Bayesian model whose generic nature allows it to be deployed for the reliable modelling of any type of rail system. The modelling work based on Bayesian networks is used to support the reconciliation between analytical models (failure physics) and data from the use of the elementary component in its operating environment. The model was used to model the reliability of an IGBT in an application framework corresponding to the metro in the city of Chennai, India. The data and expert knowledge collected on the project made it possible to determine the probability tables of the Bayesian network. The probabilistic results of the model have been translated into reliability indicators

The knowledge about the reliability of power electronics is necessary for the design of converters. Especially for offshore applications it is essential to know, which fatigue processes happen and how the lifetime can be estimated. Numerical simulation is an important tool for the development of power electronic systems. This thesis analyse the thermal and thermal-mechanical behaviour of packages for power semiconductor devices with the help of simulations. One topic is the evaluation of different thermal models. The main focus is on the description of the thermal cross-coupling between the devices and the influence to the lifetime estimation. The power module is a well established package for power semiconductor devices. It will be explained how the heating period of power cycles influences the failure mode of this package type. Additionally, it will evaluated how SiC devices and DAB substrates influence the power cycling capability. The press-pack is in focus for high power applications as the package short-circuits during an electrical failure without external auxiliary systems. However, the knowledge about the power cycling behaviour is currently limited. With the help of simulations this behaviour will be analysed and possible weak points will be also derived. In the end of the work it will be discussed, how the lifetime can be estimated with help of FEM simulations
Für die Entwicklung von Umrichtern ist die Kenntnis über die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein wichtiges Kernthema. Insbesondere für Offshore-Anwendungen ist das Wissen über die stattfindenden Ermüdungsprozesse und die Abschätzung der zu erwartenden Lebensdauer der Bauteile essentiell. Hierfür hat sich die Simulation als ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Lebensdauerbewertung von leistungselektronischen Anlagen etabliert. In der folgenden Arbeit wird das thermische und das thermisch-mechanische Verhalten der Leistungselektronik mittels Simulationen untersucht. Hierzu wird ein Vergleich zwischen verschiedenen thermischen Modellen für Leistungsbauelemente durchgeführt. Schwerpunkt ist die Beschreibung der thermischen Kopplung zwischen den Chips und deren Einfluss auf die Lebensdauerabschätzung. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Leistungsmodul, welches sich als ein Standardgehäuse etabliert hat. Dazu wird erklärt, wie die Variation der Einschaltzeit im aktiven Lastwechseltest den Fehlermodus dieses Gehäusetyps beeinflusst. Weiterhin wird untersucht, wie SiC als Leistungshalbleiter und DAB als Substrat die Zuverlässigkeit beein- flusst. Der Press-Pack ist für Hochleistungsapplikationen von hohem Interesse, da dieses Gehäuse im elektrischen Fehlerfall ohne äußere Unterstützung kurzschliesst. Jedoch ist das Wissen über diese Gehäusetechnologie unter aktiven Lastwechselbedingungen sehr limitiert. Mit Hilfe von Simulationen wird dieses Verhalten untersucht und mögliche Schwachpunkte abgeleitet. Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, wie Mithilfe von FEM Simulationen die Lebensdauer von Leistungsmodulen evaluiert werden kann

The knowledge about the reliability of power electronics is necessary for the design of converters. Especially for offshore applications it is essential to know, which fatigue processes happen and how the lifetime can be estimated. Numerical simulation is an important tool for the development of power electronic systems. This thesis analyse the thermal and thermal-mechanical behaviour of packages for power semiconductor devices with the help of simulations. One topic is the evaluation of different thermal models. The main focus is on the description of the thermal cross-coupling between the devices and the influence to the lifetime estimation. The power module is a well established package for power semiconductor devices. It will be explained how the heating period of power cycles influences the failure mode of this package type. Additionally, it will evaluated how SiC devices and DAB substrates influence the power cycling capability. The press-pack is in focus for high power applications as the package short-circuits during an electrical failure without external auxiliary systems. However, the knowledge about the power cycling behaviour is currently limited. With the help of simulations this behaviour will be analysed and possible weak points will be also derived. In the end of the work it will be discussed, how the lifetime can be estimated with help of FEM simulations.
Für die Entwicklung von Umrichtern ist die Kenntnis über die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein wichtiges Kernthema. Insbesondere für Offshore-Anwendungen ist das Wissen über die stattfindenden Ermüdungsprozesse und die Abschätzung der zu erwartenden Lebensdauer der Bauteile essentiell. Hierfür hat sich die Simulation als ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Lebensdauerbewertung von leistungselektronischen Anlagen etabliert. In der folgenden Arbeit wird das thermische und das thermisch-mechanische Verhalten der Leistungselektronik mittels Simulationen untersucht. Hierzu wird ein Vergleich zwischen verschiedenen thermischen Modellen für Leistungsbauelemente durchgeführt. Schwerpunkt ist die Beschreibung der thermischen Kopplung zwischen den Chips und deren Einfluss auf die Lebensdauerabschätzung. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Leistungsmodul, welches sich als ein Standardgehäuse etabliert hat. Dazu wird erklärt, wie die Variation der Einschaltzeit im aktiven Lastwechseltest den Fehlermodus dieses Gehäusetyps beeinflusst. Weiterhin wird untersucht, wie SiC als Leistungshalbleiter und DAB als Substrat die Zuverlässigkeit beein- flusst. Der Press-Pack ist für Hochleistungsapplikationen von hohem Interesse, da dieses Gehäuse im elektrischen Fehlerfall ohne äußere Unterstützung kurzschliesst. Jedoch ist das Wissen über diese Gehäusetechnologie unter aktiven Lastwechselbedingungen sehr limitiert. Mit Hilfe von Simulationen wird dieses Verhalten untersucht und mögliche Schwachpunkte abgeleitet. Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, wie Mithilfe von FEM Simulationen die Lebensdauer von Leistungsmodulen evaluiert werden kann.

For decades, the Silicon-based semiconductors have been the solution for power electronics applications. However, these semiconductors have approached their limits of operation in blocking voltage, working temperature and switching frequency. Due to material superiority, the relatively-new wide-bandgap semiconductors such as Silicon-Carbide (SiC) MOSFETs enable higher voltages, switching frequencies and operating temperatures when compared to Silicon technology, resulting in improved converter specifications. The current study tries to investigate the impact of emerging medium-voltage SiC MOSFETs on industrial motor drive application, where over a quarter of the total electricity in the world is being consumed. Firstly, non-commercial SiC MOSFETs at 3.3 kV and 400 A rating are characterized to enable converter design and simulation based on them. In order to feature the best performance out of the devices under test, an intelligent high-performance gate driver is designed embedding required functionalities and protections. Secondly, total of three converters are targeted for industrial motor drive application at medium-voltage and high-power range. For this purpose the cascaded H-bridge, the modular multilevel converter and the 5-L active neutral point clamped converters are designed at 4.16-, 6.9- and 13.8 kV voltage ratings and 3- and 5 MVA power ratings. Selection of different voltage and power levels is done to elucidate variation of different parameters within the converters versus operating point. Later, comparisons are done between the surveyed topologies designed at different operating points based on Si IGBTs and SiC MOSFETs. The comparison includes different aspects such as efficiency, power density, semiconductor utilization, energy stored in converter structure, fault containment, low-speed operation capability and parts count (for a measure of reliability). Having the comparisons done based on simulation data, an H-bridge cell is implemented using 3.3 kV 400 A SiC MOSFETs to evaluate validity of the conducted simulations. Finally, a novel method is proposed for series-connecting individual SiC MOSFETs to reach higher voltage devices. Considering the fact that currently the SiC MOSFETs are not commercially available at voltages higher above 1.7 kV, this will enable implementation of converters using medium-voltage SiC MOSFETs that are achieved by stacking commercially-available 1.7 kV MOSFETs. The proposed method is specifically developed for SiC MOSFETs with high dv/dt rates, while majority of the existing solutions could only work merely with slow Si-based semiconductors.
Ph. D.

Une étude sur la réduction/suppression de l'inductance de limitation di/dt pour IGCTs et du clamp RCD en utilisant des diodes rapides en silicium (Si) et des diodes en carbure de silicium (SiC) dans les convertisseurs multiniveaux modulaires (MMC). Cette thèse contient :- Analyse des sous-modules de MMC HVDC existants.- Évaluation de l'intérêt des IGCTs dans les sous-modules MMC HVDC et comparaison des pertes avec les IGBT, en utilisant des facteurs de mérite spécifiques aux MMC créés dans cette thèse.- Test de double pulse avec diode à récupération rapide dans un module plastique pour tenter de réduire et supprimer l'inductance limitant le di/dt.- Packaging de puces de diodes SiC PiN à haute tension et courant élevé, test avec IGCT dans le même montage, pour tenter de réduire et supprimer l'inductance limite di/dt, et analyser les spécificités de la diode SiC dans ce montage
A study on Integrated gate-commutated thyristors (IGCT) di/dt limiting inductance and RCD-clamp reduction/suppression using plastic module silicon (Si) fast recovery diodes and silicon carbide (SiC) diodes, in Modular Multilevel Converters (MMC). This PhD contains:- Analysis of existing HVDC MMC Submodules.- Assessment of the interest of the IGCT in HVDC MMC Submodules and losses comparison with IGBTs, using MMC-specific figures-of-merit created in this thesis.- Double pulse test with fast recovery diode in plastic module to attempt to reduce and suppress the limiting di/dt inductor.- Packaging of High-Voltage High-Current SiC PiN diode dies, test with IGCT in the same setup to attempt to reduce and suppress the limiting di/dt inductor and analyze the specificities of the SiC diode in this setup

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertet
The thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail

碩士
國立臺灣大學
機械工程學研究所
106
Along with the development of electric vehicles, the reliability issue of insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules has gained attention in recent years. In this research, the lifetime of an IGBT module is estimated first without considering dimensional uncertainties of the IGBT. It is done by employing finite element analysis to estimate the junction temperature of the IGBT module during its operation. The junction temperature, in turn, is used for predicting lifetime of the IGBT module. In the latter part of this research, an analytical procedure is proposed for evaluating and investigating effects of dimensional uncertainties on lifetime distribution and reliability of the IGBT. In the procedure, Monte Carlo method is used to simulate dimensional uncertainties. The same procedure employed in the first part of this research is carried out to obtain lifetime distribution of the IGBT module. The reliability of the IGBT module is revealed and discussed accordingly. The result shows that, among various dimensional uncertainties, the uncertainty of solder-layer thickness results in lifetime distribution similar to that of experimentally obtained data. After fitting simulated lifetime data by probability density functions, it is found that normal distribution, lognormal distribution and Weibull distribution can all describe appropriately the lifetime of the studied IGBT module. It is concluded that dimensional uncertainties affect significantly the lifetime and reliability of IGBT modules.

La base d'un convertisseur statique est la fonction' interrupteur. Pour remplir cette fonction, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) se sont imposés dans le domaine des moyennes puissances. A l'heure actuelle, leur évolution est tournée vers les applications de forte *puissance, comme la traction ferroviaire. En raison des fortes densités de puissance générées dans ces composants, les performances électriques et thermiques d'un module sont fortement liées à son architecture et à son système de refroidissement. Cette étude s'inscrit dans une démarche d'intégration en électronique de puissance, avec pour objectif l'augmentation de la compacité et de la fiabilité des modules. Après une présentation de la structure classique et des notions de thermique généralement utilisées en électronique de puissance, nous proposons différentes solutions pour diminuer la résistance thermique des modules. La première consiste à intégrer un refroidisseur performant, basé sur la convection forcée monophasique dans des microcanaux. Nous présentons une démarche permettant d'estimer la résistance thermique des modules multipuces avec ce type de refroidissement. Dans une seconde phase, nous proposons un nouveau type d'interconnexion des composants de puissance, permettant de les refroidir sur leurs deux faces. Enfin, une réflexion sur les substrats utilisés dans les modules est initiée. Dans tous les cas, la réalisation et les tests de prototypes permettent de valider la modélisation des modules et de montrer la faisabilité des approches proposées.

Parasitic inductance in power modules generates voltage spikes and current ringing during switching which cause extra stress in power electronic devices, increase electromagnetic interference (EMI), and degrade the performance of the power converter system. As newer power devices have faster switching speeds and higher power ratings, the effect of the parasitic inductance of the power module is more pronounced. This dissertation proposes a novel packaging method for power electronics modules based on the concepts of novel switching cells: P-cell and N-cell. It can reduce the stray inductance in the current commutation path in a phase-leg module and hence improve the switching behavior. Taking an insulated gate bipolar transistor (IGBT) as an example, two phase-leg modules, specifically a conventional module and a P-cell and N-cell based module were designed. Using Ansoft Q3D Extractor, electromagnetic simulation was carried out to extract the stray inductance from the two modules. An ABB 1200 V / 75 A IGBT model and a diode model were built for simulation study. Circuit parasitics were extracted and modeled. Switching behavior with different package parasitics was studied based on the Saber simulation. Two prototype phase-leg modules were fabricated. The parasitics were measured using a precision impedance analyzer. The measurement results agree with the simulation very well. A double pulse tester was built in laboratory. Several approaches were used to reduce the circuit and measuring parasitics. From the switching characteristics of the two modules, it was verified that the larger stray inductance in the layout causes higher voltage overshoot during turn off, which in turn increases the turn off losses. Multichip (two in parallel) IGBT modules applying novel switching cells was also designed. The parasitics were extracted and compared to a conventional design. The overall loop inductance was reduced in the proposed module. However, the mismatch of the paralleled branches was larger.

碩士
中原大學
機械工程研究所
104
Cause of power modules has higher and higher loading power day by day, the temperature of working chip has risen. The height temperature let the power modules have to worry about how to cooling down. Therefore, some people have do some experiment to get over the reason that cause power modules fail. The warpage of power modules could cause sintered silver which in module structure cracked when module assembly. Base on pre-bending method, this paper used it to cancel out the warpage which cause in the process of power modules. By using analysis of simulation, process of power modules and pre-bending method influence on the thermal stress. To see the effect by change the geometric parameters such as diode chip height, diode chip offset distance, thickness of copper in the DBC board, and thickness of sintering silver. The results showed that thicker sintered silver was better, but must being taken on whether solder broken.

M. Tech. (Engineering: Electrical, Department Electronic Engineering, Faculty of Engineering and Technology), Vaal University of Technology
The global trends towards energy efficiency have facilitated the need for technological advancements in the design and control of power electronic converters for energy processing. The proposed design is intended to make the practical implementation of converters easier. The development of a universal bidirectional galvanic isolated switch module will be used to drive any MOSFET or IGBT in any position in any topology whether the load is AC or DC. Semiconductor switches are required and are also integrated for fast switching times in power converter applications The structure of the power switch module consists of an opto-coupler which will provide an isolation barrier for maximum galvanic isolation between the control circuitry and power stage. It also consists of a high performance gate drive circuit for high speed switching applications with a floating supply.
Telkom South Africa Ltd, TFMC Pty Ltd, M-TEC, THRIP

碩士
國立虎尾科技大學
機械與機電工程研究所
102
In recent years, along with the improvement on manufacturing of semiconductor, the insulate gate bipolar transistors (IGBT) power transistors become to have high input impedance, low driving voltage, etc., and this makes they have been widely used in power modules especially for the application in electric vehicles and hybrid electric vehicles. This is why that IGBT power modules play a key role in green-related energy saving industry. However, there are some crucial reliability problems of IGBT power transistors arising in the manufacturing processes. Thermally-induced warpage coming from the thermal mismatch of coefficient of thermal expansion (CTE) between the each laminates of IGBT power transistors have been treated as one of the most important problems. This thesis aims to investigate the mechanical behavior of IGBT power module subjected to thermal loading. First, a cooper substrate was pre-bended and a phase-stepping shadow moire (PSSM) was established to measure its full-field warpge. Then finite element analysis (FEA) was utilized to simulate the deformation resulting from thermal loading. Three specimens including bare cooper substrate, direct bond copper (DBC) module mounted on cooper substrate, DBC module and IGBT power module mounted on cooper substrate were respectively carried out to experimentally and numerically investigate their thermal behavior.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem detaillierten Vergleich von Mehrpunkt-Schaltungstopologien mit zentralem Gleichspannungszwischenkreis für den Einsatz in Mittelspannungsanwendungen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird die 3-Level Neutral Point Clamped Spannungswechselrichter Schaltungstopologie (3L-NPC VSC) sowohl mit Multilevel Flying Capacitor (FLC) als auch mit Multilevel Stacked Multicell (SMC) Schaltungstopologien verglichen, wobei unter Verwendung von aktuell verfügbaren IGBT-Modulen Stromrichterausgangsspannungen von 2.3 kV, 4.16 kV und 6.6 kV betrachtet werden. Neben der grundlegenden Funktionsweise wird die Auslegung der aktiven Leistungshalbleiter und der passiven Energiespeicher (Zwischenkreiskondensatoren, Flying Capacitors) für die untersuchten Stromrichtertopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung verschiedener Modulationsverfahren und Schaltfrequenzen werden Kennwerte für den Oberschwingungsgehalt in der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom vergleichend evaluiert. Die installierte Schalterleistungen, die Halbleiterausnutzungsfaktoren, die Stromrichterverlustleistungen sowie die Verlustleistungsverteilungen werden für die betrachteten Stromrichtertopologien detailliert gegenübergestellt und bewertet.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177
The thesis deals with a detailed comparison of voltage source converter topologies with a central dc-link energy storage device for medium voltage applications. The Three-Level Neutral Point Clamped Voltage Source Converter (3L-NPC VSC) is compared with multilevel Flying Capacitor (FLC) and Stacked Multicell (SMC) Voltage Source Converters (VSC) for output voltages of 2.3 kV, 4.16 kV and 6.6 kV by using state-of-the-art 6.5 kV, 3.3 kV, 4.5 kV and 1.7kV IGBTs. The fundamental functionality of the investigated converter topologies as well as the design of the power semiconductors and of the energy storage devices (Flying Capacitors and Dc-Link capacitors) is described. The installed switch power, converter losses, the semiconductor loss distribution, modulation strategies and the harmonic spectra are compared in detail.:Inhaltsverzeichnis Liste der Variablen i Liste der Abkürzungen v 1 Einleitung 1 2 Überblick von Mittelspannungsstromrichtertopologien und Leistungshalbleitern 3 2.1 Mittelspannungsumrichtertopologien 3 2.2 Leistungshalbleiter 8 3 Aufbau und Funktion von Mittelspannungsstromrichtertopologien 10 3.1 Neutral Point Clamped Stromrichter (NPC) 10 3.1.1 3-Level Neutral Point Clamped Stromrichter (3L-NPC) 10 3.1.2 Mehrstufige NPC-Umrichter 21 3.2 Flying Capacitor Stromrichter (FLC) 23 3.2.1 3-Level Flying Capacitor Stromrichter (3L-FLC) 23 3.2.2 4-Level Flying Capacitor-Stromrichter (4L-FLC) 33 3.2.3 Mehrstufige Flying Capacitor-Stromrichter (NL-FLC) 39 3.3 Stacked Multicell Stromrichter (SMC) 43 3.3.1 5L-Stacked Multicell Stromrichter (5L-SMC) 43 3.3.2 N-Level Stacked Multicell Umrichter (NL-SMC) 51 4 Modellierung und Auslegung der Stromrichter 59 4.1 Verlustmodell 59 4.1.1 Sperrschichttemperaturen 64 4.2 Auslegung der Leistungshalbleiter 65 4.2.1 Stromauslegung 67 4.2.2 Worst-Case Arbeitspunkte 69 4.3 Auslegung der Zwischenkreiskondensatoren 75 4.3.1 Spannungszwischenkreis 76 4.3.2 Lastseitige Strombelastung und resultierende Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis 77 4.3.3 Abhängigkeit der Strombelastung und der Spannungswelligkeit im Spannungszwischenkreis vom Frequenzverhältnis mf 95 4.3.4 Netzseitige Zwischenkreiseinspeisung 97 4.3.4.1 Zwischenkreiseinspeisung mit idealisiertem Transformatormodell 98 4.3.4.2 Zwischenkreiseinspeisung mit erweitertem Transformatormodell 101 4.3.5 Simulation des Gesamtsystems 104 4.4 Auslegung der Flying Capacitors 107 4.4.1 Strombelastung der Flying Capacitors 109 4.4.2 Spannungswelligkeit über den Flying Capacitors 113 4.4.3 Abhängigkeit der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors vom Frequenzverhältnis mf 124 4.4.4 Auswirkung der Spannungswelligkeit der Flying Capacitors auf die Ausgangsspannungen 126 5 Vergleich der Stromrichtertopologien 129 5.1 Daten für den Stromrichtervergleich 129 5.2 Basis des Vergleiches 132 5.3 Vergleich für einen 2,3 kV Mittelspannungsstromrichter 134 5.3.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 134 5.3.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 142 5.4 Vergleich für einen 4,16 kV Mittelspannungsstromrichter 146 5.4.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 146 5.4.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 153 5.5 Vergleich für einen 6,6 kV Mittelspannungsstromrichter 156 5.5.1 Vergleich bei verschiedenen Schaltfrequenzen 156 5.5.2 Vergleich bei maximaler Trägerfrequenz 162 5.6 Vergleich von 2,3 kV, 4,16 kV und 6,6 kV Mittelspannungsstromrichtern 165 5.6.1 Vergleich bei identischer installierter Schalterleistung SS 165 5.6.2 Vergleich bei einer identischen Ausgangsleistung 167 6 Zusammenfassung und Bewertung 171 Anhang 175 A. Halbleiterverlustmodell 175 Referenzen 177