Measurement techniques to characterize SiC, GaN, and Si power MOSFETs for transportation applications

Bérubé, Yan (2021). Measurement techniques to characterize SiC, GaN, and Si power MOSFETs for transportation applications. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Wide Bandgap (WBG) semiconductors have the potential to cross the barriers that limit the widespread adoption of power electronics (PE) circuits in various energy conversion applications. The WBG devices improve power density and allow PE circuits to reach operating points and efficiency beyond what standard Silicon (Si) can offer. Currently, Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) are the most viable WBG semiconductor candidates to replace Si-based devices. For now, the state-of-the-art technologies still bring confusion when it comes to choosing between SiCs and GaNs to get the most benefits of them for power converter applications. To tilt the balance in the face of this debate, this thesis presents a comprehensive comparative computation and experimental analysis among Si, SiC, and GaN MOSFETs in energy conversion applications.

A presentation of simulation equations based on intrinsic parameters of MOSFET’s equivalent mathematical model highlights the assumptions, limitations, and opportunities for improvement of the computational model. Then, simulation of multiple experimental conditions reveals favorable switching results towards SiCs while highlighting the marked advantages of this technology at high temperature. Although the simulation results are promising, the experimental validation remains necessary to make the concluding remarks. Analysis of experimental data extraction methodologies highlights the perturbation from parasitic inductances, parasitic capacitances, mutual coupling, and electromagnetic interference (EMI) on the switching process and measurements. Based on the detailed assessment of parasitic perturbations, this work proposes a voltage and current extraction methodology to remarkably minimize disturbances on measurements and the switching process. Finally, interpretation of experimental results through statistical analysis of relative comparison presents major trends from each technology while providing an interpretation of observations based on intrinsic parameters.

Titre traduit

Simulation et expérimentation des caractéristiques des semi-conducteurs de puissance Si, SiC et GaN dans les applications de conversion de l’énergie

Résumé traduit

Les semiconducteurs à large bande (WBG) ont le potentiel de franchir les barrières qui limitent l’adoption à grande échelle des véhicules électriques (VE). Les WBG améliorent la densité de puissance et permettent aux circuits électroniques de puissance (PE) d’atteindre des points de fonctionnement et une efficacité au-delà de ce que le Silicium (Si) standard peut offrir. Actuellement, les semiconducteurs WBG à base de Carbure de Silicium (SiC) et Nitrure de Gallium (GaN) sont les candidats les plus viables pour remplacer les semiconducteurs Si. Pour l’instant, la littérature apporte encore de la confusion lorsqu’il s’agit de choisir entre les SiCs et les GaNs pour tirer le meilleur parti des applications des convertisseurs d’énergie. Afin de faire pencher la balance face à ce débat, cette thèse présente une analyse comparative par simulation et expérimentation entre les MOSFETs Si, SiC et GaN dans les applications de conversion d’énergie.

Une revue des équations de simulation basées sur les paramètres intrinsèques du modèle mathématique équivalent du MOSFET expose les hypothèses, limites et possibilités d’améliorations du modèle de calcul. Ensuite, la simulation de multiples conditions expérimentales révèle des résultats de commutations favorables envers les SiCs tout en mettant en évidence les avantages marqués de cette technologie à haute température. Bien que les résultats de simulation soient prometteurs, la validation expérimentale reste nécessaire pour tirer des conclusions finales sur les observations. Dans cette optique, la conformité des hypothèses théoriques est satisfaite à des fins de comparaison entre les résultats de simulation et d’expérimentation. L’analyse des méthodologies d’extraction de données expérimentales met en évidence l’importance des perturbations des inductances parasites, capacités parasites, du couplage mutuel et des interférences électromagnétiques (EMI) sur le processus de commutation et de prise de mesures. De cela, une méthodologie d’extraction de tension et de courant est proposée pour minimiser les perturbations sur les mesures expérimentales et processus de commutation. Enfin, la comparaison relative des résultats expérimentaux montre les grandes tendances de chaque technologie par le biais de l’analyse statistique. Leur interprétation fait le pont avec les paramètres intrinsèques des MOSFETs.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 213-219).
Mots-clés libres:	Wide Bandgap (WBG), semiconducteur de puissance, Carbure de silicium (SiC), Nitrure de gallium (GaN), électronique de puissance (PE), véhicules électriques (VE), modélisation, mesures expérimentales
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Fortin Blanchette, Handy
Codirecteur:	Codirecteur Ghazanfari, Amin
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	12 janv. 2022 16:06
Dernière modification:	12 janv. 2022 16:06
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2835

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