Application relevant power cycling of next generation SiC MOSFETs

The concept of reliability in power electronics is not new. But with changes in the application profiles and the stringent requirements for very specific applications in various sectors it has become more and more important. Though a lot of test data and methodologies are available for the traditional Si MOSFETs there are still areas of development in test strategies to be covered when it comes to the newer generation SiC MOSFETs. There are standard procedures of testing that are being done in the industry to guarantee reliable operation under set stress conditions. With the advent of usage in sectors like renewables and automotive it has become more important to have specific application relevant test setups to fully understand the exact stress conditions and the failure mechanism that is triggered by it. This also plays a crucial role in allowing designers to select components to ensure maximum reliability and longevity of the system. This thesis starts discussing the issues: on the traditional ways of doing reliability tests on power electronic devices; the problems observed when it comes to testing SiC MOSFETs; the various application relevant test-benches that have been implemented. Then, by simulating a photovoltaic (PV) based standard boost converter system, the typical load variations with irradiation mission profile have been studied. An H-bridge setup is then created to emulate the effect of variation of load current on the converter’s switch. This is followed by setting up an H-bridge test bench to verify the simulation results in hardware. The method of power cycling is used to emulate the application relevant stress. The required systems for taking measurements have also been developed as a part of this thesis. Next, temperature sensitive electrical parameters (TSEPs) of SiC MOSFET are discussed based on their effectiveness as a condition monitoring (CM) parameter for the device under test (DUT). Based on the discussions, a hardware system is developed to measure the MOSFET body-diode voltage drop (VSD) as a CM parameter. The behaviour of the system is discussed, and the problems observed with the developed system are reported. Finally, a method to integrate both the power cycling setup and the CM setup has been investigated.

Il concetto di affidabilità nell'elettronica di potenza non è nuovo. Nonostante siano disponibili molte informazioni di prova e metodologie per i tradizionali MOSFET al silicio, ci sono ancora aree di sviluppo nelle strategie di prova da affrontare quando si tratta dei MOSFET al carburo di silicio della nuova generazione. Esistono procedure standard di prova che vengono eseguite nell'industria per garantire il corretto funzionamento in condizioni di stress predefinite. Tuttavia, con l'avvento dell'uso in settori come le energie rinnovabili e l'automobile, è diventato ancora più importante avere configurazioni di prova specifiche e rilevanti per l'applicazione per comprendere appieno le esatte condizioni di stress e il meccanismo di guasto che ne è scaturito. Questo svolge un ruolo cruciale nel consentire ai progettisti di selezionare componenti per garantire la massima affidabilità e longevità del sistema. Questa tesi inizia discutendo tre argomenti: metodi tradizionali per effettuare test di affidabilità su dispositivi elettronici di potenza, problemi osservati quando si tratta di testare i MOSFET al carburo di silicio (SiC), e diverse postazioni di test rilevanti per l'applicazione che sono state implementate. Successivamente, simulando un sistema convertitore boost standard basato su energia fotovoltaica (PV), sono state studiate le tipiche variazioni di carico con profilo di missione di irraggiamento. Viene quindi realizzata una configurazione a ponte H per emulare l'effetto della variazione della corrente di carico sull'interruttore del convertitore. Questo è seguito dalla configurazione di una postazione di test a ponte H per verificare il risultato effettivo sperimentalmente. Il metodo del ciclaggio di potenza viene utilizzato per emulare lo stress rilevante per l'applicazione. I sistemi necessari per effettuare misurazioni sono stati sviluppati come parte di questa tesi. Successivamente, vengono discussi i parametri elettrici sensibili alla temperatura (TSEPs) del MOSFET al SiC in base alla loro efficacia come parametro di monitoraggio delle condizioni (CM) per il dispositivo in prova (DUT). Sulla base di tali discussioni, viene sviluppato un sistema hardware per misurare la caduta di tensione del diodo di corpo del MOSFET (VSD) come parametro CM. Viene analizzato il comportamento del sistema e vengono segnalati i problemi osservati con il sistema sviluppato. Infine, viene esaminato un metodo per integrare sia la configurazione di ciclaggio di potenza che la configurazione CM.