Investigation of series connected SiC MOSFETs in a low inductive layout

Abstract

I denne masteroppgaven ble to kraft-halvleder moduler designet med mål om å oppnå et lav inductivt design samtidig som det opprettholdes sikker drift under høyspennings- og temperaturforhold. Kraft-halvleder modulene ble designet i ANSYS Electromagnetic Suite.

For å undersøke induktansen til modulene og hvordan ulike faktorer påvirker induktansen, ble programmet ANSYS Q3D Extractor brukt til simuleringer. Forslag til hvordan man kan redusere induktansen er lagt frem og de største kildene til induktansen er blitt identifisert.

ANSYS Maxwell ble brukt for å undersøke de elektriske feltene i modulene, med fokus på bestemme en sikker avstand mellom spenningspotensialene for å hindre overspenninger. Effekten av innkapslingsmaterialer og tykkelsen på det keramiske underlagene fremheves.

For å studere de termiske egenskapene til modulene, ble ANSYS Workbench valgt av programvare. De termiske motstandene til modulene ble simulert med en variasjon av kjøleflenser, og effekten av å flytte chipene nærmere hverandre blir presentert.

For å kunne teste modulene på lab, måtte layouten bli designet i kretskort design programmet, EasyEDA. I lab eksperimentene ble kildene til spenningsubalansen mellom transistorene oppdaget og forslag til hvordan forbedre spenningsbalansen ble presentert.

In this thesis, two power modules have been designed with the goal of achieving a low inductive layout while still maintaining safe operation under high voltage and temperature conditions. The power modules were designed in ANSYS Electromagnetic Suite.

To investigate the inductances and how various factors impact the total inductance of the modules, the program ANSYS Q3D Extractor was used for simulations. Suggestions on how to reduce the stray inductance for the designs are made, and the largest sources of the inductance are identified.

In ANSYS Maxwell, the electrical fields in the module were investigated with a focus on deciding a safe distance between voltage potentials to prevent breakdown voltages. The effect of encapsulants and thickness of the ceramic substrates are highlighted.

To study the thermal characteristic of the power modules, ANSYS Workbench was the choice of software. The thermal resistances of the modules with a variation of heatsinks and as the dies were moved closer is presented.

In order to be able to test the power modules in a lab, the power modules were designed in the electric circuit designing program, EasyEDA. In the lab experiments, the sources causing voltage unbalance between transistors connected in series are identified, and suggestions on how to solve these challenges are made.