Silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor double pulse testbench

Abstract

During the electrification of transportation infrastructure, it is important to be able to provide customers with products that are state of the art and functional. In order to meet both criteria’s a fast and accurate testing is necessary during the development processes and that is the problem that this thesis seeks to address and improve. Silicon carbide MOSFETs are important part of low voltage power electronics and accurate independent testing before final commercial production is important. In this thesis, a test system for SiC MOSFETs is designed and built for Kempower in order to perform independent measurement of switching properties of three different packages TO-247, D2PAK and HU3PAK at test limits of 800 volts and 100 amperes.

Three different circuits were designed consisting of motherboard, gate driver and thermal board. In addition to these three PCBs the design device also includes a control board, which is a previous design by Kempower. Using these parts together with an oscilloscope, switching properties of MOSFETs could be measured.

During the thesis not all of the planned features could be implemented as desired due to time constraints. The basic operation and ideas behind the testbench were found to work and the lessons learned in this thesis can be used in the future to produce an accurate and easy-to-use testing system. All designs were proofed to be functional ideas, but few design flaws and mistakes in motherboard design effected the final performance. Because of these shortcomings, the tests were only done with maximum limits of 200V and 20A.

Liikenneinfrastruktuurin sähköistyessä on tärkeää pystyä tarjoamaan asiakkaille uusinta tekniikkaa ja toimivia tuotteita. Molempien kriteerien täyttämiseksi tarvitaan nopea ja tarkka testaus tuotekehitysprosessien aikana, ja tämä on ongelma, jota tässä opinnäytetyössä pyritään tarkastelemaan ja parantamaan. Piikarbidi MOSFET:it ovat tärkeä osa suurjännitetehoelektroniikkaa, ja komponentin suorituskyvyn tarkka riippumaton testaus ennen lopullista kaupallista tuotantoa on tärkeää. Tässä diplomityössä Kempowerille suunnitellaan ja rakennetaan testijärjestelmä SiC MOSFET:eille, jotta voidaan suorittaa riippumattomia mittauksia kolmen eri kotelotyypin TO-247, D2PAK ja HU3PAK kytkentäominaisuuksista testausrajoilla 800 volttia ja 100 ampeeria.

Työssä suunniteltiin kolme erilaista piiriä, jotka koostuivat emolevystä, hilaohjaimesta ja lämmönohjauslevystä. Näiden kolmen piirilevyn lisäksi suunniteltuun kokonaisuuteen kuuluu myös ohjauskortti, joka on aikaisemmin tehty malli ja löytyy jo muista Kempowerin tuotteissa. Näiden osien ja oskilloskoopin avulla on mahdollista mitata MOSFET:ien kytkentäominaisuuksia.

Opinnäytetyön aikana kaikkia suunniteltuja ominaisuuksia ei voitu toteuttaa halutulla tavalla aikarajoitusten vuoksi. Perustoiminnot ja testipenkin ideat todettiin toimiviksi, ja tämän opinnäytetyön oppien avulla voidaan tulevaisuudessa tuottaa tarkka ja helppokäyttöinen laite komponenttien testaukseen. Kaikki suunnitellut ominaisuudet testaamalla todettiin toimiviksi ideoiksi, mutta muutamat suunnitteluvirheet ja epähuomiot emolevyssä vaikuttivat lopulliseen suorituskykyyn. Näiden puutteiden vuoksi testi tehtiin vain enimmäisrajoilla 200V ja 20A.