With the increase in renewables integration in power systems, the demand for over current (OC) capability is increased. Until the fault clearance, converters in the power system must be able to withstand the increased currents without getting tripped by their internal protection based on thermal limits. This duration is typically 200 ms. In this thesis, various techniques have been proposed to remove the heat generated during OCs as soon as possible fromSilicon-Carbide (SiC) devices, hence increasing the OC duration. These techniques include implementing heat-absorbing materials, microchannel (MC) cooling on the top and bottom of the chip, and gate voltage augmentation during OCs. It is concluded that any cooling method (except gate voltage augmentation) gives the highest OC capability when it is implemented on top of the chip. MC cooling has the potential to increase OC capability duration until a few seconds, depending on the design of the MC block. Similarly, OC capability is significantly improved by using copper as heat-absorbing material on top and bottom (with a comparatively large block of copper) of the chip up to a few seconds, depending on the amount of OC. Even increasing the thickness of metallization on top of the chip can lead to increased OC capability. One application of the power modules with increased OC capability is in power flow controllers (PFCs). With the increase in meshing, controllability and flexibility to control the current and power in a high-voltage direct current (HVDC) system are reduced. By injecting a small amount of voltage, a PFC can change the current distribution. Existing topologies have been studied in detail by PLECS simulations and compared with respect to the number of capacitors, the control range of the PFC, the shape of voltage waveforms inserted by the PFC on the lines, number of devices, the directionality of the current, simplicity of the topology, total power semiconductor rating and losses, and protection of the topologies for external faults. A new topology, which is among the most simple topologies, has been proposed. Further, internal and external fault cases for the proposed topology have been investigated in detail. The simulations are verified by a scaled-down prototype in the lab. Simulations and experiments have been compared with respect to their per unit (pu) system and the experimental results are aligned with the simulation results.

Med den ökande integrationen av förnybar energi i elsystemet ökar behovet på överströmstålighet. Fram till att ett fel i nätet har avhjälpts måste effektomvandlare i elsystemet kunna tåla överströmmar utan att bortkopplas av sina interna skydd. Denna tid är vanligtvis 200 ms. I denna avhandling föreslås olika tekniker att snabbt leda bort den av överströmmar generade värmen från kiselkarbid (SiC)-enheter. Detta förlänger den tid enheten kan hantera överström. Nämnda tekniker inkluderar användning av värmeabsorberande material, mikrokanalkylning (MC) på chipets ovansida och undersida samt intermittent höjning av gate-spänningen. Slutsatsen är att vilken kylmetod som helst (förutom gate-spänningshöjning) ger högst överströmstålighet när den implementeras på chipets ovansida. Mikrokanalkylning har potential att höja tillåten överströmsvaraktighet till några sekunder, beroende på konstruktionen av MC-blocket. På samma sätt förbättras överströmståligheten avsevärt genom att använda koppar som värmeabsorberande material på chipets ovansida och undersida (med ett stort kopparblock), upp till några sekunder, beroende på överströmmens storlek. Även en ökning av metalliseringens tjocklek på chipets ovansida kan leda till en förbättrad överströmstålighet. Implementering av kylning på ovansidan kan dock kräva särskilda modifieringar av kraftmodulen.

En tillämpning för kraftmoduler med förbättrad överströmstålighet är effektflödesstyrdon (PFC) i högspända likströmsnät (HVDC-nät). Med en ökande maskning i nätet minskar styrbarheten och flexibiliteten att styra ström och effekt i ett HVDC-system. Genom att injicera än förhållandevis låg spänning kan ett effektflödesstyrdon förändra strömfördelningen i ett maskar HVDC-nät. Existerande topologier har studerats i detalj med hjälp av PLECS-simuleringar och jämförts med avseende på antal kondensatorer, styrningsbegränsningar, kurvformer för de spänningar som injiceras av effektflödesstyrdonet i ledningarna, antal komponenter, strömriktning, topologins enkelhet, total effekthalvledar-märkeffekt och förluster samt skydd av topologierna mot externa fel. En ny kretstopologi har föreslagits. Dessutom har interna och externa felfall för den föreslagna topologin och dess skyddskretsar undersökts i detalj med hjälp av PLECS-simuleringar. Simuleringarna har verifierats med en nedskalad prototyp i laboratoriet. Simuleringar och experiment har jämförts genom användning av ett per-unit-system, och de experimentella resultaten överensstämmer med simuleringsresultaten.