Reducing device stress and switching losses using active gate drivers and improved switching cell design

Engelmann, Georges; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor); Heinen, Stefan (Thesis advisor)

Aachen : ISEA (2018)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 114
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xiii, 195 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

Die heutigen Stromrichterkonzepte, insbesondere in der Automobil- oder der allelektrischen Flugzeugindustrie, zielen auf höhere Leistungsdichten ab. Diese Ziele können mit einem erhöhten Integrationsgrad und dem Übergang von Silizium-Bipolartransistoren (IGBTs) zu schnell schaltenden Bauteilen mit großem Bandlückenabstand (WBG) erreicht werden. Die Ziele dieser Arbeit sind die Untersuchung des Einflusses der Gehäuse und der Ansteuerschaltungen auf das Schaltverhalten von Silizium (Si) IGBTs und Siliziumkarbid (SiC) Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Die Spitzenspannungen und Spitzenströme beim Schalten bestimmen die Belastung der Leistungsschalter. Die Spitzenspannung hängt von mehreren parasitären Elementen in und um die Schaltzelle herum und der Gateansteuerung ab. Eine Reduzierung der Spannungsspitzen könnte die Möglichkeit bieten, eine höhere Zwischenkreisspannung oder einen höheren Wirkungsgrad zu nutzen und damit zu einer erheblichen Kostenreduzierung führen. Zunächst werden Simulations- und Messtechniken zur Identifizierung und Parametrisierung induktiver und kapazitiver Elemente der Gehäuse gezeigt. Die vorgestellten Konzepte werden anhand von einem Leistungsmodulgehäuse und einem gewöhnlichen diskreten Leistungshalbleitergehäuse demonstriert. Als solches wird in dieser Arbeit eine Vielzahl von verschiedenen Leistungshalbleitergehäusen abgedeckt. In einem zweiten Schritt wird der Einfluss der verschiedenen parasitären induktiven Elemente auf die Schalttransienten untersucht. Dazu wird eine Schaltzelle mit variablen induktiven Elementen entwickelt. Die variablen induktiven Elemente sind die Schleifen-, Gate- und Common-Source-Induktivitäten für die Low- und High-Side-Schalter. Der Einfluss jedes induktiven Elements auf das Schaltverhalten wird hinsichtlich der Belastung des Bauelements und der resultierenden Schaltverluste untersucht. Die Einschränkungen des Zell-Designs auf das Schaltverhalten und die Ursachen für die beobachteten Schwingungen werden identifiziert. Es werden Rückschlüsse für verbesserte Leistungsmoduldesigns für Nieder- und Mittelspannungsanwendungen gezogen. Um das Schaltverhalten der Bauelemente zu beeinflussen, wird ein stufenweiser Gate-Treiber mit geschalteten Widerständen für ein Silizium-IGBT-Leistungsmodul und für eine SiC-MOSFET-Schaltzelle entwickelt. Die Herausforderungen eines aktiven Gate-Treiber-Designs für schnell schaltende Leistungshalbleiter und die Herausforderungen der Spannungs- und Strommessung mit hoher Bandbreite werden diskutiert. Sowohl für den IGBT als auch für den SiC-MOSFET werden die Belastungen bei gleichbleibenden Schaltverlusten reduziert. Es wird gezeigt, dass die Schalttransienten manipuliert werden können, um die Bauteilbelastungen mit Schaltverlusten auszugleichen. Der Einsatz von aktiven Gate-Treibern zeigt, dass es möglich ist, zusätzlich zu den Auswirkungen des Schaltzellendesigns die Belastung der Leistungsbauelemente zu reduzieren. Als solches wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die Schaltperformance für Leistungshalbleiter in Gehäusen, die, aufgrund von Design- und Produktionseinschränkungen, elektrisch nicht optimal sind, weiter verbessert werden können.

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