BA – Messplatz zur Charakterisierung der Ausgangskapazität von Leistungshalbleitern

Entwicklung eines Messplatzes zur Charakterisierung der Ausgangskapazität von Leistungshalbleitern

Kurzzusammenfassung

Bei der Auslegung von leistungselektronischen Systemen ist die Ausgangskapazität von
Leistungshalbleiterschaltern eine wichtige Kenngröße, sowohl bei hart- als auch weichschaltenden
Systemen. Diese wird bspw. bei der analytischen Auslegung von weichschaltenden Systemen
benötigt. Auch bei hartschaltenden Systemen kann mit Kenntnis der Ausgangskapazität der
Verlustbeitrag durch das Umladen dieser Kapazität berechnet werden. Demnach muss diese nichtlineare
Kapazität über den kompletten Einsatzbereich des Halbleiters bekannt sein. Konventionelle
Kapazitätsmessgeräte bestimmen diese Kapazität durch eine Kleinsignalmessung, bei der eine
DC-Spannung überlagert wird.

In dieser Arbeit wird eine Messmethode erforscht, die die Kapazität aus einer Großsignalmessung
extrahiert. Dazu wird eine geeignete Schaltung zuerst theoretisch entwickelt und anschließend in die
Praxis umgesetzt. Mit diesem eigens entwickelten Ansatz können Halbleiterschalter kosten- und
zeiteffizient über ihren kompletten Spannungsbereich vermessen werden. Dies wird an Bauteilen bis
hin zur 1200 V-Spannungsklasse evaluiert. Ein Vergleich mit den Datenblattwerten und eigens
angefertigten Kleinsignalmessungen an einem Kapazitätsmessgerät, nach dem Stand der Technik,
bestätigen die Gültigkeit der Messungen mit dem eigenen Messaufbau.

Abstract

The output capacitance of power semiconductors is an important key figure for the development of
power electronic systems, both for soft and hard switching topologies. For an analytical design for
a soft switched converter the knowledge of the output characteristic is essential. Also for hard
switching topologies, it is possible to calculate the losses that occur by the recharging of the
semiconductors output capacitance. For both use cases, the capacitance characteristic over the whole
operating range of the semiconductor has to be known. Conventional measurement instruments use
small-signal techniques, with the appropriate DC offset added.

This thesis presents a novel large-signal based approach for measuring the output capacitance.
Therefore, an analog circuit is developed and designed for practical lab use. The researched method
provides a fast and easy way to measure the output capacitance across the whole voltage range. The
circuit is tested using power semiconductors with a blocking voltage up to 1200 V. The results are
compared with the datasheet curves, as well as own measurements, performed with a state of the art
capacitance meter.

Bearbeiter: Julian Sax

Betreuer: Achim Endruschat (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761322; Email: Achim.Endruschat@iisb.fraunhofer.de;

Holger Gerstner (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761557; Email: Holger.Gerstner@iisb.fraunhofer.de

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März