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MA – Erstellung eines Simulationsmodells

Erstellung eines Simulationsmodells für GaN-Leistungshalbleiterschalter

Kurzzusammenfassung

Simulationen werden im Bereich der Leistungselektronik eingesetzt, um die Anzahl an Prototypen in der Entwicklung zu reduzieren oder eine vorhandene Elektronik zu optimieren. Die akkurate Modellierung der Bauelemente ist hierbei für realitätsnahe Simulationsergebnisse entscheidend. Ziel dieser Arbeit ist es, ein möglichst genaues Modell eines Galliumnitrid Leistungshalbleiterschalters zu erstellen. Hierzu wird eine Methode vorgestellt, mit der das temperaturabhängige statische Verhalten auf Grundlage statischer Messungen mit nahezu beliebiger Genauigkeit nachgebildet werden kann. Daneben zeichnet sich das vorgestellte Modell insbesondere auch durch seine geringen Simulationszeiten aus. Grundlage der statischen Modellierung sind das gemessene Ausgangskennlinienfeld und Transferkennlinienfeld des Schalters. Für die Messung dieser Kennlinienfelder ist es entscheidend, dass die Erwärmung der Schalter aufgrund der anfallenden Verlustleistung während der Messung vernachlässigbar ist. Konventionelle Curve-Tracer verwenden zur Messung hierbei Pulsbreiten im Bereich von mehreren Mikrosekunden, woraus eine signifikante Eigenerwärmung des Testobjekts resultiert. Aus diesem Grund sind konventionelle Curve-Tracer zur Messung ungeeignet. In der vorliegenden Arbeit wird ein Messaufbau vorgestellt, mit dem sich das statische Verhalten bei minimaler Eigenerwärmung des Schalters messen lässt. Die spannungsabhängigen Kapazitäten des Transistors bestimmen maßgeblich dessen Verhalten im Schaltmoment. Die akkurate Modellierung der Spannungsabhängigkeit ist unerlässlich, wenn auf Basis der simulierten Kurvenverläufe bspw. die Schaltverluste berechnet werden sollen. Werden die Kapazitätsverläufe über analytische Funktionen genähert, so ergeben sich meist starke Abweichungen von dem realen Kapazitätsverhalten. In dieser Arbeit wird daher eine Modellierungsmethode vorgestellt, mit der die Kapazitätsverläufe auf Basis der gemessenen Kurven mit beliebiger Genauigkeit nachgebildet werden können. Abschließend wird das vorgestellte Simulationsmodell mithilfe eigener Messungen parametrisiert und anhand von Messungen an einem Schaltmessplatz validiert.

Abstract

In the field of power electronics, simulations are an important step within the development in order to reduce the number of prototypes and for optimization of given electronics. Highly accurate simulation models are crucial to achieve simulation results which show the real behavior of the modelled device. The objective of this thesis is to create a high precision simulation model for a gallium nitride power semiconductor switch. For this, a new method for modeling the temperature dependent output characteristic is proposed. By using this method very high accuracy and fast simulation times can be achieved. Basis for modeling the static behavior of the switch are measurements of its output characteristics. It is important to limit the self heating of the switch during the measurement in order to obtain waveforms which are suitable for the modeling process. The high width of the measuring pulse used by conventional curve-tracers results in significant self heating of the device under test. Therefore, conventional curve-tracers cannot be used for the measurement. This thesis proposes a setup for measuring the output characteristic while minimizing the self heating of the device under test. The voltage dependent capacitances of the investigated switch determine its behavior during the switching process. Hence, it is vital to model the nonlinearity of the capacitances with very high accuracy, especially when calculating the switching losses based on the simulated waveforms. An analytical fit of the capacitances results in a high error between modelled and actual behavior. In this thesis a new method for modelling the capacitances is proposed which yields a highly accurate and fast model. Finally, the parameters of the proposed model for the gallium nitride semiconductur switch are extracted from measurements of the ouput characteristic and capacitances. Furthermore, the model is validated by comparison with experimental data.

Bearbeiter: Christian Novak

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

Für Studienfächer: EEI, Mechatronik, Energietechnik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März