Leistungshalbleiterschaltungen und -Module

Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme

Das ILH forscht an zahlreichen Themen der Leistungselektronik in den Bereichen Elektromobilität, Ladegeräte und erneuerbare Energien.

Trend in der Leistungselektronik

Leistungselektronik ermöglicht Anwendungen wie Elektromobilität oder Wandlung erneuerbarer Energien. Dabei sind besonders ein hoher elektrischer Wirkungsgrad (wenig Verluste) bei gleichzeitiger hoher Leistungsdichte (kompakte Baugröße) und niedrigen Kosten ausschlaggebend. Eine weitere Anforderung an leistungselektronische Systeme ist eine hohe Robustheit in Bezug auf EMV und Lebensdauer. Aus diesen Gründen geht der Trend zu höheren Schaltfrequenzen, kompakteren Systemen und Effizienzoptimierung. Dies wird ermöglicht durch den Einsatz von neuartigen Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke, z.B. Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Um diesen Trend voranzutreiben, konzentriert sich die Forschung am ILH auf die im Folgenden näher erläuterten Gebiete.

Charakterisierung und Modellierung

Charakterisierung ist der erste Schritt, um eine leistungselektronische Schaltung ordnungsgemäß entwerfen zu können. Ein gutes Verständnis der Halbleiterbauteile ermöglicht, sie in Anwendungen bestmöglich einzusetzen. Die Arbeiten des ILH auf dem Gebiet der Charakterisierung konzentrieren sich auf Leistungsbauelemente basierend auf neuartigen Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke wie GaN und SiC.

Modellierung ist ein wichtiger Aspekt um mittels Simulation das Verhalten von elektronischen Systemen realitätsnah vorhersagen zu können. Dies ermöglicht einen optimierten Schaltungsentwurf bereits vor dem ersten Prototypaufbau.

Eine exakte Simulation benötigt ein präzises Modell, welches das Transistorverhalten unter allen Arbeitsbedingungen beschreibt. Trotz der Komplexität eines genauen Transistormodells muss die Konvergenz und die Berechnungseffizienz gewährleistet werden. Das ILH konzentriert seine Forschungsaktivitäten auf die Entwicklung von physikalischen Modellen von SiC und GaN Leistungsbauelemente.

GaN, SiC and Si Charakterisierung

  • IV, QV & CV Charakterisierung
  • Verschiedene Curve-Tracer bis zu 3 kV und 1500 A
  • Doppelpulstests für dynamische Charakterisierung
  • Kalorimetrische Schaltverlustmessung (minimalinvasiv)
  • Charakterisierung von Trapping-Effekten
  • Thermische Charakterisierung
  • Genauigkeits- und Fehleranalyse

Modellierung

  • Modelextrahierung von Simulationen und Messungen
  • Modelerweiterungen
  • Modelanalyse

Leistungsdichteoptimierung, Integration und Packaging

Hohe Leistungsdichte und hohe Schaltfrequenzen stellen erhöhte Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik. Durch geeignete Ansätze, wie beispielsweise 3D-Aufbautechnik, können parasitäre Effekte, die durch Gehäuse, Substrate und Layouts verursacht werden, gezielt beeinflusst und reduziert werden. Wärmespreizung und Entwärmung sind durch verdichtete Hot-Spots wichtiger denn je. Ein wichtiges Ziel dabei ist die Maximierung der Leistungsdichte.

WBG Konverter Leistungsdichtemaximierung

  • Erhöhung der Leistungsdichte für Konvertersysteme und seine Subkomponenten
  • Innovative Kühlkonzepte

Integration

  • 3-dimensionales Stacking von Komponenten
  • 3D Konverter Design
  • Analyse von verschiedenen Schaltungsträgern (bspw. FR4, Keramik, IMS...)

Aufbautechnik

  • SMD Bestückungslinie (Schablonendrucker, Pick-and-Place Maschine, Reflowofen)
  • Moderner Bonder

Multi-Domänen Simulation

Die Steigerung der elektrischen Effizienz (Wirkungsgrad) von leistungselektronischen Systemen ermöglicht beispielsweise größere Reichweiten in der Elektromobilität oder höhere Erträge bei der erneuerbarer Energiewandlung. Dabei können Systeme basierend auf GaN und SiC zu einer Erhöhung der Leistungsdichte beitragen, welche  gleichzeitig zu kleineren passiven Bauelementen, kleineren Baugruppen führt und damit auch zu möglichen Gewichts- und Kostenvorteilen. Ansätze zur Erhöhung der Leistungsdichte sind die hybride und monolithische Integration von Gatetreiber- und Wandlerschaltungen, sowie aktiver und passiver Bauelemente.

Um die Robustheit der Systeme zu gewährleisten wird das elektrische, sowie das thermische Verhalten von Leistungsmodulen in Multi-Domänen Simulationen vorhergesagt und optmiert.

Bauteil und System Simulationen

  • Transiente und Frequenzbereichssimulationen
  • S-Parametersimulationen und Extraktion von parasitären Elementen
  • Modellanpassungen für schnelle oder sehr präzise Simulationen inklusive thermischer Kopplung

Multi-Domänen Kopplung

  • Thermisch-transiente Simulationen für Temperaturevaluation
  • Thermisch-elektrische Kopplung in beide Richtungen
  • Mechanisch-thermische Simulationen

Optimierung

  • Generatives Design von Gehäusen und Kühlkörpern
  • Schaltungsdesign und Optimierung

Intelligente Leistungsmodule

Um die Leistungs- und Funktionsdichte immer weiter zu erhöhen, spielen sogenannte intelligente Leistungsmodule eine immer größere Rolle. Dabei können entweder Sensoren (Temperatur oder Strom) monolithisch auf den gleichen Chip oder in ein gemeinsames Package (SiP) integriert werden. Mithilfe dieser intelligenten Module können direkte Sensordaten ausgelesen werden, die für State of Health (SoA) oder weitere übergeordnete Funktionen verwendet werden können.

Leistungsmodule

  • GaN & SiC leistungselektronische Systeme
  • System-in-Package (SiP) Design
  • Integrierte Temperatur- und Strommessung
  • On-Board Evaluierungsschaltungen
  • Erhöhung der Leistungs- und Funktionsdichte

Monolithisch integrierte Leistungsschaltungen

  • Chip Layout Design und Simulation

Messungen und Analyse

  • Bewertung von Sensorik
  • Applikationstests

Beschleunigte Lebensdauertests und Zuverlässigkeit

Beschleunigte Lebensdauertests 

  • Aktive Lebensdauertests mit konstanten Strömen
  • Applikationsnahe Lebensdauertests mit Wechselstrom

Zustandsüberwachung

  • Analsye temperaturempfindlicher elektrischer Parameter für Power Cycling
  • Analsye degradationsempfindlicher elektrischer Parameter

Zuverlässigkeit

  • Lebensdauermodellierung
  • State-of-Health (SoA) Überwachung und Design

Weitere Forschungsschwerpunkte

Außerdem forscht das ILH an zahlreichen innovativen Themen aus dem Bereich der Leistungselektronik.

Dieses Bild zeigt Ingmar Kallfass

Ingmar Kallfass

Prof. Dr.-Ing.

Direktor und Institutsleiter

 

Institut für Robuste Leistungs­halbleiter­systeme

Pfaffenwaldring 47, Stuttgart

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