The Project MessLeha

WiPANO MessLeha

Im Projekt MessLeha werden Messverfahren und -umgebungen zur Charakterisierung schneller Leistungshalbleiter analysiert und ein maschinenlesbares Datenblatt für Simulationstools entwickelt.
[Foto: MessLeha - VDE DKE]

MessLeha

Laufzeit: 01.05.2020 – 31.12.2021

Konsortialpartner: VDE DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik, Infineon Technologies AG, PE-Systems GmbH, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Universität Stuttgart (Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme und Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe)

Assoziierte Partner: ABB Power Grids Switzerland, REFU Drive, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, Rohm Semiconductor GmbH, Fuji Electric Europe GmbH

Für jedes leistungselekronische System muss eine Auswahl eines passenden Leistungshalbleiters aus einem sehr großen Lösungsraum erfolgen. Um die Transistoren miteinander vergleichen zu können, werden meistens Datenblattwerte zur Hand genommen, die durch die Charakterisierung der Halbleiter erfolgt. Die Messverfahren sind aktuell in der Normenreihe IEC 60747 „Halbleiterbauelemente – Einzelhalbleiterbauelemente“ beschrieben. Dabei wird meistens mithilfe des Doppelpulstestes die Schaltenergien und damit die Schaltverluste der Halbleiter bestimmt. Der Aufbau jenes Testes ist dabei in der genannten Norm beschrieben.

Durch die steigende Verbreitung von SiC und GaN-Halbleitern, welche deutlich schnellere Schaltgeschwindigkeiten erreichen, wird dabeider Einfluss der Messmethodik und des Aufbaues immer größer, welche nicht in den Normen definiert sind. Da grundsätzlich unterschiedliche Messaufbauten und Messsysteme verwendet werden, ist so die Rückführbarkeit und damit die Vergleichbarkeit der Messergebnisse nicht trivial gegeben.

Außerdem werden von den Herstellern oft Modelle bereitgestellt, welche nur von einer begrenzten Anzahl an Simulationstools verwendet werden kann. Dies beschränkt den Vergleich unterschiedlicher Komponenten für den Kunden, da nicht verwendbare Modelle durch fehlende Tools durch aufwändige Parametrierung erstellt werden muss.

Ziel des Projektes ist die Einreichung der beiden Normentwürfe bei IEC. Der Normentwurf zum Charakterisierungsaufbau soll die Normen IEC 60747-8, -9 und -15 ergänzen. Die bestehende Messumgebung wird zur genauen Bestimmbarkeit der Schaltverluste angepasst und die Anwendbarkeit auf zukünftige Bauteilgenerationen (SiC und GaN) gewährleistet.

Der zweite Normentwurf zum maschinenlesbaren Datenblatt soll eine Rückführbarkeit und somit Vergleichbarkeit der vermessenen Bauteile basierend auf den Datenblattangaben ermöglichen. Dazu wird ein maschinenlesbarer Datensatz für den Einsatz in allen Simulationstools definiert. 

Quelle: https://www.dke.de/de/arbeitsfelder/components-technologies/messleha

Aufgrund der schnellen Schaltzeiten von Wide-Bandgap-Halbleitern, wie SiC und GaN, steigen die Anforderungen an die Ausrüstung für die Schaltverlustmessungen im Vergleich zu Silizium-Bauelementen rapide an.
Die Universität Stuttgart mit ihren Instituten für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe (ILEA) und Robuste Leistungshalbleiteranlagen (ILH) arbeitet daher an der Verbesserung und Charakterisierung von Messaufbauten zur Wide-Bandgap-Schaltverlustbestimmung. Dazu wurde der bestehende State-of-the-Art-Doppelpulstest durch neue Stromsensoren und eine hochgenaue Charakterisierung der Strom- und Spannungssonden hinsichtlich des Frequenzverhaltens, d.h. der Bandbreite, verbessert. Weiterhin wird der Einfluss der Parasiten im Aufbau, wie Streuinduktivität, berücksichtigt. Die Ergebnisse werden mit Hilfe von hochgenauen kalorimetrischen Messungen verifiziert, wobei die Aufheizphase für schnelle Schaltverlustemessungen in mehreren Betriebspunkten genutzt wird.


Parallel dazu wird in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ein Verfahren zur Messung der Schaltverluste mit einem Sampling-System entwickelt. Mit diesem Verfahren werden die Spannung und der Strom während der Schaltzeit exakt erfasst. Dazu müssen zunächst der Spannungsteiler und der Shunt charakterisiert werden. Eine weitere Herausforderung ist die Zeitkorrektur zwischen den beiden erfassten Signalen. Diese beiden Faktoren gewährleisten die Genauigkeit der berechneten Schaltverluste.
Nach der Entwicklungsphase der drei Methoden soll ein Vergleich zwischen allen Methoden durchgeführt werden. Dabei wird auch die Messunsicherheit der Systeme ermittelt.

Kontakt

Dieses Bild zeigt  Dominik Koch
M.Sc.

Dominik Koch

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Dieses Bild zeigt  Julian Weimer
M.Sc.

Julian Weimer

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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