Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme

Leistungshalbleiterschaltungen und -Module

Das ILH forscht an Hochleistungsmodulen für Schaltnetzteile in den Bereichen Elektromobilität 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.

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Auf einem AlN-DBC integrierte Vollbrücke bestehend aus 1200V SiC-MOSFETS mit Gatetreibern und Bootstrap Versorgung für niederinduktive DC/DC-Wandler bis 2kVA. (Kooperartionen: Rogers Germany GmbH, Robert Bosch GmbH)

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 ersatzschaltbildbasierenden Modellen von SiC und GaN Leistungsbauelemente.

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Temperaturabhängige Messungen des statischen und dynamischen Strom-Spannungs (IV), Kapazitäts-Spannungs (CV) und Ladungs-Spannungs (QV) Verhaltens bis 2kV und 2 kA bilden die Basis der Parameterextraktion für die schaltungsorientierte Modellierung leistungselektronischer Transistoren.

Integration, Packaging und Aufbautechnik

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.

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2kVA SiC-MOSFET Vollbrückenmodul auf DBC verlötet mit einer Leiterplatte zur niederinduktiven Anbindung des Zwischenkreises für höhere Schaltfrequenzen. (Kooperartionen: Rogers Germany GmbH, Robert Bosch GmbH)

Effizienz, Leistungsdichte und Robustheit

Die Steigerung der elektrischen Effizienz (Wirkungsgrad) von leistungselektronischen Systemen ermöglicht beispielsweise größere Reichweiten in der Elektromobilität oder höhere Erträge bei der erneuerbarer Energiewandlung. Ein Ansatz zur Verringerung von Verlustleistung ist der Einsatz von neuartigen Leistungshalbleitermaterialen (z.B. GaN, SiC). Diese weisen bessere physikalische Eigenschaften als siliziumbasierte Leistungshalbleiter auf. Ein weiterer Ansatz ist die Erhöhung der Flankensteilheit in Wandlertopologien zur Reduzierung der Schaltverluste.

Eine Erhöhung der Leistungsdichte führt gleichzeitig zu kleineren passiven Bauelementen, kleineren Baugruppen 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 thermische Verhalten sowie die EMV von Leistungsmodulen untersucht und verbessert.

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Galliumnitrid basierter quasi-normally-off Gate-Treiber und Hochsetzsteller (300V/12A) mit 600V AlGaN/GaN HEMTs, AlGaN/GaN Schottky-Dioden und Pufferkondensatoren - hybrid integriert auf DBC Leistungsmodul. [link] (Kooperartion: Fraunhofer IAF)
Ingmar Kallfass
Prof. Dr.-Ing.

Ingmar Kallfass

Direktor und Institutsleiter

 

Institut für Robuste Leistungs­halbleiter­systeme

Pfaffenwaldring 47, Stuttgart

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