Offene studentische Arbeiten
In der modernen Leistungselektronik ist eine erhöhte Leistungsdichte und Effizienz angestrebt. Dafür werden weichschaltende Topologien mit Wide-Bandgap Leistungshalbleitern verwendet, um die Systemperformance zu verbessern. Obwohl damit die Systemverlustleistung deutlich reduziert werden kann, ist die Vorhersage der entstehenden Schaltverluste mittels elektrischer Messung nicht möglich. Deshalb werden zeitintensive kalorimetrische Messungen durchgeführt, um diese Schaltverluste genau zu bestimmen. Erst vor kurzem wurden zeiteffizientere Messmethoden entwickelt, die die Extrahierung unterschiedlicher Einflüsse deutlich erleichtern, jedoch ist eine übereinstimmende Simulation mit den gemessenen Schaltverlusten noch nicht möglich. Um eine tiefgreifender Untersuchung unterschiedlicher Abhängigkeiten der weichschaltenden Verluste zu erreichen wird eine Hybride Herangehensweise von Simulation und Messung verfolgt. Darüber hinaus können die Simulationen auch für virtuelles Prototyping und damit kosteneffizienten und verbessertes thermisches Layout der weichschaltenden Leistungskonverter ermöglichen.
Zeitplan:
- Einarbeitungszeit & Literaturrecherche (10%)
- Simulation von weichschaltenden Verlusten und Verifizierung des Simulationsmodels (25%)
- Simulation verschiedener Parameter und Gatetreiberschaltungen (50%)
- Ausarbeitung und Vortrag (15%)
Hilfreiches Vorwissen:
- Leistungselektronik/ RPSS 1 & RPSS 2
- Matlab
- LT-Spice/FEM-Simulationen
In der modernen Leistungselektronik ist eine erhöhte Leistungsdichte und Effizienz angestrebt. Dafür werden weichschaltende Topologien mit Wide-Bandgap Leistungshalbleitern verwendet, um die Systemperformance zu verbessern. Obwohl damit die Systemverlustleistung deutlich reduziert werden kann, ist die Vorhersage der entstehenden Schaltverluste mittels elektrischer Messung nicht möglich. Deshalb werden zeitintensive kalorimetrische Messungen durchgeführt, um diese Schaltverluste genau zu bestimmen. Erst vor kurzem wurden zeiteffiziente Messmethoden entwickelt, um diese Schaltverluste systematisch zu untersuchen. Der wichtigste Parameter für die weichschaltenden Verluste ist hierbei die Ausgangskapazität, die insbesondere von der Gate-Source sowie der Drain-Source Spannung abhängig ist.
Hierfür soll eine programmierbare variable Spannungsquelle und weichschaltende Verlustcharakterisierung bei unterschiedlichen Gate-Source-Spannungen vorgenommen werden. Darüber hinaus sollen ggf die spannungsabhängigen Kapazitäten vermessen werden.
Zeitplan:
- Einarbeitung & Literaturrecherche (10 %)
- Implementierung der ansteuerbaren Vgs-Quelle (30%)
- Messungen (45%)
- Ausarbeitung und Vortrag (15 %)
Hilfreiche Vorkenntnisse:
- Praktische Erfahrungen im Labor
- Erfahrungen in Altium & Matlab
- Vorlesungen: Robuste Leistungshalbleiter 1 & 2, Leistungselektronik 1
Die Super-junction-Struktur ist einer der vorgeschlagenen Ansätze, um die gewünschte zweidimensionale Ladungskopplung innerhalb von Leistungs-MOSFET-Strukturen zu erreichen. Sie eignet sich gut für die Entwicklung von Si-Leistungs-MOSFET-Strukturen mit großer Sperrspannungsfähigkeit.
Die Bauelementstruktur der modernen Super-junction-Leistungs-MOSFETs unterscheidet sich typischerweise stark von herkömmlichen lateralen MOSFETs. Dies führt dazu, dass die für die lateralen Bauelementmodelle definierten Standardmodelle nicht direkt für Leistungs-MOSFETs mit Super-junction-Strukturen verwendet werden können.
Die Schaltfähigkeiten von Leistungstransistoren werden durch ihre paraitären Kapazitäten und intrinsischen Widerstände bestimmt. Ein präzises Modell für die Kapazität des Transistors ist daher wichtig, um sein Schalterverhalten vorherzusagen. Die meisten Kapazitätsmodelle, die von den Bauelementherstellern zur Verfügung gestellt werden, sind jedoch nicht genau genug.
Die Aufgaben:
- Untersuchung der Super-junction Struktur und deren Einfluss auf die charakteristischen Eigenschaften des Leistungs-MOSFETs.
- Untersuchung der Kapazitätsstruktur und der Definition eines Kapazitäten-Modells in einem Leistungs-MOSFET.
- Beitrag zur Verbesserung und Entwicklung der Kapazitätsmodellierung auf dem Gebiet der Super-Junction-Leistungstransistoren auf der Grundlage des Standardmodells.
Silicon Carbide is a wide bandgap material and becoming a very attractive choice of semiconductor for high density and high-efficiency power electronics in high voltage range. Power MOSFETs are one of the most commonly used power devices due to their low gate drive power, small device size, fast switching speed, and superior paralleling capability. Therefore, there is an increasing need for accurate and compact models for SiC power MOSFETs which can be used for CAD tools for circuit designers.
The structure of a power SiC MOSFET can be similar to the vertical Si power MOSFETs, but the different properties of the materials and the fabrication technology cause their quite different characteristics.
The aim of this research is to evaluate the requirements of the specific definitions of the SiC power MOSFET model. The standard compact model used in the silicon industry can be adopted as a foundation to build the model for SiC MOSFET.
Tasks:
- Study therequirementsanddefinitionsofSiCpower transistor models
- Understand the static and dynamic characteristics of a power MOSFET
- Understand different modelingapproachesforSiCpower transistors
- Contribute to the improvement and development of modeling in the field of power transistors based on the standard model.
Bedingt durch ihre vorteilhaften Materialeigenschaften sind Transistoren aus Galliumnitrid (GaN) auch für leistungselektronische Anwendungsbereiche attraktiv. Lange Zeit waren für Transistoren dieser Art allerdings nur empirische Modelle verfügbar. In jüngster Vergangenheit wurden von der „Compact Modelling Coalition“, einer Interessengemeinschaft für die Standardisierung von Simulationsmodellen, zwei physikalisch basierte Modelle als Industriestandard vorgeschlagen: das „MIT Virtual Source GaN“ (MVSG) des MIT, sowie das „Advanced Spice Model for HEMTs“ (ASM-HEMT) des IIT Kanpur. In dieser studentischen Arbeit sollen für einen vorliegenden Transistor für beide Modelle ein Parametersatz extrahiert und beide Modelle hinsichtlich ihrer Eigenschaften verglichen werden.
Arbeitspunkte
- Einarbeitung in die Funktionsweise von MVSG und ASM-HEMT
- Charakterisierung eines GaN-HEMTs mit einem Semiconductor Device Analyser
- Parameterextraktion
- Prüfung der resultierenden Transistormodelle
- Ausarbeitung und Vortrag
Benjamin Schoch
M.Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter