Wide-Bandgap Halbleiter

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. 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.

Offene studentische Arbeiten

Abstract

Im Rahmen der MTT-Sat Challenge entwickelt das ILH eine variable und monolithisch integrierte Spannungsversorgung für einen Galliumnitrid (GaN) HF-Leistungsverstärker auf Basis von GaN. Als Referenz soll dabei ein diskreter DC/DC Wandler mit kommerziell erhältlichen Komponenten dienen.

Dazu eignen sich 100 V GaN Chips von EPC, welche sowohl in einem Rad-Hard Package, als auch in einem terrestrischen Package verfügbar sind. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ausführlichen Vergleich zwischen den beiden Bauelementen hinsichtlich ihrer Bauteileigenschaften (I-V,C-V usw.) und ihrer Systemperformance durchzuführen, um einen optimierten Referenzdemonstrator zu designen und zu validieren.

Zeitplan

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10%)
  • Design und Simulation von Demonstratoren mit Rad-Hard und terrestrischen 100 V GaN HEMTs (40%)
  • Aufbau und Charakterisierung Wandler (30%)
  • Ausarbeitung & Vortrag (20%)

Vorkenntnisse

  • Erfahrungen mit GaN hilfreich
  • Kenntnisse in Leistungselektronik
  • Vorkenntnisse in Altium und ADS o.ä. von Vorteil

Kontakt: Dominik Koch

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Um immer höhere Frequenzen in Schaltwandlern zu erreichen, werden typischerweise weich-schaltende Übergänge angestrebt. Allerdings können die zugehörigen Schaltenergien nicht aus dem Datenblatt übernommen oder elektrisch gemessen werden (vgl. [1]). Aus diesem Grund werden die Verluste mit einer kalorimetrischen Messung bestimmt. Ein mögliches Verfahren ist dabei das Cth-Verfahren [1], was einen Temperatursensor in einem Metallblock zur Bestimmung der Verlustleistung nutzt.

Im Rahmen des BMBF-Projektes „GaNIAL“ [2] wird eine GaN-Halbbrücke auf einem Substrat monolithisch integriert. Außerdem befinden sich sowohl ein Temperatursensor, als auch ein Stromsensor auf dem gleichen Die, welche die Möglichkeiten bieten, Temperatur und Strom direkt am Chip zu messen. Ziel dieser Arbeit soll deshalb sein die kalorimetrische Messung mithilfe des integrierten Sensors durchzuführen und damit bessere Messzeiten und Genauigkeiten zu erreichen.

Außerdem soll, falls möglich, eine erste Messautomation erstellt werden

Zeitplan:

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10 %)
  • Hardware-Aufbau der kalorimetrischen Messung (20 %)
  • Kalibrierung der Sensoren und des thermischen Aufbaus, Messungen (30 %)
  • Erste Automatisierungen (20%)
  • Ausarbeitung und Vortrag (20 %)

Vorkenntnisse:

  • Praktische Erfahrungen im Labor
  • Erfahrungen in Altium & Matlab
  • Eigenständiges Arbeiten

Kontakt: Dominik Koch

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Der Einsatz moderner SiC und GaN Wide-Bandgap Leistungshalbleiter ermöglicht ein deutlich schnelleres Schalten und verringert dadurch die auftretenden Verluste maßgeblich. Da für weiches Schalten die übliche Vermessung dieser Verluste mittels der weitverbreiteten Doppelpuls-Test Messung zu ungenau ist, müssen kalorimetrische Messmethoden zur Charakterisierung eingesetzt werden.

 Durch Messung der Temperatur in der Erwärmungsphase können Rückschlüsse auf die auftretenden Verluste getroffen werden. Basierend auf dem Betrieb in unterschiedlichen Arbeitspunkten können Verlustmechanismen getrennt und die verschiedenen Halbleiter miteinander verglichen werden.

Inhalt und Ziele

  • Trennung von Ein-und Ausschaltverlusten mittels zweiter Temperaturmessung und Kalibrierung über thermische Impedanzmatrix
  • Bestimmung von Schaltverlusten im harten Schaltbetrieb und Vergleich mit Doppelpuls-Messungen
  • Automatisierung des Messverfahrens zur Erfassung des gesamten Arbeitspunktekennfelds. Aufbau einer variablen induktiven Last.
  • Untersuchung des Einflusses des Gatekreises als parasitäre Wärmequelle.
  • Optimierung des Messaufbaus hin zu minimalen Messzeiten.

(Eine Fokussierung auf Teilthemen ist angedacht)

Kontakt: Julian Weimer

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Monolithisch integrierte GaN Power ICs aus GaNIAL

In der Leistungselektronik gewinnen die „Wide-Bandgap“ Halbleitermaterialien Galliumnitrid (GaN) und Silizium-carbid (SiC) in der mittleren und hohen Leistungsklasse immer mehr an Bedeutung, da sie gegenüber Silizium hinsichtlich Sperrspannung, Temperaturstabilität und Schaltgeschwindigkeit entscheidende Vorteile bieten.

Einer der Forschungsschwerpunkte des ILHs beschäftigt sich mit der monolithischen Integration von Logikelementen auf dem Chip des GaN Leistungstransistors um parasitäre Einflüsse zu minimieren und die Vorteile von GaN nutzbar zu machen. So konnten innerhalb des BMBF geförderten Projektes „GaNIAL“ Schaltfrequenzen bis in den zweistelligen MHz Bereich mit einem GaN-on-Si 600 V, 30 A Transistor erreicht werden.

Mit der Eröffnung einer 200 V GaN-on-SOI Technologie (IMEC) bietet Europractice nun ein vollständiges Design Kit zum Entwurf monolithisch integrierter Leistungselektronik, was eine weitere Steigerung des Integrationsgrades ermöglicht. Dabei können bspw. alle Elemente einer Halbbrücke (e-Mode p-GaN HEMTs, Treiber und Logik) auf einem Substrat implementiert werden, um so ein optimales elektrisches, sowie thermisches Verhalten zu erreichen. In diesem Zusammenhang bietet das ILH mehrere Themen an:

Themengebiete:

  • Gate-Treiber und HEMT Design (FA/MA)
  • Analyse möglicher Anwendungsfälle und Erarbeitung konkreter Systeme (BA/FA)
  • Design und Implementierung einer Strom- und Temperatursensorik mit nachfolgenden Logikschal-tungen (FA/MA)
  • Entwicklung einer integrierten Clipper-Schaltung zur Messung des dyn. RDS,on Effektes (Spannungsmessung mit nachgeschalter Logik) (FA/MA)

Kontakt: Dominik Koch

Kontakt: Jan Hückelheim

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Zur präzisen Messung von Schaltverlusten moderner SiC und GaN Wide-Bandgap Halbleiter wird eine variable induktive Last benötigt. Bei bisherigen Messaufbauten des Instituts wurden hierfür Luftspulen manuell miteinander verschaltet. Durch den Wechsel der Drosseln ändern sich jedoch auch der parasitäre Kupferwiderstand und die parasitären Windungskapazitäten. Des Weiteren ist der stetige manuelle Wechsel Zeitaufwändig und verhindert eine Automatisierung des Messsystems.

Ziel dieser Arbeit ist der Entwurf und Aufbau einer variablen induktiven Last, welche eine automatische Umschaltung bei konstanten parasitären Eigenschaften ermöglicht.

Inhalte und Ziele

  • Wahl und Aufbau einer geeigneten Schaltungstopologie zum automatisierten Wechsel der induktiven Last.
  • Auslegung der Drosseln durch numerische FEM Simulation.
  • Charakterisierung des Systems im Frequenzbereich mit Netzwerkanalysator Messungen.
  • Mikrocontrolleransteuerung zum automatisierten Wechsel via Ethernet.

Kontakt: Julian Weimer

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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.

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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.

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Moderne Schaltwandler streben immer höhere Leistungsdichten an. Da üblicherweise passive Bauteile wie Filterinduktivitäten das größte Volumen beanspruchen, werden neuartige Ansätze zu deren Miniaturisierung gesucht, um die Leistungsdichte zu erhöhen.

Ein vielsprechender Ansatz ist dabei die Emulation einer Induktivität mittels eines Gyrators und einer Kapazität. Durch den Gyrator wird die Impedanz des Kondensators in die duale Impedanz (Spule) umgewandelt und verspricht so ein deutlich kompakteres Volumen.

Ziel dieser Arbeit ist die Evaluation (Auslegung und Simulation) eines monolithisch integrierten Gyrators zur Emulation von Lastinduktivitäten. Außerdem soll ein diskreter Gyrator mit kommerziellen Komponenten zur Validierung des Funktionsprinzipes entwickelt und getestet werden.

Arbeitsplan:

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10%)
  • Design und Simulation eines monolithisch integrierten Gyrators (30%)
  • Aufbau diskreter Gyrator (20%)
  • Charakterisierung diskreter Gyrator (20%)
  • Ausarbeitung (20%)

Kontakt: Dominik Koch

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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

Kontakt: Mathias Weiser

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Dieses Bild zeigt  Benjamin Schoch
M.Sc.

Benjamin Schoch

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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