Lehrstuhl für Energiewandlung

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http://hdl.handle.net/2003/38390

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Optimized commutation circuit for improved utilization of SiC
(2023) Schlüter, Michael; Pfost, Martin; Lindemann, Andreas
Silicon carbide MOSFETs have increasingly been recognized as advantageous compared to conventional silicon IGBTs; however, they face significant challenges due to a high defect density in the raw material. To optimize semiconductor efficiency, it is critical to minimize both conduction and switching losses. Conduction losses are influenced by on-state resistance and device breakdown voltage, while switching losses are dependent on switching speed, which is constrained by turn-off voltage overshoot and system stray inductance. Therefore, the reduction of stray inductance is paramount for decreasing both types of losses. This work presents a comprehensive analysis of the current state of the art, outlining essential device characteristics and limitations. It identifies the distribution of stray inductance in the DC-link and power module as significant constraints. While DC-snubber circuits are discussed as a potential solution, their effectiveness decreases at higher currents due to increased damping losses. An active controlled snubber is introduced, and its operational principles in conjunction with a half-bridge configuration are described. This setup facilitates a substantial reduction in stray inductance during MOSFET and diode turn-off, resulting in negligible losses during turn-on. The analytical description of the operational mechanism reveals opportunities for zero-current switching of the auxiliary switch. The derived model is validated through empirical measurements and is employed to predict behavior in subsequent switching events. Comparative analysis with a similar DC-snubber configuration indicates that the active snubber exhibits alternating yet stable voltage behavior, with a maximum snubber voltage much lower as with a conventional DC-snubber. Three-phase inverters designed for switching frequencies of 10 kHz and 30 kHz demonstrate a potential increase in output power of 35% for non-optimized semiconductors and 59% for optimized MOSFETs. Furthermore, the introduced configuration is utilized to actively drive a small LC-filter, evaluating its applicability under constraints on maximum voltage slope. A dependency between snubber voltage and the timing of filter pulses has been identified. In comparison to a state-of-the-art IGBT setup with similar output power, a reduction in switching losses by a factor of 20 was observed, accompanied by a concurrently lower voltage slope. However, the time constants of the snubber circuit limit the minimization of the LC-filter.
Characterization and Modeling of the Threshold Voltage Instability in p-Gate GaN HEMTs
(2023) Sezgin-Oeder, Thorsten; Pfost, Martin; Schulze, Jörg
The p-gate GaN HEMT is a modern power semiconductor transistor capable of overcoming the switching speed limitation of conventional Silicon-based technologies. However, the GaN HEMT is a fairly new technology that still suffers undesired effects that affect its operation. Nowadays, the most prominent effects are the shift and instability of the threshold voltage Vth, caused by capacitive coupling into the gate stack as well as trapping, accumulation, and depletion of carriers. In this study, an experimental characterization of the Vth behavior is executed and subsequently used to develop a physically-based compact model. For this purpose, a custom setup is developed capable of high-resolution transient measurements for pulse lengths ranging from 100 ns up to 100 s. Utilizing the setup, commercially available state-of-the-art p-gate GaN HEMTs are investigated, showing a Vth shift and instability that appears relevant up to the nominal operation. The experimental results show that the drain-source voltage VDS yields a Vth shift, which, when applied for long durations (e.g., during off-state), leads to an additional Vth instability. The gate-source voltage VGS also yields significant Vth instabilities, which correlate with the VDS-induced effects. Furthermore, the driving conditions causing an impact on Vth appear to also correlate with the devices’ short-circuit capability and degradation. However, no available models cover the Vth behavior, which is necessary to predict their impact and reliability concerns. Consequently, a compact model is developed based on the surface potential for the drain path, extended by the conduction mechanisms covering the gate path. Finally, the Vth shift is modeled based on capacitive coupling into the gate, while for the Vth instabilities, a possible implementation is exemplified for the impact of VDS.
Coreless planar transformer for hard-switching applications
(2023) Hackel, Jonathan; Pfost, Martin; Schwalbe, Ulf
Leistungshalbleiter werden meist in schaltenden Anwendungen eingesetzt. Hartes Schalten ist hierfür ein gängiges und einfaches Funktionsprinzip, insbesondere bei induktiven Lasten. Hier können durch Verkürzung der Übergangsdauer zwischen Spannung und Strom die Schaltverluste reduziert werden. Die Nachteile schnellerer Übergänge in hart schaltenden Anwendungen sind in der Regel höhere Überschwingungen und außerdem die Erzeugung von elektromagnetischen Störungen. Die maximale Überspannung wird hierbei durch die Sperrspannung des Halbleiters begrenzt. Ein gängiger Ansatz zur Reduzierung der Überspannungen für einen Leistungshalbleiter ist die Minimierung der Induktivität im Leistungspfad. Ein in Reihe mit den Leistungsanschlüssen des Halbleiters geschalteter Transformator kann jedoch für verschiedene Anwendungen von Vorteil sein. Insbesondere die hohen Stromgradienten bei schnellen, harten Schaltvorgängen sorgt für eine hohe, und somit gut nutzbare Ausgangsspannung des Transformators. In dieser Arbeit wird ein neues Design eines kernlosen Planartransformators vorgestellt. Eine hohe magnetische Kopplung und ein einstellbares Übersetzungsverhältnis sowie eine besonders hohe Bandbreite sorgen dafür, dass die Induktivität in Reihe mit dem Halbleiter minimal gehalten werden kann. Der zweischichtige Aufbau ist zudem für verschiedene Substrate, insbesondere Leiterplatten, geeignet. Ein bis zur ersten Resonanzfrequenz gültiges Simulationsmodell des neuen Übertragerdesigns wurde erstellt und verifiziert. Die Anwendung, für die der Übertrager in dieser Arbeit hauptsächlich eingesetzt wird, ist das induktive Feed-Forward-Verfahren. Diese Methode zur Steuerung von Leistungshalbleitern beschleunigt das Umschalten in hart schaltenden Anwendungen. Die Methode wird analysiert und Verbesserungen für eine Auswahl von Leistungshalbleiter-Designs werden vorgeschlagen und verifiziert. Weiterhin wird die Ansteuerungsmethode modifiziert, um symmetrische Stromgradienten in parallel geschalteten Leistungshalbleitern zu erreichen. Außerdem wird der Übertrager vergleichbar zu einer Rogowski-Spule als Stromsensor genutzt, um die hohen Stromgradienten beim Schalten zu charakterisieren. Es wird gezeigt, dass durch verpolung der Sekundärwicklung das induktive Feed-Forward-Verfahren zur Verlangsamung des Schaltvorganges eingesetzt werden kann. In der letzten in dieser Arbeit vorgestellten Anwendung wird der Übertrager zur Erzeugung einer isolierten Versorgungsspannung für die Gate Ansteuerung eingesetzt. Die Anwendung ist besonders vorteilhaft, wenn eine negative Versorgungsspannung erforderlich ist, z.B. aufgrund einer niedrigen Schwellspannung.
Dual Active Bridge DC/DC-Wandler mit variabler Schaltfrequenz für Anwendungen mit weitem Spannungsbereich
(2021) Wattenberg, Martin; Pfost, Martin; Schulze, Jörg
Die vorliegende Arbeit beschreibt dieRealisierung eines bidirektionalenGleichspannungswandlers mit einer konstanten Ausgangsleistung von 1kW über einem Spannungsbereich von 20 bis 60 V auf der Primär- und 200 bis 600 V auf der Sekundärseite. Motiviert wird dieses Vorhaben durch die auf 20 Jahre begrenzte Einspeisevergütung der Energie aus Photovoltaikanlagen.Mit auslaufender Einspeisevergütung ist es wirtschaftlicher die Energie direkt zu verwenden, als sie in das Versorgungsnetz einzuspeisen. Hierfür wird in dieser Arbeit ein Niedervoltenergiespeicher aus wiederaufbereiteten Zellen auf der Primärseite verwendet. Der Gleichspannungswandler ermöglicht nun, den Energiespeicher an die sekundärseitige Infrastruktur aus Photovoltaikanlage und Wechselrichter anzuschließen. Als Bindeglied zwischen Batteriespeicher und Photovoltaikanlage wird ein einstufiger, isolierter Gleichspannungswandler auf Basis der Dual Active Bridge (DAB) Topologie verwendet. Konventionelle Implementierungen der DAB zeigen bei asymmetrischer Spannungsbelastung auf Primär- und Sekundärseite jedoch hohe Leit- und Schaltverluste. Der effiziente Betrieb über den gesamten Spannungsbereich der Primär- und Sekundärseite zusammen mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung stellt daher die Neuheit dieser Arbeit dar. Zur Analyse der Verlustmechanismen, die den Arbeitsbereich beschränken, werden die Verluste anhand eines Modells beschrieben. Ein Vergleich von Messung und Simulation belegt die Gültigkeit desModells. Die Verwendung einer variablen Schaltfrequenz ist die technisch und wirtschaftlich attraktivste Lösung,dengesamten Arbeitsbereich effizient abzudecken. ImVergleich zu anderen untersuchten Ansätzen wird hierbei keine zusätzliche Hardware benötigt. Ebenfalls entsteht keine Unstetigkeit im Übertragungsverhalten der Leistung, wie es durch das Umschalten einer Transformatorwicklung entstehen kann. Der Betrieb der DAB mit variabler Schaltfrequenz wird im Detail betrachtet und zur Effizienzsteigerung das Verhältnis von Wirk- zu Blindleistung maximiert. Unter Einhaltung von weiteren Randbedingungen, wie der Sättigung in magnetischen Bauelementen, sowie Spitzenstromwerten in den Halbleitern wird ein Modulationsverfahren entworfen, dass die Übertragung von 1kW Leistung über dem gesamten Arbeitsbereich ermöglicht. Auf Basis des Simulationsmodells werden mögliche Anpassungen an dem entworfenen Prototypen untersucht, um die Effizienz der DAB über dem gesamten Arbeitsbereich über 95% zu halten. Unter Verwendung des vorgeschlagenen Modulationsverfahrens mit variabler Schaltfrequenz ist ein hoch effizienter Betrieb des Gleichspannungswandlers über dem gesamten Arbeitsbereich möglich. v
Sensoren zur Bestimmung der Alterung der On-Chip-Metallisierung von LDMOS-Transistoren unter zyklischer Last
(2020) Ritter, Matthias Martin; Pfost, Martin; Schulze, Jörg
Die präsentierte Arbeit beschäftigt sich mit der Zuverlässigkeit komplexer integrierter elektronischer Systeme unter thermomechanischer Belastung. Die dort auftretenden hohen Leistungsdichten können bei ungeeigneter Auslegung leicht zu Fehlern oder einem kostspieligen Überdesign führen. Daher besteht der Wunsch nach immer intelligenteren Systemen, die es erlauben trotz komplexerer Systemarchitektur ein hohes Niveau von Ausfallsicherheit zu erhalten. Um dem gerecht zu werden sind neue Strategien bei der Auslegung dieser Systeme und insbesondere auch neuartige Sensoren nötig, die es erlauben zuverlässigkeitsrelevante Größen während des Betriebs zu überwachen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Augenmerk auf den Einfluss von starker zyklischer thermomechanischer Belastung auf die Metallisierung von modernen BCD Prozessen gelegt. Dafür werden LDMOS-basierte Teststrukturen mit eingebetteten Sensoren vorgestellt, die im gleichen Maße thermomechanisch altern wie die umgebende LDMOS-Metallisierung. Solche Sensoren sind nicht nur geeignet, um das Verständnis der in der Halbleitermetallisierung vorgehenden Prozesse weiter zu vertiefen, sondern auch zur kontinuierlichen Überwachung von bevorstehenden Ausfällen um möglicherweise den Ausfall zu verhindern. Diese resistiv arbeitenden Sensoren sind mäanderförmig über der aktiven Fläche angeordnet und unterscheiden sich im Lagenaufbau nicht von der umgebenden Metallisierung. Über die verschiedenen Messreihen konnte eine gute Wiederholbarkeit im Verlauf der Sensorgröße festgestellt werden und somit ein charakteristisches Sensorverhalten bestimmt werden. Neben den Sensoren wurden auch die entsprechenden Messtechniken zur Charakterisierung der Proben entwickelt und angewendet. Im Anschluss wurden die Messreihen durch moderne Fehleranalysetechniken ergänzt um so einen vertieften Einblick in die verschiedenen, teils gegenläufigen Prozesse zu erhalten. Das Ziel ist es, durch das vertiefte Verständnis der Vorgänge innerhalb der Chip-Metallisierung die am besten geeignete Konfiguration für die Sensorparameter zu finden.
Beschleunigte Ansteuerung von Leistungshalbleitern durch induktive Mitkopplung
(2019) Ebli, Michael; Pfost, Martin; Hoffmann, Klaus F.
Heat dissipation in epoxy/amine-based gradient composites with alumina particles
(2018-10-11) Morak, Matthias; Marx, Philipp; Gschwandl, Mario; Fuchs, Peter Filipp; Pfost, Martin; Wiesbrock, Frank
For the design of the next generation of microelectronic packages, thermal management is one of the key aspects and must be met by the development of polymers with enhanced thermal conductivity. While all polymer classes show a very low thermal conductivity, this shortcoming can be compensated for by the addition of fillers, yielding polymer-based composite materials with high thermal conductivity. The inorganic fillers, however, are often available only in submicron- and micron-scaled dimensions and, consequently, can sediment during the curing reaction of the polymer matrix. In this study, an epoxy/amine resin was filled with nano- and submicron-scaled alumina particles, yielding a gradient composite. It was found that the thermal conductivity according to laser flash analysis of a sliced specimen ranged from 0.25 to 0.45 W·m−1·K−1 at room temperature. If the thermal conductivity of an uncut specimen was measured with a guarded heat flow meter, the ‘averaged’ thermal conductivity was measured to be only 0.25 W·m−1·K−1. Finite element analysis revealed that the heat dissipation through a gradient composite was of intermediate speed in comparison with homogeneous composites exhibiting a non-gradient thermal conductivity of 0.25 and 0.45 W·m−1·K−1.

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