2 research outputs found
Integrierte Ansteuer- und Schutzschaltungen für schnell schaltende Leistungsbauelemente für hohe Spannungen
Several power devices based on wide bandgap materials -such as silicon
carbide (SiC) and gallium nitride (GaN)- were commercially released in the
last few years for high voltage applications up to 1700 V. The advantages
of these devices can only be achieved with an adapted gate driver, which
should ensure not only the optimal control but also the monitoring and the
protection of these new power devices.
This thesis presents the conception, design and verification of fully
integrated gate driver ICs for driving SiC-transistors (JFETs, MOSFETs) of
high voltage applications up to 1200 V. At the beginning, the advantages of
the wide bandgap materials and their potential for power devices are
discussed in comparison to silicon. Then several new 1200 V SiC
-transistors (MOSFETs, JFETs) of various suppliers are investigated
statically and dynamically under the same conditions and compared.
Furthermore, the effective control and monitoring of normally off
SiC-MOSFETs and normally on SiC-JFETs , the last in standard Cascode- and
Cascode-Light-topology, are considered and discussed. Based on this the
required gate driver concepts and parameters are derived.
PN- and dielectric-insulated semiconductor technologies are presented and
discussed for the integration of the gate driver. A very advantageous
SOI-technology is chosen for the physical realization of the gate drivers.
The overall concepts of the gate drivers and new and improved sub-circuits
are described and simulated in the design phase. The important and new
developed circuit concepts such as the negative turn off voltage and the
extended operation voltage range are discussed in detail. The various gate
driver IC layouts and the resulting chips with their dimensions and main
features are presented.
The developed sub-circuits and complete driver ICs are verified by
extensive measurements. The most significant low and high voltage
measurements and a power inverter test are presented and discussed.Verschiedene neue Leistungsbauelemente auf Basis von
wide-bandgap-Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN)
sind in den letzten Jahren mit unterschiedlichen Wirkprinzipien für
Spannungen bis zu 1700 V auf den Markt gekommen. Die positiven
Eigenschaften der Bauelemente können nur durch geeignete Treiberkonzepte
ausgenutzt werden, die neben der optimalen Ansteuerung auch den Schutz für
diese Bauelemente gewährleisten.
In dieser Arbeit werden das Konzept, der Entwurf sowie die Verifizierung
von vollintegrierten Gatetreiber-ICs für die Ansteuerung von
SiC-Leistungstransistoren (verschiedene JFET, MOSFET) der Spannungsklasse
bis 1200 V vorgestellt. Zunächst werden die Vorteile der wide
bandgap-Materialien und ihr Potential für Leistungsbauelemente im
Vergleich zum Silizium behandelt. Danach werden neue SiC -Transistoren
(lateraler und vertikaler JFET, MOSFET) mit ihren Strukturen vorgestellt,
statisch und dynamisch untersucht und die Messergebnisse verglichen und
bewertet. Weiterhin werden ausführliche Betrachtungen zur Ansteuerung und
Überwachung von normally-off SiC-MOSFETs und normally-on SiC-JFETs ,
letztere u. a. in Standard-Kaskode- und Kaskode-Light-Toplogie,
vorgenommen. Auf dieser Basis werden die Konzepte und Parameter der
angestrebten Treiber-ICs abgeleitet.
Zur Umsetzung der integrierten Treiber werden mögliche PN -isolierte und
dielektrischisolierte Halbleitertechnologien vorgestellt und diskutiert.
Eine sehr vorteilhafte SOI-Technologie wurde für die praktischen
Realisierungen in dieser Arbeit ausgewählt. Beim Entwurf der verschiedenen
Gatetreiber-ICs für normally-off und verschiedene normally-on
SiC-Bauelemente werden sowohl die Gesamtkonzepte der Gatetreiber-ICs als
auch neu- und weiterentwickelte Teilschaltungen vorgestellt und simuliert.
Wichtige, neu entwickelte Schaltungskonzepte wie die negative
Abschaltspannung und der erweiterte Betriebsspannungsbereich (−20 V...+20
V) werden besonders ausführlich behandelt. Die Layouts der verschiedenen
Versionen der Gatetreiber-ICs und die darausresultierenden Chips mit ihren
Abmessungen und Hauptmerkmalen werden gezeigt.
Die entwickelten Teil- und Gesamtschaltungen der verschiedenen Treiber-ICs
werden messtechnisch charakterisiert. Dabei werden die wichtigsten
Niederspannungs-, Hochspannungs- und Umrichtermessungen ausführlich
dargestellt und diskutiert
Ein Beitrag zur Analyse des Schaltverhaltens unipolarer SiC-Transistoren
Das Reverse Recovery der Body-Diode eines unipolaren Transistors beim Schalten induktiver Lasten zeigt eine typische Ladung. Sie kann durch Analyse verschiedener Experimente mit dem Halbleiter in drei Arten unterteilt werden. SiC-Halbleiter weisen im Vergleich zu Si-Halbleitern eine um eine Größenordnung höhere Sperrschichtkapazität auf, da die Feldstärken im Halbleiter in gleichem Maße größer sind. Hierdurch wird beim Reverse Recovery eine bemerkenswerte Menge an Ladung messbar.
Anhand von Messungen und Vergleichen ist dies deutlich zu erkennen. Dies wirkt sich auf das Schaltverhalten