Charakterisierung dynamischer Eigenschaften und Modellbildung neuartiger Leistungshalbleiterbauelemente auf Basis von SiC und GaN
Thomas Heckel
Neben konventionellen Bauelement-Konzepten auf Basis von Silizium (Si) sind in jüngster Vergangenheit auch Transistoren und Dioden aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) verfügbar. Diese Bauelemente bieten aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften die Möglichkeit, Spannungswandler mit deutlich gesteigertem Wirkungsgrad, erhöhter Leistung pro Volumen und Leistung pro Gewicht zu realisieren.
Die statischen Verluste der Leistungshalbleiterbauelemente im Flussbetrieb lassen sich mit kommerziell erhältlichen Aufbauten ermitteln. Die Charakterisierung des dynamischen Verhaltens beim Ein- und Ausschalten von bis zu 2 kV und 100 A innerhalb weniger Nanosekunden stellt jedoch eine nur ungenügend gelöste Herausforderung dar. Aufbauend auf dem grundsätzlichen Schaltverhalten moderner Transistoren und Dioden werden die Anforderungen und die Realisierung eines Doppelpuls-Messplatzes zur Erfassung der dynamischen Eigenschaften solch schnell schaltender Leistungshalbleiter mit mehr als 200 V/ns und 10 A/ns im Temperaturbereich von - 40 °C bis + 200 °C diskutiert. Die Modellbildung des Messplatzes erlaubt die Nachbildung und Verifikation eines gemessenen Schaltvorgangs in der Simulation auch bei sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten von über 100 V/ns. Dank des simulativen Ansatzes können auch bauteilinterne Spannungen und Ströme der Leistungshalbleiter untersucht werden, die messtechnisch nicht erfasst werden können.
Bisher unbeantwortet waren auch die Fragen, wie sich die theoretischen Grenzen der Schaltenergie von Leistungshalbleiterbauelementen ermitteln lassen und wie nahe man diesen theoretischen Grenzen in der Praxis kommt. Statt den in der Literatur üblichen anwendungsspezifischen Vergleichen von Leistungshalbleitern erfolgt deshalb ein grundlegender Vergleich unterschiedlicher Bauelement-Konzepte. Damit kann der Zusammenhang zwischen den analytisch bestimmten Grenzen der Schaltenergie und den in der Messung ermittelten Werten hergestellt sowie das Potential für uni- und bidirektionale Spannungswandler identifiziert werden.
Die Modellierung der nichtlinearen Verläufe der parasitären Kapazitäten für die Schaltungssimulation stellt unabhängig von der Si-, SiC- und GaN-Technologie eine besondere Herausforderung dar. Während die physikalischen und empirischen Modelle in der Fachliteratur in den letzten Jahren immer höhere Komplexität aufweisen, wird in dieser Arbeit ein neuartiges Modell mit stark vereinfachter Modellbildung vorgestellt.
