Zielstellung dieser Arbeit ist es, Methodik und Verfahren zur Modellierung von Leistungshalbleitern zu erarbeiten, um die Verfügbarkeit und Handhabbarkeit dieser Modelle für die Schaltungsanalyse zu erhöhen. Ausgangspunkt ist eine Analyse der Anforderung und ein Vergleich mit den gegebenen ökonomischen und fachlichen Möglichkeiten. Im Ergebnis wird ein hierarchischer Aufbau von Verhaltensmodellen befürwortet. Die zur Modellrealisierung benötigten Techniken werden vorgestellt. Das erarbeitete Verfahren zur verhaltensbeschreibenden Modellierung erfordert eine am Modellumfang orientierte Wahl der Beschreibungssprache und zeichnet sich durch Verwendung von Datenblattangaben zur Parametrisierung und geringem Simulationszeitbedarf der Modelle aus. Für diskrete Einzelhalbleiter werden physikalisch interpretierbare Ersatzschaltungen auf Grund ihrer hoher Anschaulichkeit und der erreichbaren Portabilität der Modelle bevorzugt, komplexere Modelle mit Steuer- und Schutzeinrichtungen sind mit Zustandsbeschreibungen zu kombinieren. Der allgemeingültige Ansatz ist auf beliebige Leistungshalbleiter anwendbar und wird ausführlich anhand des IGBT, von Smart-Power-Elementen und anderer Bauelemente dargelegt.

The purpose of this master thesis was to create a model of an IGBT in a single pulse test circuit and connect this model to a model of a Gate Unit. The IGBT model and the single pulse test circuit were both implemented in MATLAB and the Gate Unit was implemented in Simulink. The purpose of this model was to test the actions of the gate unit, so that the initial tuning could be done before going to the lab. Since no tests were performed in the lab, it was not possible to see how much of the testing that could have been done by simulations. However, the actions of the IGBT model much resembled the actions of the real component, even though some drawbacks were clear, such as the lack of tail current and tail voltage. These comparisons could be made between simulated characteristics and recordings from a previous test with the same component.

Fast switching operations in IGBTs generate electromagnetic field disturbances, which might cause EMI and functionality issues. For higher frequency characterization, the parasitic inductances and capacitances have to be considered. The characterization of the electromagnetic field disturbances in- and around the converter module could be predicted early in the design. The study involves a high frequency characterization of electric fields (Efield), magnetic fields (H-fields) and the surface currents distribution in a converter module. The high frequency electromagnetic software (CST) was used for the analysis. A given 3D CAD model of an AC/DC converter module was analyzed in CST. The CAD contained IGBT bus-bars interconnections, converter casing, heat sink and other metallic structures. The ACside has six IGBTs and the DC-side has a chopper which has two switches. The IGBTs ONstate and OFF state was modeled with lumped elements. The DC link capacitor was just modeled as lumped elements, while the metallic capacitor casing was included in the 3D model for analyzing the field distribution inside the converter casing. To check the model accuracy, CST models were compared with PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) models for simple antenna cases. Using the converter geometry, CST estimates the parasitics and the eventual current, voltage and electromagnetic field distributions for a given excitation signal. The DC-link was excited with a step pulse and the fields were computed. With consideration of specific design details, the modeling approach developed in this study, could be used to construct high frequency models of converter modules for different projects.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit drei verschiedenen Temperaturmessmethoden VCE, VGTH sowie über die Messung der thermsichen Impedanz mit 10ms langen Lastimpulsen und vergleicht die Messergebnisse mit zwei Simulatoren. Dabei wird ein Schaltungs- sowie ein Halbleitersimulator verwendet und das bisherige Simulationsmodell angepasst.

IGBTs are today’s most important power-semiconductor switches in the field of medium and high power ranges. The good controllability of this device with a voltage source is advantageous. The following work investigates the IGBT at short-circuit and surge-current condition. A particular focus is put on the IGBT’s feedback on the gate-control circuit. Special modes during the short circuit are measured and explained. For example the self-turn-off mechanism during short circuit and the collector-emitter voltage-clamping capability during fast short-circuit turn-off. Measurements are done at high-voltage IGBT chips and press-pack devices. The complete IGBT output characteristic up to the breakdown point is measured. Additionally, the short circuit is investigated at the parallel and series connection of IGBTs. Supporting semiconductor simulations of a high-voltage IGBT model, that was specially constructed for this work, analyse the internal behaviour during the mentioned conditions. The impact of different IGBT designs on the short-circuit ruggedness and breakdown behaviour is shown. Solutions for protecting the device from destruction during overload condition are presented. Measurements and simulations explain the surge-current capability of an IGBT and demonstrate the benefit for the application. / IGBTs gehören zu den wichtigsten Halbleiter-Leistungsbauelementen im mittleren und oberen Leistungsbereich. Die einfache Ansteuerbarkeit durch eine Spannungsquelle ist dabei von großem Vorteil. Nachfolgende Untersuchungen beschäftigen sich mit dem IGBT-Kurzschluss und -Stoßstrom. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Rückwirkung des IGBTs auf den Ansteuerkreis gelegt. Spezielle IGBT Modi werden gemessen und erklärt. Hierzu zählen zum Beispiel der Self-Turn-Off Mechanismus während des Kurzschlusses und die selbständige Kollektor-Emitter Spannungsbegrenzung während schnellen Kurzschlussabschaltens. Hierfür werden Messungen an Hochspannungs-IGBT Chips und Press-Pack IGBTs durchgeführt. Des Weiteren wird das komplette Ausgangskennlinienfeld des IGBTs vermessen und das Kurzschlussverhalten in der Parallel- und Reihenschaltung untersucht. Halbleitersimulationen eines Hochspannungs-IGBT Modells zeigen das interne IGBT Verhalten und unterstützen die Analyse der Messungen. Der Einfluss unterschiedlicher IGBT Designs in Bezug auf die Kurzschluss-Robustheit und das Durchbruchverhalten wird aufgezeigt. Möglichkeiten zum Schutz des IGBTs vor Zerstörung werden erörtert. Messungen und Simulationen zeigen die gute Stoßstromfestigkeit von IGBTs bei erhöhter Gatespannung auf. Davon kann die komplette Anwendung profitieren.

De nos jours, l’exploitation des énergies renouvelables afin de générer de l’électricité est en croissance soutenue puisqu’elles sont à ressource illimitée, gratuites et ne provoquent pas de déchets ou d’émissions polluantes. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types d’énergie à savoir l’énergie issue des courants marins. Il s’agit plus particulièrement de s’intéresser à la commande tolérante aux défauts des systèmes de récupération de l’énergie des courants marins. Le potentiel de la production d'électricité à partir des courants marins est estimé à une production de 100 GW dans le monde. Cependant, ces chaînes de conversion d’énergie sont exposées et soumises à des contraintes fonctionnelles et environnementales importantes et sévères. Ces contraintes favorisent inévitablement la dégradation des performances des différents blocs fonctionnels de ces systèmes et l’accélération de leur processus de vieillissement, conduisant ainsi à l’apparition des défauts d’origines mécaniques et/ou électriques. Ainsi, la mise en place des techniques de commande tolérantes aux défauts de ces systèmes permettra d’améliorer la fiabilité, les performances et réduire les coûts relatifs au fonctionnement en mode dégradé et aux opérations de maintenance. Le but des travaux de cette thèse est l’étude, la modélisation et la simulation d’une chaîne de conversion hydrolienne à vitesse variable dans le cas sain et le cas d’un défaut (soit au niveau de la machine synchrone à aimants permanents (défaut de la désaimantation) ou au niveau du convertisseur statique (défaut d’un circuit ouvert d’un interrupteur). Il s’agira donc d’étudier les différentes commandes tolérantes aux défauts utilisées en cas d’un défaut au niveau de la génératrice ou au niveau de l’électronique de puissance associée. / Nowadays, the exploitation of renewable energies in order to generate electricity is growing steadily because they are unlimited resources, free and don’t cause waste or polluting emissions. In this context, it is proposed to study one of these types of energy, which is marine currents energy. In particular, we are interested in fault-tolerant control of tidal turbines. The potential for power generation from marine currents is estimated at 100GW in the world. However, tidal turbines are submitted to severe operational and environmental constraints. These constraints inevitably will lead to these systems performance degradation and the acceleration of their aging process, thus leading to the occurrence of mechanical and/or electrical faults. The implementation of fault-tolerant control techniques will improve the tidal turbines reliability, performance, and reduce costs relating to maintenance operations. The aim of this thesis is to study, model, and simulate a tidal turbine system in healthy and faulty conditions (either in the converter (switch open circuit) or in the permanent magnet synchronous generator (magnet failure). Various fault-tolerant control approaches are therefore evaluated and compared under these specific failure It will therefore be necessary to study the various fault-tolerant controls used in the event of a fault in the generator or in the associated power electronics.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit drei verschiedenen Temperaturmessmethoden VCE, VGTH sowie über die Messung der thermsichen Impedanz mit 10ms langen Lastimpulsen und vergleicht die Messergebnisse mit zwei Simulatoren. Dabei wird ein Schaltungs- sowie ein Halbleitersimulator verwendet und das bisherige Simulationsmodell angepasst.:Aufgabenstellung Inhaltsverzeichnis Nomenklatur Einleitung 1. Grundlagen 1.1. Halbleitermaterialien 1.2. Dioden Grundlagen 1.2.1. pn-Übergang 1.2.2. Temperaturabhängigkeit der Diffusionsspannung des pn-Übergangs 1.2.3. Diodenstrukturen 1.3. IGBT Grundlagen 1.3.1. Funktionsweise und ESB 1.3.2. Statisches Verhalten des IGBTs 1.4. Messtechnische Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur 1.4.1. VCE(T)- und VGth(T)-Methode 1.4.2. Temperaturreferenzmessung – Kalibrierkennlinie 1.4.3. Wurzel(t)-Methode 1.5. Simulation der virtuellen Sperrschichttemperatur mittels thermischer Ersatzschaltbilder 1.5.1. Thermische Kenngrößen Rth, Cth 1.5.2. Transiente thermische Impedanz Zth 1.5.3. Ersatzschaltbild – Cauer-Netzwerk 1.6. Simulation der virtuellen Sperrschichttemperatur mittels Halbleitersimulator 1.7. Stoßstromereignisse 2. Vormessungen 2.1. Prüflinge 2.2. Messung der Sperrfähigkeit 2.2.1. Testaufbau – Schaltung 2.2.2. Testergebnisse 2.3. Messung des Ausgangskennlinienfeldes/ Durchlassmessungen 2.3.1. Testaufbau – Schaltung 2.3.2. Testergebnisse 2.4. Messung der Transferkennlinie 2.4.1. Testaufbau – Schaltung 2.4.2. Testergebnisse 2.4.3. Bestimmung des “pinch-off”-Bereiches 2.5. Aufnahme der Kalibrierkennlinien 2.5.1. Testaufbau – Schaltung 2.5.2. Testergebnisse 3. Temperaturbestimmung mittels thermischer Impedanz Zth 3.1. Testaufbau – Schaltung 3.2. Testergebnisse 4. Temperaturbestimmung am Stoßstrommessplatz 4.1. Ermittlung der Halbleitertemperatur nach einem Stoßstromereignis 4.1.1. Anpassung des Stoßstrommessplatzes 4.1.2. Pulsmuster VCE(T)-, VGth(T)-Messung 4.1.3. Testergebnisse 4.2. Ermittlung des Halbleitertemperaturverlaufes während des Stoßstromereignisses 4.2.1. Testaufbau - Schaltung 4.2.2. Pulsmuster VCE(T)-, VGth(T)-Messung 4.2.3. Testergebnisse 5. Simulation der Temperaturverläufe 5.1. Temperatursimulation mittels Halbleitersimulator 5.2. Temperatursimulation mittels Cauer-Netzwerk 5.3. Angepasste Temperatursimulation mittels Cauer-Netzwerk 6. Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Selbstständigkeitserklärung Danksagung

IGBTs are today’s most important power-semiconductor switches in the field of medium and high power ranges. The good controllability of this device with a voltage source is advantageous. The following work investigates the IGBT at short-circuit and surge-current condition. A particular focus is put on the IGBT’s feedback on the gate-control circuit. Special modes during the short circuit are measured and explained. For example the self-turn-off mechanism during short circuit and the collector-emitter voltage-clamping capability during fast short-circuit turn-off. Measurements are done at high-voltage IGBT chips and press-pack devices. The complete IGBT output characteristic up to the breakdown point is measured. Additionally, the short circuit is investigated at the parallel and series connection of IGBTs. Supporting semiconductor simulations of a high-voltage IGBT model, that was specially constructed for this work, analyse the internal behaviour during the mentioned conditions. The impact of different IGBT designs on the short-circuit ruggedness and breakdown behaviour is shown. Solutions for protecting the device from destruction during overload condition are presented. Measurements and simulations explain the surge-current capability of an IGBT and demonstrate the benefit for the application. / IGBTs gehören zu den wichtigsten Halbleiter-Leistungsbauelementen im mittleren und oberen Leistungsbereich. Die einfache Ansteuerbarkeit durch eine Spannungsquelle ist dabei von großem Vorteil. Nachfolgende Untersuchungen beschäftigen sich mit dem IGBT-Kurzschluss und -Stoßstrom. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Rückwirkung des IGBTs auf den Ansteuerkreis gelegt. Spezielle IGBT Modi werden gemessen und erklärt. Hierzu zählen zum Beispiel der Self-Turn-Off Mechanismus während des Kurzschlusses und die selbständige Kollektor-Emitter Spannungsbegrenzung während schnellen Kurzschlussabschaltens. Hierfür werden Messungen an Hochspannungs-IGBT Chips und Press-Pack IGBTs durchgeführt. Des Weiteren wird das komplette Ausgangskennlinienfeld des IGBTs vermessen und das Kurzschlussverhalten in der Parallel- und Reihenschaltung untersucht. Halbleitersimulationen eines Hochspannungs-IGBT Modells zeigen das interne IGBT Verhalten und unterstützen die Analyse der Messungen. Der Einfluss unterschiedlicher IGBT Designs in Bezug auf die Kurzschluss-Robustheit und das Durchbruchverhalten wird aufgezeigt. Möglichkeiten zum Schutz des IGBTs vor Zerstörung werden erörtert. Messungen und Simulationen zeigen die gute Stoßstromfestigkeit von IGBTs bei erhöhter Gatespannung auf. Davon kann die komplette Anwendung profitieren.

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(B)(2) 課題番号:11480113 研究代表者:上杉 喜彦 研究期間:1999-2001年度

La fiabilité et la disponibilité des systèmes de gestion de l'énergie sont les conditions de base pour la généralisation de solutions électriques dans de nombreuses applications. Les dispositifs de puissance doivent être performants non seulement en régime normal, mais aussi en régimes extrêmes, par exemple lors des courts-circuits. Pour cela, les interrupteurs de puissance sont associés de façon discrète à des systèmes de détection et de protection. Une solution pour améliorer la fiabilité des dispositifs consiste à intégrer monolithiquement, au sein d'une même puce, l'interrupteur et les fonctions de détection et de protection. Ces dispositifs intégrés exploitent les interactions électriques qui apparaissent dans la puce pour détecter la défaillance et ainsi la stopper. L'interrupteur de puissance est ainsi protégé et se remet en conduction une fois la défaillance corrigée. Les composants de puissance seront ainsi capables de se protéger lors d'une défaillance. L'objectif de cette thèse est de proposer des solutions d'intégration de fonctions de protection et de diagnostic rapprochées avec les dispositifs IGBT afin d'augmenter la fiabilité et la disponibilité des systèmes de puissance. Les fonctions de protection sur lesquelles nous nous sommes focalisés sont le miroir de courant ("Sense") et le capteur d'anode ("Capteur de Tension d'Anode") pour détecter les courts-circuits. Ces deux capteurs ont été étudiés à l'aide de simulation 2D puis réalisés technologiquement. Un circuit de détection et de protection des IGBT contre les courts-circuits, comprenant le capteur de tension d'anode intégré monolithiquement, est proposé et simulé. Les tests électriques des capteurs en mode statique permettent de mieux comprendre leur comportement. Enfin, l'interrupteur IGBT associé à ses fonctions de détection et de protection est testé de manière discrète dans un circuit de commutation en condition de court-circuit afin de valider le fonctionnement.