Stand der Technik sind IGBTs und Freilaufdioden aus Silizium (Si). Jahrzehntelange Forschung hat zu einer nahezu perfekten Technologie geführt. Jedoch werden die Fortschritte hinsichtlich der Reduzierung von Schalt- und Durchlassverlusten mit jeder neuen Generation von Si-IGBTs immer kleiner. Die anfallende Verlustleistung kann jedoch signifikant mit Leistungshalbleiter-Bauelementen aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) gesenkt werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, ob und inwieweit mit diskreten SiC-Bipolartransistoren im TO-247- und SiC-Schottky-Dioden im TO-220-Gehäuse der Wirkungsgrad eines Antriebsstromrichters gesteigert werden kann.
Ein Exkurs in die Siliziumkarbid-Halbleitertechnologie am Anfang soll deren Vorteile in Hinblick auf verlustärmere Leistungselektronik aufzeigen. Die Vorteile des Halbleitermaterials Siliziumkarbid werden anhand des SiC-Bipolartransistors im Vergleich zum ersten Leistungstransistor - dem Bipolartransistor aus Silizium - herausgearbeitet.
Beim SiC-Bipolartransistor muss im laststromführenden Zustand ein Steuerstrom in die Basis eingeprägt werden. Damit erhöht sich der Treiberaufwand. Deshalb wird der erste Themenschwerpunkt auf den Treiber gelegt. In dieser Arbeit wurden ein einfacher und ein komplexer Treiber aufgebaut und evaluiert. Mit leichten Modifikationen wurden mit dem komplexeren Treiber auch IGBTs und SiC-MOSFETs für Vergleichsmessungen angesteuert.
Ein neuer Ansatz zur Reduzierung der Treiberverlustleistung im Wechselrichter mit SiC-Bipolar-Transistoren wird vorgestellt. Er setzt beim Kommutierungsalgorithmus des Wechselrichters an.
Ein wesentlicher Teil der Arbeit widmet sich der Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors, insbesondere dem Schaltverhalten. Ein- und Ausschaltwärmen für verschiedene Arbeitspunkte werden ermittelt.
Am Ende der Arbeit werden experimentelle Untersuchungen an einem SiC-Wechselrichter durchgeführt. Abschließend werden die Potenziale, die mit dem Einsatz von SiC-Bipolartransistoren verbunden sind, bewertet aber auch die Grenzen aufgezeigt.:1 Einleitung 1
2 Aufbau des SiC-Bipolartransistors
2.1 Siliziumkarbid (SiC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Eigenschaften von monokristallinem Siliziumkarbid . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Herstellung des SiC-Wafers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Herstellung des SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4 Defekte im Siliziumkarbidkristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Halbleiterphysikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Gesperrter pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Stromführender pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Bipolartransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Sperrfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.3 Erster und zweiter Durchbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.4 Stromverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.5 Ladungsträgermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.6 Eindimensionaler spezifischer Widerstand der Driftzone . . . . . . . . 30
3 Ansteuerung des SiC-Bipolartransistors
3.1 Einführung Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Herausforderungen beim Ansteuern von SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . 34
3.3 Treiberkonzepte für SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Konventioneller Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6 Treiber für SiC-MOSFET und IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4 Reduzierung der Treiberverluste durch Einschrittkommutierung
4.1 Einschrittkommutierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 Stromvorzeichenerkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 Berechnung der Verlustleistungen für den eingeschalteten Zustand des SiC- Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4 Messung der Treiberverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors
5.1 Messaufbau für Untersuchung des Ein- und Ausschaltverhaltens . . . . . . . . 55
5.2 Doppelpulsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3 Definition der Schaltzeiten und Schaltverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . 57
5.4 Messung der Schaltwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4.1 Spannungstastköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4.2 Stromsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4.3 Zeitliche Verschiebung der Messsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4.4 Vergleich von konventionellem und 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . 65
5.4.5 Vergleich bei unterschiedlicher Treiberspannung . . . . . . . . . . . . 66
5.4.6 Vergleich bei halb und voll bestückter Halbbrücke . . . . . . . . . . . . 68
5.4.7 Vergleich von SiC-Bipolartransistor mit SiC-MOSFET und Si-IGBT . . 69
5.4.8 Reduzierung der Spannungsspitze beim Ausschalten . . . . . . . . . . 74
5.5 Simulation des Schaltverhaltens eines SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . 79
5.5.1 Schaltverhalten bei Ansteuerung mit unipolarem Treiber . . . . . . . . 79
5.5.2 Simulation des Einfluss der Emitter-Induktivität auf Schaltwärme . . . 81
5.5.3 Vergleich von Simulation und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6 Durchlassverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6 Einsatz von SiC-Bipolartransistoren im Wechselrichter
6.1 Aufbau der Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2 Inbetriebnahme des Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.3 Überspannungen an den Motorklemmen der 1 kW-Asynchronmaschine . . . . 91
6.4 Umbau des SiC-Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.5 Spannungsspitzen in der Ansteuerspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.6 Halbbrückenverluste im Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7 Zusammenfassung und Fazit 101
Literaturverzeichnis 104
A Anhang
A.1 Netzliste für SiC-Bipolartransistor FSICBH057A120 . . . . . . . . . . . . . . 113
A.2 Leiterplatten für Doppelpuls-Test und SiC-Wechselrichter . . . . . . . . . . . . 114
A.3 Herleitung des Feldverlaufs in der Driftzone des gesperrten pn-Übergangs . . . 116
A.4 Herleitung des Emitterwirkungsgrads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
A.5 Herleitung des spezifischen Widerstands der Driftzone . . . . . . . . . . . . . 121
A.6 Lebenslauf von Henry Barth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
A.6.1 Persönliche Angaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
A.6.2 Wissenschaftlicher Werdegang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 / State-of-the-art are IGBTs and free-wheeling diodes made of silicon (Si). Decades of research have led to an almost perfect technology. Nevertheless, progress in terms of reduction of switching and forward conducting losses becomes smaller and smaller with each new generation of Si IGBTs. The resulting power dissipation, however, can be significantly reduced with power semiconductor devices made of silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN).
The objective of this work is to investigate whether and to what extent discrete SiC bipolar junction transistors (BJT) in TO-247 and SiC Schottky diodes in TO-220 packages can be used to increase the efficiency of a power drive inverter.
At the beginning, a digression into silicon carbide semiconductor technology is intended to show its advantages in terms of lower-loss power electronics. The advantages of the semiconductor material silicon carbide are illustrated by the SiC bipolar junction transistor in comparison with the first power transistor - the silicon bipolar junction transistor.
For the on-state of SiC bipolar junction transistors, a continuous current must be injected into the base. This increases the driving effort. Therefore, the first topic focuses on the driver. In this work, a simple and a complex driver were built and evaluated. With slight modifications, the more complex driver was also used to drive IGBTs and SiC-MOSFETs for comparative measurements.
A new approach to reduce driver power dissipation in the inverter when using SiC bipolar junction transistors is presented. It focuses on the commutation algorithm of the inverter.
A significant part of the work is devoted to the characterization of the SiC bipolar junction transistor, especially the switching behavior. Turn-on and turn-off switching losses for different operating points are determined.
At the end of the work, experimental investigations are performed on a SiC inverter. Finally, the potentials associated with the use of SiC bipolar junction transistors are evaluated but also the limitations are shown.:1 Einleitung 1
2 Aufbau des SiC-Bipolartransistors
2.1 Siliziumkarbid (SiC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Eigenschaften von monokristallinem Siliziumkarbid . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Herstellung des SiC-Wafers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Herstellung des SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4 Defekte im Siliziumkarbidkristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Halbleiterphysikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Gesperrter pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Stromführender pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Bipolartransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Sperrfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.3 Erster und zweiter Durchbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.4 Stromverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.5 Ladungsträgermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.6 Eindimensionaler spezifischer Widerstand der Driftzone . . . . . . . . 30
3 Ansteuerung des SiC-Bipolartransistors
3.1 Einführung Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Herausforderungen beim Ansteuern von SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . 34
3.3 Treiberkonzepte für SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Konventioneller Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6 Treiber für SiC-MOSFET und IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4 Reduzierung der Treiberverluste durch Einschrittkommutierung
4.1 Einschrittkommutierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 Stromvorzeichenerkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 Berechnung der Verlustleistungen für den eingeschalteten Zustand des SiC- Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4 Messung der Treiberverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors
5.1 Messaufbau für Untersuchung des Ein- und Ausschaltverhaltens . . . . . . . . 55
5.2 Doppelpulsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3 Definition der Schaltzeiten und Schaltverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . 57
5.4 Messung der Schaltwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4.1 Spannungstastköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4.2 Stromsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4.3 Zeitliche Verschiebung der Messsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4.4 Vergleich von konventionellem und 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . 65
5.4.5 Vergleich bei unterschiedlicher Treiberspannung . . . . . . . . . . . . 66
5.4.6 Vergleich bei halb und voll bestückter Halbbrücke . . . . . . . . . . . . 68
5.4.7 Vergleich von SiC-Bipolartransistor mit SiC-MOSFET und Si-IGBT . . 69
5.4.8 Reduzierung der Spannungsspitze beim Ausschalten . . . . . . . . . . 74
5.5 Simulation des Schaltverhaltens eines SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . 79
5.5.1 Schaltverhalten bei Ansteuerung mit unipolarem Treiber . . . . . . . . 79
5.5.2 Simulation des Einfluss der Emitter-Induktivität auf Schaltwärme . . . 81
5.5.3 Vergleich von Simulation und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6 Durchlassverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6 Einsatz von SiC-Bipolartransistoren im Wechselrichter
6.1 Aufbau der Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2 Inbetriebnahme des Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.3 Überspannungen an den Motorklemmen der 1 kW-Asynchronmaschine . . . . 91
6.4 Umbau des SiC-Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.5 Spannungsspitzen in der Ansteuerspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.6 Halbbrückenverluste im Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7 Zusammenfassung und Fazit 101
Literaturverzeichnis 104
A Anhang
A.1 Netzliste für SiC-Bipolartransistor FSICBH057A120 . . . . . . . . . . . . . . 113
A.2 Leiterplatten für Doppelpuls-Test und SiC-Wechselrichter . . . . . . . . . . . . 114
A.3 Herleitung des Feldverlaufs in der Driftzone des gesperrten pn-Übergangs . . . 116
A.4 Herleitung des Emitterwirkungsgrads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
A.5 Herleitung des spezifischen Widerstands der Driftzone . . . . . . . . . . . . . 121
A.6 Lebenslauf von Henry Barth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
A.6.1 Persönliche Angaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
A.6.2 Wissenschaftlicher Werdegang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:78716 |
| Date | 06 April 2022 |
| Creators | Barth, Henry |
| Contributors | Hofmann, Wilfried, Lindemann, Andreas, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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