Verhaltensmodellierung von Leistungshalbleitern

für den rechnergestützten Entwurf

leistungselektronischer Schaltungen

von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität Chemnitz
genehmigte
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieurs
(Dr.-Ing.)
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Arendt Wintrich
geboren am   13.11.1965  in  Schönebeck(Elbe)
eingereicht am  30.09.1996
Gutachter:  Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Kronberg
   Prof. Dr.-Ing. Wilfried Hofmann
   Dr.- Ing. Roland Jakob
Tag der Verleihung: 18. 06. 1997


Schlagwörter:
Leistungselektronik, Leistungshalbleiter, IGBT, Smart-Power, Simulation, Schaltungsanalyse, Modelle, Modellierungsmethoden, Verhaltensbeschreibung

Autorenreferat:
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.
 
 
 

Chemnitz, Juli 1, 1998 Arendt Wintrich




Inhaltsverzeichnis                                                                                                                                        Seite
 

Verzeichnis der Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes                             6

Vorwort                                                                            11
1 Einleitung                                                                       12

2 Modelle - Voraussetzung zur Simulation                                           14
      2.1 Anforderungen                                                            15
          2.1.1 Anforderungen an die Modelle                                       15
          2.1.2 Anforderungen an den Modellentwickler                              19
      2.2 Bereitstellungsformen                                                    20
          2.2.1 Modellhierarchien                                                  20
          2.2.2 Bibliothekskonzepte                                                23
      2.3 Modellansatz für Leistungshalbleiter                                     24
           2.3.1 Zustandsmodellierung                                              26
           2.3.2 Modellierung mit halbleiterphysikalischem Ansatz                  28
           2.3.3 Verhaltensbeschreibende Modellierung                              32

 3 Techniken und Grundelemente der verhaltensbeschreibenden Modellierung           37
      3.1 Beschreibungssprachen zur Umsetzung des Modellansatzes                   37
           3.1.1 Ersatzschaltungen aus diskreten elektrischen Bauelementen         37
           3.1.2 Zustandsgraphen und Petri-Netze                                   46
           3.1.3 Hochsprachen                                                      48
      3.2 Klemmenverhalten nach der Mehrpoltheorie                                 52
      3.3 Arbeit mit Kennlinien                                                    53
      3.4 Parametergewinnung durch Messung                                         58
           3.4.1 Meßprinzipien und Meßverfahren                                    58
           3.4.2 Meß- und Prüfschaltungen                                          61
           3.4.3 Technische Anforderungen an Meßaufbauten                          65
           3.4.4 Meßtechnik                                                        67
           3.4.5 Meßfehler                                                         68
      3.5 Handlungsanleitung zur Verhaltensmodellierung von Leistungshalbleitern   72

 4 Modellierung des IGBT                                                           76
      4.1 Beschreibung des Bauelementes                                            76
           4.1.1 Halbleiterstruktur                                                76
           4.1.2 Funktionsprinzip                                                  78
           4.1.3 Besondere Eigenschaften                                           82
           4.1.4 Eckdaten/Trends                                                   89
      4.2 Erstellen eines Basismodells                                             91
           4.2.1 Modellansatz für das statische IGBT-Verhalten                     91
           4.2.2 Anpassung des Modellansatzes an die verfügbaren Parameter         92
      4.3 Modellerweiterungen zur Nachbildung dynamischer Eigenschaften            93
           4.3.1 Ansatz zur Modellierung der Halbleiterladungen                    94
           4.3.2 Anpassung des Modellansatzes an die verfügbaren Parameter         96
           4.3.3 Modellierung von parasitären Elementen                            98
      4.4 Temperaturabhängige Modellierung                                         99
           4.4.1 Berücksichtigung einer konstanten globalen Temperatur             100
           4.4.2 Modellierung der Eigenerwärmung                                   100
      4.5 Parametrisierung                                                         101
           4.5.1 Einfluß der Parameter auf die Modellierung                        102
           4.5.2 Statische Parameter                                               102
           4.5.3 Dynamische Parameter                                              105
           4.5.4 Besonderheiten von IGBT in Modulbauweise mit
                            interner Freilaufdiode                                 111
           4.5.5 Erweiterung der Parametersätze auf Bauelemente der
                            gleichen Produktfamilie                                111
      4.6 Verifikation und Wertung des Modells                                     112
           4.6.1 Vergleich gemessener und simulierter Kennlinien                   113
           4.6.2 Überprüfung von transienten Vorgängen                             114
           4.6.3 Wertung des IGBT-Verhaltensmodell                                 122

 5 Anwendung des Verfahrens auf weitere Leistungshalbleiter                        124
      5.1 Power-MOSFET                                                             124
      5.2 Bipolartransistor                                                        127

 6 Erweiterung von Leistungshalbleitermodellen zu Smart-Power-Elementen            131
      6.1 Beschreibung von SPE                                                     131
           6.1.1 Anschlußnahe elektrische Baugruppen                               133
           6.1.2 Innere signalverarbeitende Logik                                  134
      6.2 Modellrealisierung                                                       137
           6.2.1 Anforderungen und Verfahren zur Smart-Power-Modellierung          137
           6.2.2 Modellbibliothek aus Leistungshalbleitern und Schutzfunktionen    139
           6.2.3 Modellierung der anschlußnahen elektrischen Baugruppen            140
           6.2.4 Modellierung der inneren signalverarbeitende Logik                142
           6.2.5 Temperaturabhängige Modellierung von SPE                          144
      6.3 Parametrisierung                                                         145
           6.3.1 Parameter der anschlußnahen elektrischen Baugruppen               145
           6.3.2 Signalverarbeitung                                                146
      6.4 Verifikation                                                             146

 7 Applikationsbeispiele                                                           148
      7.1 Verlustleistungsermittlung im IGBT-Wechselrichter und
                        Berechnung der Chiptemperatur                              148
           7.1.1 Untersuchungen zu Verlusten im Dreiphasenwechselrichter           149
           7.1.2 Belastbarkeit des Wechselrichters bei gepulstem Gleichstrom       152
      7.2 Einfluß der realen Schaltzeiten auf optimierte Pulsmuster                157
           7.2.1 Erzeugen des Pulsmusters                                          159
           7.2.2 Einflüsse des realen Schaltverhaltens                             161

 8 Zusammenfassung                                                                 163

 Literaturverzeichnis                                                              165