Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes

Indizes (auch in Zusammensetzungen):

_ A         - Anode
_ B         - Basis
_ b         - Basisgebiet einer bipolaren Halbleiterstruktur
_ BR       - Durchbruch
_ C         - Kollektor
_ D         - Drain
_ DC       - direct current, Gleichstrom
_ E          - Emitter
_ G          - Gate
_ (ges)       - Gesamtwert
_ HE        - Hilfsemitter
_ in          - Eingangsgröße
_ j                - Junction, Sperrschicht
_ K           - Kathode
_ Kk         - Kühlkörper
_ (k)         - Kurzschlußwert
_ Last       - Lastgröße ,elektrischer Verbraucher
_ Lwm       - Leitwertmodulation
_ (max)      - Maximalwert, Obergrenze
_ (min)      - Minimalwert, Untergrenze
_ n           - Elektronen
_ (nenn)    - Nennwert
_ OC        - over current, Überstrom
_ off        - Ausschalten
_ on        - Einschalten
_ p          - Löcher
_ reset     - Rücksetzwert
_ S             - Source
_ tail         - im Zusammenhang mit dem Tailstrom verwendete Größen
_ th        - thermische Größe
_ UV        - under voltage, Unterspannung
_ 0         - Wert am Nulldurchgang des Koordinatensystem, Grundwert

physikalische Größen, Formelzeichen:

A         - Fläche (Chipfläche des Halbleitermaterials)
Bx        - Übergangsbedingung x
D         - Diffusion (Verschiebungsstromdichte)
DA      - Ambipolare Diffusionskonstante
Dp/Dn  - Diffusionskonstante Löcher/Elektronen
F(r)      - Fehler (relativ)
f          - Frequenz
fPuls     - Pulsfrequenz
I          - Strom
    IF      - Vorwärtsstrom einer Diode
    IMOS- Strom durch MOSFET-Struktur
    IRM  - Rückstromspitze
    Is      - Sättigungsstrom
    Itail   - Tailstrom
    Itail0 - Tailstrom bei t=0, Kniestrom
J          - Stromdichte
K        - Konstante, Proportionalitätsfaktor
k         - Bolzmankonstante
LA      - Ambipolare Diffusionslänge
lMOS   - Kanallänge MOSFET
NA/ND - Dotierungsdichte Akzeptoren/Donatoren
Nb        - Basisträgerdichte
n           - Trägerdichte Elektronen
n0         - Gleichgewichtsdichte Elektronen
n        - Überschußträgerdichte Elektronen
ni         - Intrinsicträgerdichte
       - mittlere Ladungsträgerdichte
P         - Leistung
Pv       - Verlustleistung
p         - Ladungsträgerdichte Löcher
p0        - Gleichgewichtsdichte Löcher
p       - Überschußträgerdichte Löcher
Q        - Ladung
    Qpb0  - Im Basisgebiet gespeicherte Ladung (Löcher)
    Qrr     - Sperrerholladung
    Qth    - Wärmemenge
q          - Elementarladung
Rp/Rn   - Rekombinationsrate Löcher/Elektronen
ron        - Halbleiterwiderstand im Leitzustand
roff        - Halbleiterwiderstand im Sperrzustand
T           - Periodendauer
t            - Zeit
    td         - Verzugszeit, Totzeit
    tdv       - Verriegelungszeit
    tein      - Einschaltdauer
    tf         - Fallzeit
    tr         - Anstiegszeit
    trr        - Sperrverzögerungszeit
TK       - Temperaturkoeffizient
TV       - Tastverhältnis tein/T
V         - Spannung
    Va       - Ausgangsspannung
    VB       - Betriebspannung Steuerung
    Vb       - Spannungsabfall über dem Basisgebiet
    VCC     - Lastspannung, Zwischenkreisspannung
    VCGC   - Wendepunkt der spannungsabhängigen Millerkapazität
    VCE(sat) - Sättigungsspannung IGBT
    VCES    - Spitzensperrspannung
    VD       - Diffusionspannung eines pn-Übergangs
    VF0      - Schleusenspannung bei geradengenäherter Diodenkennlinie
    VGG     - Gate-Versorgungsspannung
    VGE(th) - Gate-Emitter-Schwellspannung des IGBT
    VGE(pl) - Plateauwert der Gate-Emitter-Spannung
    Vj        - Spannung über pn-Übergang
    VT       - Temperaturspannung
W     - Energie, Arbeit
    Wcond - Verluste im eingeschalteten Zustand
    Wv      - Verlustenergie
w         - Ausdehnung (Weite) im Halbleitermaterial
     wb      - Basisweite
     wj       - Weite der Raumladungszone
     wn-     - Weite der schwachdotierten Zone
 Zx        - Systemzustand x
 Zth(j-c) - transiente thermische Impedanz zwischen Sperrschicht und Bauelementgehäuse

          - Zündwinkel
           - Delta (Differenz)
   - Wirkungsgrad
 µ           - Ladungsträgerbeweglichkeit
 T           - Lebensdauer oder Zeitkonstante
     THI       - Hochinjektionslebensdauer
     Tpt       - Transitzeit der Löcher durch Basisgebiet
     Tp0/ n0  - Grundlebensdauer der Löcher/Elektronen
 th       - Wärmestrom
           - Potential
 w          - Kreisfrequenz
          - Dielektrizitätskonstante
 HL     - Dielketrizitätskonstante eines Halbleitermaterials
          - Temperatur
 a       - Außentemperatur (Kühlmedium)
 j        - Sperrschichttemperatur
         - spezifischer Widerstand
         - Divergenz (div)


Bauelemente:

C -       Kapazität
    Cdiff     - Diffusionskapazität eines pn-Übergangs
    Cies      - Eingangskapazität
    Coes     - Ausgangskapazität
    Cox       - Oxidschichtkapazität
    Cres      - Rückwirkungskapazität (Millerkapazität)
    Cspr      - Sperrschichtkapazität eines pn-Übergangs
D -       Diode
    DF - Freilaufdiode
E -       Spannungsquelle
EI -      stromgesteuerte Spannungsquelle
EU -    spannungsgesteuerte Spannungsquelle
I -        Stromquelle
II -       stromgesteuerte Stromquelle
IU -     spannungsgesteuerte Stromquelle
L -       Induktivität
    Ls -     Streuinduktivität
R - Widerstand
    Ri -     Innenwiderstand
    RG - Gatevorwiderstand
    RGon - Gatevorwiderstand im Einschaltstrompfad
    RGoff - Gatevorwiderstand im Ausschaltstrompfad
    RGin(s) - Bauelement-interner Gatewiderstand (statisch)
Tr -      Transistor, allgemein

Abkürzungen:

BJT            - Bipolar-Junction-Transistor
DSO          - Digital-Speicher-Oszilloskop
DGL          - Differentialgleichung
ELDO        - Simulator der ANACAD Inc.
EMV          - Elektromagnetische Verträglichkeit
FEM           - Finite-Elemente-Methode
FFT            - Fast-Fourier-Transformation
GTO           - Gate-Turn-Off-Thyristor
IGBT          - Insulated-Gate-Bipolar-Transistor
    NPT-          - Non-Punch-Through
    PT-             - Punch-Through
    Trench         - IGBT mit Grabenstruktur am Gate
LWM          - Leitwertmodulation
MOSFET    - Metaloxid-Silizium-Feldeffekttransistor
MCT           - MOS-Controled-Thyristor
PSpice         - Simulator der MicroSim Inc.
PWM          - Pulsweitenmodulation
RLZ             - Raumladungszone
Simplorer     - Simulator der Simec GmbH & Co KG
SABER        - Simulator der Analogy Corp.
SOA            - Safe-Operating-Area
SPE             - Smart-Power-Element
Spice           - an der University of Berkley entwickleter Simulator
VHDL(-A)  - Very-High-Description-Language (-Analog)
WR             - Wechselrichter

Bezeichnungen:

Die Nummerierung und Textverweise auf Abbildungen, Gleichungen und Tabellen setzen sich aus der Nummer des Hauptkapitels und einer im Kapitel fortlaufenden Nummer zusammen.
Abb. - Abbildung
Gl. - Gleichung
Kap. - Kapitel
Tab. - Tabelle

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Zeit als Forschungsstudent und der Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Leistungselektronik der TU Chemnitz-Zwickau.
 

Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Kronberg gilt mein besonderer Dank für die vielen Anregungen zum Thema, die Förderung und sorgfältige Betreuung während des gesamten Verlaufs dieser Arbeit.
 

Dieser Dank gilt ebenfalls Herrn Dr. Wilfried Schreiter für die stete Bereitschaft, mich in Diskussionen zum Thema Leistungshalbleiter und bei der Durchführung der praktischen Untersuchungen zu unterstützen.
 

Bei den Mitarbeitern und Diplomanden des Lehrstuhls, die am Fortgang meiner Arbeit beteiligt waren, möchte ich mich ganz herzlich bedanken. Dies gilt insbesondere für Herrn Dipl.-Ing. El-Dwaik, der in zahlreichen fachlichen Gesprächen zum Gelingen dieser Arbeit beitrug und durch die Anwendung der erstellten Modelle eine weitere praktische Bestätigung für die Richtigkeit der inhaltlichen Schwerpunkte dieser Arbeit lieferte.
 

Mein Dank gilt ebenso den Mitarbeitern der Firma SIMEC in Chemnitz, die mir durch Bereitstellung der Simulationssoftware Simplorer auch privat ermöglichten, am Dissertationsthema zu arbeiten und mir unkompliziert Hilfe bei Problemen der Meßwertgewinnung gewährten.


Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

Es ist einer der ältesten Menschheitsträume, Dinge vorauszubestimmen, bevor sie Realität werden, wodurch der Mensch in die Lage versetzt wird, diese bewußt und zielgerichtet für seine Zwecke zu beeinflussen. Gerade dieser Wunsch ist einer der wesentlichen Beweggründe für den Einsatz der Simulation bei der Entwicklung und Untersuchung technischer Systeme. Unter gegebenen oder gewählten Rahmenbedingungen ist eine Vorherbestimmung eines erreichbaren Ergebnisses möglich. Ökonomische Zwänge, das Streben physikalische Grenzen auszuloten und die Verfügbarkeit immer leistungsfähigerer Rechen-
technik forcieren außerdem die Verwendung der Simulation als Hilfsmittel des Ingenieurs.

Bei richtiger Anwendung stellt die Simulation in der Elektrotechnik und Elektronik eine kosten- und zeiteffektive Methode zur Umsetzung neuer Schaltungs-, Regler- und Steuerkonzeptionen und zur Bestimmung von Eigenschaften elektr. Baugruppen dar. Es ist Stand der Technik, die Simulation zum Schaltungsentwurf einzusetzen und die Dimensionierung, die optimale Anpassung von schaltungsspezifischen Größen an die zu lösende Aufgabe und die Beanspruchung von Bauelementen über die Simulation zu ermitteln. Mit ihrer Hilfe sind die geeignetsten Bauelemente auszuwählen und benötigte Bauelementeparameter zu bestimmen. Wesentliche Vorteile sind der Wegfall zeitintensiver Testaufbauten und die gleichzeitige Verfügbarkeit aller interessierender Signale, Spannungen und Ströme und daraus abzuleitender Daten. Der Schaltungsentwurf am Computer ersetzt damit das Experiment. Der Entwicklungsingenieur ist im Voraus in der Lage, kritische Betriebszustände zu erkennen und durch eine entsprechende Reaktion Schäden an Betriebsmitteln zu vermeiden.

Die allgemeinen Aussagen zu Vorteilen und Einsatz der Simulation bei der Schaltungsentwicklung und -analyse gelten gleichfalls für leistungselektronische Schaltungen. Auch bei deren spezifischen Merkmalen läßt sich die Simulation zur Reduktion des Entwicklungsaufwands einsetzen. Eine solche Besonderheit ist der Umgang mit hohen Strömen und Spannungen, bei denen die Simulation im Vergleich zur Messung einen gefahrlosen Zugang zu den elektrischen Schaltungsgrößen liefert. Der Einfluß von Störgrößen und die Auswirkungen von Havariesituationen sind ohne Zerstörungen wegen des hohen Energiegehaltes in den Schaltungen oft nur durch Simulation zu ermitteln. Eine weitere Besonderheit sind die von immer schneller schaltenden Bauelementen verursachten steilen Strom- und Spannungsflanken und damit verbundene hohe Störfrequenzen. Sie verlangen eine Berücksichtigung parasitärer Elemente, wie es vergleichbar in der Hochfrequenztechnik der Fall ist. Entstehende EMV-Probleme sind mit Hilfe der Schaltungsanalyse zu untersuchen.

Die Schwachstelle für den unumstritten sinnvollen Einsatz der Simulation zur Schaltungsentwicklung ist die mangelnde Verfügbarkeit und Handhabbarkeit von Modellen für Leistungshalbleiter. Eine der Hauptursachen ist in der schnellen Produktfolge mit vergleichsweise geringen Stückzahlen begründet, so daß die Modellerzeugung und der Vertrieb für ein privatwirtschaftliches Unternehmen ökonomisch nicht vertretbar sind. Vorhandene Modelle wurden deswegen meist an Universitäten, öffentlichen Forschungseinrichtungen oder in öffentlich geförderten Projekten /Laur/ erstellt. Ein weiteres Problem ist die fehlende Standardisierung einer analogen Modellsprache, die eine Anpassung vorhandener Modelle an verschiedene Simulatoren notwendig macht.

Für Leistungshalbleiter sind so eine Anzahl von Einzelmodellen mit speziellem Zuschnitt auf ein konkret bezeichnetes Bauelement oder einen Simulator entstanden. Im Gegensatz zur Modellierung mikroelektronischer Bauelemente und Baugruppen /Horneber/ /Heine/ erfolgte bisher keine systematische Aufarbeitung von Modellierungstechniken für Leistungsbauelemente. Mit dieser Arbeit wird deshalb das Ziel verfolgt, allgemeingültige Verfahren und Methoden zur Modellgeneration in der Leistungselektronik aufzuzeigen. Die Verfügbarkeit von Modellen soll erhöht werden. Der Inhalt dieser Arbeit richtet sich gleichermaßen an den Modell- und Schaltungsentwickler. Mit den dargelegten Methoden ist eine schnelle Entwicklung von Modellen leistungselektronischer Bauelemente möglich, um leistungselektronische Schaltungen entwerfen, dimensionieren oder optimieren zu können.

Die inhaltliche Aufarbeitung des Themas beginnt mit der Analyse der Anforderungen für Modelle zur Schaltungsanalyse. Sie sind Ausgangspunkt für Aussagen zum Modellaufbau und dienen der Beurteilung verschiedener Modellansätze. Im wesentlichen existieren 2 Verfahren zur Erstellung von Halbleitermodellen. Der halbleiterphysikalische Ansatz bleibt wegen des benötigten Hintergrundwissens den Halbleiterherstellern vorbehalten, wird aber wegen der damit verbundenen Offenlegung aus Wettbewerbsgründen nur eingeschränkt genutzt. Unabhängig von Hersteller und Halbleitertechnologie kann die Verhaltensmodellierung eingesetzt werden, sie stellt das für den Nutzer der Leistungshalbleiter interessantere Verfahren dar. Ihr Einsatz erfolgte bisher nur für Baugruppen der Mikroelektronik bzw. der Signalverarbeitung. Die Übertragung und Ausnutzung der Vorteile dieser Technik auf Bauelemente der Leistungselektronik ist Gegenstand dieser Arbeit.

Für die Verhaltensmodellierung werden verschieden Beschreibungssprachen entsprechend ihrer Vor- und Nachteile gegeneinander abgewogen, als dessen Ergebnis die Nachbildung diskreter Halbleiter mit elektrischen Ersatzschaltungen bevorzugt wird. Im gleichen Abschnitt werden die wichtigsten Techniken der Verhaltensmodellierung einschließlich der Parametergewinnung aufgezeigt. Aus qualitativen Eigenschaften, die für alle Leistungshalbleiter vergleichbar vorhanden sind, wird eine verallgemeinerte Schrittfolge zur Modellerstellung abgeleitet. Sie ist als Leitfaden für eine effektive Nachbildung von beliebigen Leistungsbauelementen gedacht, durch deren Anwendung Klemmenmodelle mit den charakteristischen Eigenschaften für eine gesamte Produktfamilie herausgearbeitet werden. Quantitative Unterschiede in den statischen und dynamischen Eigenschaften werden durch unterschiedliche Kennlinien und Parameter in die Modelle eingebracht. Ihre Parametrisierung beruht auf äußerlich bestimmbaren Größen und ist daher auch vom Anwender der Modelle durchführbar. Diese Trennung zwischen Modellierung und Parametrisierung stellt eine Lösung des eingangs genannten ökonomischen Problems dar.

Anhand des Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) wird ausführlich der Weg und die Lösung zur Modellerstellung dargelegt, weitere Leistungshalbleiter werden nur schematisch behandelt. Die Verhaltensmodellierung eines komplexeren Bauelementes mit Leistungsteil und gleichzeit vorhandener Signalverarbeitung wird am Beispiel von Smart-Power-Elementen (SPE) erläutert. Die mit den dargelegten Methoden entworfenen Modelle sind auf die Nutzung im Schaltungsentwurf und bei der Schaltungsanalyse zugeschnitten, so daß ein Höchstmaß der damit verbundenen Anforderungen erfüllt wird. Applikationsbeispiele zur Verlust-, Temperatur- und Oberwellenbestimmung sollen als Einsatzhinweise für die Modelle dienen.