8 Zusammenfassung

Die umfangreichen eigenen und am Lehrstuhl Leistungselektronik der TU Chemnitz-Zwickau akkumulierten Erfahrungen in der Simulation leistungselektronischer Schaltungen wurden genutzt um die Anforderungen an Modelle für Leistungshalbleiter aus der Sicht des Nutzers aufzustellen. Diese wurden mit den allgemein vorhandenen Möglichkeiten zur Modellerstellung verglichen und im Ergebnis dieses Vergleichs die Verhaltensmodellierung als das Verfahren ermittelt, daß beiden Interessenlagen in einem hohen Maß gerecht wird.

Die Notwendigkeit der verhaltensbeschreibenden Modellierung wird zum einen mit der dem Bauelemente-Anwender nicht ausreichenden Kenntnis von halbleiterspezifischem Hintergrundwissen begründet. Ein weiteres Hauptargument ist das ungünstige Kosten-Nutzen-Verhältnis bei der Erstellung physikalisch fundierter, vorparametrisierter Bauelementebibliotheken in der Leistungselektronik. Dagegen wirken sich der geringere Aufwand bei der Modellierung und der dazugehörigen Parametergewinnung, die Gültigkeit des Modells für die gesamte Produktfamilie und die unkomplizierte Modellanpassung an veränderte Bauelementeeigenschaften günstig auf die Kosten bei der Verhaltensmodellierung aus. Fehlende Halbleiterstrukturdaten werden durch Beschreibung des Klemmenverhaltens umgangen.

Eine zeiteffektive Simulation gebietet es, anstatt mit höchstmöglicher nur mit notwendiger Genauigkeit zu arbeiten. Dies erfordert Abstufungen im Modellumfang. Es wird daher vorgeschlagen zusätzlich zum idealen Bauelement (Hierarchieebene 1), dem Nutzer die Anpassung der Modellkomplexität an die Simulationsebene durch Modellierung in mindestens zwei weiteren Hierarchieeben zu ermöglichen.

Zur Verhaltensmodellierung konnte unter mehreren Umsetzungsformen gewählt werden, von denen die programmiersprachenähnlichen Hochsprachen ein Höchstmaß an Flexibilität bieten. Diese sind allerdings nicht auf PC-Basis verfügbar und die erstellten Modelle sind nicht auf andere Simulatoren übertragbar. Bis zum Abschluß der Standardisierungsarbeiten an einer analogen Beschreibungssprache werden deshalb physikalisch interpretierbare Ersatzschaltungen aus elektrischen Grundelementen bevorzugt, da diese die genannten Einschränkungen nicht besitzen.

Mit der Beschreibung des Klemmenverhaltens nach der Mehrpoltheorie und der Arbeit mit Kennlinien wurden elementare Techniken des Modellierungsverfahrens erläutert. Als wichtiges Arbeitsmittel zur Verhaltensmodellierung sind die Voraussetzungen und Methoden zur meßtechnischen Untersuchung und Parametergewinnung am Modellgegenstand beschrieben worden.

Das erarbeitete Verfahren zur Modellierung von Leistungsbauelementen gliedert sich wie folgt:

• Studium des Bauelementes und seines Verhaltens unter typischen Einsatzbedingungen und Herausarbeiten qualitativer Merkmale der gesamten Produktfamilie,
• Erstellen eines Basismodells mit statischen Eigenschaften (Hierarchieebene 2) insbesondere des Durchlaß- und Übertragungsverhaltens,
• Modellerweiterung um Speicherelemente zur Nachbildung dynamischer Eigenschaften (Hierarchieebene 3),
• Modellergänzung für Spezialanwendungen (Hierarchieebene 4),
• Parameterauswahl und Parametrisierung,
• Verifikation,
• Dokumentation des Modells.

Durch Applikationsbeispiele wurde der Nachweis erbracht, daß das IGBT-Modell zur Analyse leistungselektronischer Schaltungen geeignet ist. Insbesondere Problemstellung der Verlustbestimmung und der Auswirkungen der Schaltvorgänge können in ausreichender Genauigkeit und bei vergleichsweise geringem Zeitbedarf untersucht werden. Es wurden Aussagen und Möglichkeiten zu einer sinnvollen Simulation thermischer Effekte in Schaltungen mit hoher Pulsfrequenz aufgezeigt.

Die Behauptung der allgemeingültigen Anwendbarkeit des Verfahrens auf beliebige Leistungshalbleiter wurde durch Modellansätze für den Power-MOSFET und den Leistungsbipolartransistor untermauert.

Für die Produktfamilie der Smart-Power-Elemente sind erstmalig Modellierungshinweise erstellt worden. Es ist ein Baukastenprinzip entstanden, bei dem vorhandene Modelle der Leistungshalbleiter um Komponenten des Bauelementeschutzes und der Ansteuerung in Bausteinform im Bedarfsfall ergänzt werden können. Die Realisierung war durch die Untergliederung der Bauelemente in Funktionsbaugruppen möglich. Der höhere Funktionsumfang verlangte ein Abheben von einem physikalisch interpretierbaren Modellaufbau zu einem höheren Abstraktionsgrad. Für die diskontinuierlich wirkenden Schutz- und Ansteuerkomponenten erwiesen sich Zustandsgraphen als geeignete Beschreibungsprache. Der immer zugrunde liegende Vergleich von Soll- und Istwert erlaubt es unabhängig von der Art der Prozeßgröße mit gleich aufgebauten Netzstrukturen das gesamte Spektrum der Schutzfunktionen abzudecken.

Literaturverzeichnis

Thesen

1. Hauptanforderungen für Modelle sind hohe Verfügbarkeit, geringe Kosten und Simulationsergebnisse, die in Relation zur gestellten Aufgabe schnell und hinreichend genau erreicht werden. Die in den Anforderungen enthaltenen Widersprüche sind nur durch Grundmodelle für eine gesamte Produktfamilie mit abgestufter Komplexität und Parametrisierung durch den Anwender zu lösen. Die Mitarbeit des Anwenders erfordert eine offene Weitergabe der Modelle
2. Modelle mit einer halbleiterphysikalischen Beschreibung sind zum Studium des Bauelementes selbst geeignet. Sie zeichnen sich durch eine hohe Übereinstimmung mit der Realität und einen großen Gültigkeitsbereich aus. Auf die Verwendbarkeit zur Schaltungsanalyse wirken sich großer Rechenzeitbedarf und für Anwender schwer zugängliche Bauelementeparameter negativ aus. Eine physikalische Modellierung ist erst nach Offenlegung der genauen Halbleiterstruktur und Dotierungsprofile und einer Analyse der daraus resultierenden funktionalen Zusammenhänge möglich.
3. Demgegenüber sind Verhaltensmodelle für die Analyse von Schaltungen mit den modellierten Bauelementen geeignet. Die Herausarbeitung wesentlicher Eigenschaften eines Bauelementes führt zu einfachen Modellen für eine Produktfamilie. Dies stellt einen Kompromiß zwischen Modellgenauigkeit und kurzen Simulationszeiten dar und ist vom Modellierungsaufwand, den Kosten und der Anzahl der Nutzungen vertretbar. Mit der Beschreibung des Klemmenverhaltens werden fehlende Kenntnisse über Halbleiterstruktur und Parameter umgangen. Eine einfache Parametrisierung durch den Anwender mit Hilfe des Datenblattes und/oder einfachen Messungen sichert die Aktualität bei geringem Aufwand.
4. Die Beschreibungssprache zur Verhaltensmodellierung ist entsprechend dem Einsatzzweck des Modells, dem Verständnis und Umfeld der Anwender und in Abhängigkeit vom verwendeten Simulationssystem zu wählen. Nach abwägen der Vor- und Nachteile sind vom gegenwärtigen Standpunkt elektrische Ersatzschaltungen als Modellierungssprache für diskrete Einzelhalbleiter zur Schaltungsanalyse in der Leistungselektronik zu bevorzugen. Für die Modellierung integrierter Smart-Power-Funktionen ist die Zustandsmodellierung in besonderer Weise geeignet.
5. Das Studium eines nicht ausreichend veröffentlichten Bauelementes, die Parametrisierung und Verifikation neu erstellter Modelle machen Messungen dringend erforderlich.
6. Bei Leistungsbauelementen beschränkt sich die Modellierung auf die Wiedergabe des Verhaltens in stationären Zuständen und während der Schaltvorgänge. Die Modelle bestehen aus immer wiederkehrenden Strukturelementen.
7. Eine Modellierung mit einer konstanten globalen Temperatur ist durch Wechsel des Parametersatzes einfach zu realisieren und liefert in den meisten Fällen ein ausreichend genaues Ergebnis. Die Berücksichtigung der Eigenerwärmung ist bei der Simulation schnell schaltender Leistungshalbleiter möglich, aber wegen extrem unterschiedlicher Zeitkonstanten nicht sinnvoll. Untersuchungen zu temperaturabhängigem Verhalten werden mit getrennten Simulationen durchgeführt.
8. Durch die Nachbildung des Klemmenverhaltens entsteht ein direkter Bezug zu den dem Nutzer verfügbaren Datenblattangaben oder Meßdaten. Eine Anpassung an die Eigenschaften der Bauelemente verschiedener Hersteller kann durch Änderung weniger Parameter innerhalb kürzester Zeit erfolgen. Die Verwendung von Kennlinien ist Merkmal und Vorteil der verhaltensbeschreibenden Modellierung. Besonders günstig hinsichtlich der Nachbildung nichtlinearer Zusammenhänge, des Modellierungsaufwandes und der Parameterbestimmung ist die Kennlinienübergabe mit Wertepaaren.
9. Das in der Arbeit erstellte IGBT-Modell besitzt es eine einfache, übersichtliche Struktur. Dazu mußte im Interesse eines geringeren Simulations- und Parametrisierungsaufwandes auf die Modellierung praktisch nicht relevanter physikalischer Effekte verzichtet werden. Der Aufbau des Modells ermöglicht eine zeiteffektive Analyse komplexerer leistungselektronischer Schaltungen mit mehreren solchen Modellen.
10. Der Aufbau von SPE-Modellen ist nur mit der verhaltensbeschreibenden Methode möglich. Das Erstellen kompletter SPE-Modelle ist unrentabel, diesen ist ein Baukastenprinzip mit vorgefertigten, allgemeingültigen Teilkomponenten vorzuziehen.
11. Entgegen der allgemein vertretenen Meinung konnte der Nachweis erbracht werden, daß auch mit einfachen Mitteln, wie z.B. gesteuerten Quellen, statischen Diodenmodellen und nichtlinearen Kapazitäten, Modelle für Leistungshalbleiter zu erstellen sind, die vertrauenswürdige, genaue Simulationsergebnisse liefern. Der durch die Modellierung bedingte Fehler liegt weit unterhalb der Abweichungen, die durch produktionsbedingte Parameterstreuung verursachten werden.
12. Da die verhaltensbeschreibende Modellierung unabhängig von der Halbleitertechnologie einsetzbar ist und auf der Beschreibung äußerlich bestimmbarer Eigenschaften beruht, stellt sie ein Verfahren dar, daß auch bei künftigen Bauelementeentwicklungen schnell zu brauchbaren Modellen führen wird.

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