title: Betrachtung von GaN-Transistoren für den Einsatz in Umrichtern
Creators: name: Kohlhepp, Benedikt
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Galliumnitrid
subject: Charakterisierung
subject: Umrichter

description: Aufgrund der Präsenz elektrischer Energie in allen Bereichen des Lebens ist für die Menschen eine Welt ohne sie kaum mehr denkbar. Zur Umwandlung elektrischer Energie in andere Formen oder andere Spannungsniveaus dient die Leistungselektronik. Von Hochspannungsgleichstromanlagen im Energienetz über die Elektromobilität bis zum Laden von Akkus für Mobiltelefone und sogar zur Versorgung von Hörgeräten: Überall sind leistungselektronische Schaltungen im Einsatz. Sie unterscheiden sich hierbei nur durch die Leistungsklasse und das Spannungsniveau. Derzeit werden für Stromrichter in der Antriebstechnik meist IGBTs verwendet. Für Konsumgüter (diverse Ladegeräte im Heimgebrauch, Netzteile am Niederspannungsversorgungsnetz, usw.) kommen vorzugsweise MOSFETs zum Einsatz. Beide Bauteiltypen, MOSFETs und IGBTs, basieren in den meisten Fällen auf dem Halbleitermaterial Silizium. Parasitäre Eigenschaften dieser Leistungshalbleiter limitieren in Schaltungen sowohl die Effizienz als auch die Leistungsdichte. Aufgrund der durch die Schaltverluste nach oben begrenzten Schaltfrequenz resultiert in vielen Anwendungen ein hoher Platzbedarf und ein hohes Gewicht passiver Komponenten. Im Fall von weichschaltenden Topologien stellt der endliche Ein-Widerstand den begrenzenden Effekt bei der erreichbaren Performance hinsichtlich der Transistoren dar. Das Aufkommen von Leistungshalbleiterbauelementen mit großer Bandlücke erlaubt die Verschiebung der beim Einsatz von Siliziumbauelementen vorherrschenden Grenzen bzgl. der Schaltfrequenz und damit der Leistungsdichte. Derzeit sind sowohl Bauelemente auf Basis von SiC als auch GaN von mehreren Herstellern kommerziell verfügbar. Diese Arbeit verfolgt das Ziel, neuartige GaN-Transistoren zu charakterisieren und diese anschließend in einer Umrichterapplikation zu erproben. Es erfolgt der Vergleich von zwei unabhängig ausgelegten Umrichterdesigns mit gleicher Spezifikation, jedoch unterschiedlichem Modulationsverfahren. Die Spezifikation basiert auf einem 48 V-Antrieb aus dem Industrieumfeld mit einem Filter zwischen Leistungselektronik und Motor. Ein gewinnbringender Einsatz der neuartigen Transistoren erfordert allerdings ein tiefes Verständnis der Bauelementeigenschaften. Der erste Teil der vorliegenden Dissertation beschäftigt sich deshalb mit der Charakterisierung der GaN-Leistungshalbleiter. Da vorerst ein Testobjekt mit teilweise unbekannten Eigenschaften vorliegt, ist eine standardisierte Vermessung - für MOSFETs beispielsweise in Normen vorgegeben - nicht ausreichend. Vielmehr bedingt dies eine umfängliche Betrachtung der Eigenschaften der vorliegenden Transistoren mithilfe eigener Messungen. Daraus werden Modelle zur Berechnung von Verlusten abgeleitet. Die GaN-Transistoren bestechen zwar durch einen geringen statischen Ein-Widerstand, erfordern jedoch aufgrund von „Charge-Trapping-Effekten“ zusätzlich eine Charakterisierung des Ein-Widerstands im taktenden Betrieb. Die Arbeit identifiziert für die vorliegenden Bauelemente wesentliche Abhängigkeiten und nutzt diese zur Modellbildung. Ein weiterer Vorteil von GaN-Leistungshalbleitern, die schnellen Schalttransienten, erweisen sich bei der messtechnischen Bestimmung der Schaltverlustemittels der Transienten als Herausforderung. Deswegen erfolgt in dieser Arbeit ein Ausweichen auf die simulative Ermittlung der Schaltverluste. Anschließend folgt eine indirekte Messung auf thermischen Weg. Die vorliegende Arbeit betrachtet zusätzlich die Verlustmechanismen in den passiven Bauelementen der Umrichterschaltung. Im Falle der Kondensatoren geschieht ebenfalls eine messtechnische Charakterisierung der Bauelemente, die der Verlustmodellierung dient. Die Betrachtung der Eigenschaften der Filterdrossel erfolgt unter Zuhilfenahme eines am Lehrstuhl verfügbaren Simulationsprogramms. Der zweite Teil der Arbeit betrifft die Auslegung zweier Umrichter, die sich durch das eingesetzte Modulationsverfahren unterscheiden: ein festfrequent und hartschaltendes sowie ein variabelfrequent und weichschaltendes Verfahren. Beim Designprozess kommen die vorher abgeleiteten Modelle zur Beschreibung der Verlustmechanismen der Bauelemente zum Einsatz. Der abschließende Vergleich der beiden Umrichtervarianten zeigt den Vorteil des Modulationsverfahrens mit fester Schaltfrequenz bzgl. der resultierenden Effizienz für die gegebene Spezifikation. Dies gilt sowohl für die Simulationsergebnisse als auch für die Messungen an den Prototypen. Die Arbeit verdeutlicht sowohl die Relevanz als auch den Nutzen einer detaillierten Bauteilmodellierung, die ein tiefes Verständnis der Eigenschaften der zugrundeliegenden Bauelemente erfordert.
description: Due to the presence of electricity in nearly all areas of life, it is hard to imagine a world without it. In order to convert electrical energy into other forms or other voltage levels, power electronic systems are needed. High-voltage direct current electric power transmission, electric cars and trucks, battery charges for cell phones and even hearing aids: power electronic circuits are omnipresent. The difference between the various applications is the power and voltage level. Currently, IGBTs are widely used for power converters in variable speed drives. MOSFETs are preferred for consumer goods (various chargers for home use, power supplies operating at the mains, etc.). Both device types, MOSFETs and IGBTs, are made of silicon. Parasitic properties of these power semiconductors limit both the efficiency and the power density of converters. In many applications, the switching losses limit the switching frequency, resulting in bulky and heavy passive components reducing the power density. In case of soft-switching topologies, the finite on-state resistance represents the limit pertaining to the performance gained from the transistors. The emergence of wide-bandgap power semiconductors allows for increasing switching frequency and thus power density. Currently, devices based on SiC as well as GaN are commercially available from several manufacturers. The aim of this thesis is to characterize novel GaN transistors and subsequently test them in inverter applications. Two independently designed inverters with the same specification but different modulation methods are compared. The specification is based on a 48 V variable speed drive from the industrial sector with a filter between the inverter and the electric machine. The beneficial application of the novel GaN transistors requires a deep understanding of the components itself. Thus, the first part of this thesis addresses the characterization of GaN power semiconductors. Initially, the transistors exhibit many unknown properties. Consequently, using standardized characterization methods as specified for conventional semiconductors in international standards is not sufficient. Instead, a comprehensive consideration of the properties of the transistors requires own measurements. Loss models are derived from these. Although GaN transistors feature a low static on-resistance, they also require a characterization of the on-state resistance during switching operation. Charge-trapping effects in the semiconductor lead to an increased on-state resistance during operation. This thesis identifies fundamental dependencies of the on-resistance and derives an appropriate model. Another advantage of GaN power semiconductors, the fast switching transients, are beneficial for low switching losses. However, fast switching transients present a challenge regarding the measurement equipment if acquiring switching losses during double pulse tests. For this reason, this work accounts for the switching losses by simulation and thermal measurements. This thesis also considers the loss mechanisms in the passive components of the inverter. In case of the capacitors, a metrological characterization of the components serves the purpose of loss modeling. The properties of the filter inductor are taken into account with the aid of a simulation tool available at the chair. The second part of the thesis discusses the design of two inverters that differ in the modulation method used. These are a fixed frequency hard switching variant and a variable switching frequency inverter applying soft switching. The design process exploits the previously derived loss models to predict the losses of the inverters by simulation. The final comparison of the two inverters shows the advantage of the modulation method with a fixed switching frequency in terms of the efficiency for the given specification. This is valid for simulation results as well as measurements using prototypes. The present thesis highlights the relevance and benefits of detailed component modeling, which require a deep knowledge of the properties of the underlying devices.