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Electromagnetic switching cell design and characterization for fast switching semiconductors

Klein, Kirill

This thesis describes methods developed for the characterization and electromagnetic design of switching cells using fast-switching semiconductors. The switching cell is the heart of power electronics. In the case of power modules optimized for clean switching the entire switching cell is located inside the power module. A generalized view of power modules is presented in the introduction. It summarizes the innovative approaches to the DC link design of state-of-the-art power modules. The switching waveforms shown in section 1.4 illustrate the obvious advantages of power modules optimally designed by means of new technologies in comparison to conventional power modules with high stray inductances of the DC link and gate-path, e.g. wirebonded power modules. The fastest switching semiconductors currently available on the market are GaN HEMTs. Switching speeds of ≈400V/ns and 30A/ns for the 30A-GaN half-bridge used in this thesis, reach challenging levels. A deep understanding of semiconductor structure and physics as explained in chapter 2 provides an understanding of the applicable limitations. The switching speed is limited not only by the semiconductor itself, but also by parasitic properties of the semiconductor package. Reduction of the last is possible by higher levels of integration and proper layout. Chapter 3 explains a methodology for modeling the switching behavior by means of simulation. Fast, oscillation-free and parasitic-turn-on-free switching, also called clean switching is achieved. It begins by pointing out the most relevant aspects of circuit simulator modeling of the semiconductors. This modeling enables design optimization for clean switching by quantification of limits of parasitic properties of the semiconductor packaging elements. Chapter 4 derives and verifies the design rules for a DC link RC snubber. A study on ceramic capacitors for DC link usage provides important information about capacitor derating, relevant for the DC link design and presents a novel method for precise measurement of capacitances at higher voltages. Furthermore, this chapter also describes all relevant parasitic inductances and capacitances of the switching cell. The weighting of the parasitic effects for the switching behavior and their priority in the design of the switching cell is a significant contribution to science. Section 4.8 is dedicated to the characterization of low-inductance switching cells and their switching behavior. It discusses state-of-the-art measurement methods and proposes a new methodology. This methodology allows not only the determination of the overall DC link inductance but also of its partial inductances. Furthermore, the chapter includes a discussion of different approaches for detection of parasitic turn-on. The chapter 5 describes an exemplary design flow for the demonstrator including details of the design, in order to give an impression of possible realization and implementation of the previously discussed design rules. As an outlook the last section shows how such a fine-tuned switching cell can be transferred to a power module which is adapted for a real application.
In dieser Arbeit werden Methoden zur Charakterisierung und zum elektromagnetischen Design von Schaltzellen mit schnell schaltenden Halbleitern entwickelt. Die Schaltzelle ist das Herzstück jeder leistungselektronischen Schaltung. Idealerweise befindet sich die gesamte Schaltzelle im Inneren eines Leistungsmoduls. In der Einleitung wird eine verallgemeinerte Betrachtung von Leistungsmodulen vorgestellt. Sie fasst die innovativen Lösungsansätze für das Zwischenkreisdesign moderner Leistungsmodule zusammen. Die am Ende des Kapitels gezeigten Schaltverläufe verdeutlichen die offensichtlichen Vorteile von modernen Leistungsmodulen, die für das saubere Schalten optimiert sind. Die schnellsten derzeit auf dem Markt verfügbaren Leistungstransistoren sind die GaNHEMTs. Die Schaltgeschwindigkeiten der in dieser Arbeit aufgebauten 30A-GaN-Halbbrücke erreichen anspruchsvolle ≈400V/ns und 30A/ns. Die Halbleiterstruktur und -physik werden im Kapitel 2 ausführlich erläutert. Das ermöglicht das Verständnis der geltenden Einschränkungen bezüglich der Flankensteilheit. Die Schaltgeschwindigkeit wird allerdings nicht nur durch den Halbleiter selbst, sondern auch durch parasitäre Eigenschaften des Halbleitergehäuses begrenzt. Eine Verringerung dieser parasitären Eigenschaften ist durch eine höhere Integrationsdichte und ein durchdachtes Layout möglich. Kapitel 3 erklärt eine Methodik zur Modellierung des Schaltverhaltens mit Hilfe einer Simulation. Dabei wird ein schnelles, schwingungsfreies Schalten ohne den Effekt des parasitären Einschaltens modelliert. Dies ermöglicht die Quantifizierung von Grenzwerten für parasitäre Eigenschaften von Halbleiterbauelementen, die ein optimales Schaltzellendesign ermöglichen. In Kapitel 4 werden Entwurfsregeln für einen Zwischenkreis-RC-Snubber abgeleitet und verifiziert. Eine Studie über Keramikkondensatoren für deren Einsatz im Zwischenkreis liefert wichtige Informationen zum Kondensatorderating, die für das Design des Zwischenkreises relevant sind, und stellt eine neuartige Methode zur präzisen Messung von Kapazitäten bei höheren Spannungen vor. Weiterhin beschreibt dieses Kapitel alle relevanten parasitären Induktivitäten und Kapazitäten der Schaltzelle. Die Gewichtung der parasitären Effekte für das Schaltverhalten bzw. deren Priorität beim Entwurf der Schaltzelle bildet einen signifikanten Beitrag für die Wissenschaft. Abschnitt 4.8 ist der Charakterisierung von niederinduktiven Schaltzellen und deren Schaltverhalten gewidmet. Es wird der Stand der Messtechnik diskutiert und eine neue Methode zur Induktivitätsbestimmung vorgeschlagen. Diese Methode erlaubt nicht nur die Bestimmung der Gesamtinduktivität der Schaltzelle, sondern auch deren Teilinduktivitäten. Darüber hinaus beinhaltet das Kapitel eine Diskussion verschiedener Ansätze zur Erkennung des parasitären Einschalteffekts. Kapitel 5 beschreibt einen beispielhaften Entwurfsablauf eines Demonstrators inklusive Details des Entwurfs, um einen Eindruck von der möglichen Realisierung und Umsetzung der zuvor diskutierten Entwurfsregeln zu geben. Das letzte Kapitel zeigt exemplarisch, wie eine solche fein abgestimmte Schaltzelle in ein Leistungsmodul übertragen werden kann, das für eine reale Anwendung angepasst ist.