MA – Kurzschlussfeste Halbbrücke auf Basis neuartiger Galliumnitrid-Leistungshalbleiter
Entwicklung und Charakterisierung einer kurzschlussfesten Halbbrücke auf Basis neuartiger Galliumnitrid-Leistungshalbleiter
Kurzzusammenfassung
Auf Galliumnitrid basierende Leistungshalbleiter finden in der modernen Leistungselektronik zunehmend Anwendung. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften sind sie den gebräuchlichen Silicium Transistoren in vielen Anwendungsbereichen überlegen. Um die Transistoren bei Auftritt eines Kurzschlusses vor der Zerstörung zu schützen ist eine geeignete Kurzschlussüberwachung nötig. Die Anforderungen an die Schutzschaltung steigen bei Transistoren aus Galliumnitrid, da deren Kurzschlussfestigkeit geringer als bei anderen Leistungshalbleitern ist.
Diese Arbeit beschäftigt sich damit, eine Halbbrücke aus Galliumnitrid Transistoren zu entwickeln, die Kurzschlüsse erkennt und abschaltet, bevor es zur Zerstörung von Bauteilen kommt. Als Basis dient der V22N65A Galliumnitrid Transistor. Mehrere Ansätze zur Kurzschlussüberwachung werden analysiert und verglichen, um eine passende Methode zu finden. Der interne Aufbau des eingesetzten Transistors begünstigt die Kurzschlussüberwachung mithilfe des Verfahrens zur differenzierenden Pulsstrommessung. Entwurf und Fertigung einer Halbbrücke auf Basis des gewählten Transistors und der Kurzschlussüberwachung werden beschrieben. Die aufgebaute Halbbrücke wird ausführlich untersucht und auf Kurzschlussfestigkeit getestet. Dabei werden mehrere Kurzschlussszenarien erfolgreich erkannt und abgeschaltet. Die erreichten Zeiten zur Detektion der Kurzschlüsse liegen im Bereich anderer moderner Lösungen zur Kurzschlussüberwachung.
Abstract
Gallium nitride based semiconductors are becoming increasingly popular in modern power electronic systems. Due to their physical properties they are superior to commonly used Silicon transistors in a wide area of application. To protect a transistor against occurring overcurrent events a suitable short circuit protection is necessary. The requirements for protecting gallium nitride transistors increase as their ability to withstand short circuit conditions is less than other semiconductors.
This thesis aims to develop a half bridge with gallium nitride transistors that detects and shuts down short circuits before damaging the involved components. Therefore, the V22N65A Gallium nitride transistor is used. Several methods for short circuit protection are analysed and compared to find a fitting solution. The internal built of the selected transistor benefits the use of a derivative pulsed current sensor for short circuit protection. The design and built of a half bridge with the selected transistor and short circuit protection are described. The produced half bridge is analysed in detail and short circuit withstandability is tested. In this process several short circuit conditions are initiated and successfully resolved. The detection times of the built sensor are in the range of other modern solutions for short circuit protection.
Bearbeiter: Florian Schmittner
Betreuer: Taha Lahlou (Siemens AG) – Telefon: 0172-1978617; Email: taha.lahlou@siemens.com;
Für Studienfächer: EEI, Mechatronik, Energietechnik
Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März