Untersuchungen zu Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterschaltern für Wechselrichter mit erhöhten Anforderungen

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• Publisher: Cuvillier Verlag
• Year: 2011
• eBook ISBN:
  9783736939561
• Print ISBN:
  9783869559568
• Edition: 1

Die Fortschritte in der Halbleitertechnik führten über die letzten Jahrzehnte zuausgereiften Leistungshalbleiterschaltern auf Basis von Silizium (Si). Um zukünftigdie physikalischen Grenzen dieser Bauelemente erweitern zu können, ist derEinsatz eines Halbleitermaterials mit größerem Bandabstand ein Erfolg versprechenderAnsatz. Hierzu zählt das Material Siliziumkarbid (SiC), welches robustereund effizientere Leistungshalbleiter und somit kompaktere Systeme in Aussichtstellt.In der Arbeit werden zunächst ausgewählte Anwendungen mit erhöhten Anforderungen(Automobil, Photovoltaik) vorgestellt, bei denen eine Erweiterungdes Temperaturbereiches oder eine höhere Effizienz mittels SiC-Halbleiter vorteiligwären. Die aktuellen Si-Leistungshalbleiterbauelemente, deren Aufbau- undVerbindungstechnik, Verlustmechanismen und Kühlung stellen hierfür den Standder Technik und somit die Vergleichsreferenz neuer Halbleiter dar.Die Unterschiede zwischen der SiC- und der Si-Technologie werden anhand derMaterialeigenschaften und der darauf basierenden Halbleiterstrukturen erläutert.Die dynamischen und statischen Eigenschaften wurden experimentell an verfügbarenSiC-Mustern untersucht und unter Berücksichtigung gleicher Betriebsbedingungenund gleicher Chip-Flächen sowie -Auslastungen der Si-Referenz gegenübergestellt.Anhand der Variation der Untersuchungsparameter werden weiterdie Abhängigkeiten der Verlustanteile aufgezeigt, woraus günstige Anwendungsvoraussetzungenabgeleitet werden können. Die Ergebnisse spiegeln einen Vergleichzwischen den Technologien der untersuchten Si- und SiC-Muster wieder, wobei die hierbei verfolgte Vorgehensweise auch auf andere Prototypen übertragbarist.Das Potenzial für Anwendungen wird über Verlustabschätzungen eines dreiphasigenWechselrichters mit Sperrschichttemperaturen bis 200°C und Schaltfrequenzenbis 30 kHz aufgezeigt. Die Verifizierung der Ergebnisse und die Beurteilungder Einsatzfähigkeit der SiC-Leistungshalbleiter erfolgten an einem SiCJFET-und einem SiC-MOSFET-Versuchswechselrichter.

Table of contents

• Kurzfassung
• Abstract
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Einleitung
• 2 Stand der Technik
• 3 Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterbauelemente
• 4 Vergleich der Bauelementeeigenschaften
• 5 SiC-JFET- und Si-IGBT-Wechselrichterverluste
• 6 Versuchsdemonstratoren
• 7 Zusammenfassung und Ausblick
• Literaturverzeichnis
• Abkürzungsverzeichnis