Analysis of Parasitic Oscillations in Commutation Cells with High Voltage Power MOSFETs

Das dynamische Verhalten von Leistungshalbleitern mit immer kleineren flächenspezifischen Einschaltwiderständen wird stärker durch die parasitären Eigenschaften von Gehäusen und Leiterplatten beeinflusst. So können die Parasiten die Schaltzeiten der Halbleiter erhöhen und damit die Effizienz von leistungselektronischen Schaltungen verringern. Außerdem kann die Zuverlässigkeit von Schaltungen während der Kommutierung durch parasitäre Schwingungen mit zwischenzeitlich steigenden Amplituden beeinträchtigt werden. Insbesondere bei Verwendung von schnellen Leistungshalbleitern ist deshalb die Optimierung der parasitären Eigenschaften von Gehäusen und Leiterplatten notwendig. Am Beispiel eines Tiefsetzstellers mit einem Hochvolt-Leistungs-MOSFET und einer SiC Schottky-Diode wird in dieser Arbeit eine Methodik entwickelt, die die Vorhersage von parasitären Schwingungen mit zwischenzeitlich steigenden Amplituden während der Kommutierung und die Stabilitätsoptimierung von Kommutierungszellen ermöglicht. Dafür werden geeignete Modelle der Leistungshalbleiter und der Halbleiterumgebung benötigt.
Verhaltensmodelle von Leistungs-MOSFETs und Schottky-Dioden werden für die relevanten Betriebsbedingungen abgeleitet. Die Kombination von Curve-Tracer- und Kurzschlussmessungen ermöglicht die statische Parametrierung des MOSFET-Models für den betrachteten Betriebsbereich. Es wird gezeigt, dass die Kapazitäten des MOSFET-Models aus dynamischen Messungen extrahiert werden können und dass diese Kapazitäten zu einer besseren Übereinstimmung von Messungen und Simulationen führen als die Kapazitäten, die entsprechend der DIN IEC 747 gemessen wurden.
Die parasitären Eigenschaften von Gehäusen und Leiterplatten werden mit Koppelkapazitäten und effektiven Widerständen und Induktivitäten modelliert. Mit Hilfe der Finite-Elemente- und der Randelemente-Methode werden die Modellparameter bestimmt.
Die entwickelten Verhaltensmodelle der Halbleiter und der elektrischen Verbindungen sowie einfache Modelle des Zwischen-, Treiber- und Lastkreises werden zum Modell des Tiefsetzstellers zusammengefügt. Das Modell kann mit den gemessenen bzw. berechneten Kennlinienfeldern und Parametern das Schaltverhalten des MOSFETs nachbilden.
Für die relevanten Arbeitspunkte des Tiefsetzstellers werden Kleinsignalersatzschaltbilder ermittelt. Es wird gezeigt, dass die Stabilitätsanalyse der Kleinsignalersatzschaltbilder die Vorhersage von parasitären Schwingungen mit zwischenzeitlich steigenden Amplituden während der Kommutierung ermöglicht. Maßnahmen zur Stabilitätsoptimierung der Kommutierungszelle werden aus den Ergebnissen der Stabilitätsanalyse von verschiedenen Parametrierungen abgeleitet. Designiterationen und Entwicklungskosten können so reduziert werden.