Integrierte Ansteuer- und Schutzschaltungen für schnell schaltende Leistungsbauelemente für hohe Spannungen

Mayya, Iyead GND

Several power devices based on wide bandgap materials -such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN)- were commercially released in the last few years for high voltage applications up to 1700 V. The advantages of these devices can only be achieved with an adapted gate driver, which should ensure not only the optimal control but also the monitoring and the protection of these new power devices. This thesis presents the conception, design and verification of fully integrated gate driver ICs for driving SiC-transistors (JFETs, MOSFETs) of high voltage applications up to 1200 V. At the beginning, the advantages of the wide bandgap materials and their potential for power devices are discussed in comparison to silicon. Then several new 1200 V SiC -transistors (MOSFETs, JFETs) of various suppliers are investigated statically and dynamically under the same conditions and compared. Furthermore, the effective control and monitoring of normally off SiC-MOSFETs and normally on SiC-JFETs , the last in standard Cascode- and Cascode-Light-topology, are considered and discussed. Based on this the required gate driver concepts and parameters are derived. PN- and dielectric-insulated semiconductor technologies are presented and discussed for the integration of the gate driver. A very advantageous SOI-technology is chosen for the physical realization of the gate drivers. The overall concepts of the gate drivers and new and improved sub-circuits are described and simulated in the design phase. The important and new developed circuit concepts such as the negative turn off voltage and the extended operation voltage range are discussed in detail. The various gate driver IC layouts and the resulting chips with their dimensions and main features are presented. The developed sub-circuits and complete driver ICs are verified by extensive measurements. The most significant low and high voltage measurements and a power inverter test are presented and discussed.

Verschiedene neue Leistungsbauelemente auf Basis von wide-bandgap-Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sind in den letzten Jahren mit unterschiedlichen Wirkprinzipien für Spannungen bis zu 1700 V auf den Markt gekommen. Die positiven Eigenschaften der Bauelemente können nur durch geeignete Treiberkonzepte ausgenutzt werden, die neben der optimalen Ansteuerung auch den Schutz für diese Bauelemente gewährleisten. In dieser Arbeit werden das Konzept, der Entwurf sowie die Verifizierung von vollintegrierten Gatetreiber-ICs für die Ansteuerung von SiC-Leistungstransistoren (verschiedene JFET, MOSFET) der Spannungsklasse bis 1200 V vorgestellt. Zunächst werden die Vorteile der wide bandgap-Materialien und ihr Potential für Leistungsbauelemente im Vergleich zum Silizium behandelt. Danach werden neue SiC -Transistoren (lateraler und vertikaler JFET, MOSFET) mit ihren Strukturen vorgestellt, statisch und dynamisch untersucht und die Messergebnisse verglichen und bewertet. Weiterhin werden ausführliche Betrachtungen zur Ansteuerung und Überwachung von normally-off SiC-MOSFETs und normally-on SiC-JFETs , letztere u. a. in Standard-Kaskode- und Kaskode-Light-Toplogie, vorgenommen. Auf dieser Basis werden die Konzepte und Parameter der angestrebten Treiber-ICs abgeleitet. Zur Umsetzung der integrierten Treiber werden mögliche PN -isolierte und dielektrischisolierte Halbleitertechnologien vorgestellt und diskutiert. Eine sehr vorteilhafte SOI-Technologie wurde für die praktischen Realisierungen in dieser Arbeit ausgewählt. Beim Entwurf der verschiedenen Gatetreiber-ICs für normally-off und verschiedene normally-on SiC-Bauelemente werden sowohl die Gesamtkonzepte der Gatetreiber-ICs als auch neu- und weiterentwickelte Teilschaltungen vorgestellt und simuliert. Wichtige, neu entwickelte Schaltungskonzepte wie die negative Abschaltspannung und der erweiterte Betriebsspannungsbereich (−20 V...+20 V) werden besonders ausführlich behandelt. Die Layouts der verschiedenen Versionen der Gatetreiber-ICs und die darausresultierenden Chips mit ihren Abmessungen und Hauptmerkmalen werden gezeigt. Die entwickelten Teil- und Gesamtschaltungen der verschiedenen Treiber-ICs werden messtechnisch charakterisiert. Dabei werden die wichtigsten Niederspannungs-, Hochspannungs- und Umrichtermessungen ausführlich dargestellt und diskutiert.

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Mayya, Iyead: Integrierte Ansteuer- und Schutzschaltungen für schnell schaltende Leistungsbauelemente für hohe Spannungen. 2015.

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