Verbesserung des Schalt- und Betriebsverhaltens von Leistungs-MOSFETs mit niedriger Spannungsfestigkeit und hoher Stromtragfähigkeit durch Optimierung der Treiberschaltung

Wittig, Björn

Leistungs-MOSFETs und deren Eigenschaften haben in batteriegespeisten Antriebssträngen mit Batteriespannungen unter 100 V einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und das Betriebsverhalten des Umrichters. Aufgrund des anhaltenden Trends der Reduzierung des Bahnwiderstandes von Leistungs-MOSFETs mit über 100 A Stromtragfähigkeit nimmt der Anteil der Schaltverluste an den gesamten Umrichterverlusten deutlich zu. Weiterhin erreichen die Schaltflanken Steigungen, die einen signifikanten Effekt auf das Betriebsverhalten der Ansteuerung und den Schutz des Halbleiters vor zum Beispiel Fehlerströmen haben. In dieser Arbeit wird die treiberseitige Verbesserung des Schalt- und Betriebsverhaltens von Leistungs-MOSFETs mit niedriger Spannungsfestigkeit und hoher Stromtragfähigkeit untersucht. Das Ziel ist zum Einen, eine Reduzierung der Schaltverlustleistung gegenüber der konventionellen Widerstandsansteuerung des Halbleiters zu erreichen. Zum Anderen sollen spezielle Aspekte bezüglich der Fehlerstromerkennung für Leistungs-MOSFETs in oben genannten Applikationen aufgezeigt werden. Hierfür erfolgt zunächst eine kurze Beschreibung der grundlegenden Eigenschaften wie beispielsweise Aufbaustrukturen und statisches sowie dynamisches Verhalten von Leistungs-MOSFETs. Die Bestimmung der Halbleiterverluste anhand von Datenblattangaben wird er- läutert. Weiterhin werden die verschiedenen Gehäuseformen und deren Unterschiede aufgezeigt. Zur Untersuchung der treiberseitigen Ansteuermethoden und Fehlerströme wird folgend der Laboraufbau detailliert beschrieben sowie das dynamische Verhalten der Prüflinge aufgezeigt. Es werden Verfahren zur Verbesserung des Schaltverhaltens diskutiert und Kriterien zur Bewertung erläutert. Eine ausführliche Untersuchung aktiver gateseitiger Ansteuerverfahren — auch Active Gate Control genannt — zur Verbesserung des Ausschaltverhaltens von Leistungs-MOSFETs wird präsentiert. Ein Verfahren zur Adaption der Stromsteilheit beim Ausschalten mittels der sog. Common Source Induktivität im Ansteuerkreis des MOSFETs wird darauffolgend vorgestellt. Weiterhin werden Einflussgrößen auf die Detektionsschwelle einer sog. Entsättigungserkennung von Fehlerströmen speziell für diesen Anwendungsfall von Leistungs-MOSFETs aufgezeigt. Abschließend wird ein Umrichter als Beispiel präsentiert, an dem die untersuchten Methoden zur Verbesserung des Schalt- und Betriebsverhaltens von Leistungs-MOSFETs demonstriert werden.

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Wittig, Björn: Verbesserung des Schalt- und Betriebsverhaltens von Leistungs-MOSFETs mit niedriger Spannungsfestigkeit und hoher Stromtragfähigkeit durch Optimierung der Treiberschaltung.

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