Modellentwicklung und Parameterextraktion zur physikalischen basierten Simulation des Schaltverhaltens von IGBT in Schaltungssimulatorren

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Hans-Günter Eckel
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2012 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 219804322

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes wurde ein Modell zur Simulation des Schaltverhaltens von Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) für die Integration in Schaltungssimulatoren entwickelt. Wie beabsichtigt, kann mit diesem Modell der IGBT in Verbindung mit seiner Ansteuerschaltung untersucht werden. Das Modell ist gegenüber bisher existierender Modelle für Schaltkreissimulatoren (z.B. Spice- oder Simplorermodelle) einzigartig, denn innerhalb dieses Modells werden analytische aber auch rein auf FEM basierte physikalische Charakteristiken genutzt. Das Modell lässt sich damit zwischen physikalisch basierten Modellen zur FEM Simulation und Modellen mit passiven und aktiven Ersatzelementen zur Schaltungssimulation einordnen. Folgende Ergebnisse wurden dabei erzielt:  Es kann das Ausschalten des IGBT mit einer ausreichenden Genauigkeit simuliert werden, um die Wechselwirkung zwischen dem IGBT und komplexen Ansteuerschaltungen nachzubilden. Beim Abschaltvorgang des IGBTs wird das Plasma ausgeräumt. Dieser Vorgang wird FEM-basiert nachempfunden. Durch die besondere Art der Rückwirkung auf den Eingangskreis wird der Strom durch die Miller-Kapazität physikalisch fundiert wiedergegeben. Diese Art der Rückwirkung ermöglicht Einblicke in die physikalischen Vorgänge im Inneren des IGBT während der Schaltflanken. Das Modell ermöglicht ein besseres Verständnis für Ursachen und Wirkungen beim Eingriff der Ansteuerung auf den IGBT.  Das Gleichungssystem ist räumlich analytisch ohne rechenintensive FEM-Algorithmen lösbar und ist dadurch gut in Schaltungssimulatoren integrierbar. Hier wurde das Modell im Schaltungssimulator Saber implementiert.  Das Modell ist nahezu ausschließlich aus Messungen parametrierbar. Einzig allein die Größe der aktiven Fläche muss bekannt sein. In der Realität müsste die aktive Fläche einmalig an einem IGBT ausgemessen werden. Das geht innerhalb der Modulform nur bei einer Zerstörung des Moduls. Oft wird die Fläche jedoch auch im Datenblatt oder auf Anfrage mitgeliefert, während die sonstigen Parameter aus den Messungen ohne Zerstörung hervorgehen. Das ermöglicht eine Unabhängigkeit von Herstellerangaben zu bauteilinternen Größen, die oft nicht zur Verfügung stehen.

Publications

• “Charge-carrier extraction model for circuit simulators“, EPE PEMC 2012, Novi Sad
  Schumann, J., Eckel, H.G.
  
• “Simulation of the IGBT switching-off with the Charge Extraction Model “, EPE 2013, Lille
  Schumann, J., Eckel, H.G.
  
• “Ladungsträgerextraktionsmodell zur Simulation des Abschaltens von IGBTs“, Dissertation 2014, Universität Rostock
  Schumann, J.
  
• “Non-destructive analysis of an IGBT for switching simulation with the Charge Extraction Model “, PCIM 2014, Nürnberg
  Schumann, J., Eckel, H.G.