Echtzeit-Monitoring von SiC-Leistungsmodulen mittels spektraler Elektrolumineszenz-Sensorik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rik W. De Doncker, seit 9/2020
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445288041

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel des Projekts ElluSense war die Erforschung neuer Echtzeit-Zustandsüberwachungstechnologien für Leistungsmodule, die die von SiC-MOSFETs emittierte Elektrolumineszenz (EL) nutzen. Die EL tritt während des Leitens der internen Body-Diode auf und wird durch strahlende Rekombination am p-n-Übergang verursacht. Ein typisches Spektrum der EL besteht aus zwei Hauptpeaks im sichtbaren Spektrum, die unterschiedliche Strom- und Temperatursensitivitäten aufweisen. Durch die Messung der EL und die Extraktion dieser Sensitivitäten sollte das Projekt ElluSense eine Strom- und Temperaturüberwachung von leistungselektronischen Modulen mit hoher Bandbreite ermöglichen. Im Rahmen des Projekts wurde das EL-Spektrum mehrerer SiC-MOSFETs über einen weiten Strom- und Temperaturbereich sowie über die Degradation charakterisiert und modelliert. Dabei wurden drei spektrale Empfindlichkeiten identifiziert: gegensätzliche Temperaturempfindlichkeit der beiden Hauptpeaks, gleichmäßige Stromempfindlichkeit des gesamten Spektrums und eine temperaturabhängige Rotverschiebung des Spektrums. Um diese Empfindlichkeiten der EL für den vorgeschlagenen Zustandsüberwachungsansatz zu nutzen, wurde ein Multisensorschaltung entwickelt, der die spektralen Eigenschaften der EL mit Hilfe von drei Fotodioden und optischen Filtern misst. Die Fotodioden wurden mit einer Sensorschaltung verbunden, die den Fotostrom mit hoher Dynamik verstärkt und abtastet. Da die EL typischerweise nur während der Totzeit von leistungselektronischen Wandlern auftritt, kann die entwickelte Schaltung Lichtpulse mit einer Dauer von etwa 500 ns messen. Um Strom- und Temperaturinformationen aus den EL-Messungen zu extrahieren, wurden im Rahmen des Projekts verschiedene Signalverarbeitungsalgorithmen untersucht. Es zeigte sich, dass künstliche neuronale Netze für diesen Zweck besonders geeignet sind, da sie eine einfache Kalibrierung und hohe Genauigkeit bei geringer Komplexität und geringem Rechenaufwand bieten. Darüber hinaus untersuchte das Projekt Methoden zur Integration des Zustandsüberwachungstechnologie in Leistungsmodulen. Die Leistungsmodule wurden mit optischen Fasern ausgestattet, um das EL von den SiC-Dies einzufangen und das Licht an die auf Fotodioden basierenden Messschaltungen zu übertragen. Die Verwendung von Glasfasern bietet eine intrinsische galvanische Isolierung und eine hohe Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen, da die Sensorschaltung räumlich vom Leistungsmodul getrennt werden kann. Ein 3D-gedrucktes, angepasstes Gehäuse sorgte für die korrekte Ausrichtung der optischen Fasern sowie für reproduzierbare Messbedingungen. Schließlich wurde das EL-basierte Zustandsüberwachungskonzept anhand von Echtzeitmessungen an einem SiC-Leistungsmodul nach Industriestandard validiert. Dabei zeigte sich, dass Strom und Temperatur simultan mit hoher Bandbreite und Genauigkeit gemessen werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Analyzing Spectral Electroluminescence Sensitivities of SiC MOSFETs and their Impact on Power Device Monitoring" PCIM Europe digital days 2021; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Online, 2021, pp. 1-8
  L. A. Ruppert, S. Kalker, C. H. van der Broeck & R. W. De Doncker
  
• Junction-Temperature Sensing of Paralleled SiC MOSFETs Utilizing Temperature Sensitive Optical Parameters. 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 5597-5604. IEEE.
  Ruppert, Lukas A.; Kalker, Sven & De Doncker Rik, W.
  
• Next Generation Monitoring of SiC mosfets Via Spectral Electroluminescence Sensing. IEEE Transactions on Industry Applications, 57(3), 2746-2757.
  Kalker, Sven; van der Broeck Christoph, H.; Ruppert, Lukas A. & De Doncker Rik, W.
  
• "Utilizing the Electroluminescence of SiC MOSFETs as Degradation Sensitive Optical Parameter", 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'22 ECCE Europe), Hanover, Germany, 2022, pp. 1-9.
  L. A. Ruppert, M. Laumen & R. W. De Doncker