ReToGaN – Analyse der Zuverlässigkeit, Parameterstabilität und Schaltungstopologien für GaN-basierte Leistungselektronik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Basler; Professor Dr.-Ing. Jens Friebe
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546259123

Das Projekt zielt auf die Untersuchung und Verifizierung von Methoden zur präzisen und stabilen Temperaturbestimmung in p-GaN and Schottky-Gate GaN-HEMTs, unter Berücksichtigung der speziellen Anforderungen aus Anwendungs- und Zuverlässigkeitstests wie z.B. dem Lastwechseltest, ab. Bekannte und neue Arten von temperatursensitiven Parametern (TSEPs) sollen untersucht werden, auch im Hinblick auf die Stabilität, und mit einer Hochgeschwindigkeits-Temperatur-Mapping-Technologie mittels Thermoreflexionsmikroskopie (TRM) verglichen werden. Zur Validierung der Anwendbarkeit werden verschiedene Lastwechsel-DOEs (einschließlich der Verlustgenerierung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung) und Zth-Bewertungen durchgeführt, die zu einem Leitfaden für die am besten geeignete Temperaturauslesemethode und einem optimierten thermischen Modell führen, das auch für kurzfristige Ereignisse wie Über-/Stoßströme sehr genau sein kann. Darüber hinaus werden, als Ergebnis der Lastwechsel-DOEs, optimierte End-of-Life-Kriterien vorgeschlagen, die die Grundlage für ein geeignetes Lebensdauermodell bilden. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die weitere Verbesserung spezifischer Eigenschaften auf Bauelementebene, während gleichzeitig neue Strategien für verbesserte Topologien erarbeitet werden, die das volle Potential der neuen Schalter nutzen. Neben den Eigenschaften der Leistungshalbleiter ist der Entwurf der Schaltungstopologien von großer Bedeutung für die Robustheit und Lebensdauer von leistungselektronischen Umrichtern. Sowohl die Lastprofile als auch mögliche Fehlerfälle haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Realisierung der Schaltungen. Bei den neu verfügbaren Leistungshalbleitern sind einige Unterschiede zu erwarten. Derzeit gibt es keine systematische Klassifizierung von leistungselektronischen Umrichtern und Anwendungen, die die Anforderungen und Herausforderungen an Zuverlässigkeit und Robustheit von GaN-basierten Leistungshalbleitern differenziert. Eine entsprechende Studie ist eine wesentliche Voraussetzung, um die Ergebnisse auf Bauelementeebene in konkrete Handlungsempfehlungen umzusetzen, sowohl für die Halbleiter als auch für die verwendeten Anwendungen und Schaltungstopologien. Dieses Projekt deckt diese Bereiche in einem interdisziplinären Ansatz auf Bauelemente- und Topologieebene ab.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2312: Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"