Untitled - Semikron

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2 Grundlagen Wichtige Ziele der Weiterentwicklung sind: - Erhöhung der Schaltleistungen (Strom, Spannung) - Verringerung der Verluste in den Halbleitern sowie in Ansteuer- und Schutzschaltungen - Erweiterung des Betriebstemperaturbereiches - Erhöhung von Lebensdauer, Robustheit und Zuverlässigkeit - Verringerung des Ansteuer- und Schutzaufwands, „Verbesserung“ des Verhaltens im Fehlerfall - Kostensenkung Die Richtungen der Weiterentwicklung unterteilen sich grob wie folgt: Halbleitermaterialien - neue Halbleitermaterialien (z.B. wide bandgap materials) Chiptechnologie - höhere zulässige Chiptemperaturen bzw. Stromdichten (Flächenverkleinerung) - feinere Strukturen (Flächenverkleinerung) - neue Strukturen (Verbesserung von Eigenschaften) - Funktionsintegration auf dem Chip (z.B. Gatewiderstand, Temperaturmessung, monolithische Systemintegration) - neue monolithische Bauelemente durch Zusammenfassung von Funktionen (RC-IGBT, ESBT) - Verbesserung der Stabilität von Chipeigenschaften unter klimatischen Einflüssen Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) - Erhöhung der Temperatur- und Lastwechselfestigkeit - Verbesserung der Wärmeabführung (Isoliersubstrat, Bodenplatte, Kühler) - Ausweitung der klimatischen Einsatzbereiche durch Verbesserung der Gehäuse- und Vergussmaterialien oder neue Packagingkonzepte - Optimierung der inneren Verbindungen und Anschlusslayouts hinsichtlich parasitärer Elemente - anwenderfreundliche Optimierung der Gehäuse zur Vereinfachung der Gerätekonstruktionen - Senkung der Packagingkosten und Verbesserung der Umweltfreundlichkeit in Fertigung, Betrieb und Recycling Integrationsgrad - Erhöhung der Komplexität von Leistungsmodulen zur Systemkostensenkung - Integration von Ansteuerungs-, Monitoring- und Schutzfunktionen - Systemintegration Bild 2.1.3 zeigt verschiedene Integrationsstufen von Leistungsmodulen Module concept: Power semiconductor soldered and bonded Standard modules IPM Subsystems Switching, Switches, Insulation Insulation Modules + Driver + Protection IPM IPM + + Controller Controller + + bus interfaces Bond Bond wire wire Bild 2.1.3 Integrationsstufen von Leistungsmodulen Chip Chip Solder Solder 15
2 Grundlagen Durch komplexere Technologien, kleinere Halbleiterstrukturen und exakte Beherrschung der Prozesse nähern sich heute die Eigenschaften moderner Leistungshalbleiter unaufhaltsam den physikalischen Grenzen des Halbleitermaterials Silizium. Deshalb wurden die bereits in den 50er Jahren begonnenen Forschungen an alternativen Materialien in den letzten Jahren forciert und haben inzwischen erste Großserienprodukte hervorgebracht. Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen heute die „wide bandgap materials“ Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die gegenüber Silizium einen deutlich höheren energetischen Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband aufweisen, woraus vergleichweise niedrigere Durchlass- und Schaltverluste, höhere mögliche Chiptemperaturen und eine gegenüber Silizium bessere Wärmeleitfähigkeit resultieren. Tabelle 2.1.1 enthält quantitative Angaben zu den wichtigsten Materialkenngrößen [2], Bild 2.1.4 zeigt die Konsequenzen auf die Materialeigenschaften. Parameter Si 4H-SiC GaN Bandgap Energie E g eV 1,12 3,26 3,39 Eigenleitungsdichte n i cm - ³ 1,4*10 -10 8,2*10 -9 1,9*10 -10 Durchbruchfeldstärke E c MV/cm 0,23 2,2 3,3 Elektronenbeweglichkeit µ n cm²/Vs 1400 950 1500 Driftgeschwindigkeit n sat cm/s 10 7 2,7*10 7 2,5*10 7 Dielektrizitätskonstante e r - 11,8 9,7 9,0 Wärmeleitfähigkeit l W/cmK 1,5 3,8 1,3 Tabelle 2.1.1 Eigenschaften von Halbleitermaterialien mit weitem Bandabstand im Vergleich zu Silizium Determines heat dissipation characteristic in power design 16 Relates to device´s carrier transported switching speed Determines temperature limit for device operation Thermal Conductivity Saturation Velocity GaN Bandgap 100.0 10.0 4H-SiC 1.0 Si 0.1 Dielectric Constant Breakdown Electric Field Determines BV vs. Specific Ron trade-off for devices design Bild 2.1.4 Konsequenzen unterschiedlicher physikalischer Parameter von Halbleitermaterialien [3] Schlüsselfaktor einer breiteren Einführung von SiC ist heute jedoch die kosteneffiziente Herstellbarkeit entsprechender einkristalliner Chips mit ausreichender Materialqualität ohne Kristalldegradationen (Micropipes), auch in den für die Leistungselektronik optimalen Wafergrößen. Während Si heute auf 8“ Wafern zu Kosten von 0,10 €/cm² fast defektfrei hergestellt wird, liegt die Defektdichte bei SiC Wafern mit nur 4“ Durchmesser eine Größenordnung höher, was die Kosten im Vergleich zu Si vervielfacht. GaN mit gegenüber SiC etwas schlechteren Eigenschaften wurde bisher
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Seite 48 und 49: V [V] max 1000 950 900 850 800 750
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p + n + n - p + n + n - p + n + n -
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Leistungs-MOSFET Eingangskapazität
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2 Grundlagen Ausschaltgeschwindigke
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Bild 2.4.22 Gegenüberstellung von
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2 Grundlagen Entwicklungsrichtungen
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2.5.1.3 Drahtbonden 2 Grundlagen Be
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2 Grundlagen schlüsse realisiert.
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2 Grundlagen Bodenplatte Solche Mod
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2 Grundlagen Bei den keramischen Is
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Material Wärmeleitfähigkeit l [W/
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dT(j-s) [K] 40.00 35.00 30.00 25.00
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Baseplate Baseplate Thermal Compoun
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2 Grundlagen Wärmekopplung Aufgrun
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2.5.2.3 Lastwechselfestigkeit 2 Gru
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2 Grundlagen solche Konstruktion is
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2 Grundlagen ausgesprochenen Massen
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2.5.3 Diskrete Bauelemente 2.5.3.1
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Ceramic case Pressure piece welded
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Gate terminals -Terminal +Terminal
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2 Grundlagen SEMIPONT® Ein- und Dr
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2 Grundlagen Mit 4 Gehäusegrößen
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2 Grundlagen SEMiX® Diese im gleic
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2 Grundlagen tung auf der DCB und d
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First compensating coil Sensor coil
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2 Grundlagen Bei Modulen sind die S
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2 Grundlagen MiniSKiiP IPM sind mit
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2 Grundlagen bestimmtes DT im Lastw
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Climatic chamber Tmax Tmin DUT Test
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Bild 2.7.5 Prinzipzeichnung und Fot
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2 Grundlagen Aus Bild 2.7.9 und Bil
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2 Grundlagen - Einsatz von AlN-Subs
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2 Grundlagen gen im Sekundenbereich
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2 Grundlagen der Auswertung einer V
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3 Datenblattangaben für MOSFET, IG
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3.1.3 Grenzwerte, Kennwerte 3 Daten
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0.40 K/W 0.38 0.36 0.34 0.32 0.30 0
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10000 W 1000 100 10 1 P RRM P RRM P
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200 W 150 100 50 P FAV 0 0 rec. 60
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Durchbruchspannung V (BO) bei Avala
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Haltestrom I H 3 Datenblattangaben
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I G [A] 2 1 0 2 4 6 8 10 t [µs] 3
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1000 μC 100 Q rr 10 100 A -Thyrist
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SEMiX302GB12E4s SEMiX ® 2s Trench
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Kollektor-Gleichstrom I C 3 Datenbl
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thw 2 iFS 0 dt I 2 FSM t hw 2 3
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I I ref 0.25I ref 25°C typical 25
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i (20 A / Div) C 0.2 µs / Div v (2
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[A] I F 600 500 400 300 200 100 T =
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600 [A] 450 300 150 I C T j = 175
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3.3.4.3 Höchstzulässiger sicherer
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Gate-Source-Spannung V GSS 3 Datenb
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Drain-Reststrom I DSS 3 Datenblatta
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[Fig. 10] Typische Gateladungsdiagr
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3.6.1.4 Kennwerte des SKiiP-Treiber
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TOPIN BOTIN VGE TOP VGE BOT t TD t
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High Side Betriebsspannung („floa
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4 Applikationshinweise für Thyrist
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4.1.3.5 Zündeigenschaften 4 Applik
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4.1.5 Brückengleichrichter 4 Appli
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4.2.3 Kühlkörper 4 Applikationshi
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di dt 0 L S1 VB L S2 mit V B als
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Bild 4.4.7 Primärseitige Beschaltu
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Nennausschaltvermögen I PM 4 Appli
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4.5.3 Parallelschaltung von Gleichr
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5 Applikationshinweise für IGBT- u
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VCEmax [V] 1250 1200 1150 1100 1050
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Forward Losses [W] Switching Losses
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1000 t [ns] 100 SKiiP 39 AC 12T4 V1
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- dem Laststrom (über Durchlassken
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Tj Tj(av) P tp Bild 5.2.12 Temperat
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cos(alpha) 1.5 1 0.5 -1 -1.5 rotor
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-1 acceleration deceleration 5 Appl
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Bild 5.2.21 Festlegung der Kühlbed
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Bild 5.2.23 Ergebnisausgabe zu Verl
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T Z t n th ( s a) (
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a) b) 5 Applikationshinweise für I
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p [Pa] 500 450 400 350 300 250 200
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5.3.5.1 Druckabfall und Wasservolum
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Wasser Glykolgemische 5 Applikation
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5.3.7 Thermische Reihenschaltung (T
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temperature increase (K) 40 35 30 2
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Power Conversion (Main Function) En
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Bild 5.5.2 SEMIKUBE Bausteinsystem
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Schaltzeiten, Schaltverlustenergien
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V S P 7 input 2 (BOTTOM) input 1 (T
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Ausführung Netztrafo 50 Hz-Versorg
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vK LK 2 RL LK 2 L L iK S1 iL S2 vS1
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dynamic desaturation time 0.5µs/di
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5.7.3.1 Fehlerstromerkennung und -a
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LESR RESR CDC-link LDC+ LDC- LSnubb
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v Driver R G V + Passive Gate Clamp
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C iss [nF] 25,0 24,5 24,0 23,5 23,0
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L . LE di2 /dt E di1 /dt I . 5 Ap
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VCC SKiiP1 SKiiP2 Iout1 L min I out
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V CE Input Reference t dv / dt CE D
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5.8.2.3 Schlußfolgerungen 5 Applik
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OFF reverse blocking forward on-sta
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5.9.3.3 Schaltereigenschaften 5 App
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Eoff [mJ] 40 35 30 25 20 15 10 5 0
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switch current i [A] S switch volta
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6 Handhabung und Umweltbedingungen
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6.2.3 Biologische Umweltbedingungen
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Bild 6.2.3 Schematische Darstellung
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Seite 434 und 435:
Material Spezifische thermische Lei
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Bezeichnung; Hersteller KU ALC-5, K
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7 Software als Dimensionierungshilf
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Literaturverzeichnis Literaturverze
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Literaturverzeichnis [38] Klotz, F.
Seite 454 und 455:
Literaturverzeichnis [79] Hoffmann,
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C res C rss Reverse transfer capaci
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Abkürzungsverzeichnis für SEMIKRO
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L ss l tp (l) Parasitic stray induc
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R min(CL) R P R p R s R softcharge
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T r Reference point temperature (te
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V GSS Gate-source voltage, drainsou
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