Temperaturbestimmung bei GaN basierten Bauelementen auf Basis von Temperatursensitiven Elektrischen Parametern (TSEP)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mark-Matthias Bakran
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545448757

Sowohl für die elektrische Auslegung als auch mechanische Dimensionierung auf Lastwechselfestigkeit ist die Temperatur eines Leistungshalbleiters eine extrem wichtige Größe. Es werden dafür Verfahren benötigt, die eine Temperaturbestimmung im elektrischen Betrieb erlauben, wobei eine Zugänglichkeit für direkte konventionelle Messverfahren (z.B. optisch) nicht gegeben ist. Bei den verbreiteten Leistungshalbleitern auf Si oder SiC Basis sind unterschiedliche Verfahren bekannt, wobei als Referenz der Temperaturkoeffizient des pn-Überganges ausgenutzt wird. Bei GaN basierten Halbleitern im SPP GaNius existiert heute kein etabliertes Verfahren zur Temperaturbestimmung und die Struktur der Bauelemente verfügt über keinen klassischen pn-Übergang im Leistungspfad. Gleichzeitig werden GaN Bauelemente oft in Gahäusebauformen ausgeführt, welche auch keine direkte optische Zugänglich erlauben. Damit besteht die Erforderniss über temperatursensitive elektrische Parameter (TSEP) auf die Halbleitertemperatur schließen zu können. Das Projekt beginnt mit einem Review bekannter Verfahren und Ermittlung der Eigenschaften in Bezug auf GaN Bauelemente, wobei dort die haute hauptsächlich üblichen Strukturen betrachtet werden wie GaN-eMode, d-mode bzw. Kaskode und GaN-GIT. Es werden in einer nächsten Stufe die Sensitivitäten und auch Quersensitivitäten (z.B. auf Strom und Spannung) ermittelt. Auf dieser Basis werden die erreichbaren Genauigkeiten ermittelt. Begleitend erfolgt eine theoretische Modellbildung für die Effekte, welche jeweils mit Messungen abgeglichen wird. Aus diesen Voruntersuchungen sollen die aussichtsreichsten Verfahren gefiltert werden. Auf Basis dieser Verfahren soll der Einsatz in einem taktenden Stromrichter untersucht werden. So sollen die Effekte der GaN Besonderheiten wie z.B. "dynamischer RDS-on" auf die Messverfahren untersucht werden, auch hier soll eine Modellbildung erfolgen, um im Sinne eines "digitalen Zwillings" parallel eine Nachbildung zu rechnen und so einen Abgleich zur Messung zu ermöglichen. Alternativ zur analytischen Nachbildung soll hier auch auf ein angelerntes neuronales Netz zur Nachbildung der nicht-linearen Zusammenhänge zurückgegriffen werden. Den Abschluss des Projektes bildet ein Aufbau der in Rahmen eines Lastwechseltests online eine Temperaturerfassung ermöglichen soll. Alternativ werden im letzten Arbeitspaket die Effekte bei Parallelschaltung mehrerer Einzelelemente untersucht.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2312: Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"
• Großgeräte: Luftbasiertes Temperiergerät für Leistungshalbleiter
• Gerätegruppe: 8430 Lufterhitzer, Luftheizgeräte (transportabel), Infrarotheizgeräte und -anlagen)