Applying temperature-sensitive electrical parameters to SiC power modules considering parasitic effects

Temperatursensitive elektrische Parameter (TSEPs) können für die Zustandsüberwachung von unmodifizierten Leistungsmodulen oder zur Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur von Leistungshalbleitern eingesetzt werden. Die Erfassung von TSEPs an schnellschaltenden Wide-Bandgap-Halbleitern stellt dabei besondere Herausforderungen an die benötigte Messauflösung und die Störempfindlichkeit der Messschaltungen. Neben der Sperrschichttemperatur werden TSEPs von einer Vielzahl von anderen Größen beeinflusst. Diese Querempfindlichkeiten können in solche unterteilt werden, die bereits im normalen Umrichterbetrieb miterfasst werden, zum Beispiel der Laststrom, und in parasitäre Einflüsse, welche nur schwer zu bestimmen sind oder deren Erfassungsaufwand zu groß wäre. Parasitäre Störeinflüsse können zu signifikanten Abweichungen in der bestimmten virtuellen Sperrschichttemperatur führen. In dieser Dissertation wird die Anwendbarkeit von TSEPs an schnellschaltenden SiC-MOSFETs, unter besonderer Beachtung von parasitären Störeinflüssen, untersucht. Beispiele von parasitären Störeinflüssen sind Änderungen der Treibertemperatur oder Instabilitäten der Gatetreiberspannungen. Das Ziel ist die rechtzeitige Erkennung eines bevorstehenden Modulausfalls. Mehrere TSEPs werden in direkter Abfolge erfasst und anschließend kombiniert. Die betrachteten TSEPs sind die Durchlassspannungen der SiC-MOSFETs sowie zwei Schaltzeiten während des Einschaltvorgangs. Die Kombination erlaubt die Reduktion von parasitären Störeinflüssen. Dabei wird insbesondere die Eignung von künstlichen neuronalen Netzen zur Kombination der TSEPs zu einer vereinten Temperaturaussage untersucht und mit Ansätzen verglichen, die auf den physikalischen Wirkprinzipien der Halbleiter beruhen. Eine Vielzahl detaillierter Halbleitermodelle werden gebildet, deren Eignung zur Unterscheidung temperaturbedingter und strombedingter Änderungen der betrachteten TSEPs ermittelt wird. Dabei wird auch untersucht, welcher Detaillierungsgrad der Modelle für eine Temperaturbestimmung nötig ist. Neben den theoretischen Untersuchungen wird Messhardware zur Erfassung der Durchlassspannung sowie der Schaltzeiten von schnellschaltenden SiC-MOSFETs untersucht und entworfen. Diese Messhardware wird genutzt, um TSEPs sowohl in Doppelpulsversuchen als auch im regulären Schaltbetrieb zu erfassen. Dabei entstehen durch die kurzen Leitphasen der schnellschaltenden SiC-MOSFETs sowie durch schaltbetriebsspezifische Effekte besondere Herausforderungen. Ein detailliertes thermisches Modell der Module sowie des Prüfstands wird erstellt. Zusätzlich entsteht ein Strommodell, welches die Bestimmung des Momentanstromwertes beim Einschalten der Halbleiter aus dem skalaren Messwert des regulären Umrichterstromsensors erlaubt. Abschließend werden beschleunigte Alterungstests durchgeführt. Dabei werden mehrere Leistungsmodule mit thermischen Lastzyklen beaufschlagt, um realistische thermomechanische Alterungseffekte zu erzeugen. Die Leistungsmodule werden während der Alterung regelmäßig mit der TSEP-Messhardware analysiert. Mit den Testergebnissen wird verifiziert, dass die TSEP-Messhardware genutzt werden kann, um eine Degradation der Leistungsmodule rechtzeitig vor dem Erreichen des Endes der Lebensdauer der Module zu erkennen.