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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/501887
Projekttitel
MEPCO – Measurement of intrinsic wide band gap device properties for power conversion

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Kurzbeschreibung
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Schlussbericht
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Erfasste Texte


KategorieText
Kurzbeschreibung
(Englisch)

This project aims to develop novel techniques and procedures to measure intrinsic device properties and compare the different semiconductor technologies used in power electronics, such as GaN, SiC and Si, aiming to understand how to better apply these technologies for efficient power conversion.

Kurzbeschreibung
(Französisch)

Ce projet vise à développer de nouvelles techniques et procédures pour mesurer les propriétés intrinsèques des dispositifs et comparer les différentes technologies de semi-conducteurs utilisées en électronique de puissance, telles que GaN, SiC et Si, afin de comprendre comment mieux appliquer ces technologies pour la conversion de puissance efficace.

Schlussbericht
(Deutsch)

Dieses Projekt zielt darauf ab, neuartige Techniken und Verfahren zur Messung intrinsischer Bauelementeigenschaften zu entwickeln und die verschiedenen in der Leistungselektronik verwendeten Halbleitertechnologien wie GaN, SiC und Si zu vergleichen, um zu verstehen, wie diese Technologien für eine effiziente Leistungsumwandlung besser angewendet werden können. Die Informationen über die Verlustmechanismen kommerziell erhältlicher Bauelemente werden auch Möglichkeiten eröffnen, die Halbleiterdesigns zu verbessern.

Insbesondere haben wir zunächst die Ausgangskapazität von GaN-Geräten als kritische Verlustquelle im Hochfrequenzbetrieb identifiziert und fortschrittliche Messmethoden untersucht, um das Verlustniveau genau zu bestimmen. Es werden neue energieorientierte Methoden und Messmethoden auf Waferebene vorgeschlagen, um die Verluste im Zusammenhang mit der Ausgangskapazität zu charakterisieren. Die Messung, Analyse und Modellierung von Ausgangskapazitätsverlusten liefert Einblicke in das Geräteverhalten und das Verständnis der Ursprünge dieser Verluste.

Um den Vergleich verschiedener Wide-Band-Gap-Leistungshalbleitertechnologien zu erleichtern, haben wir eine umfassende Verlustanalyse für den Soft-Switching-Betrieb von Wide-Band-Gap-Transistoren demonstriert. Dazu gehören Verluste im Zusammenhang mit der Leitung und der dynamischen Widerstandsverschlechterung im EIN-Zustand sowie das Laden/Entladen der Eingangskapazität und der Ausgangskapazität. Die Studie erleichtert die Bewertung von Systemverlusten und die Auswahl effizienter Leistungsgeräte auf der Grundlage der Kompromisse zwischen verschiedenen Verlustquellen bei hohen Frequenzen. Diese Analyse ist auch für Geräteingenieure aufschlussreich, um Hochleistungs-Leistungstransistoren für Hochfrequenzanwendungen zu entwerfen.

Schließlich haben wir ein neues kalorimetrisches Echtzeit-Messsystem entwickelt, um die Schaltverluste in Hochfrequenzwandlern genau zu bestimmen, wo elektrische Messungen eine Herausforderung darstellen.

Schlussbericht
(Englisch)

This project aims to develop novel techniques and procedures to measure intrinsic device properties and compare the different semiconductor technologies used in power electronics, such as GaN, SiC and Si, aiming to understand how to better apply these technologies for efficient power conversion. The information on the loss mechanisms of commercially available devices will also open opportunities to enhance the semiconductor designs.

In particular, we first identified the output capacitance of GaN devices as a critical source of losses at high frequency operation and investigated advanced measurement methods to accurately determined the losses level. New energy-oriented method and wafer-level measurement method are proposed to characterize the output capacitance related losses. The measurement, analysis and modelling of output capacitance losses provide insights on the device behaviour and on the understanding of the origins of these losses.

To facilitate the comparison of different wide-band-gap power semiconductor technologies, we demonstrated a comprehensive loss-breakdown analysis for soft-switching operation of wide-band-gap transistors. This includes losses related to conduction and dynamic ON-state resistance degradation, also charging/discharging of input capacitance and output capacitance. The study facilitates the evaluation of system losses and selection of efficient power devices based on the trade-offs between various sources of losses at high frequencies. This analysis is also insightful for device engineers to design high-performance power transistors for high-frequency applications.

Finally, we developed a new real-time calorimetric measurement system to precisely determine the switching losses in high frequency converters, where electrical measurements are challenging.

Zugehörige Dokumente
Schlussbericht
(Französisch)

Ce projet vise à développer de nouvelles techniques et procédures pour mesurer les propriétés intrinsèques des dispositifs et comparer les différentes technologies de semi-conducteurs utilisées en électronique de puissance, telles que GaN, SiC et Si, afin de comprendre comment mieux appliquer ces technologies pour la conversion de puissance efficace. Les informations sur les mécanismes de perte des semi-conducteurs disponibles dans le commerce ouvriront également des opportunités pour améliorer les conceptions de semi-conducteurs.

En particulier, nous avons d'abord identifié la capacité de sortie des dispositifs GaN comme une source critique de pertes en fonctionnement à haute fréquence et étudié des méthodes de mesure avancées pour déterminer avec précision le niveau de pertes. Une nouvelle méthode orientée énergie et une méthode de mesure au niveau de la tranche sont proposées pour caractériser les pertes liées à la capacité de sortie. La mesure, l'analyse et la modélisation des pertes de capacité de sortie fournissent des informations sur le comportement du dispositif et sur la compréhension des origines de ces pertes.

Pour faciliter la comparaison de différentes technologies de semi-conducteurs de puissance à large bande interdite, nous avons présenté une analyse complète de la répartition des pertes pour le fonctionnement en commutation douce des transistors à large bande interdite. Cela inclut les pertes liées à la conduction et à la dégradation dynamique de la résistance à l'état passant, ainsi que la charge/décharge de la capacité d'entrée et de la capacité de sortie. L'étude facilite l'évaluation des pertes du système et la sélection de dispositifs de puissance efficaces basés sur les compromis entre diverses sources de pertes à hautes fréquences. Cette analyse est également utile aux ingénieurs de dispositifs pour concevoir des transistors de puissance hautes performances pour les applications haute fréquence.

Enfin, nous avons développé un nouveau système de mesure calorimétrique en temps réel pour déterminer avec précision les pertes de commutation dans les convertisseurs haute fréquence, où les mesures électriques sont difficiles.