Monolithisch integrierter Überstromschutzschalter basierend auf 4H-SiC JFET Technologie (SiC-DCBreaker)
Internally funded project
Acronym: SiC-DCBreaker
Start date : 01.08.2019
Project details
Short description
Aktuelle Bestrebungen in der E-Mobilität oder im Bereich Smart Grid und Industrie 4.0 erfordern Gleichspannungsnetze mit Zwischenkreisspannungen bis zu 900 V DC. Dies stellt Bauelement- und Schaltungsentwickler vor enorme Herausforderungen, da bspw. etablierte Überstromschutzschaltertechnologien nicht effizient auf die Anforderungen von Anwendungen mit solch hohen Spannungsklassen skaliert werden können. Den Stand-der-Technik beanspruchen hybride Systeme, die spezielle mechanische Schalter mit elektronischen Systemen kombinieren. Hier werden u.a. Stromsensoren und Microcontroller eingesetzt, um den Stromfluss mithilfe eines schnellen Halbleiterschalters innerhalb weniger Microsekunden zu unterbrechen, bevor der mechanische Schalter den Stromkreis letztendlich galvanisch trennen kann. Jedoch bestehen die Hilfsschaltungen dieser Systeme aus einer Vielzahl an Komponenten und sind daher außerordentlich aufwändig und kompliziert in der Auslegung und somit unattraktiv.
Die Entdeckung des Prinzips „thyristor dual“ im Jahre 1999 verspricht die Vorteile selbstauslösender mechanischer Schalter mit denen kompakter und schneller Halbleiterschalter in einem einzigen Bauelement zu vereinen. Das Prinzip basiert auf der Verwendung zweier komplementärer Halbleiterschalter (vorzugsweise Junction Field Effect Transistors (JFETs)), die in einer speziellen Kreuzverschaltung angeordnet sind. In dieser Anordnung werden die stromleitenden Kanäle der JFETs intrinsisch abgeschnürt, wodurch das Gesamtbauelement in den sperrenden Zustand übergeht, sobald der Strom einen kritischen Wert überschreitet. Das Prinzip "thyristor dual" arbeitet somit vollkommen ohne Hilfsschaltungen, selbstdetektiert, überstromausgelöst und selbsthaltend.
In der Vergangenheit (2016) ist es der Universität Bremen (IALB) und dem Fraunhofer IISB bereits gelungen die Funktionalität des „thyristor dual“ bei bis zu 400 V DC mithilfe von diskreten Halbleiterschaltern zu demonstrieren. Erste Bestrebungen zur monolithischen Integration wurden vom IALB bereits im Jahre 2007 und vom IISB im Jahre 2017 in Form von TCAD-Simulation unternommen. Diese gelten als Ausgangspunkt für das beschriebene Vorhaben.
Das Forschungsprojekt wird im Rahmen eines
LEB-Promotionsvorhabens in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für
Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) bearbeitet.
Scientific Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojekts soll eine halbleiterbasierte elektrische Sicherung entwickelt, hergestellt und charakterisiert werden. Hierfür wird zunächst mithilfe von analytischer und numerischer Modellierung eine (Bauelement-) Zelltopologie konzipiert, die zur monolithischen Integration des Prinzips "thyristor dual" geeignet ist. Da JFETs für die Umsetzung des "thyristor dual" von Vorteil sind, wird im Anschluss die Realisierbarkeit einer 4H-SiC JFET Technologie innerhalb der am LEB/IISB zur Verfügung stehenden Reinraumumgebung nachgewiesen. Die in diesem Zuge entwickelte JFET Technologie wird zur Herstellung von Prototypen verwendet, welche dann der elektrischen Charakterisierung des neuartigen Sicherungskonzeptes dienen. Die quasi-statischen und transienten Eigenschaften der Prototypen werden im finalen Schritt denen der Simulationsmodelle und des Standes-der-Technik gegenübergestellt und diskutiert.
