Entwicklung einer Methodik zur Bestimmung der Schaltverluste von diskreten 400V-GaN-Halbbrücken

Abstract

Basierend auf aktuellen und zukünftigen Entwicklungsprämissen miniaturisierter automobiler Leistungselektronik wird in dieser Thesis die diskret verortete 400 Volt Gallium-Nitrid Halbbrücke als Kernkomponente einer fahrzeuggebundenen Hochvoltspeicher-Ladertopologie mit 3,7 Kilowatt Ladeleistung betrachtet. Die nachfolgende Methodikentwicklung zur Quantifizierung zeittransienten Schaltverhaltens und damit insbesondere generierter Halbbrückenverlustleistungen diskutiert die Vorteile der in dieser Arbeit entwickelten VERILOG Halbleitersimulation auf Basis verfügbarer ASM-HEMT Modelle der Compact Model Coalition gegenüber der Genauigkeit konventioneller SPICE-Simulation. Simulative Durchführungen dieser Arbeit berücksichtigen notwendige Betriebsparameter der Halbbrücke, insbesondere Totzeiten sowie deren Detektion per zum Patent angemeldeter Auswertelogik, und erlauben darüber hinaus in VERILOG die globale Schaltzellenoptimierung. Simulative Ergebnisse werden anhand einer dedizierten Power Factor Correction Stufe zeittransient und kalorimetrisch validiert. Die vorgestellten Simulationsmethodiken erlauben somit zukünftig die vollständig virtualisierte Hardwareauslegung von Leistungselektronik hinsichtlich Zeit- und Verlustverhalten.

Based on current and future development premises of miniaturized automotive power electronics, this thesis deals with a discrete 400 Volt gallium nitride half bridge as key component of a high-voltage onboard charging topology with an output power of 3.7 kilowatts. The developed method quantizes time-transient switching characteristics with special focus on induced half bridge power losses. Accuracy of the presented novel VERILOG simulation of semiconductors based on ASM-HEMT models of the Compact Model Coalition is concluded to be superior to state-of-the-art SPICE simulations. Carried out simulative approaches additionally allow for global switch cell optimization in VERILOG, consider essential operational parameters and especially include transitional dead times detectable via patend pending circuitry. Simulative results are validated based on time-transient and calorimetric observations of a dedicated power factor correction stage. In future, presented simulation approaches may serve as a fully virtualized hardware development environment, accurately prediciting time and loss domain behaviour of power electronics.