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Über dieses Buch

Halbleiter-Leistungsbauelemente sind das Kernstück der Leistungselektronik. Sie bestimmen die Leistungsfähigkeit, sie machen neuartige und verlustarme Schaltungen erst möglich. Da für deren Anwendung nicht nur die Vorgänge im Halbleiter, sondern auch die thermischen und mechanischen Eigenschaften wesentlich sind, beinhaltet die Behandlung der Halbleiter-Leistungsbauelemente auch die Aufbau- und Verbindungstechnik. Das Buch geht auf die physikalischen Grundlagen ein, behandelt die Herstellungstechnologie, geht auf einzelne Bauelemente wie Dioden, Transistoren, Thyristoren, MOS-Transistoren und IGBTs detailliert ein. Aufbau- und Verbindungstechnik sowie thermomechanische Probleme werden behandelt und die bekannten Zerstörungsmechanismen und Störungseffekte einzelner Bauarten werden beschrieben. Für den Systementwurf werden leistungselektronische Systeme als Ganzes betrachtet.

Die 2. bearbeitete Auflage stellt einige Zusammenhänge bei Transistoren und Thyristoren präziser dar. Sie berücksichtigt die technischen Neuerungen und Entwicklungen seit Erscheinen der 1. Auflage.Ergänzt wurde die Beschreibung einiger Bauelemente aus SiC, der Weiterentwicklungen bei IGBTs sowie weitere Erkenntnisse zur Robustheit von Leistungsdioden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Besonderheiten leistungselektronischer Halbleiterbauelemente

Leistungsbauelemente erfüllen im allgemeinen nur eine Funktion – die Funktion als Schalter, aber diese bei sehr hohen Anforderungen:
Josef Lutz

2. Halbleiterphysikalische Grundlagen

Halbleitermaterialien der Leistungselektronik sind immer einkristallin:
monokristallines Halbleitermaterial weist keine Inhomogenitäten der Raumladung und weniger Niveaus in der Bandlücke auf. Damit sind erst hohe Sperrspannungen und niedrige Sperrströme möglich.
die Beweglichkeiten in monokristallinem Halbleitermaterial sind sehr viel höher, was für die Durchlasseigenschaften notwendig ist.
Josef Lutz

3. Halbleiterbauelemente

Bei der pin-Diode steht das „i“ für intrinsisch. Intrinsische Dotierungen (Dotierung im Bereich < 1010 cm 3) lassen sich technologisch jedoch nicht erreichen, sodass man in der Praxis eine schwache p – oder n- – Dotierung erhalten wird. Diese ist gegenüber denen in den Außenzonen um mehrere Größenordnungen niedriger (n-, p), weswegen sich dennoch die Bezeichnung „i“ eingebürgert hat. Heute werden nur Mittelgebiete vom n- Typ realisiert, was hauptsächlich auf das Ausschaltverhalten der damit realisierten Dioden zurückzuführen ist. Das sog. „i“-Gebiet ist in Wirklichkeit meist ein n- – Gebiet.
Josef Lutz

4. Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsbauelementen

Der Einsatz eines Leistungsbauelements führt zu Verlusten. In einem vereinfachten Anwendungsbeispiel soll die Größenordnung abgeschätzt werden:
IGBT Modul BSM50GB120DLC (Infineon), auf luftgekühltem Kühlkörper
Betriebsbedingung: IC = 50 A, Ubat = 600 V, RG = 15W, Tj = 125 °C,
f = 5 kHz, duty cycle d = 0,5
Josef Lutz

5. Zerstörungsmechanismen in Leistungsbauelementen

In diesem Abschnitt werden einige Ausfallmechanismen behandelt und dazu jeweils charakteristische Bilder gezeigt. Ausfallanalyse erfordert sehr viel Erfahrung, insbesondere sind die Bedingungen im Schaltkreis während des Ausfalls einzubeziehen. Auch können sich die Bilder gleichen und es sei davor gewarnt, nur anhand von Detailbildern Schlüsse zu ziehen. Allerdings steht in der praktischen Anwendung der Ingenieur sehr oft vor dem Problem der Fehlersuche, und dafür können die folgenden Ausführungen hilfreich sein.
Josef Lutz

6. Durch Bauelemente verursachte Schwingungseffekte und elektromagnetische Störungen

Jeder leistungselektronische Schaltvorgang bedeutet eine Abweichung vom idealen sinusförmigen Wechselstrom bzw. Gleichstrom. Schaltvorgänge treten im Allgemeinen zeitlich periodisch auf. Jeder periodische Vorgang kann mittels einer Fourier-Transformation in eine Folge von Sinus- und Cosinustermen zerlegt werden. Mittels der Fourier-Transformation lassen sich die erzeugten Frequenzen und deren Intensität berechnen.
Josef Lutz

7. Leistungselektronische Systeme

Der Begriff „Leistungselektronisches System“ wird sehr unterschiedlich verwandt. Auch ein Buch über leistungselektronische Grundschaltungen ist heute unter dem Titel „Systeme“ zu finden, es ist daher sinnvoll sich von „System“ als Modewort abzugrenzen.
Josef Lutz

Backmatter

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