DE102022208404A1 - Method and device for determining a simulation model for a power diode - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Simulationsmodells für eine Leistungsdiode (108), insbesondere eine Galliumoxid-Leistungsdiode vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Ausführens eines Basismodells für die Leistungsdiode (108) umfasst, um Simulationskurven zu erhalten, die einen Leckstrom in Abhängigkeit von einer Sperrspannung und einer Temperatur der Leistungsdiode (108) repräsentieren, wobei das Basismodell einen ersten Faktor und einen zweiten Faktor umfasst. Weiterhin einen Schritt des Veränderns eines Werts des ersten Faktors, um eine Form der Simulationskurven zu verändern, und/oder eines Werts des zweiten Faktors, um eine Verschiebung der Simulationskurven zu bewirken, einen Schritt des Wiederholens der Schritte des Ausführens und Veränderns, um einen veränderten Wert des ersten Faktors und des zweiten Faktors zu erhalten, bei denen die Simulationskurven an Messkurven der Leistungsdiode (108) angepasst sind, und einen Schritt des Bestimmens des Simulationsmodells für die Leistungsdiode (108) unter Verwendung des Basismodells und des veränderten Werts des ersten Faktors und des zweiten Faktors. A method for determining a simulation model for a power diode (108), in particular a gallium oxide power diode, is presented, the method comprising a step of executing a basic model for the power diode (108) in order to obtain simulation curves which have a leakage current as a function of a reverse voltage and a temperature of the power diode (108), the basic model comprising a first factor and a second factor. Further, a step of changing a value of the first factor to change a shape of the simulation curves and/or a value of the second factor to cause a shift of the simulation curves, a step of repeating the steps of executing and changing to a changed one to obtain the value of the first factor and the second factor, in which the simulation curves are adapted to measurement curves of the power diode (108), and a step of determining the simulation model for the power diode (108) using the base model and the changed value of the first factor and of the second factor.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Simulationsmodells für eine Leistungsdiode, insbesondere für eine Galliumoxid-Leistungsdiode.The present invention relates to a method and a device for determining a simulation model for a power diode, in particular for a gallium oxide power diode.
Die
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bestimmen eines Simulationsmodells für eine Leistungsdiode, insbesondere für eine Galliumoxid-Leistungsdiode, gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention provides an improved method and an improved device for determining a simulation model for a power diode, in particular for a gallium oxide power diode, according to the main claims. Advantageous refinements result from the subclaims and the following description.
Durch den vorgestellten Ansatz kann eine Möglichkeit geschaffen werden, um beispielsweise ein Verhalten elektrischer Komponenten zu simulieren, insbesondere solcher, die Galluimoxid aufweisen. Vorteilhafterweise kann durch den vorgestellten Ansatz auch ermittelt werden, welche Formeln und Parameter zur Beschreibung der Eigenschaften der Komponenten, beispielsweise der Diodeneigenschaften, verwendet werden können. Dies ist besonders vorteilhaft für auf Galluimoxid basierenden Komponenten, da die Eigenschaften unterschiedlicher Komponenten hier sehr unterschiedlich sein können.The presented approach makes it possible to simulate, for example, the behavior of electrical components, in particular those that contain gallium oxide. Advantageously, the approach presented can also be used to determine which formulas and parameters can be used to describe the properties of the components, for example the diode properties. This is particularly advantageous for components based on gallium oxide, as the properties of different components can be very different.
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Simulationsmodells für eine Leistungsdiode, insbesondere eine Galliumoxid-Leistungsdiode (Ga2O3) vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Ausführens eines Basismodells für die Leistungsdiode umfasst, um Simulationskurven zu erhalten, die einen Leckstrom der Leistungsdiode in Abhängigkeit von einer Sperrspannung der Leistungsdiode und einer Temperatur der Leistungsdiode repräsentieren. Das Basismodell umfasst dabei einen ersten Faktor und einen zweiten Faktor. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt des Veränderns eines Werts des ersten Faktors, um eine Form der Simulationskurven zu verändern, und zusätzlich oder alternativ eines Werts des zweiten Faktors, um eine Verschiebung der Simulationskurven zu bewirken. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Wiederholens der Schritte des Ausführens und Veränderns, um einen veränderten Wert des ersten Faktors und einen veränderten Wert des zweiten Faktors zu erhalten, bei denen die Simulationskurven an Messkurven der Leistungsdiode angepasst sind, und einen Schritt des Bestimmens des Simulationsmodells für die Leistungsdiode unter Verwendung des Basismodells und des veränderten Werts des ersten Faktors und des veränderten Werts des zweiten Faktors.A method for determining a simulation model for a power diode, in particular a gallium oxide power diode (Ga 2 O 3 ), is presented, the method comprising a step of executing a basic model for the power diode in order to obtain simulation curves that show a leakage current of the power diode in Represent dependence on a reverse voltage of the power diode and a temperature of the power diode. The basic model includes a first factor and a second factor. Furthermore, the method includes a step of changing a value of the first factor to change a shape of the simulation curves, and additionally or alternatively a value of the second factor to effect a shift of the simulation curves. The method further includes a step of repeating the steps of executing and changing to obtain a changed value of the first factor and a changed value of the second factor in which the simulation curves are adapted to measurement curves of the power diode, and a step of determining the simulation model for the power diode using the base model and the modified value of the first factor and the modified value of the second factor.
Die Leistungsdiode kann beispielsweise in Verbindung mit einem Stromrichter eingesetzt werden, wie er beispielsweise in Fahrzeugen verwendet wird. Unter Verwendung des vorgestellten Verfahrens können Simulationen realisiert werden, durch die das Verhalten der Leistungsdiode in Verbindung mit unterschiedlichen Leckstromwerten, Sperrspannungswerten und Temperaturwerten simuliert werden kann. Vorteilhafterweise kann dies einen Sicherheitsaspekt und eine Betriebstüchtigkeit der Leistungsdiode verbessern. Das Basismodell kann auf einem um den ersten Faktor und den zweiten Faktor ergänzten Modell basieren, mit dem eine sich von der Leistungsdiode unterscheidende Diode modelliert werden kann. Dazu kann auf bekannte Modelle zurückgegriffen werden. Durch die Faktoren können Eigenschaften der Leistungsdiode berücksichtigt werden, die sich von der Diode unterscheiden, deren Modell dem Basismodell zugrunde gelegt wurde. Um das Simulationsmodell zu bestimmen, können die veränderlichen Faktoren ausgehend von Ausgangswerten verändert werden. Vorteilhafterweise kann durch kontinuierliches Verändern von Werten der Faktoren ein zeiteffizientes Anpassen des Basismodells an die jeweilige Leistungsdiode erfolgen. Durch den ersten Faktor können die Simulationskurven in Richtung einer Geraden oder beispielsweise in Richtung einer Parabel verformt werden. Durch den zweiten Faktor kann eine Lage der Simulationskurven beispielsweise in einem Diagramm verschoben werden. Die Messkurven können in einer Speichereinheit hinterlegt sein und gemessene Verhaltensweisen der Leistungsdiode repräsentieren. Die Simulationskurven können mit den Messkurven verglichen werden, um ein Vergleichsergebnis zu erhalten, mit dem eine Übereinstimmung zwischen einer Simulationskurve und einer Messkurve bewertet werden kann. Im Schritt des Bestimmens kann das Simulationsmodell vorteilhafterweise unter Verwendung mindestens einer Formel bestimmt werden, in welche die Faktoren eingesetzt werden können. Vorteilhafterweise können durch das Verfahren Simulationsmodelle vereinfacht erstellt oder bestimmt werden.The power diode can be used, for example, in conjunction with a power converter, such as that used in vehicles. Using the presented method, simulations can be realized through which the behavior of the power diode can be simulated in conjunction with different leakage current values, reverse voltage values and temperature values. Advantageously, this can improve a safety aspect and operational capability of the power diode. The basic model can be based on a model supplemented by the first factor and the second factor, with which a diode that differs from the power diode can be modeled. Well-known models can be used for this purpose. The factors allow properties of the power diode to be taken into account that differ from the diode whose model was used as the basis for the basic model. To determine the simulation model, the variable factors can be changed based on initial values. Advantageously, the basic model can be adapted to the respective power diode in a time-efficient manner by continuously changing the values of the factors. The first factor allows the simulation curves to be deformed in the direction of a straight line or, for example, in the direction of a parabola. The second factor can be used to shift the position of the simulation curves in a diagram, for example. The measurement curves can be stored in a storage unit and represent measured behavior of the power diode. The simulation curves can be compared with the measurement curves to obtain a comparison result that can be used to evaluate agreement between a simulation curve and a measurement curve. In the determining step, the simulation model can advantageously be determined using at least one formula into which the factors can be inserted. Advantageously, simulation models can be created or determined in a simplified manner using the method.
Beispielsweise kann unter Verwendung des Verfahrens ein für ein gängiges Simulationsprogramm geeignetes Simulationsmodell für Ga2O3-Dioden erstellt werden, das für Design und Analyse von elektrischen Schaltkreisen verwendet werden kann. Das Simulationsprogramm ist in der Lage, Charakteristiken einer Leistungsdiode abzubilden, die sich deutlich von Standard Dioden unterscheiden (z.B. Si, SiC). Vorteilhafterweise kann eine APP realisiert werden, die in der Lage ist, nötige Modell-Parameter zu finden. Dies erleichtert und beschleunigt die Modell-Erstellung.For example, using the method, a simulation model for Ga 2 O 3 diodes suitable for a common simulation program can be created, which can be used for the design and analysis of electrical circuits. The simulation program is able to map characteristics of a power diode that differ significantly from standard diodes (e.g. Si, SiC). Advantageously, an APP can be implemented that is able to find necessary model parameters. This makes model creation easier and faster.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Einlesens von die Messkurven erzeugenden Messdaten umfassen. Die Messkurven können vorteilhafterweise aus einer Speichereinheit oder beispielsweise aus einer Cloud eingelesen werden. Die Messdaten können sich vorteilhafterweise auf tatsächlich gemessene und nicht errechnete Daten der Leistungsdiode beziehen.According to one embodiment, the method can include a step of reading in measurement data generating the measurement curves. The measurement curves can advantageously be read in from a storage unit or, for example, from a cloud. The measurement data can advantageously relate to actually measured and not calculated data of the power diode.
Zudem kann das Verfahren einen Schritt des Erfassens der Messdaten unter Verwendung einer Sensoreinrichtung umfassen. Das bedeutet, dass die Messdaten beispielsweise während eines Konzipier- oder Planungsvorgangs für die Verwendung der Leistungsdiode aktuell erfasst werden können. Die Sensoreinrichtung kann vorteilhafterweise mindestens einen Sensor und vorteilhafterweise mehrere Sensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren, Stromsensoren oder Spannungssensoren aufweisen, sodass ein Verhalten der Leistungsdiode vorteilhafterweise möglichst vollständig erfasst werden kann.In addition, the method can include a step of acquiring the measurement data using a sensor device. This means that the measurement data can be recorded currently, for example, during a design or planning process for the use of the power diode. The sensor device can advantageously have at least one sensor and advantageously several sensors, such as temperature sensors, current sensors or voltage sensors, so that a behavior of the power diode can advantageously be recorded as completely as possible.
Im Schritt des Veränderns kann der Wert des ersten Faktors und zusätzlich oder alternativ der Wert des zweiten Faktors zufällig verändert werden. Beispielsweise kann oder können die Werte automatisiert oder manuell durch einen Nutzer verändert werden.In the changing step, the value of the first factor and additionally or alternatively the value of the second factor can be changed randomly. For example, the values can be changed automatically or manually by a user.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Veränderns der Wert des ersten Faktors und zusätzlich oder alternativ der Wert des zweiten Faktors unter Verwendung einer mathematischen Optimierungsmethode verändert werden. Dadurch kann ein Herantasten an optimale Werte für die Faktoren optimiert werden.According to one embodiment, in the step of changing, the value of the first factor and additionally or alternatively the value of the second factor can be changed using a mathematical optimization method. This makes it possible to approach optimal values for the factors.
Im Schritt des Veränderns kann als mathematische Optimierungsmethode die Methode der kleinsten Quadrate verwendet werden. Die Methode der kleinsten Quadrate kann auch least-square-method bezeichnet werden. Dadurch können die errechneten oder ermittelten Werte möglichst einem Optimum möglichst weit angenähert werden.In the changing step, the least squares method can be used as a mathematical optimization method. The least squares method can also be called least-square method. This allows the calculated or determined values to come as close as possible to an optimum.
Weiterhin kann der Schritt des Wiederholens durchgeführt werden, bis der veränderte Wert des ersten Faktors und der veränderte Wert des zweiten Faktors eine maximale Übereinstimmung zwischen den Simulationskurven und den Messkurven der Leistungsdiode erreichen kann. Dabei können vorteilhafterweise die Werte und somit die Simulationskurven so lange berechnet werden, bis die maximale Übereinstimmung erreicht werden konnte. Die maximale Übereinstimmung kann beispielsweise als erreicht angenommen werden, wenn eine weitere Wiederholung der Schritte zu keiner weitergehenden Übereinstimmung zwischen den Simulationskurven und den Messkurven führt.Furthermore, the step of repeating can be carried out until the changed value of the first factor and the changed value of the second factor can achieve maximum agreement between the simulation curves and the measurement curves of the power diode. The values and thus the simulation curves can advantageously be calculated until the maximum agreement can be achieved. The maximum agreement can be assumed to have been achieved, for example, if further repetition of the steps does not lead to any further agreement between the simulation curves and the measurement curves.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens eines Anzeigesignals zum Anzeigen der Simulationskurven an eine Schnittstelle zu einer Anzeigeeinheit umfassen, um die Simulationskurven auf der Anzeigeeinheit anzuzeigen. Die Anzeigeeinheit kann vorteilhaft verwendet werden, um die Simulationskurven grafisch abzubilden. Die Simulationskurven können dabei vorteilhafterweise in einer Diagrammdarstellung angezeigt werden. Dies ermöglicht beispielsweise eine grafische Gegenüberstellung der Simulationskurven und der Messkurven.According to one embodiment, the method may include a step of providing a display signal for displaying the simulation curves to an interface to a display unit in order to display the simulation curves on the display unit. The display unit can advantageously be used to graphically display the simulation curves. The simulation curves can advantageously be displayed in a diagram. This allows, for example, a graphical comparison of the simulation curves and the measurement curves.
Für das Basismodell kann auf ein bekanntes Modell zur mathematischen Berechnung eines Parameters, beispielsweise des Sperrstroms, einer Diode zurückgegriffen werden. Beispielsweise kann das Basismodell auf einem thermionischen Modell der Leistungsdiode basieren.For the basic model, a known model for mathematically calculating a parameter, for example the reverse current, of a diode can be used. For example, the basic model can be based on a thermionic model of the power diode.
Dabei kann das Basismodell auf der Gleichung JTFE (T,E) = FA(T,V) * a(E,T) * exp{ - b(T) * [SH(T)*c + d - g(E,T)] } basieren, wobei FA(T,V) den ersten Faktor und SH(T) den zweiten Faktor repräsentieren kann. Vorteilhafterweise kann das Basismodell unter Verwendung der Formel erstellt werden und durch ein- oder mehrmaliges Verändern der Faktoren das Simulationsmodell bestimmt werden.The basic model can be based on the equation J TFE (T,E) = FA(T,V) * a(E,T) * exp{ - b(T) * [SH(T)*c + d - g(E ,T)] }, where FA(T,V) can represent the first factor and SH(T) can represent the second factor. Advantageously, the base model can be created using the formula and the simulation model can be determined by changing the factors once or several times.
Der erste Faktor kann einen ersten mathematischen Term GE(T) und einen zweiten mathematischen Term PA(T) umfassen. Die Terme können demnach als veränderbare Bestandteile der Faktoren bezeichnet werden, welche die Simulationskurven verändern können.The first factor may include a first mathematical term GE(T) and a second mathematical term PA(T). The terms can therefore be described as variable components of the factors that can change the simulation curves.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also creates a device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. This embodiment variant of the invention in the form of a device can also solve the problem on which the invention is based quickly and efficiently.
Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.A device can be an electrical device that processes electrical signals, for example sensor signals, and outputs control signals depending on them. The device can have one or more suitable interfaces, which can be designed in hardware and/or software. In the case of a hardware design, the interfaces can, for example, be part of an integrated circuit in which functions of the device are implemented. The interfaces can also be their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In the case of software training, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also advantageous is a computer program product with program code, which can be stored on a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard drive memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is on a computer or a device is performed.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 eine schematische Darstellung einer Leistungsdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltbilds eines elektrischen Blocks einer Leistungsdiode; -
4 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltbilds eines thermischen Blocks einer Leistungsdiode; -
5 eine Diagrammdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Basismodells für eine Leistungsdiode; -
6 eine Diagrammdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Basismodells für eine Leistungsdiode; und -
7 eine Diagrammdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Basismodells für eine Leistungsdiode; -
8 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bestimmen eines Simulationsmodells für eine Leistungsdiode; und -
9 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 a schematic representation of a vehicle according to an exemplary embodiment; -
2 a schematic representation of a power diode according to an exemplary embodiment; -
3 an embodiment of a circuit diagram of an electrical block of a power diode; -
4 an embodiment of a circuit diagram of a thermal block of a power diode; -
5 a diagrammatic representation of an embodiment of a basic model for a power diode; -
6 a diagrammatic representation of an embodiment of a basic model for a power diode; and -
7 a diagrammatic representation of an embodiment of a basic model for a power diode; -
8th a flowchart of an exemplary embodiment of a method for determining a simulation model for a power diode; and -
9 a block diagram of a device according to an exemplary embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In the following description of preferred exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference numbers are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, with a repeated description of these elements being omitted.
Der thermische Block modelliert die elektrothermischen Eigenschaften der Leistungsdiode. Die dritte Stromquelle 402 ist auch als BCS I3 bezeichenbar und modelliert die Verlustleistung der Diode auf der Grundlage des Stroms, der durch die Diode fließt, und der Spannung an der Diode. Diese Verlustleistung bestimmt die Sperrschichttemperatur Tj der Diode. Die Änderung der Sperrschichttemperatur Tj ändert dann automatisch den Strom und die Spannung und damit die Verlustleistung der Diode.The thermal block models the electrothermal properties of the power diode. The third
Im Allgemeinen sind es nicht nur zwei Widerstände und Kondensatoren, sondern fast beliebig viele (oft 5 bis 8 Widerstand-Kondensator-Paare, auch RC-Glied genannt). Die Widerstände und Kondensatoren modellieren so den thermischen Widerstand und die thermische Kapazität verschiedener Schichten im Aufbau (Aufbau bedeutet hier z.B. Diode und Verbindungsschicht zum Substrat sowie Substrat und Verbindungsschicht zum Kühlkörper sowie Kühlkörper, also der komplette thermische Pfad). Jedes RC-Glied steht nun für eine bestimmte Schicht in diesem Pfad. Im Beispiel in
Der thermische Block 400 weist weiterhin zwei Widerstände 416, 418 auf, die in Reihe zwischen den ersten Temperaturanschluss 408 und den zweiten Temperaturanschluss 410 geschaltet sind. Weiterhin weist der thermische Block 400 zwei Kondensatoren 420, 422 auf, die zwischen der Leitung 406 und der weiteren Leitung 412 angeordnet sind. Genauer gesagt ist der erste Kondensator 420 der Kondensatoren 420, 422 zwischen den ersten Temperaturanschluss 408 für die Sperrschichttemperatur Tj und den dritten Temperaturanschluss 414 für die Umgebungstemperatur Tamb geschaltet. Der zweite Kondensator 422 ist zwischen einen Verbindungspunkt der Widerstände 416, 418 und den dritten Temperaturanschluss 414 geschaltet.The
Die für eine niedrige Temperatur geltende erste Simulationskurve 506 verläuft aufgrund der Anpassung annähernd parabelartig ansteigend. Die für eine hohe Temperatur geltende zweite Simulationskurve 506 verläuft aufgrund der Anpassung annähernd linear ansteigend. Dabei schneidet die erste Simulationskurve 506 die zweite Simulationskurve 508.The
Galliumoxid (Ga2O3) ist ein Halbleiter mit breiter Bandlücke in der Leistungselektronik. Messungen an ersten Ga2O3-Dioden 108 zeigen, dass sich typische Diodeneigenschaften von Galliumoxid, wie beispielsweise Strom-Spannungs-Kennlinien, stark von bekannten Standarddioden wie Silizium-Dioden (Si) oder Siliziumkarbid-Dioden (SiC) unterscheiden können.Gallium oxide (Ga 2 O 3 ) is a wide bandgap semiconductor used in power electronics. Measurements on first Ga 2 O 3 diodes 108 show that typical diode properties of gallium oxide, such as current-voltage characteristics, can differ greatly from known standard diodes such as silicon diodes (Si) or silicon carbide diodes (SiC).
Vor diesem Hintergrund basiert das hier und in den nachfolgenden Figuren beschriebene Modell aus dem in
Beispielsweise wird die Kapazität der Diode mit einer Nachschlagetabelle aus tatsächlich gemessenen Messdaten implementiert, um eine maximale Präzision zu erreichen. Alternativ kann die Kapazität in Abhängigkeit der Spannung mit Standard-Formeln implementiert werden.For example, the capacitance of the diode is implemented with a lookup table of actual measured measurement data to achieve maximum precision. Alternatively, the capacity can be implemented as a function of the voltage using standard formulas.
Der Strom durch die Kapazität wird beispielsweise durch eine Änderung der an der Kapazität anliegenden Spannung verursacht. Der Strom durch die Kapazität wird daher als eine Funktion f(C, dV/dt) modelliert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Strom I1 in zwei Teile aufgeteilt, die durch eine Wenn-Bedingung getrennt sind. Wenn die Spannung größer ist als 0V, fließt ein Strom in Durchlassrichtung. In diesem Fall wird ein Standardmodell der thermischen oder thermionischen Emission implementiert.
Dabei stellt JD den Strom durch die Diode, Js den Sättigungssperrstrom (saturation current), q die Elementarladung (electron charge), VD die Spannung an der Diode (diode voltage), Ron den Serienwiderstand der Diode (on-resistance), n den Emissionskoeffizient (ideality factor) und T die Diodentemperatur (junction temperature) dar.J D represents the current through the diode, J s the saturation current, q the electron charge, V D the voltage across the diode (diode voltage), R on the series resistance of the diode (on-resistance) , n represents the emission coefficient (ideality factor) and T the diode temperature (junction temperature).
Der Serienwiderstand und der Emissionskoeffizient können dabei entweder als Formel zur Beschreibung der Änderung der Parameter mit der Temperatur oder als Nachschlagetabelle mit tatsächlich gemessenen Werten implementiert werden. Durch die Verwendung von Nachschlagetabellen werden insbesondere Merkmale, die nicht durch die Standardformel (1) beschrieben werden können, berücksichtigt.The series resistance and the emission coefficient can be implemented either as a formula to describe the change of the parameters with temperature or as a lookup table with actually measured values. By using lookup tables, features that cannot be described by the standard formula (1) are taken into account.
Wenn die Spannung kleiner ist als 0V, fließt der Strom in Sperrrichtung. Hier wird im Prinzip das Modell der thermionischen Feldemission umgesetzt. Es hat die Grundform
Dabei stellen a, b, c, g von physikalischen Parametern abgeleitete Konstanten, E das elektrische Feld an der Sperrschicht (junction) und T die Temperatur dar.a, b, c, g represent constants derived from physical parameters, E represents the electric field at the junction and T represents the temperature.
Um die Eigenschaften der hier beschriebenen Leistungsdiode zu beschreiben, werden zwei entscheidende rein mathematische Funktionen FA(T,V) und SH(T) eingefügt und die Gleichung (2) um diese erweitert:
Diese Faktoren FA(T,V) und SH(T) passen den Offset der Strom-Spannungs-Kurven in Sperrrichtung und auch die Form der Kurve an, um die notwendigen Eigenschaften von Ga2O3 zu erreichen. Der Faktor FA=FA(GE(T),PA(T),V) besteht aus zwei mathematischen Termen GE(T) und PA(T). Mit diesen Faktoren wird eine Gerade oder Parabel von den bekannten Standardprofilen subtrahiert oder zu ihnen addiert. Der Faktor SH(T) verschiebt die gesamte Kurve nach oben oder unten. Dies führt zu einer guten Modellgenauigkeit.These factors FA(T,V) and SH(T) adjust the offset of the current-voltage curves in the reverse direction and also the shape of the curve to achieve the necessary properties of Ga 2 O 3 . The factor FA=FA(GE(T),PA(T),V) consists of two mathematical terms GE(T) and PA(T). These factors are used to subtract or add a straight line or parabola to the known standard profiles. The SH(T) factor shifts the entire curve up or down. This leads to good model accuracy.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Simulationskurve 706 als durchgängige Linie dargestellt, welche hier das Verhalten der Leistungsdiode bei einer Temperatur von 150°C zeigt. Die Messkurven 700 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel gepunktet dargestellt und stellen beispielsweise das Verhalten der Leistungsdiode bezüglich Sperrspannung und Leckstrom bei Temperaturen von 25°C, 50°C, 75°C, 100°C, 125°C und 150°C dar. Die Temperaturen sind dabei im Diagramm mittels einer Legende 702 zur Übersicht dargestellt, über die auch die einzelnen Messkurven 700 der entsprechenden Temperatur zuordenbar sind, beispielsweise mittels einer Farbkodierung.According to this exemplary embodiment, the
Beispielhaft wird eine Temperatur vorgegeben, für welche das Simulationsmodell erstellt werden soll, hier 150°C. Eine der dieser Temperatur zugeordnete Messkurve der Messkurven 700 weist dabei einen Verlauf auf, der sich fast vollständig mit dem Verlauf der Simulationskurve 706 deckt. Um diese Simulationskurve 706 zu erhalten, werden beispielsweise fortlaufend Faktoren des Basismodells angepasst. Zudem werden gemäß einem Ausführungsbeispiel Daten bezüglich des Materials der Leistungsdiode eingestellt, eingegeben oder beispielsweise aufgerufen.As an example, a temperature is specified for which the simulation model should be created, here 150°C. One of the measurement curves 700 assigned to this temperature has a course that almost completely coincides with the course of the
Vorteilhafterweise können Parameter SH(T) bestimmt werden, indem manuell zu verwendende Werte eingegeben werden und überprüft wird, ob diese Werte basierend auf einer automatischen Aktualisierung der Simulationskurve 706 geeignet sind. Alternativ können die besten Parameter unter Verwendung eines Programms berechnet werden, beispielsweise unter Verwendung der least-squares method. Auch für eine verwendete Interpolation von Werten der Simulationskurve 706 können manuell zu verwendende Werte eingegeben werden und es kann überprüft werden, ob diese Werte basierend auf einer automatischen Aktualisierung der Simulationskurve 706 geeignet sind. Alternativ können die besten Parameter unter Verwendung eines Programms berechnet werden, beispielsweise unter Verwendung der least-squares method. Vorteilhafterweise können Parameter FA(T) bestimmt werden, wenn die Simulationskurve 706 als Parabel modelliert wird, indem manuell zu verwendende Werte eingegeben werden und überprüft wird, ob diese Werte basierend auf einer automatischen Aktualisierung der Simulationskurve 706 geeignet sind. Alternativ können die besten Parameter unter Verwendung eines Programms berechnet werden, beispielsweise unter Verwendung der least-squares method.Advantageously, parameters SH(T) can be determined by entering values to be used manually and checking whether these values are appropriate based on an automatic update of the
Das Verfahren 800 umfasst dabei einen Schritt 802 des Ausführens eines Basismodells für die Leistungsdiode, um Simulationskurven zu erhalten, die einen Leckstrom der Leistungsdiode in Abhängigkeit von einer Sperrspannung der Leistungsdiode und einer Temperatur der Leistungsdiode repräsentieren. Das Basismodell umfasst dabei einen ersten Faktor und einen zweiten Faktor. Das Basismodell basiert beispielsweise auf einer Formel JTFE (T,E) = FA(T,V) * a(E,T) * exp{ -b(T) * [SH(T)*c + d - g(E,T)]}, wobei FA(T,V) den ersten Faktor und SH(T) den zweiten Faktor repräsentiert. Solange die Faktoren noch nicht an die Leistungsdiode angepasst sind, eignen sich die Simulationskurven noch nicht zur Modellierung der Leistungsdiode, wie es beispielsweise anhand von
Weiterhin umfasst das Verfahren 800 einen Schritt 804 des Veränderns eines Werts des ersten Faktors, um eine Form der Simulationskurven zu verändern, und/oder eines Werts des zweiten Faktors, um eine Verschiebung der Simulationskurven zu bewirken. Die Form der Simulationskurven kann dadurch beispielsweise an die Form einer Geraden oder einer Parabel angepasst werden. Verschoben werden die Simulationskurven beispielsweise entlang Abszisse und/oder entlang der Ordinate der in den
In einem Schritt 806 des Wiederholens werden der Schritt 802 des Ausführens und der Schritt 804 des Veränderns wiederholt, um einen veränderten Wert des ersten Faktors und einen veränderten Wert des zweiten Faktors zu erhalten, bei denen die Simulationskurven an Messkurven der Leistungsdiode angepasst sind. Entsprechende Simulationskurven sind beispielsweise in
Lediglich optional werden die Simulationskurven mit Messkurven der Leistungsdiode verglichen, wie es beispielsweise anhand von
Weiterhin umfasst das Verfahren 800 einen Schritt 808 des Bestimmens des Simulationsmodells für die Leistungsdiode unter Verwendung des Basismodells und des veränderten Werts des ersten Faktors und des veränderten Werts des zweiten Faktors, für die sich eine maximale oder ausreichende Übereinstimmung zwischen Messkurve und Simulationskurve ergeben hat.Furthermore, the
Beispielsweise wird im Schritt 806 des Wiederholens der Wert des ersten Faktors und/oder der Wert des zweiten Faktors zufällig, beispielsweise manuell, verändert oder unter Verwendung einer mathematischen Optimierungsmethose, wie beispielsweise der Methode der kleinsten Quadrate, welche auch als least-square-method bekannt ist. Zudem können Werte oder Daten berücksichtigt werden, für die es beispielsweise (noch) keine Messdaten gibt.For example, in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Schritt 806 des Wiederholens so lange durchgeführt, bis der veränderte Wert des ersten Faktors und der veränderte Wert des zweiten Faktors eine maximale Übereinstimmung zwischen den Simulationskurven und den Messkurven der Leistungsdiode ergeben. Das bedeutet, dass das Verfahren 800, beziehungsweise der Schritt 806 des Wiederholens so lange durchgeführt wird, bis ein bestmögliches Ergebnis für die Leistungsdiode oder das Simulationsmodell ermittelt oder berechnet wurde.According to one embodiment, step 806 of repeating is carried out until the changed value of the first factor and the changed value of the second factor result in a maximum agreement between the simulation curves and the measurement curves of the power diode. This means that the
Lediglich optional umfasst das Verfahren 800 zusätzlich einen Schritt 810 des Einlesens von die Messkurven erzeugenden Messdaten. Die Messdaten repräsentieren beispielsweise Diodeneigenschaften, die sich unter Anderem beispielsweise auf das Material beziehen können. Die Messdaten werden dazu beispielsweise in einem Schritt 812 des Erfassens unter Verwendung einer Sensoreinrichtung an einer realen sich im Betrieb befindlichen Leistungsdiode erfasst. Beispielsweise werden unter Verwendung der Sensoreinrichtung bei unterschiedlichen Temperaturen für unterschiedliche an der Diode anliegende Spannungen die resultierenden Ströme durch die Diode erfasst.Only optionally does the
In einem ebenfalls optionalen Schritt 814 des Bereitstellens wird ein Anzeigesignal zum Anzeigen der Simulationskurven an eine Schnittstelle zu einer Anzeigeeinheit bereitgestellt und somit grafisch als Diagramm abgebildet, wie es beispielsweise in
Durch das Verfahren 800 werden gemäß einem Ausführungsbeispiel Daten angezeigt, unter Verwendung derer das Simulationsmodell, wie beispielsweise ein LTspice-Modell, erzeugt wird. Dazu werden beispielsweise die Basisdaten, die auch als Modelldaten bezeichnet sind, mit den Messdaten verglichen. Die Faktoren FA(T,V) und SH(T) sind beispielsweise manuell einstellbar und das Ergebnis direkt sichtbar. Weiterhin ist eine automatische Berechnung von so genannten Best-Fit-Werten für die Faktoren FA(T,V) und SH(T,V) durchführbar sowie eine Erstellung eines notwendigen Codes.According to one embodiment,
BezugszeichenReference symbols
- 100100
- Fahrzeugvehicle
- 102102
- EnergieversorgungseinrichtungEnergy supply facility
- 104104
- elektrische Maschineelectric machine
- 106106
- StromrichterPower converter
- 108108
- Leistungsdiode power diode
- AA
- AnodenanschlussAnode connection
- CC
- KathodenanschlussCathode connection
- TjTj
- Sperrschichttemperaturjunction temperature
- TcaseTcase
- GehäusetemperaturCase temperature
- TambTamb
- Umgebungstemperatur Ambient temperature
- 300300
- elektrischer Blockelectrical block
- 302302
- erste Stromquellefirst power source
- 304304
- zweite Stromquellesecond power source
- 306306
- erste Leitungfirst line
- 308308
- zweite Leitungsecond line
- I1I1
- erster Stromfirst stream
- I2I2
- zweiter Strom second stream
- 400400
- thermischer Blockthermal block
- 402402
- dritte Stromquellethird power source
- 404404
- PotentialausgleichPotential equalization
- 406406
- LeitungLine
- 408408
- erster Temperaturanschlussfirst temperature connection
- 410410
- zweiter Temperaturanschlusssecond temperature connection
- 412412
- weitere Leitungfurther line
- 414414
- dritter Temperaturanschlussthird temperature connection
- 416416
- erster Widerstandfirst resistance
- 418418
- zweiter Widerstandsecond resistance
- 420420
- erster Kondensatorfirst capacitor
- 422422
- zweiter Kondensatorsecond capacitor
- I3I3
- dritter Strom third stream
- 500500
- BasismodellBasic model
- 502502
- x-AchseX axis
- 504504
- y-Achsey axis
- 506506
- erste Simulationskurvefirst simulation curve
- 508508
- zweite Simulationskurve second simulation curve
- 600600
- Simulationsmodell Simulation model
- 700700
- MesskurvenMeasurement curves
- 702702
- LegendeLegend
- 706706
- Simulationskurve Simulation curve
- 800800
- Verfahren zum Bestimmen eines SimulationsmodellsMethod for determining a simulation model
- 802802
- Schritt des AusführensExecute step
- 804804
- Schritt des Verändernsstep of change
- 806806
- Schritt des WiederholensRepeat step
- 808808
- Schritt des BestimmensStep of determining
- 810810
- Schritt des EinlesensReading step
- 812812
- Schritt des ErfassensStep of capturing
- 814814
- Schritt des Bereitstellens Deployment step
- 900900
- Vorrichtungcontraption
- 902902
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- 904904
- SpeichereinheitStorage unit
- 906906
- EinleseeinheitReading unit
- 908908
- MessdatenMeasurement data
- 910910
- SensoreinrichtungSensor device
- 912912
- BereitstelleinheitProvision unit
- 914914
- AnzeigesignalDisplay signal
- 916916
- AnzeigeeinheitDisplay unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2011166847 A1 [0002]US 2011166847 A1 [0002]
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PCT/EP2023/071413 WO2024033185A1 (en) | 2022-08-12 | 2023-08-02 | Method and device for determining a simulation model for a power diode |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102022208404.7A DE102022208404A1 (en) | 2022-08-12 | 2022-08-12 | Method and device for determining a simulation model for a power diode |
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ID=87567269
Family Applications (1)
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DE102022208404.7A Pending DE102022208404A1 (en) | 2022-08-12 | 2022-08-12 | Method and device for determining a simulation model for a power diode |
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US20110166847A1 (en) | 2010-01-05 | 2011-07-07 | International Business Machines Corporation | Silicon controlled rectifier modeling |
-
2022
- 2022-08-12 DE DE102022208404.7A patent/DE102022208404A1/en active Pending
-
2023
- 2023-08-02 WO PCT/EP2023/071413 patent/WO2024033185A1/en unknown
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US20110166847A1 (en) | 2010-01-05 | 2011-07-07 | International Business Machines Corporation | Silicon controlled rectifier modeling |
Also Published As
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---|---|---|---|
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