Forschungsbereich
Leistungshalbleiter

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Pfost

Prof. Dr.-Ing. Martin Pfost hat am 1.5.2016 den Lehrstuhl für Energiewandlung an der TU Dortmund übernommen. Noch am rbz laufende Projekte betreut er, gleichzeitig werden die unten umrissenen Forschungsgebiete an seinem Lehrstuhl in Dortmund aufgebaut.

 

Die Energiewende stellt unsere Gesellschaft vor große Herausforderungen. Ein wesentlicher Lösungsbeitrag wird hierbei von leistungselektronischen Systemen erwartet, die die elektrische Energie zwischen Erzeugung und Verbrauch umtransformieren, beispielsweise in Photovoltaik-Invertern, in Motorsteuerungen, aber auch in einfachen Steckernetzteilen. Dabei fallen Verluste an, die durch effizientere Systeme reduziert werden können.

Eine Schlüsselkomponente sind die Leistungshalbleiter. Daher beschäftigen wir uns mit der Charakterisierung, Modellierung und Optimierung der Eigenschaften, Robustheit und der Lebensdauer von Leistungshalbleitern einschließlich ihrer Aufbau- und Verbindungstechnik.

Wir betrachten dabei den Leistungshalbleiter nicht isoliert, sondern untersuchen ihn mitsamt seiner Einbindung ins leistungselektronische System. Unsere Forschung erstreckt sich dementsprechend auch auf Themen der Kommutierzelle, die eine gesamtheitliche Betrachtung des Leistungshalbleiters mitsamt seiner Beschaltung erfordern. In diesem Rahmen entwickeln wir auch komplette leistungselektronische Systeme.

 

Aktuelle Projekte

Die meisten unserer Forschungsarbeiten werden von unseren Partnern aus der Industrie, vom BMBF oder vom BMWi finanziert:

  • Elektrothermische und thermomechanische Modellierung von Leistungshalbleitern und -modulen zur Absicherung ihrer Robustheit und Lebensdauer
  • Messung und Simulation der Zuverlässigkeit der Metallisierung von integrierten Automobil-Technologien
  • Entwicklung von Sensoren zur Alterungs- und Frühausfallerkennung der Metallisierung bei zyklischer Belastung
  • Exakte Vorhersage der Temperatur unter korrekter Berücksichtigung der elektrothermischen Kopplung unter allen Bedingungen
    Dafür verwenden wir den von M. Pfost entworfenen, sehr schnellen und experimentell erprobten Simulator xtSI. Die EDA-Gruppe hat für dieses Tool eine graphische Benutzeroberfläche entwickelt. [hier klicken]
  • Flächenreduzierte energieoptimierte Leistungstransistoren (automatisches Entwurfsverfahren und Verifikation)

  • Genaue Modellierung von Leistungshalbleitern auch in Grenzbereichen
  • verbesserte Kompaktmodelle für Leistungshalbleiter mit guten Konvergenzeigenschaften
  • Entwicklung von schnellen gepulsten Messaufbauten für die genaue Charakterisierung von Leistungshalbleitern in ihrem gesamten Arbeitsbereich auch bei sehr hohen Strömen und Spannungen

  • Bestimmung optimierter IGBT- und MOSFET-Gatepulsformen für energieeffizientere Systeme
  • Entwicklung niederinduktiver und hochoptimierter Leistungsmodule
  • Optimierung des Einsatzes von Leistungstransistoren für höhere Robustheit und Lebensdauer
  • Entwicklung eines innovativen Batteriemanagementsystems und eines angepassten DC/DC-Wandlers für stationäre PV-Systeme

  • Entwicklung von Halbleiter-Schutzelementen mit geringer Temperaturabhängigkeit

 

Mitarbeiter

  • Marius Cenusa (M.Sc.)
  • Gabriel Cretu (M.Sc.)
  • Michael Ebli (M.Sc.)
  • Manuela Mocanu (Ph.D.)
  • Gimi Pham (M.Sc.)
  • Matthias Ritter (M.Sc.)
  • Martin Wattenberg (M.Sc.) 
  • Timo Zawischka (M.Sc.)


Aktuelle Veröffentlichungen

T. Zawischka, M. Pfost, D. Costachescu: "An Easily Implementable Approach to Increase the Energy Capability of DMOS Transistors", IEEE Trans. Electron Devices 2014, in press. DOI: 10.1109/ted.2014.2360754

M. Pfost: "Characterization and modeling of self-heating in DMOS transistors", Proc. CAS 2014, Sinaia, Okt. 2014, S. 3-10. (invited)

D. Costachescu, M. Pfost: "Energy capability improvement of power DMOS transistors operating in pulsed conditions", Solid State Electron 2014, DOI: 10.1016/j.sse.2014.08.004

M. Pfost, C. Boianceanu, I. Lascau, D. Simon, D.-I, S. Sosin: "Influence of the On-Chip Metallization on Self-Heating in Integrated Power Technologie", IEEE Trans. Semicond. Manuf., Mai 2014, S. 169-177, DOI: 10.1109/tsm.2014.2306683

M. Cenusa, G. Cretu, M. Pfost: "An Improved Method of Controlling IGBT Modules Using an Optimized Gate Current Waveform", Proc. International Conference on Integrated Power Systems (CIPS) 2014, Nürnberg, S. 1-6, Feb. 2014, available at IEEE Xplore

W. Schoenmaker, O. Dupuis, B. De Smedt, P. Meuns, J. Ocenasek, W. Verhaegen, D. Dumlugol, M. Pfost: “Fully-Coupled 3D Electro-Thermal Field Simulator for Chip-Level Analysis of Power Devices”, THERMINIC 2013, Berlin, S. 210–215, Sept. 2013.

T. Zawischka, M. Pfost, M. Ebli, D. Costachescu: “An Experimental Study of Integrated DMOS Transistors with Increased Energy Capability”, ESSDERC 2013, Bukarest, S. 95-98, Sept. 2013.

M. Pfost, T. Zawischka, M. Ebli: “A Simple Approach to Reduce Peak Temperatures in Integrated and Discrete Power MOSFETs”, IEEE ISSCS 2013, Iasi, Jun. 2013.

M. Pfost, C. Boianceanu, I. Lascau, D. Simon, S. Sosin: “Measurement and investigation of thermal properties of the on-chip metallization for integrated power technologies”, IEEE ICMTS 2013, Osaka, S. 121–126, März 2013.

M. Pfost, C. Boianceanu, H. Lohmeyer, M. Stecher: “Electro-Thermal Simulation of Self-Heating in DMOS Transistors up to Thermal Runaway”, IEEE Trans. Electron Devices, S. 699–707, 2013, DOI: 10.1109/TED.2012.2227484.

Boianceanu, D. Simon, D. Costachescu, M. Pfost: “Design and Operation of an Integrated High Temperature Measurement Structure”, IEEE Trans. Semicond. Manuf., S. 542-548, 2012.

M. Pfost, D. Costachescu, A. Podgaynaya, M. Stecher, S. Bychikhin, D. Pogany, E. Gornik: “Accurate Temperature Measurements of DMOS Power Transistors up to Thermal Runaway by Small Embedded Sensors”, IEEE Trans. Semicond. Manuf., S. 294-302, 2012.

M. Pfost: “SMART Power for Automotive Applications”, ECPE Workshop on Future Trends for Power Semiconductors, Zürich, Jan. 2012. (eingeladener Vortrag)

D. Costachescu, L. Goras, M. Pfost: “Accurate Temperature Estimation in Large DMOS Transistors using a Semi-Empirical Thermal Conductivity Model”, IEEE ISSCS 2011, Iasi, S. 375–378, Jun. 2011.

M. Pfost, D. Costachescu: “Compact Nonlinear Thermal Networks for Accurate Modeling of Smart Power ICs”, IEEE ISSCS 2011, Iasi, S. 281-184, Jun. 2011.

C. Boianceanu, D. Simon, R. BLANARU, D. Costachescu, M. Pfost: “High Temperature On-wafer Measurement Structure for DMOS Characterization”, IEEE ICMTS 2011, Amsterdam, S. 170-175, Apr. 2011.

D. Costachescu, M. Pfost, L. Goras: “A simple method to improve the energy capability of large DMOS power transistors”, IEEE CAS 2010, Sinaia, S. 435–438, Okt. 2010.

M. Pfost, D. Costachescu, A. Podgaynaya, M. Stecher, S. Bychikhin, D. Pogany, E. Gornik: “Small Embedded Sensors for Accurate Temperature Measurements in DMOS Power Transistors”, IEEE 2010 ICMTS, Hiroshima, März 2010. (best paper award)

Lehre

Grundlagen Leistungshalbleiter, Vorlesung mit Praktikum

Konzepte moderner Leistungshalbleiter

Materialien und passive Bauelemente der Leistungselektronik

Modellierung moderner Leistungshalbleiter

Projektarbeit

Praktikum Leistungselektronik