Die stetige Nachfrage nach höherer Energiedichte zusammen mit einer reduzierten Baugröße stellt die Industrie vor immer neue Herausforderungen. Bestehende Konzepte und bisherige Standards müssen von Grund auf überdacht und neu definiert werden. Dafür müssen in allen Anwendungsbereichen neue Konzepte ausgearbeitet werden, um den Anforderungen gerecht zu werden. Die Anforderungen sind dabei unabhängig vom Anwendungsbereich nahezu gleich: höhere Stromdichte bei kleinerer Bauform, möglichst gepaart mit niedrigeren Verlusten und besseren thermischen Eigenschaften. Ein großer Beitrag zur Lösung kommt aus dem Bereich der Leistungselektronik. Als Kernelemente der Energiewandlung und Antriebstechnik sind Leistungshalbleiter nicht mehr wegzudenken und bilden seit Jahren den Grundstein aller möglichen Arten von Umrichtern. Dabei bilden herkömmliche Gehäuse für neue und auch zukünftige Leistungshalbleiter einen Engpass und limitieren das Potential moderner Halbleitergenerationen. Hohe interne Streuinduktivitäten und sehr hohe Ströme in den Lastanschlüssen und die damit verbundenen Wärmeverteilung auf den Stromschienen im System sind dabei eine große Hürde.
Anforderungen an moderne Module
High-Power-Module wurden vor über 20 Jahren auf die damals gängigen Halbleiter optimiert und schnell zum Standard auf dem Markt. Dabei wurden für verschiedene Leistungsklassen eigene Module entworfen. Die Anforderungen an IGBT-Module folgen aus den Anforderungen des Umrichter-Entwurfs und auf Basis kostenoptimierter Systeme. Zur Senkung der Verluste und optimalen Nutzung moderner Halbleiter ist eine Reduzierung der internen Streuinduktivitäten unabdingbar. Ebenso müssen moderne Module leicht per Parallelschaltung skalierbar sein. Ein geringerer Stromverbrauch pro Lastanschluss wirkt sich dabei positiv auf die Systemkosten aus, da er zur Reduktion der Temperatur an den Stromschienen eines Umrichters führt. Auch die Anordnung der Hilfsanschlüsse herkömmlicher High-Power-Module werden den Anforderungen an eine einfache Skalierbarkeit durch Parallelschaltung nicht mehr gerecht.
Das Leistungsmodul HPnC von Fuji Electric ist ausgestattet mit hauseigenen Chips der neuesten Generation. Seine spezielle Bauform erlaubt Entwicklern einen kompakten Aufbau ihrer Umrichter und eine optimierte Stromführung sowohl zum Modul hin als auch vom Modul weg. Dabei hilft es, die Ein- und Ausgänge des Moduls auf den gegenüberliegenden Seiten anzuordnen. Damit spart man sich eine von drei überlappenden stromführenden Lagen und öffnet unverbauten Platz für die Hilfsanschlüsse. Die Hilfsanschlüsse sind leichter zu erreichen und erlauben eine vereinfachte Ansteuerung der Module. Schutzfunktionen können direkt an allen Modulen niederinduktiv angebracht werden.
Der Aufbau des HPnC ermöglicht es, die internen Streuinduktivitäten des Moduls um ein Vielfaches zu reduzieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Modulen wird sie von
42 auf 10 nH verringert. Das hat einen direkten Einfluss auf das Schaltverhalten der verbauten Leistungshalbleiter und verringert die beim Abschalten von IGBTs auftretenden Überspannungen erheblich. Außerdem sinken bei 1.700-V-Modulen bei gleichem Chipset sowie identischer Ansteuerung und Belastung die Spannungsspitzen beim Ausschalten um mehr als 100 V.
Vereinfachter Querschnitt des HPnC-Modul
Der Aufbau verbessert damit nicht nur das Schaltverhalten herkömmlicher Leistungshalbleiter, er erlaubt auch den Einsatz schnell schaltender Halbleiter im gleichen Gehäuse. Fuji Electric bietet zum Beispiel Chipsets in 1.700 und 3.300 V
auch in Kombination mit SiC-Schotky-
Dioden an, um die Verluste der Module noch weiter verringern zu können.
Der Strom am Ausgang eines einzelnen Moduls ist geringer als bei herkömmlichen High-Power-Modulen. Das ist auf den ersten Blick ungewöhnlich, erlaubt allerdings die vollständige Ausnutzung der verbauten Halbleiter. Da sich die Lastanschlüsse traditioneller High-Power-Module in vielen Anwendungsfällen noch stark erwärmt haben, konnte der nominelle Strom der Module kaum ausgereizt werden. Eine gezielte Kühlung der Stromschienen war oft die einzige Lösung und führte zu vergleichsweise hohen Systemkosten.
Sowohl in Bezug auf das Modulgewicht als auch auf die thermische Leitfähigkeit wurde das Leistungsmodul verbessert. Bei ihm kommt mit Magnesium-Siliziumkarbid (MgSiC) zum ersten Mal ein neues Material für Bodenplatten zum Einsatz. Es bietet ein geringeres Gewicht und ist trotzdem absolut konkurrenzfähig zu der beliebten Kombination aus AlN-Keramiksubstrat und AlSiC-Bodenplatte. Die Unterschiede zu einer AlN-Keramik in Kombination mit einer AlSiC-Bodenplatte zeigen sich sowohl beim Gewicht als auch bei der thermischen Leitfähigkeit. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten und auch die restlichen mechanischen Eigenschaften sind nahezu identisch.
31 Prozent weniger Schaltverluste
In den HPnC-Modulen arbeitet die neueste Generation von IGBTs und Dioden von Fuji Electric. Diese Leistungshalbleiter sind eine Weiterentwicklung der bisherigen Chip-Serien und bieten deutliche Verbesserungen bei allen elektrischen Eigenschaften. Zum Einsatz kommen kann eine breite Palette an Chips in herkömmlicher Silizum- als auch in Siliziumkarbid-Technologie sowohl für 1.700 als auch für 3.300 V. In Kombination mit dem neuen Modulaufbau ergeben sich in allen dynamischen Schaltvorgängen deutliche Einsparungen bei den Verlusten. Dank der neuer Chip-Technologie sind auch die Durchlassverluste der Halbleiter gesenkt worden. Durch die Verbesserungen ergeben sich Einsparungen bei den Schaltverlusten von bis zu 31 Prozent bei einer Kombination von Silizium-IGBT und Siliziumkarbid-Diode. Bei reinem Einsatz von Silizium-Chips sind die Verluste immer noch um 18 Prozent geringer.
Einfache Parallelschaltung
Dank der Bauform und des niederinduktiven inneren Aufbaus lassen sich die Module einfach parallel schalten. Die sonst üblichen hohen Stromaufteilungen zwischen Modulen sind deutlich geringer. Dieser Vorteil wirkt sich ebenso positiv auf die Systemkosten aus, wie die restlichen Verbesserungen auf Chip-Ebene. Das HPnC bietet somit deutliche Vorteile und ist für den Einsatz in vielen Anwendungsgebieten gerüstet, wie Traktionsanwendungen, klassische Antriebstechnik oder regenerative Energien.
