Neue IGBT- und Dioden-Generation Höhere Leistungsdichte bei Umrichtern

In der Leistungselektronik steigt die Leistungsdichte stetig. Ziel ist es, die Kosten zu reduzieren und das Umrichterdesign zu optimieren. Ein Hebel ist die Reduzierung der statischen und dynamischen Verluste von IGBTs und Dioden sowie die Erhöhung der maximalen Sperrschichttemperatur.

Ein zusätzlicher Hebel ist eine verbesserte thermische Anbindung vom Chip zum Kühlkörper über neuartige Aufbau- und Verbindungstechniken im IGBT-Modul. Genau diese Ansätze verfolgt man bei der Entwicklung einer neu vorgestellten Generation von IGBTs und Dioden.

Ein Ziel jeglicher IGBT- und Dioden-Entwicklung ist es, die statischen und dynamischen Verluste gleichzeitig zu senken. Die Chipdicke zu reduzieren ist ein geeigneter Weg, um dieses Ziel zu erreichen.

Die fünfte Generation von IGBTs und Dioden, bei Infineon »IGBT 5« beziehungsweise »EC 5« genannt, sind dünner als die Vorgängerversionen. Damit sinken die statischen und dynamischen Verluste gleichzeitig (Bild 1). Zusätzlich steigt die maximal erlaubte Sperrschichttemperatur im Betrieb um 25 K auf +175 °C.
Reduziert man die Chipdicke, stellen sich jedoch neue Herausforderungen, insbesondere bei der Kurzschlussfestigkeit der IGBTs. Mit der »Verschlankung« des Chips geht ein Teil der im Kurzschlussfall notwendigen thermischen Kapazität verloren. Die Kurzschlussfestigkeit darf den etablierten Wert von 10 µs nicht unterschreiten. Um eine thermische Zerstörung des Chips zu verhindern, muss deshalb eine vergrößerte Metallisierungsdicke auf der Chipoberseite den Wegfall der thermischen Kapazität des Siliziums kompensieren. Daher kommt bei der fünften IGBT-Generation eine 
Kupfer- anstatt Aluminium-Metallisierung zum Einsatz.

Ohne solche Gegenmaßnahmen würde der Anstieg der zulässigen Betriebstemperatur der Freilaufdiode um 25 K die Stoßstromfestigkeit um 5% reduzieren. Durch den Einsatz der Kupfermetallisierung lässt sich im Falle der EC-5-Diode bei +175 °C mindestens der gleiche I²t-Wert erzielen wie bei der EC-4-Diode bei +150 °C.
Im Bild 2 sind die deutlich reduzierte Schichtdicke des eigentlichen Siliziumbauteils sowie die zusätzliche Kupfer-Metallisierung an der Oberfläche zu erkennen.

Softness vs. Ausschaltverluste

Ein anderer wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit Chipdicke und Reduzierung der Ausschaltverluste besteht darin, dass IGBT und Freilaufdiode zum Oszillieren neigen können. Beim IGBT nimmt diese Neigung insbesondere beim Abschalten eines hohen Stromes im Bereich des doppelten Nennstroms zu. Bei der Diode tritt dies beim Abschalten eines geringen Stromes im Bereich von einem Zehntel des Nennstroms auf. Die sogenannte »Softness« lässt sich durch Erhöhen der Zahl der injizierten Ladungsträger im Chip verbessern.
Im Gegenzug führt dies aber zu erhöhten Ausschaltverlusten beim IGBT beziehungsweise Recovery-Verlusten bei der Diode. Der IGBT 5 wurde so entwickelt, dass er auch mit wenig injizierten Ladungsträgern eine sehr gute Softness erreicht. Bei der Diode ist diese Softness genau so gut wie bei der Generation »EC 4 High Power«. Aus diesem Grund kann die Medium-Power-Variante des IGBT 5 auch in Anwendungen arbeiten, die bis jetzt von der »IGBT 4 High Power«-Variante bedient wurden. Das hat den Vorteil von reduzierten Ausschaltverlusten mit sauberen Schaltflanken bei Applikationen mit hoher Ausgangsleistung.

Einfluss auf das Umrichterdesign

Die vorgestellten Chips werden zuerst in das Gehäuse PrimePACK 2 (siehe Anlaufbild) eingebaut. Mit Chips der IGBT-4-Generation war hier bis jetzt ein maximaler Modulstrom von 900 A möglich. Mit dem Einsatz der neuen Bauteile wird ein Modulstrom von 1200 A für dieses Gehäuse möglich (Tabelle 1).

Parameter IGBT 4 Medium Power IGBT 5 Medium Power IGBT 5 Medium Power 
TVL_OP +150 °C +150 °C +175 °C 
ESW (normiert)100 %95 %110 %
UCE(sat)2,1 V2 V2,1 V
Inom_PP2 900 A 1200 A 1200 A 
Tabelle 1: Vergleich der elektrischen Parameter bei unterschiedlichen Temperaturen bzw. Strömen

Die fünfte Generation der 1200-V-Halbleiter von Infineon wird zusammen mit der Aufbau- und Verbindungstechnik namens ».XT« realisiert. Verglichen mit einer IGBT-4-Lösung mit Standard-Aufbau und -Verbindungstechnik erreicht die Kombination von IGBT 5, EC 5 und .XT eine zehnfach höhere Lastwechselfestigkeit (Power Cycling).

Alternativ kann eine 25% höhere Ausgangsleistung bei gleichbleibender Lebensdauer erzielt werden. Die .XT-Technologie steigert die Lebensdauer und verbessert den thermischen Widerstand vom Chip zur Modulbodenplatte RTH_JC um 15% (Bild 3). 
Durch die oben vorgestellte Entwicklung der Leistungshalbleiter wird das thermische Management in Umrichtersystemen weiter an Bedeutung gewinnen. Bei gleichbleibenden Bedingungen wird die steigende Betriebstemperatur der Halbleiter auch die Kühlkörpertemperatur erhöhen. Es ist zu erwarten, dass sich diese höhere Temperatur umso stärker auf die Modulperipherie auswirkt, je kompakter das luftgekühlte System ist.

Dies soll durch die Untersuchung des Temperaturverhaltens der thermisch empfindlichen Komponenten von zwei kommerziell erhältlichen Antriebsumrichtern mit 4 kW geklärt werden (Bild 4). 
In beiden Konzepten werden die IGBT-Module über einen Kühlkörper mit einem Lüfter aktiv gekühlt. Einer der Hauptunterschiede ist aber, dass der Luftstrom im Design 1 (Bild 4, links) zusätzlich durch die anderen Komponenten fließt. Im rechten Umrichter werden diese Bauteile dagegen nur durch Konvektion gekühlt. Ein weiterer Unterschied liegt im Modulkühlkörper, der im Design 2 (rechts) 70% mehr Volumen als im Design 1 aufweist.
In der durchgeführten Studie wurden zwei Vorteile der um 25 K erhöhten Temperatur untersucht. Beide Umrichter wurden zunächst mit einem bis zu 20% höheren Ausgangsstrom betrieben, dann wurde die Kühlung um bis zu 25% reduziert.

Auf diese Weise erfolgte eine Belastung der beiden Umrichter über den eigenen Nennpunkt hinaus bis zu einer IGBT-Sperrschichttemperatur von +175 °C. Die Temperaturen der unterschiedlichen elektronischen Komponenten wurden mit Thermoelementen erfasst (Bild 5).

Thermische Entkopplung wichtig

Es wird deutlich, dass die gemessenen Temperaturen in Design 1 in allen eingestellten Betriebspunkten geringer sind als in Design 2, obwohl 
Design 1 bereits ein kleineres Volumen und damit eine höhere Leistungsdichte aufweist. Dies deutet auf ein besseres thermisches Management hin. Mit Erhöhung des Stroms ist der Temperaturanstieg, verursacht durch die höheren Verluste an Leiterkarten, Zwischenkreiskondensatoren und Leistungshalbleitern, in Design 1 größer als in Design 2.
Dies ist auf die kompaktere Bauweise und somit höhere Leistungs-dichte zurückzuführen. Unabhängig davon ist der Abstand der gemessen Temperaturen der Bauteile zur jeweils maximal zulässigen Komponententemperatur in Design 1 höher als in Design 2. Gleichzeitig beträgt die Temperaturspreizung zwischen allen gemessenen Punkten bei maximaler Belastung innerhalb des Gehäuses in Design 2 nur 12 K, während der Temperaturunterschied beim Design 1 immerhin 49 K beträgt. Der kleine IGBT-Kühlkörper nah am Luftstromausgang 
im Design 1 sorgt dafür, dass es kühlere Regionen innerhalb des Gehäuses gibt und dass sich die IGBT-Temperatur nicht groß auf die anderen Komponenten auswirkt. In Design 2 wird der relativ große 
Kühlkörper aufgewärmt und die Wärme durch Konvektion und Wärme-leitung über die Modulanschlüsse an die darüber liegende Komponenten geleitet. Mit Design 1 hat der Entwicklungsingenieur die Möglichkeit, temperaturempfindliche Komponenten in den kühleren Gebieten zu platzieren und so vor Überhitzung zu schützen beziehungsweise entsprechend günstigere Bauteile zu wählen. Durch die uniforme Erwärmung ist dies in Design 2 kaum möglich. 
Mit Erhöhung des thermischen Widerstands des Kühlkörpers kommt Design 2 schnell an Grenzen. Bereits bei einer TVJ_OP von +115 °C werden die meisten Komponenten oberhalb der erlaubten Temperatur betrieben (Tabelle 2).

  Leiterplatte  IGBT-Treiber  DC-Link  
  +150 °C +175 °C +150 °C +175 °C +150 °C +175 °C 
Variation von IOUTDesign 123 K13 K23 K13 K30 K25 K
 Design 212 K7 K15 K8 K15 K8 K
Variation von RTH_HADesign 127 K17 K18 K3 K27 K21 K
 Design 2XXXXXX
Tabelle 2: Abstand zur maximalen Komponententemperatur beim Betrieb des IGBT mit einer TVL_OP von +150 °C und +175 °C

Die Kühlkörpertemperatur erhöht sich, die Wärme verbleibt im Umrichter und wird durch die Last- und Ansteueranschlüsse zum Ansteuerteil und Zwischenkreis des Umrichters geleitet. Design 1 zeigt auch bei diesem Test ein gutmütigeres Verhalten und kann bis TVJ_OP von +175 °C betrieben werden. Dabei bleiben alle gemessen Komponenten innerhalb der erlaubten Temperaturgrenzen.
Möchte man die Leistungsdichte des Umrichters erhöhen, ist auch die Lebensdauer der einzelnen Komponenten zu betrachten. Kommt bei höherer Temperatur dieselbe Komponententechnologie zum Einsatz, 
sinkt die Lebensdauer zwangsläufig. Ein ausgeklügeltes thermisches Design mit kühleren Regionen hilft, diese Probleme zu umgehen. 
Auch sollten Lastanschlüsse, Kühlkörperfläche und elektronische Komponente thermisch möglichst stark entkoppelt sein. Ein forcierter Luftstrom innerhalb des Gehäuses hilft zusätzlich, die höheren Sperrschichttemperaturen der IGBT handzuhaben, ohne teurere Umrichterkomponenten mit höheren Temperaturgrenzen einsetzen zu müssen.

Über die Autoren:

Klaus Vogel ist Systemingenieur Power-Module, Alexander Ciliox ist Manager Forschung & Entwicklung, Dr. Franz-Josef Niedernostheide ist Projektleiter Entwicklung IGBT 5 und Dr. Andreas Haertl ist Projektleiter Entwicklung Diode EC 5, alle bei Infineon Technology.