Dr. Gourab Majumdar, Mitsubishi Electric Power-Module »intelligent« machen

Ralf Higgelke im Gespräch mit Dr. Gourab Majumdar während der PCIM Europe 2017.
Ralf Higgelke im Gespräch mit Dr. Gourab Majumdar (rechts) während der PCIM Europe 2017.

In der Leistungselektronik genießt Dr. Gourab Majumdar, Fellow der Semiconductor & Device Group bei Mitsubishi Electric, für die Erfindung des Intelligent Power Module (IPM) weltweit Anerkennung. Wir sprachen mit ihm darüber, wie IPMs sich im Laufe der Zeit entwickelt haben und was noch kommen wird.

DESIGN&ELEKTRONIK: Herr Dr. Majumdar, bitte erzählen Sie uns ein wenig darüber, wie es dazu kam, dass Sie die IPMs erfunden haben. 

Dr. Gourab Majumdar: Ich begann meine Karriere bei Mitsubishi im Bereich Kraftwerkstechnik. Ich arbeitete an Projekten, die mit der Steuerung großer Kraftwerke und von Umspannwerken zu tun hatten. Also hatte ich einige Erfahrung darin, wie man Systeme kontrolliert und schützt, als ich in die Halbleitersparte wechselte.

Zu jener Zeit, Anfang der 1980-er Jahren, befasste ich mich mit den ersten grundlegenden Arbeiten an IGBTs. Ich war mir sicher, diese Transistoren seien eine gute Wahl für die Zukunft, denn sie kombinieren das Beste aus bipolaren und MOS-Transistoren. Aber diese frühen IGBTs verursachten viele Probleme in der Anwendung, denn sie fielen wegen ihres parasitären Thyristors oft aus.

Um den IGBT praxistauglich zu bekommen, mussten wir also einiges ändern. Mit meiner Erfahrung bei der Steuerung und dem Schutz von Energiesystemen überlegte ich, die dort verwendeten Techniken aus dem makroskopischen Megawattbereich auf den mikroskopischen Bereich von einigen hundert Watt zu übertragen. Ich dachte daran, den IGBT zu schützen, indem ich seinen Status genau überwachte, und das Gate des Transistors möglichst genau anzusteuern. Aber wie sollte ich das schaffen? Das brachte mich auf das Konzept der IPMs.

Welche Herausforderungen mussten Sie meistern, um ein IPM zu produzieren? 

IGBTs haben drei Schlüsselparameter: Kollektorstrom, Kollektor-Emitter-Spannung und Sperrschichttemperatur. Also lautete die erste Herausforderung, wie all diese Parameter und der Betrieb des Transistors in Echtzeit zu steuern sowie die Sensoren auf dem Chip zu integrieren seien? Andererseits würde dieser Ansatz aber die Kosten erhöhen. Also überlegte ich, ob es nicht besser wäre, allein die Sensorfunktionen auf dem IGBT-Chip zu integrieren und die Überwachungs- und Regelungsfunktionen auf einem anderen Chip separiert zu implementieren. So entstand die Idee eines Multichip-Moduls. Und so stellte sich die nächste Frage: Wie verpacke ich die Schaltung? Was wäre die beste Prozesstechnik für den Chip beziehungsweise die Chips?

Auch wollten wir, dass die verschiedenen Überwachungs- und Regelungsfunktionen gleichzeitig parallel und nicht nacheinander arbeiten sollen. Ich war mir sicher, dass wir nur durch ein paralleles Monitoring und Controlling eine optimale Lösung bieten könnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Packaging, die Integration und der Chip selbst die größten Herausforderungen waren, denen ich mich gegenübersah. 

Welche Vorteile haben IPMs im Vergleich zu einer diskreten Lösung? 

Zunächst einmal ist die Zuverlässigkeit zu erwähnen. Da das Schutzkonzept gut funktioniert, sind die Ängste der Anwender und der Qualitätssicherung ausgeräumt worden. Und so setzen mittlerweile sogar Automobilhersteller IPMs in ihren Fahrzeugen ein, und diese Leute sind bekanntlich immer äußerst besorgt.

Der andere Vorteil ist, dass IPMs die Verluste reduzieren, dadurch die Effizienz steigern und damit das Endsystem kompakter machen können. Auch die Performance eines Endsystems erhöht sich.