Kundenspezifische Power-Module Konfektion oder Maßanzug?

Fast schon unüberschaubar ist die Vielfalt der Power-Module, die es inzwischen am Markt gibt. Aber wenn die Ware »von der Stange« für die eigene Applikation nicht passt, muss es dann gleich der »Maßanzug« sein? Es gibt noch eine andere Lösung.

Es gibt eine Vielzahl von Anbietern von Power-Modulen im Markt. Jeder hat ein Produktspektrum von großer Vielfalt im Angebot was Schaltungstopologie und Mechanik anbelangt. Sind die Anforderungen sehr klar beschreibbar und ausspezifiziert, kann sich ein Anwender auf die Suche begeben. Im einfachen Schaltungsfall, zum Beispiel bei einer Halbbrückenkonfiguration, ist das recht einfach.

Aber welche Chiptechnologie ist für die eigene Anwendung die richtige? Welches Gehäuse trifft am ehesten die eigenen Anforderungen. Wer hilft beim Design der Applikation? Welche zeitlichen Anforderungen spielen eine große Rolle? Oft verliert sich der Kunde im Dschungel des variantenreichen Angebots des Marktes. Fokus geht verloren, die Dringlichkeit des Projektes steigt. Was also tun? Das einfachste ist, auf Altbewährtes zurückzugreifen, bei dem Konfiguration und Performance des Produktes bekannt sind und mit dem die Fertigung umgehen kann. Aber was, wenn eben keine Mechaniklösung so recht passen will oder wenn es die gewünschte Topologie so wie gewünscht nicht gibt, wenn die angebotenen Komponenten nicht das benötigte Verhalten aufweisen? Was, wenn das gewünschte Power-Modul einen bestimmten Leistungshalbleiter eines ganz bestimmten Herstellers enthalten soll? Ist ein Power-Modul-Hersteller an einen bestimmten Chiplieferanten gebunden, ist ein solcher Wunsch schwer zu realisieren, außer es ist zufällig genau dieser.

Der Anwender hat in etwa das gleiche Problem wie so mancher Konsument im Frühling: Nichts vom letzten Sommer will so recht passen. Auch die Konfektionsware im Kaufhaus gefällt nicht. Entweder sucht er sich einen guten Schneider und bespricht mit ihm seinen Maßanzug. Oder er fokussiert sich auf einen Anzug in Maßkonfektion. Die Idee ist es, individuelle Kundenanforderungen an ein Produkt sehr kostengünstig umzusetzen. Der Anbieter von Anzügen gibt Variationen in Maßen, Stoffen und Ausstattungen vor, aus denen der Kunde auswählen kann. Ist der Anzug fertig entworfen und für gut befunden, kann er auf Massenproduktionsanlagen für Konfektionsware hergestellt werden.

Genauso ist es auch im Falle der Power-Module. Häufig beschreiben Lastenhefte mehr als das, was Katalogangebote abdecken können. Der Kunde muss Kompromisse eingehen, ein typischer Umstand in der Leistungselektronik. Bei Vincotech denkt man allerdings, dass das nicht der Königsweg sein kann, denn es führt zu großer Unzufriedenheit beim Kunden. Der »Konfektionsanzug« erfüllt dann zwar grade eben seinen Zweck, aber er zwickt irgendwie, und die Farbe gefällt auch nicht so recht. Dabei liegen die Kundenanforderungen in den meisten Fällen in guter Form vor. Es geht nur darum, was damit gemacht wird, wie ein Anbieter damit umgeht. Vincotech beschreitet hier einen neuen Weg, um das Power-Modul als Maßkonfektion zu einem vernünftigen Preis möglich zu machen.

Aufeinander abgestimmte Basistechnologien

Um die Flexibilität, also das technisch Machbare, für sich selbst einzuschränken, hat Vincotech sechs Technologiegruppen (TG) etabliert, deren Lebenszyklus aktiv gemanagt wird (Tabelle 1). Eine Technologiegruppe ist eine Beschreibung oder auch Auflistung von qualifizierten Komponenten und Substanzen sowie von qualifizierten Fertigungsprozessen, die in ihrem Zusammenspiel beliebig kombiniert werden dürfen. Jedes weitere Zusammenspiel, das nicht Bestandteil einer bestimmten Technologiegruppe ist, darf in der Fertigung nicht ohne vorherige vollständige Qualifikation verwendet werden, wodurch sich die Technologiegruppe erweitert. Welche konkreten Produkte das einschließt, ist im Kasten »Beispielprodukte für die Technologiegruppen« kurz beschrieben.

Besonders große Flexibilität bietet der Einsatz verschiedener Hersteller für Leistungshalbleiter an sich. Die Kombination von unterschiedlichen Chiptechnologien bietet große Applikationsvorteile und führt zu einem breiten Pool an Auswahlmöglichkeiten. Tabelle 2 zeigt exemplarisch eine Übersicht der bei Vincotech qualifizierten Hersteller.

Was hat ein Kunde von dieser Flexibilität? Auf den ersten Blick sieht alles doch recht unübersichtlich aus. Die verschiedenen Technologien der Hersteller von Leistungselektronikkomponenten sind durch stark unterschiedliches physikalisches und elektronisches Verhalten gekennzeichnet. Ein Chip, der in einer Motorsteuerungsanwendung wunderbar funktioniert, muss nicht unbedingt ideal für eine 3-Level-USV-Schaltung sein. Gegebenenfalls kommt es hier darauf an, eine Komponente zu tauschen oder neu auszuwählen. Das ist genau dann wenig aufwendig, wenn die Basisqualifikation für die Komponente in Verbindung mit einer bestimmten Aufbautechnologie bereits erfolgt ist.

Wie aus Tabelle 2 ebenfalls ersichtlich ist, sind verschiedene Standardgehäusebauformen mit vorqualifizierten Komponenten und Chiptechnologien erhältlich. Das kann insofern sinnvoll sein, dass sich hinter der Entwicklung neuer Gehäuse nicht unerhebliche Kosten für die Spritzguss- und Stanzwerkzeuge der Gehäusebauteile an sich 
als auch für Werkzeuge in der Fertigung verbergen. Vincotech verfügt 
über eine ganze Reihe von Standardgehäusen, die im Kasten »Verbreitete Standardgehäuse bei Vincotech« näher beschrieben werden.

Verbreitete Standardgehäuse bei Vincotech 

■ »flow 0« und »flow 1«: Gehäuse für kleine Leistungen, ohne Bodenplatte, die mit Lötpins oder Press-fit-Pins bestückt werden können. Die Unterseite des Substrates kann auf Wunsch mit Wärmeleitmaterial bedruckt werden.

■ »flow90 0« und »flow90 1«: Diese Ausführungen sind wie flow 0 und flow 1 Vertreter der TG1 und nutzen dieselbe Aufbau- und Verbindungstechnik wie die verwandten Gehäuse. Allerdings kommt ihre Orientierung in einer um 90° geknickten Anordnung und ermöglicht den sogenannten Bookshelf-Aufbau von Anwendungen.

■ »MiniSKiiP«: Substrate ohne Bodenplatte werden über einen Anpressdeckel durch die Systemleiterplatte an den Kühlkörper montiert. Die elektrische Kontaktierung erfolgt mit Federn, die diese Aufbautechnik erst ermöglichen. Kleine bis mittlere elektrische Leistungen können hier bedient werden.

■ »flow 2«: Für mittlere Leistungen steht dieses Gehäuse, das sich durch auf eine Kupferplatte gelötete DCB-Substrate auszeichnet. Ähnlich den kleineren Verwandten flow 0 und flow 1 können flow-2-Module flexibel mit Lötpins oder Press-fit-Pins bestückt werden.

 ■ »WideBody«: Das Flaggschiff unter den Vincotech-Gehäusen. Die Aufbautechnik ist grundsätzlich vergleichbar mit flow 2, Ströme werden allerdings über dicke Leiterplatten geführt, die durch Press-fit-Kontakte mit den DCB-Substraten verbunden sind. Das Gehäuse ist extrem niederinduktiv und hilft somit, die elektrische Effizienz bei großen Leistungen erheblich zu steigern.

Was ist das Flow-Through-Konzept?

Bei allen Power-Modulen von Vincotech liegt in Bezug auf das Design das sogenannte Flow-Through-Konzept zu Grunde. Es steht für eine Designstrategie, die es ermöglicht, einen klaren und eindeutig gerichteten Fluss elektrischer Energie über die Leiterinseln der Substrate und über die Komponenten zu gewährleisten. Durch die Anwendung des Flow-Through-Designs in Verbindung mit der Vincotech-eigenen Pin-Placement-Technik können entsprechend hohe Leistungsdichten erreicht werden, die dennoch nur ein geringes Maß an Kühlungsaufwand verlangen. Ein solches Konzept bietet folgende Vorteile: 

  • Minimum an geometrischer Stromführung im Modul; 
  • damit sehr kurze Strompfade auf der Leiterplatte; 
  • zweilagige Leiterplattendesigns sind meistens ausreichend; 
  • keine Kreuzung von Leistungsein- und -ausgängen; 
  • kurze Gate-Anschlüsse; 
  • Erfüllung der UL-Anforderungen; 
  • in der Konsequenz: kompakte Anwendungen. 

Gerade bei kundenspezifischen Designs wird die geometrische Position der Komponenten eng mit dem Kunden auf seine speziellen Bedürfnisse hin abgestimmt, sodass diese Vorzüge zum Tragen kommen können.

Es gibt also wirklich Power-Module, die auf die Kundenbedürfnisse maßgeschneidert sind. Eine derartige Entwicklung kann immer dann sinnvoll sein, wenn die Anforderungen so ungewöhnlich oder hart sind, dass ein gewisses Extra gefordert ist. In den meisten Fällen allerdings braucht es den Maßanzug nicht, sondern Maßkonfektion. Ein großes Angebot an Technologien, Power-Modul-Gehäusen und Power-Komponenten, die logisch miteinander verknüpft sind, führt bei Vincotech zu einer Vielfalt an Möglichkeiten.

Über den Autor:

Werner Obermaier leitet das Produktmarketing bei Vincotech.

Beispielprodukte für die Technologiegruppen 

■ TG 1: Gehäusetypen »flow 0«, »flow 1«, »flow 1B«, »flow90«. Produkte für Antriebstechnik wie »flowPIM 0« und »flowPIM 1« sind Vertreter der Technologiegruppe, aber auch Produkte für den Fotovoltaikbereich wie verschiedene »flowBOOST«- und »flowNPC«- beziehungsweise »flowMNPC«-Familien.

■ TG 2: Hochintegrierte »intelligente« Power-Modul-Lösungen kennzeichnen diese Technologiegruppe, die durch Einsatz einer Dickschicht-Substrat-Technologie charakterisiert wird. Die Produktfamilie »flowIPM 1B« ist ein Vertreter.

■ TG 3: Module mit Bodenplatte für den mittleren Leistungsbereich, wie beispielhaft die »flowPIM 2«-Familie oder verschiedene USV- und Fotovoltaik-Produktfamilien.

■ TG 5: Robuste, hochintegrierte Modulplattformen für den Einsatz in sehr stark vibrationsbelasteten Umgebungen, in der Regel vertreten durch komplexe kundenspezifische Designs. Die Gruppe ist beschrieben mit DCB-Substraten auf Kupfer-Kühlplatte ohne direkte Löt- oder Press-fit-Pins.

■ TG 7: Module mit Bodenplatte und DCB-Substraten, die durch Schraubkontakte in die Applikation eingebettet werden. Halbbrücken wie die Familien »flowPHASE 2« und »flowPHASE 3«, aber auch niederinduktive High-Power-Module der »flowMNPC«-Familien repräsentieren diese Gruppe.

 ■ TG 8: Beschreibt die Aufbau-und Verbindungstechnik des »MiniSKiiP«. Besonderheiten hier: Neben einer Substrattechnologie mit niedrigem thermischen Widerstand Rth kommen Federkontakte zum Einsatz.