Startseite > Automotive > Elektromobilität > Doppelseitige Kühlung

Leistungsmodule für Elektromobilität

Doppelseitige Kühlung

22. März 2016, 10:08 Uhr | Stefanie Eckardt

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Thermische Performance

Die Werkstoffe für vergossene Leistungsmodule weisen üblicherweise verschiedene Längenausdehnungskoeffizienten auf. Das führt zu einer Bimetall-ähnlichen, temperaturabhängigen Verbiegung des Moduls. Die mechanische Verformung über die Temperatur verursacht eine Veränderung des Wärmewiderstandes vom Chip zum Kühlkörper. Im schlechtesten Fall wird die Wärmeleitpaste im Verlauf vieler Wärmezyklen abgebaut, was zu einer Überhitzung des Moduls führen kann.

Um das zu vermeiden, wurde der Stack des DSC-Moduls symmetrisch konzipiert. In Bild 3 wird die Oberflächentopologie bei 22 °C und bei 150 °C verglichen. Es zeigen sich keinerlei Anzeichen für ein sichtbares Verziehen oder Verbiegen des Moduls über die Temperatur. Durch Einsatz der doppelseitigen Chipkühlung wird der Wärmewiderstand signifikant reduziert, indem eine zusätzliche Wärmeableitung von der Chip-Oberfläche zum oberen DCB entsteht. Dies führt zu einer allgemeinen Verbesserung des Wärmewiderstandswertes Rth um 70 Prozent.

Elektrische Eigenschaften

Neben den von der Chiptechnologie definierten Leistungsparametern trägt die neue Modultechnik wesentlich zur Verbesserung der elektrischen Spezifikationen bei. Einer der zentralen Leistungsparameter ist die Streuinduktivität, die bestimmt wird von der Modulgröße sowie dem sorgfältig ausgelegten Verlauf des Strompfades durch das Modul. Hier wurde ein Wert von 15 nH erzielt - das sind rund 40 Prozent weniger als bei als Referenzmodulen. Das resultiert wiederum in einer Reduzierung der Schaltverluste um 25 Prozent. Des Weiteren bewirken die vollflächige Verbindung durch den Distanzhalter und die kurzen elektrischen Pfade in dem kleinen Modul auch eine Verbesserung des Gehäusewiderstandes um mehr als 50 Prozent, was ebenfalls zu einem höheren System-Wirkungsgrad beiträgt.

On-Chip-Sensoren

Moderne Leistungsmodule erfordern eine kontinuierliche Überwachung des IGBT-Status, damit entsprechende Veränderungen der Systemparameter während des Betriebs vorgenommen werden können. Für dieses Monitoring und einen verbesserten Geräteschutz verfügt das Leistungsmodul über integrierte On-Chip-Sensoren. Jeder IGBT ist mit einem On-Chip-Stromsensor (IGBT Mirror) zum Überstromschutz und einem On-Chip-Temperatursensor (Diode) zum Derating und zur schnellen Abschaltung bei Übertemperatur ausgestattet. Die direkte und präzise Messung ermöglicht ein optimiertes Systemdesign mit höheren Margen.

Reduzierte thermische Kopplung

Konventionelle Leistungsmodule nutzen eine massive Kupferplatte, um die Wärme abzuführen. Der Nachteil bei diesem Verfahren besteht darin, dass benachbarte Chips sich dabei gegenseitig aufheizen, was als Thermal Cross-Coupling bezeichnet wird. Das heißt, die Wärme, die von einem IGBT abgegeben wird, heizt die benachbarte Diode auf, und mit der von der Diode erzeugten Wärme kann dann eventuell die maximale Sperrschicht-Temperatur überschritten werden. Simulationen haben gezeigt, dass dieser Effekt beim Einsatz von DSC-Modulen deutlich geringer ausgeprägt ist. Diese reduzierte thermische Kopplung ermöglicht kompaktere Designs und damit höhere Leistungsdichten für die Module.

Jobangebote+ passend zum Thema

Regional Key Account (m/w/d) für Elektronische Bauteile

KOA Europe GmbH, Dägeling

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

Kompakte Halbbrücken für Hauptwechselrichter und Generatoren

Mit seinem Halbbrückenkonzept bietet das HybridPack DSC Abmessungen von 42 mm × 42,4 mm × 4,77 mm und Design-Flexibilität. Zu den Zielanwendungen, die von den neuen Leistungsmodulen profitieren, gehören Hauptwechselrichter (Bild 4) und Generatoren in Hybrid- und Elektrofahrzeugen mit einem typischen Leistungsbereich von 40 bis 50 kW. Die Module lassen sich zudem für eine höhere Leistung parallel anordnen.

Infineon bringt die HybridPack-DSC-Produktfamilie mit kompakten Halbbrückenmodulen in Sixpack-Konfiguration auf den Markt. Prototypen des Hauptprodukts FF400R07A01E3_S6 (VCES = 700 V, ICnom = 400 A) sind bereits erhältlich. Weitere Varianten befinden sich in der Entwicklung.

Energieeffizienz verbessern

Das doppelseitig gekühlte Leistungsmodul zeichnet sich unter anderem durch interne galvanische Trennung aus. Seine symmetrische Auslegung macht es außerordentlich stabil, es kommt zu keinerlei thermomechanischen Verformungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Modulen zeigt sich ein ausgezeichnetes thermisches Verhalten, das sich durch direkte Flüssigkeitskühlung noch weiter verbessern lässt. Die Wärmekopplung wird deutlich reduziert, sodass das Leistungsmodul eine weitaus höhere Leistungsdichte aufweist. Nicht zuletzt tragen reduzierte parasitäre Effekte, insbesondere eine geringe Streuinduktivität und ein geringer Gehäusewiderstand, zur weiteren Optimierung der Energieeffizienz bei.

Die Autoren

Martin Gleich
ist Produkt-Marketing-Manager für Leistungsmodule für elektrische Antriebe im Unternehmensbereich Automotive von Infineon Technologies in München.

martin.gleich@infineon.com

Jonas Gronvall
leitet als Senior Manager des Marketing und des Application Engineering für Electric-Drivetrain-Produkte im Unternehmensbereich Automotive von Infineon Technologies in München.

jonas.gronvall@infineon.com