IGBT-Module Aufbauinduktivität reduziert

In der Leistungselektronik steigt die Leistungsdichte stetig. Ziel ist eine Kostenreduktion und Designoptimierung des kompletten Frequenzumrichters. So hat sich in den letzten 22 Jahren die Stromdichte der IGBTs verdreifacht. Dadurch rückt die Aufbauinduktivität zunehmend in den Blickpunkt. Wie lässt sich diese effektiv reduzieren?

Heutzutage erlaubt die »IGBT 4«-Generation eine maximale Sperrschichttemperatur von +150 °C, »IGBT 5« wird +175 °C erlauben und die SiC-Technologie eine Temperatur jenseits der +200 °C. Diese hohen Temperaturen führen innerhalb von sehr kompakten Umrichtern zu einer erhöhten thermischen Belastung der passiven Komponenten und der Ansteuerelektronik. Aus diesem Grund sind hier Maßnahmen notwendig, um die Lebensdauer des gesamten Systems nicht einzuschränken.

Ein anderer wichtiger Aspekt, der mit der Anforderung der Miniaturisierung an Bedeutung gewinnt, ist die Geometrie der Anbindung von Zwischenkreiskondensator und Leistungshalbleiter. Eine Erhöhung der Leistungsdichte bedeutet mehr Leistung pro Volumen. Da die Leistung direkt mit dem Ausgangstrom des Umrichters gekoppelt ist, ist eine erhöhte Leistungsdichte mit mehr Strom pro Volumen und somit mehr Strom pro Leistungsschalter verbunden.

Hoher Strom zusammen mit der in Umrichtersystemen immer vorhandenen Aufbauinduktivität kann während des Ausschaltvorgangs zu höheren Überspannungsspitzen führen, was die Ausnutzung der Leistungshalbleiter beschränkt. Gleichzeitig können durch die hohe Überspannung Oszillationen an dem schaltenden Bauelement auftreten. Dies verschlechtert das EMV-Verhalten. Nur mit einem niederinduktiven Aufbau lassen sich IGBT-Leistungsmodule bei höheren Strömen optimal ausnutzen.

Im Folgenden wird ein dreiphasiger Demonstrator vorgestellt. Der Fokus lag hier auf der Reduzierung der Aufbauinduktivität und auf dem Einsatz von Komponenten mit höherer Betriebstemperatur. Um die Leistungsdichte des Systems zu bewerten, wurde es mit einem existierenden Aufbau mit 62-mm-Modulen und 70 nH Aufbauinduktivität verglichen. Dieser Referenzumrichter besteht aus Halbbrücken-Modulen vom Typ »FF450R12KE4« von Infineon, Elektrolyt-Zwischenkreiskondensatoren mit Schraubanschlüssen, einer Busbar mit Bandleitergeometrie und forcierter Luftkühlung.

Mit 210 kVA erreicht dieser eine Leistungsdichte von 8,5 kVA/l. Die Kommutierungsinduktivität ist direkt mit der Systemgeometrie gekoppelt. Hierbei ist die Bandleitergeometrie der optimale Weg für einen niederinduktiven Aufbau. Diese Struktur muss im gesamten System vom Zwischenkreis bis zum Leistungsmodul umgesetzt werden. Solch ein niederinduktiver Aufbau ist mit heutigen Modulgehäusen und existierenden Kondensatorbauformen jedoch nicht realisierbar, da spätestens an der Kontaktierung der Komponente die Bandleiterstruktur unterbrochen wird.

Abhilfe schaffen Bauteilprototypen, die mit dem Ziel entwickelt wurden, eine optimale Geometrie im gesamten System umzusetzen. Der hier vorgestellte IGBT-Modul-Prototyp (Bild 1) ist nach dem Prinzip eines laminaren Layouts und mit mehreren, parallelen Verbindungsstellen in einer »Strip Line«-Struktur aufgebaut. Die Kontaktierung zwischen Modul und Stromschiene erfolgt mit einer PressFit-Technologie.

Die Prototyp-Kondensatoren für den Zwischenkreis (Bild 2) basieren auf dem PCC-Konzept (Power Capacitor Chip), das eine sehr niedrige äquivalente Serieninduktivität ESL aufweist. Neben der geringen Induktivität zeichnen sich die Bauteile durch eine hohe Spannungsfestigkeit im Vergleich zu den häufig verwendeten Elektrolytkondensatoren aus; außerdem müssen nicht mehrere Bauteile in Serie geschaltet werden.

Um auch hier konsequent Schraubanschlüsse zu vermeiden, wurden die Kondensatoren mit PressFit-Kontakten aufgebaut. Die elektrische Verbindung zwischen Modul und Kondensatoren wurde mit einer Hochstromleiterkarte mit Bandleitergeometrie in Kombination mit der PressFit-Technologie realisiert.

Durch die konsequente Bandleiterstruktur im gesamten System ließ sich die Aufbauinduktivität auf weniger als 10 nH reduzieren.

Hochtemperaturfähiges Design

Die maximale Sperrschichttemperatur während des Betriebs der eingesetzten IGBT-5-Prototypen beträgt +175 °C. Höhere Temperaturen innerhalb eines Moduls lassen sich nur mit neuen Aufbau- und Verbindungstechniken realisieren. Um diesem Anspruch zu genügen, wurde das Modul mit der von Infineon entwickelten ».XT«--Technologie aufgebaut.

Der ohmsche und thermische Widerstand der Anschlüsse wird durch den Einsatz von mehreren parallelen PressFIT-Pins reduziert. Bei Applikationen mit hoher Temperaturwechsel-Anforderung ist diese Art der Verbindungstechnik bezüglich Lebensdauer gegenüber einer Lösung mit gelöteten Pins vorteilhaft. Der Kondensator-Zwischenkreis erreicht mit der eingesetzten PCC-Technologie einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand ESR, was eine hohe Stromdichte ermöglicht.

Diese Kondensatoren zeichnen sich durch sehr gute thermische Eigenschaften aus, insbesondere hinsichtlich der maximalen Umgebungstemperatur und der erreichbaren Lebensdauer. Die eingesetzte Hochstromleiterkarte ist mit einer maximalen Betriebstemperatur von +150 °C spezifiziert. Lösungen mit laminierter Stromschiene sind in der Regel für +105 °C ausgelegt, Sonderbauteile sind bis maximal +125 °C erhältlich.

Um eine hohe Stromtragfähigkeit zu erreichen, ist die Leiterkarte mit Kupfer mit einer Dicke von 400 µm pro Lage dimensioniert. Plus- und Minuspotenzial wurden hier mit jeweils zwei parallelen Lagen, also mit jeweils 800 µm realisiert. Auch bei der Treiberelektronik hat man darauf geachtet, die maximal zulässige Temperatur der verwendeten Komponenten nicht zu überschreiten.

Bei +175 °C Sperrschichttemperatur und einer Umgebungstemperatur von +25 °C zeigt die Untersuchung in, dass die Steuer-PCB eine maximale Temperatur von +84 °C erreicht. Bei einer üblicherweise maximal spezifizierten Umgebungstemperatur von +40 °C ergibt sich eine maximale PCB-Temperatur von +95 °C. Der im Umrichter-Prototyp verwendete IGBT-Treiber »2ED020I12FA« von Infineon erlaubt eine maximale Umgebungstemperatur von +125 °C und damit einen in diesem Fall zuverlässigen Betrieb.

Sauberes Abschaltverhalten

Bilder: 3

Aufbauinduktivität reduziert

IGBT-Module

Bild 3 zeigt das gesamte niederinduktive und für hohe Temperatur ausgelegte Inverter-System. Die IGBT-Module sind mittels einer Hochstromleiterkarte mit den Zwischenkreiskondensatoren verbunden. Die IGBT-Treiberelektronik ist auf einer zusätzlichen Platine angebracht, die für solch hohe Ströme ausgelegt ist.

Bild 4 verdeutlicht das saubere Abschaltverhalten des schnellen IGBT 5 bei doppeltem Nennstrom von 1200 A und erhöhter Zwischenkreisspannung von 800 V. Es wird deutlich, dass der schnelle IGBT 5 im niederinduktiven Design selbst unter Überlastbedingungen nur eine Überspannung von 290 V und keine Oszillationen erzeugt.

Bild 5 vergleicht den IGBT E3 mit dem IGBT E4 in einem Umrichter mit 70 nH Aufbauinduktivität mit einem schnellen IGBT 5 in dem oben beschriebenen niederinduktiven und hochtemperaturfähigen Demonstrator. Zu sehen ist, dass der Demonstrator bei gleicher Chiptemperatur 18% mehr Ausgangsstrom als der  Referenzumrichter mit IGBT 4 erreicht.

An diesem Betriebspunkt sind die IGBT-Verluste 15% geringer als beim Referenzsystem. Bei Erhöhung der maximalen Sperrschichttemperatur auf +175 °C erreicht der Prototyp sogar eine um 40% höhere Ausgangsleistung. Bezüglich der Leistungsdichte erreicht das niederinduktive und hochtemperaturfähige System mit 300 kVA einen Wert von 14 kVA/l, was einen 50% höheren Wert bezogen auf das Referenzsystem bestehend aus 62-mm-IGBT-4-Modulen ergibt.

Bauteile aus neuen Materialien wie SiC und GaN werden in Zukunft noch schnelleres Schalten und noch höhere Temperaturen ermöglichen und machen solche Designkriterien notwendig. Damit ist der hier vorgestellte Demonstrator ein Schritt hin zur technischen Umsetzung kompakter und effizienter Designs mit innovativen Materialien.

Über den Autor:

Klaus Vogel ist bei Infineon Technologies im System Engineering tätig.