IGBT-Module Umrichter effizient gestalten

Energieeffizienz lässt sich nicht allein auf den Wirkungsgrad reduzieren, vielmehr ergibt sie sich aus einem Zusammenspiel verschiedener Aspekte: Verlustleistung, thermisches Management, Zuverlässigkeit und Schaltverhalten. Zudem müssen diese Punkte aufeinander abgestimmt werden. Da liegt der Systemgedanke nahe, damit der Anwender diese Abstimmung durchführen und seine Applikation schnell am Markt platzieren kann.

Bei der Diskussion um die Energieversorgung der Zukunft geht oft unter, dass viele Probleme gar nicht erst entstünden, würde man weniger Energie verbrauchen. Wie groß dieser Hebel tatsächlich ist, zeigt ein Blick auf die Industrie. Das Bundesumweltministerium zeigt auf, dass 70% des verbrauchten Stroms in der Industrie in elektrische Antriebe fließt. Kommen drehzahlgeregelte Antriebe zum Einsatz, ließen sich nach Angaben des Ministeriums 22 Milliarden Kilowattstunden einsparen.

Für den Aufbau solch energieeffizienter Applikationen bietet Semikron mit dem IGBT-Modul »SKiiP« eine Lösung. Die Hauptanwendungen der SKiiP-Serie bilden Windkraft, Industrieumrichter, Solar und Traktion. Was sind die wesentlichen Aspekte bei einem IGBT-Modul in Bezug auf Energieeffizienz? Da sind natürlich die Verluste an sich, die in einem Modul entstehen. Diese treten in Form von Verlustwärme auf, die während des Schaltvorgangs beziehungsweise während der Phase entstehen, in der Strom durch den Schalter fließt.

Die IGBT- und Diodenverluste ergeben sich durch das Chipdesign. In der SKiiP-Serie finden zwei unterschiedliche Chiptechnologien Anwendung: Im »SKiiP3« ist es der »IGBT3« von Infineon in Verbindung mit der »CAL«-Diode von Semikron, bei »SKiiP4« ist es der »IGBT4« von Infineon zusammen mit der »CAL4F«-Diode von Semikron.

Trends bei neuen Chipgenerationen sind dabei immer, eine höhere Leistungsdichte zu erzielen sowie eine höhere Chiptemperatur (TJ). Dies erhöht natürlich die Effizienz in Bezug auf Platz und Kosten. Beim Sprung von SKiiP3 auf SKiiP4 ließ sich beispielsweise bei den Vierfach-Typen (vier IGBT-Leistungsteile parallel) eine Steigerung der Leistungsdichte um 33% erzielen. Allerdings steigt die Leistungsdichte nicht nur durch den Einsatz einer neuen Chiptechnologie, einen sehr großen Einfluss hat hier die Aufbau- und Verbindungstechnik.

Aufbau- und Verbindungstechnik

Beim SKiiP hat der Hersteller grundsätzlich auf eine Bodenplatte verzichtet, die Kontaktierung erfolgt mittels zuverlässiger Druckkontakttechnik. Da keine Bodenplatte zum Einsatz kommt und daher eine viel dünnere Schicht Wärmeleitpaste ausreicht, ist die thermische Leitfähigkeit wesentlich höher. Wärmeleitpaste bindet die raue und wellige Modulunterfläche thermisch an den Kühler an.

Der Anteil der Wärmeleitpaste am thermischen Widerstand des IGBT-Moduls beträgt um die 50%. In der SKiiP-Serie werden Schichten mit einer Dicke von etwa 15 µm bis 25 µm aufgetragen, bei Modulen mit Bodenplatte sind es zwischen 70 µm und 120 µm. Beim SKiiP4 wird die thermische Leitfähigkeit noch dadurch optimiert, dass anstelle einer Lötung der Chips ein Sinterverfahren Verwendung findet.

Die Sinterverbindung sorgt für die nötige Zuverlässigkeit. Ein unzuverlässiges Bauteil kann beispielsweise eine Windkraftanlage stillstehen lassen, was wiederum zu einem schlechteren Ertrag führt. Aus diesem Grund sind die Anforderungen der Windkraftindustrie an die Lebensdauer heute 20 Jahre, und der Trend geht in Richtung 25 Jahre.

Normalerweise ist die Schwachstelle bei Windkraftanlagen nicht die Leistungselektronik, sondern mechanische Komponenten wie beispielsweise Lager. Die Sinterverbindung ist dennoch notwendig, um die Chiptemperaturen der neuen IGBT-Generationen nutzen zu können. Aus der Materialwissenschaft kommt der Begriff der homologen Temperatur, die das Verhältnis der tatsächlichen Temperatur zur Schmelztemperatur des Werkstoffs darlegt.

Liegt diese bei über 0,4, ist mit einer Reduzierung der Lebensdauer zu rechnen. Der IGBT4 im SKiiP4 erlaubt eine maximale Sperrschichttemperatur von +175 °C und wird bei etwa +150 °C betrieben. Bei einer Lötung mit einem Schmelzpunkt von +221 °C würde man die homologe Temperatur zu stark überschreiten (Bild 1). In der Praxis liegt natürlich nicht immer dieselbe konstante TJ vor. Dreht sich das Windrad schneller, wird auch mehr Strom erzeugt, den der Frequenzumrichter dann in das Netz einspeisen muss. Somit ändert sich die Temperatur.

Solche Lastzyklen lassen sich im Labor nachstellen und so die Zuverlässigkeit ermitteln (Bild 2). Während bei einem Modul mit gelöteten Chips mit Zunahme der Lastzyklen der thermische Widerstand Rth durch die Veränderung beziehungsweise Ermüdung des Lots steigt, bleibt dieser bei den gesinterten Chips gleich. Durch die Erhöhung des Rth wird die Sperrschicht immer heißer, und der Chip fällt letztendlich durch thermische Überlast aus.

Ein gesintertes Modul fällt bei den Lastzyklen um den Faktor 3 später aus als ein Modul mit gelöteten Chips. Als erstes lösen sich meist die Bondverbindungen auf der Oberfläche der Chips. Für die SKiiP4-Serie untersucht Semikron derzeit den Einsatz von Al/Cu-Bonddrähten. Solche Bonddrähte setzten sich aus einem 230 µm bis 250 µm dicken Kupferkern zusammen, um den eine 25 µm bis 35 µm dünne Aluminiumschicht liegt.

Bereits in den 1980er Jahren hat die Firma Heraeus als einer der Hauptlieferanten für Bonddrähte die Erhöhung der Zyklenfestigkeit durch den Einsatz von »Al-clad-Curibbon«-Bonddrähten untersucht. Jedoch erst in Verbindung mit gesinterten Chips lässt sich durch deren Einsatz die Lebensdauer eines Moduls vergrößern. Erste Tests der Al/Cu-Bonddrähte auf einem gesinterten Modul zeigen, dass die Lastzyklenfestigkeit auf bis auf 486 000 Zyklen bei einem ΔT = 110 K steigt.

Schaltverhalten verbessert

Neben den beiden Punkten Verluste und deren Handling sowie der Steigerung der Zuverlässigkeit ist die dritte Stellschraube, um die Effizienz zu steigern, das Schaltverhalten. Der Anwender möchte keine parasitären Effekte wie Überspannungen beim Ausschalten erzeugen, außerdem ist eine gleichmäßige Stromverteilung über alle Leistungsschalter anzustreben.

Überspannungen entstehen durch drei Faktoren, denn ∆U = L ∙ di/dt. Der Strom (i) ist durch die Applikation vorgegeben. Die Geschwindigkeit (dt), mit welcher der IGBT abschaltet, wird durch die Treiberelektronik beeinflusst. Durch den Aufbau lassen sich die parasitären Induktivitäten (L) verringern. Bereits bei der Entwicklung des SKiiP3 hat Semikron hierauf sehr viel Wert gelegt; die Kommutierungsinduktivität beträgt hier 6 nH. Bei der SKiiP4-Serie wurde dieser Wert nochmals um 25% auf 4,5 nH verringert. Dies ist der Grund, der es ermöglicht hat, ein IPM mit 3600 A anzubieten.

Eine weitere Möglichkeit, die Überspannungen zu reduzieren, besteht darin, die Abschaltzeit zu verlängern. Sowohl beim SKiiP3 als auch beim SKiiP4 ist der Treiber an das Leistungsteil angepasst. Mechanisch wird der Treiber über Federkontakte angebunden; diese Kontaktierungstechnik ersetzt eine anfällige Lötverbindung, die durch Lotermüdung zur Zerstörung des Moduls führen könnte.

Im SKiiP4 hat Semikron zusätzlich eine »intelligente« Gate-Ansteuerung namens »Intelli-Off« implementiert (Bild 3a). Dadurch lässt sich der IGBT mit unterschiedlichen Gate-Widerständen schalten. In den 1700-V-Typen der SKiiP4-Serie wird dies verwendet, um im Standardbetrieb die Schaltverluste zu verringern und bei Überstrom die Überspannungen zu reduzieren. Im Falle eines Überstroms ist es wichtig, dass die Überspannungen, die durch den hohen Strom entstehen, begrenzt werden und das Modul nicht zerstören.

Oben in Bild 3a sieht man das schnelle Abschalten des IGBTs im Standardbetrieb, während unten (Bild 3b) der SKiiP bei 5400 A abgeschaltet wird. Trotz des hohen Stroms steigt die Überspannung durch das langsame Abschalten nicht über die Zerstörungsgrenze. Die Ausstattung der Gate-Treiber ist zwischen SKiiP3 und SKiiP4 unterschiedlich, wobei die wichtigsten Grundfunktionen in beiden IPMs identisch sind.

Beide Serien verfügen über eine entsprechende Sensorik und ein Fehlermanagement, das automatisch das Modul ausschaltet, wenn zu hohe Lastströme, zu hohe Chiptemperaturen und zu hohe Überspannungen entstehen. Diese Messgrößen stehen bei beiden Modulen auch als Analogsignal an der Schnittstelle zur Verfügung. Während man beim SKiiP3 zwischen dem Temperatursignal oder der Zwischenkreisspannung wählen muss, stehen beim Nachfolgemodell alle Signale zur Verfügung. Weiterhin wird die Kollektor-Emitter-Spannung UCE überwacht. Auch sind bei beiden SKiiP-Serien Eingangsfilter vorhanden; zum Beispiel ignoriert der Treiber Schaltimpulse, die kürzer als 600 ns sind.

Überwachung im Betrieb

Beim SKiiP4 wurden noch weitere Funktionen implementiert. Über die CANopen-zertifizierte CAN-Schnittstelle ist es beispielsweise möglich, auf einen Fehlerspeicher zuzugreifen. Darin wird der Fehler zusammen mit der Zeit protokoliert. Dies ermöglicht eine optimale Betriebsüberwachung. Der Systemgedanke bei SKiiP verfügt über weitere Möglichkeiten, um die Zuverlässigkeit zu optimieren.

Die bestmögliche Abstimmung zwischen Treiberelektronik, Leistungsteil und Kühlung ermöglicht einen robusten und energieeffizienten Aufbau. Durch die optimale Anpassung des Treibers an die Leistungselektronik lässt sich das Modul mit höheren Zwischenkreisspannungen betreiben, der SKiiP4 zum Beispiel mit 1300 V. Höhere Zwischenkreisspannungen erlauben geringere Lastströme im Modul, sodass die Verluste sinken. Aber auch die mechanische Anbindung ist dementsprechend ausgelegt. Der SKiiP wird als ganzes System mechanischen Tests unterzogen (siehe Tabelle 1).

Test
Anmerkungen
Vibrationstest nach IEC 60068
Part 2-6 Test FC
10 g in x-, y- und z-Achse,
2 Stunden pro Achse
Schocktest nach IEC 60068
Part 2-27 Test EA
Sinus-Halbwellenpuls mit 50 g, ±x-,
±y- und ±z-Richtung, 3x pro Richtung
Tabelle 1: Übersicht zu den Tests des SKiiP-Moduls hinsichtlich mechanischer Robustheit

Gerade bei Traktionsanwendungen zeigt sich der Vorteil der Robustheit gegenüber mechanischen Belastungen. Bei einem Aufbau, in dem der Hersteller alle Komponenten einzeln bezieht, muss darauf geachtet werden, dass die Komponenten die gewünschten mechanischen Eigenschaften besitzen, beispielsweise Stromsensoren mit einer Zulassung für Bahnanwendungen.

Generell müssen sich Kunden bei Bezug von einzelnen Komponenten nach dem Aufbau um den Test des Aufbaus kümmern. Dies ist beim SKiiP nicht mehr notwendig, denn dessen Aufbau wird von Semikron geprüft. Neben Standardtests wie Treiberfunktion, Isolationstests, etc. bietet das Unternehmen seit 2008 an, mit dem SKiiP einen Burn-in zu fahren. Dieser verhindert Frühausfälle im Feld, denn dabei unterliegen die Module Grenzspannungen und -strömen.

Eine Stunde lang werden sie unter Worst-Case-Bedingungen in einer Umrichteranwendung betrieben. Die Tests erfolgen mit einer Kühlwassertemperatur von bis zu +80 °C und Lastwechseln bei konstant hoher Chiptemperatur. Die Sperrschichttemperatur des Siliziums wird auf bis zu +140 °C gesteigert, um das Modul einer extrem hohen Belastung auszusetzen. Alle Module durchlaufen mindestens einen Burn-in-Zyklus.

Über den Autor:

Andreas Winterholler ist als Produktmanager bei Semikron zuständig für den SKiiP.