Leistungsmodule für Elektromobilität Doppelseitige Kühlung

Kostengünstige Leistungsmodule regeln die Energieversorgung und weisen thermisches Verhalten und hohe Leistungsdichte aus.
Kostengünstige Leistungsmodule regeln die Energieversorgung und weisen thermisches Verhalten und hohe Leistungsdichte aus.

In Elektro- und Hybridfahrzeugen regeln Leistungsmodule die effiziente Energieversorgung des Antriebs, der Batterie und der Bordelektronik. Diese müssen vor allem kompakt und kostengünstig sein, ­ein ­ausgezeichnetes thermisches Verhalten ausweisen und eine hohe ­Leistungsdichte mitbringen.

Um Elektro- und Hybridfahrzeuge kostengünstig und in entsprechenden Stückzahlen fertigen zu können, muss der Antriebsstrang unter anderem den Anforderungen an den begrenzten Einbauraum und an die reduzierten Kosten gerecht werden. Vor diesem Hintergrund hat Infineon seine HybridPack-Familie erweitert. Die neuen HybridPack-Double-Sided-Cooling-Module (HybridPack DSC) in einem kompakten Gehäuse mit doppelseitiger Kühlung weisen ein ausgezeichnetes thermisches Verhalten auf. Darüber hinaus machen Verbesserungen bei der Streuinduktivität und dem Gehäuse-Widerstand den Weg frei für ultrakompakte Wechselrichter mit hoher Leistungsdichte.

Mit Einführung von Pin-Fin-basierten Leistungsmodulen für xEV-Systeme wurde ein wichtiger Schritt in Richtung kosteneffizienter Elektromobilität getan. Strengere Abgasnormen treiben die weitere Fahrzeugelektrifizierung mit einem immer breiteren Fahrzeugspektrum. Bei Systemen, die die Reichweite von Hybrid-Fahrzeugen erhöhen und in mehr Fahrzeugplattformen eingeführt werden, stellen eingeschränkte Platzverhältnisse eine Herausforderung dar. Während der Elektromotor direkt in das Getriebe im Antriebsstrang oder aber in unmittelbarer Nähe eingebaut werden kann, muss der Wechselrichter im normalerweise beengten Motorraum untergebracht werden, um eine bestehende Kraftfahrzeug-Plattform zu elektrifizieren. Demzufolge muss der Wechselrichter so klein wie möglich ausgelegt werden.

Weil die Abmessungen im Wesentlichen von den eingesetzten Leistungsmodulen bestimmt werden, müssen diese wiederum kleiner werden und eine höchst-mögliche Leistungsdichte aufweisen. In der Regel richtet sich die Größe eines Leistungsmoduls nach der Leistungsaufnahme der verwendeten Power-Chips sowie nach den Möglichkeiten, diese Chips so zu kühlen, dass eine maximale Sperrschichttemperatur nicht überschritten wird. Ein neuartiges Leistungsmodul-Konzept mit doppelseitiger Chipkühlung hilft bei der Überwindung der massiven Platz- und Kostenbeschränkungen und ermöglicht gleichzeitig hohe Leistungsdichten bei niedriger Streuinduktivität (Bild 1). Außerdem trägt der verbesserte thermische Gehäusewiderstand zu einem hohen Wechselrichter-Wirkungsgrad bei.

Design-Vorgaben

Bei der Entwicklung des neuen Leistungsmoduls gab es folgende Zielvorgaben: Einmal natürlich eine möglichst kleine Modulgröße sowie eine hohe Leistungsdichte. Darüber hinaus war auch eine thermomechanische Symmetrie gefragt. Das heißt, die Stack-Symmetrie sollte eine thermomechanische Verformung des Moduls aufgrund von Unterschieden im thermischen Längen­ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien verhindern. Auch die interne galvanische Trennung spielte eine zentrale Rolle. Daher kann das Modul auf Basis von Direct-Copper-Bonding-Keramiksubstraten (DCB) ohne externe galvanische Trennung an einen Kühler angeschlossen werden. Zur Verbesserung der Monitoring- und Schutzfunktionen sollte das Leistungsmodul zudem über On-Chip-Sensoren verfügen.

Das entsprechend entwickelte Leistungsmodul (Bild 2) kombiniert doppelseitige Chipkühlung mit galvanischer Trennung der Kühlkörper. Die galvanische Trennung erfolgt mittels der DCB-Substrate (direkte Kupferbeschichtung). Durch direktes Verbinden der Chips am Substrat wird die Wärme dann zum unteren Kühlkörper geleitet. Die Wärmeleitung zum oberen Kühlkörper erfolgt über Distanzhalter, mit denen die Höhe des Moduls angepasst wird. Im Ergebnis verbessert das nicht nur die Produzierbarkeit, sondern schafft auch den erforderlichen Platz zur Integration mehrerer Sicherheitsfunktionen wie Strom- und Temperatursensoren. Die Signalanschlüsse des Chip sind per Kupfer-Bonding verbunden, während der Emitter-Strom der IGBTs über die massiven Distanzhalter an der Oberseite des Chip geleitet wird.