Eine leistungsfähige Kombination Optimiertes Moduldesign und SiC-Leistungsbauelemente

SiC-MOSFETs und Leistungsmodulgehäuse - ein vielversprechender Entwickungsansatz.
SiC-MOSFETs und Leistungsmodulgehäuse - ein vielversprechender Entwickungsansatz.

Hohe Leistungsfähigkeit und reduzierte Kosten zählen zu den größten Anforderungen an die Leistungselektronik elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge. Die Kombination von SiC-MOSFETs und skalierbaren Leistungsmodulgehäusen stellt einen vielversprechenden Entwicklungsansatz dar.

Die Nachfrage nach hybriden oder rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen nimmt stetig zu – auch angesichts der Ankündigung immer strengerer Emissionsvorgaben. Die Anforderungen an die in den Fahrzeugen verbaute Leistungselektronik bedingen zusätzliche Verbesserungen hinsichtlich der Effizienz sowie der Leistungsdichte.

Reduzierte Leistungsverluste, höhere Strombelastbarkeit und einfache Skalierbarkeit versprechen optimierte Modulgehäuse sowie der Einsatz von SiC als Alternative zu herkömmlichen Silizium-Chips. Dabei ermöglichen SiC-Schaltungen in den Antriebssträngen – insbesondere in xEV-Wandlern – kleinere Chip-Abmessungen bei reduzierten Schaltverlusten und höheren Schaltfrequenzen. Durch eine entsprechende Gehäusetechnik sind so effizientere, leichtere und kompaktere Leistungsmodule möglich.

Bei der Entwicklung des HybridPACK Drive (HPDrive) Leistungsmoduls (Bild 1) für den Einsatz in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen standen nachfolgende Eigenschaften im Vordergrund:

  • Kosten
  • Wirkungsgrad
  • Leistungsdichte
  • Stromtragfähigkeit für Anfahrmomente
  • Lebensdauer (aufgrund der Temperaturwechselbeanspruchung)

Die höhere Nennspannung der verbauten Chips und die geringere Induktivität des Moduls ermöglichen den Betrieb selbst bei hohen Arbeitsspannungen und Schaltflanken. Die höhere Temperaturbelastbarkeit, die verbesserte Chip-Bondingtechnik und Materialien mit geringeren Schaltverlusten erlauben zusätzlich eine höhere Strombelastbarkeit und damit ein höheres Anfahrdrehmoment.

Reduzierung der Verluste

Bei einem konventionellen AC/DC-Wandler wird der Großteil der Leistungsverluste vom IGBT-Modul verursacht. Eine Reduzierung der Verluste führt nicht nur zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads, sondern reduziert zugleich auch die Anforderungen an das Kühlsystem, wie beispielsweise Pumpen und Wärmeüberträger. Im Modul selbst sind zwei wesentliche Verlustquellen (Leitungs- und Schaltverluste) vorhanden:

  • Silizium-Chips
  • Kontaktierungen

Für das HPDrive-Modul wurde daher ein neuer 750-V-IGBT-Chipsatz (EDT2) entwickelt. Der EDT2 verfügt über einen ähnlichen vertikalen Aufbau wie die 650-V-Vorgängergeneration (IGBT3), allerdings mit einer um 100 V höheren Sperrspannungsfestigkeit. Das Chipdesign wurde mit einer Mesa-Breite im Submikrometerbereich realisiert.

Auch die Einflüsse des Kupfermaterials im Inneren des Moduls dürfen, gerade bei hohen Effektivströmen, nicht vernachlässigt werden. Die betroffenen Komponenten sind im Wesentlichen die Lastkontaktierungen, die obere Fläche der Direct-Copper-Bonded-Keramik (DCB-Keramik) und die Bonddrähte, die an die Oberseite der Chips angeschlossen sind. Die Auslegung des IGBT-Chips mit einem Gate-Pad an der Seite des Chips erreicht eine größere aktive Fläche für den Emitter-Hauptstrompfad. Da zusätzlich eine rechteckigere Form realisiert wurde, konnten die an das »Die« angeschlossenen Bonddrähte verkürzt und auf zehn Stück erhöht werden (Bild 2). Die erwähnten Maßnahmen führten zu einer Reduzierung des Serienwiderstands um 20 Prozent.

Optimierte Bauform

Beim HPDrive-Basisgehäuse wurden der Pin-Fin-Kühlkörper und der Materialblock von der HP2-Familie übernommen. Jedoch hat das HPDrive eine um 36 Prozent kleinere Bodenplatte und ist um 40 Prozent leichter. Außerdem bietet es eine flexible Signalpin-Anordnung, sodass die Entwickler das Moduldesign individuell auslegen können. Das führt zu einer verringerten Leiterbahnfläche, die für Signalanschlüsse an der DCB erforderlich ist. Da zusätzlich die Signalpins nicht in das Gehäuse eingespritzt sind, können künftige Funktionserweiterungen, wie beispielsweise Temperatur- oder Strommessung, direkt integriert werden. Für den Anschluss der Signalpins wurde die PressFit-Technik eingesetzt – im Vergleich zum Selektivlöten ein schnelleres und zuverlässiges Produktionsverfahren. Die dabei entstehende gasdichte Verbindung ist äußerst beständig gegen korrosive Umgebungen und Vibrationen. Durch das kleinere Gehäuse und die Optimierung der Modulauslegung im Inneren konnte die Streuinduktivität, im Vergleich zum HP2, um 40 Prozent auf 8 nH reduziert werden. Das führt zu verringertem Überschwingen der Spannung der IGBTs und ermöglicht höhere Schaltgeschwindigkeiten beziehungsweise den Betrieb mit höheren Arbeitsspannungen.

Der Betrieb mit feststehendem oder blockiertem Motor-Rotor (Anfahrmoment) verursacht oft die größte Temperaturbelastung für die Bauelemente – daher bestimmt der Betriebspunkt die Strombelastbarkeit des Leistungsmoduls. Die EDT2-Chips sind für einen kurzen Zeitraum (< 10 s) bei einer Betriebstemperatur von 175 °C noch funktionsfähig.

Neben der maximalen Sperrschichttemperatur ist auch die Lastwechselfestigkeit ein begrenzender Faktor. Um die Auswirkungen hoher Temperaturdifferenzen abzuschwächen, ist das Chiplötsystem optimiert worden, sodass die Lastwechselfestigkeit um 40 Prozent erhöht werden konnte – 60.000 Zyklen bei einer Temperaturdifferenz des Chips von 100 K.