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Energieumwandlung in Haushaltsgeräten

Das Beste aus zwei Welten: Hybrid SiC SLIMDIP-Module

13. Oktober 2025, 8:00 Uhr | Von Dr. Mustafa Cem Özkilic, Dr.-Ing. Severin Klever, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Deutschland und Akiko Goto, Mitsubishi Electric Corporation, Fukuoka, Japan

Themen wie Nachhaltigkeit und wirtschaftliche Effizienz drängen auf die Reduzierung des Energieverbrauchs. Auch Energieeinsparungen in elektrischen Haushalts- und Gebäudesystemen rücken damit in den Fokus. Mitsubishi Electric hat dazu ein Hybrid-SiC-SLIMDIP-Modul entwickelt (15 A/600 V).

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1. Einleitung

Für kosteneffiziente Wechselrichteranwendungen optimiert, wurde die DIPIPM-Technologie von Mitsubishi Electric entwickelt und erstmals 1997 vorgestellt [1]. DIPIPM-Module kombinieren in einem einzigen Gehäuse die Leistungshalbleiter einer dreiphasigen Wechselrichterstufe, bestehend aus IGBTs und Freilaufdioden. Zusätzlich enthalten sind Gate-Treiber, die als Low-Voltage-IC (LVIC) und High-Voltage-IC (HVIC) realisiert sind, sowie eine integrierte Schutzlogik. Seither hat Mitsubishi Electric eine Vielzahl unterschiedlicher DIPIPM-Familien mit Nennspannungen von 600 V bis 1200 V für verschiedene Ausgangsstrombereiche und Topologien auf den Markt gebracht [2]. Besonders gefragt ist darunter das 2015 eingeführte 600-Volt-SLIMDIP-Modul mit Reverse-Conducting-IGBT-Technologie (RC-IGBT), das sich als effiziente Lösung für Haushaltsgeräte und industrielle Antriebe mit niedriger Nennleistung etabliert hat [3, 4].

2. Grundlagen von Hybrid SiC SLIMDIP

Als Hybrid beinhaltet das SiC-SLIMDIP-Modul von Mitsubishi Electric entwickelte RC-IGBT-Chips, bei denen IGBT und Diode auf einem einzigen Chip kombiniert sind. Parallel dazu werden in jedem Schaltzweig aktuelle SiC-MOSFET-Chips geschaltet, die ebenfalls von Mitsubishi Electric entwickelt wurden. Angesteuert werden die Leistungshalbleiter durch fortschrittliche Treiber-ICs, die integrierte Schutzfunktionen enthalten und in einer Transfer-Molding-Struktur umgesetzt sind [5, 6].

Um RC-IGBT-Chips und SiC-MOSFET-Chips parallel integrieren zu können, wurde die Chipfläche der SiC-MOSFETs reduziert. Abb. 1 zeigt, dass sich die Gehäuseabmessungen des neuen Moduls im Vergleich zu Modulen vom Typ Super mini DIPIPM, die parallelgeschaltete Superjunction-MOSFETs (SJ-MOSFETs) und IGBT-Chips beinhalten, verringern lassen.

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Durch zwei wesentliche Maßnahmen ist es gelungen, die Ansteuerungs- und Gehäusekompatibilität des Hybrid-SiC-SLIMDIP-Moduls mit herkömmlichen SLIMDIP-Modulen zu gewährleisten, die ausschließlich auf RC-IGBT-Chips basieren. Zum einen wurde die Schwellenspannung (Vth) der SiC-MOSFETs so angepasst, dass diese mit einer unipolaren Versorgungsspannung von 15 V betrieben werden können. Zusätzlich wurden Pinbelegung und Schutzfunktionen des SLIMDIP-Gehäuses übernommen, wodurch eine maximale Kompatibilität gewährleistet wird.

3. Integration einer Treiberstufe mit sequenzieller Ansteuerung

Beim Ansteuern parallel geschalteter SiC-MOSFET- und RC-IGBTs mit herkömmlichen Treiberschaltungen kann es aufgrund eines vorzeitigen Einschaltens der SiC-MOSFETs zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung kommen, was die Effizienz beeinträchtigt.

Um dies zu vermeiden, wurde für das Hybrid SiC SLIMDIP-Modul ein neuer und fortschrittlicher Treiber-IC entwickelt, der die sequenzielle Ansteuerung beider Gate-Kontakte ermöglicht. Wie in Abb. 2 gezeigt, lassen sich die Schaltvorgänge durch den zeitlichen Versatz der Gate-Pulse des RC-IGBTs und des SiC-MOSFETs optimieren.

Die sequenzielle Steuerung verhindert Hard-Switching des SiC-MOSFETs während des Ein- und Ausschaltens. Dank des so erreichten Soft-Switchings werden die Schaltverluste des SiC-MOSFETs minimiert. Dadurch beschränken sich die Verluste der SiC-MOSFETs im Wesentlichen auf dessen Leitverluste im eingeschalteten Zustand, wodurch die Chipfläche auf ein erforderliches Minimum reduziert werden kann.

4. Statische Charakteristik der Hybrid-SiC-SLIMDIP-Technologie

Durch den Parallelbetrieb eines RC-IGBTs mit einem SiC-MOSFET lässt sich die statische Kennlinie einer Leistungsstufe, die maßgeblich für die Leitverluste ist, deutlich verbessern. Wie in Abb. 3 dargestellt, ist bei der Hybrid-SiC-SLIMDIP-Technologie der Betriebsbereich unterhalb der Durchlassspannung des RC-IGBTs überwiegend vom SiC-MOSFET-Chip bestimmt, während im Betriebsbereich oberhalb der RC-IGBT Durchlassspannung sowohl SiC-MOSFET als auch RC-IGBT zur Charakteristik beitragen.

Wechselrichter für Haushalts- und Pumpenanwendungen arbeiten häufig über längere Zeiträume bei konstanter, niedriger Last. Aufgrund der verbesserten statischen Kennlinie der Hybrid-SiC-SLIMDIP-Technologie über den gesamten Strombereich wird eine höhere Effizienz, insbesondere im stationären Teillastbetrieb ermöglicht, und so die Anforderungen des Marktes erfüllt.

5. Verlustleistung der Hybrid-SiC-SLIMDIP-Technologie

Abb. 4 zeigt den Vergleich der Verluste zwischen zwei herkömmlichen, auf RC-IGBT Technologie basierenden SLIMDIP-Typen (SLIMDIP-L und SLIMDIP-W) sowie des vorgestellten Hybrid-SiC-SLIMDIP-Moduls im stationären Teillastbetrieb.

Wie die Ergebnisse zeigen, lassen sich mit dem Einsatz von Hybrid SiC SLIMDIP die Gesamtverluste im Vergleich zu SLIMDIP-L beziehungsweise SLIMDIP-W um 47 beziehungsweise 40 Prozent reduzieren.

Da sich bei der Hybrid-SiC-SLIMDIP-Technologie die Leitverluste (in blau dargestellt) auf RC-IGBT und SiC-MOSFET aufteilen, verringern sich sowohl die im RC-IGBT-Chip entstehenden Verluste als auch dessen Sperrschichttemperatur im Vergleich zu herkömmlichen SLIMDIP-Modulen ohne parallel geschaltete MOSFETs. Dies ermöglicht es, entweder die Ausgangsleistung einer Wechselrichterstufe zu erhöhen oder bei gleichem Ausgangsstrom eine geringere Sperrschichttemperatur zu erreichen.

Wie in Abb. 5 dargestellt, kann die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht- und Gehäusetemperatur (ΔTj-c) des Hybrid-SiC-SLIMDIP bei einem effektiven Wechselrichterausgangsstrom von Io=7,5 A um 8 K reduziert werden, was einer Verringerung um 34 Prozent entspricht.

6. Fazit

SLIMDIP-Module mit RC-IGBT-Technologie und einer Nennspannung von 600 V haben sich als gefragte DIPIPM-Module für Haushaltsgroßgeräte („Weiße Ware“) und industrielle Antriebe im unteren Leistungsbereich etabliert. Mit Modulen der neuen Hybrid-SiC-SLIMDIP-Technologie, die vollständig gehäusekompatibel zu bisherigen SLIMDIP-Modulen sind, hat Mitsubishi Electric eine Lösung entwickelt, die insbesondere im stationären Teillastbetrieb eine signifikant höhere Effizienz bietet und damit den steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz in Haushaltsgeräten und industriellen Antriebsanwendungen gerecht wird.

Referenzen

[1] S. Noda, K. H. Hussein, S. Yamada, G. Majumdar, T. Yamada, E. Thal and G. Debled, “A Novel Super Compact Intelligent Power Module,” in Thrity-fourth International Power Conversion Conference (PCIM), Germany, 1997.

[2] A. Goto, E. Wiesner, E. Stumpf and N. Soltau, “The DIPIPM Family: Our Technology, Your Comfort”, Bodo’s Power, Sep. 2023, pp. 18-26

[3] S. Shibata, M. Kato and H. Zhang, „New Transfer-Molded SLIMDIP for white goods using thin RC-IGBT with A CSTBT™ structure,“ Proceedings of PCIM Europe 2015; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2015, pp. 1-6.

[4] N. Clark, E. Motto and S. Shibata, „New SLIM Package Intelligent Power Modules (SLIMDIP) with thin RC-IGBT for consumer goods applications,“ 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Montreal, QC, Canada, 2015, pp. 4510-4512, doi: 10.1109/ECCE.2015.7310296.

[5] K.Kawamoto, H.Murakami, T.Nagahara, M.Rogers, A.Goto, S.Saito and K.Noguchi, “Optimization Techniques for Parallel-Connected Devices in IPMs for Consumer Use” 2025 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Atlanta, GA, USA, 2025

[6] T.Takao, K.Kawamoto, H.Murakami, K.Takakura, M.C.Ozkilic, A.Goto and K.Noguchi, ‘Parallel Operating SiC MOSFET and Si RC-IGBT in SLIMDIP for Higher Efficiency Air Conditioners”, International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2015