IGBT5-PrimePACK-Module für erhöhte Anforderungen

Höhere Stromdichten bei unverändertem Bauraum

9. September 2015, 10:24 Uhr | Wilhelm Rusche und Andre R. Stegner
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1700-V-Diode der 5. Generation

Abbildung 4: Schematische Darstellung des Querschnitts der 1700-V-Diode der 5. Generation im Vergleich zur Diode der vorherigen Generation
Abbildung 4: Schematische Darstellung des Querschnitts der 1700-V-Diode der 5. Generation im Vergleich zur Diode der vorherigen Generation
© Infineon Technologies

Für die bestmögliche Leistungssteigerung bei der Entwicklung neuer Power-Module bedarf es neben dem IGBT auch der Entwicklung einer Leistungsdiode, die sehr eng mit dem IGBT abgestimmt ist. In Abbildung 4 ist die schematische Darstellung des Querschnitts der neuen Diode der 5. Generation dargestellt. Auch bei der 1700-V-Diode (EC5) gelang es im Vergleich zur vorherigen Dioden-Generation, die Siliziumschicht zu reduzieren. Diese Anpassung ist, wie schon beim IGBT, auch bei der Diode die Grundlage für geringere statische und dynamische Verluste. Die daraus resultierenden Verbesserungen ermöglichen in Kombination mit der um 25 K erweiterten Sperrschichttemperatur eine um 30 Prozent höhere Stromdichte.

Abbildung 5: Vergleich der Kommutierungscharakteristiken der vorherigen Dioden-Generation (EC3) (rechts) und der Dioden (EC5) der 5. Generation (links).
Abbildung 5: Vergleich der Kommutierungscharakteristiken der vorherigen Dioden-Generation (EC3) (rechts) und der Dioden (EC5) der 5. Generation (links).
© Infineon Technologies

Abbildung 5 zeigt einen Vergleich der Kommutierungscharakteristiken der beiden Dioden-Generationen. Für die Bewertung der Softness wurde eine Messung im Teillastbetrieb bei niedrigem Kommutierungsstrom (I = 5% Inom) und niedriger Sperrschichttemperatur (Tvj = 25 °C) gewählt. Trotz der reduzierten Siliziumdicke, die ein ruppiges Kommutierungsverhalten zur Folge haben kann, sind die dynamischen Eigenschaften der Diode der 5. Generation vergleichbar mit der vorherigen Generation und damit auch für Hochstrom-Module geeignet. Für die hohe Stoßstromfestigkeit bei gleichzeitig um 25 K erweiterter Sperrschichttemperatur weist die neue Dioden-Generation auf der Vorderseite eine dicke Kupferbeschichtung auf, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Vergleich der Modulperformance
 
Basierend auf den Leistungsdaten der einzelnen Power-Module ist mit dem neuen 1700-V-IGBT-P5 für dieselbe Modulgrundfläche eine Erhöhung des maximalen Umrichter-Ausgangsstromes zu erwarten. Von Infineon 2006 entwickelt, wird das PrimePACK-Modul weltweit in Windkraftanlagen im MW-Bereich eingesetzt und steht daher als erstes IGBT-Modul mit der neuen Generation der Leistungshalbleiter für die hohen Anforderungen an Lebensdauer- und Leistungsdichte zur Verfügung. Für die nachfolgende Modulperformance-Betrachtung eines generatorseitigen Windkraftumrichters ist das PrimePACK-Modul damit das geeignete Bauelement. Bei der Berechnung wird von einem flüssigkeitsgekühlten System mit einem Rth,ha von 0,015 K/W pro Modulzweig und einer Umgebungstemperatur von Ta = 50 °C ausgegangen. Weiterhin wird angenommen, dass für diese Anwendung die Diode das auslegungsrelevante Bauelement zur Dimensionierung des generatorseitigen Umrichters ist. Folglich werden eine Zwischenkreisspannung von 1080 V, eine Grundfrequenz von 15 Hz, ein Modulationsfaktor von 1,00 und ein cos Phi von -0,82 angenommen.

Ausgangsstrom mit IGBT4 und mit IGBT5, der eine Sperrschichttemperatur von bis zu 175 °C ermöglicht
Ausgangsstrom mit IGBT4 und mit IGBT5, der eine Sperrschichttemperatur von bis zu 175 °C ermöglicht
© Infineon Technologies

In Abbildung 6 sind die Ergebnisse der Berechnungen zusammengefasst. Dabei ist der erreichbare Ausgangsstrom als Funktion der Schaltfrequenz dargestellt. Die schwarze und blaue Kurve zeigen den berechneten Strom bei Tvj,op = 150 °C. Durch die rote Kurve wird der maximal erreichbare Ausgangsstrom des Umrichters mit IGBT5 bei TvjopMax = 175 °C dargestellt. Wie die Simulationsergebnisse zeigen, lässt sich mit der neuen IGBT5-Technologie der maximale Ausgangsstrom bei voller Ausnutzung um etwa 30% erhöhen. So zeigt die blaue Kurve den maximalen Ausgangsstrom der 5. Generation bei einer auf Tvj,op = 150 °C begrenzten Sperrschichttemperatur. Unter diesen Bedingungen verlängert die im Modul enthaltene .XT-Aufbau- und Verbindungstechnologie die Lebensdauer der Bauelemente deutlich, wobei der maximal erreichbare Ausgangsstrom immer noch um etwa 10% höher liegt als bei der vorherigen P4-Variante.

 

Die Autoren

André R. Stegner ist als Manager Technology Development in der IGBT- und Diodenentwicklung bei der Infineon Technologies Austria AG in Villach,

und Wilhelm Rusche im Technischen Marketing für die technische Produktunterstützung und Definition von Hochleistungsmodulen bei der Infineon Technologies AG in Warstein beschäftigt.


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