Infineons "The Answer" (Teil1)
Neuer Ansatz bei High-Power-IGBT-Modulen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Das Design
Für die Module sind zwei Gehäusebauformen vorgesehen. In das LV-Modul mit bis zu 6 kV Isolation und entsprechenden Kriechstrecken werden Chips von 1,2 bis 3,3 kV eingesetzt. Zwei zusätzliche DC-Anschlüsse berücksichtigen die in diesen Spannungsklassen erreichbaren höheren Ströme. Das HV-Modul, in das Chips mit 3,3 kV, 4,5 kV und 6,5 kV Sperrfähigkeit verbaut werden, bietet mit entsprechenden Luft- und Kriechstrecken eine Isolationsfestigkeit bis zu 10,4 kV (Bild 2).
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Die Modulabmessungen wurden so gewählt, dass eine ähnliche Größe wie mit den aktuell eingesetzten IHV-A- und IHV-B-Modulen erreicht wird. Aufgrund der unveränderten Tiefe von 140 mm können identische extrudierte Kühlkörperprofile wie bisher genutzt werden. Vier Module mit einer Größe von 140 × 100 mm², die mittels Zentrierhaken ohne Lücke verbaut werden, passen damit exakt auf den Platz, den heute zwei IHV-Module mit einer Bodenplattengröße von 140 × 190 mm² mit Montageabstand einnehmen. Die bei dieser Konfiguration aus vier parallel geschalteten Bauteilen erreichte Stromdichte ist bei gleicher Chiptechnologie um 17 % größer als eine Stromrichterphase, die aus zwei IHV-Modulen aufgebaut ist (Bild 3):
- 2 × FZ1500R33HE3 (Bild 3 oben) installierter Strom der IGBTs: 3000 A (190 + 10 + 190) mm × 140 mm = 546 cm² Leistungsdichte: 5,49 A/cm²
- 4 × FF450R33T1E3 (Bild 3 unten)installierter Strom der IGBTs: 3600 A 400 × 140 mm² = 560 cm² Leistungsdichte: 6,43 A/cm²
Das Beispiel veranschaulicht, wie der modulare Ansatz des neuen Gehäusedesigns zu einer erweiterten Flexibilität führt. Mit diesem Konzept lassen sich eine variable Anzahl an Modulen der High-Power-Plattform einfach für verschiedene Anwendungen parallel schalten. Dabei ist das einzelne Modul nichts weiter als ein Baustein für größere Einheiten mit höherem Nennstrom. Aufgrund einer symmetrischen internen und externen Stromaufteilung können bis zu vier Bauteile ohne Leistungsreduktion parallel geschaltet werden.
Die Klemmenanordnung bei der neuen High-Power-Plattform ermöglicht ein leicht zu implementierendes Durchflusskonzept. Die DC-Anschlussklemmen erlauben eine einfach strukturierte Verbindung zur Kondensatorbatterie. Die AC-Anschlüsse können durch einfache Busbar-Verschienung parallel geschaltet werden. Im dazwischenliegenden Bereich lässt sich eine die einzelnen Module Gate-seitig verbindende Adapterkarte oder Treiberendstufen unterbringen (Bild 4).
Die Plattform ermöglicht eine niedrige Streuinduktivität des gesamten Kommutierungskreises. Die Kommutierungsinduktivität zwischen dem oberen und unteren Schalter beim HV-Modul beträgt weniger als 25 nH. Somit wird ein schnelleres und gleichzeitig EMV-angepasstes Schalten der IGBT-Module ermöglicht.
| Spannungsklasse | 3,3 kW | 4,5 kW | 6,5 kW |
|---|---|---|---|
| Technologie | IGBT 3 | RCDC | RCDC |
| Nennstrom | 2x450 A | 2x400 A | 2x275 A |
"The Answer" von Infineon: Die High-Power-Plattform im Überblick.
Mit Hilfe des neuen Modulkonzepts können Applikationsentwickler nun auf ein einziges, einfach zu implementierendes und leicht parallelschaltbares Bauteil zurückgreifen, statt eine Vielzahl verschiedener Gehäusebauformen einsetzen zu müssen. Dies ermöglicht Einsparungen beim Einkauf und eine effizientere Entwicklung. Das Modulportfolio für den Hochvoltbereich mit Dual- und Einzelschaltern, das derzeit Module der Größen 73 × 140 mm², 130 × 140 mm² und 140 × 190 mm² umfasst, kann so auf ein Bauteil pro Spannungsklasse reduziert werden (Tabelle). Dieses kommt dann ggf. in einer skalierbaren Mehrfachparallelschaltung zum Einsatz.
Die hier vorgestellte High-Power-Plattform wird beginnend ab dem Jahr 2016 sukzessive in den unterschiedlichen Spannungsklassen auf dem Markt eingeführt. Ein erstes Produkt mit entsprechender Technologie und Gehäusedesign wird im Rahmen der PCIM 2015 vorgestellt. Bild 5 zeigt die Oszillogramme des ersten Halbbrückenmoduls FF450R33TE3 (3,3 kV/450 A) beim Einschalten und Ausschalten des IGBT sowie die Diodenkommutierung. Infineon gibt mit der neuen High-Power-Plattform eine Antwort auf die Problemstellungen, mit denen sich Industrieanwender tagtäglich auseinandersetzen müssen. Mit der Plattform sollen nicht nur die heutigen, sondern auch die in Zukunft zu erwartenden Herausforderungen abgedeckt werden. Folgendes dürfen die Anwender erwarten:
- Ein skalierbares Produktspektrum auf Basis eines einzelnen Plattformprodukts für den LV- bzw. HV-Bereich, durch das sich System- und Lebenszykluskosten reduzieren lassen.
- Unterstützung der neuesten Chiptechnologien wie RCDC-Chips und SiC.
- Einsatz der neuesten Verbindungstechnologien.
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