Komponentenlösungen vom Kilowatt- bis zum Megawatt-Bereich
Leistungselektronische Herausforderungen bei der Entwicklung von Windkraftanlagen
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Neue Verbindungstechniken
Speziell Off-Shore-Windparks mit der hier herrschenden Kombination von atmosphärischen Bedingungen, Temperaturanforderungen und Lastprofilen stellen eine Herausforderung für den Entwurf der Leistungselektronik dar. Angesichts dessen hat Infineon unter der Bezeichnung .XT ein neues System von Verbindungstechniken entwickelt. Dieses konzentriert sich auf die Verbesserung jeder im Modul enthaltenen Verbindungsstelle. Heute sind es drei markante Fehlermechanismen, die der Lebensdauer leistungselektronischer Komponenten Grenzen setzen:
- Power-Cycling, das zu Ausfällen der Bond-Verbindungen führt.
- Delamination der Chiplötung bei längeren Zykluszeiten und abhängig vom Temperaturhub
- thermisches Cycling führt zur Rissbildung in der Lotschicht zwischen DCB und Bodenplatte.
Entwicklungen, wie die stetig steigende Leistungsdichte sowie die damit einhergehenden Steigerungen der Chip-Temperaturen wird durch die Einführung neuer Halbleitermaterialien wie Silizium-Carbid (SiC) und Gallium-Nitrit (GaN) noch weiter forciert. Dies macht die Entwicklung von neuen Verbindungstechniken unumgänglich, da beispielsweise heutige Lötprozesse den gesteigerten thermischen Anforderungen nicht mehr genügen.
Mit der .XT-Technik führt Infineon drei grundlegenden Änderungen für die nächsten Generationen von Halbleitermodulen ein. Zuerst wird die Systemlötung in eine hoch zuverlässige Lötung überführt, um die Stabilität bezüglich des thermischen Cyclings zu erhöhen. Schritt zwei ist die Einführung neuer Prozesse anstelle der heutigen Lötung beim Silizium. Abschließende Maßnahme ist die Neugestaltung der Chip-Oberflächen, um das Kupfer-Bonden zu ermöglichen. Durch die Kombination dieser drei Maßnahmen erhöht sich die Lebensdauer im Vergleich zu heute verfügbaren Technologien um den Faktor 10. Teile der .XT-Entwicklung sind bereits an anderer Stelle implementiert. Das erste Bauteil, das alle Details von .XT vereint, ist das PrimePACK-Modul für 900 A/1200 V.
Baugruppen für den MW-Bereich
Den Wunsch nach vorgefertigten Leistungsteilen beantwortet Infineon mit der Fertigung von Stacks. Solche Stacks bestehen aus dem eigentlichen Halbleiter, dem Aufbau zum thermischen Management und der für die Leistungselektronik notwendigen Treiberelektronik. Baugruppen wie der ModSTACKHD stellen modulare Blöcke dar, die den Aufbau vollständiger Systeme erleichtern. Da keine Steuerelektronik im Sinne eines Mikroprozessors enthalten ist, sind Stacks keine kompletten Umrichter. Der Aufbau aus Leistungselektronik, Kühlkörper, Zwischenkreis und Treiberschaltung inklusive umfangreicher Schutzfunktionen beschleunigt die kundenseitige Entwicklung. Der in Bild 4 gezeigte Aufbau eignet sich für Zwischenkreisspannungen bis 1100 V und Ausgangsleistungen bis 2 MW.
Auf Grund ihres modularen Designs lassen sich Stacks leicht kombinieren, um die gewünschte Topologie für eine individuelle Applikation zu erhalten. Die Parallelschaltung solcher Baugruppen ist eine Option, falls die 2 MW sich als unzureichend erweisen. Auch kundenspezifische Lösungen sind möglich, ihre Umsetzung ist aber von der jeweiligen Anforderung abhängig.
Dr. Martin Schulz (Elektrotechnik an der Universität Siegen) ist am Infineon-Technologies-Standort Warstein im Application Engineering verantwortlich für die Applikationsfelder DC-Charger, Windenergie und elektrifizierte Großfahrzeuge (CAV) und betreut das Thema »Thermisches Management«. Er ist Senior IEEE-Member.
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