Entwicklung eines Power-Moduls für Automobil- und CAV-Antriebe

| Autor / Redakteur: Andre Christmann, David Levett, Tomas Reiter * / Gerd Kucera

Bild 1: Modulgehäuse des HybridPACK Drive (HPDrive).
Bild 1: Modulgehäuse des HybridPACK Drive (HPDrive). (Bild: Infineon)

Dieser Beitrag beschreibt die Neuentwicklung eines Leistungsmoduls auf IGBT-Basis bei Infineon für Automobil-Antriebe. Im Fokus standen drei technische Anforderungen: Reduzierung der Leistungsverluste, Modulkonfektionierung und höherer Blockierstrom.

Bei der Entwicklung eines neuen Leistungsmoduls auf IGBT-Basis für den Einsatz in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen galt es technische und anwendungsbezogene Anforderungen miteinander zu kombinieren. Vor diesem Hintergrund begann das Entwicklungsteam von Infineon mit der Arbeit an einem neuen Leistungsmodul auf IGBT-Basis für Automobil- Antriebe – dem HybridPACK Drive (HPDrive). Dabei war es wichtig, sich auf die Bedürfnisse des Konsumenten zu konzentrieren und die anwendungsbezogenen Anforderungen bestens zu verstehen.

Dazu gehören so unterschiedliche Faktoren wie geringe Kosten, hoher Wirkungsgrad, Leistungsdichte, Stromtragfähigkeit für Anfahrmomente oder Lebensdauer aufgrund Temperaturwechselbeanspruchung. Im Folgenden wird beschrieben, wie diese Aspekte bei der neuen Modulauslegung berücksichtigt wurden, um letztendlich ein Endprodukt zu realisieren, das diese, oft grundverschiedenen Anforderungen, bestens adressiert. Außerdem werden die Verbesserungen gegenüber dem in Serie bewährten Modul HybridPACK 2 (HP2) dargestellt.

Im Fokus der hier beschriebenen Neuentwicklung standen drei technische Anforderungen: Reduzierung der Leistungsverluste, Modulkonfektionierung und höherer Blockierstrom, wobei auch immer die Kosten berücksichtigt wurden. Bild 1 zeigt das so entstandene Modulgehäuse.

Reduzierung der Leitungs- und Schaltverluste

Bei einem typischen DC/AC-Umrichter wird der Großteil der Leistungsverluste vom IGBT-Modul verursacht. Eine Reduzierung der Verluste verbessert nicht nur den Wirkungsgrad des Antriebsstranges, sondern reduziert zugleich auch die Anforderungen an das gesamte Kühlsystem, d.h. an Pumpen, Wärmeübertrager usw. Dies alles senkt die Kosten und das Gewicht eines Fahrzeugs.

Im Modul gibt es im Wesentlichen zwei Verlustquellen: Leitungsverluste und Schaltverluste der Silizium-Chips sowie der Kontaktierungen. Für das Modul wurde ein neuer Chip entwickelt, der Electric Drive Train 2 IGBT (750 V EDT2 IGBT). Der neue EDT2-IGBT-Chipsatz verfügt über einen ähnlichen vertikalen Aufbau wie die vorherige 650-V-Generation IGBT3 allerdings mit 100 V höherer Sperrspannungsfestigkeit, die aus der Verwendung einer als „Micro Pattern Trench“ bezeichneten Struktur resultiert.

Das Chip Design wurde mit einer Mesa-Breite im Submikrometerbereich realisiert (siehe Bild 2). Dieser Aufbau ermöglicht einen sehr geringen Abfall der Vorwärtsspannung (VCEsat) des Bauelements (Bild 3) mit 500 mV geringerem Vcesat bei Nennstrom, wobei die Kurzschlussfestigkeit noch immer bis zu 6 µs beträgt. Die Dotierung des p-Emitters wurde als Kompromiss zwischen Durchlass- und Schaltperformance für Anwendungen im Bereich von 5 bis 15 kHz gewählt, kann aber in zukünftigen Designs auch für andere Schaltfrequenzbereiche optimiert werden.

Die Erhöhung der Sperrspannung um 100 V von 650 V auf 750 V führt zu einer Design-Reserve, welche in der Praxis genutzt wird, um die volle Schaltgeschwindigkeit auch unter extrem hohen Spannungslagen erreichen zu können (z.B. durch Verwendung geringer Gate-Widerstände sowie geringerem Aufwand in Überspannungsschutzmaßnahmen). Bild 4 zeigt, wie bei einer Arbeitsspannung von 400 V die Ausschaltverluste im Vergleich zu einem IGBT3 mit gleichem Gate-Widerstand deutlich verringert wurden. Je nach Auslegung und Optimierung zeigen sich in der Praxis Schaltverlustreduzierungen zwischen 25% und 100%.

Auch wenn sie oft übersehen werden, können innere Kupferverluste des Moduls beträchtlich sein, insbesondere bei hohen Effektivströmen. Die wesentlichen Komponenten dieser Verluste sind 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, das sich an der Seite des Chips statt in der Mitte befindet (siehe Bild 5), ermöglicht eine größere aktive Fläche für den Emitter-Hauptstrompfad.

Da außerdem die Form des Chips so angepasst wurde, dass er im Vergleich zu den im HP2 verwendeten Chips etwas rechteckiger ist, konnten die an die Oberseite des Dies angeschlossenen Bonddrähte verkürzt und ihre Anzahl von 8 auf 10 erhöht werden (Bild 5). Insgesamt wurde der Serienwiderstand um 20% gesenkt.

Zur einfachen Evaluierung der Vorteile durch den EDT2 IGBT in Kombination mit dem HybridPACK Drive wurde das Evaluation-Kit HybridKIT Drive entwickelt (Bild 6). Dieses Evaluation-Kit beinhaltet das Leistungsmodul einschließlich Kühlkörper, Treiber-Board mit neuester EiceDriver-Technologie sowie Logikboard mit Aurix-Mikrocontroller und vorinstallierter Software. Das Evaluation-Kit ist für den Laborbetrieb gedacht und ermöglicht ohne weiteren Design-Aufwand eine umfassende Evaluierung auf der Kundenseite.

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