Power-Module

Leistungsmodul-Lösung bietet klare Vorteile gegenüber diskret aufgebauter Version

20.04.2010 | Autor / Redakteur: Andreas Johannsen* / Gerd Kucera

Im Power-Modul herrscht höchste Integrationsdichte und Optimierung auf die Applikation

Jede leistungselektronische Anwendung steht und fällt mit der Langzeitzuverlässigkeit. Wie preiswert die Ausführung mit Einzelkomponenten auch sein mag, bei einer mittleren statistischen Zuverlässigkeit von 50% (und die gilt nun mal für den Diskretaufbau) sind die Folgen inakzeptabel. Warum Power-Module unter dem Strich preiswerter sind und welchen Nutzen sie außerdem haben, skizziert zeigt dieser Beitrag.

Zunächst stellt sich die Frage, was genau ein Power-Modul ist. Bei der diskreten Lösung werden die einzelnen Leistungshalbleiter auf der Platine montiert und über Leiterbahnen miteinander verbunden. Im Power-Modul sind alle für eine Anwendung benötigten Komponenten gebündelt und verbunden. Es bildet demnach ein Subsystem, das nach der jeweiligen Anwendung auszuwählen ist.

Ein typischer Vertreter der Power-Module ist das so genannte PIM, was für Power Integrated Module steht. Es vereint die für klassische Industrieantrieben benötigten Leistungskomponenten (Gleichrichter, Brems-Chopper, Wechselrichter). Neben den guten elektrischen Eigenschaften löst ein Power-Modul noch weitere Aufgaben der Systementwicklung: So bietet es eine sehr gute thermische Kopplung an den Kühlkörper, bei gleichzeitiger optimaler elektrischer Isolation.

Ein klar definiertes Subsystem

Bild 1: Ein typisches Power-Modul bestehend aus robustem Basismaterial
Bild 1: Ein typisches Power-Modul bestehend aus robustem Basismaterial

Auf Basis von Power-Modulen lassen sich komfortabel und kostengünstig Systeme der Leistungselektronik erstellen. Der Modulhersteller liefert ein nach Funktionen und Eigenschaften klar definiertes Subsystem. Der Systemdesigner kann sich auf die gegebenen elektrischen wie mechanischen Spezifikationen verlassen, etwa in Bezug auf EMV, Effizienz, Belastbarkeit und Zuverlässigkeit. Zudem bekommt er all das als Off-the-shelf-Lösung, was dem allgegenwärtigen Druck einer möglichst kurzen Produkteinführungszeit Rechnung trägt.

Bild 2: Beispiel eines weiteren typischen Power-Moduls in zuverlässigem Gehäuse
Bild 2: Beispiel eines weiteren typischen Power-Moduls in zuverlässigem Gehäuse

Dennoch gibt es eine lebhafte Debatte zu den Vor- und Nachteilen von modulbasierten und diskreten Lösungen. Vielfach sind hierfür Kostengründe ausschlaggebend. Doch um welche Kosten handelt es sich in diesem Zusammenhang? Addiert man einfach die Kosten für die diskreten Komponenten und vergleicht diese zusammen mit den jeweiligen Aufwand für die Montage mit den Kosten eines Moduls, macht man sich es zu leicht. Das ausschlaggebende Argument für das Modul ist dessen positiver Einfluss auf die Gesamtzuverlässigkeit des Systems (Anzahl der möglichen Temperatur- und Lastzyklen).

Risiko Komplexität und Anfälligkeit

Nichts ist schlimmer als eine Anzahl von bereits ausgelieferten Systemen, die aufgrund schlechter Langzeitzuverlässigkeit nach und nach ausfallen. Ein solches System, kann aufgrund mangelnder Zuverlässigkeit plötzlich enorme Zusatzkosten verursachen. Zudem kann eine Häufung von Feldausfällen den Ruf eines Herstellers auf Jahrzehnte belasten. Ein Power-Modul ist ein auf Zuverlässigkeit und Leistung optimiertes Subsystem, mit dem sich die Qualität des Systems entscheidend verbessern lässt.

Bild 3: Wichtigstes Argument für das Modul ist die sehr hohe Gesamtzuverlässigkeit des Systems (Anzahl der möglichen Temperatur- und Lastzyklen). Der diskrete Aufbau hat eine Unzuverlässigkeit von 50%.
Bild 3: Wichtigstes Argument für das Modul ist die sehr hohe Gesamtzuverlässigkeit des Systems (Anzahl der möglichen Temperatur- und Lastzyklen). Der diskrete Aufbau hat eine Unzuverlässigkeit von 50%.

Ein weiteres Risiko diskreter Lösungen ist die Komplexität und Anfälligkeit aktueller High-Power Designs. Kleine Fehler können zu massiven Fehlfunktionen führen und so zahlreiche Redesign-Zyklen notwendig machen. Dies kann folglich zu einem nicht unerheblichen zeitlichen Mehraufwand führen und nicht zuletzt die Gesamtkosten eines Systems empfindlich in die Höhe treiben.

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