Power-Module DIPIPM-Power-Module für die kompakte Antriebstechnik

Autor / Redakteur: Marco Honsberg * / Gerd Kucera

Mit den Transfer-Mold-Power-Modulen im Dual Inline Package lassen sich Antriebslösungen, bei Netztspannungen von 100 bis 480 VAC, mit wenigen hundert Watt bis 7,5 kW Leistung realisieren.

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Extrem kompakt: Das Super-Mini-DIPIPM ist von 5 bis 35 A/600 V verfügbar und hat auf dem Leadframe die CSTBTs, FwDis und das HVIC integriert
Extrem kompakt: Das Super-Mini-DIPIPM ist von 5 bis 35 A/600 V verfügbar und hat auf dem Leadframe die CSTBTs, FwDis und das HVIC integriert
(Bild: Mitsubishi)

Was am Anfang als fertigungsvereinfachende Alternative zu diskreten Bauteilen für Wechselrichterleistungsstufen in Klimageräten und Waschmaschinen mit Leistungen bis zu etwa 1 kW gedacht war, hat sich seit 1998 in bisher sechs Versionen und heute vier Gehäuseformen zu intelligenten Power-Modulen (IPM) für die weiße Ware und Industrieanwendungen weiterentwickelt. Mit heute verfügbaren Transfer-Mold-IPMs lassen sich in Versorgungsnetzen von 100 bis 480 VAC Antriebsplattformen von wenigen hundert Watt bis 7,5 kW Leistung abdecken.

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Transfer-Mold-IPMs bestehen aus einem gestanzten Kupferrahmen auf dem alle Halbleiterchips wie IGBTs, Freilaufdioden und dem Hochvolt-IC mit allen Steuer und Schutzfunktionen als Chip, d.h. ohne eigenes Gehäuse aufgelötet werden. In einem zweiten Prozessschritt werden die erforderlichen Verbindungen mit Bonddrähten hergestellt und schließlich das Modul umspritzt.

Während der Fertigung wird auch die speziell für Transfer-Mold-IPMs entwickelte Folie integriert, die für elektrische Isolation und gleichzeitig die Wärmeableitung verantwortlich ist. Die in Mitsubishi Electrics Zentrallabor ständig weiter entwickelten Folien werden seit 2004 in Transfer-Mold-PMs eingesetzt und haben aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften deutlich Vorteile gegenüber konventionellen Lösungen, wie beispielsweise bruchanfälligen Substraten.

Intelligente Leistungsmodule für weiße Ware

Ein derartig weiter Leistungs- und Anwendungsbereich von DIPIPMs erfordert Gehäuseformen, die auf diese Anwendungen optimiert sind. Das kleinste Gehäuse namens Super-Mini-DIPIPM ist speziell für die Anwendung in Waschmaschinen, Kühlschränken sowie Klimageräten entwickelt worden. Für das Gehäuse bedeutet das: So groß wie nötig, so klein wie möglich.

Die weltweit gültigen Standards insbesondere die Vorschriften für Luft- und Kriechstrecken für die weiße Ware wurden bei der Gehäusekonstruktion umgesetzt und sehr kompakte Abmessungen von 24 mm x 38 mm bei nur 3,5 mm Dicke erzielt. Trotzdem können Super-Mini-DIPIPMs auch in industriellen Anwendungen genutzt werden, die eine Isolationsspannung von 2500 Vrms für 1 Minute erfordern, wenn die Kühlkörperform optimiert wird. Das im DIPIPM eingebettete Isolationsmaterial ist für diese höhere Isolationsspannung ausgelegt und lediglich der geringe Abstand zwischen Pins und der Kühlkörperoberfläche führen zu der konservativen Spezifikation im Datenblatt.

Die sechste Baustein-Version für industrielle Lösungen

Für rein industrielle Anwendungen wurden insgesamt drei Gehäuseformen optimiert, die alle mit 2500 Vrms für eine Minute als Isolationsspannung spezifiziert sind. Speziell für den 400-V-/480-V-Markt wird es in diesem Jahr die neueste sechste Version der 1200-V-DIPIPM-Familie entwickelt, die wie die heute produzierte Vorgängerversion über die bewährt stressarme Kurzschluss-Erkennung mittels Stromspiegelemitter-Technologie und das eingebaute optimierte 1200-V-Hochvolt-IC (HVIC) mit zahlreichen Schutzfunktionen verfügt, aber als weitere Verbesserung für den Anwender zusätzlich mit Bootstrapdioden ausgerüstet ist. Das Gehäuse bleibt kompatibel mit der Vorgängerversion und realisiert die erforderlichen Luft- und Kriechstrecken für typische Verschmutzungsgrade wie sie in Frequenzumrichtern angesetzt werden.

Einfache Anwendbarkeit und sehr geringe Fehlerrate

Transfer-Mold-IPMs sind für ein Marktsegment gebaut, in dem die meisten drehzahlvariablen Antriebe eingesetzt werden und das eines der höchsten Energieeinsparpotenziale bietet, aber das auch durch einen hohen Kostendruck gekennzeichnet ist. Hohe Integrationsdichte und einfache Anwendbarkeit bei hoher Zuverlässigkeit und Qualität zeichnen die Transfer-Mold-IPM-Technologie aus. Sie lassen sich einfach mit 3,3 bzw. 5 V bei 1200-V-Bauteilen direkt aus dem Mikrocontroller (µC) vom N(-)-Bus ansteuern und verfügen über ein speziell für jede IGBT-Familie entwickeltes Hochvolt-IC (HVIC), das neben dem Level Shifter auch die IGBT-Treiber und die später im Artikel erläuterten Schutzfunktionen beinhaltet.

Diese Abstimmung von HVIC und IGBT für jede Stromklasse einer IGBT-Generation in einem IPM sind nicht nur während des normalen Betriebs zur Optimierung des Schaltverhaltens und damit des EMV-Verhaltens entscheidend, sondern spielen gerade auch im Fehlerfall, d.h. zum Beispiel beim Kurzschluss, eine wichtige Rolle: Die Zuverlässigkeit von Transfer-Mold-IPMs wird einerseits durch die robuste Konstruktion des HVICs und der IGBT-Chips selbst aber auch durch die gewählte Abstimmung von Entsättigungsstrom und der erlaubten kritischen Zeitdauer beim Kurzschluss sowie der Schwellspannung und Erkennungs- bzw. Abschaltgeschwindigkeit der Logik im Treiber des HVICs erreicht.

Dieses Zusammenspiel macht Transfer-Mold-IPMs zu einem sehr einfach einzusetzenden und zuverlässigen Bauteil. Mit dieser Strategie hat Mitsubishi Electric in 15 Jahren eine Fehlerrate im geringen ppm-Bereich erzielt und das bei einer gesicherten Datenbasis von mehr als 250 Millionen produzierten Transfer-Mold-Bauteilen.

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