Smart-Power-Module Eine Kostengünstige Lösung im Hinblick auf die gesamten Antriebskosten

Autor / Redakteur: Ron Randall, Vajapeyam Sukumar* / Gerd Kucera

Hochvolumige Märkte wie Haushaltsgeräte und kommerzielle Industrieanwendungen verlangen verstärkt nach Smart-Power-Modulen. Das ist ein eindeutiger Beweis dafür, dass ein modularer Lösungsansatz die Anforderungen dieser Industrien hinsichtlich Kosten und Zuverlässigkeit erfüllen. Smart-Power-Module haben überdies das Potenzial, auch die Antriebsindustrie zu revolutionieren. Denn durch Verwendung hoch automatisierter Epoxid-Spritzgussverfahren mit Leadframes, kombiniert mit modernen Isoliermaterialien wie Direct Bond Copper (DBC) entstanden 600-V-DIP- und SIP-SPMs, die Ausgangsströme bis 75 A liefern.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Dieser Beitrag diskutiert zahlreiche Parameter wie Komponentenabgleich und Abweichungen, Layout-Effizienz, zusätzliche Eigenschaften und thermisches Management. Das Fazit ist, dass SPMs sowohl für die industrielle Bewegungssteuerung als auch für die Haushaltsgeräte-Industrie zunehmend attraktiver werden. Außerdem werden neuesten Trends bei IGBTs, MOSFETs und Treiberdesign diskutiert und wie dies auch die Gehäuseentwicklung beeinflusst.

Bei SPMs handelt es sich um selbstschützende Module mit integrierter Gate-Ansteuerungsschaltung. Der Steueralgorithmus für die Motoransteuerung (also wenn einzelne IGBT- oder MOSFET-Schalter ein- oder ausgeschaltet werden sollen) wird durch einen Mikrocontroller oder DSP implementiert. Das Modul ist also praktisch ein Interface zwischen dem Mikrocontroller und dem anzusteuernden Motor.

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Frühe SPMs verfügten über wenige Eigenschaften und boten in der Regel nur eine einzige interne Verbindung zwischen den negativen Anschlüssen der IGBT-Emitter. Die neuesten Versionen zeigen hingegen zahlreiche Features wie eine 3-N-Verbindung der negativen Rail-Anschlüsse zur Unterstützung der Stromvektor-Messung für sensorfreie Motorsteuerungen. Zu den weiteren wichtigen Eigenschaften gehören: Bootstrap-HVIC-Treiber für die Ansteuerung aller sechs internen Schaltelemente von einer einzigen Vorspannungsversorgung aus; Hochspannungstreiber mit Unterspannungsüberwachung, damit eine unzureichende Gatespannung die Leistungsschalter nicht in einen linearen Betriebszustand mit hoher Verlustleistung versetzt;

ein interner Thermistor für eine schnelle und genaue Überwachung der internen Modultemperatur, einschließlich OT-Schutz (sowie IGBTs mit Abtastung der negativen Rail zur Feststellung zu hoher Ströme mit geringsten Leistungsverlusten an den Abtastwiderständen). Hinzu kommt ein Fehler-Ausgangsalarm, der zu hohe Ströme und Unterspannungszustände signalisiert.

Vor- und Nachteile der beiden Techniken

Auf absehbare Zeit werden die Materialkosten eines SPMs für den Antriebshersteller noch höher sein als die einer vergleichbaren diskreten Lösung. Viel hängt davon ab, wie sich die Kostensituation mit der Verwendung populärer Leistungsgehäuse wie des TO-220- oder DPAK- oder sogar des größeren TO-247-Gehäuses entwickeln wird.

Derzeit bietet das Modul aber in solchen Applikationen Vorteile, bei denen der Platzbedarf entscheidend ist. Oder wo das bekannte Powerboard früherer Treiberschaltungen (mit variabler Frequenz) durch eine sehr kompakte, ringförmige Platine auf der Motorachse ersetzt werden kann. Ein typisches Applikationsbeispiel, bei dem sich die Ansteuerung auf der Motorachse befindet, zeigt das Bild 2. Diese Integration von Motor und Ansteuerung wird oft für bürstenlose DC-Ventilatormotoren in Klimaanlagen und Luftreinigern verwendet.

Ein weiterer Vorzug ist die in einem Modul bereits vorhandene Isolation. Dadurch ist es möglich, das integrierte Bauelement auf dem internen Metall des Motorgehäuses zu montieren, was mit einer diskreten Lösung nicht so ohne weiteres möglich ist. Das Powermodul kann auf diese Weise durchaus das mechanische Design des Motors mit dem Antriebssystem verändern.

Reduzierung von Streuinduktivitäten

Ein wichtiger Pluspunkt von SPMs ist die Reduzierung von Streuinduktivitäten, d.h. das Absenken der parasitären Effekte durch die SPM-Verdrahtung. VFD-Schaltelemente (Variable Frequency Drive - frequenzvariable Umrichter) werden im Hard-Switched-Modus betrieben, wobei die physikalischen Leitungslängen zwischen den Schaltelementen sehr hohe parasitäre Induktivitäten erzeugen. Daraus ergibt sich während der Schalt-Kommutierungsperioden ein hoher Energieanteil. Diese Energie kann über den Schaltelementen besonders starke Spannungsspitzen erzeugen, was sowohl die Schalter als auch die HVIC-Gatetreiberschaltungen zerstören kann. Das interne Verdrahtungslayout eines SPMs, das im Gegensatz zu den Gehäuseanschlüssen diskreter Bauelemente lediglich die Die-Verbindungen betrifft, reduziert diese parasitären Effekte weitgehend. Die optimierte interne Verdrahtung eines Smart-Power-Moduls vereinfacht außerdem das Layouten des Antriebs.

Ein SPM-Entwickler kann die Leistung von IGBT, Leistungsdiode und HVIC-Ansteuerung aufeinander abstimmen und die Schaltleistung des jeweiligen Modultyps gegenüber der VCE(sat) hinsichtlich der angestrebten Schaltfrequenz optimieren. Dem VFD-Designer stehen somit speziell für niedrigere und höhere Frequenzen ausgelegte Module zur Verfügung, die keine nachträgliche Optimierung erfordern. Letzteres ist bei diskreten Designs nahezu unmöglich, da die einzelnen Bauelemente in diesem Punkt nur schwer unter einen Hut zu bringen sind.

Auch beim automatischen Test nach der Montage macht sich die höhere Qualität kompletter Module bemerkbar. Insgesamt zeichnen die sich durch bessere Reproduzierbarkeit, höhere Zuverlässigkeit und Performance aus als vergleichbare diskrete Lösungen.

Anders als bei Modulen erfordert die Nutzung diskreter HV-Gatetreiber zusätzliche passive Komponenten. Diskrete Schaltungselemente verfügen auch relativ oft über zu hohe Ansteuerungskapazitäten. Dann ist eine externe, diskrete Schaltung für die Signalformung nötig, um die Schaltgeschwindigkeit zu steuern und den EMI-Anteil zu reduzieren, der während der Schaltperioden der Leistungshalbleiter erzeugt wird. Durch die vorteilhafte Abstimmung der Leistungsschalter innerhalb eines Moduls lässt sich der Ansteuerungs-IC für eine bestimmte Zahl dieser Komponenten optimieren. Dies spart außerdem Platinenfläche ein, weil die Signalformung der Ansteuerung im HVIC-Treiber implementiert wird.

Der Hersteller eines SPMs hat den Bauelementemix innerhalb des Moduls besser im Griff, was sich auf die Qualität des Endprodukts auswirkt. Durch ausführliches Testen während der Produktion wird es verifiziert. Smart-Power-Module gestatten einen relativ einfachen Fertigungsprozess. Indem man ein vorgetestetes, isoliertes Modul hinzunimmt, lassen sich Kompromisse hinsichtlich der Zuverlässigkeit vermeiden, die durch mechanische Bearbeitungen in der Herstellung verursacht werden und bei diskreten Lösungen z.B. Risse im Isoliermaterial nach sich ziehen. Die geringere Fertigungszeit und Anzahl der zu verlötenden Komponenten sowie der Wegfall bzw. die Reduzierung der Testzeit durch vorgetestete Module sind weitere Eigenschaften, die das SPM-Modul zur attraktiven Alternative gegenüber diskreten Lösungen machen.

Technologietrends bei Smart-Power-Modulen

Die meisten der derzeit verfügbaren SPM-Produkte sind auf die hauptsächlichen dreiphasigen VFD-Ausgangsinverter zugeschnitten. Der Trend geht aber dahin, die technischen Vorteile eines SPM auch für andere VFD-Produkte zu nutzen.

Ein Beispiel hierfür ist das neu erwachte Interesse an Power Factor Correction (PFC) am AC-Eingang, um die Leistungs-VFD zu senken. Normalerweise wird PFC wird in frequenzvariable Umrichter eingebaut, um den Eingangsstrom zu senken und eine größere Leistung aus der Netzversorgung zu beziehen. PFC-Lösungen für solche Applikationen können weniger komplex als die für Offline-Stromversorgungen sein, da VFDs wegen der harmonischen Ströme in der Regel nicht die strengen Bestimmungen gemäß IEC61000 einhalten müssen. In einigen Motorantriebs-Applikationen ließe sich sogar bloß eine Partial-Switch-PFC-Schaltung verwenden. Mit dieser Methode wird die gleichgerichtete 120-Hz-AC-Welle geformt, und zwar durch Schalten mit der Netzfrequenz. Das trifft generell beim Betrieb größerer Motoren an der Netzspannung zu, was ohne die Schaltung kaum möglich ist. Hinzu kommt, dass die Nähe der Gleichrichter und IGBTs oder MOSFETs im Inverterbereich des Moduls Layout-bedingt die Verluste mindern.

Zusätzlich zu neuen VFD-Lösungen wie PFC-Modulen werden SPMs mit niedrigerer DC-Busspannung für 24 VDC- und 48 VDC-Applikationen wie batteriegetriebene Ansteuerungen entwickelt. Bei diesen Spannungen sind Leistungs-MOSFETs die besseren Schaltelemente, besonders im Zusammenhang mit Fred-FETs, wenn es um die hart geschalteten Eon-Verluste von Antriebsapplikationen geht.

Die Technologietrends bei Smart-Power-Modulen bewegen sich in Richtung geringere aber auch höhere Ströme. Am unteren Ende (also weniger als 200 W) ersetzen MOSFETs die IGBTs. Am oberen Ende löst die aktuelle DBC-Technik (Direct Bond Copper) die Leitungskonstruktion auf Keramiksubstrat ab. Die DBC-Technik verbessert den thermischen Widerstand erheblich und ermöglicht dadurch SPMs mit wesentlich höheren Leistungen. Ein Beispiel: Ein 75-A-SPM-Modul mit DBC-Technologie und AIN-Isoliermaterial erzielt in einem 31 mm x 60 mm kleinen Gehäuse einen thermischen Widerstand von 0,53 °C/W.

Aktuelle IGBTs können bis zu 100 kHz schalten

Natürlich werden Fortschritte in der SPM-Technologie durch Entwicklungen im Siliziumbereich, dem Gehäusedesign und der Fertigungsautomation beeinflusst. Hinzu kommt der Trend, ruhigere und weniger Leistung (<1 hp) verbrauchende Geräteantriebe mit Ultraschallfrequenzen zu betreiben. Das bedeutet schneller schaltende Bauelemente mit dem Nachteil eines erhöhten Durchlassleitwertes. Wichtige Verbesserungen diskreter Power-Switch-Technologie fließen auch ein. Hierzu gehören: Aktuelle IGBTs können bis zu 100 kHz schalten.

Die Einschaltspannung sinkt zudem mit jeder Generation mehr. Robuste Non-Punch-Through-IGBTs bieten bei Überlast signifikant bessere Widerstandszeiten – diese Spezifikation SCWT (short circuit withstand time) ist in vielen Motor-Applikationen von großer Bedeutung. Schnelle MOSFETs mit Bodydioden werden ähnlich gefertigt wie besonders schnelle Gleichrichter, um Qrr und trr der antiparallelen Diode erheblich zu senken und den Wirkungsgrad des Systems zu steigern. Und Fortschritte in der Super-Junction-FET-Technologie (oft unter Bezeichnungen wie SuperFET bekannt) führen zu wesentlich besseren Durchlasswiderstandswerten und damit geringeren Verlustleistungen.

Bei Gate-Ansteuerungen hat ein SPM den großen Vorteil gegenüber der diskreten Alternative, dass es die Welle der Steuerspannung formen kann. Da der Modulhersteller sich mit den anzusteuernden IGBTs und MOSFETs sehr gut auskennt, kann das Silizium des Gate-Ansteuer-ICs so ausbalanciert werden, dass schnelles Schalten die Schaltverluste mindert und langsames Schalten unnötige EMI vermeidet. Während auch einem Entwickler diskreter Schaltungen HVIC-Gatetreiber zur Verfügung stehen, die ähnlich denen in SPMs sind, führt die individuelle Anpassung der Ansteuerspannung an einen bestimmten SPM zu einer besseren Schaltungsperformance, verkürzt die Designzeit und reduziert die Komponentenanzahl. Hinzu kommt eine höhere negative Quellenspannungsimmunität hinsichtlich der dv/dt-Störtransienten, die mit den hart schaltenden Eigenschaften der VFDs in Verbindung stehen.

Vorteile für neue Designs

Für neue VFD-Designs sollten Entwickler aktuelle Smart-Power-Module deswegen in Betracht ziehen, weil sie sich besonders in Hinblick auf die gesamten Antriebskosten als kostengünstige Lösung erweisen. SPMs verbessern die Systemzuverlässigkeit und senken die für eine VFD-Leistungsstufe benötigte Entwicklungszeit. Es sind mittlerweile zahlreiche Varianten mit einem Strombereich von 3 bis 30 A auf dem Markt. Und zwar im gleichen Gehäuse, was die mechanische Standardisierung über mehrere komplette VFD-Produktserien hinweg erlaubt. Techniken wie Die-Losbestimmung, Gate-Ansteuerungsanpassung an spezifische IGBT-Eigenschaften und andere können in der SPM-Fertigung angewandt werden. Zur Herstellung herkömmlicher diskreter Komponenten lassen sie sich nicht einsetzen.

Fairchild Semiconductor, Tel. +49(0)8141 61020

*Ron Randall und Vajapeyam Sukumar arbeiten als Applikationsteam bei Fairchild Semiconductor, Fürstenfeldbruck.

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