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Hochintegrierte Power Module für schnell schaltende Inverter

| Autor / Redakteur: Philipp Jabs, Akiko Goto * / Gerd Kucera

Die SLIMDIP-Familie ist die neueste Serie der DIPIPM-Bausteine für eine Motorleistung von 0,4 kW und 1,5 kW. Integriert sind optimierte IGBT- und FWDi-Chips sowie High- und Low-side-Treiber.

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Bild 1: Besonderen Wert wurde auf einen reduzierten Platzbedarf und ein optimiertes Pin-Layout gelegt.
Bild 1: Besonderen Wert wurde auf einen reduzierten Platzbedarf und ein optimiertes Pin-Layout gelegt.
(Bild: Mitsubishi Electric)

Im Segment der Haushaltsgroßgeräte, etwa Waschmaschinen, haben sich Intelligente Power Module (IPM) als präferierte Lösung etabliert. Die Gründe hierfür sind vielfältig und in den gestiegenen Anforderungen an die Antriebstechnik zu finden. So müssen Antriebe heutzutage strengere Vorschriften in Bezug auf Effizienz, Geräuschentwicklung und Zuverlässigkeit bei gleichzeitig optimierten Systemkosten erfüllen. Mitsubishi Electric hat diesen Bedarf früh erkannt und das DIPIPM-Konzept 1997 der Weltöffentlichkeit auf der PCIM in Nürnberg vorgestellt und seitdem kontinuierlich die Innovation in diesem Bereich vorangetrieben.

Die SLIMDIP-Familie ist die neueste Serie der DIPIPM-Bausteine für die Durchsteckmontage. Es wurde besonderer Wert auf einen reduzierten Platzbedarf und ein optimiertes Pin-Layout bei der Entwicklung dieser Modulreihe gelegt. Die zurzeit verfügbare SLIMDIP-Serie umfasst Module für eine Motorleistung von 0,4 kW (SLIMDIP-S) und 1,5 kW (SLIMDIP-L).

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Diese SLIMDIP-Module bestehen aus sechs rückwärtsleitenden IGBTs (RC-IGBT), einem High-Side-Treiber, einem Low-Side-Treiber und drei Bootstrap-Dioden mit strombegrenzenden Widerständen. Eine direkte Ansteuerung mit der Regelungs-Hardware ist dank der Bootstrap-Dioden und einem in den High-Side-Treiber integriertem Level Shifter möglich, ohne dass eine galvanische Isolation der High-Side nötig ist.

Auch wird dadurch nur eine einzige gemeinsame Spannungsversorgung für die Low- und High-Side benötigt. Alle Chips sind direkt auf den Leadframe angebracht, der Verzicht auf ein separates PCB, welches in das Modul gegossen wird, ermöglicht eine marktführend erreichbare Lebensdauer. Bild 2 zeigt die benutzte Topologie in einem SLIMDIP-Modul.

Stand der Technik ist eine sensorlose Regelung des Hauptantriebs von Weißer Ware. Aus diesem Grund sind alle drei Emitter der Low-Side-Schalter zugänglich (Open-Emitter), um so eine unabhängige Strommessung der drei Motorphasen unter der Benutzung von Shunt-Widerständen zu ermöglichen. Die Ausgangssignale der Strommessung können für die interne Kurzschlusserkennung benutzt werden, um zu vermeiden, dass die IGBTs außerhalb ihrer SCSOA (Short-Circuit Safe Operation Area) betrieben werden. Zum Schutz gegen Übertemperatur ist ein Temperatorsensor integriert, der sowohl eine automatische Abschaltung des Moduls als auch einen analogen, linearen Temperaturausgang zur Zustandsüberwachung ermöglicht.

Alle SLIMDIP-Module werden am Ende der Produktionslinie auf ihre statischen elektrischen Eigenschaften getestet. Zusätzlich durchläuft jedes einzelne Modul einen funktionalen Test an einer induktiven Last. Die Ergebnisse werden in einem individuellen Testbericht aufgezeichnet.

Als neu entwickeltes SLIMDIP-W ist dieser Baustein eine schnell schaltende Variante des bereits verfügbaren SLIMDIP-L, um dem gestiegenen Bedarf nach Motorumrichtern mit verringerten Lärmemissionen zu begegnen. Mit dem Hintergrund, dass Waschmaschinen oft im unmittelbaren Wohnraum zu finden sind, ist ein niedriger Geräuschpegel erforderlich. Dies kann unter anderem mit Schaltfrequenzen des Inverters oberhalb des hörbaren Bereichs erfolgen. Für Haushaltsgeräte, die innerhalb der EU vertrieben werden, ist das sogenannte Energie-Label verpflichtend. Anhand dieses Labels kann der Endverbraucher einfach ein energiesparendes und leises Modell wählen.

Bild 2: 
Die Topologie in einem SLIMDIP-Modul.
Bild 2: 
Die Topologie in einem SLIMDIP-Modul.
(Bild: Mitsubishi Electric)

Trends im Bereich des vernetzten Smart Home verlangen von einem Hardware-Designer, dass neue Produktgenerationen kosteneffizient in immer kürzeren Abständen entwickelt und getestet werden müssen. Besonders im Bereich der Haushaltsgeräte erfüllt das SLIMDIP-W diese Anforderungen.

Einer der Hauptgründe für die Kompaktheit und Kosteneffizienz ist die Integration von RC-IGBTs in das Modul. Mit einer Sperrspannung von 600 V und einer Isolationsfestigkeit des thermischen Interface-Materials von 2 kVrms ist das SLIMDIP-W für einphasig angeschlossene Umrichter geeignet, die nicht nur in Haushaltsgeräten, sondern auch in Lüftern und Pumpen Verwendung finden.

Die Unterschiede zwischen SLIMDIP-L und SLIMDIP-W

Die Entwicklung des schnellschaltenden SLIMDIP-W erforderte eine Anpassung auf Chip-Ebene der bewährten RC-IGBTs aus dem SLIMDIP-L. Mit dem gleichen Stromrating wie das SLIMDIP-L wurde ein optimierter Punkt für hohe Schaltgeschwindigkeiten auf der VCE,sat/Eoff-Kurve ausgewählt, sodass die Gesamtverluste für hohe Schaltfrequenzen niedrig sind. Zusätzlich wurde der Gate-Treiber für schnelle Schaltgeschwindigkeiten entsprechend angepasst.

Bild 3: 
Maximal erlaubter Ausgangsstrom über die Frequenz (Vcc=300 V, VD=VDB=15 V, P.F=0,8, fo=60 Hz, Tj=125 °C Tc=100 °C, 3-Phasen-Modulation).
Bild 3: 
Maximal erlaubter Ausgangsstrom über die Frequenz (Vcc=300 V, VD=VDB=15 V, P.F=0,8, fo=60 Hz, Tj=125 °C Tc=100 °C, 3-Phasen-Modulation).
(Bild: Mitsubishi Electric)

SLIMDIP-L und SLIMDIP-W sind komplett pin-kompatibel, dadurch wird ein Einsatz des SLIMDIP-W in vorhandenen Leiterplatten für das SLIMDIP-L ohne Anpassungen ermöglicht. Die thermische Auslegung muss nur moderat angepasst werden, sodass SLIMDIP-W denselben Typ an Isolationsschicht im Modul verwendet wie die Version SLIMDIP-L.

Bild 3 zeigt einen signifikanten Anstieg im maximal erreichbaren Ausgangsstrom bei höheren Schaltfrequenzen und Sinusmodulation. Bei gleichbleibenden Applikationsbedingungen, erlaubt das Leistungsmodul SLIMDIP-W einen 30% höheren Ausgangsstrom bei einer Schaltfrequenz von 15 kHz. Für niedrige Schaltfrequenzen ist das Modul SLIMDIP-L zu bevorzugen.

Bild 4: Simulation der Verlustleistung beim Modul SLIMDIP-L und SLIMDIP-W (Vcc=300 V, VD=VDB=15 V, P.F=0,8, fo=60 Hz, Tj=125 °C, 3-Phasen-Modulation).
Bild 4: Simulation der Verlustleistung beim Modul SLIMDIP-L und SLIMDIP-W (Vcc=300 V, VD=VDB=15 V, P.F=0,8, fo=60 Hz, Tj=125 °C, 3-Phasen-Modulation).
(Bild: Mitsubishi Electric)

Die Unterschiede in den Verlusten können anhand von Bild 4 erklärt werden. Bei den gewählten Applikationsbedingungen hat das SLIMDIP-W höhere Leitverluste, aber niedrigere Schaltverluste als das SLIMDIP-L. In Summe sind die Gesamtverluste des SLIMDIP-W geringer als des SLIMDIP-L unter den angenommenen Bedingungen.

Bild 5: Vergleich der statischen Leiteigenschaften für die Module L und W.
Bild 5: Vergleich der statischen Leiteigenschaften für die Module L und W.
(Bild: Mitsubishi Electric)

Hintergrund ist der Trade-off zwischen Leit- und Schaltverlusten, der für eine bestimmte Schaltfrequenz optimiert werden kann. Mit dem Design-Ziel, dass der Umrichter einen geringen Schallpegel im hörbaren Bereich aufweisen soll, werden höhere Schaltfrequenzen bevorzugt. Bild 5 und Bild 6 zeigen die statischen Leiteigenschaften und die Schaltverluste für beide Module, wodurch die höheren Leit- aber niedrigeren Schaltverluste im Falle des SLIMDIP-W verdeutlicht werden.

Bild 7: Das Package-Design der SLIMDIP-Serie liefert einen sauberen Ein- und Ausschaltvorgang (die 
Schaltkurven für Phase U, N-Seite).
Bild 7: Das Package-Design der SLIMDIP-Serie liefert einen sauberen Ein- und Ausschaltvorgang (die 
Schaltkurven für Phase U, N-Seite).
(Bild: Mitsubishi Electric)

Höhere Schaltgeschwindigkeiten gehen einher mit steileren Schaltflanken. Hierdurch beeinflussen parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten das Schaltverhalten mehr. Trotz der anspruchsvolleren Bedingungen, kann das Package-Design der SLIMDIP-Serie hier auf ganzer Linie einen sauberen Ein- und Ausschaltvorgang liefern (Bild 7).

Bild 8: 
Beim SLIMDIP-W wurde durch Anpassung der Charakteristik die Störausstrahlung (elektromagnetischer Störpegel) reduziert.
Bild 8: 
Beim SLIMDIP-W wurde durch Anpassung der Charakteristik die Störausstrahlung (elektromagnetischer Störpegel) reduziert.
(Bild: Mitsubishi Electric)

Üblicherweise geht mit einer Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit eine Erhöhung der elektromagnetischen Störung einher. Im Falle des SLIMDIP-W konnte durch durchdachte Anpassung der Charakteristik die Störausstrahlung sogar reduziert werden (Bild 8).

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Leistungselektronik & Stromversorgung II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

Fazit: Das neu entwickelte SLIMDIP-W ist die Antwort auf den Bedarf nach kompakten und kosteneffizienten Umrichtern für Haushaltsgeräte und kleinen Industrieanwendungen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten. Die Langzeiterfahrung von Mitsubishi Electric im Bereich der DIPIPM-Produkte steht für eine hohe Zuverlässigkeit mit japanischer Qualität. Dank der Kompatibilität zum Typ SLIMDIP-L sind vorhandene Umrichter für höhere Schaltfrequenzen mit geringem Aufwand durch Einsatz des SLIMDIP-W optimierbar. Zusätzlich emittiert das SLIMDIP-W geringere elektromagnetische Störungen, wodurch Herausforderungen im elektrischen Aufbau reduziert werden. Start der Produktion des SLIMDIP-W ist jetzt; Muster gibt es über die Ratinger Niederlassung von Mitsubishi Electric.

* Philipp Jabs ist Business Development Engineer bei Mitsubishi Electric Europe.

* Akiko Goto ist Application Engineering Manager bei Mitsubishi Electric Power Device Works in Japan.

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