Homogene interne Stromverteilung und eine verbesserte AVT

| Autor / Redakteur: Thomas Radke, Narender Lakshmanan * / Gerd Kucera

Bild 1: Das neue LV100-Leistungshalbleiter-Modul für die industrielle Anwendung wie Motorantriebe, Windenergie und Photovoltaik-Wechselrichter.
Bild 1: Das neue LV100-Leistungshalbleiter-Modul für die industrielle Anwendung wie Motorantriebe, Windenergie und Photovoltaik-Wechselrichter. (Bild: Mitsubishi Electric)

Stromasymmetrie und Streuinduktivität in einem Modul reduzieren beim schnellen Schalten nicht nur Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit. Das hier beschriebene LV100-Modul folgt daher einem neuen Konzept.

Hochleistungsapplikationen in Bereichen wie erneuerbare Energien und industrielle Antriebe erfordern zuverlässige und skalierbare Leistungshalbleiter-Module mit hoher Leistungsdichte und niedriger Streuinduktivität. Insbesondere die Streuinduktivität und das Layout-Konzept des Moduls sind von Bedeutung, wenn man die Anforderungen von neuen Halbleiterbauelementen wie SiC-MOSFETs berücksichtigt. Um diese Anforderungen zu erfüllen, hat Mitsubishi Electric das Konzept des etablierten HVIGBT-LV100-Gehäuses übertragen und an die Anforderungen von Applikationen der erneuerbaren Energie und Industrie-Anwendungen angepasst.

Das LV100-Konzept: Applikationen wie Stromrichter für Windenergieanlagen, Zentralwechselrichter in der Photovoltaik und industrielle Antriebe erfordern Leistungshalbleiter-Module mit höchster Leistungsdichte, hoher Zuverlässigkeit und skalierbarer Leistung in einem standardisierten Gehäuse in den Spannungsklassen 1200 und 1700 V.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, basiert das LV100-Leistungshalbleiter-Modul auf dem gleichen internen Layout-Konzept wie das Modul HVIGBT-LV100. Vorteile dieses Konzepts sind u.a. standardisierte Gehäusemaße, höchste Leistungsdichte, Skalierbarkeit durch einfach zu realisierende Parallelschaltung, geringe Streuinduktivität und sehr gute interne homogene Stromaufteilung. Daher ist dieses Layout-Konzept gut geeignet, um auch mit schnell schaltenden Halbleitern wie SiC-MOSFETs betrieben zu werden.

Das LV100-Modul nutzt SLC-Aufbau- und Verbindungstechnik, womit faktisch Ausfälle des Moduls durch Temperaturzyklen der Bodenplatte eliminiert sind. Auf Basis der siebten IGBT- und Dioden-Chip-Generation ermöglicht LV100 in der 1700-V-Spannungsklasse einen Nennstrom von 1200 A und damit eine sehr hohe Stromdichte in Anbetracht des kompakten Halbleitergehäuses mit einer Basisfläche von gerade einmal 144 mm x 100 mm.

Das LV100-interne niederinduktive Layout

In Hochstrom-IGBT-Modulen werden mehrere Chips parallel geschaltet. Dies ist erforderlich, weil IGBT-Chips in der Größe limitiert sind, sodass für die Sperrspannungsklassen von 1200 V und 1700 V der Nennstrom eines Einzel-Chips auf etwa 200 A begrenzt ist. Daher ist für die Realisierung eines IGBT-Moduls mit einem Nennstrom von beispielsweise 1200 A oder höher eine Parallelschaltung von mindestens sechs oder mehr IGBT-Chips erforderlich.

Beim Entwerfen des Layouts muss die Stromverteilung zwischen den parallel geschalteten Chips sorgfältig geprüft werden. Eine gleichmäßige Stromverteilung zwischen den Chips ist erforderlich, um eine homogene Verlust- und Wärmeverteilung zu erzielen. Eine inhomogene Stromverteilung hat zur Folge, dass durch einen einzelnen Chip ein höherer Strom fließt als durch die übrigen und dadurch dieser Chip eine höhere Verlustleistung und damit erhöhte Temperatur erfährt. Letztlich ist die nutzbare Leistung und Lebensdauer des gesamten Systems durch die inhomogene Stromverteilung begrenzt.

Die parasitären Impedanzen der elektrischen Verbindung von den Lastanschlüssen zu den einzelnen Chips beeinflussen maßgeblich die Stromverteilung zwischen den parallel betriebenen Chips. Für den Fall, dass die parasitären Induktivitäten nicht für alle Chips gleich sind, wird eine dynamische Stromasymmetrie während des IGBT-Schaltvorgangs auftreten. Die Anordnung der Lastanschlüsse in Verbindung mit den Chip-Positionen ist der wichtigste Einflussfaktor für die parasitären Impedanzen.

Bild 2: Vergleich der Layout-Konzepte von Leistungshalbleiter-Modulen
Bild 2: Vergleich der Layout-Konzepte von Leistungshalbleiter-Modulen (Bild: Mitsubishi Electric)

Um eine gleiche Impedanz zu realisieren, müssen die Entfernungen von den Leistungsanschlüssen zu allen Chips möglichst identisch sein. Gleiche Impedanzen und Entfernungen zu den Chips sind nur dann möglich, wenn die Lastanschlüsse und Chips senkrecht zum Stromfluss angeordnet sind, wie dies in Bild 2 gezeigt ist. In einem idealen Modul findet die Stromkommutierung (gekennzeichnet durch die blauen und roten Pfeile in Bild 2) nur in Y-Richtung statt, während Lastanschlüsse und Chips senkrecht in X-Richtung orientiert sind.

Durch diesen Ansatz werden gleiche Entfernungen und somit gleiche parasitäre Impedanzen erreicht. Das ideale Konzept wurde bei der Entwicklung des LV100-Layouts berücksichtigt und eine homogene Stromverteilung erzielt, wie im Simulationsergebnis in Bild 3 dargestellt.

Bild 3: Simulationsergebnis der Stromverteilung beim IGBT-Einschalten im LV100-Gehäusekonzept
Bild 3: Simulationsergebnis der Stromverteilung beim IGBT-Einschalten im LV100-Gehäusekonzept (Bild: Mitsubishi Electric)

Herkömmliche Module, die aktuell verfügbar sind und häufig in industriellen Hochleistungsantrieben oder Konvertern für erneuerbare Energien eingesetzt werden, haben in der Regel eine Lastanschlussanordnung, die parallel zur Chip-Anordnung und zum Stromfluss verläuft. Die Folge dieser üblichen Bauart ist, dass gleiche parasitäre Impedanzen für die verschiedenen Chips nicht möglich sind und die daraus resultierenden ungleichen Stromverteilungen einhergehend mit reduzierter Leistungsfähigkeit oder Zuverlässigkeit toleriert werden müssen.

Um die parasitären Streuinduktivitäten zwischen den Lastanschlüssen und den einzelnen Chips gleichmäßiger zu entwerfen, werden laminierte Stromschienen in X-Richtung eingebaut. Bei Betriebszuständen wie Last-Kurzschlüssen ist dies jedoch nicht wirksam, weil der Strom extern über den AC-Ausgang ansteigt und somit die Stromschienen magnetisch nicht kompensiert sind und die Reduzierung der Streuinduktivität unwirksam ist. Bei schnell schaltenden Halbleiterbauelementen mit höherem di/dt beeinflussen die Unterschiede in den parasitären Streuinduktivitäten zwischen den Chips die Stromverteilung noch signifikanter.

Das Line-up der LV100-Module
Das Line-up der LV100-Module (Bild: Mitsubishi Electric)

Wenn Entwickler von Wechselrichtern in Zukunft auf Siliziumkarbid-basierte Komponenten umsteigen möchten, dann ist das LV100-Gehäuse die empfohlene Wahl, da das Layout-Konzept für das Halbleitermaterial Siliziumkarbid aufgrund der geringen und homogen verteilten Streuinduktivität geeignet ist. Infolgedessen ist ein zukünftiger Wechsel von einem Silizium-IGBT zu einem MOSFET auf Siliziumkarbid-Basis mit nur geringeren Änderungen und weniger Aufwand für die Anpassung potenziell möglich.

Ohne Ausfälle durch Temperaturzyklen

Bei IGBT-Modulen in industriellen Hochleistungsanwendungen treten Temperaturschwankungen bei wechselnden (oder nicht kontinuierlichen) Lasten auf. Windenergieanlagen werden üblicherweise flüssigkeitsgekühlt, wobei der Kühler eine thermische Zeitkonstante von einigen Sekunden aufweist. Infolgedessen reagiert die Gehäusetemperatur des IGBT schnell mit einem Temperaturwechsel bei sich ändernden Lastbedingungen. Das bedeutet, dass die Bodenplatte des IGBT-Moduls an Tagen mit böigem Wind viele Temperaturzyklen durchläuft.

Auch Photovoltaik-Wechselrichter erleben während ihres Betriebs mindestens einen großen Temperaturzyklus pro Tag. Bei einer Lebensdauer des Wechselrichters von 25 Jahren muss das IGBT-Modul mehreren tausend thermischen Zyklen standhalten können. Die Temperaturzyklusfähigkeit gängiger industrieller IGBT-Module mit konventioneller Aufbau- und Verbindungstechnik (mit mehreren Keramiksubstraten, die auf Kupferbodenplatten gelötet werden) ist begrenzt. Daher müssen Temperaturzyklen an der Bodenplatte als lebensdauerbegrenzender Parameter bei der Auslegung des Umrichters berücksichtigt werden.

Bild 4: Testergebnis der SLC-Aufbau- und Verbindungstechnik und Temperaturwechsel
Bild 4: Testergebnis der SLC-Aufbau- und Verbindungstechnik und Temperaturwechsel (Bild: Mitsubishi Electric)

Um den Temperaturwechsel als lebensdauerbegrenzenden Parameter auszuschließen, wurde die SLC-Technologie für die LV100-Entwicklung zum Einsatz in industriellen Anwendungen ausgewählt. Wie in Bild 4 dargestellt, wird die herkömmliche Struktur des Modulgehäuses durch eine IMB (Insulated Metal Baseplate) in Kombination mit einem Vergussharz ersetzt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Isolators und des Vergussharzes sind der Ausdehnung der Kupferbodenplatte angeglichen worden. Aufgrund dieser angepassten Wärmeausdehnung und der Eliminierung der Lotschicht zwischen Bodenplatte und Isolation lassen sich faktisch Ausfälle des Moduls durch Temperaturzyklen der Modul-Bodenplatte ausschließen.

Details zur siebten Generation des 1700-V-IGBT-Chip-Satzes

Die IGBT- und Dioden-Chips der siebten Generation besitzen eine optimierte Struktur und sind dünner als ihre Vorgänger. Darüber hinaus wurde bei der Chip-Entwicklung der Kompromiss zwischen den Schalt- und Leit-Verlusten optimiert, sodass bei typischen Einsatzbedingungen die Gesamtverluste signifikant niedriger sind. Die Wechselrichterverluste unter typischen Anwendungsbedingungen für Hochleistungsumrichter wurden mit der Simulations-Software Melcosim von Mitsubishi Electric durchgeführt. Diese Software ermittelt in Abhängigkeit der Vorgaben des Entwicklers die Verlustleistung und daraus die thermische Belastung.

Bild 5: Die Grafik zeigt einen Vergleich der Verlustleistung des IGBT-Chips der siebten Generation im LV100-Modul (1200 A/1700 V) vs. eines anderen Herstellers.
Bild 5: Die Grafik zeigt einen Vergleich der Verlustleistung des IGBT-Chips der siebten Generation im LV100-Modul (1200 A/1700 V) vs. eines anderen Herstellers. (Bild: Mitsubishi Electric)

In Bild 5 ist das Ergebnis und der Vergleich der Verlustleistung des LV100-Moduls (Part Number CM1200DW-34T, 1200 A/1700 V) mit einem herkömmlichen 1400 A/1700 V-Modul eines anderen Herstellers dargestellt. Bei einer Schaltfrequenz von 500 Hz sind die Gesamtverluste vergleichbar. Bei höheren Schaltfrequenzen sind die Verluste jedoch deutlich niedriger aufgrund des besser eingestellten und insbesondere für höhere Frequenzen effizienteren Kompromisses von Schalt- und Leit-Verlusten in Kombination mit der optimierten Chip-Struktur.

Das Ergebnis ist, dass das LV100 für Schaltfrequenzen über 500 Hz einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist. Beispielsweise beträgt bei einer Schaltfrequenz von 5 kHz die Reduzierung der Verlustleistung 39%. Diese Reduzierung der Verluste trägt dazu bei, die Kosten des gesamten Wechselrichters zu senken, indem beispielsweise der Aufwand und die Baugröße für die Kühlung verringert und gleichzeitig eine höhere Leistungsdichte des Wechselrichtersystems erzielt werden kann.

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* Thomas Radke ist Assistant Manager Business Development Power Semiconductor. Narender Lakshmanan ist Application Engineer Power Semiconductor, beide bei Mitsubishi Electric.

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