Grundlagen Power-Module punkten gegenüber diskretem Lösungsaufbau

Autor / Redakteur: Evangelos Theodossiu * / Gerd Kucera

Modulhersteller liefern ein nach Funktion und Eigenschaft definiertes Subsystem. Elektrische wie mechanische Spezifikationen, etwa in Bezug auf EMV, Effizienz und Belastbarkeit, vereinfachen das Design.

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Bild 1: Typisches Powermodul, bestehend aus robustem Basismaterial (oben) und zuverlässigem Gehäuse (unten).
Bild 1: Typisches Powermodul, bestehend aus robustem Basismaterial (oben) und zuverlässigem Gehäuse (unten).
(Bild: Vincotech)

Der Bedarf an Leistungselektronik in Anwendungen aus den Bereichen Solar- und Windenergie, industrielle Antriebe und unterbrechungsfreie Stromversorgungen steigt stark. Insbesondere in Bezug auf Effizienz und Zuverlässigkeit stellen sich hier besonders hohe Anforderungen. Nur mit einer optimalen Lösung lassen sich die hohen Anforderungen bei gleichzeitig optimalem Kosten/Nutzen-Verhältnis realisieren. Power-Module bieten vielfach eine optimierte Lösung für den Einsatz von Leistungshalbleitern.

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Zunächst stellt sich die Frage, was der Begriff Power-Modul genau beschreibt. 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 zusammengefasst und verbunden. Es bildet ein Subsystem, das nach der jeweiligen Anwendung auszuwählen ist.

Ein typischer Vertreter der Power-Module ist das sogenannte 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 Aufgabenstellungen der Systementwicklung. So bietet es eine sehr gute thermische Anbindung an den Kühlkörper, bei gleichzeitiger optimaler elektrischer Isolation.

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 System-Designer kann sich auf die gegebenen elektrischen wie mechanischen Spezifikationen verlassen, etwa in Bezug auf EMV, Effizienz, Belastbarkeit und Zuverlässigkeit. Zudem bekommt er all dies als Off-the-shelf-Lösung, was dem allgegenwärtigen Druck einer möglichst kurzen Produkteinführungszeit Rechnung trägt.

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 mit den Kosten eines Moduls, macht man es sich zu leicht. Im nachfolgenden werden Argumente vorgebracht, die dieses belegen sollen.

Das ausschlaggebende Argument für das Modul, ist dessen positiver Einfluss auf die Gesamtzuverlässigkeit des Systems (Anzahl der möglichen Temperatur- und Lastzyklen). Nichts ist schlimmer als eine Anzahl von bereist 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.

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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