Power für Motion Control Trends und Power-Lösungen für elektrische Antriebe

Autor / Redakteur: Osman Çoban * / Gerd Kucera

Dieser Beitrag gibt einen Überblick über den aktuellen Technikstand der Leistungskomponenten von beispielsweise IGBT-Modulen, IPMs und DIP-IPMs für etwa Frequenzumrichter und Wechselrichter.

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Bild 1: Die DC/DC-Wandler-Serien MGJxx von Murata Power Solutions für IGBT-Treiber erreichen mit Basis- und Zusatzisolation eine Isolationsspannung von 5,2 kVDC und entsprechen dem Sicherheitsstandard UL60950. Die Serien bestehen aus jeweils 12 Modellen.
Bild 1: Die DC/DC-Wandler-Serien MGJxx von Murata Power Solutions für IGBT-Treiber erreichen mit Basis- und Zusatzisolation eine Isolationsspannung von 5,2 kVDC und entsprechen dem Sicherheitsstandard UL60950. Die Serien bestehen aus jeweils 12 Modellen.
(Bild: IS-LINE)

Im Bereich der Leistungselektronik für die elektrische Antriebstechnik sind Forderungen nach einer immer weitergehenden Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung von Komponenten wie IGBT-Modulen, IPMs (Intelligente Power Module) und DIP-IPMs (Dual Inline Package IPMs) an der Tagesordnung, um weitere Anwendungen zu ermöglichen, bei denen Restriktionen in Sachen Geometrie und Gewicht eine wesentliche Rolle spielen. Dies gilt für Elektro- und Hybridantriebe in Kfz und Lokomotiven ebenso wie für andere Motorsteuerungen, etwa in Klimaanlagen oder Waschmaschinen, in Servoantrieben und USVs, aber z.B. auch in der Aufzugtechnik.

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Technologieführende Hersteller wie Mitsubishi Electric, Murata Power Solutions oder Powersem sind hier stets bemüht, durch innovative Chip-Technologien dem Anwender die bestmögliche Lösung anzubieten. Im Folgenden wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technologie im Bereich von Komponenten für Power-Module sowie für Frequenzumrichter und Wechselrichter gegeben.

IGBT-Module in der 7. Generation

Bei der Ansteuerung von AC-Motoren kommen heute vermehrt IGBT-Module (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor) als Leistungsschalter zum Einsatz. Mitsubishi Electric stellt nunmehr bereits die siebte Generation von IGBT-Modulen vor. Im neu entwickelten IGBT-Chip und einer neuen Diode wurden dabei vor allem die statischen und dynamischen Verluste reduziert, was – durch entsprechend kleinere benötigte Kühlkörper – insbesondere der Forderung nach Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung entgegenkommt.

Der neue IGBT-Chip basiert auf einer optimierten CSTBT-Technologie (Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor). Die Schichtdicke des Chips ist dabei dünner als die vorherige Version mit LPT-Struktur (LPT = Light Punch Through). Im Ergebnis konnten durch die Reduktion der Schichtdicke die statischen und dynamischen Verluste reduziert werden, ohne die Kurzschlussfestigkeit in Gefahr zu bringen.

Gleichzeitig kommt eine neue RFC-Diode (RFC = Relaxed Field of Cathode) zum Einsatz. Diese weist gegenüber der herkömmlichen Diode zwei wesentliche Unterschiede auf: Die RFC-Diode verfügt nicht nur über eine um 20% dünnere Wafer-Schichtdicke als die herkömmliche, sondern außerdem noch über eine einzigartige Struktur auf der Kathodenseite des Chips. Auch hier wird eine Reduzierung der statischen und dynamischen Verluste erzielt, bei gleichzeitiger Vermeidung der von herkömmlichen Dioden bekannten Snap-off- und Oszillations-Phänomene.

Schließlich waren auch bei den Package-Gehäusen deutliche Verbesserungen durch ein neuartiges Isolationsmaterial und eine neue Wärmeabstrahlungsstruktur möglich, wodurch sich eine höhere Chip-Dichte erzielen ließ. Im Endeffekt erreichen die IGBT-Module der siebten Generation eine doppelte Strombelastbarkeit bei gleichen Gehäuseabmessungen und eine Gewichtsreduzierung um bis zu 45% gegenüber herkömmlichen Modulen (z.B. von 580 auf 320 Gramm bei einem 600 A/1200 V-Modul). Die neuen Module sind vorerst für Leistungsbereiche von 75 bis 600 A im Standard-Package und von 100 bis 1000 A im NX-Package für 650 V/1200 V und 1700 V verfügbar. Sie gibt es als lötbare oder auch als Press-Fit-Variante.

40% weniger Verluste durch Hybrid-SiC-Module

Auch im Bereich der Hybrid-SiC-Leistungshalbleiter-Module (SiC; Siliziumkarbid) für Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen bietet Mitsubishi Electric bereits serienfertige IGBT-Module. Diese jüngste Erweiterung der Leistungshalbleiter-Modulbaureihe NFH ermöglicht es, die elektrische Verlustleistung um 40% zu senken. Ausgestattet mit SiC-Schottky-Barrier-Dioden (SBD) und Silizium-IGBTs bietet der Einsatz dieser Module den Entwicklern neben einer Erhöhung des Wirkungsgrades die Möglichkeit zur Verkleinerung und Gewichtsreduktion der Wechselrichter. Die Module sind für Schaltfrequenzen deutlich über 20 kHz konzipiert.

Die neuen Hybrid-SiC-Power-Module sind als Halbbrücke aufgebaut und für Sperrspannungen von 1200 V ausgelegt. Je nach Ausführung kann der Nennstrom zwischen 100 A und 600 A betragen. Sämtliche Gehäusetypen sind in ihren Abmessungen zu den konventionellen Leistungshalbleitermodulen der NFH-Baureihe kompatibel, in der sowohl Silizium-Dioden als auch Silizium-IGBTs verwendet werden.

Die 100-A- und die 150-A-Module, die in einem Gehäuse mit den Abmessungen 48 mm x 94 mm untergebracht sind, weisen eine um etwa 30% geringere interne Induktivität auf als die konventionellen IGBT-Module. Die 200-A- bzw. 300-A-Module besitzen eine Bodenplatte mit den Abmessungen 62 mm x 108 mm, während die 400-A- und 600-A-Module mit einer Bodenplatte von 80 mm x 110 mm ausgestattet sind. Zu den typischen Anwendungen für die Hybrid-SiC-Power-Module zählen unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) sowie Stromversorgungen für medizinische Geräte.

Dreiphasiger Brückengleichrichter

Auf Leistungselektronik spezialisierte Distributoren wie IS-LINE können wertvolle Dienste bei der Auswahl der für die jeweilige Anwendung passenden Komponenten leisten und Produkte verschiedener Hersteller unter Ausnutzung von Synergien in einer Applikation zusammenfügen. Gleichzeitig fungieren sie als Mittler zwischen den Forderungen aus der Praxis der Entwickler und den Herstellern. Ein gutes Beispiel hierfür sind die neuen dreiphasigen Brückengleichrichter von Powersem im ECO-PAC-Gehäuse mit einer Gesamtbauhöhe von 29 mm.

Ein Problem, mit dem viele Entwickler konfrontiert sind: Das IGBT-Modul und der Gleichrichter sollen gemeinsam und eben auf einen Kühlkörper montiert werden, weisen aber unterschiedliche Bauhöhen auf. Als Lösung produziert der Hersteller nun kundenspezifische Brückengleichrichter und hat dabei die Pin-Längen so verlängert, dass der Gleichrichter ohne Probleme auf einer Leiterplatte bestückt und mit dem IGBT-Modul auf einen Kühlkörper montiert werden kann. Auch entsprechende SiC-Gleichrichtermodule und Diodenmodule sind von Powersem erhältlich.

Isolierter Dual-Output für IGBT-Treiber

Auch für die Versorgung der typischen IGBT-Treiber finden sich im Portfolio von IS-LINE mit den DC/DC-Wandlern der MGJxx-Serien von Murata Power Solutions die passende Lösungen – sowohl für Standard- als auch für SiC-Anwendungen. Die DC/DC-Wandler werden mit 2 W, 3 W oder 6 W Leistung angeboten und bieten jeweils zwei Ausgänge. Die kompakten, gekapselten Produkte eignen sich zur Versorgung der high- und low-seitigen Gate-Treiber in Brückenschaltungen mit IGBTs und MOSFETs.

Die MGJxx-Serien erreichen mit Basis- und Zusatzisolation eine hohe Isolationsspannung von 5,2 kVDC und entsprechen dem international anerkannten Sicherheitsstandard UL60950. Die Serien bestehen aus jeweils 12 Modellen mit Nenn-Eingangsspannungen von 5 V, 12 V, 15 V und 24 V DC. Für jede Eingangsspannung stehen die drei Ausgangsspannungs-Kombinationen +15/-5 VDC, +15/-8,7 VDC und +20/-5 VDC (geeignet für SiC-IGBT-Gate-Treiber) zur Wahl. Die Bausteine der MGJ3- und MGJ6-Serien haben Triple Outputs, sind konfigurierbar und SMD-fähig.

Treffen Sie das Team der IS-Power in der Ausstellung des Praxisforums Elektrische Antriebstechnik am 25. März im Vogel Convention Center in Würzburg.

* Osman Çoban ist Executive Director IS-Power bei IS-LINE, Unterschleißheim.

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