Bei der Senkung der Kosten von Leistungsmodulen ist es wichtig, neben den Kosten von Einzelbauteilen auch deren Funktionalitäten in Betracht zu ziehen. Es ist durchaus durchaus möglich, dass einzelne Komponenten und Bauteile einen höheren Preis haben, aber durch spezielle Funktionen an anderer Stelle im Gesamtsystem größere Kosteneinsparungen ermöglichen. Die Integration aller Leistungshalbleiter in ein Leistungsmodul bietet eine ganze Reihe von Vorteilen: Von der einfachen Montage über den zuverlässigen Aufbau bis hin zur schnellen Design-in-Zeit und somit einer schnelleren Markteinführung des Endproduktes. Auch ein verbessertes und optimiertes elektrisches Verhalten sowie ein vollständig getestetes und zertifiziertes Isolationssystem sind positive Begleiterscheinungen einer Integration. Eine Verringerung der Systemkosten auf Modulebene wird beispielsweise durch Verbesserung der Effizienz und der EMI, der Erhöhung der Integrationsdichte, der Vereinfachung der Produktion und schließlich durch die Optimierung hinsichtlich der Anforderungen in der Endapplikation erreicht.

Niederinduktives Design für mehr Effizienz

Eck-Daten

Neben der Effizient sind die Kosten ein wichtiger Faktor bei der Produktentwicklung. Das Leistungsmodul ist eine Schlüsselkomponente zur Optimierung der System- und Produktionskosten. Hierbei muss über die reine Auswahl der Leistungshalbleiter hinausgedacht und ein Augenmerk auf EMV, thermische Anbindung, Integrationsdichte und Vereinfachung des Produktionsprozesses der Endanwendung gelegt werden.

Die freie Positionierung der Modulpins ist ein wichtiger Freiheitsgrad im PCB-Layout, da hiermit die parasitären Induktivitäten auf der Leiterplatte minimiert werden können. Eine geringe Induktivität im Kommutierungskreis hat eine geringere Überspannung am Schaltelement zur Folge und ermöglicht somit auch die Erhöhung der Schaltfrequenz. Modulintern lässst sich die Streuinduktivität durch geschickte Platzierung der Halbleiter und Minimierung der Bonddrahtlänge verringern. Mit diesem Konzept wird weiterhin auch die zur Verfügung stehende DCB-Fläche (Direct Copper Bonding) maximal ausgenutzt.

Niederinduktive Designs sind der Schlüssel zu hochintegrierten und effizienten Leistungsmodulen. Die Auswahl der Halbleiter bestimmt neben den Kosten auch den Wirkungsgrad. Je nach Optimierungsziel kann durch den Einsatz von IGBTs aufgrund der nicht linearen Durchlasswerte der Wirkungsgrad bei Volllast optimiert werden. Der Einsatz von MOSFETs ermöglicht hingegen die Optimierung für den Teillastbereich. Einen weiteren Freiheitsgrad bietet die Möglichkeit, das aktive Schaltelement mit unterschiedlichen Dioden zu kombinieren. Durch die Verwendung von schnellen Dioden lässt sich der Wirkungsgrad verbessern, allerdings haben große Steilheiten in Strom und Spannung einen nachteiligen Effekt auf die EMV.

Kondensator in Leistungsmodul integriert

Kommutierungsverhalten zweier unterschiedlicher IGBT- und Diodentechnologien Leistungsmodul

Bild 1: Kommutierungsverhalten zweier unterschiedlicher IGBT- und Diodentechnologien. Vincotech

In dem illustrierten Kommutierungsverhalten zweier unterschiedlicher IGBT-Technologien für Motorwechselrichter (Bild 1) sind die Schaltenergien gleich, der Hauptunterschied besteht in der Höhe der Dioden-Rückstromspitze und der Steilheit des Stromes während der Diodenerholzeit. Auch ist zu erkennen, dass nach der Rückstromspitze einer der IGBTs eine Oszillation im Strom aufweist. Eine geringere Rückstromspitze verbunden mit geringerer Steilheit im Stromanstieg hat eine verbesserte EMV zur Folge, was einen geringeren Filteraufwand notwendig macht. Für Anwendungen in der Stromversorgung wird zur Netzanbindung eine Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) benötigt. Um die Größe der PFC-Drossel gering zu halten, beträgt die Schaltfrequenz hier teilweise über 100 kHz.

Leistungsmodul mit integrierten Kondensator und parasitären Induktivitäten der Pins und der Leiterplatte

Bild 2: Leistungsmodul mit integrierten Kondensator und parasitären Induktivitäten der Pins und der Leiterplatte. Vincotech

Bild 2 verdeutlicht, dass ohne den integrierten Kondensator CSnub die Induktivität der Modulpins und der Leiterplatte im Kommutierungskreis liegen. Diese Induktivitäten verursachen insbesondere bei schnellen Halbleitertechnologien wie MOSFETs einen Spannungssprung. Dieser führt zum einen zu einer erhöhten Spannung an den Schaltelementen und zum anderen zu höheren Schaltverlusten. Der integrierte Kondensator schließt die Kommutierungsschleife ab und stellt einen niederinduktiven Pfad für den hochfrequenten Strom zur Verfügung. Die Integration des Kondensators in ein DCB-Keramik-basiertes Leistungsmodul ist bei Vincotech ein qualifizierter Prozess und lässt sich ohne Einschränkungen anwenden.

 

Auf der folgenden Seite erfahren Sie, wie sich bei Leistungsmodulen die thermische Anbindung verbessern lässt und wie Siliziumnitrid die Modulkosten senkt.

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