Bild 1: Leistungsmodule der Generation Primepack in IGBT5-Technologie für Spannungsklassen von 1200 und 1700 V.

Bild 1: Leistungsmodule der Generation Primepack in IGBT5-Technologie für Spannungsklassen von 1200 und 1700 V. Infineon

Hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer gelten in der Energieverteilung und Versorgung sowie in industriellen Anwendungen als besonders wichtige Anforderungen. Darüber hinaus spielen die Energieeffizienz der einzelnen Komponenten sowie die Stromtragefähigkeit eine immer bedeutendere Rolle. Erfüllen lässt sich dieser Anforderungskatalog mit Leistungsmodulen aus der Familie Primepack.

Die bestehenden Leistungsmodule der Primepack-Familie mit der IGBT4 -Chiptechnologie für 1400 A wird durch die neue IGBT5-Chiptechnologie mit einer zulässigen Stromtragefähigkeit von 1800 A erweitert- bei identischen Gehäuseabmessungen. Die Module der Serie Primepack mit IGBT5-Technologie stehen für die Spannungsklassen 1200 und 1700 V zur Verfügung (Bild 1).

Eckdaten

Die Leistungsmodule der Serie Primepack basieren auf IGBT5-Chips sowie auf der .XT-Aufbau- und Verbindungstechnologie von Infineon. Gegenüber früheren Modellen bieten die Primepack-Module eine höhere Leistungsdichte sowie geringere statische und dynamische Verluste. Zudem weisen sie eine längere Lebensdauer und verbesserte thermische Eigenschaften auf.

Chip-Technologie IGBT5 versus IGBT4

Genau wie IGBT4-Chips basieren auch IGBT5-Chips auf der Trench-Field-Stop-Technologie, wobei die IGBT5-Technologie eine dünnere aktive Siliziumschicht mit geringeren statischen und dynamischen Verlusten aufweist. Dies wird durch neue Materialien und Materialkombinationen erreicht. Die Aufbringung der IGBT5-Chips und Dioden auf dem Trägersubstrat erfolgt entgegen dem herkömmlichen Verlöten über ein Sinterverfahren. Auf der Vorderseite des IGBT5-Chips befindet sich eine dicke Kupferbeschichtung (Bild 2).

Tabelle 1: Gegenüberstellung der Sperrschichttemperatur Tj,op,max. und der Schaltverluste Esw/A (%).

Tabelle 1: Gegenüberstellung der Sperrschichttemperatur Tj,op,max. und der Schaltverluste Esw/A (%). Infineon

Durch die Kombination der IGBT5-Chip-Technologie mit der Aufbau- und Verbindungstechnologie .XT von Infineon sowie mit einer speziellen Kupferbeschichtung der Chips zusammen mit der Kupferbonddrahtverbindung konnten die Entwickler einen geeigneten Aufbau erreichen. Bei der konventionellen Verbindungstechnologie nutzen die Hersteller im Regelfall Bonddrähte aus Aluminium.

Aufgrund der beschriebenen Maßnahmen ist eine Sperrschichttemperatur (Tj,op,max) von +175 °C möglich. Daraus ergibt sich eine höhere zulässige Systemleistung bei gleichzeitiger Verlängerung der Lebensdauer. Im Betrieb sind die dynamischen Schaltverluste von Interesse. So erreicht die 1700-V-Version P5 eine 30 % höhere Stromdichte als die vorherige 1700-V-Version P4 (Tabelle 1). Diese Daten beziehen sich auf die gleichen Grundflächen des Primepack-Moduls. Außerdem erlauben die P5-Modelle eine 25 K höhere Sperrschichttemperatur bei gleichzeitig geringeren Schaltverlusten pro Ampere (Esw/A).

Anwendungsbeispiel Standardfrequenzumrichter

Bild 2: Unterschiede im Aufbau der Chip-Technologien IGBT4 versus IGBT5.

Bild 2: Unterschiede im Aufbau der Chip-Technologien IGBT4 versus IGBT5. Infineon

Eine typische Anwendung für IGBTs ist ein Standardfrequenzumrichter, bestehend aus einem Gleichrichter zur Energieeinspeisung aus dem Drehstromnetz, dem Brems-Chopper, einem Spannungszwischenkreis und einem Wechselrichter (Bild 3). Die Aufgabe des Wechselrichters, der aus sechs IGBTs besteht ist, die Gleichspannung des Zwischenkreises in eine Wechselspannung mit einstellbarer Frequenz und Amplitude zu wandeln. Dies ermöglicht eine stufenlose Regelung des Motordrehmoments.

Stromsensoren und Drehgebersysteme erfassen die relevanten Parameter und leiten sie zur Verarbeitung an einen Mikrocontroller weiter. Die Gate-Treiber erzeugen zielgerichtete Impulse, welche die einzelnen IGBTs des Wechselrichters ansteuern. Arbeitet der angeschlossene Motor im Generatorbetrieb, zum Beispiel aufgrund der hohen Massenträgheitsmomente beim Bremsvorgang, erfolgt die Rückspeisung der Energie vom Motor in den Standardfrequenzumrichter.

Die vom Antrieb zurückgespeiste Energie lässt sich nicht über den Gleichrichter ins Netz zurückführen. Daraus ergibt sich eine erhöhte Spannung am Zwischenkreiskondensator. Um einem solchen Fall vorzubeugen, enthalten Standardfrequenzumrichter, bei denen ein applikationsbedingter generatorischer Betrieb mit angeschlossener Last erforderlich ist, einen Brems-Chopper sowie einen Bremswiderstand.

Bild 3: Prinzipieller Aufbau eines Standardfrequenzumrichters.

Bild 3: Prinzipieller Aufbau eines Standardfrequenzumrichters. Infineon

Sobald die Zwischenkreisspannung am Kondensator (uZWKmax) den Wert von etwa 565 V überschreitet (uZWKmax. = √2 × UN,Dreieck beim 400-V-Netz) schaltet der IGBT im Brems-Chopper ein. Dadurch fließt der Strom über den Bremswiderstand und die Energie im Zwischenkreis ab. Bedingt durch die Montagemöglichkeiten erfolgt der Betrieb des Bremswiderstands meistens außerhalb des Standardfrequenzumrichters.

Ist ein netzrückspeisefähiger Spannungszwischenkreisumrichter erforderlich, zum Beispiel für die Energieversorgung, benötigt man zum maschinenseitigen Stromrichter beziehungsweise Motorwechselrichter einen baugleichen Stromrichter auf der Netzseite oder einen Netzwechselrichter. Der Netzwechselrichter ersetzt in diesem Fall den Gleichrichter. Aufgrund der Rückspeisefähigkeit dieser Schaltungstopologie ist für den Regelbetrieb kein Brems-Chopper nötig. Damit der entsprechende Brummstrom, der im Spannungszwischenkreis entsteht, das Netz nicht unnötig belastet, installiert man vor dem Gleichrichter pro Phase eine Drossel.

Kooperation zwischen Rutronik und Infineon

Rutronik hat bereits seit 1980 Leistungshalbleiter im Programm. Jetzt stehen diese bei Rutronik Power noch stärker im Fokus. Zur Verfügung stehen skalierbare Lösungen für die Energieumwandlung sowie für die Schaltung, für die Steuerung und den Anschluss ohmscher, kapazitiver und induktiver Lasten im Bereich industrielle Leistungssteuerung. FAEs und Produktmanager von Rutronik Power bieten Unterstützung bei Entwicklungsprojekten mit spezifischem Know-how im Leistungsbereich.

Der Bereich Industrial Power Control von Infineon umfasst Produkte wie IGBTs als diskrete Bauteile und Module sowie Thyristoren und Dioden. Typische Anwendungsbereiche sind Industrieantriebe, erneuerbare Energien, schienengebundene Fahrzeuge sowie Energieverteilung und Energieversorgung. Ein weiterer Anwendungsbereich sind Hybrid- und Elektrofahrzeuge wie beispielsweise elektrisch betriebene Busse im Personennahverkehr.