Bild 1: Die Primepack-Leistungsmodule basieren auf IGBTs der fünften Generation mit einer maximalen Sperrschichttemperatur von 175 °C.

Bild 1: Die Primepack-Leistungsmodule basieren auf IGBTs der fünften Generation mit einer maximalen Sperrschichttemperatur von 175 °C. (Bild: Infineon)

Herkömmliche Chip- und Verbindungstechnologien kommen bei der Steigerung der Leistungsdichte und der Erhöhung der Lebensdauer für Leistungsmodule an ihre Grenzen. Mit der Chip-Generation IGBT5 und der Aufbau- und Verbindungstechnologie .XT von Infineon lässt sich einerseits die Leistungsdichte steigern, während andererseits auch die Lebensdauer erhöht wird. Die  Technologie verbessert die Lastwechselfestigkeit (Power Cycling) der Leistungshalbleiter-Module.

Ein Leistungsmodul hat grundsätzlich einen stapelförmigen Aufbau. Es beginnt mit einer Bodenplatte aus Kupfer, auf der über ein Substrat (DCB, Direct Copper Bonding) die eigentlichen Halbleiterschalter aufgelötet und über Bonddrähte an der Oberseite verbunden sind. Während IGBT5-Chips höhere Leistungsdichten mit geringeren statischen und dynamischen Verlusten erlauben, sorgt die .XT-Aufbau- und Verbindungstechnologie für eine längere Lebensdauer durch eine verbesserte thermische Lastwechselfestigkeit.

Kompaktes und robustes Leistungsmodul

Bild 1: Die Primepack-Leistungsmodule basieren auf IGBTs der fünften Generation mit einer maximalen Sperrschichttemperatur von 175 °C.

Bild 1: Die Primepack-Leistungsmodule basieren auf IGBTs der fünften Generation mit einer maximalen Sperrschichttemperatur von 175 °C. Infineon

Die Primepack-Leistungsmodule (Bild 1) basieren auf den IGBT5-Chips. Diese bieten eine um 25 K höhere maximale Sperrschicht-Temperatur (Tvjop = 175°C) im Vergleich zur Vorgängergeneration. Zudem wurden das Schaltverhalten der Module verbessert und die Gesamtverluste reduziert, wodurch höhere Leistungsdichten erreichbar sind. Bei gleicher Abmessung des Primepack-Moduls lässt sich so der Ausgangsstrom der Anwendung um bis zu 25 Prozent steigern. Die .XT-Technologie basiert auf einer Sinterung der IGBT-Chips und Dioden zusammen mit einem verbesserten Lötprozess und der Verwendung von Kupfer-Bonddrähten anstelle der herkömmlichen Aluminium-Bonddrähte.

Für die Anwendungen bedeutet das eine höhere Systemzuverlässigkeit, da die Lebensdauer für die Module deutlich länger ausfällt. Bei gleicher Ausgangsleistung fällt auch der Aufwand für die Kühlung geringer aus, während andererseits Überlastfälle des Systems besser beherrschbar sind. Da Primepack 3 sich zu einem Standard für Leistungsmodul-Gehäuse im Megawatt-Leistungsbereich entwickelt hat, liegt es nahe, die Einführung der fünften Generation des 1700-V-IGBT in diesem Gehäuse durchzuführen. Mit Einführung des  IGBT-Halbbrücken-Moduls der fünften Generation in Verbindung mit der Aufbau- und Verbindungstechnologie .XT ließ sich der Nennstrom des Moduls von 1400 A auf 1800 A erhöhen.

Für diese Steigerung des Modulstroms wurde das Primepack-3-Gehäuse modifiziert und um einen zweiten, zusätzlichen Wechselspannungsanschluss erweitert, während die äußeren Abmessungen erhalten blieben. Infineon hat die Primepack-Generation mit Varianten für 1200 V/1200 A (FF1200R12IE5) und 1700 V/1800 A (FF1800R17IP5) eingeführt und mit Modulen für 1200 V/1500 A, 1200 V/1800 A, 1700 V/1200 A und 1700 V/1500 A erweitert.

 

Details zu den IGBT-Chips der 5. Generation und warum damit höhere Leistungsdichten möglich sind, erfahren Sie auf der folgenden Seite.

Höhere Leistungsdichte mit IGBT5

Mit dem Einsatz von .XT gehen die Verbesserung der dafür entwickelten 1700-V-IGBTs und Dioden-Si-Chips der fünften Generation einher. Beides zusammen stellt den kontinuierlichen Betrieb bei erhöhter Sperrschichttemperatur von 175 °C sicher und bietet damit das Potenzial einer deutlichen Leistungssteigerung, ohne Einschränkungen bei der Lebensdauer des Moduls. Alternativ lässt sich bei unveränderter Ausgangsleistung des Stromrichters die Lebensdauer der Leistungshalbleiter in der Anwendung deutlich verlängern.

Bild 2: Leistungsdichte in Relation zur Lebensdauer des Leistungsmoduls im Vergleich zur Vorgänger-Generation.

Bild 2: Leistungsdichte in Relation zur Lebensdauer des Leistungsmoduls im Vergleich zur Vorgängergeneration. Infineon

Eck-Daten

Trenchstop-IGBTs der fünften Generation von Infineon und die .XT-Aufbau- und Verbindungstechnik ermöglichen es, die Leistungsdichte und Lebensdauer von Leistungsmodulen zu erhöhen. Bei nahezu unverändertem Verhältnis von Ausgangsstrom zu Modulstrom zeigt der Demonstrator auf Basis der IGBT5-Chips eine Steigerung der System-Leistungsdichte um 26,5 Prozent im Vergleich zum IGBT4-basierenden Stack.

Sowohl die IGBT-Chips der vierten als auch der fünften Generation basieren auf der Trench-Field-Stop-Technologie. Darüber hinaus weisen die IGBT5 eine dünnere aktive Siliziumschicht auf. Sie führt zu geringeren statischen und dynamischen Verlusten. Für die Abführung der hohen Verlustleistung, die im Fehlerfall eines Brückenkurzschlusses entsteht, weist die Vorderseite der IGBT5-Generation zusätzlich eine dicke Kupferbeschichtung auf. Außerdem ermöglicht die Kupferbeschichtung den Einsatz von Hochstrom-Bonddrähten aus Kupfer, die fester Bestandteil der .XT-Verbindungstechnologie sind.

Zudem führt die optimierte vertikale Chipstruktur bei gleicher Chipgröße zu einer geringeren Durchlassspannung (VCEsat), wodurch eine Erhöhung der Stromdichte bei gegebener Chipfläche erreicht wurde. Für die Betrachtung im Gesamtsystem sind neben den statischen Verlusten durch die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung auch die dynamischen Eigenschaften und vornehmlich die Schaltverluste von entscheidender Bedeutung.

Die IGBT5-Generation ermöglicht beispielsweise bei höherer Stromdichte und derselben Sperrschichttemperatur von 150 °C die gleiche Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung und zusätzlich um etwa 10 Prozent reduzierte Schaltverluste im Vergleich zur Vorgängergeneration. Bild 2 zeigt die Leistungsdichte in Relation zur Lebensdauer des Leistungsmoduls im Vergleich zur Vorgängergeneration, wobei die Verbesserung der Lebensdauer des Moduls um den Faktor 10 in horizontaler Richtung dargestellt ist. Die höhere, maximale Sperrschichttemperatur von 175 °C anstatt 150 °C ermöglicht eine höhere Leistungsdichte im Modul.

 

Die Demonstratoren zur Ermittlung der Modul- und System-Leistungsdichte stellt der Beitrag auf der kommenden Seite vor.

Modul- und System-Leistungsdichte

Bild 3: Demonstrator mit einem IGBT4-basierenden Leistungsmodul.

Bild 3: Demonstrator mit einem IGBT4-basierenden Leistungsmodul. Infineon

Bild 4: Der Demonstrator mit dem Leistungsmodul der fünften Generation verfügt über einen zusätzlichen, zweiten Wechselspannungsanschluss (im Kreis).

Bild 4: Der Demonstrator mit dem Leistungsmodul der fünften Generation verfügt über einen zusätzlichen, zweiten Wechselspannungsanschluss (im Kreis). Infineon

Die prozentuale Erhöhung bei der Modul-Leistungsdichte lässt sich nicht direkt in die System-Leistungsdichte umrechnen. Eine gute und realistische Möglichkeit die Auswirkungen der Modul- auf die System-Leistungsdichte zu ermitteln, ist der Aufbau von Demonstratoren. Ein Demonstrator enthält das bisherige, IGBT4-basierende Leistungsmodul (FF1400R17IP4, Bild 3), der zweite das vergleichbare Modul fünften IGBT-Generation (FF1800R17IP5, Bild 4).

Beide Demonstratoren sind auf einer Stack-Plattform von Infineon aufgebaut und ermöglichen den direkten Vergleich der System-Leistungsdichten. Der wesentliche Unterschied im Hinblick auf die beiden Demonstratoren ist, dass der FF1800R17IP5 zwei Ausgangs-Wechselspannungsanschlüsse hat. Bei dem neu aufgebauten Demonstrator wurde dieser zusätzliche Wechselspannungsanschluss berücksichtigt und die mechanische Konstruktion des Systems entsprechend angepasst. Diese Anordnung ist in Bild 4 mit einem Kreis gekennzeichnet.

Diese mechanische Anpassung führt zu einer veränderten Länge des IGBT5-basierenden Stacks und damit zu einer geringfügigen Veränderung beim Systemvolumen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass das Primepack 3 und das Primepack 3+ den gleichen Grundplatzbedarf haben (H x B x L = 38 mm x 89 mm x 250 mm). Jeder der Hardware-Demonstratoren besteht aus einem dreiphasigen Wechselrichter mit einem Modul je Phase. Der DC-Link integriert einen DC-Bus-Kondensator (Zwischenkreis-Kondensator) mit 3,6 mF.

Die Ausgangs-Wechselspannungsanschlüsse des Demonstrators verfügen über drei Hall-Effekt-Stromsensoren. Weitere wesentliche Parameter des Demonstrators sind die B6I-Topologie als Wechselrichter für Antriebe oder Windenergie-Konverter, ohmsche Last und induktive Last, die Wasserkühlung, Sensoren für Strom, Spannung und Temperatur, elektrische Treibersignale zum IGBT, ein RGon von 1,0 Ω und ein RGoff von 0,68 Ω.

Um die System-Leistungsdichte bei anwendungstypischen Bedingungen zu untersuchen, wurden beide Stacks unter identischen Bedingungen bezüglich der Ausgangsspannung und Leistungsfaktoren getestet. Die Leistungsdichte steht damit in direkter Beziehung zum Ausgangsstrom und zum Systemvolumen. Die Steigerung der System-Leistungsdichte eines IGBT5-basierenden im Vergleich zu einem IGBT4-basierenden Stack beträgt 26,5 Prozent.

Dr. Raghavan Nagarajan

Autor
(Bild: Infineon)
Technical Manager bei Infineon Technologies

Hubert Kerstin

Foto Kerstin Hubert_1
(Bild: Infineon)
Marketing Manager bei Infineon Technologies

(na)

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?

Unternehmen

Infineon Technologies AG

Am Campeon 1-12
85579 Neubiberg
Germany