Die treibende Kraft für die Entwicklung neuer Produkte und Technologien im Bereich Leistungselektronik kommt aus der wachsenden Nachfrage des Marktes nach höherer Leistungsdichte, höherer Systemintegration, Robustheit und höherer Zuverlässigkeit. Gleichzeitig fordert der Markt kostengünstige Produkte, standardisierte Schnittstellen, flexible Skalierbarkeit und Modularität. Der Schwerpunkt der Leistungselektronik lag in den letzten Jahren vor allem auf der Erforschung, Entwicklung und Weiterentwicklung neuer integrierter Hochleistungsschaltungen, die in bestimmten Zielmärkten positioniert sind. Dies führte nicht nur zur Produktion von Standard-IGBT-Modulen, sondern auch zu einigen speziellen Modultypen, die auf spezifische Kundenbedürfnisse optimiert wurden. Die verlustarmen Serienmodule sind optimiert, um den Spannungsabfall im Durchlasszustand zu reduzieren. Aufgrund der sehr hohen Schaltverluste ist der Einsatz dieses Modultyps jedoch nur in Anwendungen mit niedrigeren Schaltfrequenzen sinnvoll. Entsprechend hat die Industrie auch ultraschnelle Module entwickelt, die im Bereich hoher Schaltfrequenzen eingesetzt werden. Aufgrund des geringen Tailstroms sind diese IGBT-Module ideal für resonante Schaltwandler. Darüber hinaus weist die neue Generation leistungsintegrierter Module eine höhere Leistungsdichte und Effizienz auf, ohne das Modulvolumen zu verändern. Neue Trench-IGBTs und Soft-Punch-Through-IGBTs stehen im Fokus zukünftiger Forschung und Entwicklung in diese Richtung und erhöhen damit die Palette der verfügbaren Moduloptionen weiter. Die Stromdichte des Moduls aus Trench-IGBTs der neuesten Generation und Freilaufdioden mit axialer Trägerlebensdauersteuerung erreicht 200 A/cm2 (Abbildung 1). Eine solch hohe Stromdichte macht die vorhandene Packungsgröße effizienter, dh die Chipfläche, die durch das vorhandene Stromniveau benötigt wird, nimmt allmählich ab. 1999 betrug der Nennstrom des größten 1200-V-Halbbrückenmoduls von SEMIKRON' 400 A, aber heute kann das gleiche Gehäuse 600 A Strom liefern. Durch die kontinuierliche Verbesserung der Leistungsdichte stehen Hersteller und Anwender von Leistungsmodulen oft vor neuen Herausforderungen.
Abbildung 1 Die Entwicklung der Stromdichte
Das Volumen von Stromrichtern hängt zeitweise nicht mehr von der Größe der Leistungshalbleitermodule ab, sondern von passiven Bauelementen wie Kondensatoren, Induktivitäten und Filtern. Dieses Phänomen gilt insbesondere für Antriebe mit geringer Leistung, wie aus einem Forschungsbericht von (1) ECPE (Europäisches Zentrum für Leistungselektronik) hervorgeht. Bei modernen Antrieben unter 2,2 kW macht das Leistungshalbleitermodulpaket nur noch 6 % des gesamten Gerätevolumens aus, was in etwa dem Volumen der Kabelklemme entspricht. Die Zwischenkreiskondensatorbank macht etwa 12% des Volumens aus, das sind zwei der Leistungsgeräte. Das Bauteil mit dem größten Platzbedarf ist die Steuerplatine (ca. 23 % des Volumens), da sie neben den Antriebs- und Steuerkreisen auch das Netzteil und EMV-Filter enthält (Abbildung 2). Ein solcher Trend erstreckt sich auch auf Hochleistungsumwandlungssysteme. Leistungselektronische Geräte werden immer kleiner, aber das Volumen an passiven Bauelementen, Kabeln und Hauptstromkreisklemmen bleibt im Wesentlichen unverändert.
Bild 2 Vergleich verschiedener Komponenten/Volumen an einem modernen 2,2kW-Antrieb
Heutzutage hängt die Größe von Leistungsbauelementen nicht mehr von der von Halbleiterchips belegten Fläche ab, sondern von den Anschlüssen der Hauptschaltung. Daher ist es für die Menschen unrealistisch zu erwarten, das Volumen von leistungselektronischen Modulen zu reduzieren, um die Kosten zu senken und das gleiche Ausmaß wie die Reduzierung der Chipgröße zu erreichen. Außerdem führen große Kabelquerschnitte und DC-Sammelschienen bei Vibrationen zu einer relativ großen Belastung des Moduls, die sich sogar negativ auf die Zuverlässigkeit der Verbindungskomponenten auswirken kann. Daher spielen bei der Auslegung von Stromrichtern auch spannungsarme Bauteile und zusätzliche mechanische Verstärkungsbauteile für Gleichstromzwischenkreise eine wichtige Rolle. Die ständig steigende Leistungsdichte in Halbleitermodulen bereitet den Anwendern immer mehr Probleme mit der Wärmeableitung. Wenn die Leistung gleich bleibt, wird das Modulvolumen immer kleiner und der Leistungsverlustwert des Einheitsvolumen-Leistungsmoduls steigt allmählich an, was höhere Anforderungen an den Strahler stellt. In einem Umluftkühlsystem ist es aus Zuverlässigkeitsgründen normalerweise unwahrscheinlich, die maximale Leistung des Moduls zu nutzen, da wir Benutzern nicht empfehlen, die Temperatur des Kühlers zu erhöhen. Um den Heizkörper optimal zu nutzen, ist es daher erforderlich, die Wärmequelle zu verteilen, um heiße Stellen zu vermeiden. Mit der Einführung des SEMiX®-Moduls hat SEMIKRON einen neuen Benchmark vorgeschlagen, der ein einzelnes Halbbrückenmodul anstelle eines integrierten Sechs-Röhren-Package-Moduls in Leistungskomponenten verwendet. Bei Verwendung von forcierter Luftkühlung können Module in Intervallen installiert werden. Durch den entsprechenden Wärmeleitungseffekt ist die Temperatur des Modulsubstrats deutlich niedriger, was die Ausgangsleistung erhöhen kann. Abbildung 3 zeigt den positiven Effekt der Wärmeübertragung. Werden die Module in diesem Beispiel in Intervallen auf dem Kühlkörper montiert, reduziert sich die maximale Temperatur des Kühlkörpers von 96°C auf 91°C. Natürlich kann das Halbbrückenmodul auch durch ein integriertes Sechs-Röhren-Package-Modul ersetzt werden. In diesem Fall kann bei Verwendung einer Wasserkühlung eine kompakte Lösung mit höherer Leistungsdichte erreicht werden.
Einige Leute haben ihre Forschung seit einiger Zeit auf die Entwicklung neuer Montage- und Verbindungstechnologien konzentriert, um sich an den Einsatz neuer Chips mit zunehmender Stromdichte anzupassen. Bisher war keine einzelne Technologie aufgrund der Einschränkungen in Zuverlässigkeit und Flexibilität vollständig erfolgreich. Darüber hinaus wird die Entwicklung neuer Anschlusstechnologien auch durch eine stärkere Integration (Antriebsschaltungen und passive Komponenten) und die beidseitige Wärmeableitungstechnologie für Modulchips vorangetrieben. Durch den Einsatz von Multilayer-Leiterplatten, metallisierten Bauelementen, Lötgehäusen und sogar gekrümmten Leiterplatten (2) wurden in der Verbindungstechnik große Fortschritte erzielt. Der Einsatz dieser hochintegrierten Technologien in kommerziellen leistungselektronischen Modulen ist nur eine Frage der Zeit. Produktplattformentwicklung Neben den oben genannten technischen Herausforderungen spielen auch Produktplattformen im Bereich Leistungselektronik eine immer wichtigere Rolle. Die sogenannte Produktplattformentwicklung bezeichnet hier die Entwicklung von Basismodulen, das sind Plattformen zur Entwicklung oder Gestaltung unterschiedlicher Produktreihen. Wenn wir beispielsweise die gleichen Motor- und Fahrwerkskomponenten an verschiedenen Automodellen desselben Herstellers sehen, kann man sagen, dass die Automobilindustrie der Vorläufer dieser"Produktplattform" ist; Konzept. Auch unsere Kunden setzen die gleiche Strategie bei der Entwicklung und Produktion von Wandlern um, haben jedoch das Problem, dass ihre Entwicklungsaktivitäten von den Halbleiterherstellern nicht ausreichend unterstützt werden. Bei den derzeit auf dem Markt vertriebenen Halbleitermodulen gibt es zu viele Ungereimtheiten bei unterschiedlichen Modellen und Anschlusstechniken. Das hat zur Folge, dass es für Kunden schwierig ist, auf Basis von Standardkomponenten und -modulen verschiedene Umrichterserien mit gleichbleibender Leistung herzustellen. Mit der Einführung der SEMiX®-Produktplattform hat sich SEMIKRON verpflichtet, eine Lösung für Module im Bereich von 15-150kW anzubieten. Abbildung 4 veranschaulicht das Konzept der SEMiX®-Produktplattform. Auf Basis des Basismoduls können unterschiedliche Modulvarianten für unterschiedliche Leistungsbereiche, Topologien, Integrationsstufen und unterschiedliche Bauformen produziert werden, um den Bedürfnissen der jeweiligen Anwender zeitnah gerecht zu werden.
Für unterschiedliche Stromebenen und topologische Strukturen verfügt das Grundmodul selbst über vier verschiedene Arten von Modulpaketen. Diese vier Pakete basieren jedoch auf der gleichen internen Komponentenplattform, wodurch die Schnittstelle zwischen Zwischenkreis und Antriebskreis über den gesamten Leistungsbereich konsistent ist. Mit der Einführung von SEMiX können wir uns mit diesem Vorserien-Standardproduktmodul aufstocken, um kundenspezifische Produkte schnell produzieren und liefern zu können. Für Umrichterkonstrukteure bedeutet dies, dass die Leistungs- und Funktionsmessung der Modulkomponenten einfacher wird und zudem die Komplexität des Entwicklungsprozesses und der Zeitaufwand reduziert werden können. Auf dieser Basis die kundenindividuelle Topologie zu erfüllen und die kontinuierliche Erweiterung der Produktreihe des Kunden&zu realisieren. Die weitere Marktforderung ist die optimierte Anbindung von Powermodul-Peripherie. Es umfasst kurze und anpassbare Hauptstromkreisklemmen und den Anschluss des integrierten Antriebsschaltkreises. Erstmals installierte die SEMiX-Plattform die Ansteuerschaltung direkt auf dem Leistungsmodul, was den Verbindungsweg sehr kurz machte. Fazit Aufgrund der hervorragenden Chiptechnologie ist die Stromdichte moderner Leistungshalbleiter im Vergleich zu den Leistungshalbleitern der letzten Jahre um ca. 50 % gestiegen. Diese Entwicklung stellt unmittelbar die Anforderungen an die Komponentenintegration und Verbindungstechnik in Leistungshalbleitermodulen sowie die Anforderungen an die Gerätewärmeableitung. Für Zwangsluftkühlungssysteme wurden verschiedene einschränkende Faktoren überwunden, die einer Kostensenkung nicht förderlich sind. Unter Berücksichtigung technischer Indikatoren wie optimale Vorwärtsleitungsdämpfung und hohe Schaltfrequenz weisen viele bestehende Chiptechnologien anwendungsspezifische Vorteile auf. Mit der Einführung der neuen Modulserie von SEMIX&bietet SEMIKRON eine breite Palette modularer Produkte an, mit denen kundenspezifische Lösungen realisiert werden können. Die Produktreihe SEMIX wird in den nächsten Jahren kontinuierlich ergänzt und erweitert.