2500A/1200V-IGBT-Modul für Anwendungen in der Industrie und erneuerbaren Energie

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CADFEM Germany GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Mitsubishi Electric Europe B.V. Factory Automation

Das Chip-Layout des Power-Moduls

Das Chip-Layout, die Anordnung der Chips innerhalb des Moduls, wurde für Flüssigkeitskühlung optimiert. Diese erlaubt im Vergleich zur Luftkühlung eine deutlich bessere Wärmeableitung. Der Abstand zwischen zwei Chips muss groß genug sein, um eine gegenseitige thermische Beeinflussung der Chips untereinander zu vermeiden. Die realisierten Abstände wurden durch Simulation bestätigt. Bild 3 zeigt die simulierte Anordnung. Bild 3 unten stellt das Ergebnis der Simulation mit dem Parameter Temperaturdifferenz zwischen Chip und Kühlflüssigkeit ΔT bei einer Verlustleistung von 200 W je Chip dar. Die Chipabstände im Modul betragen hier ca. 30 mm. Das Ergebnis zeigt, dass die gewählte Entfernung ausreichend ist.

Für eine optimale Kühlleistung sollte der Kühlkanal direkt unter den Chips verlaufen. Die Position der Befestigungsbohrungen in der Grundplatte wurde unter Berücksichtigung des genannten Kühlkanalverlaufs und der Vorgabe einer möglichst geringen Beeinflussung zwischen Befestigung und Kühlkanälen festgelegt.

Gestaltung der Anschlüsse

Höhere Modulnennströme erfordern geringere modulinterne Induktivitäten. Allerdings nimmt mit größerem Gehäuse die Länge der internen Verbindungen tendenziell zu und vergrößert somit parasitäre Induktivitäten. Für diese, sich widersprechenden Ziele muss eine Lösung gefunden werden. Eine Möglichkeit, die Induktivität je Längeneinheit zu verkleinern, besteht darin, die modulinternen laminierten Stromschienen zu verbreitern. Allerdings ist die maximale Breite innerhalb des Moduls limitiert. Um dennoch die Induktivität der internen Verbindung weiter zu verringern, wurde das Stromschienensystem vierlagig ausgeführt.

Die realisierte Struktur verhindert die Konzentration (Einschnürung) des Stromes auf eine Schiene innerhalb des mehrlagigen modulinternen Stromschienensystems und stellt gleichzeitig eine gleichmäßige Stromaufteilung bis hin zu den jeweils doppelt ausgeführten Leistungsanschlüssen sicher. Die reduzierten Induktivitätswerte wurden durch Simulation bestätigt.

Die Zielvorgabe für die maximale Induktivität der laminierten Stromschienen ist 3 nH. Um diesen Wert zu erreichen, muss die Breite der beiden gegenüberliegenden Schienen 50 mm oder mehr aufweisen. Unter Berücksichtigung der Modulhöhe dürfen 50 mm wiederum nicht überschritten werden, um die maximale Biegebeanspruchung des Gehäuses durch Unebenheiten in der Kühlkörperoberfläche nicht zu überschreiten. Die Zielvorgabe für die maximale Verbindungsinduktivität kann somit mit einer Zwei-Platten-Struktur nicht erfüllt werden (Stromschienen werden innerhalb der Simulationen und Berechnungen als Platten modelliert).

Mit Hilfe von Simulationen wurde die optimale Struktur für parallel angeordnete Platten eines vierlagigen Systems ermittelt. Der in diesen Simulationen ermittelte Wert für die parallele Plattenstruktur beträgt 2,59 nH bei einer Frequenz von 1 MHz. Dieses Ergebnis bestätigt die Eignung einer Vier-Platten-Struktur für dieses Hochstrom-Modul.

Darüber hinaus verbessert die Reduzierung der modulinternen Induktivitäten auch die Stromverteilung zwischen den Halbleiterchips. Verglichen mit L1 und L3 ist L2 sehr klein. Deshalb sind Gate-Spannungsdifferenzen an den einzelnen Chips äußerst gering. Somit kann auch von einer verbesserten Stromaufteilung zwischen den Chips ausgegangen werden.

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