Power-Module 26,5% höhere Leistungsdiche bei gleichem Platzbedarf

Autor / Redakteur: Raghavan Nagarajan, Hubert Kerstin * / Gerd Kucera

An einem Hardware-Demonstrator zeigen die Autoren den positiven Einfluss einer kombinierten IGBT5- und .XT-Technologie auf die Leistungsdichte des Gesamtsystems.

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Bild 1: Verbesserung der Leistungsdichte und Lebensdauer für IGBT5 mit .XT-Technologie bei gleicher Chip-Größe zur Vorgänger-Generation.
Bild 1: Verbesserung der Leistungsdichte und Lebensdauer für IGBT5 mit .XT-Technologie bei gleicher Chip-Größe zur Vorgänger-Generation.
(Bild: Infineon)

Bedingt durch die Chip- und die Verbindungstechnologien stoßen die Steigerung der Leistungsdichte und die Erhöhung der Lebensdauer von Leistungsmodulen derzeit bedingt an ihre Grenzen. Die IGBT5- und .XT-Aufbau- und Verbindungstechnologie hatten einerseits das Ziel die Leistungsdichte zu steigern, während andererseits auch die Lebensdauer verbessert werden sollte.

Modul-Leistungsdichte versus Lebensdauer

Die neue Technologie verbessert das Power-Cycling-Verhalten (Lastwechselfestigkeit) der Leistungsmodule. Diese verbesserte Lastwechselfestigkeit lässt sich auf zwei verschiedene Arten nutzen: Erstens zur Erhöhung der Lebensdauer des Moduls und zweitens für eine höhere Leistungsdichte aufgrund einer höheren maximalen Sperrschichttemperatur.

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In diesem Artikel wird der Einfluss der TRENCHSTOP-IGBT5-Generation mit .XT-Technologie auf die Systemleistungsdichte anhand eines Hardware-Demonstrators aufgezeigt. Bild 1 zeigt die Leistungsdichte in Relation zur Lebensdauer auf.

Die Verbesserung der Lebensdauer (um den Faktor 10) des neuen Moduls der fünften Generation wird hier in horizontaler Richtung (entlang der X-Achse) dargestellt. Eine höhere Leistungsdichte im Leistungsmodul wird möglich durch eine höhere maximale Sperrschichttemperatur (175 °C statt 150 °C). In Bild 1 ist die Verbesserung der Leistungsdichte im Vergleich zur Vorgänger-Generation in der vertikalen Richtung (entlang der Y-Achse) dargestellt.

IGBT5 mit .XT-Technologie im PrimePACK-Gehäuse

Das 2006 vorgestellte PrimePACK 3 hat sich zum Standard für Leistungsmodul-Gehäuse im Megawatt-Leistungsbereich entwickelt. Daher lag es nahe, dass die Einführung der neuen fünften Generation des 1700-V-IGBT im PrimePACK-3+-Gehäuse erfolgte [1-4].

Derzeit beträgt der maximal verfügbare Strom im PrimePACK 3 in einer Halbbrücken-Konfiguration 1400 A. Mit Einführung des neuen IGBT-Halbbrücken-Moduls der fünften Generation in Verbindung mit der neuen .XT-Aufbau- und Verbindungstechnologie wurde der Nennstrom des Moduls auf 1800 A erhöht.

Für diese Steigerung des Modul- Stroms, wurde das derzeitige PrimePACK-3-Gehäuse modifiziert. Es enthält jetzt einen zweiten, zusätzlichen Wechselspannungsanschluss. Die äußeren Abmessungen des PrimePACK 3 wurden bei nur geringen Anpassungen beibehalten.

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