26,5% höhere Leistungsdiche bei gleichem Platzbedarf

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Leistungsdichte von Modul und System im Demonstrator

Die prozentuale Erhöhung bei der Modul-Leistungsdichte kann nicht direkt in die System-Leistungsdichte umgerechnet werden. Die beste und realistischste Möglichkeit, die Auswirkungen der Modul- auf die Systemleistungsdichte zu ermitteln, ist der Aufbau von zwei Demonstratoren: einer mit einem bisherigen IGBT4-Leistungsmodul (Bezeichnung FF1400R17IP4, im Bild 2 links dargestellt) und einer mit dem neuen Modul der fünften Generation (Bezeichnung FF1800R17IP5, im Bild 2 rechts gezeigt).

So können die System-Leistungsdichten der beiden Anordnungen direkt verglichen werden. Die beiden Demonstratoren wurden auf einer Infineon-STACK-Plattform aufgebaut, wie in Bild 2 ersichtlich.

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 2 rechts mit einem roten Kreis gekennzeichnet. Diese mechanische Anpassung führt zu einer veränderten Länge des IGBT5-basierten Stack und damit zu einer geringfügigen Veränderung beim Systemvolumen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass das PrimePACK 3 und das neue PrimePACK 3+ den gleichen Platzbedarf haben (Höhe x Breite x Länge = 38 mm x 89 mm x 250 mm). Jeder der Hardware-Demonstratoren besteht aus einem 3-phasigen Wechselrichter mit einem Modul je Phase.

Der DC-Link integriert einem DC-Bus-Kondensator (Zwischenkreis-Kondensator) mit 3,6 mF. Die Ausgangs-Wechselspannungsanschlüsse des Demonstrators verfügen über drei Hall-Effekt-Stromsensoren. In Tabelle 1 sind die wesentlichen Parameter des entwickelten Demonstrators aufgeführt.

Die Auswirkungen auf das Systemvolumen sind in Bild 3 gezeigt und in Tabelle 2 aufgelistet. Um die System-Leistungsdichte bei anwendungstypischen Bedingungen zu untersuchen, unterlagen beide Stacks ausführlichen Tests gemäß den Parametern in Tabelle 3. Beide Stacks wurden unter identischen Bedingungen bezüglich der Ausgangsspannung und der Leistungsfaktoren analysiert.

Die Leistungsdichte steht damit in direkter Beziehung zum Ausgangsstrom und zum Systemvolumen. Wenn z.B. die Ausgangsspannung und der Leistungsfaktor 690 V bzw. 1,0 betragen, entspricht die Systemleistungsdichte dem in Tabelle 4 (siehe Online-Beitrag 44599496) aufgeführten Wert.

Die Steigerung der Systemleistungsdichte eines IGBT5-basierten Stack im Vergleich zu einem IGBT4-basierten Stack ist 26,5%, wie in Bild 4 zeigt. Ein detailliertes Temperaturprofil der Stacks unter den oben erwähnten Betriebsbedingungen findet man in [1].

Fazit: Die Kombination aus TRENCHSTOP-IGBT5-Chips und der innovativen .XT-Aufbau- und Verbindungstechnologie ermöglicht eine höhere Leistungsdichte und Lebensdauer von Leistungsmodulen.

Bei einem nahezu unveränderten Verhältnis von Ausgangsstrom zum Modulstrom bei beiden Demonstratoren bieten die Stacks auf der Basis der IGBT5-Chips mit .XT-Technologie eine Steigerung der Systemleistungsdichte um 26,5% im Vergleich zum IGBT4-basierten Stack. Dabei ist der Platzbedarf des Moduls (38 mm x 89 mm x 250 mm) zwischen PrimePACK 3 und dem neuen PrimePACK-3+-Gehäuse unverändert.

Literaturhinweise

[1] Raghavan Nagarajan and Dirk Brieke: Aspects of increased power density with the new 5th generation IGBT demonstrated by application relevant measurements, PCIM, Nuremberg, Germany, 2015.

[2] K. Guth et al.: New assembly and interconnects beyond sintering methods, PCIM, Nuremberg, Germany, 2010.

[3] M. Schulz: Power Semiconductor Development, Bodo’s Power Systems, February 2015.

[4] Andre R. Stegner et al: Next generation 1700V IGBT and emitter controlled diode with .XT technology, PCIM, Nuremberg, Germany, 2014.

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* Dr. Raghavan Nagarajan und Hubert Kerstin, Infineon Technologies AG arbeiten bei Infineon Technologies, Neubiberg.

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