DIPIPM-Power-Module für die kompakte Antriebstechnik

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Hochvolt-ICs als Alternative für Optokoppler

Hochvolt-ICs sind eine kostengünstige Alternative zu Optokopplern, wenn eine funktionale Isolation der Steuer- und Fehlersignale ausreicht. Zudem altern LV/HVICs nicht wie Optokoppler, insbesondere nicht beim bleifreien Lötvorgang. LV/HVICs in Transfer-Mold-IPMs verfügen über einen schnellen Komparator für die Kurzschlusserkennung sowie die Schutzfunktionen für Versorgungsunterspannung und Übertemperatur. Diese LV/HVIC-Technologie wird bei Mitsubishi Electric selbst entwickelt und sorgt für die passende Ansteuerung von IGBTs, wie später noch eingehend erläutert wird.

Heute ist ein analoger Ausgang verfügbar, der mittels einer im LVIC integrierten Dioden-Struktur und eines Operationsverstärkers eine lineare Spannung proportional zur Gehäusetemperatur abgibt. Diese lineare Lösung ist deutlich präziser im interessierenden Gehäusetemperaturbereich von 85 bis 100°C als herkömmliche NTC-Lösungen und können mit hoher Auflösung von einem Mikrocontroller über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) ausgewertet werden.

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Dem zuvor erwähnten Level Shifter und dem Teil des HVICs, das schwebend im Potenzial ist, kommt eine besonders wichtige Funktion zu; denn hier entscheidet sich im Fehlerfall, ob ein IGBT abgeschaltet oder sein Schaltzustand nicht mehr verändert werden kann. Der kritische Zustand im HVIC entsteht dadurch, dass aufgrund von parasitärer Induktivität bei der Darstellung der Halbbrücke im Moment des Abschaltens eines Kurzschlusses das Steueremitter-Potenzial unter das N(-)-Bus-Potenzial fällt und damit der Level Shifter mit einer Spannung in umgekehrter Polarität beaufschlagt wird und damit nicht mehr arbeiten kann.

Mitsubishi Electric hat für diesen Fall auf Chipebene des HVICs eine besonders robuste Struktur entwickelt, die das Überleben des HVICs auch bei sehr hohen negativen transienten Spannungen gewährleistet und zusätzlich funktional eine Logiksteuerung implementiert, um nach einem solchen transienten Vorgang wieder in einen sicheren Zustand zu gelangen. In diesem Zusammenhang entstanden bei der Entwicklung der Transfer-Mold-IPMs zahlreiche Patente. Diese Robustheit des HVICs auf Halbleitertechnologie- und Logikebene, zusammen mit dem sehr niederinduktiven Aufbau des Transfer-Mold-IPMs, sorgen für Zuverlässigkeit und im Fehlerfall für eine definierte und sichere Behandlung von Kurzschlussabschaltungen.

Transfer-Mold-IPMs enthalten in der Regel sechs IGBTs die 3-phasig in einer 2-Level-Konfiguration mit offenen Emittern verschaltet sind. Mitsubishi Electric fertigt bereits seit 1999 IGBTs in Trench-Technologie und verfügt heute über einen eigens für Transfer-Mold-IPMs gezüchteten Carrier-Stored-Trenchgate-Bipolar-Transistor (CSTBT), der sich durch geringe Ausschaltverluste und gleichzeitig niedrigen Durchlassverlusten auszeichnet.

Noch in diesem Jahr wird die neue siebte Generation von CSTBTs erwartet, die eine weitere Verbesserung der Figure Of Merit (FOM) mit sich bringen wird, d.h. die siebte Generation wird mit höheren Stromdichten und geringerer Sättigungsspannung noch geringere dynamische Verluste erzielen.

MOSFETs als Halbleiterchips werden in der neuesten Version (Version 6) ebenfalls in Super-Mini-DIPIPMs implementiert. Das neue 15-A-Super-Mini-DIPIPM gibt es alternativ zum CSTBT mit einem Superjunction-MOSFET für besonders leistungsfähige und energiesparende Antriebe. Von diesen MOSFET-Chips profitieren hauptsächlich Anwendungen, die einen hohen Anlaufstrom benötigen, aber dann bei vergleichsweise geringen Strömen operieren, gerade dann, wenn der „Schweranlauf“ erst einmal überwunden ist. Das ist typischerweise bei Kompressoren für Klimageräte oder Kühlschränke der Fall. Hier ist das Energieeinsparungspotenzial besonders hoch, denn in der Regel arbeiten Kältemaschinen 24 Stunden am Tag und das sieben Tage in der Woche.

Siliziumkarbid und die Optimierung von CSTBT-Chips

Siliziumkarbid wird als Halbleiterausgangsmaterial für bestimmte DIPIPMs verwendet, die in Klimageräten zum Einsatz kommen, um noch effizienter Leistung zu wandeln. Für aktive PFCs gibt es ein Hybridmodul (mit Si-IGBT und SiC-Freilaufdioden bestückt) und ein komplett mit SiC-MOSFET und SiC-Schottkydioden bestücktes DIPPFC-Modul, die beide mechanisch zum Hybrid-SiC-DIPIPM passen und so eine kompakte und energieeffiziente Lösung für diese Anwendungen darstellen.

Kurzschluss-Safe-Operating-Area und Leistungsverluste

Eine Optimierung von CSTBT-Chips hin zu geringen Verlustparametern hat auch Konsequenzen für das Kurzschluss Safe Operating Area (SCSOA), denn die Optimierung hin zu geringen Verlusten treibt gleichzeitig den Entsättigungsstrom hoch und reduziert damit auch die Zeit, die ein solcher Chip diesem Stress ausgesetzt werden kann, bis seine kritische Kurzschlussenergie erreicht ist. In den DIPIPM-Familien werden daher die Geschwindigkeit der Kurzschlusserkennung und das SCSOAs des CSTBT-Chips optimiert, um einerseits großes Energieeinsparungspotenzial zu realisieren und gleichzeitig eine sichere Kurzschlussabschaltung zu ermöglichen.

Bei der Entwicklung von Frequenzumrichtern gibt es neben den zuvor erwähnten Parametern der Zuverlässigkeit und der Effizienz das weitere große Themenfeld der EMV. Das Schaltverhalten von IGBTs und das Recoveryverhalten von Freilaufdioden sind als EMV Störquellen mit für den Filteraufwand verantwortlich, der betrieben werden muss, um einschlägige EMV-Normen für Frequenzumrichter zu erfüllen, damit der Umrichter an das Netz gehen kann. Langsames Schalten erzeugt langsamere Schaltflanken und reduziert den Filteraufwand, führt aber zu höheren Verlusten.

Die Schalt- und Recoverygeschwindigket wird durch die Auslegung des integrierten Gate-Treibers im HVIC des DIPIPMs bestimmt und ist maßgeblich für die EMV-freundliche Abstimmung des Transfer-Mold-IPMs zur Senkung von Filterkosten verantwortlich. Dazu wird ein Teil der gewonnenen Verluste aus der zuvor betrachteten Optimierung von SCSOA und IGBT-Chipverlusten eingesetzt, um gezielt die Systemkosten zu senken.

* * Dipl.- Ing. Marco Honsberg MBA ist Assistant Manager im Power Semicoductors Engineering bei Mitsubishi Electric Europe, Ratingen.

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