Entwicklung eines Power-Moduls für Automobil- und CAV-Antriebe

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EBV Elektronik GmbH & Co. KG

Heitec AG

RECOM Power GmbH

Die Bauform des Modul-Gehäuses

Beim HPDrive-Basisgehäuse wurden der Pin-Fin-Kühlkörper und der interne Material Stack von der bewährten HP2-Familie übernommen. Aber der HPDrive hat eine um 36% kleinere Bodenplatte und ist um 40% leichter, was die Kosten verringert. Außerdem bietet er ein flexibles Steuer-Pin-Anordnungssystem, das dem Modulentwickler die Möglichkeit gibt, die Anordnung der Steuerpins zu optimieren (ersichtlich in Bild 1).

Das verringert die Leiterbahnfläche, die für Steueranschlüsse an der DBC erforderlich ist. Da außerdem die Steuer-Pins nicht in das Gehäuse eingespritzt sind, können zukünftige Funktionserweiterungen, etwa die Messung der Temperatur oder des Stroms direkt im Chip, wesentlich einfacher in das Gehäuse integriert werden. Zum Anschluss der Signal-Pins wurde die PressFit-Technik verwendet.

Dabei handelt es sich im Vergleich zum Selektivlöten, um ein schnelles (etwa zwei Minuten Zeitersparnis in der Montage) und zuverlässiges Produktionsverfahren. Außerdem ist die gasdichte Verbindung äußerst beständig gegen korrosive Umgebungen und Vibrationen. Für die Leistungsanschlüsse sind die Gleichstromklemmen höhenversetzt angeordnet, um den Anschluss an einen mehrlagigen Gleichstrombus zu vereinfachen; und auf Wunsch sind verlängerte Ausgangsklemmen erhältlich, die mit einem Stromsensor versehen werden können.

Da sich die Stromsensorklemmen auf der gleichen Höhe befinden wie die Modulsteuerklemmen, kann der Stromsensor direkt an die Gate-Treiberplatine angeschlossen werden, so dass keine zusätzlichen Kabel und Verbinder notwendig sind. Durch das kleinere Gehäuse und die Optimierung der inneren Auslegung des Moduls konnte die Induktivität um 40% von 14 nH (HP2) auf 8 nH reduziert werden. Das verringert das Überschwingen der Spannung der IGBTs, was höhere Schaltgeschwindigkeiten oder den Betrieb mit höheren Arbeitsspannungen ermöglicht.

Stromtragfähigkeit für Anfahrmomente

Der Betrieb mit feststehendem oder blockiertem Motor-Rotor, gelegentlich auch als Hill Hold oder Anfahrmoment bezeichnet, verursacht oft die größte Temperaturbelastung des Bauelements, da der Strom in einem einzelnen Schalter mit dem Scheitelwert der sinusförmigen Stromwelle fließen kann. Daher bestimmt dieser Eckbetriebspunkt den Grenzwert für die Strombelastbarkeit des Leistungsmoduls. Die neuen EDT2-Chips sind in der Lage, für kurze Zeit (< 10 s) bei 175 C zu arbeiten, um diese Anforderung hinsichtlich des Blockierzustands zu erfüllen.

In Tabelle 1 werden der Betrieb des HPDrive und des HP2 im Blockierzustand des Motors verglichen. Dabei zeigt sich, dass die nur 300 mm² großen EDT2-Chips vergleichbare Stromdaten aufweisen wie die IGBT3-Chips mit 400 mm². Allerdings ist die maximale Sperrschichttemperatur nicht der einzige begrenzende Faktor, sondern die Lebensdauer des Moduls aufgrund von Temperaturwechsel-Beanspruchungseffekten ist ebenfalls ein entscheidendes Auslegungskriterium. Um den Effekt hoher Temperaturdifferenzen abzuschwächen, ist das Chip-Lötsystem verbessert worden, sodass die Lastwechselfestigkeit um 40% gestiegen ist, beispielsweise auf 60.000 Zyklen bei einer Temperaturdifferenz des Chips von 100 K.

Zudem wurde das HybridPACK Drive entsprechend der neuen ZVEI-LV324-Vorgaben qualifiziert, was beispielsweise den Test der Zyklenfestigkeit bei mindestens 85% vom Nennstrom beinhaltet (somit 700 ADC Teststrom beim FS820…HPDrive).

Die Produktfamilie der Leistungshalbleiter

Bei der Entwicklung des neuen EDT2-IGBT/Dioden-Chipsets mit geringeren Verlusten und höherer Temperaturbelastbarkeit ergaben sich zwei verschiedene Ansätze für die Modulauslegung. Der erste war die Entwicklung eines kleineren, leichteren Moduls mit ähnlichem Ausgangsstrom wie das bereits existierende HP2-Modul. Gleichzeitig bietet das neue Gehäuse einige technische Vorteile, wie etwa eine geringere Streuinduktivität und Steuersignal-Pins mit PressFIT-Kontaktierung. Dieser Entwicklungsansatz wurde für den HPDrive gewählt.

Der zweite Entwicklungsansatz war, die EDT2-Chips in das vorhandene HP2-Gehäuse zu integrieren, was auch dort eine Erhöhung des Nennstroms ermöglicht. Kunden, die das HP2-Gehäuse bereits nutzen, haben also die Möglichkeit, entweder Nennstrom und Nennspannung zu erhöhen oder die gleiche Leistungsfähigkeit in einem kleineren, kostengünstigeren Gehäuse beizubehalten.

Außerdem wird das neue HPDrive-Modul in zwei Ausführungen zur Verfügung stehen: mit Pin-Fin-Grundplatte und einem Nennstrom von 820 A sowie mit flacher Grundplatte und einem Nennstrom von 660 A. Weiterhin ist das HybridPACK Drive Package mit 9 mm Kriechstrecken für Arbeitsspannungen bis 900 V tauglich und wird daher zukünftig auch mit 1200-V-Chipsätzen angeboten.

* Andre Christmann ist System Application Engineer, Infineon North America. David Levett ist Power Electronics Design and Applications Engineer, Infineon North America. Tomas Reiter ist Application Engineer Electric Drive Train, Infineon Neubiberg.

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