Erfolgsgeschichte der Intelligenten Power-Module

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Weitgehend identischer Aufbau von IPMs

Der allgemeine Aufbau aller IPMs ist weitgehend identisch (Bild 2). IPMs bestehen aus:

• Sechs Leistungstransistoren (IGBTs oder MOSFETs)

• Sechs Dioden mit kurzer Sperrverzögerungszeit

• Gatetreiber-ICs

• Gatewiderständen

• Optionalen Thermistoren

• Bootstrap-Dioden

Einige Module verfügen zusätzlich über einen eingebauten Shunt-Widerstand zum Messen des Ausgangsstroms, während bei anderen externe Shunt-Widerstände (1 oder 3) für diese Funktion eingesetzt werden. Darüber hinaus bauen einige Modulhersteller auch Entstör-Kondensatoren, Op-Amps oder Komparatoren in die Module ein.

Die Vorteile des Modulansatzes im Detail

Sobald ein Wechselrichter als integriertes Modul ausgeführt ist, profitiert der Entwickler von kleineren Abmessungen und erhöhter Zuverlässigkeit. Denn eine modulare Lösung auf der Leiterplatte nimmt rund 50% weniger Fläche ein als eine entsprechende diskrete Lösung.

Die sonst auf der Leiterplatte unterzubringenden Verbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen entfallen bei der Modullösung. Auch die Zuverlässigkeit profitiert, da sich der Bauteileaufwand für einen Wechselrichter durch die Modullösung von rund 20 auf 1 verringert.

Die Wahrscheinlichkeit für Ausfälle oder Fehler während des Montageprozesses reduziert sich erheblich durch die gesenkte Zahl der Bauelemente. Deutlich geringer fallen auch Anzahl und Länge der Leiterbahnen aus, womit die Anfälligkeit des Wechselrichtersystems gegen elektromagnetische Störgrößen gesenkt wird.

Zugleich profitiert das System von einer stabileren, besser vorhersagbaren und zuverlässigeren Performance. Überdies reduziert sich durch ein Modul auch der Compliance-Aufwand für das Entwicklungsteam, da es als komplett geprüftes Subsystem meist auch UL-Zertfizierung aufweist.

Die Effizienz eines IPM liegt in der Regel auf dem Niveau einer diskreten Schaltung. Beide lassen sich nämlich mit fortschrittlichen IGBTs (z.B. mit Trench-Field-Stop- oder Non-Punch-Through-Trench-Technik) oder Super-Junction-MOSFETs kombinieren, die sich durch weiter reduzierte Schalt- und Leitungsverluste auszeichnen.

Weitere Vorteile für IPM-Anwender

Für IPM-Anwender ergeben sich jedoch noch weitere Vorteile. Entscheidend ist, dass sich die Implementierung eines Wechselrichter-Designs bei Verwendung eines Moduls deutlich vereinfacht, so dass sich die Markteinführungszeit verkürzt. Für das Modul wird zudem umfassende Dokumentation mit verifizierten Performance-Daten zur Verfügung gestellt.

Von einigen IPM-Herstellern wird zusätzlich eine einfach anzuwendende und kostenlose PC-basierte Entwicklungs-Software mitgeliefert, mit der sich die Auswahl des richtigen Moduls und eine Abschätzung der anfallenden Verlustleistung einfacher und schneller gestaltet.

Nicht zuletzt warten IPMs mit einem umfassenden Bestand an integrierten Schutzfunktionen auf wie zum Beispiel: Fehlersignalisierung, Überstromerfassung und -schutz, UVLO (Under-Voltage Lock-Out), Schutz vor gleichzeitigem Einschalten der High- Und Lowside-Leistungsschalter zur Verbesserung der Systemimmunität, Übertemperatur-Überwachung und -Schutz, Direkter CMOS-Eingang, es wird kein Optokoppler benötigt, und bis zu 2,5 kV Isolationsspannung.

Während sich bei einem Modul der Hersteller um die Anpassung der internen Bauelemente und die bestmögliche Vermeidung parasitärer Effekte kümmert, liegt diese Aufgabe bei einem diskreten Design in den Händen des OEM-Entwicklers.

Auch in der Produktionsphase kann ein Modul punkten. Eine Schaltung, die anstatt 20 nur aus einem Bauteil besteht, lässt sich einfacher und kostengünstiger bestücken. Außerdem werden durch den reduzierten Bauteileaufwand auch die Lagerhaltung und das Zulieferermanagement einfacher. Somit sprechen viele Argumente für die Verwendung eines Moduls.

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