Halbbrücken-Power-Modul für 3-Phasen-Motoren

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Einfluss der PCB-Temperatur auf die Strombelastbarkeit

Um auch Anwendungen mit höherem Leistungsniveau bewältigen zu können, wurde die µIPM-Familie ausgebaut und umfasst nun auch neue Module mit 7 mm x 8 mm x 0,9 mm und 8 mm x 9 mm x 0,9 mm in Halbbrückenkonfiguration (Bild 6 siehe Online-Galerie). Deren Nennspannungen schließen jetzt außerdem 40 V mit ein, und der Nennstrom wurde auf 10 A für die 500-V-Version und auf bis zu 30 A für die 40-V-Variante erhöht.

Durch Aufteilung des integrierten 3-Phasen-Inverters in drei einzelne Halbbrücken ergeben sich mehrere Vorteile. Allem voran und am allerwichtigsten ermöglicht es diese Methode, die Modulverlustleistung auf eine größere Leiterplattenfläche zu verteilen, um so die Gesamtwärmeleistung zu verbessern. Generell ist die Strombelastbarkeit eines IPM abhängig von der DC-Busspannung, der Umgebungstemperatur und der Schaltfrequenz (und für alle diese Faktoren gilt: je höher sie sind, umso größer sind die Verluste), vom Modulationsverfahren (d.h. 3 Phasen versus 2 Phasen), vom dV/dt der Phasenspannung sowie selbstverständlich von den FET-Kennwerten (R_DSon, I_REC etc.).

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Im Falle einer oberflächenmontierbaren Lösung, wie sie die µIPM-Familie bietet, hängt die Strombelastbarkeit außerdem vom Leiterplatten-Design und speziell der Kupferdicke, den Kupfer-Pad-Flächen, der Anzahl der Schichten und schließlich von der höchstzulässigen PCB-Temperatur ab. Mit anderen Worten: Die maximale Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiter spielt tatsächlich eine geringere Rolle als die maximale PCB-Temperatur.

Durch eine Erhöhung der Kupferdicke der Leiterplatte wird der Gesamtwärmewiderstand „Sperrschicht zu Umgebung“ gesenkt und in der Folge die Leiterplattentemperatur. Eine geringere Temperatur ermöglicht eine höhere Strombelastbarkeit. Im Diagramm (Bild 7) ist die direkte Auswirkung von dickerem PCB-Kupfer und zusätzlichem Heat-Spreader auf die Strombelastbarkeit eines Kompressorantriebs von 300 W nominal dargestellt, wobei die Inverterstufe auf drei Halbbrückenmodulen IRSM807-105MH basiert.

Die Strombelastbarkeit am Ausgang steigt mit höherem ΔT_CA, und sie nimmt darüber hinaus zu, wenn eine 2-phasige statt einer 3-phasigen Modulation Verwendung findet. Gleichermaßen erlauben durch Senken der Schaltfrequenz erreichte geringere Schaltverluste einen höheren Ausgangsstrom. Zusätzlich senkt ein auf der Oberseite montierter Heat-Spreader die Temperatur noch weiter und führt zu einem sogar noch kühleren Betrieb. Durch Nutzung eines Satzes von µIPM-Halbbrückenmodulen ließen sich zudem die Abmessungen der gesamten Kompressor-Ansteuerung um 40% auf eine Leiterplattengröße von 10 cm x 7,7 cm verringern.

Zwar sind die gestellten Anforderungen an das PCB-Design und den Materialeinsatz, z.B. die QFN-ähnliche Gehäuselösung in vollem Umfang zu nutzen, bereits Bestandteil der allerjüngsten Implementierungen von Boards zur Motorregelung, doch gibt es noch Optimierungspotenzial durch die zusätzliche Verwendung eines Kühlkörpers an der Oberseite des Moduls, um schrittweise eine Lösung mit noch höheren Nennströmen zu erhalten. Die Erweiterung des Dreiphasen-IPM-Modulportfolios durch die Dual-in-line-DiP-µIPM adressiert diesen Bedarf durch das Angebot desselben Chipsatzes der µIPM-Familie in einem traditionelleren DIP26/SOP26-Gehäuse. Auf diese Weise wird dem Entwickler der höchste verfügbare Freiheitsgrad geboten, aus dem er die optimierte Lösung für jede Anwendung auswählen kann.

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