Halbbrücken-Power-Modul für 3-Phasen-Motoren

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Heitec AG

Eurocircuits GmbH

IR International Rectifier European Regional Centre

Bestmögliche Balance zwischen EMV und Verluste

Bei den bereits verfügbaren neuen DiP-µIPMs intelligenter Dreiphasen-Leistungsmodule sind für die Leistungsstufe (wie bei den QFN-basierten µIPMs) 500-V- oder 250-V-Trench-FredFET-MOSFETs verbaut. Zusätzlich gibt es noch eine Variante, die 600-V-Trench-IGBTs plus Pt-Diode verwendet. Sie ist speziell für höhere Leistungsanforderungen (bis 250 W) gedacht. Allen Versionen gemeinsam ist die eingebaute Bootstrap-Funktionalität und ein NTC-Temperaturfeedback. Die Treiber-HVICs wurden dahingehend abgeglichen, eine optimale Balance zwischen EMV und Schaltverlusten zu erzielen. Bild 10 zeigt das aktuelle IPM-Gehäuse sowie eine 200-W-Referenz-Design-Platine, die vom digitalen Control-IC mit der Bezeichnung IR IRMCK angesteuert wird (Bild 11).

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Vor ungefähr zehn Jahren trug die Markteinführung der ersten Generation von IRAM-SiP-Bausteinen sowohl zur Beschleunigung der Umgestaltung der Hausgeräte-Branche bei als auch zum Einsatz fortschrittlicherer energiesparender Produkte durch Endverbraucher. Mit den neuen IRAM Gen2 gelang International Rectifier grundlegende Verbesserungen, um der Nachfrage nach höheren Wirkungsgraden und weiteren Betriebstemperaturbereichen zu genügen. Die Neuentwicklung ist durch ein exponiertes (jedoch vollständig isoliertes) Substrat geprägt, wobei die Übergangstemperatur höher ist als beim ursprünglichen IRAM und damit ein sicherer Betrieb bis zu einer Gehäusetemperatur von 140 °C erlaubt ist.

Außerdem führen die nunmehr als Standard verwendeten Heat-Spreader aus Kupfer, die sowohl für den Trench-IGBT als auch für die Freilaufdiode FRED eingesetzt werden, zu einer bis 30%igen Verbesserung des Wärmewiderstand R_thJ-C. Damit verbunden ist eine weitere äquivalente Senkung der Wärmeimpedanz, besonders in dem Bereich, der für die Überlast-Betriebsart der Anwendung wichtig ist. Bild 12 illustriert die grundsätzliche Design-Verbesserung.

Durch Implementierung dieser thermomechanischen Verbesserungen in Verbindung mit den optimierten Trench-IGBTs und moderneren HV-IC-Dreiphasen-Gate-Treibern ließ sich eine Steigerung der Nennströme der Produktfamilie um insgesamt 20% erreichen, bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Gehäuse-Betriebstemperatur der IPM-Familie um 33%. Die neuen IRAM-Gen2-Halbleiter verbessern die Skalierbarkeit der IRAM-SiP-Plattform durch Ausweitung der Nennströme des SiP1-Gehäuses auf 20 A. Ein besserer Wirkungsgrad, dieselbe Pin-zu-Pin-Kompatibilität sowie identische mechanische Abmessungen ermöglichen ein leichtes Aufrüsten des etablierten Motorantriebs-Designs, welches höhere Motorströme für weitere Bereiche in Waschmaschinen und Klimaanlagen abdeckt.

Bild 15 zeigt als Beispiel eine Motortreiber-Platine, die der Spezifikation von 850-W-Motoren genügt (bislang waren es lediglich 700 W), ohne irgendein grundsätzliches Redesign mit unverändert gleichen Kühlkörperdimensionen. Die Leiterplatte sorgt so für beträchtliche wirtschaftliche Vorteile sowie für ein schnelleres Time-to-Market für OEMs. Um nun ein breiteres Spektrum abzudecken, in dem Motoranwendungen mit geringerer Leistung benötigt werden, gibt es jetzt eine kleinere, kostenoptimierte IPM-Lösung (DiP-IRAM-Plattform) genau für diesen Einsatzzweck. Mit einer radikalen Abkehr vom kundenspezifisch anpassbaren, Substrat-basierten System-in-Package-Konzept der Benchmark-SiP-IRAM-Familie handelt es sich bei dieser neuen Plattform um eine zu 100% Kontaktträger-basierte, voll spritzvergossene Gehäuseentwicklung.

Derselbe Chipsatz von Leistungshalbleitern und Gate-Treiber-HVICs, wie er im IRAM Gen2 SiP verwendet wird, ist in einem DIL-Gehäuse mit 24 mm x 38 mm untergebracht und erweitert die Nennströme auf 6 A nach unten und 15 A nach oben, wobei nur wenige externe Bauelemente hinzugefügt werden müssen. Weil die Außenabmessungen des Gehäuses (24 mm x 38 mm) denen des Industriestandard-DIPentsprechen, ist eine reibungslose Migration von bisher vorhandenen Designs auf diese neue Lösung möglich. Bild 16 zeigt das neue Dual-in-line-IPM-Gehäuse der DiP-IRAM-Plattform.

Alle IPM-Produkte sind durch Kombination geeigneter Materialien, einem mechanischen Design sowie durch hocheffiziente Leistungshalbleiter für Benchmark-Performance optimiert. Um das Erreichen des Ziels nachzuweisen, wurden die neuen IR-Plattformen mit anderen Standard-IPMs unter anwendungsspezifischen Leistungsbelastungstests verglichen.

* * Alberto Guerra... ist VP Product Marketing & Strategic Market Development bei International Rectifier, El Segundo/USA.

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