IGBT-Module Herausforderungen beim Einsatz von SiC in Hochleistungsmodulen

Die Verfügbarkeit von Wide-Bandgap-Halbleitern in Serienprodukten wie IGBT-Modulen gibt den Entwicklern von leistungselektronischen Systemen neue Möglichkeiten bei der Produktentwicklung.

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EBV Elektronik GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Nachdem SiC-Power-Module im kleinen Leistungsbereich einiger kW bereits erfolgreich im Einsatz sind, folgen nun erste Module mit Siliziumcarbid-(SiC-)Schottky-Dioden auch für den mittleren und hohen Leistungsbereich. Module mit SiC-Transistoren werden in naher Zukunft folgen. Schottky-Dioden und Feldeffekt-Transistoren mit hohen Sperrspannungsklassen zwischen 600 und 1700 V waren auf Silizium-Basis (Si) physikalisch nicht möglich bzw. technisch den bipolaren IGBT weit unterlegen.

Modulaufbau eines SKiM- IGBT-Moduls mit SiC-Dioden

Hauptvorteil der neuen Bauelemente sind nun die um Größenordnungen niedrigeren Schaltverluste bei nur etwas schlechteren Durchlasseigenschaften. Sie bieten daher Vorteile für Anwendungen mit höheren Schaltfrequenzen (>15 kHz).

Das Bild 1 (großes Bild links) zeigt den Schnitt durch ein SKiM-IGBT-Modul von SEMIKRON mit SiC-Dioden und 1200 V Sperrspannung. Die heute serienmäßig verfügbaren SiC-Leistungshalbleiter haben noch sehr kleine Nennströme. Typisch sind 5 und 10 A bis maximal 20 A. Für Module mit mehreren 100 A Nennstrom ist eine Parallelschaltung vieler kleiner Chips notwendig. In Bild 2 ist der Keramikträger (DCB) eines 1200-V-IGBT-Moduls mit 300 A zu sehen; hier besteht jeder Schalter aus einen Parallelschaltung von 6 x 75-A-Ultrafast-IGBT und 12 x 10-A-SiC-Schottky-Dioden als Inversdiode. Drei dieser DCB bilden einen dreiphasigen Wechselrichter im SKiM-Modul.

Die SiC-Dioden besitzen durch den hohen positiven Temperaturkoeffizient der Durchlasskennlinie (>5mV/K) eine sehr gute Parallelschaltbarkeit. Bei einer ungleichmäßigen statischen Stromaufteilung verursacht das Bauelement mit dem höheren Strom mehr Verluste, wird dadurch heißer und seine Durchlassspannung steigt. Folglich gibt es Strom an seine Nachbarn ab und die Stromverteilung gleicht sich aus. Probleme mit der Stromaufteilung beim Schalten gibt es wegen der kaum vorhandenen Speicherladung ohnehin kaum. Restriktionen bei der Anzahl der parallel geschalteten Elemente existieren eher aus Gründen einer sinnvollen Anordnung im Modulaufbau.

Ein Modul für den Einsatz bei höheren Schaltfrequenzen muss einen niederinduktiven Aufbau mit kleiner Kommutierungsinduktivität zwischen Transistor und Diode haben. Nur dann ist ein schnelles Schalten mit niedrigen Verlusten aber hohem di/dt und dv/dt möglich. Die Rückkopplung des Hauptstromes in den Ansteuerkreis muss ebenfalls gering sein, um Störungen der Schaltsignale zu vermeiden. Aus Bild 1 ist der innere Aufbau der Hauptanschlüsse eines SKiM-IGBT-Moduls ersichtlich. Die Verschienungen sind so ausgeführt, dass der Strom bei einer Kommutierung von +DC (rot) nach –DC (blau) eine möglichst kleine Fläche aufspannt (übereinanderliegende Stromschienen). Außerdem wird der Hauptstrom senkrecht nach oben von den Chips weggeführt und induziert damit kaum störende Spannungen im Ansteuerkreis.

Die niedrigeren Schaltverluste erlauben ein Anheben der Schaltfrequenz in klassischen Umrichter-Anwendungen mit mittlerer Schaltfrequenz von heute typischer Weise 6 bis 10 kHz auf zukünftig 20 bis 40 kHz. Allein durch den Einsatz von SiC-Schottky-Dioden in einem IGBT-Modul werden nicht nur die Diodenschaltverluste auf <10% reduziert, sondern es sinken auch die Einschaltverluste der IGBT auf 60% im Vergleich zu Modulen mit Soft-Recovery-Si-Dioden. Einsatzgebiete sind Anwendungen in denen die Baugröße und Kosten von passiven Komponenten (Drosseln und Übertrager) reduziert werden sollen, Wechselrichter für sehr hochfrequent rotierende Maschinen oder Anwendungen in welchen die Lärmbelästigung eine Rolle spielt, um hier den Umrichter außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs zu betreiben.

Einsatz und Nutzen am Beispiel Wechselrichter

Mit dem in Bild 2 beschriebenen Chipsatz lässt sich in einem solchen Bauelement ein 70-kVA-Umrichter bei einer Schaltfrequenz von 30 kHz realisieren. Bedingt durch die immer noch hohen Schaltverluste im IGBT wird ein Modul mit einem IGBT-Nennstrom von 300 A für einen Umrichterstrom von etwa 100 A_RMS benötigt.

Dies gilt für den Fall des motorischen Betriebs (cos phi = 1) mit einer höheren Belastung der Transistoren und bei durchschnittlicher Luftkühlung. Das SiC-Modul erlaubt einen 30% höheren Strom als es eine Lösung mit Si-Bauelementen unter gleichen Kühlbedingungen ermöglichen würde. Bei generatorischem Betrieb (cos phi = -1) mit einer stärkeren Belastung der Dioden sind fast 120 A möglich, was im Bereich des Nennstroms der eingesetzten Schottky-Dioden liegt.

Betreibt man beide Module mit 100 A, sinken die Verluste im SiC-Modul von 2700 W auf 1750 W bzw. steigt der Wirkungsgrad von 96,2% (Si) auf 97,5% (SiC). Bild 3 zeigt den möglichen Umrichter-Ausgangsstrom als Funktion der Schaltfrequenz eines Moduls mit SiC-Dioden im Vergleich zu einem Modul mit den gleichen IGBT aber Si-Dioden. Je höher die Schaltfrequenz desto höher wird der prozentuale Vorteil. Mit SiC-MOSFET wäre eine Verdoppelung des Stromes bei 30 kHz im Vergleich zur Si-IGBT-Lösung möglich.

Wie in den meisten Fällen müssen Vorteile auf der einen Seite durch Nachteile auf anderer Seite erkauft werden. Die höheren Produktionskosten der SiC-Bauelemente können sicherlich durch Einsparungen im Kühlaufwand und durch geringere Baugrößen der Halbleitermodule und passiven Komponenten kompensiert werden. Es gibt aber noch einige andere technische Nachteile gegenüber Si-Bauelementen die nachfolgend betrachtet werden sollen. Die Eigenschaften von SiC–Bauelementen wie hohe zulässige Betriebstemperatur und niedrige Schaltverluste erlauben relativ hohe Stromdichten (A/mm²) im Betrieb mit dem Vorteil eines kompakten Aufbaus und den Nachteilen hoher Temperaturwechsel und begrenzter Stoßstromfähigkeit.

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