Herausforderungen beim Einsatz von SiC in Hochleistungsmodulen

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Es gibt neue technische Herausforderungen

Die größte Herausforderung für den zukünftigen Einsatz dieser Bauelemente sind die hochfrequenten Schwingungen nach dem Abschalten der Dioden. Je schneller geschaltet wird, desto höher sind die Amplituden, ein extremes Beispiel zeigt Bild 4. Nicht so stark aber vorhanden sind diese Schwingungen auch beim Abschalten von SiC-Transistoren. Das Fehlen der Löcher im Stromfluss sorgt nicht nur für niedrige Schaltverluste, sondern auch für abrupte Stromänderungen, welche dann parasitäre Schwingkreiselemente zum Oszillieren anregen. Im dargestellten Beispiel deutet die Resonanzfrequenz von 20 MHz auf Schwingungen zwischen der Summe der Chipkapazitäten und der Kommutierungsinduktivität zum Zwischenkreis hin (3 nF, 20 nH).

Zur Abstellung dieses Effekts bietet der klassische Halbleitermodulaufbau keine Lösung. Das beschriebene Modul hat bereits eine minimierte Kommutierungsinduktivität zwischen IGBT und Diode. Die Induktivität 20 nH für den Gesamtstrompfad ergeben sich hauptsächlich aus dem Abstand der nebeneinander liegenden DC-Terminals. Hier wird aus Gründen der Isolationsabstände die laminierte Busbar-Struktur unterbrochen, die innerhalb des Moduls und außerhalb im Zwischenkreis bereits existiert. Module mit nebeneinander liegenden Anschraubpunkten für +DC und –DC können diese Induktivität nicht weiter minimieren. Aufbaukonzepte mit durchgängig laminiertem Busbarsystem existieren als integrierte Lösung von Halbleitermodul mit Zwischenkreiskondensator und für den kleineren Leistungsbereich zur mehrlagigen Leiterplattenmontage. Diese Konzepte sind aber für Einzelkomponenten im höheren Leistungsbereich mit massiven Anschlussblechen und Schraubverbindungen nur schwer realisierbar.

Ein langsames Einschalten des Transistors beseitigt zwar die Schwingungen, erhöht aber auch die Schaltverluste wieder auf ein Maß, wie es auch mit schnellen IGBT und Soft-Recovery-Si-Dioden möglich wäre. Auch andere Lösungsmöglichkeiten wie integrierte RC-Snubber oder Hybriddioden aus Si- und SiC-Dioden erhöhen die Schaltverluste und machen wenigstens teilweise die Vorteile der niedrigeren Schaltverluste zunichte. Zusätzliche Filtermaßnahmen, welche die Störabstrahlung wieder auf ein zulässiges Maß senken, stehen dem Anspruch entgegen, den Aufwand für die passiven Komponenten zu reduzieren.

Einschränkungen müssen auch durch die begrenzte Stoßstromfähigkeit in Kauf genommen werden. Dieser Parameter ist insbesondere bei Umrichtern am Energieversorgungsnetz ein wichtiges Kriterium. Hierauf müssen Ladeströme für Zwischenkreiskondensatoren und Kurzschlussschutzeinrichtungen abgestimmt werden. Die Stoßstromfähigkeit ist bei vergleichbarer Durchlasskennlinie proportional zu der über Bonddrähte kontaktierten Chipfläche. Hier stehen im beschriebenen Modul nur 117 mm² SiC-Dioden mit 36 Bondfüßen einer Fläche von 243 mm² mit 90 Bondfüßen in einem gleichwertigen Aufbau mit Standard-Si-Dioden gegenüber. Dementsprechend sinkt der Stoßstrom von 3500 A auf 900 A. Eine 25%ige Verbesserung auf 1100 A würde der Ersatz der Bonddrähte durch eine großflächige Chipkontaktierung mit einer kupferkaschierten Folie bringen.

Kompensieren lässt sich aber die geringere Fläche damit auch nicht. Weiterentwicklungen bei den SiC-Bauelementen werden diesen Effekt noch verstärken, da diese mit einer weiteren Chipflächenreduzierung einhergehen. Als Abhilfemaßnahmen muss durch Ladeeinrichtungen und entsprechende Eingangsfilter der Stoßstrom zusätzlich begrenzt werden, was ebenfalls dem Ziel entgegensteht, die passiven Komponenten zu reduzieren. Kurzschlussschutzeinrichtungen müssen mit niedrigeren Schwellwerten eingerichtet werden, was die Überlastfähigkeit der Umrichter begrenzt.

Wechselnde Lasten lassen Verbindungen altern

Ein weiter kritisch zu betrachtender Punkt ist die Lastwechselfestigkeit. Kleine Chipgrößen mit hohen Stromdichten (>3 A/mm²) im Nennbetrieb führen bei wechselnden Lasten zu großen Temperaturunterschieden zwischen Leerlauf und Volllast. Aufgrund unterschiedlicher thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien altern die Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Schichten der Leistungs- halbleitermodule. Verschärfend kommt hinzu, dass bei den vielen parallelen Chips ein Aufbau bei dem alle Chips den gleichen Strompfad besitzen nur schwer zu realisieren ist. In der gewählten Anordnung gemäß Bild 2 sind zwei Dioden über Bonddrähte miteinander verbunden. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Stromdichte in den Bonddrähten, zusätzlicher Erwärmung und beschleunigten Ausfällen. Durch gesinterte Chips, optimierte Bondverbindungen oder großflächige Folienkontaktierung stehen Technologien in der Aufbau- und Verbindungstechnik zur Verfügung, um die Lastwechselzahlen zu erhöhen und Produkte mit hoher Lebensdauer zu produzieren. //KU

* * Dr. Arendt Wintrich ist Leiter der Simulation in der Entwicklungsabteilung von Semikron, Nürnberg.

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Link: Übersicht der IGBT-Module von SEMIKRON

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