Leistungsmodul in Hybridtechnik Kompaktes Choppermodul für Kleinwindgeneratoren auf einem Keramikträger

Innerhalb von 6 Monaten von der Schaltungsentwicklung bis zur Lieferung der Prototypen hat der Elektronikdienstleister LUST Hybrid-Technik ein Choppermodul für Kleinwindgeneratoren für SMA Solar Technology realisiert. Das nur 95 mm x 45 mm x 16 mm große Leistungsmodul ist Gleichrichter und Überspannungsschutz in einem.

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Die Firma LUST Hybrid-Technik, Dienstleistungspartner für die Entwicklung und Fertigung von Baugruppen in Hybrid-/COB-Technik hat im Auftrag der SMA Solar Technology AG in Niestetal bei Kassel ein kompaktes Choppermodul für den Einsatz in Kleinwindgeneratoren realisiert. Das Choppermodul arbeitet als Überspannungsschutz, um bei Netzausfall oder Defekt des Wechselrichters einen unzulässigen Anstieg der Zwischenkreisspannung zu verhindern. Die Entwicklung des Schaltungs- und Modulkonzept für die Baugruppe, beginnend mit der Schaltungsentwicklung bis zur Lieferung der Prototypen, dauerte 6 Monate.

Das Modul ist für Zwischenkreisspannungen bis 600 V und eine Leistung bis 6 kW ausgelegt. Die Steuerung wird aus der Zwischenkreisspannung versorgt. Eine integrierte Temperaturüberwachung führt bei Erreichen einer Kühlkörpertemperatur von 100°C zum Abschalten des Moduls. Der implementierte Kurzschlussschutz sichert das Modul gegen elektrische Zerstörung. Im Nennbetrieb entsteht im Modul eine Verlustleistung von 60 W, im Überlastfall bis 150 W. Die Einschaltspannung des Choppermoduls kann zwischen 360 und 560 V voreingestellt werden. Eine komplette Drehstrombrückengleichrichtung für einen Effektivstrom von 10 A/Diode ist integriert.

Ausgehend von diesen Spezifikationsforderungen erarbeiteten die Spezialisten bei LUST Hybrid-Technik ein Schaltungs- und Modulkonzept. Vorteilhaft erwies sich, neben den schaltungstechnischen Erfahrungen, das fundierte Wissen über Integrationsmöglichkeiten von Schaltungsteilen. Es wurden Aufbaukonzepte unter Berücksichtigung von organischen Schaltungsträgern, keramischen Trägermaterialien (Al2O3; AlN) und deren Strukturierung in Dickschichttechnik, DCB-Keramikträger und Stahlsubstrate gegenübergestellt.

Kompaktes Modul mt Abmessungen von 95 mm x 45 mm x 16 mm

Konstruktive Zielsetzung war die Komplettintegration in ein Modulabmaß von 95 mm x 45 mm x 16 mm. Daraus resultieren folgende Anforderungen an das Aufbaukonzept:

• Minimierung der thermischen Übergangswiderstände an den Leistungskomponenten;
• Minimierung von Hotspots auf dem Schaltungsträger und gleichmäßige Abführung der Verlustleistung zu einem externen Kühlkörper;
• Reduzierung des Bauelementeplatzbedarfes durch den Einsatz von ungehäusten Leistungshalbleitern;
• optimale thermische Anbindung der Temperaturüberwachung zum Erreichen kurzer Reaktionszeiten;
• Gewährleistung der Stromtragfähigkeiten in der Trassierung auf dem Schaltungsträger im Leistungspfad;
• Realisierung von Luft- und Kriechstrecken im begrenzten Bauraum;
• angepasste thermomechanische Eigenschaften der Fügepartner (Schaltungsträger/Kühlkörper/Gehäuse) sowie
• mechanische Robustheit für den Einbau im System (Montage/Befestigung/Kontaktierung).

Teilfunktionen des Moduls

Die integrierten Funktionen sowie schaltungstechnische Maßnahme zur Gewährleistung der Eigensicherheit sind in der Abbildung zusammengefasst dargestellt.

Der Einsatz keramischer Verdrahtungsträger bietet aufgrund deren Materialeigenschaften ideale Voraussetzungen, um eine maximale Funktionsdichte bei geringer Eigenerwärmung zu erreichen.

Trennung auf drei Leiterplatten erhöht Zuverlässigkeit

Die Gesamtbaugruppe verteilt sich auf drei keramische Leiterplatten. In der Schnittstellengestaltung zwischen den einzelnen Substraten werden Sicherheitsaspekte, wie das Einhaltung von Mindestabständen, die Trennung zwischen UZK und Auswerteelektronik sowie die logische Kombination von Teilfunktionen der Baugruppe, wie z.B. die Platzierung des Thermoelementes auf dem Substrat mit hoher Verlustleistung berücksichtigt. Die Trennung der Leistungsbaugruppen in zwei Schaltungsträger reduziert den Eintrag von mechanischem Stress bei der Montage auf dem Grundkörper des Moduls und erhöht insgesamt die Zuverlässigkeit der Baugruppe.

Die Netzwerkdesigns sind in Dickschichttechnik umgesetzt. Die Strom führenden Trassierungen sind für eine Nennbelastung bis 20 A ausgelegt. Es kommen ausschließlich Standardmaterialien der Dickschichtstrukturierung zum Einsatz. Widerstandselemente des Leistungsteils, einschließlich eines PTC-Elementes, sind in den Schichtaufbau integriert. Hierdurch wird eine optimale thermische Ankopplung an den Baugruppengrundkörper erreicht.

Optimalische thermische Anbindung an den Baugruppenkörper

Die Montage der Leistungshalbleiter erfolgt in Chipausführung durch Vakuumverlöten mit dem metallisierten Keramiksubstrat und nachfolgender Anschlusskontaktierung mittels Aluminum-Dickdrahtbonden. Die Direktmontage der Leistungskomponenten auf dem Keramikträger trägt entscheidend zum Erreichen des niedrigen thermischen Gesamtwiderstandes Rthges bei.

Die thermografische Aufnahme im nebenstehenden Bild zeigt die Wärmeverteilung über den Träger des Leistungsteils im Lastfall.

Die Lötung der Leistungsbaugruppen unter Schutzgas auf einem gemeinsamen Modulträger gewährleistet die flächige und fehlstellenarme Anbindung an die Grundplatte des Moduls. Durch einen mehrstufigen Verguss, bestehend aus Silikon- und Epoxy-Einbettung erhält das Modul seinen mechanischen und klimatischen Schutz.

Das Modul ist Teil eines „Konstruktionsbaukastens“. Dieser Baukasten erleichtert Anwendern von Leistungsbaugruppen in Industrie-Applikationen den Zugang zu kundenspezifischen Lösungen.

*Dirk Schönherr ist in Vertrieb und Applikation bei der LUST Hybrid-Technik GmbH in Hermsdorf/Thüringen tätig.

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