PCIM 2014: Packagedesign für schnelles Schalten

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ROHM Semiconductor GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

RECOM Power GmbH

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Niederinduktive Modulkonzepte

Um die Potenziale des schnellen Schaltens von SiC- und insbesondere von GaN-Schaltern nutzen zu können, müssen die Leistungsmodule neu gestaltet werden. Das Erhöhen der Schaltgeschwindigkeit bei nicht stromlos geschalteten Systemen führt zu Spannungsspitzen über den Halbleitern und zu höheren elektromagnetischen Störungen. Die Überspannungen an den Halbleitern können diese schädigen. Um die Störungen zu minimieren ist ein entsprechendes Design mit geringen parasitären Induktivitäten und Kapazitäten im Modul notwendig.

Die Induktivität des Gate-Pfades verringert ebenfalls die Schaltgeschwindigkeit. Der konventionelle Bonddrahtaufbau weist hohe parasitäre Induktivitäten auf. Um die parasitäre Effekte zu reduzieren ist ein hoher Grad der Integration notwendig. In diesem Fall werden die gesamte Schaltzelle einschließlich DC-Link-Kondensatoren und den Treibern zu einem niederinduktiven Modul vereint.

Bildergalerie

Ein Beitrag von Laboratoire Ampere CNRS (Villeurbanne, Frankreich) präsentiert einen niederinduktiven Inverter mit einer doppelseitiger Kühlung der verwendeten Si-IGBTs und Schottky-Dioden, sowie ein Halbbrückenmodul mit SiC-JFETs und integriertem Gleichtaktfilter auf dem Modul (Bild 2) [2].

Die Induktivität des Zwischenkreises wurde durch einen Busbar-Aufbau auf gemessene 10 nH reduziert. Es kam eine direkte Kühlmethode mit einer Sandwich-Konfiguration zur Verwendung. Dies ermöglicht einen sehr geringen thermischen Widerstand. Der Gate-Treiber wurde für Hochtemperaturanwendungen entworfen, in Bondrahttechnologie ausgeführt und erfolgreich bis 310 °C getestet. Das zweite Modul wurde hinsichtlich der EMV untersucht. Die Ergebnisse werden in dem Beitrag detailiert diskutiert.

Parasitäres Einschalten und GaN-Packages

Ein besonders kritischer Aspekt bei der Verwendung von schnell schaltenden Halbleitern in Halbbrückenkonfiguration ist parasitäres Einschalten. Hiermit beschäftigt sich der Beitrag von Infineon Technologies AG (Warstein, Deutschland) [3]. Es wird ein 400-A-odul mit 32 parallelen 1200-V-normally-on-SiC-JFETs in Halbbrücken-Konfiguration mit insgesamt 64 Chips untersucht.

Die gemessenen Strom- und Spannungsverläufe für unterschiedliche Gate-Induktivitäten zeigen die Bedeutung einer niederinduktiven Anbindung der Schaltzellensteuerung. Die Simulationen des Schaltverhaltens verdeutlichen den Einfluss des Gate-Widerstands und der DC-Link-Induktivität auf die Schaltzeit und das parasitäre Einschalten.

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