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Legobausteine für HV-Schaltungen

Infineon Technologies stellt neue High-Power IGBT-Plattform vor

7. Mai 2015, 14:33 Uhr | Engelbert Hopf

»The Answer« nennt Infineon auf´s Erste seine neue, modulare High-Voltage IGBT-Modulplattform, die unter anderem im Bezug auf Leistungsdichte der Module in Kombination mit neuen IGBT-Chip-Generationen deutliche Steigerungen der Leistungsdichte bietet.

Robust, zuverlässig, mit verschiedenen IGBT-Chips bestückbar, mit möglichst hoher Leistungsdichte und Stromtragfähigkeit, und am liebsten wie Lego-Bausteine einfach aneinander reihbar, so wünschen sich Anwender IGBT-Module für HV-Anwendungen. Infineon setzt diesen Wusch nun mit einer neuen Modulplattform um, die in einem Gehäuse Applikationen von 3,3 bis 6,5 kV abdeckt.

High-Voltage IGBT-Module kommen traditionell in einem breiten Applikationsspektrum zum Einsatz, der von der Antriebstechnik über die Traktion bis zu den Erneuerbaren Energien und HVDC-Lösungen reicht. »Bisher haben die Packages den zur Verfügung stehenden Chiptechnologien genügt«, stellt Björn Rentemeister, Product Marketing Manager High-Voltage IGBT bei Infineon Technologies fest, »mit dem Einsatz noch leistungsfähigerer Chiptechnologien wird sich das ändern«.

Seit Jahren schon dreht sich in der Leistungselektronik viel um die zukünftige Aufbau- und Verbindungstechnik, die es den Anwendern erlaubt, die Performance der neuen Leistungshalbleitergenerationen wirklich auszunutzen. Im Kern lassen sich die Forderungen an ein High-Voltage IGBT-Modul heute auf vier Punkte reduzieren. Zum einen hohe Leistungsdichte und Effizienz. Dazu kommt eine hohe Zyklenstabilität über einen langen Zeitraum, um speziell für den Einsatz unter rauen Umweltbedingungen gewappnet zu sein. Zudem sollten die Module skalierbare sein, um so das Systemdesign zu vereinfachen. Schließlich sollten neue High-Voltage IGBT-Module flexible Konzepte beinhalten, um auch in Hinblick auf die verwendeten Leistungshalbleiter ein hohes Maß an Flexibilität bei der Entwicklung und Realisierung verschiedener Converter-Lösungen zu ermöglichen. »Wir haben diese Anforderungen aufgegriffen und eine neue High-Voltage IGBT-Modul-Plattform aufgesetzt«, erläutert Rentemeister, »als Halbbrückenschalter bieten wir diese Module mit 3,3 kV/450 A, 4,5 kVA/400 A und 6,5 kV/275 A an«.

Das Besondere an dieser Lösung ist ihre, auf einem Plattformkonzept basierende Skalierbarkeit. Für Zielapplikationen wie etwa Traktion, Antriebe und HVDC bietet das neue Gehäusekonzept eine Isolationsspannung von 10,4 kV und empfiehlt sich damit im besten Sinne für den Einsatz in rauen Umgebungen. Noch ist man bei Infineon Technologies in Warstein dabei, erste Prototypen zu vermessen und zu charakterisieren. Mit Außenabmessungen von 140 x 100 x 40 mm sind die Modulgehäuse, die in dieser Form als Industriepartner auch Mitsubishi Electric anbieten wird, kompakter ausgefallen, als ihre Vorgängergeneration. Als erstes Serienprodukt wird Ende 2016 mit dem FF450R33TE3 eine 3,3 kV-Version auf den Markt kommen, die einen auf das neue Gehäuse abgestimmten IGBT3 enthält. Gegenüber bisherigen Lösungen wird das neue Modul nach Angaben von Rentemeister mit 6,43 A/cm2 eine um 17 Prozent höhere Leistungsdichte aufweisen. Auf diesen ersten Schritt sollen dann 4,5- und 6,5-kV-IGBT-Module folgen, in denen neue IGBT-Chip-Generationen zum Einsatz kommen sollen. Worum es sich dabei genau handelt, wollte man bei der Vorstellung der neuen Modul-Plattform in Warstein noch nicht sagen. Wahrscheinlich dürfte es sich um entsprechend optimierte IGBT4-Chips handeln, der Einsatz von IGBT5-Chips in den neuen Modul-Gehäusen dürfte wohl auf absehbare Zeit auszuschließen sein.

Welche Chips es auch immer sein werden, in der 4,5-kV-Version, die unter der Typbezeichnung FF400R45TR3 läuft, soll eine Leistungsdichte von 5,71 A/cm2 erreicht werden. Das würde einer Steigerung gegenüber heutigen Leistungsdichtewerten von 30 Prozent entsprechen. Am deutlichsten fällt die Steigerung aber sicher im Fall der 6,5 kV Version aus. Sie wird in Zukunft unter der Bezeichnung FF275R65TR3 angeboten werden. Der Einsatz einer neuen Chip-Technologie wird dort eine Leistungsdichte von 3,71 A/cm2 möglich machen. Gegenüber den heute machbaren Werten würde dass dann eine Steigerung um 35 Prozent bedeuten. Vergleicht man die Stromdichte einer heutigen 3,3-kV-Anwendung mit zwei Industrial HV-Modulen (IHV) mit dem, was vier FF450R33TE3 in Zukunft möglich machen werden, dann ergibt sich bei einer minimal größeren Grundfläche von 560 cm2 gegenüber den 546 cm2 der IHV-Module, eine deutlich höhere Stromdichte der vier neuen Module gegenüber der bisherigen 2-Modul-Lösung. Statt 3000 A stehen dem Anwender 3600 A zur Verfügung. Die Leistungsdichte steigt in einer solchen Applikation von 5,49 auf 6,43 A/cm2. Eine Steigerung um 17 Prozent.

Der Systemansatz der neuen IGBT-Modul-Plattform eröffnet dem Anwender nicht nur eine Lego-Steine-artige Skalierbarkeit, sie zwingt ihn auch zu einem homogeneren Aufbau seiner Lösung. Statt wie bisher die Busbars über die Modulgehäuse zu führen, sitzt nun die Treiberplatine auf den Modulen. »Der modulare Ansatz bringt mehr Ordnung und Stringenz in das Layout«, versichert Rentemeister, »und im Zuge dieses Systemansatzes, wird es für den Anwender dann auch leicht, das gesamte Einsparpotential, dieses Plattformansatzes im Sinne einer TCO-Lösung für seine Applikation zu nutzen«. Für Anwender, die gerne schneller schaltende Leistungshalbleiter in ihrer Schaltung einsetzen möchten, hat Rentemeister auch noch einen besonderen Aspekt der neuen IGBT-Modul-Gehäuse parat: »Die Induktivitätsverluste sind deutlich niedriger. In dem beschriebenen Vergleich zwischen zwei IHV-Modulen und vier Modulen der neuen Generation, betragen die Induktivitätsverluste mit 15 nH nur noch ein Sechstel der 90 nH der bisherigen Lösung«.