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Neue Halbleiterbauelemente und passive Komponenten

Leistungshalbleiter

Best Paper Award: SiC / Si Modul für Antriebswechselrichter der höchsten Leistungsklasse

1200 V SiC und Si 3-Phasen Wechselrichtermodul mit laser-geschweißtem Kühler
1200 V SiC und Si 3-Phasen Wechselrichtermodul mit laser-geschweißtem Kühler

Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert einen schnellen Anstieg der Elektromobilität von drei Millionen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen im Jahr 2017 bis zu 228 Millionen Fahrzeugen im Jahr 2030 [1]. Dieses rasante Wachstum erfordert kosteneffiziente und zuverlässige Wechselrichter im Antriebsstrang der zukünftigen Personen- und Nutzfahrzeuge. Das Herzstück eines Wechselrichters sind die Leistungshalbleitermodule, welche Drehmoment und Drehzahl des Motors mittels Pulsbreitenmodulation regeln. Für die Anwendung im Automobilbereich müssen sie spezielle Anforderungen erfüllen:

  • Allgemein ist die Kostenreduktion das bestimmende Entwicklungsziel und eine große Herausforderung, da die Automobilanwendung sehr sensibel auf Komponentenkosten eingestellt ist.
  • Leistungsmodule müssen außerdem optimiert sein, um platzsparend in kompakte Bauräume nahe der Maschine mechanisch integriert werden zu können. Idealerweise ist das Modul darüber hinaus für unterschiedliche Wechselrichterklassen in der Ausgangsleistung skalierbar.
  • Weiterhin muss das Modul optimiert sein, um in rauer Umgebung zuverlässig zu funktionieren. Dies betrifft Umgebungstemperaturen, Vibrationen, Feuchte, Lastzyklen und erhöhte Stressfaktoren durch maschinennahe Integration.

ABB hat nun eine SiC/Si Halbleiter Modulplattform entwickelt, welche diese Anforderungen erfüllt, und die folgenden Leistungsmerkmale aufweist [2]:

  • Die Leistungshalbleiter sind in einem Mold-Modul verpackt, welches kein Gehäuse benötigt (Kosteneinsparung), und welches einen exzellenten Schutz gegen Umgebungsfaktoren, Lastzyklen, Schock, Vibration und Handhabungsschaden bereitstellt.
  • Um höchste Lastwechselfähigkeit zu erreichen, ist das Modul vollständig lotfrei aufgebaut. Alle metallurgischen Verbindungen sind entweder Silber-gesintert oder geschweißt. Zusätzlich ist die Oberseitenkontaktierung der Halbleiter mittels Kupferdraht realisiert.
    Um ein SiC-spezifisches schnelles Schalten zu ermöglichen, sind die Streuinduktivitäten der elektromagnetischen Schleifen im Last- und Kontrollpfad, sowie die Einkopplung in den Kontrollpfad streng minimiert worden.
  • Das 3-Phasenmodul verfügt weiterhin über einen kostengünstigen integrierten Kühler, welcher durch Anschweißen von geprägten Aluminiumblechen hergestellt wird. Durch diesen Laserschweißprozess fallen Kosten und Platzbedarf von Schrauben, Unterlegscheiben, O-Ringen, etc. weg.
  • Darüber hinaus verfügt das Modul über mehrere Aspekte von Skalierbarkeit. Zunächst können bei identischen Außenmaßen entweder SiC oder Si Halbleiter verbaut werden. Je nach Schaltfrequenz erlaubt dies eine Skalierung in der Ausgangsleistung von 150 – 350 kW. Hinzukommend können auch die Kosten des Moduls skaliert werden, indem unterschiedliche Substrat-, Grundplatten-, und Bondmaterialien eingesetzt werden. Hierdurch ist es möglich, den richtigen Kompromiss zwischen Kosten und Zuverlässigkeit für die jeweilige Fahrzeuganwendung zu finden.
Lotfreie Verbindungstechnik und Kupferdraht Oberseitenkontaktierung
Lotfreie Verbindungstechnik und Kupferdraht Oberseitenkontaktierung

Schließlich wurden zahlreiche Modulprototypen aufgebaut, charakterisiert und auf Stress- und Lebensdauer getestet. Die Untersuchungen zeigen, dass ein Einsatzbereich bis zu Sperrschichttemperaturen von 200°C möglich ist.

„Allgemein ist die Kostenreduktion das bestimmende Entwicklungsziel und eine große Herausforderung."

Jürgen Schuderer

[1] International Energy Agency, “Global EV Outlook 2018”, available online.
[2] J. Schuderer, C. Liu, N. Pavlicek, G. Salvatore, JY. Loisy, A. Schröder, D. Torresin, T. Gradinger, D. Baumann, F. Mohn, A. Apelsmeier, “High-Power SiC and Si Module Platform for Automotive Traction Inverter”, PCIM Europe 2019, Winner of “Best Paper Award”

Tags

  • Traktion
  • Leistungshalbleiter
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  • E-Mobilität
  • Hochleistungsumrichter