Forschungsschwerpunkte

Fraunhofer IZM schafft die Geschwindigkeitsbeschränkung für Schalten in der Leistungselektronik ab#

Fraunhofer IZM eliminates the speed limit for power electronic switching
© Fraunhofer IZM | Volker Mai
Fraunhofer IZM eliminates the speed limit for power electronic switching
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Halbleiter mit einer hohen Bandlücke, sog. Wide-Band-Gap-Halbleiter (WBG), bieten in der Leistungselektronik die Möglichkeit für deutliche Verbesserungen im Vergleich zum Stand der Technik: Aufgrund der geringeren Schaltverluste erhöht sich der Wirkungsgrad, die höheren erreichbaren Schaltfrequenzen ermöglichen eine Verkleinerung der passiven Komponenten und damit reduziert sich der Aufwand für die Kühlung. Die Verwendung konventioneller Module und Packagingtechnologien für SiC und GaN verhindern jedoch die Nutzbarmachung dieser Vorteile, da parasitäre Effekte wie die Zwischenkreisstreuinduktivität oder parasitäre Kapazitäten zum Kühlkörper zu Oszillationen, EMV-Problemen und parasitärem Einschalten führen.

Darum werden Leistungsmodule benötigt, die optimierte parasitäre, elektromagnetische Eigenschaften aufweisen, sowie über eine hohe Temperaturstabilität und einen hohen Integrationsgrad verfügen. Vier neue Modultechnologien werden im Folgenden vorgestellt:

  1. Das Modul mit auf Mold gedruckten Leiterbahnen (The Printed Circuit Mold Module)
    Ein zweilagiges Keramiksubstrat, das vermoldet wird und mit einer strukturierten Moldmetallisierung für SMD-Montage versehen ist. Das Modul zeigt perfekte Schalteigenschaften ohne Oszillationen bei der schnellstmöglichen Schaltgeschwindigkeit. Die extrem niederinduktive Ausführung des Designs und die Integration der notwendigen peripheren Bauteile in unmittelbarer Chipnähe machen dies möglich.
  2. Das Keramikmodul (The Full Ceramic Module)
    Ein vollständig aus Keramik bestehendes Modul für Temperaturen über 200 °C, ebenfalls mit der Möglichkeit, SMD-Komponenten auf dem Modul zu bestücken. Für dieses Modul wird ein LTCC-Substrat auf die Oberseite der Halbleiter gesintert und zusätzlich für die peripheren Bauteile genutzt.
  3. Das PCB-Modul (The Full PCB Module)
    Ein Leistungsmodul, das komplett auf polymere PCB-Technologie setzt mit Hochtemperaturmaterial. Die Wärmespreizung wird über eine dicke Kupferschicht realisiert, die so für einen geringen thermischen Widerstand sorgt. Diese Technologie ist kostengünstiger als eine keramikbasierte und behält doch die überlegenen elektromagnetischen Eigenschaften der unter den ersten beiden Punkten beschriebenen Module bei. Desweiteren können bei dieser Technologie Leistungs- und Steuerteil in einer Leiterplatte verbunden werden.
  4. Das PCB – Keramik-Verbundmodul (The PCB on Ceramic Module)
    Eine PCB auf einem Keramikmodul mit vier parallelen SiC-Halbleitern. Diese Technologie vereint das Beste aus beiden Welten: die exzellenten Eigenschaften der keramischen Substrate mit der Integrationsfähigkeit der Leiterplattentechnologie.

All diese Module sind mit SiC-Mosfets bestückt und verfügen über eine Zwischenkreisinduktivität kleiner 2 nH. Ein integrierter Gatebooster wird in direkter Halbleiternähe platziert und verhindert so parasitäres Einschalten. Mit diesen Modulen kann ohne Gatevorwiderstand und bei maximaler Geschwindigkeit geschaltet werden. Sie erreichen die geringstmöglichen Schaltverluste ohne nennenswerte Überspannung beim Ausschalten.

Mit diesen Demonstratoren möchte das Fraunhofer IZM eine Diskussion anregen, welche dieser Technologien der vielversprechendste Weg in die Zukunft der Leistungselektronik ist.