gesponsertLeistungshalbleiter-Modulgehäuse LV100: Der Gehäusestandard für zukunftssichere Umrichter

Nicht nur in Bahnanwendungen sondern auch als industrielle Niedervoltversion bieten die Leistungshalbleitermodule von Mitsubishi Electric im LV100-Gehäuse entscheidende Vorteile.

Ursprünglich für die Bahnindustrie definiert, hat sich das LV100 Leistungshalbleiter-Modulgehäuse als ein neuer Standard für Hochleistungsanwendungen auch in anderen Märkten etabliert. Basierend auf dem LV100 Gehäusekonzept mit Vorzügen wie geringe Streuinduktivität, einfache Parallelschaltbarkeit, hohe Leistungsdichte und Eignung für SiC hat Mitsubishi Electric eine indus­trielle Version für Anwendungen im Niederspannungsbereich wie Solarwechselrichter, Windkonverter, Motorantriebe, Batteriespeicher und Wasserstoffelektrolyse entwickelt, während die ursprüngliche LV100-Version mit höheren Spannungen (bis 3,3 kV) vor allem in Bahn- und Netzanwendungen zum Einsatz kommt. Dieser Beitrag stellt das LV100 Gehäusekonzept im Detail vor und geht auf die Besonderheiten der verschiedenen Versionen ein.

Bei der Entwicklung der eigenen, neuen LV100-Gehäuseserie für industrielle Anwendungen im Niederspannungsbereich (zum Beispiel Solarwechselrichter, Windkonverter, Motorantriebe, Batteriespeicher und Wasserstoffelektrolyse) berücksichtigte Mitsubishi Electric sowohl die Anforderungen dieser verschiedenen Applikationen und Märkte als auch interne Strategien für das Modullayout.

Das LV100 Gehäusekonzept

Insbesondere für Hochleistungsapplikationen ist die Skalierbarkeit der Stromrichterleistung ein entscheidendes Kriterium. Das LV100-Gehäuse ermöglicht eine besonders effiziente Parallelschaltung zur Skalierung des Stroms. So lassen sich die Module nebeneinander montieren, wobei die AC- und DC-Anschlüsse über Stromschienen verbunden sind. Leiterplatten und Treiber zur Parallelschaltung, die von verschiedenen Lieferanten erhältlich sind und perfekt auf das LV100-Modul abgestimmt sind, können von oben auf die Module geschraubt werden. Durch die Kombination aus Parallelschaltung und dem umfangreichen Produktportfolio mit unterschiedlichen Spannungsklassen von 1.200 V bis 3.300 V können Kunden die Umrichterleistung genau an die finalen Anforderungen anpassen.

Bei der Herstellung von Leistungshalbleiterchips ist die maximale Chipfläche aus verschieden Gründen begrenzt. Daher werden intern im Modul beispielsweise sechs Chips mit je 200 A maximaler Strombelastbarkeit zu einem 1.200-A-Element parallelgeschaltet. Beim Layout des Moduls ist besonders auf eine möglichst gleichmäßige interne Stromverteilung zu achten. Aufgrund des internen Layouts weist das LV100 eine sehr geringe und symmetrische Streuinduktivität für jeden einzelnen Chip und damit eine optimale interne Stromaufteilung auf (Bild 1). Dadurch eignet sich das Modul für den Einsatz schnell schaltender Komponenten wie Siliziumkarbid (SiC) MOSFETs. Zieht ein Wechselrichterentwickler in Erwägung, zukünftig auf SiC umzusteigen, ist das LV100-Gehäuse die richtige Wahl und ermöglicht den Wechsel von Si-IGBT zur SiC-MOSFET-Technologie mit minimalen Änderungen und Umgestaltungsaufwand.

Standardisierter Prüfstand

Wie bereits beschrieben, erlaubt das Gehäuse Umrichterherstellern bei der Gestaltung des Umrichters eine hohe Flexibilität in Bezug auf die Ausgangleistung. Durch einfaches Parallelschalten von ein, zwei oder sechs CM600DA-66X lassen sich so beispielsweise Nennströme von 600 A, 1.200 A beziehungsweise 3.600 A erreichen. Dabei ist in der Parallelschaltung zu prüfen, ob die zulässigen Betriebsparameter der jeweiligen Halbleitermodule eingehalten werden. Da sich jedoch der Aufbau von Umrichtern stark unterscheiden kann, haben sich deren Hersteller auf einen Referenzprüfstandsaufbau geeinigt. Dieser Referenzprüfstand (Bild 2) ermöglicht vergleichbare Messungen von bis zu sechs parallelgeschalteten Halbleitermodulen. Mitsubishi Electric nutzt ebenfalls diesen Referenzprüfstand bei der Typprüfung. Dadurch erhalten Umrichterhersteller repräsentative und vergleichbare Messergebnisse, die sich einfach reproduzieren und überprüfen lassen.

Bild 3 zeigt eine auf besagtem Referenzprüfstand durchgeführte Messung einer sechsfachen Parallelschaltung des Halbleitermoduls CM450DA-66X (3,3 kV, 450 A) mit diesen Randbedingungen: V_cc = 1.800 V, I_c = 2.700 A (450 A pro Modul), T_j = 150 °C, V_GE = +15 V / -9 V, R_G(on) = 2,7 Ω, R_G(off) = 62 Ω, C_GE = 33 nF. Die perfekte Stromaufteilung auf die einzelnen Module verdeutlicht das überzeugende Design – sowohl des Referenzprüfstands als auch des LV100-Halbleitermoduls.

Thermische Zyklenfestigkeit

In industriellen Anwendungen unterliegen IGBT-Module bei schwankenden Lasten thermischen Zyklen. Zum Beispiel sind Windenergiekonverter meist flüssigkeitsgekühlt, wobei der Kühler eine thermische Zeitkonstante von wenigen Sekunden aufweist. Dadurch reagiert die IGBT-Gehäusetemperatur schnell auf Temperaturschwankungen durch Änderungen der Lastbedingungen. An Tagen mit schwankenden Windverhältnissen ist die Bodenplatte des IGBT-Moduls daher vielen thermischen Zyklen ausgesetzt. Selbst Photovoltaik-Wechselrichter durchlaufen mindestens einen großen thermischen Zyklus pro Tag. Bei einer Lebensdauer des Wechselrichters von 25 Jahren muss das darin verbaute IGBT-Modul mehreren tausend thermischen Zyklen standhalten können. Die thermische Zyklenfestigkeit industrieller IGBT-Module mit herkömmlicher Gehäusestruktur ist begrenzt, da sie auf Kupferbodenplatten aufgelötete Keramiksubstratstücke verwenden.

Um solche thermischen Zyklen als lebensdauerbegrenzenden Parameter zu eliminieren, ist die industrielle Version des LV100-Gehäuses mit der innovativen SolidCover-Technologie (SLC) ausgestattet. Sie ersetzt die herkömmliche Aufbau- und Verbindungstechnologie durch eine IMB (Insulated Metal Baseplate) in Kombination mit einem Direktvergussharz. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bodenplatte, des Isolators und des Vergussharzes sind genau aufeinander abgestimmt, was zu einer herausragenden thermischen Zyklenfestigkeit führt. Somit gibt es bei der Umrichterauslegung praktisch keine Begrenzung mehr hinsichtlich thermischer Zyklen an der Bodenplatte (Bild 4).

Für viele Anwendungen, insbesondere im Bereich erneuerbarer Energien, ist eine höhere Zwischenkreisspannung von 1.500 V erforderlich, um dem Grenzwert der Niederspannungsrichtlinie (2014/35/EU) zu entsprechen. Da die konventionelle 1.700-V-Spannungsklasse nur bis etwa 1.200 V sicher einsetzbar ist, wurde das LV100-Portfolio um ein neues 2.000-V-Modul erweitert. Die IGBT- und Diodenchips für 2.000 V wurden entwickelt, um ein Optimum aus Spannungsfestigkeit, Zuverlässigkeit und Leistungsverlusten zu realisieren. Im Vergleich zu einer Lösung mit 1.200-V-Modulen in einer 3-Level-Topologie zeigt sich, dass sich mit der 2-Level-Lösung mit dem 2.000-V-Modul die Leistungsdichte um 24 Prozent steigern lässt.

Darüber hinaus lassen sich für 1.500-V-Wechselrichter die Komplexität und damit verbundenen Aufwände der 3-Level-Topologie signifikant reduzieren, beispielsweise werden weniger Busbars und Treiberkanäle benötigt. Auch ermöglicht die einfache Parallelschaltung in der 2-Level-Topologie eine bessere Skalierbarkeit im Vergleich zur 3-Level-Lösung. Das Portfolio wurde auch um Module mit vergrößerten Diodenchips erweitert, um speziell für Gleichrichter in der Wasserstoffelektrolyse und Wind­umrichter mit Anforderungen an einen negativen Leistungsfaktor optimierte Lösungen anzubieten.

Bahn- und Netzanwendungen stellen spezielle Anforderungen beispielsweise in Bezug auf Isolationsfestigkeit, Zertifizierung oder die Zyklenfestigkeit bei Lastwechseln. Für die Spannungsklassen 1,7 kV bis 3,3 kV bietet Mitsubishi Electric deshalb Leistungshalbleitermodule in einem LV100-Gehäuse an, das diese besonderen Anwendungsfälle adressiert.

LV100 für Bahn- und Netzanwendungen

So beträgt die Isolationsfestigkeit dieses LV100-Gehäuses für den Einsatz in Bahn- und Netzanwendungen 6,0 kV, bei einer Teilentladungs-Aussetzspannung von 2,6 kV. Durch Rippen in der Gehäuseform (Bild 5) welche die Kriechstrecken vergrößern, und durch einen CTI-Wert (Comparative Tracking Index) größer 600 ist das Bauteil auch für Anwendungen geeignet, die einen erhöhten Verschmutzungsgrad aufweisen.

Die interne Aufbau- und Verbindungstechnik des LV100-Gehäuses für Bahn- und Netzanwendungen ist ebenfalls besonders. Es wird eine spezielle MCB-Bodenplatte (Metal Casting Direct Bonding) verwendet (siehe Bild in Tabelle 1). Bild 6 zeigt den Aufbau dieser Bodenplatte auf Aluminiumbasis mit integrierter Aluminiumnitrid-Isolation und Aluminiummetallisierung. Sie verringert den thermischen Widerstand im Vergleich zu einem klassischen Aufbau, wodurch die Leistungsdichte steigen kann und die Kühlung des Halbleitermoduls einfacher wird. Darüber hinaus verwendet die neue MCB-Bodenplatte keine Lötverbindung zwischen Substraten und Bodenplatte, welche durch thermische Zyklen degradieren könnte. Dadurch kann das LV100 für Bahn- und Netzanwendungen entsprechend hohe thermische Zyklenfestigkeiten erreichen.

Siliziumkarbid-Halbleiter auch für hohe Spannungen und Stromstärken nutzbar zu machen war ursprünglich einer der wesentlichen Gründe für die Entwicklung des LV100-Gehäuses. So sollte das Gehäuse einen niederinduktiven Anschluss des DC-Zwischenkreises ermöglichen und eine geringe Streuinduktivität im Innern des Gehäuses aufweisen. Beides ist Mitsubishi Electric mit dem LV100-Gehäuse gelungen. Entsprechend kann ein breites Spektrum an 3,3-kV-SiC-Halbleitermodulen im LV100-Gehäuse angeboten werden. Dabei sind die Zielanwendungen insbesondere Bahnantriebsumrichter unterschiedlicher Leistungsklassen sowie Hilfsbetriebeumrichter.

Für Anwendungen mit noch höheren Anforderungen an die Isolationsfestigkeit bietet Mitsubishi Electric das HV100-Gehäuse an, dessen äußere Abmessungen dem LV100 identisch sind. Jedoch beträgt die Isolationsspannung hier 10,2 kV bei einer Teilentladungs-Aussetzspannung von 5,1 kV. Die Tabelle zeigt das umfangreiche Produktportfolie von LV100 und HV100 Halbleitermodulen in der Übersicht.

Fazit

Das LV100 Leistungshalbleitermodulgehäuse von Mitsubishi Electric stellt eine wegweisende Innovation für Hochleistungsanwendungen in der globalen Leistungselektronik dar. Ursprünglich in einer fruchtbaren Kooperation zwischen der Bahnindustrie und führenden Leistungshalbleiterherstellern entwickelt, hat es schnell Einzug in diverse Märkte gehalten. Die herausragenden Merkmale dieses Gehäusekonzepts, darunter geringe Streuinduktivität, einfache Parallelschaltbarkeit, hohe Leistungsdichte und SiC-Eignung, machen es zu einer vielseitigen Lösung.

Besonders hervorzuheben ist die innovative SLC-Technologie, die in der industriellen Version des LV100-Gehäuses implementiert ist. Diese Technologie adressiert effektiv das Problem der thermischen Zyklen, was in Anwendungen mit variablen Lasten, wie beispielsweise Windenergiekonvertern, von entscheidender Bedeutung ist. Die breite Palette an Spannungsklassen, einschließlich des neuen 2000-V-Moduls, ermöglicht eine optimale Anpassung an unterschiedlichste Anforderungen.

Das LV100-Gehäuse für Bahn- und Netzanwendungen erfüllt insbesondere deren spezifische Anforderungen, beispielsweise an Isolationsfestigkeit, Lastwechselzyklenfestigkeit und die Nutzbarkeit von Siliziumkarbid-Halbleitern. Dies unterstreicht abermals die Vielseitigkeit des LV100-Gehäuses. Insgesamt präsentiert sich das LV100-Leistungshalbleitermodulgehäuse als eine umfassende Lösung für die vielen anspruchsvollen Anforderungen der globalen Hochleistungselektronik, die sich sowohl durch ihre Technologien als auch durch ihren breiten Einsatzbereich auszeichnet. 

Fünfjahres-Investitionsplan verdoppelt

Mitsubishi Electric baut neue SiC-Waferfab

(ID:49772218)