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IPM (Intelligent Power Module) von Fuji Electric bestückt mit 7G-IGBTs : Ausgabe 08/2017, 10.05.2017

Klein aber fein

Effizienz, Zuverlässigkeit und so klein wie nur möglich – diese Anforderungen stellt man auch an 3-phasige AC-Motoren. Insofern sind leistungsstarke und kompakte Leistungshalbleiter gefragt. Ein intelligentes und hoch integriertes Leistungsmodul (IPM) von Fuji Electric etwa, bestückt mit IGBTs der 7. Generation (X-Serie), realisiert diese Miniaturisierung bei höchster Zuverlässigkeit und Sicherheit.

Bilder: Stolz

Intelligente Leistungsmodule mit Schutzfunktionen sind seit vielen Jahren im asiatischen Markt etabliert. Die Beliebtheit solcher Module steigt auch im europäischen Markt. So finden sie Anwendung in vielen verschiedenen Applikationen. Besonders im kleinen Leistungsbereich bis 2,5 kW ist der Einsatz von intelligenten Leistungstransistoren massgebend zur Miniaturisierung des Systems.

Aufwendige Schaltungen vermeiden

Der Antrieb eines 1,5-kW-Motors ist im Regelfall aus diskreten Transistoren (IGBT – Insulated-Gate Bipolar Transistor) aufgebaut, wobei die Ansteuerung dieser Schalter über eine Leiterplatte (PCB – Printed Circuit Board) stattfindet. Schutzfunktionen sind dabei noch nicht vorhanden und müssen aufwendig auf der PCB hinzugefügt werden. Die Herausforderung dabei ist es, einen Schaltkreis aufzubauen, der möglichst keinen Einfluss auf andere Bauelemente der Leiterplatte hat. Oftmals treten aber unerwünschte Oszillationen auf, deren Ursprung nur schwer zu finden ist. Mit dem Einsatz des «Small IPM» von Fuji Electric ist es möglich, die aufwendigen Schaltungen auf der PCB zu umgehen. Das hochintegrierte, mit drei Phasen versehene Small IPM vereint Schutzfunktionen und erlaubt ein Überwachen der Modultemperatur. Des Weiteren ist aufgrund der eingebauten Schaltlogik die Ansteuerung der Transistoren implementiert, was zum optimalen Steuern der Halbleiter führt.

Sechs IGBTs und sechs Freilaufdioden

Das Small IPM besteht aus sechs IGBTs und sechs Freilaufdioden (FWD – Free-Wheeling Diode) die zusammen einen 3-phasigen Ausgang bilden (Bild 1). Die oberen IGBTs auf der Hochseite des Potenzials werden von drei unabhängigen HVIC (high voltage integrated circuits) geregelt. Aus Sicherheitsgründen sollte eine galvanische Trennung der HVIC auf der externen PCB vorgenommen werden. Jeder dieser HVIC benötigt eine eigene Versorgungsspannung, die durch implementierte Gleichspannungswandler oder sogenannte Ladungspumpen geliefert wird. Bootstrapp Dioden helfen dabei, die Potentialänderung am Eingang im gleichen Masse an den HVIC weiterzugeben. Somit wird jede Potenzialänderung oder Potenzialschwankung registriert. Auf der Niederspannungsseite befinden sich die LVIC (low voltage integrated circuit) welche mit den unteren IGBTs verbunden sind. Aufgrund der implementierten ICs ist es möglich den einzelnen IGBT zu überwachen und zu schützen. Insofern kann in einem Fehlerfall das Modul ein Fehlersignal herausgeben sowie sich anschliessend selbst abschalten.

15 A Nennstrom, 450 V Busspannung und bis 150 °C Chiptemperatur

Das Small IPM misst 4 × 26 × 3,7 mm (Bild 2). Das kompakte Gehäuse wurde massgeblich für energieeffizientes und energiesparendes Arbeiten entwickelt. Die Temperaturabfuhr ist durch ein spezielles Substrat mit sehr kleinem thermischen Widerstand realisiert. Dieses Metallsubstrat ist mit einer dielektrischen Schicht versehen, die isolierende Eigenschaften aufweist. Auf der Isolationsschicht befindet sich eine Kupferfolie. Die IGBTs und FWDs sind über Aluminiumdrähte miteinander verbunden, was die niedere Potentialseite repräsentiert. Die Aluminiumdrähte wurden bewusst so kurz wie möglich gehalten, um die Streuinduktivität im Modul zu minimieren.

Zudem ist eine neue Chipgeneration verbaut, deren Schalt- sowie Durchlassverluste auf ein Minimum reduziert sind. Ein Epoxid-harz füllt das Leistungsmodul aus und garantiert somit die elektrische Isolation der einzelnen integrierten Schaltkreise. Zusätzlich reduziert dieses steife Material die mechanische Belastung aufgrund verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien. Das IPM mit Nennstrom von 15 A ist auf eine maximale DC-Busspannung von 450 V ausgelegt und die maximale Chiptemperatur beträgt 150 °C.

Höchster Grad an Sicherheit dank sicherem Abschalten

Trotz bestmöglicher Steuerung der IGBTs durch integrierte Schaltungen kann es zu Fehlern auf der Eingangs- oder Ausgangseite des Small IPMs kommen. Eingangsseitig muss eine Versorgungsspannung für die ICs anliegen. Sonst werden die Transistoren nicht optimal gesteuert, was die Funktionalität des Moduls beeinflusst und die Last am Ausgang nicht mit der vollen Leistung des Moduls versorgt. Sollte jedoch die Versorgungspannung einbrechen, detektiert dies der IC und schaltet sich selbst aus, um die Zerstörung des Moduls zu vermeiden.

Aufgrund der ständigen Überwachung des Ausgangsstroms kann ebenfalls ein Kurzschluss auf der Ausgangsseite detektiert werden. Geschieht beispielsweise ein Kurzschluss im Motor, so wird dieser erkannt und das Small IPM fährt sich sicher herunter. Dasselbe passiert auch wenn die Temperatur über einen Schwellwert steigt.

Für jede der genannten Schutzfunktionen wird beim Eintreten des Fehlerfalls ein Signal an die Schnittstelle des Treiberboards gesendet und das intelligente IPM schaltet sich sicher ab. Das sichere Abschalten verhindert die Zerstörung des Moduls und seiner Umgebung. Anschliessend nach der Fehlerbehebung kann es wieder verwendet werden. Der Fehlermodus kann anhand der Pulsbreite des Fehlersignals analysiert werden. Es ist somit sehr einfach den Fehlermechanismus zu erkennen sowie zu beheben. Wie anhand der Kurvenform in Bild 3 zu erkennen ist, repräsentiert die türkise Linie das Pulssignal des Alarms. Die Pulsbreite beträgt dabei 2 ms für einen Kurzschluss bzw. Überstrom, 4 ms für das Einbrechen der Versorgungsspannung und 8ms wenn die Temperatur des IGBT zu hoch ist. 

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Im Langacker 20, 5405 Dättwil
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Bild 1: Blockdiagramm des internen Aufbaus: Vorgeschaltete Treiber überwachen Strom, Versorgungsspannung und Temperatur der Halbleiterschalter und garantieren optimales Schalten der IGBTs


Bild 2: Oben: Querschnitt des Small IPMs mit spezieller Keramik (IMS) mit niedrigem thermischen Widerstand; unten: Gehäuse­oberseite und -unterseite geprägt von einem Epoxidharz sowie Metallsubstrat auf der Rückseite


BIld 3: Alarmausgangssignal der Schutzfunktionen: Die Pulsbreite beschreibt den Fehlermodus, beginnend mit einem 2 ms breiten Signal für einen Überstromfall über 4 ms mit dem Einbruch der Versorgungsspannung bis hin zu 8 ms für eine Übertemperatur