Rückwärtsleitender IGBT im High-End Gehäuse

Rückwärtsleitender IGBT im High-End Gehäuse
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Bild 1: Schematisches Design des RC-IGBT.
19.06.2014 | In Umrichter bzw. hart schaltenden Anwendungen war bisher eine Freilaufdiode (FWD) antiparallel zum IGBT unumgänglich. Dem konventionellen IGBT ist es nämlich nur möglich Energie in eine Richtung zu leiten und weist keine Rückwärtssperrfähigkeit auf sodass eine FWD nicht wegzudenken ist. Fuji Electric vereint nun den IGBT und die FWD in einem einzelnen Chip und verleiht ihm die Fähigkeit in Rückwärtsrichtung zu leiten. Dieser 1200V RC-IGBT (reverse conducting IGBT) zusammen mit neuester Aufbau- und Verbindungstechnik setzt neue sowie revolutionsähnliche Standards.

I. RC-IGBT und High-End Aufbautechnik

Der Anwendungsbereich von IGBT Leistungshalbleiter erstreckt sich über Motorantriebe, erneuerbare Energien und Hybridfahrzeuge. Im Vordergrund stehen das Einsparen von Energie und die Minimierung von Energieverlusten. Gleichzeitig fordert die Industrie immer kleine sowie kompaktere Lösungen an Leistungshalbleitern, um Kosten sowie Größe des Produkts zu minimieren. Insofern steigt die Leistung pro Flächeneinheit allerdings auch die Temperatur, die unter Kontrolle gehalten werden muss. Damit man diesen Anforderungen gerecht wird, wurde ein hochzuverlässiges IGBT Modul entwickelt. Ein neu entwickeltes Gehäuse umgibt einen neu entwickelten rückwärtsleitenden IGBT, dem RC-IGBT (reverse conducting IGBT).

 

Die Vorteile des RC-IGBTs sind offensichtlich. Einerseits wird keine externe Freilaufdiode (FWD) benötigt da diese auf der Chipfläche selbst integriert ist und somit diese sonst genutzte Fläche eingespart (Bild 1). Neben der eingesparten Fläche hat man die Leistungsdichte pro Chipfläche erhöht.


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Bild 2: Links: Konventioneller Gehäuseaufbau eines IGBT Moduls. Rechts: Neue und hoch zuverlässige Gehäusetechnologie.

Die Schalteigenschaften und Durchlassverluste des Chips sind bei der Fusion von IGBT und FWD gleich geblieben. Es konnte sogar eine 35%ige Steigerung der Stromdichte pro Chipflächeneinheit erreicht werden wobei eine höhere Leistungsdichte auch mit höheren Temperaturen verbunden ist. Das thermische Management wird durch eine neuartige Aufbau- und Verbindungstechnik aus dem Hause Fuji Electric problemlos geregelt.

 


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Bild 2: Vergleich eines 34 x 94mm Modul mit der neuen Aufbautechnologie mit Abmessungen von 22 x 60mm.

Die Bilder 2 zeigen einen Vergleich der alten sowie neuen Gehäusetechnologie. Linker Hand ist die konventionelle Version der Aufbautechnik erläutert. Angefangen von einer Kupfer-Bodenblatte befinden sich mehrere Schichten Material sowie Lötverbindungen bis zum Halbleiter. Die Diskrepanz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien führt bei hohen delta Tcase zu hohen Belastung der Lötverbindungen. Im kleineren Bereich der Gehäusetemperatur hingegen werden die Aluminiumdrähte belastet. Das neu entwickelte Gehäuse minimiert die auftretenden Ausfallmechnismen.

 

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