So unterschiedlich die Anforderungen in verschiedenen Anwendungsbereichen auch sein mögen, liegt der Fokus stets auf der Entwicklung zuverlässiger Verkapselungstechnologien für Leistungsmodule. Die gängigsten Verkapselungslösungen sind heute gelötete Module mit und ohne Rückplatte sowie, in jüngerer Zeit, rückplattenlose Module mittels Sintertechnologie. Diese Verkapselungstechnologien weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. Daher ist bei der Auslegung mit Blick auf die Lebensdauer eine Bewertung dieser Technologien im Hinblick auf die Anforderungen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen erforderlich. Änderungen der Umgebungstemperatur, beispielsweise im Kühlwasserkreislauf, verursachen passive thermische Belastungen. Darüber hinaus führt der Leistungsverlust in Leistungshalbleitern zu kurzzeitigen Temperaturanstiegen (5–20 Sekunden) von T = 40 °C auf 60 °C. Dabei werden die Leistungshalbleiter beispielsweise von der Kühlmitteltemperatur von 70 °C auf über 110–130 °C erhitzt und anschließend wieder auf die Kühlmitteltemperatur abgekühlt. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien führen all diese Temperaturänderungen zu mechanischen Spannungen. Dies führt zu Materialermüdung in den Lötstellen und Verbindungen, was letztendlich zum Ausfall der Bauteile führt.
Vermeidung von Lötverbindungen:
Bei Modulen ohne Motherboard mit Druckkontakttechnologie werden verschiedene Methoden eingesetzt, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Durch konsequentes Vermeiden von Lötverbindungen lässt sich Lötstellenermüdung – ein grundlegender mechanischer Ausfall bei Leistungsmodulen – vollständig eliminieren. Hierbei werden die Lötverbindungen zwischen den Chips und dem Keramiksubstrat (DBC) durch eine Sinterschicht ersetzt und die Verbindung mittels Druckkontakttechnologie hergestellt. Der Verzicht auf das Motherboard bietet mehrere Vorteile: Erstens kann die Dicke der Wärmeleitpastenschicht zwischen Modul und Kühlkörper reduziert werden. Wärmeleitpaste ist einer der Hauptfaktoren für den gesamten Wärmewiderstand des Leistungsmoduls; daher sollte eine möglichst dünne Schicht verwendet werden. Bei Modulen mit Motherboard ist eine 75–150 µm dicke Wärmeleitpastenschicht erforderlich, um die Flexibilität des Motherboards auszugleichen. Bei Modulen ohne Motherboard besteht die Hauptaufgabe darin, die Oberflächenrauheit des Kühlkörpers und der DBC-Oberfläche zu kompensieren, sodass eine 20–30 µm dicke Wärmeleitpastenschicht ausreicht. Durch das Entfernen des Motherboards wird eine der Hauptursachen für thermische Belastung beseitigt (siehe Abbildung 1).
Temperaturbedingte Spannungen werden effizient reduziert und die Zuverlässigkeit erhöht, wie passive beschleunigte Thermoschocktests bei 40 °C/125 °C belegen: Bei gesinterten Modulen ohne Grundplatte erhöhte sich die Anzahl potenzieller Thermoschocks um den Faktor 15. Ein weiterer Vorteil des Verzichts auf Lötstellen an den Verbindungen und der Grundplatte besteht darin, dass bei Modulen mit Grundplatte die verlöteten DBC-Bereiche minimiert werden müssen, um Materialermüdung an den Lötstellen zu reduzieren. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Grundplatte gewährleistet hierbei die notwendige Wärmeableitung. Im Gegensatz dazu kann der DBC-Bereich bei einem Moduldesign ohne Grundplatte größer sein.
Optimale Wärmeverteilung
Diese Arbeit analysiert die Anordnung von IGBTs und einer Freilaufdiode in einem 400-A-, 600-V-Drehstrom-Wechselrichtermodul. In Modulen mit Grundplatte werden pro Halbleiterschalter zwei 200-A-IGBTs und zwei 200-A-Freilaufdioden verwendet. Eine vollständige Phase besteht aus vier IGBTs und vier Freilaufdioden. Die optimale Anordnung für Module ohne Grundplatte besteht aus vier 100-A-IGBTs und zwei 200-A-Freilaufdioden pro Schalter (acht IGBTs und vier Freilaufdioden pro Phase). Dies bedeutet, dass die Grundfläche eines Drehstrommoduls ohne Grundplatte etwa 10 % größer ist als die eines Moduls mit Grundplatte (siehe Abbildung 2).
Im Betrieb des Wechselrichters treten Leitungs- und Schaltverluste auf, wodurch die Leistungshalbleiter eine lokale Wärmequelle darstellen. Mithilfe von 3D-Finite-Elemente-Berechnungen lässt sich die Wärmediffusion in einem Wechselrichtermodul und Kühlkörper für jeden beliebigen Betriebszustand berechnen. Beispielsweise treten beim Beschleunigen eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs die meisten Leistungsverluste in den IGBTs auf, während die Freilaufdioden einer geringeren Last ausgesetzt sind (siehe Abbildung 3).
Daher erscheinen die IGBT-Positionen im Wärmebild als starke Wärmequellen. Bei Modulen mit Grundplatte konzentriert sich die Wärme im Zentrum der dreiphasigen Konfiguration. Aufgrund der Endposition der Halbleiter und des geringen Abstands zwischen den Phasen ist die IGBT-Temperatur an dieser Stelle besonders hoch. Obwohl die Freilaufdioden in diesem Betriebszustand nur einer moderaten Last ausgesetzt sind, führen die IGBTs zu einem deutlichen Temperaturanstieg der Dioden im Zentrum des Moduls. An den Enden des Wechselrichtermoduls ist die Diodentemperatur hingegen um 15 °C niedriger. Trotz der Grundplatte sind die Leistungshalbleiter in den äußeren Bereichen des Wechselrichtermoduls zunehmend kühler als jene im Zentrum. Dies führt letztendlich zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung über die drei Phasen: Die durchschnittliche thermische Belastung der IGBTs in der mittleren Phase ist fast 10 °C höher als die durchschnittliche Temperatur der IGBTs in der äußersten Phase. Der Unterschied zwischen der maximalen und minimalen IGBT-Temperatur beträgt über 20 °C. Die Mittelphase begrenzt die nutzbare elektrische Leistung des gesamten Wechselrichtermoduls. Dies hat zwei Konsequenzen: Erstens müssen die Kühlbedingungen und die Last so gewählt werden, dass übermäßig hohe Temperaturen in der Mittelphase vermieden werden; zweitens wirken sich temperaturbedingte Ausfallmechanismen in der Mittelphase stärker aus. Daher muss der Entwickler der Leistungselektronik des Wechselrichters die Temperatur der Mittelphase stets berücksichtigen.
In SKiM-Modulen ohne Rückplatte ist die Wärmeverteilung deutlich homogener: Auch hier stellen die IGBT-Positionen die größten Wärmequellen dar. Da sich die Wärmeverluste jedoch auf mehrere Positionen verteilen und der Abstand zwischen den DBCs größer ist, steht mehr Raum für die Wärmeabfuhr zur Verfügung. Die entstehenden Verluste können effektiv abgeführt werden, wodurch die gegenseitige Erwärmung zwischen IGBTs und Dioden reduziert wird. Eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet zudem eine homogene Lastverteilung über die verschiedenen Phasen: Die Temperatur der IGBTs und Dioden ist über die drei Wechselrichterphasen hinweg homogen, und die mittlere Temperatur der IGBTs in den drei Phasen ist nahezu identisch. Die maximale Temperaturdifferenz zwischen den IGBTs beträgt nicht mehr als 10 °C. Die gleichmäßige Lastverteilung ermöglicht eine optimale Nutzung der verfügbaren Kühlleistung und vereinfacht somit das Systemdesign. Zusätzlich ermöglichen Temperatursensoren auf jedem keramischen DBC-Substrat die separate Auswertung einzelner Phasen und bieten somit eine zusätzliche Überwachungsmöglichkeit für die Betriebstemperaturen.
Temperatur und Lebensdauer:
Um die tatsächliche thermische Belastung eines Wechselrichters im Betrieb zu analysieren, müssen zeitabhängige Lasten berücksichtigt werden. Im Betrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs treten verschiedene Lastzustände auf: Während der Beschleunigung sind die IGBTs stark belastet, während beim Bremsen, wenn Energierückgewinnung stattfindet und die Batterie des Elektromotors geladen wird, die Freilaufdioden die höchste Last tragen. Um die zeitabhängige Erwärmung des Wechselrichtermoduls zu beschreiben, muss das Verhalten des Leistungsmoduls auch für Ladezyklen im Bereich von 0,1 s bis 30 s untersucht werden. Der Wärmewiderstand der IGBTs steigt in beiden Konfigurationen mit der Dauer der Ladeimpulse an (siehe Abbildung 4). Wärme beginnt zu fließen und breitet sich von den Leistungshalbleitern zum Kühlkörper aus, wodurch sich das gesamte Modul erwärmt. Dauern die Ladeimpulse länger als 30 Sekunden, erwärmt sich das gesamte Modul, und der Wärmewiderstand steigt nicht weiter an.
Zeitabhängige Wärmewiderstandswerte ermöglichen nun die Berechnung der thermischen Belastung von Halbleiterschaltern im Betrieb. Dazu werden reale Ladezyklen, wie sie in praktischen Anwendungen auftreten, simuliert, um typische Ladezustände und die Dauer der Ladeimpulse zu ermitteln. Betrachten wir beispielsweise einen Ladezyklus in Hybridfahrzeugen. Während der Anfahr- und Beschleunigungsphase wird Energie aus der Batterie entnommen und zum Antrieb des Elektromotors genutzt. In diesen Beschleunigungsphasen erreicht die Ausgangsleistung bis zu 60 kW. Die Temperatur der IGBTs steigt linear mit der Wechselrichterleistung auf 95 °C (siehe Abbildung 5). In Phasen mit konstanter Drehzahl wird nur sehr wenig Leistung vom Wechselrichter benötigt, und die Halbleitertemperatur sinkt wieder. Beim Bremsen wird möglichst viel Energie zurückgewonnen und in die Batterie eingespeist. In diesem Fall ist der Leistungsverlust der IGBTs und der Dioden annähernd gleich, während die abzuführende Wärme am höchsten ist und die IGBTs fast 110 °C erreichen.
Der maximale Temperaturanstieg der IGBTs beträgt ΔT = 40 °C. Bezogen auf die Modullebensdauer entspricht dies 6 Millionen Ladezyklen (siehe Abbildung 6). Die homogene Temperaturverteilung ist für die Lebensdauer des Wechselrichters so entscheidend und beeinflusst dessen Konstruktion, dass sich die Anzahl der möglichen Ladezyklen um den Faktor drei auf nur noch 2 Millionen reduziert, wenn der Temperaturanstieg nur 10 °C höher ist – ΔT = 50 °C. Um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten und die Halbleiterausnutzung zu optimieren, ist eine homogene Verlustverteilung unerlässlich.
Zusammenfassend
bieten gesinterte Module ohne Rückplatte vielfältige Möglichkeiten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Wechselrichtern für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Die Nachteile von Lötverbindungen und die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen auf der Rückplatte werden eliminiert. Das optimierte Design gewährleistet eine weitgehend homogene Temperaturverteilung über alle Leistungshalbleiter im Betrieb. Dadurch können bei der Berechnung der erwarteten Lebensdauer alle drei Phasen gleich berücksichtigt werden, was die Wechselrichterkonstruktion vereinfacht. Die Zuverlässigkeit des Wechselrichters wird selbst bei erheblichen aktiven und passiven Temperaturschwankungen deutlich verbessert. Dies belegen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten gesinterter Module ohne Rückplatte, beispielsweise in elektrischen Antriebssträngen, Pkw und Nutzfahrzeugen sowie in anspruchsvollen Anwendungen wie Rennwagen.
Autor:
Dr. Volker Demuth, SEMIKRON Produktmanager
