PCIM 2017: ROHM erweitert sein Angebot an Full-SiC Power-Modulen

Neue Versionen für 1.200 V und 400 A bzw. 600 A
tragen zu mehr Effizienz und Miniaturisierung in Hochleistungs-Anwendungen bei.

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Willich-Münchheide/Nürnberg, 16. Mai 2017 - ROHM gab kürzlich die Entwicklung von Full-SiC Power-Modulen für 1.200 V und 400 A/600 A (BSM400D12P3G002 bzw. BSM600D12P3G001) bekannt. Die Module sind optimiert für den Einsatz in Wechselrichtern und Wandlern in PV-Anlagen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen sowie Stromversorgungen für industrielle Anlagen (Halle 9, Stand 316).

Der BSM600D12P3G001 erreicht seinen Nennstrom von 600 A mithilfe eines neuen Gehäuses mit einer speziellen internen Struktur und optimierter Wärmeabstrahlung. Er eignet sich damit für Anwendungen höherer Leistung, darunter beispielsweise große Stromversorgungen für industrielle Anlagen. Die Schaltverluste sind außerdem (bei 150 °C Chiptemperatur) um 64 % geringer als bei IGBT-Modulen mit gleichem Nennstrom, was die Energieeinsparungen deutlich steigert. Abgesehen davon, dass wegen der hohen Schaltfrequenz kleinere Peripherie-Bauelemente gewählt werden können, kommen auch die Auswirkungen der gesenkten Schaltverluste beim Betrieb mit hohen Frequenzen stärker zum Tragen, was zur Miniaturisierung von Kühl- und anderen Systemen beiträgt. Zum Beispiel ergaben vorläufige Berechnungen auf der Basis von Verlustsimulationen in Kühlsystemen, dass der Umstieg auf SiC-Module die Abmessungen wassergekühlter Kühlkörper gegenüber IGBT-Modulen mit gleichen Kenndaten um bis zu 88 %* verringern kann.

In den letzten Jahren hat SiC dank seiner herausragenden Energiespar-Eigenschaften in immer mehr Märkten, darunter auch der Automotive- und der Industriebereich, an Verbreitung gewonnen, zumal Produkte mit immer höherer Stromtragfähigkeit nachgefragt werden. Um die Eignung von SiC-Produkten für hohe Schaltfrequenzen maximal auszuschöpfen – speziell in Produkten mit hohen Nennströmen wie etwa Power-Modulen –, bedarf es der Entwicklung eines neuen Gehäuses, das die Auswirkungen von Spannungsspitzen während der Schaltvorgänge eindämmt.

Im März 2012 hatte ROHM als weltweit erstes Unternehmen mit der Massenfertigung von Full-SiC Power-Modulen begonnen, deren Leistungs- halbleiter ausschließlich auf Siliziumkarbid basierten. Seit damals wurden Hochleistungs-Produkte für bis zu 1.200 V/300 A entwickelt, die sich in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten etablieren konnten. Die neuesten Module basieren auf einer neuen Gehäusekonstruktion, welche das ROHM - Portfolio an Power-Modulen auf den wichtigen Nennstrom-Bereich von 100 A bis 600 A ausdehnt, um die wachsende Anforderungen aus dem IGBT-Markt zu erfüllen.

Verfügbarkeit: ab Juni 2017 (Muster und OEM-Stückzahlen)

Wichtige Eigenschaften

Reduzierte Schaltverluste tragen zu erhöhter Energieeinsparung bei

1. Reduzierte Schaltverluste tragen zu erhöhter Energieeinsparung bei

Full-SiC Power-Module, die durchgängig mit SiC-basierten SBDs und MOSFETs von ROHM bestückt sind, ermöglichen eine Senkung der Schaltverluste um 64 % (bei einer Chiptemperatur von 150 °C) gegenüber IGBTs mit gleichem Nennstrom. Dies minimiert die Umwandlungsverluste in der Applikation und trägt damit zu einer vermehrten Energieeinsparung bei.

2. Hohe Schaltfrequenz ermöglicht Verwendung kleinerer externer Bauelemente

Verlustsimulationen mit PWM-Wechselrichteransteuerung ergaben eine Reduzierung um 30 % bei Ansteuerung mit 5 kHz und eine noch deutlichere Senkung der Gesamtverluste um 55 % bei 20 kHz (gegenüber IGBT-Modulen mit vergleichbaren Kenndaten). Bei 20 kHz Schaltfrequenz kann der Kühlkörper um 88 % verkleinert werden. Darüber hinaus erlaubt die hohe Schaltfrequenz auch die Verwendung kleinerer passiver Peripherie-Bauelemente.

 Water-Cooled Heat Sink Size Comparison

Technische Herausforderungen bei der Realisierung höherer Nennströme

1. Senkung der Gehäuseinduktivitäten

Switching Loss vs Surge Voltage

Hebt man den Nennstrom von Power-Modulen an, entstehen beim Schalten naturgemäß auch höhere Spannungsspitzen. Aus diesem Grund müssen die gehäuseinternen Induktivitäten reduziert werden. Durch eine Optimierung der internen Platzierung der SiC-Bauelemente innerhalb der Module sowie der Anschluss-Konfiguration und des Layouts gelang es ROHM, die interne Induktivität verglichen mit konventionellen Produkten um 23 % zu senken. Das neue Gehäuse des Typs G von ROHM senkt die Spannungsspitzen gegenüber Standardgehäusen um 27 % (bei gleichen Verlusten), was die Entwicklung von Modulen für 400 A und 600 A ermöglichte. Darüber hinaus sorgt das neue Gehäuse bei gleichen Ansteuerbedingungen für 24 % geringere Schaltverluste.

2. Verbesserte Gehäuse-Entwärmung

Case-Fin Thermal Resistance

Das Erreichen eines Nennstroms von 600 A bedingt nicht nur geringere interne Induktivitäten, sondern auch eine Reduzierung der Wärmeentwicklung. Eine Verbesserung der Ebenheit der Grundplatte trägt entscheidend zur besseren Entwärmung des Moduls bei. ROHM konnte hierdurch den Wärmewiderstand zwischen Modulgrundplatte und dem Kühlkörper der Kundenapplikation um 57 % reduzieren. reduzieren.
Zusätzlich zu den SiC-Modulen bietet ROHM eine Gatetreiber-Platine an, die eine schnelle und einfache Evaluierung zulässt.

Produktübersicht der SiC-Power-Module

Part No. Absolute Maximum Ratings (Ta=25°C) Induc
tance
(nH)
Package Ther
mistor
Internal Circuit
Diagram*
VDSS
(V)
VGS
(V)
ID (A)
[Tc=60°C]
Tj max
(°C)
Tstg
(°C)
Visol (V)
[AC 1min.]
BSM080D12P2C008 1200 -6~22 80 175 -40
~
125
2500 25 C type
45.6 × 122
× 17mm
- Internal Circuit Diagram
BSM120D12P2C005 120
BSM180D12P3C007 -4~22 180
BSM180D12P2E002 -6~22 180 13 E Type
62 × 152
× 17mm
Internal Circuit Diagram
BSM300D12P2E001 300
BSM400D12P3G002 -4~22 400 10 G Type
62 × 152
× 17mm
BSM600D12P3G001 600

Terminologie

Induktivität
Die elektromotorische Kraft, die bei einer Änderung der Stromstärke durch elektromagnetische Induktion erzeugt wird.
Stoßspannung
Eine sich schnell ändernde Spannung in einer Schaltung mit stetigem Elektrizitätsfluss. Im vorliegenden Fall bezieht sich der Begriff speziell auf die beim Abschalten eines MOSFET entstehende Spannung.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Bipolarer Transistor mit einem MOSFET am Gate.
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)
Eine bei MOSFETs meistens verwendete Struktur. Häufig als Schaltelement eingesetzt.
SBD (Schottky Barrier Diode)
Eine Diodenart, die ihre Dioden- (Gleichrichter-) Eigenschaften mithilfe einer Schottky-Barriere erzielt, die mit einer Metall-Halbleiter-Grenzschicht gebildet wird. Das Fehlen von Minoritätsträgern sorgt für überragende Hochgeschwindigkeits-Eigenschaften.