LinkPack
Aufbau und Analyse kompakter Wechselrichtermodule mit integriertem DC-Link
Projektbeschreibung
Für neue Konzepte in den Bereichen Elektromobilität, Energiespeicherung und -Erzeugung stellt die Leistungselektronik eine wichtige Schlüsselkomponente dar. Eine wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung leistungselektronischer Stellglieder ist eine niederinduktive Anbindung der internen Komponenten sowie die Aufbau- und Verbindungstechnik. Für diese beiden Arbeitsgebiete sollen im Rahmen des Projektes neue Konzepte entwickelt und im Praxiseinsatz erprobt werden. Als Grundidee sollen die klassischer Weise getrennt hergestellten Teilkomponenten Zwischenkreiskondensator (DC-Link) und Halbleitermodul (Leistungshalbleiter in entsprechenden Standardgehäusen) zu einem gemeinsamen Modul mit genau definierten und optimierten Betriebseigenschaften verbunden werden. Die neuen Module sollen schneller und effizienter schalten können, und gleichzeitig weniger elektromagnetische Störungen verursachen. Sie sollen in Zukunft helfen, moderne elektrische Antriebe effizienter und kompakter gestalten zu können. Ein weiteres Projektziel besteht darin, entsprechende Technologien dauerhaft an der Hochschule Landshut zu etablieren. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der vergleichenden Untersuchung von konventionellen, siliziumbasierten Halbleiterbauelementen und neuen SiC-Halbleitern. Diese ermöglichen ein sehr schnelles und energieeffizientes Schalten, verursachen aber auch deutliche Probleme im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit.
Die LinkPack-Module werden vorerst mit 600V Zwischenkreisspannung betrieben und weisen einen Nennstrom von 200A auf. Der Modulaufbau erfolgt dabei sowohl mit konventioneller Aufbautechnik auf DCB-Basis, als auch mit neuartiger Copper-Thick-Film- (CTF) bzw. Silver-Thick-Film-Technologie (STF). Das erforderliche Knowhow für die Aufbau- und Verbindungstechnik wird in Zusammenarbeit mit dem Hybridlabor der Hochschule Landshut entwickelt.
Daten und Fakten
Projektname | LinkPack – Aufbau und Analyse kompakter Wechselrichtermodule mit integriertem DC-Link |
Projektlaufzeit | 3 Jahre (04.2015 bis 03.2018) |
Projektvolumen inkl. Projektpauschale | 279.484 EUR |
Förderprogramm | BMBF-Förderprogramm „profUnt - Forschung an Fachhochschulen mit Unternehmen" |
Projektträger | Jülich (PTJ) |
Projektpartner | Compact Dynamics GmbH, Starnberg |
Koop. Promotion | TUM, Lehrstuhl für el. Antriebe und Leistungselektronik |
Wissenschaftlicher Mitarbeiter | M.Eng Thomas Huber thomas.huber@haw-landshut.de |
Projektleitung | Prof. Dr.-Ing. Alexander Kleimaier alexander.kleimaier@haw-landshut.de |
Ergebnisse
Aufgrund der speziellen Geometrie der LinkPack-Module konnte auf DCB-Basis eine Modulstreuinduktivität von nur 2,7nH erzielt werden. Bei vergleichbaren konventionellen Leistungsmodulen mit separat gefertigtem Zwischenkreisaufbau ist dieser Wert um etwa den Faktor 15 größer.
Die Schaltvorgänge der LinkPack-Module mit Si-IGBTs sind deutlich schneller bzw. weniger stark von Oszillationen betroffen als die der Standardmodule. Vergleichende Messungen bei bestückten SiC-Bauelementen folgen demnächst. Deutliche Verbesserungen zeigen sich auch beim EMV-Verhalten der neuen Module. Gegenüber Standardmodulen konnte der Gleichtaktstörpegel signifikant um bis zu 20dBµV verringert werden.
Leistungsmodule auf CTF-/STF-Basis
Beim CTF-/STF-Modulaufbau werden keine konventionellen DCB-Module eingesetzt, sondern die Leiterbahnstrukturen mittels additivem Dickfilmdruck auf ein Keramiksubstrat aufgebracht und eingebrannt. Dieser Prozess kann im Hybridlabor der Hochschule Landshut durchgeführt werden und erlaubt eine sehr große Flexibilität im Moduldesign. Eine weitere Verringerung der Modulstreuinduktivität kann ebenso realisiert werden, wie eine Integration der Ansteuerschaltung auf dem Modul.
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Abbildung: 4 STF-Druck | Abbildung: 5 CTF-Druck |
Leistungsmodule auf DCB-Basis
Die Realisierung von Leistungselektronikmodulen auf DCB-Basis ist aktueller Standard in der industriellen Fertigung. Hierbei werden auf DCB-Substraten die Leistungshalbleiber aufgelötet und mittels Dickdrahtbonden an das Substrat angebunden. Durch die Integration der Zwischenkreiskondensatoren in das Modul und einer geeigneten Führung des Massepotentials lässt sich so eine sehr niedrige Modulstreuinduktivität erzielen. Gleichzeitig wirkt die Unterseite der DCB als Schirmung gegen EMV-Störungen. Im Rahmen des Projektes werden Kompetenzen im lunkerfreien Dampfphasen-Vakuum-Löten, zu Dickdrahtbondprozessen und Reinigungsprozessen aufgebaut.
Abbildung 2: Gelötete und gebondete Halbleiterchips | |
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Abbildung 3: Röntgenbild der Lötverbindungen |
