Fachthemen Leistungselektronik

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Vom sprichwörtlichen Silberstreif am Horizont war bei vie-len Herstellern die Rede, wenn sie einen Blick in die Zukunft wa-gen sollten. Doch Silber war als Farbe auf der PCIM nicht domi-nierend, sondern Grün, in Gestalt von Green Power. Die meisten Hersteller hatten Leistungsbausteine im Gepäck, die mit niedrigen Schalt- und Leitungsverlusten und somit hohen Wirkungsgraden überzeugten. Wie Toshiba, dessen Leistungsmosfets für Automoti-ve-Ansteuerungen mit hohem Wirkungsgrad, sehr guter Last-zyklus-Beständigkeit und Strömen bis 150 Ampere punkteten. „Unsere Mosfets bieten branchenweit führende Werte bei Durch-lasswiderstand und Eingangskapazität sowie ein Gehäusedesign, das eine bessere Wärmeableitung und Lastzyklus-Beständigkeit bietet als bei früheren Automotive-Mosfets“, ist Dr. Georges Tchou-angue von Toshiba in Düsseldorf überzeugt.

Toshibas U-MOS-Trench-Halbleitertechnologie sorgt für einen RDS(on) von 1,7 Milliohm und Eingangskapazitäten von bis zu 4500 Pikofarad. Die Mosfets sind im TO220SM(W)-Gehäuse un-tergebracht, das Kupferanschlüsse und einen breiten Source-An-schluss bietet, um den RDS(on) und die Gehäuseinduktivität nied-rig zu halten, den Wärmewiderstand zu reduzieren und eine hohe Strombelastbarkeit zu gewährleisten. Das Unternehmen stellte fünf Bausteine vor, die in Produktionsstückzahlen lieferbar sind.

Auf Smart Power setzenInfi neon brachte nach Nürnberg seine kompakten IGBT-Module Smart-Pack-1 und Smart-PIM-1 mit. Deren Vorteile betont Mar-tin Hierholzer, Vice President und General Manager, Industrial Power in der Division Industrial & Multimarket: „Das innovative Gehäuse-Design der Smart-Module erlaubt die Nutzung der Ein-presstechnik Press-Fit, um ein Smart-Modul in einem einzigen Fertigungsschritt sowohl mit der Leiterkarte als auch dem Kühl-körper zu verbinden.“ Für diese Verbindung ist lediglich eine Schraube notwendig. Infi neon will damit eine qualitativ hoch-wertige Alternative zu den heutige üblichen Lötverbindungen bie-ten und die Anforderungen moderner Umrichter-Designs im Leistungsbereich bis zu 55 Kilowatt erfüllen.

Die Kombination aus der genannten Press-Fit-Technologie und selbsteinpressender Montage mit Leiterkarte und Kühlkörper in

einem einzigen Schritt vereinfacht die Fertigung und senkt die Fer-tigungszeit eines Smart-Moduls erheblich. Durch das Anziehen der Schraube erfolgt eine plastische Verformung der Press-Fit-Pins in den Kontaktlöchern der Leiterkarte. Es entsteht eine gasdichte Kontaktzone, die robust in rauen Umgebungen ist. Das Modul lässt sich mechanisch mit dem Kühlkörper und der Leiterkarte verbin-den. Durch das Gehäusekonzept eines Smart-Moduls mit seinem inneren Modulkern und dem äußeren Modulrahmen erfahren die empfi ndlichen Komponenten im Gehäuseinneren und die Kera-mik hohen Schutz, so dass Direct-Copper-Bonding-Brüche äu-ßerst selten sind. Die Module sollen im vierten Quartal 2009 in Produktion gehen.

Mit Mitsubishi Electric Semiconductor widmet sich ein weiteres japanisches Unternehmen dem Th ema Leistungsmodule. Derzeit entwickelt der Hersteller die MPD-Familie für industrielle Anwen-dungen mit höheren Nennströmen. Warum? „Insbesondere auf dem wachstumsintensiven Markt für erneuerbare Energien, wie

1) Überzeugt mit einem Durchlasswiderstand von 1,7 Milliohm und Ein-

gangskapazitäten von 4500 Pikofarad: Toshibas Automotive-Mosfetserie.

2) Ermöglicht Dauerleistungen von bis zu 70 Kilowatt: Das Drei-Level-High-

Power-Modul Flow-NPC-2 der Unterhachinger Vincotech.

3) Für Nieder-, Mittel- und Hochvolt-Applikationen im Automobilsektor geeig-

net: Intenational Rectifi ers Dual-Low-Side-Treiber-IC AUIRS4427S.

4) Punktet mit Robustheit, Kosteneffektivität, niedrigem Stromverbrauch und

hohem Wirkungsgrad: Die VIPer-Plus-Familie von ST Microelectronics.

5) Reduzieren die Komplexität eines Stromrichters und sorgen somit für

weniger Gesamtkosten: Die MPD-IGBT Module von Mitsubishi Electric.

Lang lebe die KöniginIn die Leistungselektronik investieren

Auch die erfolgsverwöhnte Leistungselektronik spürt die Wirtschaftskrise. Dennoch sind die Hersteller dieser Königsdisziplin optimistisch. Dass sie dazu allen Grund haben, zeigte die vom Fachpublikum stark frequentierte PCIM. Die meisten Firmen haben die Krise genutzt und ihre neuen Produkte kräftig auf Grün getrimmt. Autorin: Stefanie Eckardt

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Bild: Fotolia, ktsdesign

Green PowerEs grünt so grün – nicht nur wenn Spaniens Blüten blühen, wie es in einem weltbekannten Musical von Frederick Loewe heißt – sondern auch wenn sich das Who-is-Who der Leistungselektronik zum all-jährlichen Branchentreff in Nürnberg trifft. Der befürchtete Krisentalk blieb auf der PCIM aus, dafür standen die Themen im Vordergrund, die eine Messe für Leistungselektronik, intelligente Antriebstechnik und Power Quality ausmachen, nämlich Green Initiative, Resource Smart oder Energy Effi ciency.

infoDIREKT www.elektronikjournal.de 105ejl0809 Link zu Toshiba , Infi neon Technologies , Mitsubishi Electric Semicon-ductors , Vincotech , ST Microelectronics , International Rectifi er

VORTEIL Die Hersteller übertrumpften sich in Bezug auf energieef-fi ziente Bausteine. Gewinner: Der Endverbraucher und die Umwelt.

Auf einen Blick

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der Stromerzeugung durch Windkraft , ist man auf höhere System-leistungen angewiesen“, erklärt Dr. Gourab Majumdar , Senior Chief Engineer, Power Device Works von Mitsubishi Electric, der eigens für die PCIM aus Japan angereist ist. Er ergänzt: „Die Mo-dule werden in Ausführungen mit bis zu 2500 Ampere bei 1200 Volt und 1800 Ampere bei 1700 Volt verfügbar sein, wodurch sich das Parallelschalten von Modulen vermeiden lässt und somit die Komplexität des Stromrichteraufb aus reduziert und die Gesamt-Systemkosten gesenkt werden können.“ Mitsubishi setzt in den MPD-Modulen die sechste Generation seiner IGBT mit Carrier-Stored-Trench-Gate-Bipolar-Transistor-Technologie ein sowie Freilaufdioden-Chips mit optimierter Verlustleistungsbilanz. Bei den 1200-Volt-Modulen erreicht der Hersteller eine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung VCE(sat) von 1,7 Volt, bei den 1700-Volt-Modulen einen Wert von 2,2 Volt. „Unter identischen dv/dt-Be-dingungen konnten die Gesamtverluste im Inverterbetrieb gegenüber IGBT-Modulen der fünft en Generation um etwa

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25 Prozent reduziert werden“, kommentiert Dr. Majumdar weitere Optimierungen. In der Regel verfügen Stromrichter des oberen Leistungsbereichs über eine Flüssigkeitskühlung. Aus diesem Grund passte Mitsubishi das Chip-Design seiner MFD-IGBT-Mo-dule an diese Art der Kühlung an. Der Hersteller entwickelte eine lötfreie Aluminiumbodenplatte mit direkt aufgesinterter Isolati-onskeramik um die thermische Impedanz sowie die Temperatur-wechsellastfestigkeit zu verbessern. Erste Muster bietet der Her-steller ab dem vierten Quartal 2009.

Auch Vincotech setzte auf das Th ema Leistungsmodule und hatte in Nürnberg neue Drei-Level-High-Power-Module für Solar und Unterbrechungsfreie Stromversorgungen im Gepäck. Mit ih-rer Produktfamilie Flow-NPC-2 erweiterten die Unterhachinger ihr Produktspektrum an Drei-Level-Invertern im höheren Lei-stungsbereich. Damit lassen sich nunmehr Dauerleistungen von bis zu 70 Kilowatt pro Modul realisieren. „Die Vorteile der Drei-Level-Struktur sind niedrigere Kosten und ein höherer Wirkungs-grad, ermöglicht durch die Verwendung von 600-Volt-Komponen-ten“, ist sich Peter Sontheimer , Vice President Forschung und Entwicklung sowie Marketing bei Vincotech in Unterhaching si-cher. Die im High-Power-Gehäuse Flow 2 untergebrachten Modu-le basieren auf schnellen Topologien, wie Ultrafast-Dioden und

Cool-MOS-Transistoren, und decken den Bereich von bis zu 300 Ampere bei 1200 Volt ab. Den höchsten Wirkungsgrad weisen die-jenigen Komponenten auf, die eine parallele Anordnung von Cool-MOS- und IGBT-Bausteinen enthalten. Denn aus dem Mix – gute statische IGBT-Eigenschaft en und niedrige Schaltverluste von Cool-MOS – ergeben sich niedrige Gesamtverluste.

Energie sparen„Mit ihrer herausragenden Kombination aus Robustheit, Kostenef-fektivität, niedrigem Standby-Stromverbrauch und hohem Wir-kungsgrad untermauert die neuerlich erweiterte VIPer-Plus-Fami-lie unsere führende Position auf dem Leistungswandler-Markt und demonstriert überdies unsere Entschlossenheit, den Kunden beim Minimieren des Energieverbrauchs ihrer Produkte zu unterstüt-zen“, ließ Giuseppe Gattavari , Off -Line & Photovoltaic Business Units Director bei ST Microelectronics in Agrate Brianza, Italien, auf der PCIM nicht ohne Stolz verlauten. Mehrwert der VIPer-Plus-Familie: Energiesparvorschrift en für eine breite Palette von Consumer-, Computer-, Industrie- und Hausgeräte-Applikationen lassen sich mit ihr erheblich einfacher einhalten. Anwendungsbe-reiche: Wasch- und Geschirrspülmaschinen, Consumer-Produkte, zum Beispiel LCD-Fernsehgeräte, DVD-Player und Set-Top-Bo-xen, Haus- und Architekturbeleuchtungen, Zusatz-Netzteile für PC und Server bis hin zu Ladegeräten für Mobiltelefone, Digitalka-meras, portable Audio-Player, Spielzeuge und schnurlose Geräte, wie beispielsweise Rasierapparate. STM führte die Komponenten VIPer15/16/25/27/28 ein, die Controller, Start-up-Schaltungen und einen 800-Volt-Mosfet mit hoher Avalanche-Festigkeit in einem Gehäuse vereinen.

Avalanchefestigkeit von Mosfets verbessernDer mit hoher Avalanchefestigkeit überzeugende Leistungsmosfet wurde laut Hersteller eigens für die VIPer-Plus-Serie optimiert. Darüber hinaus sorgen Festfrequenz-PWM-Controller mit Jitter-ing und die Quasiresonanz-Topologie für einen hohen Wirkungs-grad im normalen Betrieb und für eine gleichzeitige Kostensen-kung der EMI-Filter. „Neue integrierte Funktionen und eine hohe Durchbruchspannung helfen, die Robustheit und Zuverlässigkeit der Netzteile zu erhöhen“, unterstreicht Giuseppe Gattavari die Vorteile der Produktfamilie. „Es werden weniger externe Bauele-mente benötigt, der Wirkungsgrad im regulären Betrieb steigt und die Standby-Leistungsaufnahme lässt sich extrem absenken. Letz-tere beträgt bei 265 Volt unter 50 Milliwatt und kann mit einem optimierten Transformatordesign sogar auf 30 Milliwatt reduziert werden.“ Darüber hinaus benötigt der VIPer-Plus durch die Inte-

„Der AUIRS4427S ist ideal

für Hochleistungs-DC/DC-

Wandler“, ist Henning

Hauenstein, International

Rectifi er in El Segundo,

Kalifornien, vom neuentwi-

ckelten Baustein überzeugt.

Das Gehäusedesign von Infi neons Smart-Modulen macht die Einpresstechnik

Press-Fit möglich, um die Module in einem Fertigungsschritt mit Leiterplatte

und Kühlkörper zu verbinden.

Reiste für die Präsentation

der MPD-IGBT-Module

eigens aus Japan an:

Dr. Gourab Majumdar von

Mitsubishi Electrics

Semiconductor-Segment.

„Unsere Drei-Level-High-

Power-Module für Solar und

UPS bieten einen hohen

Wirkungsgrad bei hoher

Leistung“: Peter Sontheimer

von Vincotech in Unterha-

ching bei München.

Präsentierte in Nürnberg

Mosfets, die mit guten

Werten bei Durchlasswider-

stand und Eingangskapazi-

tät glänzen: Dr. Georges

Tchouangue von Toshiba in

Düsseldorf.

Setzt auf die Einpress-

technik Press-Fit:

Martin Hierholzer von

Infi neon Technologies

im nordrhein-westfä-

lischen Warstein.

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Investition in die ZukunftAuch 2009 wurden auf der PCIM die Young-Engineering-Awards ver-geben. Aus hochwertigen Beiträgen wählte die Jury diejenigen aus, die in ihrer Gesamtheit am meisten überzeugten. Dieses Jahr konn-ten folgende Beiträge überzeugen:

Michael Heeb, Universität Kassel, Deutschland ■Carrier Transit Time Approximation for Prediction of PETT Oscilla-tion in Power DiodesJérémy Martin, Pearl-Alstom Transport, Frankreich ■Characterisation of IGBT and IGCT in Soft Commutation Mode for Medium Frequency Transformer Application in Railway TractionRoland Zeichfüßl, Siemens, Deutschland ■A Powerful and Effi cient Switch-Mode Power Stage for a New Pi-ezoelectric Drive

Infokasten Young-Engineering-Award

gration eines hochspannungsfesten Start-up-Strom-Generators und der unerlässlichen Drainstrom-Regelung während der An-laufphase des Wandlers keinen Start-up-Widerstand. Die sekun-därseitige Diode wird außerdem weniger stark belastet und eine Sättigung des Transformators wird verhindert. Der eingebaute Sensefet kommt ohne externe Abtast-Bauelemente aus und ermög-licht damit eine präzise Begrenzung des Drainstroms. Wird eine Störung festgestellt, so löst dies die Auto-Restart-Funktion aus, was Schäden an Stromversorgung oder Verbraucher ausschließt. Sämt-liche Produkte der VIPerPlus-Familie sind im DIP-7 oder SO16N-Gehäuse in Produktionsstückzahlen erhältlich.

Automotive pushen?Last but not least stellte sich die Frage: Ist Automotive out? Nein, so beispielsweise die Antwort von International Rectifi er. Das unter dem Slogan „Th e Power Management Leader“ auft retende Unter-nehmen stellte unter anderem ein sich für den Einsatz im Kraft fahr-zeugbereich eignendes Dual-Low-Side-Treiber-IC vor. Applikati-onsgebiete des AUIRS4427S: universelle Motorantriebe, DC/DC-Wandler im Kfz sowie Hybridantriebe. „Beim AUIRS4427S handelt es sich um einen nach den AEC-Q100-Standards qualifi zierten schnellen Leistungsmosfet- und IGBT-Treiber für niedere Span-nungen“, erläutert Henning Hauenstein , Vice President Automotive bei International Rectifi er in El Segundo, Kalifornien.

Die Treiber am Ausgang sind gekennzeichnet durch eine Hoch-impuls-Strompuff erstufe für minimales Übersprechen des Treibers und eine angepasste Laufzeitverzögerung für beide Kanäle. Weiterer Vorteil: Die hohe Störfestigkeit gegen negative Spannungsspitzen, die vor Fehlern während des Schaltens unter hohem Strom sowie bei Kurzschlussbedingungen schützt. „Mit seiner neue Maßstäbe set-zenden Störfestigkeit gegen negative Spannungsspitzen und der an-gepassten Laufzeitverzögerung stellt der AUIRS4427S einen extrem robusten dualen Low-Side-Treiber dar, der hohe Schaltgeschwindig-keiten ermöglicht. Deshalb ist der Baustein ideal für Hochleistungs-DC/DC-Wandler und für den Einsatz im Antriebsstrang geeignet“, ist Henning Hauenstein überzeugt. Eigenschaft en: Das IC ist 3,3- und 5-Volt-Logik-kompatibel zu Standard-CMOS- oder LSTTL-Ausgängen, weist eine Gatespannung bis zu 20 Volt auf und verfügt über CMOS-Schmitt-Trigger-Eingänge, zwei unabhängige Gatetrei-ber sowie zu den Eingängen phasengleiche Ausgänge. IR liefert die Komponente bereits in Produktionsstückzahlen. Fazit: Eine Branche trotzt der Wirtschaft skrise und investiert fl eißig in Forschung und Entwicklung energieeffi zienter Produkte. (eck) ■

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