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Leiterplattenembedding von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik – vom Modul zum System
(2018)
Das Einbetten von Halbleiterbauelementen in Leiterplatten ist ein alternativer Ansatz zur Steigerung der Leistungsdichte und Funktionalität von leistungselektronischen Systemen. Diese Arbeit stellt ein neuartiges Verfahren vor, bei dem die Halbleiter nach der Leiterplattenfertigung in Kavitäten eingebettet werden. Die Betriebscharakteristik derartiger Leiterplattenmodule werden systematisch an Hand eines 1200V/50A Demonstrators untersucht. Ein Benchmark mit einem herkömmlichen, kommerziell verfügbaren Leistungsmodul mit identischen Halbleiterbauelementen verdeutlicht die Vorteile der Technologie: die parasitären Widerstände und Induktivitäten des Embedded-Moduls sind gegenüber der Referenz um 86% bzw. 65% verringert. Der thermische Widerstand fällt um 29% niedriger aus. Mit diesen Daten wurde eine theoretische Analyse auf Systemebene durchgeführt, wobei ein 23kW Antriebsumrichter als Beispielanwendung dient. Alleine durch das Leiterplattenembedding ist eine Steigerung der Ausgangsleistung um 14,5% möglich. Eingriffe in die Schaltungstechnik sind dazu nicht notwendig.
Leiterplattenembedding von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik – vom Modul zum System
(2018)
Das Einbetten von Halbleiterbauelementen in Leiterplatten ist ein alternativer Ansatz zur Steigerung der Leistungsdichte und Funktionalität von leistungselektronischen Systemen. Diese Arbeit stellt ein neuartiges Verfahren vor, bei dem die Halbleiter nach der Leiterplattenfertigung in Kavitäten eingebettet werden. Die Betriebscharakteristik derartiger Leiterplattenmodule wird systematisch an Hand eines 1200 V / 50 A Demonstrators untersucht. Ein Benchmark mit einem herkömmlichen, kommerziell verfügbaren Leistungsmodul mit identischen Halbleiterbauelementen verdeutlicht die Vorteile der Technologie: die parasitären Widerstände und Induktivitäten des EmbeddedModuls sind gegenüber der Referenz um 86 % bzw. 65 % verringert. Der thermische Widerstand fällt um 29 % niedriger aus. Mit diesen Daten wurde eine theoretische Analyse auf Systemebene durchgeführt, wobei ein 23 kW Antriebsumrichter als Beispielanwendung dient. Alleine durch das Leiterplattenembedding ist eine Steigerung der Ausgangsleistung um 14,5 % möglich. Eingriffe in die Schaltungstechnik sind dazu
nicht notwendig.
This paper presents a novel fabrication concept for PCB embedded power semiconductors. Here, the semiconductors are attached to an insulated metal substrate, which is embedded in a second step into an almost-ready PCB. This approach avoids handling of bare dies during PCB production. To demonstrate the feasibility of the concept, a 1200 V / 50 A B6 bridge is designed and fabricated. The performance is evaluated and benchmarked. Compared to a conventional DBCbased power module, the conduction losses are reduced by 21% and the thermal resistance is reduced by 29%. Turn-off losses are 25% lower, while turn-on losses are about the same for both module types. A further optimization of the switching performance is possible, but requires a reduced DC-link inductance and an optimization of the gate resistance.
Due to an increasing demand in miniaturization of power converter, power loss densities increase significantly, which makes their thermal management difficult. One way to face this challenge is PCB embedding of semiconductors. This approach provides a much shorter thermal path from semiconductor to a coolant, than with a usual DBC-based power module. Still, a typically liquid cooling heat exchanger, which is connected to the power module forms a main part of the overall thermal resistance. This paper presents a novel design of a PCB embedded power module with a small size heat exchanger. To meet the requirements of the targeted application a dielectric coolant was used. A parametric study was performed to find out the most suitable cooling concept. Jet impingement on an optimized cooling surface with an increased area is persecuted. The heat exchanger design is described and the thermal performance is evaluated by CFD-simulations. The overall thermal resistance for the IGBT was calculated to Rth junction-coolant = 0.52 K/W. For comparison a reference DBC-based power module on a standard cold plate is considered. Its thermal resistance was Rth junction coolant = 1.03 K/W which is almost two times higher than the embedded version with direct cooling.
The increasing demand for highly compact power converters in many applications such as on-board power supplies and motor drives leads to high power loss densities. Typically, thermal management components and filters take the biggest part of the converter volume. To reduce the size, embedding technology can be used. Embedding of power semiconductors enhances the electrical performance of such devices due to reduced interconnection length. This leads to lower inductance which enables higher switching frequencies and allows more compact filter elements [1]. Direct cooling strategies pursue ways to enhance heat transfer to a coolant while reduce the heat sink size. Products like the “Danfoss ShowerPower”[2] and “Infineon Hybrid Pack”[3] show examples where cooling structures are attached directly on the backside of the power module. By omitting the thermal interface between power module and heat sink, the thermal resistance is significantly reduced. Due to superior thermal properties, water-glycol is usually applied as coolant. However, using a dielectric coolant enables some unique benefits: First, no electric insulation layer to coolant is required, which reduces the thermal resistance, second, corrosion problems are avoided, as dielectric coolants are typically inert, and third, the system stays safe for users in case of coolant leakage. Our approach combines these strategies to create an ultra-compact PCB embedded power module with integrated dielectric cooling. This paper is focused on the experimental thermal performance evaluation of the developed heat exchangers. It continues the theoretical work, which was presented as paper at the CIPS 2018 [5].