Diseño de las conexiones internas
Para conseguir un módulo eficiente y altamente fiable, es necesario un buen diseño de las conexiones en el interior del módulo (figura 2). En el SKiM, las conexiones se han diseñado teniendo en mente los siguientes parámetros de diseño:

-    Conexiones sin soldadura y de baja inductancia entre los terminales de potencia y los chips.
-    Capacidad para soportar altas corrientes y generar pocas pérdidas.
-    Ofrecer un camino simétrico al paso de corriente, lo que provoca una buena distribución de la misma entre los diferentes chips en paralelo.
-    Colocación de los puntos de presión cerca de los chips para obtener una baja resistencia térmica.

La estructura en sandwich con los caminos de paso de corriente paralelos en cada chip garantiza una muy baja inductancia parásita interna. La inductancia LCE entre los terminales de conexión de DC y los del lado de AC es de menos de 10 nH, y el valor total de inductancia entre DC+ y DC – es de menos de 20 nH. 

Mediante un análisis de elementos finitos se ha demostrado que la mayor parte de la inductancia es debida a la distancia entre los terminales de DC+ y DC. Durante la fase de diseño, se hicieron simulaciones FEM que permitieron optimizar el diseño y reducir la inductancia en hasta un 30% (-10 nH). No es posible obtener más mejora ya que la estructura de sandwich, que genera menos inductancia, no se puede utilizar aquí debido a la obligatoriedad de mantener el aislamiento entre DC+ y DC-. La única manera de conseguir todavía más mejora en la inductancia, sería mediante el uso de conexiones en paralelo al bus de condensadores.

El beneficio de este diseño para los usuarios es, entre otras cosas, la baja sobretensión de conmutación generada, lo que permite el funcionamiento del módulo a niveles de tensión más elevados y el apagado suave, incluso en caso de cortocircuito. Esta conmutación sin sobretensiones elevadas garantiza unas bajas pérdidas de conmutación y una baja emisión de ruidos electromagnéticos.
Los últimos desarrollos en la tecnología de los semiconductores ha permitido incrementar la densidad de potencia en todo el rango de encapsulados. La corriente nominal de los chips de los módulos SKiM 93 de 600 V es de 900 A, casi el doble que la corriente nominal en los módulos estándar.  Este valor de corriente también sobrepasa el límite establecido debido a la capacidad de corriente de los terminales de potencia de los módulos de IGBTs. El material usado en las pletinas de los módulos SKiM hace que el módulo tenga una resistencia total rcc’-ee’ , incluyendo la resistencia de contacto, de sólo 300 µ W,  lo que representa la mitad del valor de los módulos convencionales. Por otro lado, las elevadas fuerzas de contacto garantizan una baja resistencia de contacto. 

Además, las pérdidas generadas se transmiten rápidamente a través de la superficie de la DBC y hasta el disipador por medio de los numerosos puntos de contacto.
Al trabajar como inversor, las corrientes más elevadas pasan a través del terminal de AC. Por este motivo, dicho Terminal se ha colocado en el punto inferior de la estructura de sándwich, pues este punto presenta las mejores condiciones de refrigeración. El módulo ha sido diseñado para corrientes efectivas de salida AC de 600 A para temperaturas de disipador de 70 °C. Este valor está por encima de la corriente de salida más alta para la que ha sido diseñados los chips (ver Tabla 1). Todo esto hace que incluso con pérdidas de potencia de alrededor de 2000 W, la temperatura del terminal se mantenga por debajo de 125°C (ver figura 2).

Disposición del DCB
El diseño del DCB y la posición de los chips son extremadamente importantes de cara al comportamiento en conmutación y a la resistencia térmica del semiconductor. Un diseño asimétrico puede causar fácilmente una distribución no homogénea de corriente entre los diferentes chips de un 10% o más. Si ese es el caso, la corriente total de salida se ve limitada por el componente que presenta mayores pérdidas. 

Las variaciones de tensión debido a inductancias parásitas pueden ser responsables de que se produzcan oscilaciones entre los diferentes chips en paralelo y de que éstos conmuten a velocidades diferentes. Para asegurar una conmutación síncrona las inductancias deben de ser lo más pequeñas posible, y lo que es más importante, deben de tener la misma influencia en todos los chips. Con un diseño a partir de una estructura con 2 IGBT en la parte izquierda y derecha y el diodo volante en el centro garantiza una baja inductancia y una buena conmutación. El camino de la corriente conmutada entre el IGB y el diodo es el más pequeño posible y  tiene la misma longitud para la parte de arriba del switch (TOP) que para la parte de abajo de la rama de IGBTs (véase la figura 3).
La figura 4 muestra el comportamiento en conmutación de un modulo SKiM 63 a 600 A  y 900 Vdc. Las pérdidas de conmutación, las sobretensiones y la di/dt son prácticamente idénticas para el IGBT TOP y para el IGBT BOTTOM. Este hecho no se produce en todos los módulos, ya que en muchos casos, hay diferencias causadas por las distintas inductancias parásitas que hay en el camino de la corriente.

Igualmente, para poder usar los componentes al máximo de sus posibilidades, se necesita una buena distribución de corriente entre los chips en paralelo del módulo. La impedancia del camino de la corriente DC+ y DC- tiene que ser la misma en todos los chips y la influencia de la corriente en el circuito de disparo debe de afectar por igual a todos los chips.
La primera condición se cumple gracias al uso del sistema de pletinas en forma de sándwich. El campo magnético prácticamente no varía cuando la corriente conmuta del DC+ al DC-. Las inductancias de los terminales de potencia están acopladas y por tanto, son despreciables. La impedancia es idéntica en todos los chips que están en paralelo.
El segundo requisito también se ha considerado en el diseño de este módulo. Todos los IGBT tienen la misma tensión puerta emisor, incluso en condiciones dinámicas. En la estructura IGBT-diodo-IGBT, las caídas de tensión inducidas por la di/dt se cancelan entre sí, lo que significa que todos los chips se ven afectados de la misma manera por la caída de tensión existente entre los hilos de unión (bond wires). El resultado es una muy buena distribución de corriente, incluso en condiciones extremas de cortocircuito.

Resistencia térmica Rth
La nueva generación de chips, con baja caída de tensión directa y elevadas temperaturas de unión, hasta 175 ºC, permite que la corriente nominal de estos módulos sea muy alta. La densidad de corriente nominal puede ser incluso mayor que 2A/mm2. Si se elige el tamaño de chip adecuado, se puede obtener un óptimo equilibrio entre corriente nominal, requisitos de refrigeración y costes.

La Rth depende del tamaño del chip, pero también de la distancia entre chips (véase la figura 5). Los chips de gran tamaño presentan un largo gradiente de temperatura a lo largo de su área y provocan una mala conducción del calor dentro del módulo. Mediante la colocación de varios chips más pequeños, con la misma área efectiva, pero separados ligeramente entre sí, se consigue una mejora en la Rth. Si esta separación entre chips es pequeña, hay un efecto de recalentamiento de los chips entre sí. Por otro lado, si la separación es grande, más pequeña es la resistencia térmica. La familia SKiM consigue el compromiso óptimo entre el mayor rendimiento térmico y la máxima área efectiva ya que presenta un área de entre 60 y 80 mm2 y una distancia entre chips de 3 mm.
Los contactos por presión en ambos lados de los chips evitan que la suela cerámica se combe. Con esto se ayuda a reducir el espesor necesario, de 80-100 µm en los módulos convencionales frente a 20-30 µm en el SKiM, de la grasa térmica conductora, mejorando la resistencia térmica del contacto entre el módulo  y el disipador. Además, las buenas propiedades conductoras del calor de la fina capa de plata sinterizada que une el chip y la suela cerámica, todavía mejora más la Rth del módulo SKiM frente a los módulos convencionales donde se suelda el chip a la suela cerámica.

Fiabilidad
La solución tradicional consistente en el uso de módulos de potencia con suela de cobre soldada no son adecuados para los ciclos térmicos tan exigentes que existen en las aplicaciones de automoción. Los diferentes coeficientes de expansión térmica de los materiales involucrados generan tensiones mecánicas en las uniones provocando la rotura por fatiga. Un módulo de contacto por presión sin suela de cobre es la alternativa a las soluciones tradicionales. Además, la baja resistencia térmica y el reparto homogéneo de los puntos de calor disminuyen la diferencia de temperaturas entre las diferentes partes del módulo, aumentando su vida útil. 

Para mejorar la resistencia frente a los ciclos de carga, incluso cuando se trabaja a altas temperaturas, la familia de módulos SKiM utiliza una tecnología de sinterizado a baja temperatura para unir los chips a la suela cerámica (DCB). Si esta unión fuera soldada, como en otros módulos industriales, se observaría un envejecimiento en la misma lo que provocaría un aumento de la resistencia térmica y a la larga, el fallo del módulo. La unión sinterizada se consigue usando una fina capa de plata con una gran conductividad térmica. El punto de fusión de la plata es de 900 °C, muy por encima de la temperatura máxima admisible en el chip, 175 ºC. En ensayos realizados con módulos sinterizados, no se ha observado el efecto de la fatiga (véase la figura 6). Al eliminar este mecanismo de fallo, la fiabilidad global del sistema se incrementa de forma notable. 

Debido al uso de la tecnología de contacto por presión y por muelles y a la no utilización de suela de cobre con chips soldados, los módulos SKiM eliminan el 100% de las soldaduras. Si añadimos que los nuevos chips de IGBTS empleados soportan temperaturas máximas de hasta 175 °C, nos encontramos con que los módulos SKiM permiten un diseño compacto del convertidor de potencia, así como una inigualable densidad de potencia, fiabilidad y resistencia a los ciclos térmicos.

Autor:

Dr. Arendt Wintrich, Application Manager SEMIKRON

Más información o presupuesto