技术文章详细内容
提高4.5kV IGBT模块的功率密度
2023/11/21 9:38:49 材料来源： 三菱电机半导体
未来对电力电子变流器的要求不断提高。功率密度和变流器效率须进一步提高。输出功率应适应不同终端客户的不同项目。同时，变流器仍需具有成本竞争力。本文展示了新型4.5kV功率�？槿绾卧谔�、中压驱动或电力系统等应用中满足这些变流器要求。
作者：Kazuto Mikami, Kenji Hatori, Victor Tolstopyatov, Nils Soltau
简介
2020 年，三菱电机宣布推出额定电压3.3kV的HV100功率模块[1]，采用X系列芯片组。如图1所示，HV100封装易于并联，换流杂散电感低，绝缘电压为10.2kV，具有很高的灵活性。该封装设计初衷是为了满足未来铁路变流器的要求[2]。最近，三菱电机又发布了一款额定电压为4.5kV、额定电流为450A的HV100功率模块。本文将介绍这款新器件——CM450DE-90X，对比其与传统功率�？榈挠攀�，并展示其适用铁路、中压驱动或电力系统等应用的主要特性。
图1：HV100封装功率�？�
CM450DE-90X采用三菱电机最新一代4.5kV X系列芯片，包括CSTBT™(III)和RFC二极管。这确保了低损耗、平滑的开关波形和过流工况下的高鲁棒性。
HV100的封装结构如图2所示。两个直流端子位于功率模块的一侧，而两个交流端子则位于另一侧。这样可以实现与直流母线电容的低电感连接和更简洁的变流器布局。中间位置为栅极驱动板提供了空间。当HV100功率模块并联时，驱动端子方便连接�？稍诓⒘狪GBT模块的上面安装一块PCB板，来控制所有�？�。此外，这种设计还可以通过增加（或减少）并联�？榈氖坷吹髡涑龉β省�
HV100封装采用MCB底板（Metal Casting direct Bonding，金属铸造直接键合）。它可以降低热导率，从而提高功率密度。与采用AlSiC底板的传统封装结构相比，结到壳的热阻降低了约30%。此外，MCB底板避免了底板焊接，而底板焊接层是传统功率�？榉庾爸腥妊肥倜闹圃家蛩亍�
图2：采用MCB底板结构的HV100功率�？榻孛嫱�
更高的功率密度
下面将比较CM450DE-90X与传统190x140mm²功率模块的输出功率。例如，比较对象是两个传统封装的CM1350HG-90X单管IGBT�？楹腿霾⒘腃M450DE-90X半桥模块，两者额定电流相同。尽管额定电流相同，但图3显示HV100功率�？檎加玫纳⑷让婊跎倭嗽�20%。
图3：在相同额定电流下，HV100和传统封装的半桥结构尺寸比较
直流母线和半导体芯片之间的杂散电感是影响功率�？榭靥匦缘囊蛩刂唬嵫现赜跋炱淇囟�。高寄生电感会延长开通和关断过程，并导致关断时产生更高的电压尖峰。上述两种情况都会增加IGBT模块的开关损耗。由于HV100实现了更低的杂散电感，因此开关速度更快，开关损耗更低。与传统封装相比，4.5kV HV100在逆变模式（即图4a中的正功率因数）和制动模式（即图4b中的负功率因数）下可将变流器总损耗分别降低17%和18%[3]。
图4：变流器损耗计算结果
使用MelcoSim Ver.5.4.1[4]，计算三个CM450DE-90X并联与CM1350HG-90X和CM1200HG-90R（前一代R系列）的输出电流能力。结果如图5所示，与之前的R系列HVIGBT�？橄啾�，X系列�？榻档土怂鸷摹⒂呕巳茸�，允许的最高工作温度也提高到Tj=150℃。由于上述因素，CM1350HG-90X�？榈目墒涑龅缌鞅菴M1200HG-90R增加了约17%。如果使用新型HV100半桥�？镃M450DE-90X（三个并联），则可再增加12%。这是由于降低了开关损耗以及MCB底板优化了热阻。
图5：R系列HVIGBT、X系列HVIGBT和4.5kV HV100 HVIGBT的输出电流与载波频率之间的关系（条件：SPWM，Vcc=2800V，PF=+0.85，M=1，TS=80℃，Tj=Tjop）
并联运行
如前所述，HV100封装是专为更简单的并联连接而设计的，并联时，优化的端子布局方便连接母线电容和交流输出。下面将测量两个并联CM450DE-90X之间的均流情况。图6展示了测试装置，通过它可以测量N侧IGBT的单独电流。测试在室温、Vcc=2800V、总电流IC,total=900A（每个功率模块450A）和栅极电压VGE=±15V的条件下进行。
图6：测量两个并联CM450DE-90X之间均流的测试装置
图7(a)和(b)分别显示了两个功率模块在关断和开通时的均流情况。测试结果表明，电流在两个功率�？橹渚确植�，从而很好地利用了芯片面积。
需要注意的是，评估中使用的两个�？樵谔匦陨喜钜旖闲 ９赜诠β誓？椴问浠圆⒘挠跋�，请参阅[5]。
（a）关断
（b）开通
图7：两个并联CM450DE-90X的均流（条件：Vcc=2800V，IC,total=900A，VGE=±15V，Tj=25℃，N-side）
高杂散电感下的开关
建议使用低杂散电感Ls的直流母线，以减少开关损耗和关断时的过电压。然而，并不是所有的变流器设计都能实现低Ls值。在某些情况下，例如在多电平变流器中，存在较高的Ls，应保证功率模块也能安全可靠运行。图8显示了4.5kV HV100在Ls=100nH和400nH条件下关断时的开关波形�？梢钥闯�，即使Ls高达400nH，最大VCE电压也仅达到3600V左右。有关高杂散电感的进一步测量结果，请参见[3]。总之，CM450DE-90X即使在杂散电感较高的情况下也能正常工作，其VCES有足够的余量，并且不会产生振荡。
图8：分别在Ls=100nH和Ls=400nH情况下，比较4.5kV HV100的开关波形（条件：Vcc=2800V，Ic=450A，VGE=15V，Tj =150℃）
过电流时的鲁棒性
功率�？榈穆嘲粜允潜淞髌髦饕笾唬绕涫窃谔坊虻缌ο低车仍鹑沃卮蟮挠τ贸『�。RBSOA（反偏安全工作区）是评估IGBT�？槁嘲粜缘牡湫头椒�。该特性显示了功率模块在IGBT关断时承受一定电压和电流的能力。图9中用黑色曲线显示了CM450DE-90X规格书限定的RBSOA。该图中，实际型式试验测量结果以橙色曲线显示。经证实，CM450DE-90X样品即使在2700A（6倍额定电流）的情况下也未发生故障。这证明了CM450DE-90X的鲁棒性，在可能发生的意外过流工况时，为变流器制造商和终端用户提供更大的安全裕量。
图9：规定的RBSOA和评估结果（Vcc=3400V，Tj=150℃)
总结
本文介绍了采用HV100封装的新型4.5kV/450A功率�？镃M450DE-90X。该功率�？椴捎肕CB底板和最新一代芯片，具有10.2kV绝缘电压和卓越性能。特别是在增加功率密度、方便并联和过流工况下的鲁棒性等方面进行了讨论。事实证明，CM450DE-90X能够满足未来变流器的要求。
新型CM450DE-90X扩展了LV100/HV100产品阵容。除CM450DE-90X外，还有额定电压为1.7kV和3.3kV的其他功率�？榭晒┭≡�。表1列出了LV100/HV100完整产品系列。
表1：HV100和LV100功率模块阵容
参考文献
[1]Mitsubishi Electric Corporation, Mitsubishi Electric to Launch HV100 dual type X-Series HVIGBT Modules, Tokyo, Japan, 2020.
[2]N. Soltau, E. Wiesner, R. Tsuda, K. Hatori and H. Uemura, "Demands by Future Railway Converters and How They Change Power Semiconductor Modules," in Bodo's Power Systems, Jul 2021.
[3]K. Mikami, K. Hatori and N. Soltau, "4.5 kV HV100-type HVIGBT Module for Large Industrial Equipment," in PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2023.
[4]Mitsubishi Electric Corporation, "Mitsubishi Electric Power Module Loss Simulator Melcosim," [Online]. Available: https://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/simulator/index.html. [Accessed 19 May 2023].
[5]Y. Ando, J. Sakai, K. Hatori, N. Soltau and E. Wiesner, "Influence of IGBT and Diode Parameters on the Current Sharing and Switching-Waveform characteristics of Parallel-Connected Power Modules," in 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'22 ECCE Europe), Hanover, Germany, 2022.
【近期会议】
11月30日，赛默飞半导体解决方案研讨会·广州站即将于广州·奥园喜来登酒店举行，诚邀您共谋行业发展蓝图！听众注册：https://w.lwc.cn/s/JnUjmu
| 上一篇：甲脒基光伏钙钛矿电池结... | 下一篇：电子束辐射导致的氮化硅... |
粤公网安备 44030402004706号