未來對電力電子變流器的要求不斷提高。功率密度和變流器效率須進(jìn)一步提高。輸出功率應(yīng)適應(yīng)不同終端客戶的不同項目。同時，變流器仍需具有成本競爭力。本文展示了新型4.5kV功率模塊如何在鐵路、中壓驅(qū)動或電力系統(tǒng)等應(yīng)用中滿足這些變流器要求。
作者
Kazuto Mikami, Kenji Hatori, Victor Tolstopyatov, Nils Soltau
簡介
2020 年，三菱電機(jī)宣布推出額定電壓3.3kV的HV100功率模塊[1]，采用X系列芯片組。如圖1所示，HV100封裝易于并聯(lián)，換流雜散電感低，絕緣電壓為10.2kV，具有很高的靈活性。該封裝設(shè)計初衷是為了滿足未來鐵路變流器的要求[2]。最近，三菱電機(jī)又發(fā)布了一款額定電壓為4.5kV、額定電流為450A的HV100功率模塊。本文將介紹這款新器件——CM450DE-90X，對比其與傳統(tǒng)功率模塊的優(yōu)勢，并展示其適用鐵路、中壓驅(qū)動或電力系統(tǒng)等應(yīng)用的主要特性。
圖1：HV100封裝功率模塊
CM450DE-90X采用三菱電機(jī)最新一代4.5kV X系列芯片，包括CSTBT™(III)和RFC二極管。這確保了低損耗、平滑的開關(guān)波形和過流工況下的高魯棒性。
HV100的封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個直流端子位于功率模塊的一側(cè)，而兩個交流端子則位于另一側(cè)。這樣可以實現(xiàn)與直流母線電容的低電感連接和更簡潔的變流器布局。中間位置為柵極驅(qū)動板提供了空間。當(dāng)HV100功率模塊并聯(lián)時，驅(qū)動端子方便連接。可在并聯(lián)IGBT模塊的上面安裝一塊PCB板，來控制所有模塊。此外，這種設(shè)計還可以通過增加（或減少）并聯(lián)模塊的數(shù)量來調(diào)整輸出功率。
HV100封裝采用MCB底板（Metal Casting direct Bonding，金屬鑄造直接鍵合）。它可以降低熱導(dǎo)率，從而提高功率密度。與采用AlSiC底板的傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)相比，結(jié)到殼的熱阻降低了約30%。此外，MCB底板避免了底板焊接，而底板焊接層是傳統(tǒng)功率模塊封裝中熱循環(huán)壽命的制約因素。
圖2：采用MCB底板結(jié)構(gòu)的HV100功率模塊截面圖
更高的功率密度
下面將比較CM450DE-90X與傳統(tǒng)190x140mm²功率模塊的輸出功率。例如，比較對象是兩個傳統(tǒng)封裝的CM1350HG-90X單管IGBT模塊和三個并聯(lián)的CM450DE-90X半橋模塊，兩者額定電流相同。盡管額定電流相同，但圖3顯示HV100功率模塊占用的散熱面積減少了約20%。
圖3：在相同額定電流下，HV100和傳統(tǒng)封裝的半橋結(jié)構(gòu)尺寸比較
直流母線和半導(dǎo)體芯片之間的雜散電感是影響功率模塊開關(guān)特性的因素之一，會嚴(yán)重影響其開關(guān)動作。高寄生電感會延長開通和關(guān)斷過程，并導(dǎo)致關(guān)斷時產(chǎn)生更高的電壓尖峰。上述兩種情況都會增加IGBT模塊的開關(guān)損耗。由于HV100實現(xiàn)了更低的雜散電感，因此開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗更低。與傳統(tǒng)封裝相比，4.5kV HV100在逆變模式（即圖4a中的正功率因數(shù)）和制動模式（即圖4b中的負(fù)功率因數(shù)）下可將變流器總損耗分別降低17%和18%[3]。
圖4：變流器損耗計算結(jié)果
使用MelcoSim Ver.5.4.1[4]，計算三個CM450DE-90X并聯(lián)與CM1350HG-90X和CM1200HG-90R（前一代R系列）的輸出電流能力。結(jié)果如圖5所示，與之前的R系列HVIGBT模塊相比，X系列模塊降低了損耗、優(yōu)化了熱阻，允許的最高工作溫度也提高到Tj=150℃。由于上述因素，CM1350HG-90X模塊的可輸出電流比CM1200HG-90R增加了約17%。如果使用新型HV100半橋模塊CM450DE-90X（三個并聯(lián)），則可再增加12%。這是由于降低了開關(guān)損耗以及MCB底板優(yōu)化了熱阻。
圖5：R系列HVIGBT、X系列HVIGBT和4.5kV HV100 HVIGBT的輸出電流與載波頻率之間的關(guān)系（條件：SPWM，Vcc=2800V，PF=+0.85，M=1，TS=80℃，Tj=Tjop）
并聯(lián)運(yùn)行
如前所述，HV100封裝是專為更簡單的并聯(lián)連接而設(shè)計的，并聯(lián)時，優(yōu)化的端子布局方便連接母線電容和交流輸出。下面將測量兩個并聯(lián)CM450DE-90X之間的均流情況。圖6展示了測試裝置，通過它可以測量N側(cè)IGBT的單獨電流。測試在室溫、Vcc=2800V、總電流IC,total=900A（每個功率模塊450A）和柵極電壓VGE=±15V的條件下進(jìn)行。
圖6：測量兩個并聯(lián)CM450DE-90X之間均流的測試裝置
圖7(a)和(b)分別顯示了兩個功率模塊在關(guān)斷和開通時的均流情況。測試結(jié)果表明，電流在兩個功率模塊之間均勻分布，從而很好地利用了芯片面積。
需要注意的是，評估中使用的兩個模塊在特性上差異較小。關(guān)于功率模塊參數(shù)變化對并聯(lián)的影響，請參閱[5]。
（a）關(guān)斷
（b）開通
圖7：兩個并聯(lián)CM450DE-90X的均流（條件：Vcc=2800V，IC,total=900A，VGE=±15V，Tj=25℃，N-side）
高雜散電感下的開關(guān)
建議使用低雜散電感Ls的直流母線，以減少開關(guān)損耗和關(guān)斷時的過電壓。然而，并不是所有的變流器設(shè)計都能實現(xiàn)低Ls值。在某些情況下，例如在多電平變流器中，存在較高的Ls，應(yīng)保證功率模塊也能安全可靠運(yùn)行。圖8顯示了4.5kV HV100在Ls=100nH和400nH條件下關(guān)斷時的開關(guān)波形。可以看出，即使Ls高達(dá)400nH，最大VCE電壓也僅達(dá)到3600V左右。有關(guān)高雜散電感的進(jìn)一步測量結(jié)果，請參見[3]。總之，CM450DE-90X即使在雜散電感較高的情況下也能正常工作，其VCES有足夠的余量，并且不會產(chǎn)生振蕩。
圖8：分別在Ls=100nH和Ls=400nH情況下，比較4.5kV HV100的開關(guān)波形（條件：Vcc=2800V，Ic=450A，VGE=15V，Tj =150℃）
過電流時的魯棒性
功率模塊的魯棒性是變流器主要要求之一，尤其是在鐵路或電力系統(tǒng)等責(zé)任重大的應(yīng)用場合。RBSOA（反偏安全工作區(qū)）是評估IGBT模塊魯棒性的典型方法。該特性顯示了功率模塊在IGBT關(guān)斷時承受一定電壓和電流的能力。圖9中用黑色曲線顯示了CM450DE-90X規(guī)格書限定的RBSOA。該圖中，實際型式試驗測量結(jié)果以橙色曲線顯示。經(jīng)證實，CM450DE-90X樣品即使在2700A（6倍額定電流）的情況下也未發(fā)生故障。這證明了CM450DE-90X的魯棒性，在可能發(fā)生的意外過流工況時，為變流器制造商和終端用戶提供更大的安全裕量。
圖9：規(guī)定的RBSOA和評估結(jié)果（Vcc=3400V，Tj=150℃)
總結(jié)
本文介紹了采用HV100封裝的新型4.5kV/450A功率模塊CM450DE-90X。該功率模塊采用MCB底板和最新一代芯片，具有10.2kV絕緣電壓和卓越性能。特別是在增加功率密度、方便并聯(lián)和過流工況下的魯棒性等方面進(jìn)行了討論。事實證明，CM450DE-90X能夠滿足未來變流器的要求。
新型CM450DE-90X擴(kuò)展了LV100/HV100產(chǎn)品陣容。除CM450DE-90X外，還有額定電壓為1.7kV和3.3kV的其他功率模塊可供選擇。表1列出了LV100/HV100完整產(chǎn)品系列。
表1：HV100和LV100功率模塊陣容
參考文獻(xiàn)
[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.