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一步提高。輸出功率應適應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、中壓驅動或電力系統等應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，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，三菱電機又發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，對比其與傳統功率模塊的優勢，并展示其適用鐵路、中壓驅動或電力系統等應用的主要特性。
圖1：HV100封裝功率模塊
CM450DE-90X采用三菱電機最新一代4.5kV X系列芯片，包括CSTBT™(III)和RFC二極管。這確保了低損耗、平滑的開關波形和過流工況下的高魯棒性。
HV100的封裝結構如圖2所示。兩個直流端子位于功率模塊的一側，而兩個交流端子則位于另一側。這樣可以實現與直流母線電容的低電感連接和更簡潔的變流器布局。中間位置為柵極驅動板提供了空間。當HV100功率模塊并聯時，驅動端子方便連接。可在并聯IGBT模塊的上面安裝一塊PCB板，來控制所有模塊。此外，這種設計還可以通過增加（或減少）并聯模塊的數量來調整輸出功率。
HV100封裝采用MCB底板（Metal Casting direct Bonding，金屬鑄造直接鍵合）。它可以降低熱導率，從而提高功率密度。與采用AlSiC底板的傳統封裝結構相比，結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功率模塊封裝中熱循環壽命的制約因素。
圖2：采用MCB底板結構的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190x140mm²功率模塊的輸出功率。例如，比較對象是兩個傳統封裝的CM1350HG-90X單管IGBT模塊和三個并聯的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和傳統封裝的半橋結構尺寸比較
直流母線和半導體芯片之間的雜散電感是影響功率模塊開關特性的因素之一，會嚴重影響其開關動作。高寄生電感會延長開通和關斷過程，并導致關斷時產生更高的電壓尖峰。上述兩種情況都會增加IGBT模塊的開關損耗。由于HV100實現了更低的雜散電感，因此開關速度更快，開關損耗更低。與傳統封裝相比，4.5kV HV100在逆變模式（即圖4a中的正功率因數）和制動模式（即圖4b中的負功率因數）下可將變流器總損耗分別降低17%和18%[3]。
圖4：變流器損耗計算結果
使用MelcoSim Ver.5.4.1[4]，計算三個CM450DE-90X并聯與CM1350HG-90X和CM1200HG-90R（前一代R系列）的輸出電流能力。結果如圖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），則可再增加12%。這是由于降低了開關損耗以及MCB底板優化了熱阻。
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系（條件：SPWM，Vcc=2800V，PF=+0.85，M=1，TS=80℃，Tj=Tjop）
并聯運行
如前所述，HV100封裝是專為更簡單的并聯連接而設計的，并聯時，優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的條件下進行。
圖6：測量兩個并聯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斷和開通時的均流情況。測試結果表明，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。關于功率模塊參數變化對并聯的影響，請參閱[5]。
（a）關斷
（b）開通
圖7：兩個并聯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
建議使用低雜散電感Ls的直流母線，以減少開關損耗和關斷時的過電壓。然而，并不是所有的變流器設計都能實現低Ls值。在某些情況下，例如在多電平變流器中，存在較高的Ls，應保證功率模塊也能安全可靠運行。圖8顯示了4.5kV HV100在Ls=100nH和400nH條件下關斷時的開關波形。可以看出，即使Ls高達400nH，最大VCE電壓也僅達到3600V左右。有關高雜散電感的進一步測量結果，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，并且不會產生振蕩。
圖8：分別在Ls=100nH和Ls=400nH情況下，比較4.5kV HV100的開關波形（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等責任重大的應用場合。RBSOA（反偏安全工作區）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規格書限定的RBSOA。該圖中，實際型式試驗測量結果以橙色曲線顯示。經證實，CM450DE-90X樣品即使在2700A（6倍額定電流）的情況下也未發生故障。這證明了CM450DE-90X的魯棒性，在可能發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：規定的RBSOA和評估結果（Vcc=3400V，Tj=150℃)
總結
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、方便并聯和過流工況下的魯棒性等方面進行了討論。事實證明，CM450DE-90X能夠滿足未來變流器的要求。
新型CM450DE-90X擴展了LV100/HV100產品陣容。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完整產品系列。
表1：HV100和LV100功率模塊陣容
參考文獻
[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.