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功率模块@@如何在@@铁路@@、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@@功率模块@@的@@优势@@，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封装功率模块@@@@
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@@。可在@@并联@@IGBT模块的@@上面安装一块@@PCB板@@，来控制所有模块@@。此外@@@@，这种设计还可以通过增加@@（或@@减少@@）并联模块的@@数量来调整输出功率@@。
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@@@@焊接层是传统功率模块@@封装中热循环寿命的@@制约因素@@。
图@@2：采用@@MCB底板@@@@结构的@@@@HV100功率模块@@截面图@@@@
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模块和@@三个并联@@的@@@@CM450DE-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功率模块@@占用的@@散热面积减少了约@@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模块@@开关特性的@@因素之一@@，会严重影响其@@开关动作@@。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模块相比@@，X系列@@模块降低了损耗@@、优化了热阻@@，允许的@@最高工作温度也提高@@到@@Tj=150℃。由于@@上述因素@@，CM1350HG-90X模块的@@可输出电流比@@CM1200HG-90R增加了约@@17%。如果使用@@新型@@@@HV100半桥模块@@CM450DE-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@@两个功率模块@@之间均匀分布@@，从而很好地利用了芯片面积@@。
需要注意的@@是@@，评估中使用@@的@@两个模块在@@特性上差异较小@@。关于功率模块@@参数变化对并联的@@影响@@，请参阅@@[5]。
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@@@@。可以看出@@，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@@@@
功率模块@@的@@鲁棒性@@是变流器@@主要要求之一@@，尤其@@是在@@铁路或@@电力系统等责任重大的@@应用场合@@。RBSOA（反偏安全工作区@@）是评估@@IGBT模块鲁棒性的@@典型方法@@。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功率模块@@CM450DE-90X。该功率模块@@采用@@@@MCB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@@他功率模块@@可供选择@@。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.
关于三菱电机@@@@
三菱电机@@创立于@@1921年@@，是全球知名的@@综合性企业@@。截止@@2023年@@3月@@31日的@@财年@@@@，集团营收@@50036亿@@日元@@（约合美元@@373亿@@）。作为一家技术@@主导型企业@@，三菱电机@@拥有多项专利技术@@@@，并凭借强大的@@技术@@实力和@@良好的@@企业信誉在@@全球的@@电力设备@@@@、通信设备@@@@、工业自动化@@、电子@@元器件@@、家电等市场占据重要地位@@。尤其@@在@@电子@@元器件@@市场@@，三菱电机@@从事开发和@@生产半导体已有@@60余年@@@@。其@@半导体产品更是在@@变频家电@@、轨道牵引@@、工业与新能源@@、电动汽车@@、模拟@@/数字通讯以及有线@@/无线通讯等领域得到了广泛的@@应用@@。