Высоконадежный модуль FUJI HPnC 7-го поколения для тяговых преобразователей
Аннотация
Системы преобразования энергии, в которых используются силовые полупроводники, в настоящее время находят применение в различных областях. Особенно в области транспортного привода возрастают требования к более высокой плотности тока, эффективности преобразования и надежности комплектующих. Чтобы удовлетворить эти требования, Fuji Electric разработала модули IGBT 1700 В и 3300 В «High Power Next Core» (HPnC) на основе технологии чипов «X Series» 7-го поколения. Применение новых чипов позволило уменьшить рассеиваемую мощность и увеличить плотность тока. Новый дизайн модуля с базовым основание имеющим низкий коэффициент линейного расширения, а также применяемая технология ультразвукового соединения выводов позволили значительно улучшить устойчивость к циклическим тепловым нагрузкам что в свою очередь значительно повысило надежность модуля.
В последние годы возросло значение силовых компонентов, которые используются в системах преобразования электрической мощности. Основными требованиями к повышению производительности таких систем являются уменьшение размеров, снижение веса и повышение эффективности. Чтобы соответствовать этим требованиям, необходимо использовать модули IGBT с низкими статическими потерями, а также с высокой скоростью переключения для уменьшения потерь при переключении. Однако переключение на высокой скорости может легко вызвать высокие скачки напряжения из-за внутренней индуктивности модуля. Следовательно, уменьшение внутренней индуктивности необходимо при оптимизации модуля IGBT [1]. Для увеличения пропускной способности по току, особенно для модулей IGBT с высоким номинальным током, модули часто подключаются параллельно. Следовательно, конструкция новых разрабатываемых корпусов должна обеспечивать простое параллельное соединение.
В этой статье будет рассмотрен новейший модуль в низкоиндуктивном корпусе High Power Next Core (HPnC) [2], показанный на рисунке 1. Модули выпускаются на базе новейшего 7-го поколения чипов [2],[3].
В таблице 1 показано сравнение модулей в двух исполнениях корпусов, HPnC и обычного модуля «High Power Module» (HPM). Можно отметить, что выброс напряжения у HPnC при переключении меньше, поскольку внутренняя индуктивность модуля была уменьшена. А плотность тока выше за счет применения чипов нового поколения серии «X». Кроме того, корпус был оптимизирован для легкой и удобной сборки при параллельном соединении. Поскольку в модулях присутствуют паянные соединения HPM не соответствует требованиям RoHS, HPnC соответствует требованиям.
Как показано в таблице 1, внутренняя индуктивность HPM составляет 42 нГн, а индуктивность HPnC - 10 нГн. Таким образом внутренняя индуктивность новых модулей HPnC уменьшена примерно на 76%. На рисунке 2 показано поперечное сечение HPnC модуля с антипараллельной конструкцией расположения внутренних силовых выводов коллектора и эмиттера для реализации низкой индуктивности.
На рисунке 3 показаны формы сигналов напряжения при выключении модулей HPnC и HPM с идентичными сериями чипов IGBT. Из графиков видно насколько удалось снизить коммутационные перенапряжения в модулях HPnC благодаря уменьшению внутренней индуктивности. Т.е. при идентичных скоростях изменения di / dt и с идентичными значениями паразитной индуктивности главной цепи удалось снизить коммутационное перенапряжение на 144 В для модуля HPnC. Этот результат показывает, что силовые модули с корпусом HPnC подходят для условий более быстрого переключения.
В таблице 1 показано сравнение плотности тока между HPnC и HPM для модулей 1700V. HPnC обеспечивает плотность тока 8,57 А / см2, что примерно на 24,1% выше, чем у HPM с 6,91 А / см2. Это связано с улучшенными характеристиками по плотности тока чипов 7-го поколения и снижением теплового сопротивления. Снижение теплового сопротивления модуля достигнуто также путем улучшения теплового сопротивление основания модуля. Базовое основание модуля HPnC состоит из MgSiC, который имеет в 1,5 раза более высокую теплопроводность, чем базовое основание на AlSiC, которая обычно используется для HPM. Благодаря этим улучшениям, модуль HPnC позволяет получить значительное увеличение плотности тока.
В таблице 2 для сравнения представлена схематическая сборка параллельного подключения обычных пакетов HPM и HPnC. Сборка состоит из двух пар модулей HPM с номинальным током 1200A каждый. Таким образом, общий номинальный ток полученной конфигурации составляет 2400 А. Конфигурация HPnC состоит из четырех модулей с номинальным током 1200 А каждый, что дает общий номинальный ток 4800 А. Как видно на чертеже, параллельное подключение модулей HPM очевидно, более сложное в исполнении, чем соединение модулей в корпусах HPnC.
| 2 пары модулей HPM соединенные в параллель (Total: 2400A / 1700V) |
4 пары модулей HPnC соединенные в параллель (Total: 4800A / 1700V) |
|
| Сравнение сборки при параллельном подключении модулей |  |
 |
| Сравнение индуктивности модуля при параллельном подключении |  |
 |
Таблица 2. Сравнение параллельного подключения модулей
Конструкция силовых шин при параллельном соединении модулей HPM приводит к взаимному перекрытию всех слоев шин, а при использовании модулей HPnC общая конструкция получается намного лучше, поскольку выводы AC-шины находятся на противоположной стороне от выводов коллектора и эмиттера. Соответственно всю конфигурацию легче подключить к главной цепи. Еще один недостаток пакета HPM, связанный с параллельным подключением — это положение вывода эмиттера. Для подключения эмиттерной цепи к конденсатору DC шины её необходимо удлинить, что приведет к увеличению индуктивности главной цепи. В конструкции с модулями HPnC выводы коллектора и эмиттера расположены близко к конденсатору DC-шины, что сокращает длину шины и снижает индуктивность главной цепи. Кроме того, как видно из таблицы 2, внутренняя индуктивность для двух пар, подключенных параллельно HPM, составляет 21 нГн, в то время как индуктивность для четырех модулей HPnC, подключенных параллельно, составляет всего 2,5 нГн. Это уменьшение внутренней индуктивности примерно на 90%. Полная индуктивность определяется внутренней индуктивностью модуля и одной из основных цепь.
В соответствии с директивой RoHS для соединения выводов и изолирующей подложки HPnC используется ультразвуковая сварка, а не пайка, как в HPM. С этим изменением технологии, возможность дельта Tc P/C увеличивается, поскольку коэффициенты линейного теплового расширения соединенных материалов становятся более похожими.
В чипах IGBT 7-го поколения используется оптимизированная структура «траншейный затвор». Толщина дрейфового слоя нового поколения была уменьшена за счет уменьшения толщины кристалла по сравнению с предыдущим поколением. Благодаря более тонкому дрейфовому слою снижается падение напряжения в открытом состоянии и уменьшаются потери проводимости. Кроме того, улучшено соотношение между падением напряжения в открытом состоянии и потерями при выключении за счет оптимизации структуры чипа, что привело к меньшим коммутационным потерям.
3.1 Улучшение IGBT 1700 ВНа рисунке 5 показано улучшение характеристик по сравнению с обычными чипами IGBT при Tvj = 150 ° C. Напряжение в открытом состоянии IGBT 7-го поколения было уменьшено, и при токе коллектора 1200 А оно примерно на 0,35 В ниже, чем у обычных IGBT. На рисунке 6 показан соотношение между энергией выключения (Eoff) и напряжением насыщения (Vce (sat)). Это доказывает, что соотношение Eoff -Vce (sat) был значительно улучшен за счет внедрения IGBT 7-го поколения.
На рисунке 7 показано соотношение между падениям напряжения в открытом состоянии VCE (насыщ.) и энергией Eoff для модуля HPnC 450 А / 3300 В. Как видно из графика было достигнуто снижение напряжения насыщения VCE (насыщ.) на 0,6 В и снижении энергии потерь при выключении Eoff примерно на 12% по сравнению с обычным IGBT. Все это также было достигнуто благодаря использованию чипов IGBT 7-го поколения. При этом эффективность системы преобразования энергии повышается примерно на 10%.
Результат расчета рассеиваемой мощности показан на рисунке 8. Принимая во внимание выходной ток Io 600Arms и несущую частоту 1,5 кГц ~ 5 кГц, рассеиваемая мощность HPnC на 4,7% ~ 8,6% ниже, чем у обычного модуля, на 8,6% меньше, чем у обычного модуля.
В таблице 4 показана линейка модулей IGBT 1700 В и 3300 В с корпусом HPnC. Модули HPnC выполнены по полумостовой схеме, включающей термодатчик для защиты от перегрева. Модули выпускаются на рабочее напряжение 1700В и номинальные токи: 1000A и 1200A. Модуль 3300V доступен с номинальным током 450A.
| Напряжение номинальное | Номинальный ток | Viso | LV корпус (М292) |
| 1700V | 1000A | 6.0kV/60s | 2MBI1000XVF170-50 |
| 1700V | 1200A | 6.0kV/60s | 2MBI1200XVF170-50 |
| 3300V | 450A | 6.0kV/60s | 2MBI450XVF330-50 |
Недавно разработанный модуль IGBT 7-го поколения на 1700 В и 3300 В в корпусе HPnC имеет значительные преимущества для применения в тяговых преобразователях. Эти технологические инновации позволили добиться более высокой надежности и значительно снизить рассеиваемую мощность. Производитель считает это новым достижением на пути создания высокоэффективных компонентов силовой электроники. Комбинация оптимального дизайна выводов, высокой плотности тока, компактности, снижения потерь, надежности и нового поколения чипов открывает перед модулями серии HPnC широкие перспективы.
