Трябва да сте влезли в
-
moreX
-
Компоненти
-
-
Category
-
Полупроводници
- Диоди
- Тиристори
- Електроизолирани модули
- Изправителни мостове
-
Транзистори
- Транзистори | GeneSiC
- Модули SiC MOSFET | Mitsubishi
- Модули SiC MOSFET | STARPOWER
- ABB SiC MOSFET модули
- IGBT модули | MITSUBISHI
- Транзисторни модули | MITSUBISHI
- MOSFET модули | MITSUBISHI
- Транзисторни модули | ABB
- IGBT модули | POWEREX
- IGBT модули | INFINEON (EUPEC)
- Полупроводникови елементи от силициев карбид
- Go to the subcategory
- Драйвeри
- Силови блокове
- Go to the subcategory
-
Електрически преoбразователи
-
Токови преoбразователи LEM
- Токов преобразовател със затворена верига на обратна връзка (C/L)
- Токов преобразовател с отворена верига на обратна връзка (O/L)
- Токов преобразовател захранван с еднополюсно напрежение
- Преобразователи в технология Eta
- Високоточни токови преобразуватели LF xx10 серия
- Преобразуватели на ток от серия LH
- HOYS и HOYL - предназначени за директно монтиране върху проводникова шина
- Настоящи преобразуватели в SMD технологията от сериите GO-SME и GO-SMS
- АВТОМОБИЛНИ токови преобразуватели
- Go to the subcategory
-
Преобразуватели на напрежение | LEM
- Напреженови преобразователи серия LV
- Напреженови преобразователи серия DVL
- Прецизни напреженови преобразователи с двойна магнитна сърцевина серия CV
- Тягов напреженов преобразовател DV 4200/SP4
- Преобразуватели на напрежение от серията DVM
- Преобразувател на напрежение - DVC 1000-P
- Преобразуватели на напрежение - серия DVC 1000
- Go to the subcategory
- Прецизни токови преобразуватели | LEM
- Go to the subcategory
-
Токови преoбразователи LEM
-
Пасивни компоненти (кондензатори, резистори, предпазители, филтри)
- Резистори
-
Предпазители
- Миниатюрни предпазители за електронни системи серия ABC и AGC
- Бързи тръбни предпазители
- Закъснителни вложки с характеристика GL/GG и AM
- Ултрабързи стопяеми вложки
- Бързи предпазители британски и американски стандарт
- Бързи предпазители европейски стандарт
- Тягови предпазители
- Високоволтни предпазителни вложки
- Go to the subcategory
-
Кондензатори
- Кондензатори за двигатели
- Електролитни кондензатори
- Кондензатори тип snubbers
- Кондензатори за мощност
- Кондензатори за DC (постояннотокови вериги)
- Кондензатори за компенсиране на мощност
- Високоволтови кондензатори
- Кондензатори за индукционно нагряване
- Кондензатори за съхранение на импулси и енергия
- DC LINK кондензатори
- Кондензатори за AC/DC вериги
- Go to the subcategory
- Филтри EMI (против смущения)
- Суперкондензатори
-
Защита от пренапрежение
- Защита от пренапрежение за коаксиални приложения
- Защита от пренапрежение за системи за видеонаблюдение
- Защита от пренапрежение за захранващи кабели
- Ограничители за пренапрежение за LED
- Ограничители за пренапрежение за фотоволтаици
- Защита на системата за претегляне
- Защита от пренапрежение за Fieldbus
- Go to the subcategory
- Go to the subcategory
-
Релета и контактори
- Теория- релета и контактори
- Полупроводникови релета АС 3-фазни
- Релета полупроводникови DC
- Регулатори, управляващи системи и аксесоари
- Системи за мек старт и реверсивни контактори
- Електромеханични релета
- Контактори
- Ротационни превключватели
-
Полупроводникови релета АС 1-фазни
- Полупроводникови релета AC еднофазни серия 1 | D2425 | D2450
- Полупроводникови релета AC еднофазни серия CWA I CWD
- Полупроводникови релета AC еднофазни серия CMRA I CMRD
- Полупроводникови релета АС ендофазни серия PS
- Полупроводникови релета AC двойни и четворни серия D24 D, TD24 Q, H12D48 D
- 1-фазни полупроводникови релета серия gn
- Полупроводникови релета АС серия ckr
- Релета AC еднофазни на шина DIN серия ERDA и ERAA
- Еднофазни AC релета за ток 150А
- Двойни полупроводникови релета, интегрирани с радиатор за DIN шина
- Go to the subcategory
- Полупроводникови релета АС 1-фазни, за печатни платки
- Интрфейс релета
- Go to the subcategory
- Индукционни елементи
- Радиатори, Bаристори, Tермични защити
- Вентилатори
- Климатизация, Оборудване за електрически шкафове, Охладители
-
Батерии, зарядни устройства, буферни захранвания и инвертори
- Батерии, зарядни устройства - теоретично описание
- Литиево-йонни батерии. Персонализирани батерии. Система за управление на батерията (BMS)
- Батерии
- Зарядни устройства и аксесоари за батерии
- UPS резервно захранване и буферни захранвания
- Преобразуватели и аксесоари за фотоволтаици
- Енергиен запас
- Горивни клетки
- Литиево-йонни батерии
- Go to the subcategory
-
Автоматика
- Futaba Drone Parts
- Крайни изключватели, Микроизключватели
- Датчици, Преобразователи
- Пирометри
- Броячи, Времеви релета, Панелни измервателни прибори
- Промишленни защитни устройства
- Светлинна и звукова сигнализация
- Термокамера
- Екрани LED
- Управляваща апаратура
-
Регистратори
- Регистратор на температура със запис на лента и цифров показател - AL3000
- Микропроцесорни регистратори с екран LCD серия KR2000
- Регистратор KR5000
- Измервател със функция за регистриране на влажност и температура HN-CH
- Експлоатационни материали за регистратори
- Компактен графичен регистратор 71VR1
- Регистратор KR 3000
- Регистратор РС серия R1M
- Регистратори РС серия R2M
- Регистратор РС - 12 изолирани входа– RZMS
- Регистратор PC, USB, 12 изолирани входа – RZUS
- Go to the subcategory
- Go to the subcategory
-
Проводници, Кабел литцендрат, Кабелни канали, Меки връзки
- Проводници
- Кабел литцендрат
-
Кабели за специални приложения
- Компенсиращи и удължаващи проводници
- Проводници за термодвойки
- Съединителни проводници за РТ датчици
- Многожилни проводници темп. -60C до +1400C
- SILICOUL проводници средно напрежение
- Запалителни проводници
- Нагревателни проводници
- Едножилни проводници темп. -60C до +450C
- Проводници за ЖП приложения
- Нагревателни проводници в Ех изпълнение
- Go to the subcategory
- Кабелни канали
-
Плетени кабели
- Плоски плетени кабели
- Кръгли плетени кабели
- Много гъвкави плетени кабели - плоски
- Много гъвкави плетени кабели - кръгли
- Медни цилиндрични плетени кабели
- Медни цилиндрични плетени кабели и канали/кожуси
- Гъвкави заземяващи ленти
- Плетени проводници от оцинкована и неръждясваща стомана
- Медни изолирани плетени проводници PCV -температура до 85 градуsа по C
- Плоски плетени алуминиеви проводници
- Комплект за подсъединение - плетени проводници и тръбички
- Go to the subcategory
- Оборудване за тяга
- Кабелни накрайници
- Изолирани еластични шини
- Многослойни еластични шини
- Системи за провеждане на кабели (шлауфи)
- Кабелни канали / маркучи
- Go to the subcategory
- View all categories
-
Полупроводници
-
-
- Suppliers
-
Applications
- AC и DC задвижвания (инвертори)
- CNC машинни инструменти
- Energy bank
- HVAC автоматизация
- Двигатели и трансформатори
- Заваръчни машини и заваръчни машини
- Захранващи (UPS) и токоизправителни системи
- Измерване и регулиране на температурата
- Измерване и регулиране на температурата
- Индукционно отопление
- Индустриална автоматизация
- Индустриална автоматизация
- Индустриални защитни устройства
- Компоненти за потенциално експлозивна атмосфера (EX)
- Машини за сушене и обработка на дървесина
- Машини за термоформоване на пластмаси
- Минно дело, металургия и основаване
- Оборудване за разпределителни, контролни и телекомуникационни шкафове
- Печат
- Трамвайна и железопътна тяга
-
Инсталация
-
-
Montaż urządzeń
- Монтаж на шкафове
- Проектиране и монтаж на шкафове
- Монтаж на енергийни системи
- Компоненти
- Машини, създадени по поръчка
- Научноизследователска и развойна дейност
-
Промишленни тестери
- Силови полупроводникови тестери
- Тестери за електрически апарати
- Тестери за варистори и отводители
- Автомобилен тестер за предпазители
- Qrr тестер за измерване на преходен заряд в тиристори и силови диоди
- Роторен тестер на прекъсвачи от серия FD
- Тестер за проверка на устройства за остатъчен ток
- Тестер за калибриране на реле
- Тестер за визуални тестове на бутални пръти на газови пружини
- Тиристорен превключвател с висок ток
- Тестер за разрушаване на мрежи
- Go to the subcategory
- View all categories
-
-
-
Индуктори
-
-
Modernizacja induktorów
- Ремонт на използвани индуктори
- Модернизация на индуктори
-
Производство на нови индуктори
- Втвърдяване на коляновите валове
- Втвърдяване на зъбите на лентовия трион
- Нагряване на елементи преди залепване
- Втвърдяване на пистите на автомобилните лагери на главината на колелата
- Втвърдяване на компонентите на трансмисията на задвижването
- Втвърдяване на стъпаловидни шахти
- Нагряване в контракционни фуги
- Сканиращо втвърдяване
- Меко запояване
- Нагреватели на заготовки
- Go to the subcategory
- Знание
- View all categories
-
-
-
Индукционни устройства
-
-
Urządzenia indukcyjne
-
Генератори за индукционно нагряване
-
Индукционни отоплителни генератори Ambrell
- Генератори: mощност 500 W, честота 150-400 kHz
- Генератори: mощност 1,2 - 2,4 kW, честота 150 - 400 kHz
- Генератори: mощност 4.2 - 10 kW, честота 150 - 400 kHz
- Генератори: mощност 10 - 15 kW, честота 50 - 150 kHz
- Генератори: mощност 30-45 kW, честота 50-150 kHz
- Генератори: mощност 65-135 kW, честота 50-150 kHz
- Генератори: mощност 180-270 kW, честота 50-150 kHz
- Генератори: mощност 20-35-50 kW, честота 15-45 kHz
- Генератори: mощност 75-150 kW, честота 15-45 kHz
- Генератори: mощност 200-500 kW, честота 15-45 kHz
- Генератори: mощност 20-50 kW, честота 5-15 kHz
- Go to the subcategory
- Индукционни отоплителни генератори Denki Kogyo
-
JKZ индукционни отоплителни генератори
- Генератори от серия CX, честота: 50-120kHz, мощност: 5-25kW
- SWS генератори, честота: 15-30kHz, мощност: 25-260kW
- Генератори (пещи) за формоване и коване на серия MFS, честота: 0,5-10kHz, мощност: 80-500kW
- MFS топилни пещи, честота: 0,5-10kHz, мощност: 70-200kW
- Генератори на UHT серия, честота: 200-400kHz, мощност: 10-160kW
- Go to the subcategory
- Генератори на лампи за индукционно отопление
- Индукционни отоплителни генератори Himmelwerk
- Go to the subcategory
-
Индукционни отоплителни генератори Ambrell
- Ремонти и модернизация
- Периферни устройства
-
Aпликации
- Медицински приложения
- Приложения за автомобилната индустрия
- Меко запояване
- Запояване
- Алуминиево запояване
- Припояване на магнитни инструменти от неръждаема стомана
- Прецизно запояване
- Атмосферно запояване
- Запояване на месингови и стоманени капачки за радиатори
- Запояване на синтеровани карбиди
- Запояване на медния накрайник и проводника
- Go to the subcategory
- Знание
- View all categories
-
Генератори за индукционно нагряване
-
-
-
Обслужване
-
-
asd
- Сервиз на промишлени охладители за вода и климатици
- Ремонт и модернизация на машини
- Поправка на устройства за автоматика, енергетика и промишлена автоматика
- Захранвания с високо напрежение за електрофилтри
- Индустриални принтери и етикетиращи машини
- Certyfikaty / uprawnienia
- View all categories
-
-
- Contact
- Zobacz wszystkie kategorie
Demands by Future Railway Converters and How They Change Power Semiconductor Modules
Demands by Future Railway Converters and How They Change Power Semiconductor Modules
The increase of competitiveness, robustness and efficiency of future railway converters has demanded new power semiconductor modules. Converter manufacturers particularly requested increasing power density and more flexibility for the converter design. This flexibility shall be achieved by simpler parallel connection of power semiconductor modules, which leads to scalability of output power. This article presents the main challenges for power semiconductors in future railway converters and Mitsubishi Electric’s solution: power modules in the LV100 and HV100 package.
By N. Soltau, E. Wiesner, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Germany R. Tsuda, K. Hatori, H. Uemura, Mitsubishi Electric Corporation, Fukuoka, Japan
Introduction
In 2015, a consortium of train manufacturers and electric-equipment suppliers started discussions about the future of rolling stocks and radical innovations in the field of railway vehicles. The discussions, as part of the Horizon 2020 Project Roll2Rail, resulted also in technical requirements of tomorrow’s power semiconductor modules. These shall provide:
Figure 1: IGBT and diode chipset generations of MITSUBISHI ELECTRIC
- Higher power density,
- Multi-sourcing,
- Modularity and scalability,
- Readiness for SiC and
- Ruggedness against environmental influences (temperature, humidity, vibration, …) [1].
Mitsubishi Electric’s answer to the requirements from the Roll2Rail project are the packages LV100 and HV100. Today, power modules in the LV100 and HV100 package have become available for various voltage and current ratings.
The following article will introduce the silicon-based power modules of the LV100 and HV100 family. We will have a look at the advances in the chip and package technology, and measure the benefits in the application. A particular requirement of these power modules is the scalability of output power through the ability for parallel connection. The article will present a reference test setup for parallel connection and show the homogenous current distribution between paralleled modules for an optimal utilization of the silicon chip area.
Figure 2: Structure of X-Series IGBT-chip
Chip Technology
Mitsubishi Electric has long experience with manufacturing of the high voltage chips for railway application. The first products called H-Series addressed the entire voltage range from 1700 V to 6500 V. In the successional R-Series, the planar IGBT chip structure was optimized for lower forward voltage drop and improved device robustness. In the 1700 V class, N- and S-Series introduced the trench gate structure and CSTBT™. The diode in the R-Series, N-Series and S-Series was optimized for better performance and softness. The recently developed X-Series utilize the CSTBT™ (III) technology for all voltage classes from 1700 V to 6500 V. The RFC (Relaxed Field Cathode) diode structure provides in the X-Series the balanced performance between low power losses and softness [2]. The maximum operation temperature is increased up to 150°C even for the 6500 V power modules.
The X-Series IGBT chip utilizes a lot of new features contributing to better module performance. The developed edge termination structure with LNFLR (Linearly-Narrowed Field Limiting Ring) allows active chip-area increase and thermal-resistance improvement. The SCC (Surface Charge Control) technology contributes to better humidity robustness [3]. The CSTBT™ (III) trench structure allows higher carrier concentration at emitter side under on-state conditions. This reduces converter power losses by lower forward voltage of the device. The key criteria of the device selection in railway application is the robustness. The partial P-collector in the edge termination region minimizes the hole injection and improve the robustness during turn off event.
Figure 3: LV100 and HV100 packages for insulation voltage of 6 kV and 10.2 kV respectively
Figure 4: LV100 terminal layout with indication of the electrical potential (red: DC plus, blue: DC minus, yellow: AC) and available design space for the gate driver
Package Technology
The outside appearance and the new package is the most recognizable innovation of the new LV100-HV100 power module family. As shown in Figure 3, DC and AC terminals are located on opposite sides of the package. Hence, the DC capacitors with the low inductive busbar can be placed on the one side, whereas the AC load is connected from the other side. This allows clear separation of functional building blocks in the cabinet and easier converter design. The availability of three AC terminals ensures proper connection and high current-handling capability even for 1700 V voltage class or SiC power modules.
The auxiliary terminals for the gate driver are located in between the DC and AC terminals. When several modules are connected in parallel, the intention is to have a large gate-driver PCB (printed circuit board) across all modules or multiple individual PCBs with short cable bridges in between.
Figure 5: Package structure of LV100 and HV100 package (illustrated at the LV100)
Figure 6: Improvement of power cycling capability of 3.3 kV HV100 in comparison to a previous generation 3.3 kV power module at respective nominal current
For sure, the location of gate drive terminals provides sufficient clearance and creepage distance even for parallel connected devices. At the same time however, the given layout offers maximal design space to our customers. Figure 4 shows the auxiliary terminal layout together with an indication of electrical potential by color. It is evident that the different potentials are well sorted. This allows easier insulation coordination, cheaper PCB material with lower CTI value and more design space for our customers’ gate drivers.
Another innovation of the LV100 and HV100 package is the MCB (Metal Casting direct Bonding) baseplate. As shown in Figure 5, it is an aluminum-based baseplate with AlN insulation and Al metallization integrated as single structure. Compared to a classical structure, the thermal resistance is decreased leading to increased power density and easier cooling. Moreover, the substrate solder, which usually degrades in the course of thermal cycling, is omitted with this MCB baseplate. The innovative MCB technology is utilized in both the LV100 and HV100 package ensuring 6 kV and 10.2 kV insulation voltage respectively.
Figure 7: Reference test setup for LV100 device evaluation (Source: [4])
Besides electrical and thermal performance, also the robustness of the power module increases with the new package structure. Figure 6 shows the power cycling capability of the 3.3 kV / 600 A HV100 power modules (type name: CM600DE-66X). The figure compares it to a 3.3 kV power module with 10.2 kV insulation voltage of a previous generation. The numbers of cycles are given with respect to the power cycling capability at ΔTj = 80 K of the previous-generation module. It is evident that the power cycling capability is increased drastically even though the maximal junction temperature has also been increased from 125°C to 150°C.
Parallel Connection
As mentioned in the introduction, the key requirement from the railway market for this new packages is the scalability. It allows for converter manufacturer to have flexibility at different projects to design the required output power. For example, by using the one, two or six CM600DA-66X modules, current ratings of 600 A, 1200 A or 3600 A can be achieved respectively.
LV100 | HV100 | ||||
---|---|---|---|---|---|
Dimensions | 100mm×140mm×40mm | 100mm×140mm×40mm | |||
Insulation | 6 kVrms | 10.2 kVrms | |||
Rated Voltage | 1.7 kV | 3.3 kV | 3.3 kV | 4.5 kV | 6.5 kV |
Rated Current | 1200 A | 450 A, 600 A | 450 A, 600 A | 450 A | 300 A |
Model | CM1200DA-34X | CM450DA-66X CM600DA-66X |
CM450DE-66X CM600DE-66X |
CM450DE-90X* | CM300DE-130X* |
* under consideration |
Table 1: Lineup of Si power modules
The proper operation of the module in parallel connection is needed. Due to the fact of different converter designs, the railway manufacturers agreed on the reference test setup for evaluation of the parallel connection [4]. This reference setup, as depicted in Figure 7, allows evaluation of up to six paralleled modules. The design was done with the target to minimize the influence of the external parameters on the paralleling. Mitsubishi Electric uses the reference test setup for device switching evaluation. An example of two paralleled CM450DA-66X modules is shown in Figure 8. As a benefit, the railway manufacturer can get representative and comparable results that can be easily reproduced and verified. Moreover, Figure 8 shows perfect current distribution between two in-parallel connected LV100 power modules. Hence, optimal utilization of available silicon chip area is achieved.
Lineup
Various products have already been developed by Mitsubishi Electric with standardized LV100 and HV100 packages. These products utilize the latest X-Series chip technology and cutting edge MCB baseplate. In LV100 package, 1700 V and 3300 V dual modules are available.
Model | Rated Voltage | Rated Current | Technology |
---|---|---|---|
CMH600DC-66X | 3300V | 600A | Hybrid-SiC |
FMF375DC-66A | 3300V | 375A | Full-SiC |
FMF750DC-66A | 3300V | 750A | Full-SiC |
Table 2: Lineup of SiC power modules
Besides the 600 A version of 3300 V module also device with lower current rating of 450 A is available. Timely for PCIM 2021, the press release of 3300 V modules in HV100 modules has been published [5]. The modules with 4500V and 6500V voltage class are under development.
Besides the available silicon-based dual power modules, Mitsubishi Electric has also developed the line-up of 3300V SiC power modules to fulfill the future demands of railway application in terms of efficiency and decarbonization. There are two current ratings of 750 A and 375 A available of Full-SiC version. Furthermore a Hybrid-SiC device with Si IGBT and SBD SiC diode with current rating of 600 A is available. It should be noted that SiC power modules use LV100 with special internal package structure. That structure is different from the silicon products, that have been explained in this article. Still, package outline and terminal locations are same.
Conclusion
This article has discussed requirements of future railway converters. The key points are increasing power density, higher flexibility and great robustness against environmental conditions. Mitsubishi Electric’s solution to these requirements are the LV100 and HV100 power modules. They provide higher power densities by latest X-Series chip generation and best-in class MCB baseplate. Flexibility is achieved by elaborate package design, auxiliary terminal placement and homogenous current sharing in parallel connection. Strong robustness is ensured by the X-Series chipset and newest package technology. In particular the SCC technology achieve highest robustness against high humidity conditions. The LV100 and HV100 power modules allow highly reliable, efficient and compact converters for railways - and other applications.
References
[1] T. Wiik, „D1.2, New generation power semiconductor, Common specification for traction and market analysis, technology roadmap, and value cost prediction,“ Roll2Rail , H2020 - 636032, 2016.
[2] N. Soltau, E. Wiesner, K. Hatori und H. Uemura, „X-Series RFC Diodes for Robust and Reliable Medium-Voltage Drives,“ Bodo's Power Systems, Nr. May, pp. 30-34, 2020.
[3] N. Tanaka, K. Ota, S. Iura, Y. Kusakabe, K. Nakamura, E. Wiesner und E. Thal, „Robust HVIGBT module design against high humidity,“ PCIM Europe, pp. 368-373, 2015.
[4] A. Nagel, J. Weigel, et. al., „Paralleling reference setup,“ Shift2Rail, Pinta, H2020 - 730668, 2019.
[5] Mitsubishi Electric Press Release No. 3389, Mitsubishi Electric to Launch HV100 dual type X-Series HVIGBT Modules, Tokyo, Japan, Dec. 2020.
Leave a comment