Moduły IGBT serii 6500 V X-Series o wysokim napięciu przewodzenia

Moduły IGBT serii 6500 V X-Series o wysokim napięciu przewodzenia

Moduł mocy IGBT serii 6500 V X-Series o dużej prądowości przełamuje barierę technologiczną pracy w temperaturze złącza 150 °C, wykorzystując układy scalone 7. generacji IGBT i diod. Może to potencjalnie odblokować możliwość odkrywania nowych horyzontów w projektowaniu falowników.

Autorzy: Eugen Wiesner i Eugen Stumpf MITSUBISHI ELECTRIC EUROPE B. V. oraz Y. Kitajima MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION

Wprowadzenie

29 września 2015 r. MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION wprowadziło na rynek pierwszy produkt nowej rodziny produktów IGBT serii X-Series o wysokim napięciu [1] - moduł IGBT o napięciu blokady 6500 V i prądzie znamionowym 1000 A. CM1000HG-130XA to urządzenie o najwyższej ocenie w branży dla tej klasy napięciowej (temperatura pracy 150 °C). Kluczowym aspektem projektowym serii X jest połączenie dobrze znanej i sprawdzonej technologii obudowy serii R z nowo opracowanymi układami scalonymi 7. generacji IGBT i diod. Przegląd obrysu obudowy CM1000HG-130XA pokazano na rysunku 1. Jest to standardowy typ obudowy o dużej izolacji o wartości V_ISO=10,2 kV i wymiarach 190 mm x 140 mm, ta sama obudowa była używana w poprzedniej generacji serii R. Przez wiele lat seria R wykazywała doskonałą niezawodność w różnych zastosowaniach (takich jak trakcja, napędy przemysłowe i przesył energii), które wymagają wysokiej jakości oraz niezawodności.

Trwałość w wysokiej temperaturze pracy 150 °C została już wykazana i udowodniona za pomocą technologii obudowy serii R dla modułów mocy w klasach napięciowych: 3300 V i 4500 V. Nowo opracowany układ scalony 7. generacji pozwala na zwiększenie temperatury pracy do 150 °C dla modułów IGBT w klasie 6500 V.

Rysunek 1: Obrys obudowy modułu IGBT serii X CM1000HG-130XA.

Układy scalone 7. generacji IGBT i diod przyczyniają się do zwiększenia gęstości prądu modułu mocy

Układ 7. generacji został opracowany i zoptymalizowany szczególnie pod kątem niskich strat mocy i pracy w wysokiej temperaturze. Dla układów scalonych IGBT i diodowych opracowano nową strukturę pierścienia ochronnego (zakończenia krawędziowego), co pozwoliło na zwiększenie aktywnej powierzchni układu scalonego [2]. Udało się zwiększyć aktywną powierzchnię układu scalonego IGBT o około 28%. Porównanie układu scalonego IGBT serii X o napięciu 6500 V z układem scalonym IGBT poprzedniej generacji przedstawiono na rysunku 2. W wyniku zmniejszenia gęstości prądu osiągnięto niższy spadek napięcia w przewodzeniu. To przyczynia się do niższych strat mocy w stanie ustalonym. Z drugiej strony opór termiczny między złączem a obudową można było zmniejszyć do R_th(j-c)Q=11 K/kW dla IGBT i R_th(j-c)D=17 K/kW dla diody odpowiednio.

Dodatkowo struktura bramki rowkowej CSTBT (III)™ przyczynia się do redukcji spadku napięcia w przewodzeniu IGBT. Dioda ma strukturę RFC, co skutkuje miękkim przełączaniem wstecznym nawet przy wyższych wartościach indukcyjności zwiewnej [4]. Zarówno układ IGBT, jak i dioda posiadają dodatni współczynnik temperaturowy, co ułatwia równoległe połączenie serii X. Przy temperaturze złącza 150°C urządzenie ma typowy prąd wycieku I_CES=30 mA, porównywalny z wartościami prądu wycieku poprzednich modułów generacji w temperaturze złącza 125 °C. Niska wartość prądu wycieku przy wysokiej temperaturze złącza w połączeniu z solidnym projektem układu scalonego umożliwia bezpieczne przełączanie przy wysokich temperaturach i tym samym pozwala na zwiększenie temperatury pracy serii X o napięciu 6500 V do 150°C.

Rysunek 2: Porównanie układu scalonego IGBT między serią 6500 V R-Series a X-Series.

Charakterystyka elektryczna

Krótki przegląd kluczowych parametrów elektrycznych modułu CM1000HG-130XA przy prądzie znamionowym 1000 A i temperaturze złącza 150 °C przedstawiono w Tabeli 1.

Tabela 1: Przegląd parametrów elektrycznych

Nowy układ scalony 7. generacji ma ten sam układ układu scalonego co wysoce zoptymalizowany i sprawdzony układ scalony serii R. Ponadto wewnętrzny układ główny i pomocniczy terminali pozostał niezmieniony. Dlatego też wydajność przełączania nowej serii X może polegać na długim i udokumentowanym rekordzie serii R. Poniższe figury przedstawiają typowe przebiegi przełączania urządzenia CM1000HG-130XA. Rysunek 3 przedstawia przebiegi włączania IGBT w warunkach nominalnych. Rysunek 4 przedstawia typowe przebiegi wyłączania IGBT w warunkach nominalnych. Napięcie i prąd modułu mają charakterystyki miękkie, bez żadnych oscylacji. Przy wyłączaniu prądu kolektora-emitera I_C=1000 A przy napięciu zasilającym stałoprądowym V_CC=3600 V i indukcyjności zwiewnej L_S=150 nH wynosi około 4200 V.

Rysunek 3: Przebiegi włączania IGBT CM1000HG-130XA przy T_J=150 °C, V_CC=3600 V, I_C=1000 A, R_G(on)=1,8 Ohm.

Typowe przebiegi odzyskiwania wstecznego CM1000HG-130XA pokazano na rysunku 5. Tutaj również napięcie diody i prąd mają cechy miękkiego przełączania.

Rysunek 4: Przebiegi wyłączania IGBT CM1000HG-130XA przy T_J=150 °C, V_CC=3600 V, I_C=1000 A, R_G(off)=30 Ohm.

Rysunek 5: Przebiegi odzyskiwania wstecznego FWDi CM1000HG-130XA przy T_J=150 °C, V_CC=3600 V, I_C=1000 A, R_G(on)=1,8 Ohm

Zalety zastosowania nowo opracowanego urządzenia CM1000HG-130XA

Osiągalny prąd wyjściowy falownika jest najważniejszym parametrem wydajnościowym modułu IGBT stosowanego w zastosowaniach falownika. Rysunek 6 to wynik symulacji pokazujący prąd wyjściowy falownika w zależności od częstotliwości przełączania dla falownika trójfazowego używającego algorytmu kontroli PWM o sinuso-trójkątnej formie. Nowo opracowane urządzenie CM1000HG-130XA jest porównywane z poprzednią generacją modułu CM750HG-130R. Symulacja została przeprowadzona przy tym samym skoku temperatury między złączem a obudową ΔT_(j-c)=20 K i maksymalnej temperaturze złącza T_J=125 °C. Krzywe są znormalizowane względem poprzedniego urządzenia CM750HG-130R i częstotliwości przełączania f_sw=300 Hz. Nowe urządzenie CM1000HG-130XA ma ponad 20% lepszą wydajność przy f_sw=300 Hz. Przy częstotliwości przełączania f_sw=150 Hz wydajność urządzenia CM1000HG-130XA jest o 30% większa w porównaniu z poprzednią generacją. To przytępione na niskich częstotliwościach przełączania jest szczególnie korzystne dla aplikacji siatki wielopoziomowej, takich jak przesył energii stałoprądowej HVDC (High Voltage Direct Current) i kompensacja statycznej mocy SVC (Static Var).

Rysunek 6: Prąd wyjściowy falownika w zależności od częstotliwości przełączania przy V_CC=3600 V, cos(φ)=0,9, m=1, T_J=125 °C.

Jeśli temperatura złącze-obudowa wzrośnie z 20 K do 30 K dla modułu CM1000HG-130XA, moc wyjściową można zwiększyć o 80%, jak pokazano na rysunku 6. W rezultacie aplikacje o wysokich warunkach przeciążenia krótkotrwałego nie wymagałyby deratingu dla pracy nominalnej (wynikającego z ograniczenia maksymalnej temperatury złącza na poziomie 125 °C).

Mozliwość pracy nowego modułu przy zwiększonej temperaturze złącza 150 °C znacznie korzysta z aplikacji takich jak trakcja i zastosowania przemysłowe z chłodzeniem powietrznym (w porównaniu do modułów pracujących przy 125°C). Można to zademonstrować poprzez prosty przykład - na przykład - radiator (w typowym zastosowaniu chłodzenia powietrznego) o oporze termicznym R_th(f-a)=70 K/kW spowoduje różnicę temperatury 70 K między płetwą a otoczeniem dla rozpraszania mocy 1000 W. Dodatkowo trzeba zauważyć, że dla zastosowań chłodzenia powietrznego wzrost temperatury wewnętrznej wewnątrz modułu nie jest istotny. Stąd (biorąc pod uwagę liniową zależność między wzrostem strat mocy a wzrostem mocy wyjściowej), możemy osiągnąć wzrost mocy wyjściowej o 20%. Zwiększając straty mocy o 20% (1200 W), temperatura radiatora wzrośnie dodatkowo o 14 K (do 84 K), co może być łatwo zrekompensowane przez urządzenie CM1000HG130XA.

Zwiększenie temperatury pracy modułu mocy 6500 V pozwala na dalszą optymalizację w systemie chłodzenia, taką jak:

• Zmniejszenie przepływu wody w chłodzeniu cieczą
• Używanie tańszych chłodnic cieczowych
• Zmniejszenie kosztu wymiennika ciepła w systemach chłodzenia cieczą
• Używanie chłodzenia powietrznego zamiast chłodzenia wodnego
• W niektórych przypadkach uniknięcie równoległego połączenia modułów tradycyjnych przez użycie wyjątkowego urządzenia CM1000HG-130XA

Seria X używa znanej standardowej obudowy, co pozwala na szybkie optymalizacje i poprawy, nie wymagając istotnego przeprojektowania/rozwoju istniejących projektów falowników. System chłodzenia może zostać zoptymalizowany, a większa gęstość mocy falownika może zostać zrealizowana dzięki urządzeniu CM1000HG-130XA zwiększonej temperatury pracy złącza.

Zalety zwiększenia temperatury pracy można łatwo przekształcić w uproszczenie istniejącego systemu chłodzenia (z utrzymaniem umiarkowanej mocy wyjściowej) lub zwiększenie mocy wyjściowej (z zachowaniem istniejącego systemu chłodzenia).

Odnośniki

[1] http://www.mitsubishielectric.com/news/2015/0929.html
[2] Ze Chen, et al, „Zrównoważony projekt układu IGBT o wysokim napięciu z ultra-dynamiczną wytrzymałością i efektywnym zakończeniem krawędziowym,” Proc. ISPSD 2013, s. 37, Kanazawa, Japonia.
[3] Kenji Hatori, „Następna generacja modułu IGBT 6,5 kV z wysoką wytrzymałością”, PCIM Europe 2014.
[4] Fumihito Masuoka, „Wielki wpływ technologii RFC na diodę szybkiego odzyskiwania w kierunku 600 V o niskich stratach i wysokiej wytrzymałości dynamicznej”, ISPSD 2012.”