1700V X-Series HVIGBT Power Modules with Excellent Performance and Reliability

Moduły mocy HVIGBT serii 1700V X o doskonałej wydajności i niezawodności

Wysokiej wydajności moduły mocy HVIGBT 1700V zapewniające niezawodne rozwiązania dla aplikacji kolejowych.

Aplikacje kolejowe wymagają komponentów o wysokiej jakości i wydajności, zwłaszcza napędy przetworników powinny dysponować niezawodnymi i solidnymi urządzeniami przełączającymi. Powszechną praktyką jest wykorzystywanie modułów IGBT 1700V do bezpośredniej pracy na sieci trakcyjnej przy napięciach DC poniżej 1000V lub w konfiguracji 3-poziomowej przy napięciach DC sieci trakcyjnej powyżej 1000V

Przez Eugen Wiesner, Dr. Nils Soltau MITSUBISHI ELECTRIC EUROPE B. V. Nobuhiko Tanaka MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION

Mitsubishi Electric nieustannie poprawia jakość modułów mocy IGBT, kierując się trzema kluczowymi koncepcjami:

• Solidne projektowanie modułów mocy z uwzględnieniem dużego zapasu obszaru bezpiecznej pracy
• Niskie straty mocy dzięki wykorzystaniu najnowszej generacji układów scalonych
• Kontrola jakości z dedykowanymi liniami produkcyjnymi i możliwością śledzenia

Mitsubishi Electric ma wieloletnie doświadczenie i długą historię rozwoju modułów 1700V do zastosowań kolejowych od początku tego wieku. W tym roku MITSUBISHI ELECTRIC wprowadziło najnowszą generację modułów mocy IGBT 1700V, zwanych serią X, które spełniają wymagania aplikacji kolejowych. Rys. 1 pokazuje historyczny rozwój modułów HVIGBT 1700V, wskazując na ciągłe zmniejszanie napięcia przewodzenia IGBT. Napięcie przewodzenia IGBT przyczynia się do redukcji strat mocy przetwornika. Redukcja napięcia przewodzenia IGBT była ciągle osiągana podczas rozwoju każdej serii. Znaczącym krokiem w redukcji napięcia przewodzenia było wdrożenie struktury bramki rowkowej na początku lat 2000. [1].

Rysunek 1: Chronologia redukcji napięcia przewodzenia układu IGBT 1700V.

Aby dalej zmniejszyć napięcie przewodzenia, zoptymalizowano strukturę układu IGBT i użyto cieńszych układów. W najnowszej serii 1700V X-Series zastosowano najnowocześniejszą technologię układów 7. generacji w połączeniu z dalszym zmniejszeniem grubości IGBT. Dodatkowo przeprowadzono kilka optymalizacji na tylnym boku układu (strona kolektora).

Obwód	Wymiary	Nominalny prąd	Nazwa typu
Pojedynczy 1 w 1	190mm x 140mm	2400A 3600A	CM2400HCB-34X CM3600HC-34X
Pojedynczy 1 w 1	130mm x 140mm	1600A 2400A	CM1600HC-34X CM2400HC-34X
Chopper	130mm x 140mm	1200A	CM1200E4C-34X
Podwójny 2 w 1	100mm x 140mm	1000A 1200A 1200A	CM1000DC-34X (Si) CM1200DC-34X (Si) CMH1200DC-34X (hybryda SiC)

Tabela 1: Seria 1700V X-Series

Seria 1700V X-Series zawiera trzy rodzaje modułów. Pierwszy to standardowa obudowa o wymiarach 190mm x 140mm. Drugi rodzaj to również standardowa obudowa o wymiarach 130mm x 140mm. Trzeci pakiet to nowa standardowa podwójna obudowa o wymiarach 140mm x 100mm. Pełny wybór modułów IGBT serii 1700V X-Series przedstawiony jest w Tabeli 1.

Wysokoprądowe pojedyncze moduły 1700V HVIGBT serii X

Standardowe moduły 1in1 zostały całkowicie przeprojektowane w porównaniu z poprzednią serią N-Series. Układ układu scalonego wewnątrz modułu został zoptymalizowany dla lepszej przewodności cieplnej i dłuższego czasu życia przy cyklicznym zasilaniu. Wewnątrz modułu zastosowano nowo opracowany wysoko wydajny żel krzemowy. Temperatura pracy teraz obejmuje zakres od -50°C do 150°C. Nowe moduły serii X zostaną certyfikowane przez UL. Ponadto, moduły te zostały przetestowane podczas procesu kwalifikacji pod kątem wpływu wilgotności. Jest to istotny czynnik dla pracy w trudnych warunkach środowiska kolejowego.

Rysunek 2: Cechy pojedynczych modułów 1700V X-Series

Rysunek 3: Symulacja strat mocy w serii X w warunkach: V_CC=850V, I_peak=1200A, PF=0.85, M=1, f_sw=1kHz, f_o=60Hz, T_j=125°C.

Typ standardowej obudowy jest dostępny na rynku od wielu lat. Producenci przetworników udowodnili niezawodność konwerterów wykorzystujących ten typ obudowy w praktyce. Teraz możliwe jest zwiększenie wydajności przetwornika dzięki zastosowaniu najnowszej technologii modułów X-Series. Mały pakiet (130mm x 140mm) jest ulubionym wyborem dla kompaktowych aplikacji z chłodzeniem wodnym. Duży pakiet (190mm x 140mm) ze swoim niskim oporem cieplnym między obudową a radiatorami jest szczególnie atrakcyjny dla aplikacji chłodzonych powietrzem. Na Rysunku 3 przedstawiono potencjał redukcji strat mocy dla pojedynczego urządzenia CM2400HCB-34X serii X w porównaniu z poprzednią serią N-Series.

Podwójne moduły 1700V serii X LV100

Standardowa obudowa LV100 została opracowana z myślą o radzeniu sobie z urządzeniami o wysokiej prędkości przełączania, takimi jak moduły serii 1700V X oraz moduły z technologią węglika krzemu (SiC). Niska indukcyjna struktura obudowy jest jednym z kluczowych atutów tego urządzenia.

Dzięki niskiej indukcyjności obudowy i wygodnemu połączeniu DC-Link, możliwe jest wyłączanie urządzenia przy dużym prądzie bez zwiększania oporu bramki wyłączającej. Wyniki pomiaru wyłączania IGBT w warunkach maksymalnego wyłączania V_CC=1200V, I_C=2400A, R_g(off)=R_g(nominal), L_s=40nH i T_J=150°C przedstawione są na Rysunku 4. Nawet w takich warunkach impuls napięcia przekracza maksymalne napięcie blokady 1700V.

Rysunek 4: Zdarzenie wyłączania CM1200DC-34X przy dużym prądzie i maksymalnym napięciu DC-Link

Dodatkowo, wydajność diody została zwiększona w module LV100. W porównaniu z poprzednią serią S-Series napięcie przewodzenia diody zostało zmniejszone o ponad 15%. Jednocześnie energia odzyskiwania odwrócenia została zredukowana o ponad 25%.

Gęstość prądu w obudowie LV100 została zwiększona o około 30%, z 13.2A/cm² dla urządzenia CM2400HC-34N do 17.1A/cm² dla urządzenia CM1200DC-34X. Aby przenosić duży prąd wyjściowy, urządzenie ma trzy śruby w terminalu wyjściowym AC.

Charakterystyka przewodzenia IGBT i FWDi ma dodatnie współczynniki temperatury, co jest istotne dla dobrej równoległej pracy modułu.

Dodatkowo, ta obudowa zapewnia elastyczność skalowania mocy przetwornika poprzez równoległe połączenie modułów. Jest to również dodatkowym wyzwaniem dla projektanta przetwornika. Aby pokonać to wyzwanie, można skorzystać z proponowanego zestawu testowego referencyjnego [2] we współpracy z tymi modułami.

Podsumowanie

Wprowadzona seria 1700V X-Series wykorzystuje najnowsze technologie chipów i obudów. Moduły oferują najwyższą niezawodność połączoną z niskimi stratami mocy i elastycznością.

Odwołania

[1] S. Iura, E. Suekawa, K. Morishita, M. Koga, E. Thal. „Nowe moduły IGBT 1700V z technologią CSTBT”. PCIM Europe 2004.
[2] Dr. J. Weigel. „Równoległe połączenie modułów o wysokiej mocy: Standardowy zestaw testowy dla oceny niedopasowania prądu związanego z modułem”. EPE’18 ECCE Europe.