Wymagania stawiane przez przyszłe przetworniki kolejowe i jak wpływają na moduły półprzewodnikowe mocy

Wymagania stawiane przez przyszłe przetworniki kolejowe i jak wpływają na moduły półprzewodnikowe mocy

Zwiększenie konkurencyjności, niezawodności i efektywności przyszłych przetworników kolejowych spowodowało zapotrzebowanie na nowe moduły półprzewodnikowe mocy. Producenci przetworników szczególnie żądali zwiększenia gęstości mocy i większej elastyczności projektowania przetwornika. Ta elastyczność ma zostać osiągnięta poprzez prostsze równoległe połączenie modułów półprzewodnikowych mocy, co prowadzi do skalowalności mocy wyjściowej. Niniejszy artykuł przedstawia główne wyzwania dla półprzewodników mocy w przyszłych przetwornikach kolejowych oraz rozwiązanie Mitsubishi Electric: moduły mocy w pakietach LV100 i HV100.

Autorzy: N. Soltau, E. Wiesner, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Niemcy; R. Tsuda, K. Hatori, H. Uemura, Mitsubishi Electric Corporation, Fukuoka, Japonia

Wstęp

W 2015 roku konsorcjum producentów pociągów i dostawców sprzętu elektrycznego rozpoczęło dyskusje na temat przyszłości taboru kolejowego oraz radykalnych innowacji w dziedzinie pojazdów kolejowych. Dyskusje, jako część projektu Roll2Rail z programu Horizon 2020, doprowadziły również do określenia wymagań technicznych dla modułów półprzewodnikowych mocy na jutro. Moduły te mają zapewnić:

Rycina 1: Generacje układów IGBT i diodowych firmy MITSUBISHI ELECTRIC

• Wyższą gęstość mocy,
• Możliwość wieloźródłowości,
• Modułowość i skalowalność,
• Gotowość do zastosowania SiC,
• Odporność na wpływ czynników środowiskowych (temperatury, wilgotności, wibracji itp.) [1].

Odpowiedzią Mitsubishi Electric na wymagania projektu Roll2Rail są moduły mocy w pakietach LV100 i HV100. Obecnie moduły mocy w pakietach LV100 i HV100 są dostępne w różnych zakresach napięcia i prądu.

Niniejszy artykuł przedstawia moduły mocy oparte na krzemie z rodzin LV100 i HV100. Przyjrzymy się postępom w technologii układów i pakietów oraz zbadamy korzyści w zastosowaniach. Wymaganiem szczególnym dla tych modułów mocy jest skalowalność mocy wyjściowej dzięki możliwości równoległego połączenia. W artykule zostanie przedstawiony referencyjny układ testowy do połączenia równoległego i pokazane będzie jednorodne rozłożenie prądu między modułami połączonymi równolegle w celu optymalnego wykorzystania obszaru krzemu.

Rycina 2: Struktura układu IGBT serii X

Technologia układów

Mitsubishi Electric ma długoletnie doświadczenie w produkcji chipów wysokiego napięcia dla zastosowań kolejowych. Pierwsze produkty nosiły nazwę H-Series i obejmowały cały zakres napięcia od 1700 V do 6500 V. W kolejnej serii R-Series, zoptymalizowano strukturę układu IGBT typu planarnego, aby uzyskać niższy spadek napięcia przewodzenia i lepszą wytrzymałość układu. W klasie 1700 V, serie N- i S-Series wprowadziły strukturę bramkową rowkową i technologię CSTBT™. Dioda w serii R-Series, N-Series i S-Series została zoptymalizowana pod kątem lepszej wydajności i łagodności. Ostatnio opracowana seria X-Series wykorzystuje technologię CSTBT™ (III) dla wszystkich klas napięcia od 1700 V do 6500 V. Struktura diody RFC (Relaxed Field Cathode) w serii X zapewnia zrównoważoną wydajność między niskimi stratami mocy a łagodnością [2]. Maksymalna temperatura pracy została zwiększona do 150°C, nawet dla modułów mocy o napięciu 6500 V.

Chip IGBT serii X wykorzystuje wiele nowych funkcji, które przyczyniają się do lepszej wydajności modułu. Opracowana struktura zakończenia krawędziowego z LNFLR (Linearly-Narrowed Field Limiting Ring) umożliwia zwiększenie aktywnej powierzchni chipu i poprawę oporności cieplnej. Technologia SCC (Surface Charge Control) przyczynia się do lepszej odporności na wilgotność [3]. Struktura rowka CSTBT™ (III) umożliwia większe zagęszczenie nośników na stronie emitera w warunkach aktywnego stanu. Zmniejsza to straty mocy przetwornika poprzez obniżenie napięcia przewodzenia układu. Kluczowym kryterium wyboru układu w zastosowaniach kolejowych jest jego wytrzymałość. Częściowy odbierak P w obszarze zakończenia krawędziowego minimalizuje wstrzyknięcie dziur i poprawia wytrzymałość podczas wyłączania układu.

Rycina 3: Pakiety LV100 i HV100 dla napięcia izolacji odpowiednio 6 kV i 10,2 kV

Rycina 4: Układ terminali pakietu LV100 z oznaczeniem potencjału elektrycznego (czerwony: plus DC, niebieski: minus DC, żółty: AC) i dostępnego miejsca dla sterownika bramki

Technologia pakietów

Najbardziej rozpoznawalną innowacją nowych modułów mocy LV100-HV100 jest ich wygląd zewnętrzny i nowy pakiet. Jak pokazano na Rycinie 3, terminale DC i AC znajdują się po przeciwnych stronach pakietu. Pojemności DC z niskim indukcyjnym prętem szynowym można umieścić po jednej stronie, podczas gdy obciążenie AC jest podłączone z drugiej strony. Umożliwia to klarowne oddzielenie bloków funkcjonalnych w szafce i łatwiejsze zaprojektowanie przetwornika. Dostępność trzech terminali AC zapewnia odpowiednie połączenie i zdolność do przewodzenia wysokiego prądu, nawet dla modułów o napięciu 1700 V lub modułów mocy SiC.

Terminale pomocnicze dla sterownika bramki znajdują się między terminalami DC i AC. Po połączeniu równoległym kilku modułów, intencją jest posiadanie dużej płytki drukowanej sterownika bramki obejmującej wszystkie moduły lub wielu indywidualnych płyt drukowanych z krótkimi mostkami kablowymi między nimi.

Rycina 5: Struktura pakietu LV100 i HV100 (ilustracja pakietu LV100)

Rycina 6: Poprawa zdolności cyklu pracy dla 3,3 kV HV100 w porównaniu z poprzednią generacją modułu 3,3 kV przy odpowiadającym prądzie znamionowym

Z pewnością umiejscowienie terminali sterownika bramki zapewnia wystarczającą odległość przestrzenną i creepage nawet dla połączonych równolegle urządzeń. Jednocześnie układ terminali oferuje naszym klientom maksymalne miejsce do projektowania. Na Rycinie 4 przedstawiono układ terminali pomocniczych wraz z oznaczeniem potencjału elektrycznego kolorami. Widać, że różne potencjały są dobrze ułożone. Pozwala to na łatwiejsze koordynowanie izolacji, tańszy materiał PCB z niższą wartością CTI oraz więcej miejsca projektowego dla sterowników bramki naszych klientów.

Kolejną innowacją pakietów LV100 i HV100 jest płyta podstawowa MCB (Metal Casting direct Bonding). Jak pokazano na Rycinie 5, jest to podstawa na bazie aluminium z izolacją AlN i metalizacją Al zintegrowaną jako pojedyncza struktura. W porównaniu do struktury klasycznej, oporność cieplna jest zmniejszona, co prowadzi do zwiększonej gęstości mocy i łatwiejszego chłodzenia. Ponadto w tej płycie podstawowej MCB pominięto spoiwo lutujące, które zazwyczaj degraduje podczas cykli termicznych. Innowacyjna technologia MCB jest stosowana zarówno w pakietach LV100, jak i HV100, zapewniając odpowiednio 6 kV i 10,2 kV napięcia izolacji.

Rycina 7: Referencyjny układ testowy do oceny modułu LV100 (źródło: [4])

Oprócz wydajności elektrycznej i termicznej, również wytrzymałość modułu mocy wzrasta dzięki nowej strukturze pakietu. Rycina 6 przedstawia zdolność cyklu pracy dla modułów mocy HV100 o napięciu 3,3 kV / 600 A (nazwa typu: CM600DE-66X) . Porównuje ją z modułem mocy o napięciu 3,3 kV z napięciem izolacji 10,2 kV poprzedniej generacji. Liczba cykli jest podana względem zdolności cyklu pracy przy ΔT_j = 80 K dla modułu poprzedniej generacji. Wyraźnie widać, że zdolność cyklu pracy wzrasta drastycznie, pomimo że maksymalna temperatura złącza również została podniesiona z 125°C do 150°C.

Połączenie równoległe

Jak wspomniano we wstępie, kluczowym wymaganiem rynku kolejowego dla tych nowych pakietów jest ich skalowalność. Pozwala to producentom przetworników na elastyczność przy różnych projektach w zakresie projektowania wymaganej mocy wyjściowej. Na przykład, przy użyciu jednego, dwóch lub sześciu modułów CM600DA-66X, można osiągnąć prądy znamionowe odpowiednio 600 A, 1200 A lub 3600 A.

Tabela 1: Oferta modułów mocy Si

Poprawne działanie modułu w połączeniu równoległym jest konieczne. Ze względu na różne projekty przetworników, producenci kolejowi uzgodnili referencyjny układ testowy do oceny połączenia równoległego [4]. Ten układ referencyjny, przedstawiony na Rycinie 7, umożliwia ocenę do sześciu połączonych równolegle modułów. Projektowanie było wykonane w celu zminimalizowania wpływu parametrów zewnętrznych na równoległe połączenie. Mitsubishi Electric używa układu referencyjnego do oceny przełączania urządzeń. Przykład dwóch modułów CM450DA-66X połączonych równolegle pokazano na Rycinie 8. Korzyścią jest to, że producent kolejowy może uzyskać reprezentatywne i porównywalne wyniki, które można łatwo odtworzyć i zweryfikować. Ponadto, Rycina 8 pokazuje doskonałe rozłożenie prądu między dwoma modułami LV100 połączonymi równolegle. W ten sposób osiągnięto optymalne wykorzystanie dostępnego obszaru krzemu.

Oferta produktowa

Mitsubishi Electric opracowało już wiele różnych produktów, korzystając z znormalizowanych pakietów LV100 i HV100. Produkty te wykorzystują najnowszą technologię chipów serii X oraz nowatorską płytę podstawową MCB. W pakiecie LV100 dostępne są moduły podwójne o napięciu 1700 V i 3300 V.

Tabela 2: Oferta modułów mocy SiC

Oprócz modułu o prądzie 600 A i napięciu 3300 V dostępne są również urządzenia o niższym prądzie znamionowym wynoszącym 450 A. W odpowiedzi na targi PCIM 2021, opublikowano komunikat prasowy dotyczący modułów o napięciu 3300 V w pakietach HV100 [5]. Moduły o klasie napięcia 4500 V i 6500 V są w trakcie opracowywania.

Oprócz dostępnych modułów mocy opartych na krzemie, Mitsubishi Electric opracowało również linię modułów mocy SiC o napięciu 3300 V, aby sprostać przyszłym wymaganiom w zakresie wydajności i dekarbonizacji w zastosowaniach kolejowych. Dostępne są dwie wartości prądu znamionowego: 750 A i 375 A w wersji pełnej SiC. Ponadto dostępne jest urządzenie hybrydowe SiC, które składa się z IGBT krzemowego i diody SiC, o prądzie znamionowym 600 A. Należy zauważyć, że moduły mocy SiC używają specjalnej wewnętrznej struktury pakietu LV100. Ta struktura różni się od produktów krzemowych, które zostały wyjaśnione w tym artykule. Niemniej jednak układ zarysu i położenia terminali są takie same.

Podsumowanie

W artykule omówiono wymagania przyszłych przetworników kolejowych. Kluczowe punkty to zwiększona gęstość mocy, większa elastyczność i znakomita odporność na warunki środowiskowe. Rozwiązaniem Mitsubishi Electric dla tych wymagań są moduły mocy LV100 i HV100. Zapewniają one wyższą gęstość mocy dzięki najnowszej generacji układów serii X oraz doskonałej płycie podstawowej MCB. Elastyczność osiągnięto dzięki zaawansowanemu projektowaniu pakietów, położeniu terminali pomocniczych i równomiernemu podziałowi prądu w połączeniu równoległym. Wysoka odporność jest zapewniona dzięki chipsetowi serii X i najnowocześniejszej technologii pakietów. W szczególności technologia SCC zapewnia najwyższą odporność na wysoką wilgotność. Moduły mocy LV100 i HV100 pozwalają na tworzenie bardzo niezawodnych, wydajnych i kompaktowych przetworników dla kolejnictwa i innych zastosowań.

Odnośniki

[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.