Wysokogęstościowe, wysokowydajne moduły mocy IGBT serii X 4500V

Wysokogęstościowe, wysokowydajne moduły mocy IGBT serii X 4500V

Mitsubishi Electric opracowało wysokowydajne moduły mocy IGBT o napięciu 4500V, zapewniając niezawodne rozwiązania dla napędów średniego napięcia, zastosowań kolejowych i transmisji energii.

Autorzy: Eugen Wiesner, Dr. Nils Soltau, Eugen Stumpf, Mitsubishi Electric Europe B. V. oraz Kenji Hatori, Hitoshi Uemura, Mitsubishi Electric Corporation

Wstęp

Pierwotnie Mitsubishi Electric rozpoczęło rozwój IGBT o napięciu 4500V w połowie lat 90. Pierwsza komercjalizacja standardowych modułów IGBT w tej klasie napięcia rozpoczęła się na początku lat 2000. Było to bardziej wydajne i kompaktowe rozwiązanie w porównaniu z istniejącymi urządzeniami GTO typu press pack o napięciu 4500V. Rozwój ten był głównie napędzany przez zastosowania w kolejnictwie i napędach średniego napięcia. W międzyczasie dostępnych jest wiele różnych modułów IGBT o napięciu 4500V, takich jak: moduły z diodami, moduły z płytami bazowymi z miedzi i AlSiC, moduły z standardowymi (V_ISO=6 kV) i wysokimi pakietami izolacyjnymi (V_ISO=10.2 kV).

Cele modułów IGBT serii X 4500V

Nowo opracowana seria X 4500V to już trzecia seria modułów mocy IGBT firmy MITSUBISHI ELECTRIC po seriach H i R. Linia nowej serii X rozszerza istniejącą ofertę w kierunku większej gęstości mocy (patrz Rysunek 1). Prąd nominalny dużej obudowy (rozmiar: 190 mm x 140 mm) wzrasta z 900A do 1350A. Z drugiej strony, prąd o wartości 900A jest również dostępny w mniejszej obudowie o wymiarach 140 mm x 130 mm.

Rysunek 1: Rozszerzenie linii serii X 4500V

Standardowy typ obudowy jest wciąż bardzo ważny dla różnych zastosowań ze względu na dostępność drugiego źródła od wielu producentów urządzeń IGBT i jego udokumentowaną niezawodność w terenie przez wiele lat. Ponadto, modernizacja lub zwiększenie mocy wyjściowej inwertera jest łatwo osiągalna przez użycie szeroko dostępnych komponentów na rynku, takich jak radiator, sterowniki bramkowe i szyny zasilające.

Cele rozwoju urządzeń serii X 4500V zostały zdefiniowane na podstawie opinii klientów i obejmują:

• Zwiększenie prądu nominalnego i gęstości mocy modułu
• Zmniejszenie strat mocy modułu
• Dostosowanie do różnych aplikacji o różnym zakresie częstotliwości przełączania

Zostało opracowanych sześć modułów [1], aby spełnić powyższe wymagania rynkowe. Przegląd opracowanych modułów serii X 4500V przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1: Oferta serii X 4500V

Zwiększenie gęstości mocy modułu

Największym wymaganiem było zwiększenie gęstości mocy modułu. Cel rozwoju został osiągnięty głównie dzięki zastosowaniu nowego układu scalonego 7. generacji. Układ scalony IGBT 7. generacji, przedstawiony na Rysunku 2, wprowadza kilka znaczących zaawansowanych funkcji. Struktura Tranzystora Bipolarnego z Bramką Zmagazynowaną w Rowku (CSTBT™) pozwala na zmniejszenie napięcia przewodzenia IGBT. Nowa struktura zakończenia układu scalonego LNFLR (Linearly-Narrowed Field Limiting Ring) pozwala na zwiększenie aktywnej powierzchni układu scalonego i tym samym zmniejszenie oporu cieplnego. Ostatecznie technologia P-Collector umożliwia specjalne możliwości zarządzania szerokim obszarem SOA.

Ponadto, technologia pakowania całego modułu serii X 4500V została udoskonalona w celu zarządzania zwiększoną gęstością mocy. Zoptymalizowany układ wewnętrzny układu scalonego redukuje opór cieplny modułu i zwiększa możliwość cyklicznego obciążania mocy. W rezultacie opór termiczny między jonem a obudową został zmniejszony o ponad 20% w porównaniu do poprzedniej serii R (CM1350HG-90X i CM1200HG-90R). Wydajność modułu została udowodniona i określona dla szerokiego zakresu temperatury pracy od -50°C do 150°C. Poprzednie generacje modułów 4500V były określane do pracy do 125°C.

Rysunek 2: Struktura układu scalonego 7. generacji 4500V

Dostępne są dwa różne zestawy układów scalonych 7. generacji, zoptymalizowane dla zastosowań o wysokiej i niskiej częstotliwości przełączania. Układ scalony typu X został zaprojektowany dla zastosowań o wysokiej częstotliwości przełączania (> 350Hz). Układ scalony typu XA osiąga najniższe możliwe napięcie przewodzenia zarówno dla IGBT, jak i diody. Przedział zamierzonej częstotliwości przełączania wynosi od 100Hz do 350Hz. Zależność między napięciem przewodzenia a energią odzysku odwrócenia diody typu X i XA przedstawia Rysunek 3.

Rysunek 3: Zależność między napięciem przewodzenia a energią odzysku diody typu X i XA

Bezpieczny Obszar Pracy (SOA) dla każdej aplikacji

Napięcie na linku DC jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na SOA modułu IGBT. Niektóre zastosowania nie wymagają wysokiego napięcia na linku DC. Dla takich przypadków SOA, a tym samym dopuszczalny prąd nominalny, może wzrosnąć.

Urządzenie serii X 4500V jest zaprojektowane do pracy przy maksymalnym napięciu na linku DC wynoszącym 3400V. W tym przypadku prąd nominalny modułu wynosi 1350A (CM1350HG-90X). Jeśli maksymalne wymagane napięcie na linku DC zostanie zmniejszone do 3200V, prąd nominalny wzrośnie do 1500A (CM1500HG-90X). Oba moduły mają te same charakterystyki elektryczne, ale różnią się specyfikacjami SOA. Każde urządzenie przechodzi testy wysyłkowe zgodnie z maksymalnym zdefiniowanym napięciem na linku DC odpowiednio.

Przykład zastosowania inwertera NPC 3 poziomów

Jednym z docelowych zastosowań dla modułów 4500V są napędy średniego napięcia (MV). Dla tych napędów zakres napięcia wyjściowego wynosi od 2.3kV do 13.2kV [2]. Najczęściej stosowane poziomy napięcia to: 3.3 kV, 4.16kV, 6kV i 6.6kV. W tych napięciach wyjściowych powszechnie stosowana jest topologia 3-poziomowa. Na przykład, te napięcia mogą być pokryte za pomocą urządzeń takich jak CM1500(1350)HG-90X (jak pokazano w Tabeli 2). Dla poziomów napięcia wyższych lub równych 4160V konieczne jest stosowanie łączenia szeregowego modułów 4500V.

Tabela 2: Przykład konfiguracji inwertera NPC 3 poziomów z wykorzystaniem modułów IGBT 4500V

Skalowalność w kierunku niższych zakresów mocy można osiągnąć za pomocą urządzenia CM900HG-90X lub modułów serii H i R. Przykład poniżej pokazuje potencjał nowej serii X w porównaniu z pierwszą serią H pod względem redukcji strat mocy. Dla napięcia wyjściowego VOUT=3300V, wymagane napięcie na linku DC wynosi około 4800V. W konfiguracjach NPC 3 poziomów, moduł IGBT doświadczyłby połowy całkowitego napięcia na linku DC (2400V). W przypadku, gdy potencjał radiatora byłby podłączony do środka linku DC, napięcie izolacji modułu IGBT o wartości 10.2 kV(rms) byłoby wystarczające do pokrycia wymienionych w Tabeli 2 poziomów napięcia wyjściowego inwertera.

Rysunek 4: Porównanie wyniku symulacji strat mocy z użyciem modułów serii H i X o wymiarach 190 mm x 140 mm.

Rysunek 4 przedstawia wynik symulacji strat mocy w zależności od prądu wyjściowego dla urządzenia H-Series CM900HG-90H i urządzenia X-Series CM1350HG-90X. Warunki symulacji to:

• Częstotliwość przełączania fsw=0.5kHz
• Współczynnik mocy p.f.=0.85
• Wskaźnik modulacji m=1
• Temperatura jonu T_J=125°C

Istnieją dwie możliwości wykorzystania osiągnięć nowej serii X modułów mocy. Jedna możliwość to redukcja strat mocy modułu IGBT. Straty mocy zmniejszają się o około 10% w porównaniu z serią H. Druga możliwość to zwiększenie prądu wyjściowego inwertera. Prąd wyjściowy można zwiększyć o około 25% w porównaniu z serią H. Dodatkowo, praca serii X w temperaturze 150°C umożliwia jeszcze większy wzrost prądu wyjściowego w porównaniu z pracą w temperaturze 125°C.

Podsumowanie

Nowa seria X 4500V pozwala na znaczne zwiększenie mocy wyjściowej inwertera. Kluczowymi czynnikami umożliwiającymi to osiągnięcie są zwiększona maksymalna temperatura jonu wynosząca 150°C, usprawnione zarządzanie ciepłem oraz zmniejszone straty mocy w module. Bogata oferta i kompatybilność wsteczna z seriami H i R zapewnia elastyczne projektowanie przetwornika i łatwe wprowadzenie do projektu. Ponadto, dostępne są dwa różne zestawy układów scalonych (typ X i typ XA), które ułatwiają optymalną pracę przy wymaganych częstotliwościach przełączania.

Źródła

[1] Mitsubishi Electric Corporation, „Mitsubishi Electric to Expand Lineup of X-Series HVIGBT Modules,” Press Release No. 3094, May 2017
[2] Prof. Dr. M. Hiller, „Leistungselektronik mit Si-Bauelementen für die Mittelspannung”, Tagungsband des 1. Industriearbeitskreis Mittelspannungs-Leistungelektronik [Proceedings of the 1. Industry Working Group Medium-Voltage Power Electronics], Fraunhofer ISE, Berlin, Germany, 2016.