1700V X-Series HVIGBT захранващи модули с отлична производителност и надеждност

1700V X серия HVIGBT захранващи модули с отлична производителност и надеждност

Високопроизводителните 1700V HVIGBT захранващи модули осигуряват надеждни решения за железопътни приложения.

Железопътните приложения изискват висококачествени и ефективни компоненти, особено преобразувателни задвижвания с надеждни и здрави комутационни устройства. Обичайна практика е да се използват 1700V IGBT модули за директна работа на въздушната контактна линия при постоянно напрежение под 1000V или в 3-степенна конфигурация за постоянно напрежение на въздушната контактна линия над 1000V.

От Ойген Виснер, д-р Нилс Солтау MITSUBISHI ELECTRIC EUROPE B. V. Нобухико Танака MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION

Mitsubishi Electric непрекъснато подобрява качеството на своите IGBT силови модули, ръководейки се от три ключови концепции:

• Здрав дизайн на силовия модул с голяма безопасна работна зона
• Ниски загуби на мощност благодарение на използването на интегрални схеми от най-ново поколение
• Контрол на качеството със специални производствени линии и проследимост

Mitsubishi Electric има дългогодишен опит и дълга история в разработването на 1700V модули за железопътни приложения от началото на тази... век. Тази година MITSUBISHI ELECTRIC представи най-новото поколение 1700V IGBT силови модули, наречени X серия, които отговарят на изискванията на железопътните приложения. Фигура 1 показва историческото развитие на 1700V HVIGBT модулите, демонстрирайки непрекъснатото намаляване на IGBT напрежението в посока нагоре. IGBT напрежението в посока надолу допринася за намаляване на загубите на мощност в преобразувателя. Намаляването на IGBT напрежението в посока надолу е постигано последователно по време на разработването на всяка серия. Значителна стъпка в намаляването на напрежението в посока надолу е внедряването на шлицовата гейтова структура в началото на 2000-те години. [1]

Фигура 1: Хронология на намаляване на напрежението в права посока на 1700V IGBT.

За да се намали допълнително напрежението в права посока, структурата на IGBT е оптимизирана и са използвани по-тънки устройства. Най-новата серия 1700V X използва авангардна технология за схеми от 7-мо поколение, комбинирана с допълнително намаляване на дебелината на IGBT. Освен това са направени няколко оптимизации на задната страна на веригата (от страната на колектора).

Верига	Размери	Номинален ток	Тип Име
Единичен 1 в 1	190 мм x 140 мм	2400A 3600A	CM2400HCB-34X CM3600HC-34X
Единичен 1 в 1	130 мм x 140 мм	1600A 2400A	CM1600HC-34X CM2400HC-34X
Чопър	130 мм x 140 мм	1200A	CM1200E4C-34X
Двойно 2 в 1	100 мм x 140 мм	1000A 1200A 1200A	CM1000DC-34X (Si) CM1200DC-34X (Si) CMH1200DC-34X (хибриден SiC)

Таблица 1: Серия 1700V X

Серията 1700V X включва три типа модули. Първият е стандартен корпус с размери 190 мм x 140 мм. Вторият също е стандартен корпус с размери 130 мм x 140 мм. Третият е нов стандартен двоен корпус с размери 140 мм x 100 мм. Пълният избор от IGBT модули от серия 1700V X е показан в Таблица 1.

Високотокови единични HVIGBT модули от серия X

Стандартните 1-в-1 модули са напълно преработени в сравнение с предишната серия N. Разположението на чиповете вътре в модула е оптимизирано за по-добра топлопроводимост и по-дълъг живот при циклично изключване и изключване. Вътре в модула се използва новоразработен, високоефективен силициев гел. Работните температури вече варират от -50°C до 150°C. Новите модули от серията X ще бъдат сертифицирани по UL. Освен това, тези модули са тествани за влажност по време на процеса на квалификация. Това е важен фактор за работа в тежките условия на железопътната среда.

Фигура 2: Характеристики на единични 1700V модули от серия X

Фигура 3: Симулация на разсейване на мощност в X-серията при следните условия: V_CC=850V, I_peak=1200A, PF=0.85, M=1, f_sw=1kHz, f_o=60Hz, T_j=125°C.

Стандартният тип корпус се предлага на пазара от много години. Производителите на конвертори са доказали на практика надеждността на конверторите, използващи този тип корпус. Сега е възможно да се увеличи ефективността на конвертора, като се използва най-новата модулна технология на X-серията. Малкият корпус (130 мм x 140 мм) е предпочитан избор за компактни приложения с водно охлаждане. Големият корпус (190 мм x 140 мм), с ниското си термично съпротивление между корпуса и радиаторите, е особено привлекателен за приложения с въздушно охлаждане. Фигура 3 показва потенциала за намаляване на загубите на мощност за едно устройство X-Series CM2400HCB-34X в сравнение с предишната N-Series.

Двойни 1700V X-Series LV100 модули

Стандартният LV100 корпус е проектиран да побере високоскоростни комутационни устройства, като 1700V X-Series модули и модули със силициево-карбидна (SiC) технология. Структурата на корпуса с ниска индуктивност е едно от ключовите предимства на това устройство.

Благодарение на ниската индуктивност на корпуса и удобното DC-Link свързване е възможно устройството да се изключи при висок ток, без да се увеличава съпротивлението на изключващия гейт. Резултатите от измерването на изключването на IGBT при максимални условия на изключване V_CC=1200V, I_C=2400A, R_g(off)=R_g(nominal), L_s=40nH и T_J=150°C са показани на Фигура 4. Дори при тези условия, импулсът на напрежението надвишава максималното блокиращо напрежение от 1700V.

Фигура 4: Изключване на CM1200DC-34X при висок ток и максимално напрежение DC-Link

Освен това, ефективността на диодите е подобрена в модула LV100. В сравнение с предишната S-серия, напрежението на диода в права посока е намалено с над 15%. Същевременно енергията за обратно възстановяване е намалена с над 25%.

Плътността на тока в корпуса LV100 е увеличена с приблизително 30%, от 13,2 A/cm² за устройството CM2400HC-34N до 17,1 A/cm² за устройството CM1200DC-34X. За да се справи с висок изходен ток, устройството има три винта на изходния AC терминал.

Характеристиките на проводимост на IGBT и FWDi имат положителни температурни коефициенти, което е важно за добрата паралелна работа на модулите.

Освен това, този корпус осигурява гъвкавост за мащабиране на мощността на преобразувателя чрез паралелно свързване на модули. Това също представлява допълнително предизвикателство за проектанта на преобразуватели. За да се преодолее това предизвикателство, предложеният референтен тестов комплект [2] може да се използва с тези модули.

Резюме

Представената 1700V X-Series използва най-новите технологии за чипове и корпуси. Модулите предлагат превъзходна надеждност, съчетана с ниски загуби на мощност и гъвкавост.

Литература

[1] С. Юра, Е. Суекава, К. Моришита, М. Кога, Е. Тал. „Нови 1700V IGBT модули с CSTBT технология.“ PCIM Europe 2004.
[2] Д-р Й. Вайгел. „Паралелно свързване на високомощни модули: Стандартен тестов комплект за оценка на несъответствието на тока, свързано с модула.“ EPE’18 ECCE Europe.