Módulos de potencia HVIGBT serie X de 1700 V con excelente rendimiento y confiabilidad

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

Mitsubishi Electric mejora continuamente la calidad de sus módulos de potencia IGBT, basándose en tres conceptos clave:

• Diseño robusto del módulo de potencia con una amplia zona de operación segura
• Bajas pérdidas de potencia gracias al uso de circuitos integrados de última generación
• Control de calidad con líneas de producción dedicadas y trazabilidad

Mitsubishi Electric cuenta con muchos años de experiencia y una larga trayectoria en el desarrollo Módulos de 1700 V para aplicaciones ferroviarias desde principios de siglo. Este año, MITSUBISHI ELECTRIC presentó la última generación de módulos de potencia IGBT de 1700 V, denominada Serie X, que satisfacen los requisitos de las aplicaciones ferroviarias. La Figura 1 muestra el desarrollo histórico de los módulos HVIGBT de 1700 V, demostrando la reducción continua de la tensión directa de los IGBT. Esta tensión directa contribuye a la reducción de las pérdidas de potencia del convertidor. La reducción de la tensión directa de los IGBT se logró de forma consistente durante el desarrollo de cada serie. Un avance significativo en la reducción de la tensión directa fue la implementación de la estructura de puerta ranurada a principios de la década de 2000. [1]

Figura 1: Cronología de la reducción de la tensión directa de los IGBT de 1700 V.

Para reducir aún más la tensión directa, se optimizó la estructura de los IGBT y se utilizaron dispositivos más delgados. La última serie X de 1700 V utiliza tecnología de circuitos de vanguardia de séptima generación, combinada con reducciones adicionales en el grosor de los IGBT. Además, se han realizado varias optimizaciones en la parte posterior del circuito (lado del colector).

Circuito	Dimensiones	Corriente nominal	Nombre del tipo
Único 1 en 1	190 mm x 140 mm	2400 A 3600 A	CM2400HCB-34X CM3600HC-34X
Único 1 en 1	130 mm x 140 mm	1600 A 2400 A	CM1600HC-34X CM2400HC-34X
Cortadora	130 mm x 140 mm	1200 A	CM1200E4C-34X
Doble 2 en 1	100 mm x 140 mm	1000 A 1200 A 1200 A	CM1000DC-34X (Si) CM1200DC-34X (Si) CMH1200DC-34X (híbrido) SiC)

Tabla 1: Serie X de 1700 V

La Serie X de 1700 V incluye tres tipos de módulos. El primero es un encapsulado estándar con dimensiones de 190 mm x 140 mm. El segundo también es un encapsulado estándar con dimensiones de 130 mm x 140 mm. El tercero es un nuevo encapsulado doble estándar con dimensiones de 140 mm x 100 mm. La selección completa de módulos IGBT de la Serie X de 1700 V se muestra en la Tabla 1.

Módulos individuales HVIGBT de alta corriente de 1700 V de la Serie X

Los módulos 1 en 1 estándar se han rediseñado por completo en comparación con la serie N anterior. La disposición del chip dentro del módulo se ha optimizado para una mejor conductividad térmica y una mayor vida útil en ciclos de encendido y apagado. El módulo utiliza un nuevo gel de silicona de alto rendimiento. Las temperaturas de funcionamiento oscilan entre -50 °C y 150 °C. Los nuevos módulos de la Serie X contarán con certificación UL. Además, se han sometido a pruebas de humedad durante el proceso de certificación. Este es un factor importante para el funcionamiento en las duras condiciones del entorno ferroviario.

Figura 2: Características de los módulos individuales de la serie X de 1700 V

Figura 3: Simulación de la disipación de potencia en la Serie X bajo las siguientes condiciones: V_CC=850 V, I_pico=1200 A, PF=0,85, M=1, f_sw=1 kHz, f_o=60 Hz, T_j=125 °C.

El encapsulado estándar ha estado disponible en el mercado durante muchos años. Los fabricantes de convertidores han demostrado la fiabilidad de los convertidores que utilizan este tipo de encapsulado en la práctica. Ahora es posible aumentar la eficiencia del convertidor utilizando la última tecnología de módulos de la Serie X. El encapsulado pequeño (130 mm x 140 mm) es la opción preferida para aplicaciones compactas refrigeradas por agua. El encapsulado grande (190 mm x 140 mm), con su baja resistencia térmica entre la carcasa y los disipadores, es especialmente atractivo para aplicaciones refrigeradas por aire. La Figura 3 muestra el potencial de reducción de pérdida de potencia para un solo dispositivo CM2400HCB-34X de la Serie X en comparación con el anterior de la Serie N.

Módulos LV100 duales de 1700 V de la Serie X

El encapsulado LV100 estándar fue diseñado para alojar dispositivos de conmutación de alta velocidad, como los módulos de la Serie X de 1700 V y los módulos con tecnología de carburo de silicio (SiC). La estructura del encapsulado de baja inductancia es una de las principales ventajas de este dispositivo.

Gracias a la baja inductancia del encapsulado y a la cómoda conexión del enlace de CC, es posible apagar el dispositivo con alta corriente sin aumentar la resistencia de la puerta de apagado. Los resultados de la medición de apagado del IGBT en las condiciones de apagado máximo de V_CC=1200 V, I_C=2400 A, R_g(off)=R_g(nominal), L_s=40 nH y T_J=150 °C se muestran en la Figura 4. Incluso en estas condiciones, el pulso de tensión supera la tensión de bloqueo máxima de 1700 V.

Figura 4: Evento de apagado del CM1200DC-34X con alta corriente y máxima tensión Enlace de CC

Además, se ha mejorado la eficiencia del diodo en el módulo LV100. En comparación con la Serie S anterior, la tensión directa del diodo se ha reducido en más de un 15 %. Al mismo tiempo, la energía de recuperación inversa se ha reducido en más de un 25 %.

La densidad de corriente en el encapsulado LV100 se ha incrementado aproximadamente un 30 %, de 13,2 A/cm² para el dispositivo CM2400HC-34N a 17,1 A/cm² para el dispositivo CM1200DC-34X. Para manejar una alta corriente de salida, el dispositivo cuenta con tres tornillos en el terminal de salida de CA.

Las características de conducción del IGBT y el FWDi presentan coeficientes de temperatura positivos, lo cual es importante para el buen funcionamiento del módulo en paralelo.

Además, este encapsulado ofrece la flexibilidad de escalar la potencia del convertidor conectando módulos en paralelo. Esto también representa un reto adicional para el diseñador del convertidor. Para superar este reto, se puede utilizar el conjunto de prueba de referencia propuesto [2] con estos módulos.

Resumen

La Serie X de 1700 V presentada utiliza las últimas tecnologías de chip y encapsulado. Los módulos ofrecen una fiabilidad superior, junto con una baja pérdida de potencia y flexibilidad.

Referencias

[1] S. Iura, E. Suekawa, K. Morishita, M. Koga, E. Thal. "Nuevos módulos IGBT de 1700 V con tecnología CSTBT". PCIM Europa 2004.
[2] Dr. J. Weigel. "Conexión en paralelo de módulos de alta potencia: Conjunto de pruebas estándar para evaluar la discrepancia de corriente asociada al módulo". EPE’18 ECCE Europa.