Modules de puissance HVIGBT série X 1700 V offrant d'excellentes performances et une grande fiabilité

Figure 1 : Chronologie de réduction de la tension directe des IGBT 1700 V.

Afin de réduire davantage la tension directe, la structure des IGBT a été optimisée et des composants plus fins ont été utilisés. La toute dernière série X 1700 V exploite une technologie de circuit de pointe de 7e génération, combinée à une réduction supplémentaire de l'épaisseur des IGBT. De plus, plusieurs optimisations ont été apportées à la face arrière du circuit (côté collecteur).

Circuit	Dimensions	Courant nominal	Nom du type
Unique 1 en 1	190 mm x 140 mm	2400 A 3600 A	CM2400HCB-34X CM3600HC-34X
Unique 1 en 1	130 mm x 140 mm	1600 A 2400 A	CM1600HC-34X CM2400HC-34X
Hacheur	130 mm x 140 mm	1200 A	CM1200E4C-34X
Double 2 en 1	100 mm x 140 mm	1000 A 1200 A 1200 A	CM1000DC-34X (Si) CM1200DC-34X (Si) CMH1200DC-34X (hybride) SiC)

Tableau 1 : Série X 1700 V

La série X 1700 V comprend trois types de modules. Le premier est un boîtier standard de 190 mm x 140 mm. Le deuxième est également un boîtier standard de 130 mm x 140 mm. Le troisième est un nouveau boîtier double standard de 140 mm x 100 mm. La gamme complète de modules IGBT de la série X 1700 V est présentée dans le tableau 1.

Modules simples HVIGBT haute intensité 1700 V série X

Les modules 1-en-1 standard ont été entièrement repensés par rapport à la précédente série N. L’agencement des puces à l’intérieur du module a été optimisé pour une meilleure conductivité thermique et une durée de vie accrue en cas de cycles de puissance. Un gel de silicone haute performance de conception nouvelle est utilisé au sein du module. Les températures de fonctionnement s'étendent désormais de -50 °C à 150 °C. Les nouveaux modules de la série X seront certifiés UL. De plus, leur résistance à l'humidité a été testée lors du processus de qualification. Ceci est un facteur important pour le fonctionnement dans les conditions difficiles de l'environnement ferroviaire.

Figure 2 : Caractéristiques des modules individuels de la série X 1700 V

Figure 3 : Simulation de la dissipation de puissance dans la série X dans les conditions suivantes : V_CC = 850 V, I_peak = 1200 A, PF = 0,85, M = 1, f_sw = 1 kHz, f_o = 60 Hz, T_j = 125 °C.

Le boîtier standard est disponible sur le marché depuis de nombreuses années. Les fabricants de convertisseurs ont démontré la fiabilité des convertisseurs utilisant ce type de boîtier. Il est désormais possible d’améliorer le rendement des convertisseurs grâce à la technologie de module de dernière génération de la série X. Le petit boîtier (130 mm × 140 mm) est idéal pour les applications compactes refroidies par eau. Le grand boîtier (190 mm × 140 mm), avec sa faible résistance thermique entre le boîtier et les dissipateurs thermiques, est particulièrement adapté aux applications refroidies par air. La figure 3 illustre le potentiel de réduction des pertes de puissance d'un seul dispositif CM2400HCB-34X de la série X par rapport à la précédente série N.

Deux modules LV100 de la série X de 1 700 V

Le boîtier LV100 standard a été conçu pour accueillir des dispositifs de commutation à haute vitesse tels que les modules de la série X de 1 700 V et les modules utilisant la technologie du carbure de silicium (SiC). La faible inductance du boîtier constitue l'un des principaux atouts de ce dispositif.

Grâce à la faible inductance du boîtier et à la connexion DC-Link simplifiée, il est possible de couper le dispositif à courant élevé sans augmenter la résistance de la grille de coupure. Les résultats de mesure de la coupure de l'IGBT dans les conditions de coupure maximales (V_CC = 1200 V, I_C = 2400 A, R_g(off) = R_g(nominal), L_s = 40 nH et T_J = 150 °C) sont présentés sur la figure 4. Même dans ces conditions, l'impulsion de tension dépasse la tension de blocage maximale de 1700 V.

Figure 4 : Coupure du CM1200DC-34X à courant élevé et tension maximale Liaison CC

De plus, le rendement de la diode a été amélioré dans le module LV100. Par rapport à la précédente série S, la tension directe de la diode a été réduite de plus de 15 %. Parallèlement, l'énergie de récupération inverse a été réduite de plus de 25 %.

La densité de courant dans le boîtier LV100 a été augmentée d'environ 30 %, passant de 13,2 A/cm² pour le composant CM2400HC-34N à 17,1 A/cm² pour le composant CM1200DC-34X. Pour gérer un courant de sortie élevé, le dispositif comporte trois vis au niveau de la borne de sortie CA.Les caractéristiques de conduction de l'IGBT et du FWDi présentent des coefficients de température positifs, ce qui est important pour un bon fonctionnement des modules en parallèle.De plus, ce boîtier offre la possibilité d'augmenter la puissance du convertisseur en connectant les modules en parallèle. Ceci représente également un défi supplémentaire pour le concepteur du convertisseur. Pour relever ce défi, le banc d'essai de référence proposé [2] peut être utilisé avec ces modules.RésuméLa série X 1700 V présentée ici utilise les technologies de puces et de boîtiers les plus récentes. Les modules offrent une fiabilité supérieure, combinée à de faibles pertes de puissance et à une grande flexibilité.Références[1] S. Iura, E. Suekawa, K. Morishita, M. Koga, E. Thal. « Nouveaux modules IGBT 1700 V avec technologie CSTBT. » PCIM Europe 2004.
[2] Dr. J. Weigel. « Connexion en parallèle de modules haute puissance : banc d’essai standard pour l’évaluation des déséquilibres de courant associés aux modules. » EPE’18 ECCE Europe.