Module de alimentare HVIGBT din seria X de 1700 V cu performanțe și fiabilitate excelente

Module de putere HVIGBT din seria X de 1700 V cu performanțe și fiabilitate excelente

Modulele de putere HVIGBT de înaltă performanță de 1700 V oferă soluții fiabile pentru aplicațiile feroviare.

Aplicațiile feroviare necesită componente de înaltă calitate și eficiente, în special convertizoare cu dispozitive de comutare fiabile și robuste. Este o practică obișnuită utilizarea modulelor IGBT de 1700V pentru funcționarea directă pe linia aeriană de contact la tensiuni continue sub 1000V sau într-o configurație pe 3 niveluri pentru tensiuni continue ale liniei aeriene de contact peste 1000V.

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

Mitsubishi Electric îmbunătățește continuu calitatea modulelor sale de putere IGBT, ghidată de trei concepte cheie:

• Design robust al modulului de putere cu o zonă mare de funcționare sigură
• Pierderi reduse de putere datorită utilizării celei mai recente generații de circuite integrate
• Controlul calității cu linii de producție dedicate și trasabilitate

Mitsubishi Electric are mulți ani de experiență și o lungă istorie în dezvoltarea de module de 1700V pentru aplicații feroviare de la începutul acestui secol. Anul acesta, MITSUBISHI ELECTRIC a introdus cea mai recentă generație de module de putere IGBT de 1700V, numită Seria X, care îndeplinește cerințele aplicațiilor feroviare. Figura 1 prezintă dezvoltarea istorică a modulelor HVIGBT de 1700V, demonstrând reducerea continuă a tensiunii directe IGBT. Tensiunea directă IGBT contribuie la reducerea pierderilor de putere ale convertorului. Reducerea tensiunii directe IGBT a fost realizată în mod constant pe tot parcursul dezvoltării fiecărei serii. Un pas semnificativ în reducerea tensiunii directe a fost implementarea structurii porții cu fante la începutul anilor 2000. [1]

Figura 1: Cronologia reducerii tensiunii directe IGBT de 1700V.

Pentru a reduce și mai mult tensiunea directă, structura IGBT a fost optimizată și s-au utilizat dispozitive mai subțiri. Cea mai recentă serie X de 1700V utilizează tehnologie de circuit de ultimă generație de a 7-a generație, combinată cu reduceri suplimentare ale grosimii IGBT. În plus, au fost făcute mai multe optimizări la partea din spate a circuitului (partea colectorului).

Circuit	Dimensiuni	Curent nominal	Tip Nume
Simple 1 în 1	190 mm x 140 mm	2400A 3600A	CM2400HCB-34X CM3600HC-34X
Simple 1 în 1	130 mm x 140 mm	1600A 2400A	CM1600HC-34X CM2400HC-34X
Tocător	130 mm x 140 mm	1200A	CM1200E4C-34X
Dual 2 în 1	100mm x 140mm	1000A 1200A 1200A	CM1000DC-34X (Si) CM1200DC-34X (Si) CMH1200DC-34X (hibrid SiC)

Tabelul 1: Seria X de 1700V

Seria X de 1700V include trei tipuri de module. Primul este un pachet standard cu dimensiunile de 190 mm x 140 mm. Al doilea este, de asemenea, un pachet standard cu dimensiunile de 130 mm x 140 mm. Al treilea este un nou pachet dual standard cu dimensiunile de 140 mm x 100 mm. Selecția completă de module IGBT de 1700V din seria X este prezentată în Tabelul 1.

Module individuale HVIGBT de curent ridicat de 1700V din seria X

Modulele standard 1-în-1 au fost complet reproiectate în comparație cu seria anterioară N. Dispunerea cipului din interiorul modulului a fost optimizată pentru o conductivitate termică mai bună și o durată de viață mai lungă în timpul ciclării alimentării. În interiorul modulului se utilizează un gel de siliciu de înaltă performanță, nou dezvoltat. Temperaturile de funcționare variază acum de la -50°C la 150°C. Noile module din seria X vor fi certificate UL. În plus, aceste module au fost testate pentru umiditate în timpul procesului de calificare. Acesta este un factor important pentru funcționarea în condițiile dure ale mediului feroviar.

Figura 2: Caracteristici ale modulelor individuale de 1700V din seria X

Figura 3: Simularea disipării de putere în seria X în următoarele condiții: V_CC=850V, I_peak=1200A, PF=0.85, M=1, f_sw=1kHz, f_o=60Hz, T_j=125°C.

Tipul standard de capsulă este disponibil pe piață de mulți ani. Producătorii de convertoare au dovedit fiabilitatea convertoarelor care utilizează acest tip de capsulă în practică. Acum este posibil să se crească eficiența convertorului utilizând cea mai recentă tehnologie de module din seria X. Capsa mică (130 mm x 140 mm) este o alegere preferată pentru aplicațiile compacte răcite cu apă. Capsa mare (190 mm x 140 mm), cu rezistența termică scăzută dintre carcasă și radiatoare, este deosebit de atractivă pentru aplicațiile răcite cu aer. Figura 3 prezintă potențialul de reducere a pierderilor de putere pentru un singur dispozitiv CM2400HCB-34X din seria X, comparativ cu seria N anterioară.

Module duale LV100 din seria X de 1700V

Pachetul standard LV100 a fost conceput pentru a găzdui dispozitive de comutare de mare viteză, cum ar fi modulele din seria X de 1700V și modulele cu tehnologie de carbură de siliciu (SiC). Structura pachetului cu inductanță redusă este unul dintre avantajele cheie ale acestui dispozitiv.

Datorită inductanței reduse a pachetului și conexiunii DC-Link convenabile, este posibilă oprirea dispozitivului la curent mare fără a crește rezistența porții de oprire. Rezultatele măsurătorilor de oprire IGBT în condițiile maxime de oprire V_CC=1200V, I_C=2400A, R_g(off)=R_g(nominal), L_s=40nH și T_J=150°C sunt prezentate în Figura 4. Chiar și în aceste condiții, impulsul de tensiune depășește tensiunea maximă de blocare de 1700V.

Figura 4: Eveniment de oprire CM1200DC-34X la curent ridicat și tensiune maximă DC-Link

În plus, eficiența diodelor a fost îmbunătățită în modulul LV100. Comparativ cu seria S anterioară, tensiunea directă a diodelor a fost redusă cu peste 15%. În același timp, energia de recuperare inversă a fost redusă cu peste 25%.

Densitatea de curent în pachetul LV100 a fost crescută cu aproximativ 30%, de la 13,2 A/cm² pentru dispozitivul CM2400HC-34N la 17,1 A/cm² pentru dispozitivul CM1200DC-34X. Pentru a gestiona curentul de ieșire ridicat, dispozitivul are trei șuruburi la terminalul de ieșire AC.

Caracteristicile de conducție ale IGBT și FWDi au coeficienți de temperatură pozitivi, ceea ce este important pentru o bună funcționare paralelă a modulelor.

Mai mult, acest pachet oferă flexibilitatea de a scala puterea convertorului prin conectarea modulelor în paralel. Aceasta reprezintă, de asemenea, o provocare suplimentară pentru proiectantul de convertoare. Pentru a depăși această provocare, setul de teste de referință propus [2] poate fi utilizat cu aceste module.

Rezumat

Seria X de 1700V introdusă utilizează cele mai recente tehnologii de cipuri și carcase. Modulele oferă fiabilitate superioară combinată cu pierderi reduse de putere și flexibilitate.

Referințe

[1] S. Iura, E. Suekawa, K. Morishita, M. Koga, E. Thal. „Noi module IGBT de 1700V cu tehnologie CSTBT.” PCIM Europe 2004.
[2] Dr. J. Weigel. „Conectarea în paralel a modulelor de mare putere: Set de teste standard pentru evaluarea nepotrivirii de curent asociate modulului.” EPE’18 ECCE Europe.