Расширение линейки высоковольтных IGBT-модулей серии X в классе 3300 В.

Расширение линейки высоковольтных IGBT-модулей серии X в классе 3300 В

Серия X 3300 В продолжает успех силовых модулей серий R и H компании Mitsubishi Electric, повышая общую эффективность устройства.

Авторы: Эуген Виснер и Эуген Штумпф из Mitsubishi Electric Europe B.V. и Х. Уэмура из Mitsubishi Electric Corporation

Введение

Основные области применения IGBT-модулей 3300 В, такие как тяговые системы, приводы среднего напряжения, а также системы передачи и распределения электроэнергии, требуют абсолютного минимизирования отказов в полевых условиях. Учитывая все возможные наихудшие условия эксплуатации, крайне важно обеспечить безопасную работу устройства в рамках его технических характеристик. Однако в реальности не всегда возможно предвидеть все наихудшие сценарии, которые могут возникнуть во время реальной эксплуатации. Именно поэтому требуется, чтобы модули IGBT имели разумный запас между параметрами, представляющими технические характеристики модуля, и критической работой модуля. Серия 3300V X была разработана для повышения долговечности и надежности устройств, а также для дальнейшего минимизирования вероятности отказа во время реальной эксплуатации. В этой статье описываются основные принципы проектирования серии X, включая улучшения, которые способствуют безопасной работе устройства и обеспечивают в целом хорошую производительность.

Чипы IGBT седьмого поколения 3300V

Первые модули 3300V (серия H) были представлены компанией Mitsubishi Electric в 1997 году. Производительность чипов IGBT постоянно улучшалась с момента выпуска первого поколения. Первые силовые устройства серии H используют планарную структуру затвора IGBT. Последующие устройства серии R используют улучшенную планарную структуру затвора, что позволяет работать в широком диапазоне температур от -50°C до 150°C. Также были снижены потери мощности и увеличена удельная мощность модуля.

Рисунок 1: Эволюция чипа IGBT 3300 В

Последовательность эволюции чипа IGBT 3300 В показана на рисунке 1. Чип IGBT серии X 3300 В способствует дальнейшему увеличению удельной мощности модуля и дальнейшему улучшению характеристик силового модуля IGBT. CM1800HC-66X станет первым устройством в этой новой серии X 3,3 кВ, доступным во втором квартале 2017 года. Он имеет номинальный ток 1800 А и размещен в стандартном корпусе размером 190 мм x 140 мм с изоляцией по напряжению 6 кВ (переменного тока).

Компромисс в оптимизации характеристик IGBT

На рисунке 2 показана базовая треугольная зависимость компромисса для характеристик силового устройства IGBT. Три основных параметра — прямое напряжение IGBT (VCE(sat)), энергия выключения (EOFF) и безопасный рабочий диапазон (SOA) — тесно связаны [1]. Кроме того, безопасный рабочий диапазон короткого замыкания (SCSOA) является важным параметром, влияющим на возможность оптимизации других параметров. Последовательное улучшение одного параметра — например, снижение прямого напряжения IGBT — может привести к увеличению тока короткого замыкания. Таким образом, время короткого замыкания tSC, представляющее собой SCSOA, будет уменьшено.

Рисунок 2: Базовый компромисс характеристик IGBT

Микросхема IGBT серии X на 3300 В была разработана для обеспечения оптимальной и сбалансированной производительности между прямым напряжением IGBT VCE(sat), энергией выключения EOFF и безопасным диапазоном работы. Целью проектирования было поддержание времени короткого замыкания 10 мкс (что является существующим рыночным стандартом) с разумным запасом прочности. На рисунке 3 показана кривая зависимости VCE(sat) от EOFF для серии X. Прямое напряжение было снижено примерно на 30% по сравнению с предыдущими планарными устройствами серии R. Энергия выключения осталась неизменной. Это улучшение стало возможным благодаря использованию щелевой структуры затвора CSTBT(III)™ и увеличению активной площади чипа. Увеличение активной площади чипа стало возможным благодаря использованию усовершенствованной структуры защитного кольца [2].Даже при таком улучшении прямого напряжения ток короткого замыкания относительно низок, что позволяет использовать короткое замыкание длительностью 10 мкс. Для проектирования силового модуля с достаточной безопасностью и надежностью также важно понимать фактические ограничения модуля. В этом отношении модуль будет протестирован для определения точки отказа, а тестируемое устройство будет подвергнуто длительному короткому замыканию. На рисунке 4 показаны типичные результаты измерения короткого замыкания для модуля CM1800HC-66X при максимальных рабочих условиях TJ = 150 °C и VCC = 2500 В с длительностью 15 мкс. Помимо энергии короткого замыкания, длительность короткого замыкания также является параметром, указывающим на способность устройства выдерживать короткое замыкание. Согласно результатам испытаний, представленным на рисунке 4, рассеиваемая энергия короткого замыкания составила более 250 Дж. Длительность 15 мкс на 50% больше по сравнению со стандартным значением 10 мкс, хотя устройство могло выдержать 15 мкс без сбоев.

Рисунок 3: V_CE(sat) vs. E_OFF at T_J=125°C

Рисунок 4: Типичные измерительные волны короткого замыкания при T_J=150°C, V_CC=2500 В

Устойчивость микросхемы IGBT седьмого поколения к коротким замыканиям типа II и типа III уже была продемонстрирована с использованием первого силового модуля серии X с напряжением 6500 В — CM1000HG-130XA [3].

Кроме того, уменьшение размера защитного кольца улучшает тепловое сопротивление между переходом и корпус. По сравнению с серией R, тепловое сопротивление (от перехода к корпусу) улучшено примерно на 11% для IGBT и примерно на 8% для диода. Это также способствует увеличению удельной мощности модуля.

Пример работы инвертора

Общее улучшение электрических и тепловых характеристик можно продемонстрировать с помощью результатов моделирования трехфазного инвертора. На диаграмме на рисунке 5 показан результат моделирования нормированного эффективного выходного тока как функции частоты переключения при условиях VCC = 1800 В, m = 1, cos(φ) = 0,9, TJ = 150 °C и повышении температуры перехода к корпусу на 10 К. При частоте переключения 300 Гц эффективный выходной ток силового модуля CM1800HC-66X может быть увеличен примерно на 20% по сравнению с устройством CM1500HC-66R.

Модуль CM1800HC-66X разработан не только для обеспечения хороших электрических характеристик, но и для работы в суровых условиях окружающей среды, таких как высокая влажность. Наиболее чувствительной к влажности частью модуля является область защитного кольца чипа.

Краткое описание

Новый силовой модуль CM1800HC-66X позволяет улучшить конструкцию преобразователя за счет снижения потерь мощности или увеличения плотности мощности преобразователя. Это также продолжает традицию MITSUBISHI по обеспечению высокой надежности и созданию долговечных конструкций в классе силовых модулей IGBT на 3300 В.

Ссылки

[1] Т. Минато и Х. Такахаши, «Новые технологии силовых компонентов», Mitsubishi Electric ADVANCE, стр. 24-27, 2004.
[2] Зе Чен и др., «Устойчивая конструкция высоковольтного IGBT с высокой динамической долговечностью и эффективной площадью», Труды ISPSD 2013, стр. 37, Канадзава, Япония.
[3] Н. Танака, «Долговременная конструкция нового модуля HVIGBT», PCIM 2015.
[4] Ш. Honda, «Высоковольтная терминация краев устройства для широкого диапазона температур и влажности с использованием технологии управления поверхностным зарядом», ISPSD 2016.