Высоковольтные IGBT-модули для мощных и надежных приложений

Высоковольтные IGBT-модули для мощных и надежных приложений

Когда речь идет о мощных приложениях с высочайшими требованиями к надежности, HV-IGBT в привычных стандартных корпусах по-прежнему остаются предпочтительным выбором. В этой статье объясняется, почему и как этот традиционный корпус был выведен на новый уровень благодаря различным инновационным технологиям.

Нильс Солтау, Эуген Штумпф, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ратинген, Германия; Джунья Сакаи, Хитоши Уэмура, Mitsubishi Electric Corporation, Фукуока, Япония

Введение

Во второй половине 1990-х годов началась разработка и коммерциализация силовых IGBT-модулей с высокими напряжениями, такими как 2500 В и 3300 В. Эти высоковольтные IGBT-транзисторы изначально были разработаны как замена GTO для мощных и высоконадежных приложений, таких как преобразователи тяги железных дорог [1]. Позже они также стали использоваться во многих других мощных приложениях.

Используемая в то время упаковка устройства уже имела ту же форму, что и современные силовые модули HV-IGBT. Этот привычный стандартный корпус имеет прямоугольную форму размером 190 мм на 140 мм.

Преимуществом стандартного корпуса является его огромная токовая емкость. Кроме того, как единое коммутирующее устройство, он обеспечивает большую гибкость для сложных топологий преобразователей. Поэтому MITSUBISHI ELECTRIC разрабатывает силовые модули в стандартном корпусе, используя новейшие технологии интегральных схем и упаковки.

Новейшие силовые модули стандартного типа с современной компоновкой микросхем серии X теперь доступны для классов напряжения от 1700 В до 6500 В. На рисунке 1 показаны различные стандартные корпуса. В этой статье будет объяснено, почему компания MITSUBISHI ELECTRIC разработала эти силовые модули и для каких областей применения. По сравнению с предыдущими поколениями, эффективность, удельная мощность и надежность этих силовых модулей улучшены. Мы рассмотрим ключевые технологии, обеспечивающие это улучшение.

(a) Изоляционное напряжение 6 кВ

(b) Изоляционное напряжение 10,2 кВ

Рисунок 1: Стандартная упаковка с новейшей технологией микросхем серии X, размером 190x140 мм² и 130x140 мм²

Применение стандартных модулей HV-IGBT

HVDC

В контексте передачи электроэнергии в больших объемах высоковольтные системы постоянного тока (HVDC) на основе силовых модулей IGBT стали зрелой технологией. Они позволяют создавать более компактные конструкции установок и обеспечивают более гибкую работу по сравнению с классическими системами передачи на основе тиристоров [2]. В современных системах HVDC токи передачи постоянного тока достигают значений выше 2 кА [3] [4].

STATCOM

Процент возобновляемых источников энергии в нашей электросети постоянно растет. В то же время, в связи с целью сокращения выбросов CO2, процент угольной генерации снижается. Потери инерции крупных генераторов и колебания в выработке возобновляемой энергии делают стабилизацию сети более сложной задачей. Статические синхронные компенсаторы (STATCOM) могут стабилизировать сеть, обеспечивая реактивную мощность, активную фильтрацию, снижение мерцания или стабилизацию частоты. STATCOM на основе технологии MMC [5] обладают высокой модульностью. Отдельные ветви преобразователя могут, например, обеспечивать индуктивную или емкостную реактивную мощность ±400 МВА [6].

Приводы среднего напряжения

Приводы среднего напряжения (MV) позволяют регулировать скорость вращения мощных двигателей и генераторов в диапазоне напряжений 3,3 кВ и выше. Эти приводные системы используются в морской ветроэнергетике, мельницах, конвейерных лентах, компрессорах или судовых силовых установках. К этим приводам обычно предъявляются высокие требования к надежности. Для рекуперации энергии часто необходим двунаправленный поток мощности. В таких приводах среднего напряжения часто используются многоуровневые топологии преобразователей, такие как 3-уровневый NPC-преобразователь [6] или другие 5- или 7-уровневые топологии.

Все вышеперечисленные приложения объединяет одно: они требуют силовых модулей IGBT с высокой токовой нагрузкой. Кроме того, конечные потребители предъявляют самые высокие требования к надежности преобразователей и долговечности твердотельных силовых модулей. Особенно в многоуровневых преобразователях проектирование шин становится сложной задачей. Поэтому твердотельные силовые модули должны обеспечивать максимально возможную свободу в проектировании преобразователей.

Три приведенных выше примера демонстрируют, что стандартная упаковка по-прежнему является предпочтительным вариантом для многих применений. Стандартная упаковка позволяет получать высокие выходные токи, например, 2400 А в корпусе размером 130x140 мм². Кроме того, сама форма упаковки доказала свою пригодность за десятилетия эксплуатации в полевых условиях. Стандартная упаковка изначально была разработана как единый силовой модуль «один в одном». Эти отдельные модули обеспечивают максимальную свободу проектирования преобразователей, что особенно важно для многоуровневых топологий.

Еще одно применение — расширение или модернизация существующих платформ преобразователей. Контур новых стандартных силовых модулей совместим с предыдущими поколениями силовых модулей, что упрощает переход на более новое поколение IGBT. Более новые поколения IGBT обеспечивают более высокие выходные токи, большую устойчивость к циклам питания и большую влагостойкость. Рисунок 2 иллюстрирует потенциал увеличения выходного тока на 50% или уменьшения размеров до 2/3 с новой серией X.

Рисунок 2: Улучшения выходного тока и компактности новой серии X по сравнению с предыдущей серией H

Технические характеристики стандартных силовых модулей серии X

CSTBT (III) и диод RFC

Современное поколение высоковольтных силовых модулей использует все преимущества интегральных схем 7-го поколения. Генерация с использованием технологии CSTBT (III) (Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor) в структуре IGBT и RFC (Relaxed Field of Cathode) в свободно плавающем диоде. Оба типа ИС позволяют сочетать снижение потерь в установившемся режиме, потерь при переключении и эффективности переключения. Обе технологии ИС расширяют границы технологического треугольника, учитывая прочность, низкое суммарное рассеивание мощности и широкий диапазон SOA.

Технология CSTBT является товарным знаком MITSUBISHI ELECTRIC. Технология CSTBT должна рассматриваться как улучшенная технология канавок в структуре IGBT. MITSUBISHI ELECTRIC представила архитектуру канавок в силовых системах в 1994 году, что позволило снизить напряжение в открытом состоянии и повысить прочность по сравнению с планарными IGBT [7]. Главное преимущество использования IGBT с канавками заключается в устранении паразитного сопротивления JFET. Этот технологический прогресс в сочетании с технологией LPT (пробитие света) позволяет значительно снизить значение V_CE(sat) в IGBT.

Технология CSTBT создает n-слой под основанием между канавками, и этот n-слой хранит носители заряда; в результате распределение носителей заряда в CSTBT становится таким же, как в диоде. Плотность неосновных носителей увеличивается, что позволяет осуществлять рекомбинацию, обеспечивая дальнейшее снижение потерь в стационарном режиме [8]. На рисунке 3 показаны различия между традиционной технологией канавок и технологией CSTBT, предложенной MITSUBISHI ELECTRIC. Полупрозрачный ресурсный слой n-слоя увеличивает концентрацию неосновных носителей заряда в n-слое.

Разработка CSTBT (III) представляет собой дальнейшее усовершенствование технологии CSTBT, ориентированное на снижение потерь при выключении и однородность характеристик, таких как распределение V_GE(th) [9]. Это улучшение позволяет более эффективно использовать кремниевый материал до его замены силовыми устройствами на основе SiC.

Рисунок 3: Сравнение CSTBT с обычным IGBT

Еще одним вкладом в повышение эффективности и надежности является разработка и использование технологии RFC в антипараллельном диоде свободного поля. Динамическая устойчивость и мягкое восстановление — две особенности, которые достигаются за счет внедрения технологии «пробития света (LPT) II» и «управления слоем плазмы носителей (CPL)» [10] [11] [12]. На рисунке 4 показана реализация буфера LPT II на обратной стороне платы, что в основном способствует мягкости диода, улучшению электромагнитной совместимости и, в конечном итоге, повышению надежности всего силового модуля.

Рисунок 4: Структура диода RFC

Максимальная безопасная рабочая область обратного смещения (RBSOA)

Одним из ключевых событий для HVIGBT является выключение. Поэтому желательна широкая безопасная рабочая область выключения, называемая безопасной рабочей областью обратного смещения (RBSOA). Как правило, максимальный указанный ток выключения в два раза превышает номинальный ток, указанный в техническом описании. Для обеспечения низкого значения FIT в так называемом «сроке службы» кривой WAN силового модуля фактическая отключающая способность должна быть выше указанного значения. Следующий пример иллюстрирует необходимость большого запаса между заявленной и фактической способностью. В этом примере используется событие отключения в одном сегменте силового модуля с напряжением 6500 В и номинальным током 330 А. На рисунке 5 показано такое событие, демонстрирующее ток отключения 2000 А в наихудших условиях, т.е. Vcc = 4500 В; Tj = 150°C. Отношение между заявленной характеристиками RBSOA (330 А x 2) и фактической отключающей способностью составляет 3. Аналогичный запас RBSOA с использованием силового модуля CM1000HG-130XA с током 1000 А/6500 В представлен в [13], где показан коэффициент запаса 4.

Рисунок 5: Выключение (зеленый: VGE 10 В/дел, синий: IC 500 А/дел, красный: VCE 1000 В/дел, время: 2 мкс/дел)

Устойчивость к короткому замыканию

Для повышения долговечности преобразователя и сокращения времени простоя после неисправности силовые модули на основе IGBT обычно должны обладать способностью выдерживать короткое замыкание. Однако не каждое короткое замыкание оказывает одинаковое воздействие на силовой модуль. Существуют различные классификации. Например, короткое замыкание типа 1 происходит, когда короткое замыкание происходит до включения IGBT. Короткое замыкание типа 2, с другой стороны, происходит после того, как IGBT уже включен и проводит ток [14].

На рисунке 6 показана схема тестирования для проверки короткого замыкания типа 2. IGBT 1 постоянно выключен и используется только для свободного протекания тока. IGBT 2 — это фактическое тестируемое устройство (DUT). IGBT 3, «короткое замыкание», имитирует короткое замыкание с индуктивностью короткого замыкания LSC, которая значительно ниже индуктивности нагрузки Lload. Для начала испытания тестируемое устройство включается для увеличения тока. Когда достигается желаемый испытательный ток, активируется короткое замыкание, вызывающее резкое увеличение тока. По истечении заданного времени тестируемое устройство выключается. Ток, накопленный в индуктивностях LSC и Lload, свободно протекает через IGBT 1. Когда ток достигает нуля, испытание завершается.

На рисунке 7 показана выдерживаемая мощность силового модуля 6,5 кВ. В испытании используется один из трех сегментов CM1000HG-130XA. Это означает, что один сегмент соответствует номинальному току приблизительно 330 А. Короткое замыкание происходит, когда сегмент IGBT уже пропускает ток, в три раза превышающий номинальный, или 1000 А. Во время короткого замыкания ток увеличивается почти до 4 кА, поскольку IGBT теряет насыщение и пределы тока. Через 10 мкс тестируемое устройство успешно устраняет короткое замыкание и остается работоспособным. Этот тест еще раз демонстрирует высокую износостойкость силовых модулей серии X.

Возможности работы в различных режимах мощности

Хотя силовые модули серии X внешне похожи на предыдущие поколения, внутри они включают в себя множество технических усовершенствований.

Рисунок 6: Тестовая схема для короткого замыкания типа 2

Рисунок 7: Способность выдерживать короткое замыкание типа 2 с использованием одного из трех сегментов CM1000HG-130XA (условия: V_cc = 4200 В, T_j = 150 °C, V_GE = 15 В, t_w = 10 мкс, I_c (до короткого замыкания) = 1000 А (3 I_nom))

По сравнению с предыдущими поколениями, в серии X используется высокотемпературный припой для пайки кристаллов. Также улучшен припой для соединения подложки с базовой пластиной, а также изменена керамическая металлизация. Наконец, использование улучшенного гелевого материала еще больше повысило способность к циклической нагрузке. Испытания на циклическую нагрузку проводились, как показано на рисунке As Как показано на рисунке 8, подтверждено, что сочетание новых технологий упаковки улучшает способность к циклической нагрузке в 2,7 раза по сравнению с предыдущим поколением [15].

Рисунок 8: Подтверждение циклической нагрузки устройства серии X 3,3 кВ и предыдущего поколения [15]

Влагостойкость

За последнее десятилетие влияние факторов окружающей среды, таких как влажность, температура и загрязнение, на надежность силовых устройств стало важной проблемой для наружных применений, где такие факторы невозможно контролировать. В этой главе описывается сопротивление силового устройства Влияние влаги. Необходимость такой устойчивости описана в публикациях [16] [17].

Силиконовый гель является наиболее популярным материалом для герметизации силовых устройств. Наличие влаги в силиконовом геле и приложение относительно высоких напряжений приводят к образованию диполей, так называемых поверхностных зарядов Q_ss. Величина Q_ss оказывает существенное влияние на эффективность защитного кольца интегральной схемы и, в конечном итоге, на лавинное напряжение. На рисунке 9 показана зависимость между поверхностными зарядами и способностью блокировать напряжение для интегральной схемы IGBT 6,5 кВ [18]. Снижение способности блокировать напряжение из-за влаги может привести к катастрофическим и непредсказуемым отказам, чего следует избегать. Влагостойкость может быть достигнута путем воздействия на герметизирующий материал, структуру интегральной схемы и пассивирующий материал [18]. Встроенная устойчивость силовой цепи за счет проектирования специальной структуры интегральной схемы является ключевым шагом в минимизации влияния Влияние влаги на надежность силовых устройств. В 2015 году компания MITSUBISHI ELECTRIC предложила технологию SCC (Surface Charge Control) [19]. На рисунке 10 показана концепция технологии SCC. В ней используется полуизолирующий слой вместо пассивирующего изолирующего слоя. Эта технология позволяет уменьшить случайную емкость и играет важную роль в качестве пути для носителей заряда. В условиях электрического поля носители заряда, генерируемые высоким электрическим полем, накапливаются на границе раздела между поверхностью кремния и полуизолирующим слоем, аналогично случаю обычного слоя. Однако носители заряда одновременно удаляются оптимизированным полуизолирующим слоем, как показано на рисунке 10. Существует температурная зависимость плотности тока утечки. При комнатной температуре тип SCC имеет несколько более высокую плотность тока утечки, чем тип без SCC, из-за дополнительного тока утечки через полуизолирующий слой. С другой стороны, в высокотемпературной области тип SCC обладает лучшими свойствами, поскольку полуизолирующий слой оптимально перераспределяет электрическое поле на краю. область окончания [19]. Степень сопротивления можно проверить с помощью теста, предложенного в [18] (см. рис. 11). Этот тест вызывает конденсацию, которая представляет собой максимальную влагонагрузку внутри силового модуля. Компания Mitsubishi Electric предложила новый автоматизированный подход к тестированию на конденсацию, позволяющий проводить более эффективное циклическое тестирование на конденсацию с использованием камеры влажности [20]. Этот автоматизированный тест помогает определить коэффициенты ускорения между полевыми условиями и квалификационными испытаниями. Кроме того, в [21] была предложена модель долговечности для понимания влияния изменения влажности и температуры при заданном уровне влажности на деградацию силового модуля. В настоящее время стандартным высокоинтенсивным тестом на надежность в MITSUBISHI ELECTRIC перед внедрением высоковольтных силовых модулей является тест на надежность, сочетающий три стрессовых фактора: температуру, влажность и электрическое поле, так называемый тест H3TRB. По сравнению с серией X при 85°C/85% относительной влажности было достигнуто более чем 100-кратное улучшение, подтвержденное тестом. На основе результатов теста H3TRB серия X демонстрирует беспрецедентное сопротивление. до 8000 событий конденсации в эталонных условиях, соответствующих IEC 60721-3-5 5K2. [22].

Рисунок 9: Взаимосвязь между поверхностным зарядом Qss и блокирующей способностью

Рисунок 10: Концепция управления поверхностным зарядом (SCC)

Рисунок 11: Процедура испытания на конденсацию

Предложение

Обзор силовых модулей серии X представлен на рисунке 12. Серия X включает устройства с блокирующим напряжением 1,7 кВ, 3,3 кВ, 4,5 кВ и 6,5 кВ. Приоритетной задачей разработки являются силовые модули с самыми высокими токами, использующие самый большой размер корпуса 140x190 мм². Однако также разрабатываются силовые устройства так называемого среднего размера корпуса 130x140 мм². В настоящее время, Доступны как минимум два силовых модуля в двух разных корпусах с одинаковым током. Разработка ведется с учетом теплового проектирования. Силовые устройства, показанные на рисунке 12, завершены и успешно прошли все испытания на надежность. Протоколы испытаний предоставляются по запросу. Все используемые упаковочные материалы соответствуют европейскому стандарту безопасности железнодорожного транспорта EN45545.

Рисунок 12: Линейка силовых модулей HVIGBT серии X *Продукт в разработке

Ссылки

[1] D. Medaule, Y. Arita, and Y. Yu, "Latest Technological Improvements of Mitsubishi IGBT Modules," в коллоквиуме IEE по новым разработкам в области силовых полупроводниковых приборов, Лондон, Великобритания, 1996 г.
[2] Б. Геммелл, Дж. Дорн, Д. Ретцманн и Д. Соерангр, «Перспективы многоуровневых технологий VSC для передачи электроэнергии», в сборнике трудов конференции и выставки IEEE/PES по передаче и распределению электроэнергии 2008 года, Чикаго, США, 2008 г.
[3] Siemens Energy, «HVDC PLUS — решающий шаг вперед», Siemens AG, Эрланген, Германия, 2016 г.
[4] GE Grid Solutions, «Вентили HVDC — силовая электроника для схем HVDC», General Electric Company, 2019 г.
[5] Р. Марквардт и А. Лесникар, «Новая концепция высоковольтного модульного многоуровневого преобразователя», в сборнике трудов PESC, Ахен, Германия, 2004.
[6] Н. Солтау, Э. Виснер, К. Хатори и Х. Уэмура, «Диоды RFC серии X для надежных и долговечных приводов среднего напряжения», Bodo''s Power Systems, стр. 30-34, май 2020 г.
[7] М. Харада и др., «600-вольтовый траншейный IGBT в сравнении с планарным IGBT — оценка предела производительности IGBT», в 6-м Международном симпозиуме по полупроводниковым приборам и ИС, Давос, Швейцария, 1994 г.
[8] Х. Такахаши и др., «Биполярный транзистор с траншейным затвором и накопленными носителями заряда (CSTBT) — новое силовое устройство для высоковольтных применений», в 8-м Международном симпозиуме по силовым полупроводниковым приборам и ИС, Гавайи, США, 1996 г.
[9] Т. Такахаши и др., «CSTBT (III) как IGBT следующего поколения», в 20-м Международном симпозиуме по полупроводниковым приборам и ИС, Орландо, США, 2008 г.
[10] К. Накамура и др., «Оценка колебательных явлений при обратной работе высоковольтных диодов», в 21-м Международном симпозиуме по силовым полупроводниковым приборам и ИС, Барселона, 2009 г.
[11] К. Накамура и др., «Усовершенствованная технология RFC с новой катодной структурой кольца ограничения поля для высоковольтного планарного диода», в 22-м Международном симпозиуме по силовым полупроводниковым приборам и ИС, Хиросима, Япония, 2010 г.
[12] К. Накамура, «Усовершенствованный диод RFC с использованием нового [13] Дж. Ф. Донлон, «IGBT следующего поколения 6,5 кВ», в сборнике трудов IEEE Conversion Congress and Exposition (ECCE), Питтсбург, США, 2014. [14] Х. Экель и Л. Сак, «Экспериментальное исследование поведения IGBT при коротком замыкании в открытом состоянии», в сборнике трудов 20-й ежегодной конференции IEEE Industrial Electronics, Болонья, Италия, 1994. [15] Хатори К. и др., «Технология упаковки для повышения циклической устойчивости HVIGBT», в сборнике трудов EPE ECCE Europe, Лион, Франция, 2020. [16] К. Зорн и др. [17] Б. Лутц и др., «Влияние относительной влажности на затухание поверхностного заряда на эпоксидных изоляторах», в сборнике трудов 9-й Международной конференции по свойствам и применению диэлектрических материалов, Харбин, Китай, 2009. [18] Н. Танака и др., «Надежная конструкция модуля IGBT, устойчивая к высокой влажности», в сборнике трудов PCIM Europe, Нюрнберг, Германия, 2015. [19] Хонда и др., «Высоковольтное краевое оконечное соединение устройства для широкого диапазона температур и влажности с использованием технологии управления поверхностным зарядом (SCC)», в сборнике трудов ISPSD, Прага, Чешская Республика, 2016. [20] К. Накамура и др., «Метод испытаний» [21] Y. Kitajima et al, «Модель оценки срока службы HVIGBT с учетом влажности», в сборнике трудов PCIM Europe 2017, Нюрнберг, Германия, 2017. [22] E. Wiesner et al, «Устойчивые к влажности и конденсации силовые модули IGBT высокого напряжения», Bodo''s Power Systems, сентябрь 2019 г. [23] E. Spahic, F. Schettler, D. Varma и J. Dorn, «Влияние технологии постоянного тока на сети электропередачи», в сборнике трудов 11-й Международной конференции IET по передаче электроэнергии переменного и постоянного тока, Бирмингем, Великобритания, 2015 г. [24] J. Fuhrmann, D. Hammes и H. Eckel, «Поведение высоковольтных IGBT-транзисторов при коротком замыкании», в материалах 42-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE, Флоренция, Италия, 2016 г.