Силові модулі HVIGBT серії X на 1700 В з відмінною продуктивністю та надійністю

Силові модулі HVIGBT серії X на 1700 В з відмінною продуктивністю та надійністю

Високопродуктивні силові модулі HVIGBT на 1700 В забезпечують надійні рішення для залізничного транспорту.

Залізничний транспорт вимагає високоякісних та ефективних компонентів, особливо перетворювальних приводів з надійними та міцними комутаційними пристроями. Загальноприйнятою практикою є використання IGBT-модулів на 1700 В для безпосередньої роботи на контактній лінії при напрузі постійного струму нижче 1000 В або в 3-рівневій конфігурації для напруги постійного струму контактної лінії вище 1000 В.

Автори: Ойген Візнер, доктор Нільс Зольтау MITSUBISHI ELECTRIC EUROPE B. В. Нобухіко Танака MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION

Mitsubishi Electric постійно покращує якість своїх силових IGBT-модулів, керуючись трьома ключовими концепціями:

• Міцна конструкція силового модуля з великою безпечною робочою зоною
• Низькі втрати потужності завдяки використанню інтегральних схем останнього покоління
• Контроль якості за допомогою спеціалізованих виробничих ліній та відстеження

Mitsubishi Electric має багаторічний досвід та довгу історію розробки модулів на 1700 В для залізничного застосування з початку цього року століття. Цього року MITSUBISHI ELECTRIC представила останнє покоління силових модулів IGBT на 1700 В, що називаються серією X, які відповідають вимогам залізничного транспорту. На рисунку 1 показано історичний розвиток модулів HVIGBT на 1700 В, демонструючи постійне зниження прямої напруги IGBT. Пряма напруга IGBT сприяє зменшенню втрат потужності перетворювача. Зниження прямої напруги IGBT послідовно досягалося протягом розробки кожної серії. Значним кроком у зниженні прямої напруги стало впровадження структури щілинного затвора на початку 2000-х років. [1]

Рисунок 1: Хронологія зниження прямої напруги 1700V IGBT.

Для подальшого зниження прямої напруги було оптимізовано структуру IGBT та використано тонші пристрої. Найновіша серія X 1700V використовує передову технологію схем 7-го покоління в поєднанні з подальшим зменшенням товщини IGBT. Крім того, було проведено кілька оптимізацій на задній стороні схеми (з боку колектора).

Коло	Розміри	Номінальний струм	Назва типу
Одинарний 1 в 1	190 мм x 140 мм	2400A 3600A	CM2400HCB-34X CM3600HC-34X
Одинарний 1 в 1	130 мм x 140 мм	1600A 2400A	CM1600HC-34X CM2400HC-34X
Подрібнювач	130 мм x 140 мм	1200A	CM1200E4C-34X
Подвійний 2 в 1	100 мм x 140 мм	1000A 1200A 1200A	CM1000DC-34X (Si) CM1200DC-34X (Si) CMH1200DC-34X (гібридний SiC)

Таблиця 1: Серія X 1700V

Серія X 1700V включає три типи модулів. Перший – це стандартний корпус з розмірами 190 мм x 140 мм. Другий – також стандартний корпус з розмірами 130 мм x 140 мм. Третій – це новий стандартний подвійний корпус з розмірами 140 мм x 100 мм. Повний вибір модулів IGBT серії X 1700V наведено в таблиці 1.

Високострумові одиночні модулі HVIGBT серії X 1700V

Стандартні модулі «1 в 1» були повністю перероблені порівняно з попередньою серією N. Розташування мікросхем всередині модуля було оптимізовано для кращої теплопровідності та тривалішого терміну служби при циклічному згорянні та перемиканні живлення. Усередині модуля використовується нещодавно розроблений високопродуктивний кремнієвий гель. Робочі температури тепер коливаються від -50°C до 150°C. Нові модулі серії X будуть сертифіковані UL. Крім того, ці модулі пройшли випробування на вологість під час процесу кваліфікації. Це важливий фактор для експлуатації в суворих умовах залізничного середовища.

Рисунок 2: Характеристики окремих модулів серії X 1700 В

Рисунок 3: Моделювання розсіювання потужності в серії X за таких умов: V_CC=850 В, I_peak=1200 А, PF=0,85, M=1, f_sw=1 кГц, f_o=60 Гц, T_j=125°C.

Стандартний тип корпусу доступний на ринку вже багато років. Виробники перетворювачів довели на практиці надійність перетворювачів, що використовують цей тип корпусу. Тепер можливо підвищити ефективність перетворювача, використовуючи новітню технологію модулів серії X. Малий корпус (130 мм x 140 мм) є улюбленим вибором для компактних систем з водяним охолодженням. Великий корпус (190 мм x 140 мм) з низьким тепловим опором між корпусом та радіаторами особливо привабливий для систем з повітряним охолодженням. На рисунку 3 показано потенціал зменшення втрат потужності для одного пристрою серії X CM2400HCB-34X порівняно з попередньою серією N.

Подвійні модулі серії X LV100 на 1700 В

Стандартний корпус LV100 був розроблений для розміщення високошвидкісних комутаційних пристроїв, таких як модулі серії X на 1700 В та модулі з технологією карбіду кремнію (SiC). Низькоіндуктивна структура корпусу є однією з ключових переваг цього пристрою.

Завдяки низькій індуктивності корпусу та зручному підключенню DC-Link, можливо вимикати пристрій при високому струмі без збільшення опору затвора вимикання. Результати вимірювання вимкнення IGBT за максимальних умов вимкнення V_CC=1200 В, I_C=2400 А, R_g(off)=R_g(nominal), L_s=40 нГн та T_J=150°C показано на рисунку 4. Навіть за цих умов імпульс напруги перевищує максимальну блокувальну напругу 1700 В.

Рисунок 4: Вимкнення CM1200DC-34X за високого струму та максимальної напруги DC-Link

Крім того, у модулі LV100 було покращено ефективність діодів. Порівняно з попередньою серією S, пряма напруга діода була зменшена більш ніж на 15%. Водночас енергія зворотного відновлення була зменшена більш ніж на 25%.

Щільність струму в корпусі LV100 була збільшена приблизно на 30%, з 13,2 А/см² для пристрою CM2400HC-34N до 17,1 А/см² для пристрою CM1200DC-34X. Для роботи з високим вихідним струмом пристрій має три гвинти на вихідному клемі змінного струму.

Характеристики провідності IGBT та FWDi мають позитивні температурні коефіцієнти, що важливо для належної паралельної роботи модулів.

Крім того, цей корпус забезпечує гнучкість масштабування потужності перетворювача шляхом паралельного підключення модулів. Це також створює додаткову проблему для розробника перетворювача. Щоб подолати цю проблему, запропонований еталонний тестовий набір [2] може бути використаний з цими модулями.

Короткий виклад

Представлена ​​серія X на 1700 В використовує найновіші технології мікросхем та корпусів. Модулі пропонують чудову надійність у поєднанні з низькими втратами потужності та гнучкістю.

Посилання

[1] С. Юра, Е. Суекава, К. Морішіта, М. Кога, Е. Таль. «Нові модулі IGBT на 1700 В з технологією CSTBT». PCIM Europe 2004.
[2] Д-р Дж. Вайгель. «Паралельне підключення потужних модулів: стандартний тестовий набір для оцінки невідповідності струму, пов'язаної з модулем». EPE’18 ECCE Europe.