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新型2.0kV级LV100 IGBT模块

  【2022.10.25.】

  新型2.0kV级LV100 IGBT模块使1500伏逆变器的设计更加简便,功率密度更高,由于其简化的逆变器设计和布局、更高的功率密度和高水平的可扩展性,正在提供一种有竞争力的解决方案。
  在1500VDC应用中使用1700V的IGBT功率模块有很多无法预测的转换器故障的风险。相反,新开发的2.0千伏级IGBT模块使简单的2级拓扑结构在1500VDC可再生能源逆变器系统中得到了可靠和有效的应用。
  传统的具有1700V阻断电压的IGBT是为690VAC网络中的电机控制应用要求而设计的,其中直流链路电压通常约为970V,最大低于1200V。对于可再生应用,需要更高的直流链路电压,最高可达1500V,这是低电压指令(2014/35/EU)的限制。因此,在可再生应用(如光伏和风能转换器)的要求下,已经开发并评估了LV100外壳的新型2.0kV级IGBT。新的2.0 kV级IGBT解决方案已经与现有的选项,如1700 V级IGBT或1200 V级IGBT在3级NPC拓扑结构中的功率损耗、工作温度、功率密度、机械设计限制和长期直流偏置稳定性(LTDS)进行了比较。

  2.0 kV IGBT的发展背景
  近年来,1500V的直流电压已经成为公用事业级光伏电站的标准。光伏板尺寸过大,将中央光伏逆变器的MPP(最大功率点)电压甚至连续运行电压推高到1400V。在具有经典的690VAC电压的风力转换器中,考虑到无功功率需求,需要超过1200VDC的直流链路电压。此外,高压穿越等电网事件会导致短期内直流链路电压升高。另外,更高的风力转换器输出电压,如900VAC,被考虑用来降低系统成本。因此,在风力变流器中,电压更接近1500 VDC/1000 VAC的低压指令边界。一个类似的趋势是在电池储能系统的应用中。由于1700V等级的IGBT在这种工作条件下的限制,需要一种新的2.0kV等级的IGBT,以使2级拓扑逆变器在所需的直流链路电压下可靠运行。
  LV100功率模块封装已被选定用于实现新的2.0kV芯片组,以满足大功率可再生变流器系统对高额定电流和卓越功率密度的要求。

  1700V功率模块的局限性
  1700V是IGBT功率模块的既定电压等级--特别是因为它们很适合690VAC系统,该系统经常用于大功率的工业应用。然而,如果用于1500直流电压的应用,有很高的风险,为什么不应该使用1700V的IGBT。
  一个众所周知的故障机制是由宇宙射线引起的自发故障。它指的是由宇宙辐射和地球大气层渗透产生的粒子,干扰功率模块中的半导体。在一定的概率下,这种干扰可能导致半导体失效。重要的是要注意,宇宙射线故障是一种随机故障,可以在任何时候以一定的概率发生。这个概率在使用寿命内是恒定的,与磨损性故障不同,后者的故障概率随着功率模块工作时间的增加而增加。
  宇宙射线故障的概率主要取决于功率模块的电压等级和应用电压。故障概率,或者说故障率,是在实验室里测量的,最后表示为LTDS能力[8]。这些测量结果表明,LTDS能力1700V的功率模块对于1500V的直流应用是不够的。在1400 V - 1500 V下运行将导致随机的现场故障,故障率高得令人无法接受。这一点将在下面进一步讨论。
  除了宇宙射线故障,峰值过电压是在高直流链路电压下操作功率模块的另一个限制。在功率模块关闭期间,由于主电路中的固有电感,包括功率模块、母线和直流电容器的寄生杂散电感,会诱发瞬时过电压。这个电压加起来就是直流链路电压。直流链路电压和瞬态过电压的总和应始终保持在半导体的击穿电压以下。很明显,当一个1700V的IGBT功率模块在1500V下运行时,过电压的空间只有200V。
  这在技术上只有在考虑严重的电流降额和大量降低开关速度的情况下才是可行的。因此,半导体的损耗增加,转换器的效率降低,转换器的输出功率也将降低。
  考虑到宇宙射线故障和过电压降额,1700V级的功率模块显然不适合开发1500V直流链路的转换器。开发一个不可靠的、低效的和总体上没有竞争力的转换器的风险是显而易见的。

  三菱的2.0kV功率模块
  三菱电机为直流链路电压高达1500V的转换器提供的解决方案是一个新开发的T系列2.0kV功率模块。该功率模块采用了最新的第7代IGBT和RFC(阴极弛缓场)二极管。如图1所示,与最先进的LV100封装一起,该功率模块提供了高功率密度和简化的并联。新的2.0 kV CM1200DW-40T正在扩大全面的LV100和HV100阵容,如表1所示。

图1
  图1.采用LV100封装的新2.0kV功率模块

表1
  表1.LV100和HV100系列

  图2显示了IGBT和二极管芯片的示意图截面。RFC二极管结构具有轻度分级掺杂的薄LPT(II)N缓冲器,在阴极侧有浅的N+和P层的组合,有助于在低正向电压下获得2.0kV的充分阻断特性。RFC二极管结构可以抑制高直流链路电压下的振荡,而不会破坏低Err与VF特性。

图2
  图2.第七代IGBT芯片(左)和RFC二极管芯片(右)的横截面图

  当把阻断电压能力从1700V提高到2.0kV时,可以预期正向电压和/或开关能量会增加。在开发2.0kV功率模块的过程中,已经对这种影响进行了彻底的调查。图3显示了不同电压等级的IGBT正向电压VCEsat与关断能量Eoff的关系。我们可以看到,虽然不同电压等级的权衡曲线发生了变化,但对于2.0 kV模块来说,它能够保持与1700 V器件类似的VCEsat。图4同样显示了二极管的正向电压Vf与反向恢复能量Err的关系。对于2.0 kV功率模块的最终设计,选择了一个具有低正向电压的二极管。

图3
  图3.不同电压等级IGBT的权衡特性

图4
  图4.不同电压等级二极管的权衡特性

  正如前面所讨论的,对于1700V的功率模块,长期直流稳定性(LTDS)是1500V应用的瓶颈之一。现在,图5显示了1700 V和新的2.0 kV器件的测量故障率的比较。如测量结果所示,新的2.0千伏器件的LTDS能力得到了明显的改善。

图5
  图5.不同电压等级功率模块的1200A的LTDS曲线

  图3至图5很好地展示了功率器件损耗和LTDS能力之间的权衡。我们相信,2.0 kV功率模块是一个高效、坚固和平衡的解决方案,适用于许多1500 VDC应用。

  3级拓扑结构的基准测试
  正如所解释的,基于1700V IGBT的2级拓扑结构被认为是不可靠的,因为余量不足和宇宙射线引起的故障率。传统上,基于1200V IGBT的3级(A)-NPC拓扑结构被用于1500VDC逆变器。这种传统的方法已经与基于新的2.0kV级LV100 IGBT模块的新型简化2级解决方案进行了比较。

  a) 应用条件
  对于具有1500直流电压的逆变器,最流行的可用解决方案是基于1200V IGBT的3级拓扑结构。

图6
  图6.电路拓扑结构

  因此,通过比较基于3个1200A/1200V型LV100模块CM1200DW-24T和2.0kV CM1200DW-40T的3倍并联配置的3级拓扑结构,进行了基准和评估。直流链路电压的标称极限由低电压指令确定,VDC=1500V。对于连续运行,为了评估功率损失,选择了稍低的电压VDC=1400 V。作为冷却方法,已经假定了液体冷却水槽,这是目前风力转换器系统的技术水平。功率因数为1,开关频率为2.5 kHz,这是中央光伏和电网侧风力变流器逆变器单元的典型值。对于3级解决方案,由于考虑到可比的滤波电感值,其一半的开关频率为1.25 kHz,因此具有相同的电流纹波。详细的操作条件在表2中说明。

  b) 功率损失和热性能
  在这些条件下,对损失和温度进行了评估。结果显示在图7中。可以注意到,1200 A / 2.0 kV LV100样品(CM1200DW-40T)的最大结温为129℃,远远低于Tvjop=150℃和Tvjmax=175℃的限制。对于3级NPC配置的1200 A / 1200 V模块,已经考虑了同样的冷却性能。然而,最大结点温度达到145°C,接近规定的温度极限。其背景是,在3级NPC拓扑结构中,损失集中在一些半导体器件上。外侧的IGBT Tr1和Tr4在一个巨大的占空比下工作,必须传导整个逆变器的输出电流幅度,而在2级拓扑结构中,并联的器件分享电流。

表2
  表2.应用条件

图7
  图7.2级2.0kV和3级1200V逆变器中IGBT和二极管的损耗和温度评估结果

  因此,IGBT Tr1和Tr4的传导损耗高达827 W。此外,IGBT Tr1和Tr4也参与了开关操作,必须加上235 W的开关损耗。因此,IGBT的总损耗为1061W,比2级配置的2.0kV IGBT损耗高出约47%。这种高损耗集中导致了3级拓扑结构中外部IGBT的高温上升。高结温限制了变频器的总输出功率性能。考虑到3级拓扑结构中150°C的结温限制,均方根输出电流必须限制在1250A。而在2.0kV样品的2级拓扑结构中,均方根输出电流可以提高24%,即1500A。

图8
  图8. 2级(3个并联的1200 A/2.0 kV)和3级(3个1200 A/1200 V的(A)-NPC配置)的最大结温与逆变器输出电流

  c) 开关频率
  可以注意到,在2级2.0kV拓扑结构中,开关频率为2.5kHz,开关损耗占主导地位,为69%。而在3级1200V拓扑结构中,传导损失占主要份额,为97.6%。因此,我们认为3级逆变器将有利于提高开关频率。因此,已经进行了模拟,以比较3级和2级逆变器的结点温度相关性。在高达9kHz的开关频率范围内,2级变频器的结温较低。从0到1kHz,3级逆变器受限于内部IGBT Tr2和Tr3的结温。在功率因数cos(φ)=1时,由于纯粹的传导损耗,Tr2和Tr3的损耗和温度与开关频率无关。对于超过1kHz的开关频率,外部开关Tr1和Tr4在热上限制了3级逆变器。在2级逆变器和给定条件下,IGBT Tr1和Tr2显示出最高温度。然而,由于3级逆变器中的半开关直流链路电压,开关频率可以降低50%,以达到与2级逆变器相同的交流输出滤波电感值的电流纹波。因此,3级逆变器也考虑到了这种开关频率的降低。结果显示,在3.5 kHz(2级)和1.75 kHz(3级)的开关频率下,2级逆变器与2.0 kV级IGBT的结温更低,输出电流能力更高。对于开关频率高于3.5 kHz(2级)和1.75 kHz(3级)的情况,从温度角度看,使用3级逆变器是有益的。总之,最佳逆变器拓扑结构的选择取决于开关频率。通过使用不同的调制方法,如具有较低开关损耗的DPWM,3.5 kHz的突破点可以转移到一个更高的开关频率水平。

图9
  图9. 3级和2级逆变器的最大结点温度与开关频率的关系。虚线考虑了3级拓扑结构的一半开关频率

  逆变器设计中的优势
  LV100外壳中的2.0kV级IGBT模块可以为直流电压高达1500V的逆变器使用简单的2级拓扑结构,通过避免更复杂的3级拓扑结构,可以简化设计。

  a) 换向电感
  由于涉及更多的串联器件,3级拓扑结构中的换向电感往往更高,超过100 nH 。特别是几个模块之间的换向,涉及更高的电感,导致更高的关断电压尖峰。在2级拓扑结构中,使用LV100封装的低换向电感设计可以通过使用层压母线设计轻松实现。
  b) IGBT栅极驱动器
  为了控制一个3级NPC逆变器,每个相腿需要4个单独的栅极驱动器通道。因此,整个逆变器需要12个控制信号和栅极驱动器通道。ANPC(有源中性点钳位)拓扑结构在钳位部分每相配备了2个额外的有源IGBT开关。最近,这种A-NPC已经变得很流行,因为有额外的换向路径,可以减少换向电感和分享内部开关的损失。然而,通过这种拓扑结构,需要6个单独的栅极驱动通道来驱动一个3级A-NPC相腿。因此,一个总的3相逆变器需要18个栅极驱动通道。这比传统的2级逆变器所需的6个栅极驱动通道高三倍。由于有三个并联的模块,2级逆变器每个通道所需的门驱动器功率更高。然而,由于减少了所需的绝缘电源、信号绝缘元件(如光耦合器、信号变压器或光纤)和实现保护功能的元件(如短路、欠压或主动钳位)的数量,预计可以节省费用。此外,LV100封装是专门为功率模块的并联而设计的。
  c) 母线和散热片
  设计 为了实现3级拓扑结构,每个相腿必须连接3个半桥模块。对于模块的相互连接,需要额外的母线。此外,直流母线必须由三层组成,而不是两层的2级拓扑结构。因此,在3层拓扑结构中,母线的结构和模块的安排更加复杂,这在图10中可以看到。
  在2级拓扑结构中,模块可以被放置在一个简单的线路中。通过这种简单的线路安排,可以很容易地实现在模块和芯片下面有简单冷却通道的水冷器。另外,在风冷系统中,简单的线路安排被认为是有益的,因为所有模块都可以实现均匀的冷却。在3级设计中,模块在散热器上的位置必须考虑到杂散电感,这就不能形成图中所示的简单线路安排。10.因此,冷却器的设计更加复杂,有可能出现不均匀的冷却条件。

图10
  图10.模块和母线布置的例子,包括驱动器PCB板

  d) 功率的可扩展性
  LV100 IGBT模块外壳概念是为并联运行而设计的。在这次评估中,考虑了三个模块的并联,实现的输出功率为1800千瓦。这导致每个模块的功率为600千瓦。通过选择模块的数量,输出功率可以很容易地根据实际应用要求以600千瓦为单位进行调整。因此,2级逆变器中的2.0kV IGBT提供了高水平的可扩展性。在3级变频器中,并联配置被认为是困难的,因为并联模块导致外部换向回路中的开关和距离变宽,从而导致更高的换向电感。并联的功率大小为1800千瓦,比2级系统的600千瓦大三倍。因此,不可能经济地将输出功率扩展到中间值。

  总结
  事实证明,新的CM1200DW-40T 1200 A / 2.0 kV LV100模块与3级(A)-NPC逆变器相比,可使1500 VDC可再生逆变器系统的功率密度提高24%。此外,通过利用2.0 kV IGBT模块的2级拓扑结构来实现1500 VDC逆变器的简化设计、低杂散电感、减少栅极驱动通道的数量以及高水平的可扩展性等优点。LV100封装的1200 A/2.0 kV IGBT模块(CM1200DW40T)的功率损耗、LTDS和热特性已被分析,并与3级配置的1200 A/1200 V模块(CM1200DW-24T)进行比较。该比较是在可再生应用的1500直流电压逆变器的典型条件下进行的。通过在使用2.0kV功率模块的2级逆变器中的均匀分布的功率损耗,与功率损耗在IGBT之间不均匀分布且主要在外部IGBT中产生的3级NPC逆变器相比,输出和功率密度可以增加24%。

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