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全新升级智能功率模块-可多输出25%的功率

发布日期:2021-11-01 浏览次数:746 来源:赛米控作者:网络
 

赛米控SKiiP 4现推出了新一代高性能pin fin散热器,对无铜底板设计和二极管/IGBT芯片分布分别进行了调整和优化,根据实际需求对二极管和IGBT芯片采用不对称分布的方式,这种方式为紧凑型风力变流器的发电机和电网侧带来了明显的优势。

 

20多年来,赛米控智能集成功率模块-也被称为SKiiP模块-已被验证是一种可靠的电能转换解决方案,尺寸紧凑,高度集成。除了关键的电力电子元件--半桥配置的IGBT和赛米控CAL 4F二极管--SKiiP模块还包含了门极驱动单元,超精确的电流、电压传感器和高效的散热器。

 



图1: 水冷散热器上带六个平行半桥的SKiIP 4 模块


不断变化和增长的风力发电变流器市场推动了SKiiP技术的发展和改进。电力电子器件必须可靠和坚固,在苛刻的环境条件下要保证正常运行。得益于采用了创新的封装技术,如烧结和压接技术,新一代SKiiP 4完全符合上述要求。

 

SKiiP 4模块的结构


SKiiP 4模块基于无铜底板设计,基板直接压在散热器的顶部。它们之间是一个预置的高效导热材料的薄层。图2展示了SKiiP 4半桥配置中的关键部件。





图2:SKiiP4半桥的分解图


图2所示的SKiiP 4 DCB是一个由两部分组成的基板,IGBT和二极管被烧结到该基板上,并从顶层压在散热器上。整个半桥设计确保来自压接过程中的力从上往下均匀地分布到三明治结构的母排上。这一点通过一层压力泡沫得以保证。三明治结构的母排由层状母排一层一层地堆叠在一起,中间是绝缘片。然后,这种压力被传递到下面的DCB基材上,而DCB基材又被均匀地压在散热器的表面上

 


传统的模块设计,使用基板上的铜层和绑定线连接来分解信号,这会损失掉一部分性能。相比之下,SKiiP 4有三个额外的母排层,确保(+)和(-)直流电压以及(交流)输出等信号被均匀地传输到DCB基板上。层级设计实现了功率模块的超低杂散电感,而多点接触确保了信号被 "向下 "传输到DCB基板上的指定点。除了从功率连接到芯片的超低杂散电感外,层状多点接触设计的另一个重要好处是这些信号在DCB基板上的分布非常均匀。这保证了静态和更重要的动态应力在各个芯片上的分布非常均匀。


由于这些设计细节,SKiiP 4半桥在大电流应用中具备了比传统模块更多的优势,其中之一是其卓越的鲁棒性,由于专门开发的全数字SKiiP 4驱动器,这一关键特性愈加凸显。门极驱动器的整个逻辑电路被集成到赛米控开发的ASIC中,只需几个外部元件就可以工作,并由高速处理器控制。为了检测危险情况,驱动器监测DCB基片温度、驱动器温度、来自集成的快速和精确的闭环电流传感器的信息以及退饱和检测信号。必要时,驱动器会启动IGBT软关断作为响应,并通过数字接口将故障情况反馈给主控单元。


为了确保高度的灵活性和可配置性,很多参数、保护功能和安全限制可以通过CAN总线接口设置。SKiiP 4还有一个故障穿越(FRT)模式,可以在需要时激活,这在双馈异步发电机(DFIG)应用中经常会用到。可编程数字驱动器通过CAN接口为客户提供了大量的配置选项,并带有各种可调整的灵活选项,这意味着在很大程度上可以满足不同客户的特定功能和接口设计变化的需求。


可靠和耐用性

 

除了SKiiP 4半桥的耐用性和许多不同的驱动保护功能外,其他因素也极大地影响了其在现场的可靠性--环境条件或功率模块在现场的运行状况,包括作用在原件上的应力,在风力变流器市场中,湿度和温度以及负载循环能力发挥着重要作用。SKiiP 4基本上是在3K3级气候条件的基础上开发的,如温度/湿度图(图3)所示,然而在关键点上SKiIP 4可实现大幅的扩展。

 



图3:3K3级气候条件(黑色)和SKiiP 4实现的扩展区域(红色)


从较高和较低的温度区域可以看出,SKiiP 4(红色)的额定应用环境条件远远超出了3K3级条件(黑色)的限制,体现了这一集成了功率级、驱动器和电流传感器等的复杂组件的耐用性,特别是在近海风力发电的应用中。实际上,风力发电功率单元的运行条件并不完全被包括在3K3的运行等级中。虽然风机在运行长达数年时并无问题,但后续也可能会出现过早的使用故障,从综合调查的结果来看,已知的一个重要原因就是气候条件所导致的。开发合适的模块封装可以大大降低故障率,如根据数据统计,SKiiP 4故障率要远远小于具有较少保护功能的功率模块的故障率。这不仅适用于热循环能力或湿度敏感性,也适用于负载循环能力,这是功率模块设计中的一个关键参数,特别是对于发电机侧的电子原件

 

除了少数例外,大多数现代风电系统使用背对背设计的变流器(图3a):一个电网侧变流器,工作在50/60赫兹的输出频率,一个发电机侧变流器,通常工作在不超过几个赫兹的输出频率(DFIG和直接驱动)到超过100赫兹(永磁和感应发电机)。




图3a:满刻度背对背转换器(直驱)


在低频率下运行会导致电力电子元件出现明显的温度波动,在这种情况下,负载电流在二极管和IGBT之间被交替控制。由于可分配给二极管和IGBT的热容量有限,输出频率越小,温度上升越高。对于发电机侧的功率模块,这会产生特别高的负载循环,影响了芯片本身的机械连接和与DBC基板以及绑定线的连接,导致了老化的加速。还要特别指出的是,大面积的DCB与芯片的连接对负载循环造成的应力特别敏感。

 

烧结


早在2007年,赛米控就开发了一种用于连接芯片的烧结工艺,并首次引入在SKiiP 4系列的功率模块中。在这里,芯片和DCB之间并不是传统的焊料连接,而是在无尘环境和高压下通过银粉烧结进行连接,其熔点温度大约是传统焊料的四倍,从而在金属化的芯片底部和DCB基材的金属表面之间形成极其牢固和持久的连接。

 

然而,烧结并非没有挑战。原因是由于烧结的巨大应力会施加在精细的硅芯片结构上。对烧结连接所能承受的负载循环次数的研究表明,烧结芯片连接的负载循环能力是传统焊接连接的六到八倍。因此,当涉及到实现应用的高可靠性时,烧结是至关重要的,这在风力变流器中是绝对必须的,特别是在发电机侧。赛米控使用的烧结工艺在持续不断改进,进一步提高可靠性。除了高负载循环能力外,最高结温在确保变流器安全可靠地运行方面也起着重要作用,要求芯片的热损耗可以被有效地被耗散。


冷却


在今天的工业变流器和光伏系统的太阳能逆变器市场中,基于风冷冷却系统是最广泛的解决方案。当涉及到风能应用时,水冷散热器已被证明是最有效的,因为风能变流器必须满足高功率密度和性能要求。SKiiP模块配有水冷或风冷的散热器。

 

高性能散热器(HPC)


自2021年初以来,SKiiP 4已可提供专门开发的高性能pin fin散热器,作为现有水冷散热器的替代。两种不同的SKiiP 4散热器,已经对SKiiP 4的无铜底板版本进行了优化,如下所示(图4a为传统水冷器,图4b为新的高性能散热器)。

 



图4a: 传统的星形散热器图4b:新型高性能散热器(HPC)


传统形状的散热器(图4a)上的芯片的热阻在很大程度上取决于芯片的位置。这是由于每个芯片与该散热器中的集中水通道之间的距离不同。与制造限制有关,在IGBT和二极管中产生的功率损耗通过铝到水通道的路径相对较长。新的pin fin高性能散热器设计提供了更有利的条件。散热器的横截面显示,热量从芯片到水的距离要短得多,并且更均匀地分布在整个DCB基板上的所有芯片。针对无铜底板SKiiP 4半桥上各自的芯片尺寸和芯片位置,对pin fin设计的几何形状进行了优化。因此,在类似的冷却剂流速下,安装在高性能散热器上的DCB表面的芯片的热阻大约是先前的水冷散热器的一半,而对于压力的损失只是略高一些而已。

 



图5:使用SKiiP 4的更高输出电流,传统NHC300散热器和新的高性能散热器(HPC)的可能电流


对于安装在高性能散热器上的新SKiiP 4,输出电流增加了约25%,即在相同的结温增加的情况下,功率增加25%。图5显示了传统散热器(NHC300)和新的高性能散热器的最大结温与输出电流的关系。

 

该数据是使用新的网络模拟工具SEMIKRONSEMISEL V (https://semisel.semikron.com/)生成的,指的是基于VDC = 1150 V, m = 0.85, cos() = 0.85,fc = 2.5 kHz, Tw = 55 °C (16 l/min 50 % 乙二醇) 的HPC上的新SKiiP2414GB17E4-DUHP。


能够实现这种巨大的功率增长的主要原因之一是,从芯片中产生的功率损失的位置到水流的路径很短,也就是在设计中减少了额外的底板。这意味着可以以更优惠的单位功率价格建造功率密度大得多的紧凑型变流器。

 

对于SKiiP模块,已经在全球领先制造商制造的风力变流器中得到了广泛使用,这基本上开启了将其作为升级的一部分进行改造的可能性。这意味着可以用一个新的SKiiP型号取代现有风力变流器中的标准SKiiP,从机械设计的角度来看,该新型号是兼容的,但其输出功率增加25%。其结果是以最少的时间和精力大大增加了输出功率。两侧各有一个SKiiP 4模块的双面散热器设计(图6)带来了功率密度的进一步改善,也使得直流回路的设计更加简易。



 
图6:HPC上的双SKiiP


为了更好地了解双面SKiiP 4如何适应直流回路设计(此处未显示)--例如作为一个组件--图6显示了一些可选的附加部件,如连接双面SKiiP与直流回路的DC(+)和DC(-)的叠层母线结构,两条供水管道和安装支架。双面高性能散热器(DHPC)有两个独立的内部pin fin并联,这意味着它的工作方式与两个独立的高性能散热器相同,可以很容易地使用新的SEMISEL V工具进行模拟。

 

这种特殊的设计使直流回路的排布变得更加容易,其中一个SKiiP被定位在DHPC的一侧,例如用在发电机侧,而DHPC另一侧的SKiiP被分配到电网侧。这将确保部分电流以最短的路径从发电机侧通过直流回路到达电网侧。同时,这将使直流回路电容器的损耗和纹波电流低于距彼此有一定距离的单独的用于发电机和电网侧变流器。


不对称的芯片分布


由于发电机侧的频率相对较低,而电网侧的频率较高,以及电流的流动方向差异,功率等级必须满足的要求会有很大的不同。根据所使用的发电机的类型,很可能在发电机侧需要更强大的二极管,这不是标准模块所能提供的。最简单的选择是增加更多的标准半桥,创造应用所需的二极管空间。然而,这将增加整体体积,并意味着购买的IGBT芯片面积没有被充分使用,这并不是理想的方式。


由于独特的多点接触母线设计和由此产生的在DCB基板上极其均匀的信号分布,SKiiP 4半桥比传统模块设计有一个非常关键的优势。在DCB基板上,分配给二极管的总芯片面积比例可以增加,而不会对DCB基板造成严重的不良电流分布影响。在实践中,这意味着为客户提供标准半桥的SKiiP 4或特定应用的变化的SKiiP 4模块首次成为可能,并且由于非对称芯片分布的可能性,部分IGBT的性能可以陆续被二极管的性能所取代。如果需要,指定的二极管空间甚至可以增加到50%,而不需要额外的半桥。

 

这种调整对那些低额定频率和高输出电压的发电机特别有意义。应用表明,由于烧结连接带来的高负载循环能力,SKiiP 4半桥的二极管空间即使只增加13%至大约20%,也能轻松实现必要的使用寿命。

 

 

双面高性能散热器与不对称芯片布局相结合,使功率模块更紧凑、适应性更好,同时减少了原材料的使用,实现了巨大的成本节约。


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