提高4.5kV IGBT模块的功率密度

作者

Kazuto Mikami, Kenji Hatori, Victor Tolstopyatov, Nils Soltau

简介

2020 年，三菱电机宣布推出额定电压3.3kV的HV100功率模块[1]，采用X系列芯片组。如图1所示，HV100封装易于并联，换流杂散电感低，绝缘电压为10.2kV，具有很高的灵活性。该封装设计初衷是为了满足未来铁路变流器的要求[2]。最近，三菱电机又发布了一款额定电压为4.5kV、额定电流为450A的HV100功率模块。本文将介绍这款新器件——CM450DE-90X，对比其与传统功率模块的优势，并展示其适用铁路、中压驱动或电力系统等应用的主要特性。

图1：HV100封装功率模块

CM450DE-90X采用三菱电机最新一代4.5kV X系列芯片，包括CSTBT™(III)和RFC二极管。这确保了低损耗、平滑的开关波形和过流工况下的高鲁棒性。

HV100的封装结构如图2所示。两个直流端子位于功率模块的一侧，而两个交流端子则位于另一侧。这样可以实现与直流母线电容的低电感连接和更简洁的变流器布局。中间位置为栅极驱动板提供了空间。当HV100功率模块并联时，驱动端子方便连接。可在并联IGBT模块的上面安装一块PCB板，来控制所有模块。此外，这种设计还可以通过增加（或减少）并联模块的数量来调整输出功率。

HV100封装采用MCB底板（Metal Casting direct Bonding，金属铸造直接键合）。它可以降低热导率，从而提高功率密度。与采用AlSiC底板的传统封装结构相比，结到壳的热阻降低了约30%。此外，MCB底板避免了底板焊接，而底板焊接层是传统功率模块封装中热循环寿命的制约因素。

图2：采用MCB底板结构的HV100功率模块截面图

更高的功率密度

下面将比较CM450DE-90X与传统190x140mm²功率模块的输出功率。例如，比较对象是两个传统封装的CM1350HG-90X单管IGBT模块和三个并联的CM450DE-90X半桥模块，两者额定电流相同。尽管额定电流相同，但图3显示HV100功率模块占用的散热面积减少了约20%。

图3：在相同额定电流下，HV100和传统封装的半桥结构尺寸比较

直流母线和半导体芯片之间的杂散电感是影响功率模块开关特性的因素之一，会严重影响其开关动作。高寄生电感会延长开通和关断过程，并导致关断时产生更高的电压尖峰。上述两种情况都会增加IGBT模块的开关损耗。由于HV100实现了更低的杂散电感，因此开关速度更快，开关损耗更低。与传统封装相比，4.5kV HV100在逆变模式（即图4a中的正功率因数）和制动模式（即图4b中的负功率因数）下可将变流器总损耗分别降低17%和18%[3]。

图4：变流器损耗计算结果

使用MelcoSim Ver.5.4.1[4]，计算三个CM450DE-90X并联与CM1350HG-90X和CM1200HG-90R（前一代R系列）的输出电流能力。结果如图5所示，与之前的R系列HVIGBT模块相比，X系列模块降低了损耗、优化了热阻，允许的最高工作温度也提高到Tj=150℃。由于上述因素，CM1350HG-90X模块的可输出电流比CM1200HG-90R增加了约17%。如果使用新型HV100半桥模块CM450DE-90X（三个并联），则可再增加12%。这是由于降低了开关损耗以及MCB底板优化了热阻。

图5：R系列HVIGBT、X系列HVIGBT和4.5kV HV100 HVIGBT的输出电流与载波频率之间的关系（条件：SPWM，Vcc=2800V，PF=+0.85，M=1，TS=80℃，Tj=Tjop）

并联运行

如前所述，HV100封装是专为更简单的并联连接而设计的，并联时，优化的端子布局方便连接母线电容和交流输出。下面将测量两个并联CM450DE-90X之间的均流情况。图6展示了测试装置，通过它可以测量N侧IGBT的单独电流。测试在室温、Vcc=2800V、总电流IC,total=900A（每个功率模块450A）和栅极电压VGE=±15V的条件下进行。

图6：测量两个并联CM450DE-90X之间均流的测试装置

图7(a)和(b)分别显示了两个功率模块在关断和开通时的均流情况。测试结果表明，电流在两个功率模块之间均匀分布，从而很好地利用了芯片面积。

需要注意的是，评估中使用的两个模块在特性上差异较小。关于功率模块参数变化对并联的影响，请参阅[5]。

（a）关断

（b）开通

图7：两个并联CM450DE-90X的均流（条件：Vcc=2800V，IC,total=900A，VGE=±15V，Tj=25℃，N-side）

高杂散电感下的开关

建议使用低杂散电感Ls的直流母线，以减少开关损耗和关断时的过电压。然而，并不是所有的变流器设计都能实现低Ls值。在某些情况下，例如在多电平变流器中，存在较高的Ls，应保证功率模块也能安全可靠运行。图8显示了4.5kV HV100在Ls=100nH和400nH条件下关断时的开关波形。可以看出，即使Ls高达400nH，最大VCE电压也仅达到3600V左右。有关高杂散电感的进一步测量结果，请参见[3]。总之，CM450DE-90X即使在杂散电感较高的情况下也能正常工作，其VCES有足够的余量，并且不会产生振荡。

图8：分别在Ls=100nH和Ls=400nH情况下，比较4.5kV HV100的开关波形（条件：Vcc=2800V，Ic=450A，VGE=15V，Tj =150℃）

过电流时的鲁棒性

功率模块的鲁棒性是变流器主要要求之一，尤其是在铁路或电力系统等责任重大的应用场合。RBSOA（反偏安全工作区）是评估IGBT模块鲁棒性的典型方法。该特性显示了功率模块在IGBT关断时承受一定电压和电流的能力。图9中用黑色曲线显示了CM450DE-90X规格书限定的RBSOA。该图中，实际型式试验测量结果以橙色曲线显示。经证实，CM450DE-90X样品即使在2700A（6倍额定电流）的情况下也未发生故障。这证明了CM450DE-90X的鲁棒性，在可能发生的意外过流工况时，为变流器制造商和终端用户提供更大的安全裕量。

图9：规定的RBSOA和评估结果（Vcc=3400V，Tj=150℃)

总结

本文介绍了采用HV100封装的新型4.5kV/450A功率模块CM450DE-90X。该功率模块采用MCB底板和最新一代芯片，具有10.2kV绝缘电压和卓越性能。特别是在增加功率密度、方便并联和过流工况下的鲁棒性等方面进行了讨论。事实证明，CM450DE-90X能够满足未来变流器的要求。

新型CM450DE-90X扩展了LV100/HV100产品阵容。除CM450DE-90X外，还有额定电压为1.7kV和3.3kV的其他功率模块可供选择。表1列出了LV100/HV100完整产品系列。

表1：HV100和LV100功率模块阵容

参考文献

[1]Mitsubishi Electric Corporation, Mitsubishi Electric to Launch HV100 dual type X-Series HVIGBT Modules, Tokyo, Japan, 2020.

[2]N. Soltau, E. Wiesner, R. Tsuda, K. Hatori and H. Uemura, "Demands by Future Railway Converters and How They Change Power Semiconductor Modules," in Bodo's Power Systems, Jul 2021.

[3]K. Mikami, K. Hatori and N. Soltau, "4.5 kV HV100-type HVIGBT Module for Large Industrial Equipment," in PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2023.

[4]Mitsubishi Electric Corporation, "Mitsubishi Electric Power Module Loss Simulator Melcosim," [Online]. Available: https://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/simulator/index.html.  [Accessed 19 May 2023].

[5]Y. Ando, J. Sakai, K. Hatori, N. Soltau and E. Wiesner, "Influence of IGBT and Diode Parameters on the Current Sharing and Switching-Waveform Characteristics of Parallel-Connected Power Modules," in 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'22 ECCE Europe), Hanover, Germany, 2022.