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IGBT4500V 大功率 IGBT 模块的发展和应用潜力

编辑:湖北英特利电气有限公司时间:2018-04-14

1.介绍 

直流断路器[1-4]和多GW的VSC-HVDC[如 5-6]的应用前景呼唤着功率半导体向更大功率,更大电流等级迈进。

 

2.IGBT模块的设计

 4500V IGBT模块具有以下几点特征:

 a) SPT+ 芯片技术实现了软开通和鲁棒性 [7]

b)独特的模块设计保证每个芯片单独承接由位移决定的弹簧压力[8-9]。

如图1中所描述的,弹簧压接柱配以两个有缓冲作用的金属薄片, 对直接焊接在基板上的芯片发挥出很确切和均匀的压力, 因此在保证芯片不因机械应力集中而受创伤的同时创造了一个低电阻导通路径。

 图1

 

借助于此各自独立的压装接触,IGBT模块在失效时, 就会呈现短路状态, 负载电流/浪涌电流(在最坏情况下由失效芯片承担)至少1分钟。IGBT的短路失效模式以及防爆外壳封装,可提供优良的防爆等级(高达1MA短路电流)。


3.性能特征

4.5kV SPT+ IGBT芯片的主要优势是高关断鲁棒性和开关可控性 [7]。

图2为StakPak IGBT 4500V/3000A模块的关断测试波形图,该测试为所有4.5KV SPT+ StakPak模块出厂检验的一部分。其测试条件为:结温Tvj 125°C,门极电阻8.2 Ω,母线电压3400V ,电感Lσ=200 nH,安装压力:80KN。

 

图2:4500V/3000A IGBT SOA关断测试波形:Ic=6000 A, VDC-Link=3400 V, Tj=125 ᵒC, VGE=15V, Lσ=200 nH, F= 80 kN


 图3:4500V/3000A 在Tvj 125°C时的Ic-Vce特性与Vge的曲线图

 

图3为4500V/3000A 在125°C时的Ic-Vce特性与Vge的曲线图。 显而易见,退饱和电流(即电流上升曲线变得平缓的位置)随Vge逐渐上升而上升。退饱和电流值在Vge=19V时达到15000A左右(测至13000A),大约为5倍Ic,其中13000A对应的Vce为9.4V左右。


4.性能仿真和可靠性评估  

图4所示是两电平逆变器的相电流输出仿真结果,器件分别为 a) StakPak 4500V/3000A,b) StakPak 4500V/2000A, c) HiPak 4500V/1200A。

仿真所设定的各项参数值为:Vdc=2800V, Tvj=125°C,输出频率50Hz, 调制系数1.0, 负载功率因数1.0, 环境温度 (Ta) 50°C,水冷散热器的规格分别为6 K/kW,9 K/kW和9.5 K/kW。

如图4所示,器件输出电流与各自的Ic值成正比,这意味着在同样的工况下,4500V/3000A可以导通的电流值是HiPak4500V/1200的2.5倍,从而可以避免并联连接。对于 4500V/3000A而言, 当把器件的开关频率降为250Hz, 输出电流的有效值高达2700Arms。 当设计的Tvj 从125° 降低到100°C,频率250Hz时, 输出电流的有效值会随之降至2500Arms。

图 4:三种不同电流等级的IGBT模块输出电流与开关频率波形图(Vdc = 2800V, Tvj =125°C)

 

浪涌电流能力是HVDC应用的一个重要指标。图5为采用SEMIS仿真软件对 4500V/3000A 模块进行故障电流关断能力仿真的波形图。仿真设置参数为:Vdc=2800V,输出频率50Hz,器件开关频率250Hz,初始Tvj=100°C,开关的瞬时电流约2倍Ic即6000A。在图5中,4500V/3000A模块能够在4ms内完成6000A的关断-开通-关断的电流转换,整个过程的的总温升达到20~25°C。对4500V/3000A 二极管而言,因为良好的24000A (10ms)浪涌能力,其二极管的热稳定没有问题。图5的仿真结果证实该了当Tvj的设计值约为100℃时, 4500V/3000A能够关断6000A的瞬时过流且不会出现热平衡失控。

图5:6000A电流关断开通温升及损耗仿真图

 

20个HVDC工程项目证实了IGBT模块是一个完全合格可靠适用于工程应用的产品。在可靠性能的考核确认了具备IOL80(Tj_max:125°C)18万次的能力(B10) [ 11 ]。

 

5.应用潜力

直流断路器的应用要求IGBT能关断瞬态过流, 这时IGBT的关断能力取决于退退饱电流(如图3),而不是其安全工作区。图6为单个4500V/3000A IGBT模块在RCD缓冲电路情况下成功关断15kA电流的波形。在初始Vge = 19V 和 Tvj = 85°C的条件下,关断过程在5 µs内完成,阻断电压3000V,峰值电压达到4000V,吸收电容7.5 µF,吸收电阻5Ω。要注意的是,图中电流为IGBT和RCD吸收电路的总电流。直流断路器设计一般要求具备5 ms 的过流能力,IGBT的结温将在此过程中由室温升至85°C左右,此结温即IGBT关断的初始结温。

图6:单个4500/3000A IGBT在带有RCD缓冲电路下成功关断15KA的电压电流 波形图

 

图7为4个IGBT串联的原理框图及测试波形图。该实验中所采用的上桥臂和下桥臂模块分别由4个StakPak 4500V/2000A模块串联,回路总的电感Ls = 800 nH。每个IGBT模块都有RC缓冲电路 (Csnub = 0.2 µF,Rsnub = 4.8Ω)。驱动电路中,Rgoff = 8.2Ω , Cge = 330 nF,Vge = 15V。在图7中可以看出,高达4000A (2倍Ic) 的安全工作区电流被成功关断,关断延迟时间tdoff = 4 µs。在图7中,驱动发出信号1.5µs后,4个串联的StakPak模块共同承受10KV母线电压。关断时,峰值电压11KV,4个模块不均压程度在10%以内;IGBT断态时,4个模块承担电压比较均衡,不均压程度在5%以内。类似于IGBT关断过程,在二极管关断和短路关断的过程中,我们也看到了4个串联器件之间电压的均衡分配。

 

图7:4个 4500V/2000A IGBT模块串联时的关断电压电流波形图。其中左上图为串联的总电压电流波形图,左边中间图为单个IGBT的电压波形图,左下图为门极驱动输入信号,右图为实验原理图。