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面向高性能牵引变流器的3.3 kV全碳化硅MOSFET

发布日期:2018-08-02  浏览次数:112
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   三菱电机正在开发全新的额定3.3 kV/750 A的全碳化硅mosFET器件,该器件采用最新的LV100封装,特别适用于牵引应用和模块化变换器设计。本文将重点介绍这款全碳化硅器件以及说明其在牵引应用中的优势。

  作者:三菱欧洲 Dr. Nils Soltau,Eugen Wiesner

  三菱日本Kenji Hatori,Hitoshi Uemura

  1.概要

  基于碳化硅材料的功率器件被认为是现代电力电子技术的重大革新。相较于传统的硅基器件,碳化硅器件可实现更高效和更紧凑的变换器设计,以降低能耗和高成本材料的使用。

 

  图1 采用最新LV100封装的3.3 kV/750 A全碳化硅器件

  在过去的20年中,三菱电机开发并商业化了不同电压等级和用于各种应用领域的碳化硅功率器件[1]。目前,得益于在机车牵引等应用领域中对碳化硅器件多年的现场应用经验[2],三菱电机开发出全新的全碳化硅2单元MOSFET模块FMF750DC-66A,其额定电压为3.3 kV,额定电流为750 A,特别适用于高性能牵引变流器和柔性变换器的设计。

  由于快速开关瞬态特性,全碳化硅器件需要采用具有低杂散电感的合适封装。如图1所示,FMF750DC-66A采用了其所在电压和功率等级的最先进封装技术:LV100封装,这种封装内部杂散电感低于10 nH,且具有并联连接简单的特点。此外,该封装的内部设计确保了模块内部芯片之间的最佳电流分配。

  2.与硅基器件对比

  以下对FMF750DC-66A与2款硅基IGBT器件进行比较,其中这2款IGBT同样采用LV100封装且电压等级均为3.3 kV,其额定电流分别为450 A和600 A,具体型号分别为CM450DA-66X和CM600DA-66X。这3款模块的静态特性对比结果如图2所示,很好地说明了双极型IGBT和单极型MOSFET之间的基本差异。应该注意的是,所有器件特性都在其各自的最大结温给出,其中IGBT器件的为150°C,而FMF750DC-66A的为175°C。由于MOSFET的线性的电流-电压关系特性,其小电流下的导通压降比双极型IGBT的低得多,如图2(a)所示。如图2(b)所示,与IGBT模块中的续流二极管相比,如果二极管(SBD)和MOSFET都导通反向电流(同步整流模式),FMF750DC-66A的反向压降相对IGBT器件的也小得多。特别是在低负载条件下,单极性器件能够显著提高变换器效率,随后的章节以牵引应用为例对此进行量化体现。

  

 

  

 

  图2 全碳化硅模块与硅基模块的静态特性对比

  全碳化硅器件的另一个显著优势是开关损耗的降低,同样这也是得益于单极性器件的特性。这类器件不存在反向恢复和拖尾电流,从而大幅降低开关损耗,并且允许相比硅基双极性器件更高的开关频率。图3给出了器件导通、关断和反向恢复期间的功耗总和。与硅基IGBT相比,全碳化硅MOSFET模块的开关损耗降低了80~90%。

  

 

  图3 全碳化硅模块与硅基模块的开关损耗对比

  以下章节将量化并讨论变换器设计在目标应用的优势。

  3.系统级优势

  首个案例是直流母线电压1500 V且开关频率为750 Hz的牵引变流器,对CM600DA-66X和FMF750DC-66A产生的损耗进行了对比。图4(a)描述了采用FMF 750DC-66A替换CM600DA-66X后所带来的能耗改善,特别是在车辆部分负载条件下,节能潜力巨大。当输出电流在400 A以下时,全碳化硅器件的半导体功耗可以降低50%~80%(在相同的器件尺寸下),而在部分负载下时,运行功耗可以进一步降低。此外,由于FMF750DC-66A的效率更高,可运行结温更高,整流模式运行时的最大功率也会增加。如图4(b)所示,在750 Hz的典型开关频率下,基于FMF750DC-66A的变流器的最大输出功率相对基于CM600DA-66X的增加了约60%。由于整流模式用于车辆减速时的能量回收,所以会有更多的能量被回收并反馈回电网,这同样降低了传统制动系统上的压力。

  

 

  图4 FMF750DC-66A与CM600DA-66X的对比

  第二个案例是在功率因数0.9下运行的并网逆变器,并得出取决于输出电流的最大开关频率,图5中所示为考虑冷却水温度40°C的结果。因此,在相同的电流水平下,FMF750DC-66A的最大开关频率相比CM600DA-66X的可增加5~9倍。

  

 

  

 

  图5 不同开关频率下的最大输出电流

  较高的开关频率允许变换器制造商的网格滤波器设计中采用更高的谐振频率,因此LCL滤波器中所需的电感和电容值会降低,既降低了滤波器的尺寸、成本和损耗,又实现了对变换器更为动态的控制。此外,对于机器侧逆变器或DC-DC变换器,更高的开关频率可以设计出更紧凑的高速驱动器和中频变换器[3、4]。

  除开关频率增加外,图4(b)已经证明保持开关频率恒定,基于碳化硅器件的变换器可以输出更高的功率。FMF750DC-66A采用与CM450DA-66X、CM600DA-66X相同的封装,可实现更灵活的变换器设计和更为快速的进度开发,且具有与硅基逆变器类似的配置。

  除了在前面所讨论的牵引和电网应用,FMF750DC-66A还在诸多方面具有更多优势,图6说明了其在模块、变换器和应用等不同系统级别的优势。

 

  图6 FMF750DC-66A在不同系统级别的优势

  4. 结论

  基于最先进的LV100封装技术,三菱电机在3.3 kV电压等级开发了额定电流750 A的全碳化硅MOSFET模块。

  FMF750DC-66A通过提高开关频率和实现175°C最高结温,有效提高了变换器的功率密度。此外,该模块能够实现更高的系统效率,尤其是在部分负载条件下或整流模式运行时,FMF750DC-66A可将变换器损耗降低50~80%。

  FMF750DC-66A与同级别硅基器件采用相同的低杂散电感LV100封装。对于变换器制造商来说,这简化了从硅基器件转换到全碳化硅器件的过程并提供了极大的灵活性。

  参考文献

  [1] E. Thal and J. Yamada, "SiC Power Modules for a Wide Application Range," Bodo's Power Systems, Sep 2017.

  [2] Mitsubishi Electric, Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All-SiC Power Modules on Shinkansen Bullet Trains, Press Release No. 2942, June 2015.

  [3] L. Luise and others, Design Optimization and Testing of High-Performance Motors: evaluating a Compromise Between Quality Design Development and Production Costs of a Halbach-Array PM Slotless Motor, IEEE Industry Applications Magazine, 2016.

  [4] M. Claessen, D. Dujic, F. Canales, J. K. Steinke, P. Stefanutti and C. Vetterli, Traction transfomration - A power-electronic traction transformer, ABB review, 01/2012.


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