全球正在向風能、儲能、氫氣生產和光伏(PV)系統(tǒng)等可再生能源源轉型，這推動了對高性能和卓越可靠性電力電子元件的需求。這篇文章介紹了三菱電機新一代電源模塊來滿足這些需求，該模塊結合了先進的封裝技術和前沿的芯片設計。

這項創(chuàng)新的核心是固體覆蓋+(SLC+)結構，這是對之前固體覆蓋(SLC)技術的重要更新。新開發(fā)的SLC+結構旨在增強電源循環(huán)能力，這是確保電源模塊在苛刻工作條件下長期可靠性的關鍵因素。這個更新的SLC+結構與三菱電機最新的低損耗第七代2.5 kV芯片組集成，提供了性能和耐用性的理想組合。

2.5 kV的電壓等級被專門選定為1000 Vac和1500 Vdc系統(tǒng)的最佳解決方案。這一選擇是在長期直流穩(wěn)定性(LTDS)和功率損耗之間經過慎重考慮的折衷，確保該模塊在可再生能源應用中提供高效率和可靠性能。這些新模塊專門設計來滿足風能、儲能、氫氣生產和光伏系統(tǒng)中對高性能應用的嚴格要求。

通過這些創(chuàng)新，三菱電機專注于在最具挑戰(zhàn)的可再生能源環(huán)境中最大化效率和可靠性。

SLC+結構

增強模塊性能和可靠性的核心是SLC+結構，該結構在電源循環(huán)能力方面進行了改進。

鋁合金鍵合線

SLC+結構引入了一種先進的鋁合金鍵合線，其屈服強度顯著高于傳統(tǒng)鍵合線。這一改進至關重要，因為它直接解決了SLC模塊電源循環(huán)故障的主要原因之一——“鍵合線裂紋”。在電源循環(huán)過程中，材料的重復膨脹和收縮可能導致機械應力，最終導致鍵合線開裂。SLC+結構中的鋁合金線設計用于更有效地承受這些應力，從而提高電源循環(huán)能力。這一改進不僅延長了模塊的運行壽命，還增強了其在典型應用(如風能轉換器)中在溫度波動條件下的可靠性。特別是，鋁合金線的增強特性與SLC技術的硬樹脂封裝相結合，顯著提高了電源循環(huán)能力。

硬金屬化層

SLC+結構的另一個關鍵特性是施加在芯片表面的硬金屬化層。在傳統(tǒng)電源模塊中，芯片電極因機械應力和熱膨脹而容易開裂。這種開裂可能導致模塊的災難性故障，使整個系統(tǒng)無法運行。SLC+結構中的硬金屬化層充當保護屏障，防止開裂的形成，維持芯片電極的完整性。這與改進的鍵合線相輔相成，形成協(xié)同效應，顯著增強模塊的整體穩(wěn)健性。

電源循環(huán)性能

SLC+結構的優(yōu)勢通過三菱電機進行的電源循環(huán)測試得以體現。這些測試旨在重現電源模塊在可再生能源系統(tǒng)中面臨的惡劣工作條件，特別是風力發(fā)電機側發(fā)生的熱循環(huán)。采用SLC+結構的2.5 kV LV100模塊在ton=0.1 s、Tjmax=150 °C和ΔTj=50 K條件下表現出超過4000萬次的電源循環(huán)能力。值得注意的是，這一性能在沒有任何故障的情況下實現，展示了改進的SLC+結構設計的有效性。

這標志著相較于傳統(tǒng)電源模塊的重大進展，后者通常在類似條件下顯示出退化或故障的跡象。SLC+模塊增強的電源循環(huán)能力確保其在最苛刻的應用中能夠可靠運行。這種可靠性在可再生能源系統(tǒng)中尤為關鍵，因為計劃外的維護或停機可能導致巨大的經濟損失，干擾能源生產。

針對低LTDS FIT率的2500V設計

本模塊所采用的2.5 kV IGBT和二極管芯片組經過優(yōu)化，以滿足1500 Vdc / 1000 Vac系統(tǒng)的要求。這一優(yōu)化涉及在最小化功率損耗、控制結溫和增強長期直流穩(wěn)定性(LTDS)之間實現微妙的平衡。這些因素對模塊的效率和可靠性至關重要。芯片尺寸、導通和開關損耗特性已被調優(yōu)，以適應如風能和儲能系統(tǒng)等可再生應用中的轉換器。

設計高壓模塊的一大挑戰(zhàn)是確保其在宇宙射線影響下的穩(wěn)健性，宇宙射線可能引發(fā)故障，尤其是在長期暴露于高直流電壓或高海拔環(huán)境下。盡管宇宙射線引發(fā)的故障較為罕見，但其可能導致突發(fā)和不可預測的模塊故障。2.5 kV模塊的增強LTDS能力源于其2.5 kV芯片設計和出色的低FIT率，使其成為要求長期可靠性與穩(wěn)定性并結合高效率的應用的理想選擇。

模塊損耗與熱性能在典型可再生應用條件下評估2.5 kV SLC+結構模塊的實際優(yōu)勢。與標準1.7 kV(CM1200DW-34T)模塊的模擬比較顯示出多個關鍵優(yōu)勢，特別是在風能應用中。

在150 °C下，表現出優(yōu)良的低損耗開關性能，波形顯示了這一點。由于LV100封裝的內置雜散電感減小，2.5 kV模塊經歷了低關斷和恢復浪涌，實現了平滑快速的開關。這種降低的電感允許芯片優(yōu)化以減少損耗。

通過在2.5 kV模塊支持的更高電壓下保持相同的系統(tǒng)輸出功率，實際電流可以減少。輸出電流的減少使得在不影響整體性能的情況下略微提高導通電壓。2.5 kV IGBT的導通電壓比1.7 kV版本高約15%，而2.5 kV二極管的正向電壓僅高出5%。強大的二極管性能是因為在風能和氫氣應用的整流轉換器中，二極管損耗至關重要。

在比較2.5 kV與1.7 kV模塊的功率損耗和結溫時，2.5 kV模塊在相同結溫(150 °C)下提供了約15%的更高輸出功率。這在風能系統(tǒng)中特別有利，因為新模塊可以在不超過熱限制的情況下實現更高的功率輸出。

此外，2.5 kV模塊的熱性能改進使得在典型工作條件下IGBT和二極管的溫度非常相似，導致設備使用效率提高并延長電源循環(huán)壽命，因為沒有一個設備造成熱量或壽命瓶頸，而另一個設備未能充分發(fā)揮。2.5 kV模塊中減少的溫度波動(ΔTj)將二極管在負功率因子工作條件下的瓶頸作用最小化，并有助于延長電源循環(huán)壽命。

總結

配備LV100外殼和SLC+結構的2.5 kV IGBT模塊在可再生能源應用的電力電子設計上代表了一個飛躍。通過解決熱量和電源循環(huán)、功率密度、高效率以及宇宙射線引發(fā)的故障等關鍵挑戰(zhàn)，這一模塊為1500 Vdc或1000 Vac逆變器系統(tǒng)的可再生應用提供了可靠高效的解決方案。

該模塊增強的電源循環(huán)能力，加上高LTDS穩(wěn)健性和高效率特性，使其特別適合于要求嚴格的可再生能源系統(tǒng)。隨著行業(yè)持續(xù)向更高效率和更大可靠性推進，像SLC+結構這樣的創(chuàng)新將在確保電力電子能夠滿足這些需求方面發(fā)揮重要作用。

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