可再生能源如何推動(dòng)電力模塊的創(chuàng)新與性能提升？

全球正在向風(fēng)能、儲(chǔ)能、氫氣生產(chǎn)和光伏(PV)系統(tǒng)等可再生能源源轉(zhuǎn)型，這推動(dòng)了對(duì)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(jī)新一代電源模塊來(lái)滿足這些需求，該模塊結(jié)合了先進(jìn)的封裝技術(shù)和前沿的芯片設(shè)計(jì)。

這項(xiàng)創(chuàng)新的核心是固體覆蓋+(SLC+)結(jié)構(gòu)，這是對(duì)之前固體覆蓋(SLC)技術(shù)的重要更新。新開(kāi)發(fā)的SLC+結(jié)構(gòu)旨在增強(qiáng)電源循環(huán)能力，這是確保電源模塊在苛刻工作條件下長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵因素。這個(gè)更新的SLC+結(jié)構(gòu)與三菱電機(jī)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(jí)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(zhǎng)期直流穩(wěn)定性(LTDS)和功率損耗之間經(jīng)過(guò)慎重考慮的折衷，確保該模塊在可再生能源應(yīng)用中提供高效率和可靠性能。這些新模塊專門設(shè)計(jì)來(lái)滿足風(fēng)能、儲(chǔ)能、氫氣生產(chǎn)和光伏系統(tǒng)中對(duì)高性能應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

通過(guò)這些創(chuàng)新，三菱電機(jī)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(jié)構(gòu)

增強(qiáng)模塊性能和可靠性的核心是SLC+結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在電源循環(huán)能力方面進(jìn)行了改進(jìn)。

鋁合金鍵合線

SLC+結(jié)構(gòu)引入了一種先進(jìn)的鋁合金鍵合線，其屈服強(qiáng)度顯著高于傳統(tǒng)鍵合線。這一改進(jìn)至關(guān)重要，因?yàn)樗苯咏鉀Q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(guò)程中，材料的重復(fù)膨脹和收縮可能導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，最終導(dǎo)致鍵合線開(kāi)裂。SLC+結(jié)構(gòu)中的鋁合金線設(shè)計(jì)用于更有效地承受這些應(yīng)力，從而提高電源循環(huán)能力。這一改進(jìn)不僅延長(zhǎng)了模塊的運(yùn)行壽命，還增強(qiáng)了其在典型應(yīng)用(如風(fēng)能轉(zhuǎn)換器)中在溫度波動(dòng)條件下的可靠性。特別是，鋁合金線的增強(qiáng)特性與SLC技術(shù)的硬樹(shù)脂封裝相結(jié)合，顯著提高了電源循環(huán)能力。

硬金屬化層

SLC+結(jié)構(gòu)的另一個(gè)關(guān)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(jī)械應(yīng)力和熱膨脹而容易開(kāi)裂。這種開(kāi)裂可能導(dǎo)致模塊的災(zāi)難性故障，使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。SLC+結(jié)構(gòu)中的硬金屬化層充當(dāng)保護(hù)屏障，防止開(kāi)裂的形成，維持芯片電極的完整性。這與改進(jìn)的鍵合線相輔相成，形成協(xié)同效應(yīng)，顯著增強(qiáng)模塊的整體穩(wěn)健性。

電源循環(huán)性能

SLC+結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)通過(guò)三菱電機(jī)進(jìn)行的電源循環(huán)測(cè)試得以體現(xiàn)。這些測(cè)試旨在重現(xiàn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)發(fā)生的熱循環(huán)。采用SLC+結(jié)構(gòu)的2.5 kV LV100模塊在ton=0.1 s、Tjmax=150 °C和ΔTj=50 K條件下表現(xiàn)出超過(guò)4000萬(wàn)次的電源循環(huán)能力。值得注意的是，這一性能在沒(méi)有任何故障的情況下實(shí)現(xiàn)，展示了改進(jìn)的SLC+結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

這標(biāo)志著相較于傳統(tǒng)電源模塊的重大進(jìn)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(qiáng)的電源循環(huán)能力確保其在最苛刻的應(yīng)用中能夠可靠運(yùn)行。這種可靠性在可再生能源系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵，因?yàn)橛?jì)劃外的維護(hù)或停機(jī)可能導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，干擾能源生產(chǎn)。

針對(duì)低LTDS FIT率的2500V設(shè)計(jì)

本模塊所采用的2.5 kV IGBT和二極管芯片組經(jīng)過(guò)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(jié)溫和增強(qiáng)長(zhǎng)期直流穩(wěn)定性(LTDS)之間實(shí)現(xiàn)微妙的平衡。這些因素對(duì)模塊的效率和可靠性至關(guān)重要。芯片尺寸、導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗特性已被調(diào)優(yōu)，以適應(yīng)如風(fēng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)等可再生應(yīng)用中的轉(zhuǎn)換器。

設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jiàn)，但其可能導(dǎo)致突發(fā)和不可預(yù)測(cè)的模塊故障。2.5 kV模塊的增強(qiáng)LTDS能力源于其2.5 kV芯片設(shè)計(jì)和出色的低FIT率，使其成為要求長(zhǎng)期可靠性與穩(wěn)定性并結(jié)合高效率的應(yīng)用的理想選擇。

模塊損耗與熱性能在典型可再生應(yīng)用條件下評(píng)估2.5 kV SLC+結(jié)構(gòu)模塊的實(shí)際優(yōu)勢(shì)。與標(biāo)準(zhǔn)1.7 kV(CM1200DW-34T)模塊的模擬比較顯示出多個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，特別是在風(fēng)能應(yīng)用中。

在150 °C下，表現(xiàn)出優(yōu)良的低損耗開(kāi)關(guān)性能，波形顯示了這一點(diǎn)。由于LV100封裝的內(nèi)置雜散電感減小，2.5 kV模塊經(jīng)歷了低關(guān)斷和恢復(fù)浪涌，實(shí)現(xiàn)了平滑快速的開(kāi)關(guān)。這種降低的電感允許芯片優(yōu)化以減少損耗。

通過(guò)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(shí)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(dǎo)通電壓。2.5 kV IGBT的導(dǎo)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(qiáng)大的二極管性能是因?yàn)樵陲L(fēng)能和氫氣應(yīng)用的整流轉(zhuǎn)換器中，二極管損耗至關(guān)重要。

在比較2.5 kV與1.7 kV模塊的功率損耗和結(jié)溫時(shí)，2.5 kV模塊在相同結(jié)溫(150 °C)下提供了約15%的更高輸出功率。這在風(fēng)能系統(tǒng)中特別有利，因?yàn)樾履K可以在不超過(guò)熱限制的情況下實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出。

此外，2.5 kV模塊的熱性能改進(jìn)使得在典型工作條件下IGBT和二極管的溫度非常相似，導(dǎo)致設(shè)備使用效率提高并延長(zhǎng)電源循環(huán)壽命，因?yàn)闆](méi)有一個(gè)設(shè)備造成熱量或壽命瓶頸，而另一個(gè)設(shè)備未能充分發(fā)揮。2.5 kV模塊中減少的溫度波動(dòng)(ΔTj)將二極管在負(fù)功率因子工作條件下的瓶頸作用最小化，并有助于延長(zhǎng)電源循環(huán)壽命。

總結(jié)

配備LV100外殼和SLC+結(jié)構(gòu)的2.5 kV IGBT模塊在可再生能源應(yīng)用的電力電子設(shè)計(jì)上代表了一個(gè)飛躍。通過(guò)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(guān)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(yīng)用提供了可靠高效的解決方案。

該模塊增強(qiáng)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(yán)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(jìn)，像SLC+結(jié)構(gòu)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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