用于最高电压等级的硅IGBT和碳化硅MOSFET

对于这些电力电子系统中使用的拓扑结构，从经典的两电平变流器到更先进的无源或有源控制的T型或 3 电平 NPC 拓扑，再到更复杂的变流器，如 MMC 模块化电平变流器拓扑或多电平 H 桥级联等，在效率、组件数量、谐波失真、可靠性和成本方面都有许多优化。在电力电子系统中使用的所有组件中，用于打开和关断电流的开关是最重要的。

在超高压开关范围（>3kV）内，近年来我们观察到了几种可用的选项。一方面，有电流控制器件，如相控制晶闸管（PCT）[1] 或集成栅极晶闸管 IGCT[2]，另一方面，有电压控制器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）或碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（碳化硅 MOSFET）。

这些开关有两类主要的封装：压接型（即双极型圆饼形的压接封装和 IGBT 的 StakPak [3]封装）和隔离模块封装。对于隔离高压模块，HiPak 一直是该行业的主力军 [4]。它广泛应用于牵引变流器、中压驱动器和电网应用（即 SVC、互联网、逆变器、STATCOM、HVDC 阀等）。

最近，提出了一种新的封装设计[5]，日立能源公司将这种封装称为LinPak，并于2016年初推出了第一款用于商业运行的低压 LinPak（Viso=6kV）[6]。高压 LinPak（Viso=10.2kV）现已上市（见图1）。对这些封装的接受是立竿见影的，由于其良好的特性，对它们的需求也变得比较广泛。

图1 ：高压LinPak 模块

高压 LinPak 特性

高压 LinPak 的设计理念与低压的相同。它是一个半桥（或相移）模块，两侧都有主功率端子。这允许将门极驱动器方便地放置在模块的中间，而对母线设计没有任何限制。此外，DC+ 和 DC- 端子以共面几何的形状连入模块内部，以实现最低的杂散电感。在设计模块时特别小心，以便在最小或无电流降额的情况下实现这些模块的并联[7]。

除了所有这些改进的特性外，高压 LinPak还提供了一个可选的 NTC 热敏电阻，这是同类产品中第一个具有此选项的模块。硅 IGBT 以及高压 LinPak 的正在开发中：3.3kV 600A、4.5kV 450A 和 6.5kV 300A。碳化硅 MOSFET 的等效额定值也在开发中。

并联运行

根据现有文献 [8]，我们搭建了一个用于测试高压 LinPak 并联的平台。我们开始对 3.3kV 600A 高压 LinPak 模块进行并联测试，并观察到从我们的生产中随机抽取的模块之间的电流均流非常好（见图2）。模块在测试台中的位置是确定电流不对称性的最重要因素。即使我们交换了测试中所用的模块的位置，我们也获得了相同的参数。模块参数的变化（VCEsat, VF, Vth, td(on/off)等）代表了这些参数的典型分布。

此外，我们还注意到高压侧与低压侧的并联器件开关行为存在差异。当我们改变测试设置，即连接或断开断路器时，我们看到了对这种不平衡的巨大影响。此外，如前所述，这种差异取决于位置，并且在交换模块或模块位置时不会改变。

图2：3.3KV 600A高压LinPak 模块并联时的双脉冲测试波形图，高压侧（上图）和低压侧（下图）

NTC选项

为了增强该模块在高电压范围内的功能，NTC 热敏电阻现已作为可选功能提供。NTC 传感器与半导体芯片安装在同一基板上，确保温度读数尽可能接近芯片温度。这使客户能够通过减少设计余量来进一步优化模块的使用。例如，当检测到高温时，可以临时改变开关频率以减少开关损耗。此外，如果只有一个模块温度升高，则可以应用状态监测管理器来避免灾难性故障发生。如果仅使用冷却水的温度或散热器上的传感器来进行检测管理，则上述信息是获取不到的。

在下面的图3中，我们看到了通过 NTC 测量的电压信号。我们采用了常用的分压器测量技术，其中我们有一个电阻器（820欧姆）与 NTC 热敏电阻串联。我们看到，NTC传感器感应其安装的主基板的温度，并且信号与发射极 dv/dt 有一些耦合。为了避免错误的数据读取，理解这种行为很重要。正如我们所看到的，更高的温度意味着更低的电阻，这反过来意味着NTC上的电压降更低。

图3：高压LinPak的NTC信号波形图，其中（上图）为环境温度，（下图）为150°C温度，在双脉冲测试期间用大电流进行评估

碳化硅MOSFET的高压LinPak封装

由于其杂散电感低，高压 LinPak 封装技术同样适用于高速开关碳化硅 MOSFET。在这个封装的改进版本中，我们将内部电感降低到大约 23nH，这使器件可以更快地开关。通过这种方式，可以充分利用 SiC 器件非常低的开关损耗。不仅内部电感更低，而且衬底设计经过优化，以确保每个 SiC 器件都具有相同的换向电感、相同的栅极电感，并且耦合非常均匀。为了确保模块内两个基板之间的良好平衡，我们为每个基板配备了栅极电阻器。

在下面的图4中，为3.3kV 500A SiC LinPak 的开关波形。我们的目标是具有非常好的可控性，即能够通过不同Rg来改变开关速度。从下面的波形可以看出，即使在外部 Rg=0 欧姆的情况下也能实现良好的开关动作（见图5）。当从 0 欧姆的 Rg 值到 5 欧姆时，di/dt从3.5 kA/us 减慢到 1.2 kA/us。在关断曲线中也观察到了同样的情况，其中当Rg从0欧姆增加到5欧姆时，dv/dt 减少为原来的 1/3。这为变流器设计者提供了选择栅极电阻值的灵活性，该栅极电阻值提供了损耗与 di/dt 或 dv/dt 之间的最佳折衷。

*图4：碳化硅3.3KV 高压LinPak模块在室温下，门极电阻3.3欧姆时的关断波形图。 *

图5：在25°C以及（Inom=225A）上不同Rg电阻变化，3.3kV SiC对应的电压电流曲线图

结论

在这篇文章中，我们展示了适用于牵引、工业驱动、电网等应用的中压变频器的最新模块。凭借低杂散电感、高电流密度、可选NTC热敏电阻、并联最佳电气设计、紧凑型逆变器设计以及最佳机械设计等最先进的特性，高压 LinPak已成为新的行业标准。