可再生能源如何推动电力模块的创新与性能提升？

全球正在向风能、储能、氢气生产和光伏(PV)系统等可再生能源源转型，这推动了对高性能和卓越可靠性电力电子元件的需求。这篇文章介绍了三菱电机新一代电源模块来满足这些需求，该模块结合了先进的封装技术和前沿的芯片设计。

 

这项创新的核心是固体覆盖+(SLC+)结构，这是对之前固体覆盖(SLC)技术的重要更新。新开发的SLC+结构旨在增强电源循环能力，这是确保电源模块在苛刻工作条件下长期可靠性的关键因素。这个更新的SLC+结构与三菱电机最新的低损耗第七代2.5 kV芯片组集成，提供了性能和耐用性的理想组合。

图1

 

2.5 kV的电压等级被专门选定为1000 Vac和1500 Vdc系统的最佳解决方案。这一选择是在长期直流稳定性(LTDS)和功率损耗之间经过慎重考虑的折衷，确保该模块在可再生能源应用中提供高效率和可靠性能。这些新模块专门设计来满足风能、储能、氢气生产和光伏系统中对高性能应用的严格要求。

 

通过这些创新，三菱电机专注于在最具挑战的可再生能源环境中最大化效率和可靠性。

 

SLC+结构

 

增强模块性能和可靠性的核心是SLC+结构，该结构在电源循环能力方面进行了改进。

图2

 

铝合金键合线

 

SLC+结构引入了一种先进的铝合金键合线，其屈服强度显著高于传统键合线。这一改进至关重要，因为它直接解决了SLC模块电源循环故障的主要原因之一——“键合线裂纹”。在电源循环过程中，材料的重复膨胀和收缩可能导致机械应力，最终导致键合线开裂。SLC+结构中的铝合金线设计用于更有效地承受这些应力，从而提高电源循环能力。这一改进不仅延长了模块的运行寿命，还增强了其在典型应用(如风能转换器)中在温度波动条件下的可靠性。特别是，铝合金线的增强特性与SLC技术的硬树脂封装相结合，显著提高了电源循环能力。

 

硬金属化层

 

SLC+结构的另一个关键特性是施加在芯片表面的硬金属化层。在传统电源模块中，芯片电极因机械应力和热膨胀而容易开裂。这种开裂可能导致模块的灾难性故障，使整个系统无法运行。SLC+结构中的硬金属化层充当保护屏障，防止开裂的形成，维持芯片电极的完整性。这与改进的键合线相辅相成，形成协同效应，显著增强模块的整体稳健性。

图3

 

电源循环性能

 

SLC+结构的优势通过三菱电机进行的电源循环测试得以体现。这些测试旨在重现电源模块在可再生能源系统中面临的恶劣工作条件，特别是风力发电机侧发生的热循环。采用SLC+结构的2.5 kV LV100模块在ton=0.1 s、Tjmax=150 °C和ΔTj=50 K条件下表现出超过4000万次的电源循环能力。值得注意的是，这一性能在没有任何故障的情况下实现，展示了改进的SLC+结构设计的有效性。

 

这标志着相较于传统电源模块的重大进展，后者通常在类似条件下显示出退化或故障的迹象。SLC+模块增强的电源循环能力确保其在最苛刻的应用中能够可靠运行。这种可靠性在可再生能源系统中尤为关键，因为计划外的维护或停机可能导致巨大的经济损失，干扰能源生产。

图4

 

针对低LTDS FIT率的2500V设计

 

本模块所采用的2.5 kV IGBT和二极管芯片组经过优化，以满足1500 Vdc / 1000 Vac系统的要求。这一优化涉及在最小化功率损耗、控制结温和增强长期直流稳定性(LTDS)之间实现微妙的平衡。这些因素对模块的效率和可靠性至关重要。芯片尺寸、导通和开关损耗特性已被调优，以适应如风能和储能系统等可再生应用中的转换器。

 

设计高压模块的一大挑战是确保其在宇宙射线影响下的稳健性，宇宙射线可能引发故障，尤其是在长期暴露于高直流电压或高海拔环境下。尽管宇宙射线引发的故障较为罕见，但其可能导致突发和不可预测的模块故障。2.5 kV模块的增强LTDS能力源于其2.5 kV芯片设计和出色的低FIT率，使其成为要求长期可靠性与稳定性并结合高效率的应用的理想选择。

图5

模块损耗与热性能在典型可再生应用条件下评估2.5 kV SLC+结构模块的实际优势。与标准1.7 kV(CM1200DW-34T)模块的模拟比较显示出多个关键优势，特别是在风能应用中。

 

在150 °C下，表现出优良的低损耗开关性能，波形显示了这一点。由于LV100封装的内置杂散电感减小，2.5 kV模块经历了低关断和恢复浪涌，实现了平滑快速的开关。这种降低的电感允许芯片优化以减少损耗。

 

通过在2.5 kV模块支持的更高电压下保持相同的系统输出功率，实际电流可以减少。输出电流的减少使得在不影响整体性能的情况下略微提高导通电压。2.5 kV IGBT的导通电压比1.7 kV版本高约15%，而2.5 kV二极管的正向电压仅高出5%。强大的二极管性能是因为在风能和氢气应用的整流转换器中，二极管损耗至关重要。

图6

 

在比较2.5 kV与1.7 kV模块的功率损耗和结温时，2.5 kV模块在相同结温(150 °C)下提供了约15%的更高输出功率。这在风能系统中特别有利，因为新模块可以在不超过热限制的情况下实现更高的功率输出。

 

此外，2.5 kV模块的热性能改进使得在典型工作条件下IGBT和二极管的温度非常相似，导致设备使用效率提高并延长电源循环寿命，因为没有一个设备造成热量或寿命瓶颈，而另一个设备未能充分发挥。2.5 kV模块中减少的温度波动(ΔTj)将二极管在负功率因子工作条件下的瓶颈作用最小化，并有助于延长电源循环寿命。

表1

 

总结

 

配备LV100外壳和SLC+结构的2.5 kV IGBT模块在可再生能源应用的电力电子设计上代表了一个飞跃。通过解决热量和电源循环、功率密度、高效率以及宇宙射线引发的故障等关键挑战，这一模块为1500 Vdc或1000 Vac逆变器系统的可再生应用提供了可靠高效的解决方案。

 

该模块增强的电源循环能力，加上高LTDS稳健性和高效率特性，使其特别适合于要求严格的可再生能源系统。随着行业持续向更高效率和更大可靠性推进，像SLC+结构这样的创新将在确保电力电子能够满足这些需求方面发挥重要作用。

 

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