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nHPD2电源模块:创新满足需求的地方

日立欧洲公司Michael Sleven 2019-05-05

二十多年前,推出了第一款基于IGBT的高压电源模块。今天,它是用于牵引,电机驱动和可再生能源应用的行业标准。随着对温度,开关频率和更高功率密度的要求不断提高,再加上系统成本降低和可靠性提高,这就产生了一种新的解决方案。日立推出的新工业标准包,名为nHPD2。nHPD2封装意味着中压电源转换器设计的发展。qOH电子头条

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最低的杂散电感可为SiC和日立的侧壁栅极IGBT提供优化的性能,使市场能够针对其特定的设计挑战选择最佳解决方案,并设置在1700V至6.5kV的范围内。qOH电子头条

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nHPD2qOH电子头条

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nHPD2系列提供高功能半桥电源模块,集成了温度传感器和电流检测端子,可实现最佳设计性能。qOH电子头条

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该系列提供双封装外形,适用于各种电压和电流额定值,具有相同的占地面积但高度不同,可与前IHM标准设定的高度一致,从而实现通用的机械设计和高水平的设计重复用于具有不同额定值的转换器。紧凑的外形,高功率密度便利和坚固的结构使设计人员能够实现业界领先的转换器设计。qOH电子头条

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图1. nHPD2系列低(左)和高压封装qOH电子头条

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产品阵容qOH电子头条

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nHPD2系列产品系列涵盖1700V至6500V额定模块,额定电流高达1200A。LV包装中的所有产品现已作为样品或批量生产提供,包括:qOH电子头条

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•1700V,900A SiC - MBM900FS17ALqOH电子头条

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•1700V,1000A Si - MBM1000FS17GqOH电子头条

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•1700V,1200A Si - MBM1200GS17G2qOH电子头条

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•3300V,450A Si - MBM450FS33FqOH电子头条

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•3300V,600A SiC - MSM600FS33ALqOH电子头条

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•3300V,800A SiC - MSM800FS33ALqOH电子头条

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图2.世界上最高功率密度的nHPD2 3.3kV/800A,无SBR二极管qOH电子头条

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HV封装的目标产品组合于2019年上半年开始推出,如表1所示。qOH电子头条

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表1. HV目标投资组合qOH电子头条

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最新技术qOH电子头条

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日立继续将最新的技术突破应用于nHPD2系列,以继续扩展性能范围。最新一代侧栅IGBT,SiC,板上温度传感和铜烧结的应用改善了芯片连接,确保了最佳的输出功率,能量损耗,控制和寿命。qOH电子头条

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低损耗,高可控性:电机系统成本优势qOH电子头条

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与传统的沟槽IGBT相比,侧栅IGBT可降低能量损耗并提高可控性。如图3a所示,损耗折衷可以通过关闭能量降低35%或饱和电压降低15%来提高。低栅极电荷降低了栅极驱动器的负载,并且低反向恢复dv/dt和电压过冲允许优化开关以进一步降低开关损耗,并且可以轻松集成到转换器中,如图3b所示。qOH电子头条

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图3.侧栅IGBT性能。Vce - Eff权衡(左); Eon + Err -recovery dV/dt-电机成本(右)qOH电子头条

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此外,转换到应用程序级别的成本效益,可以考虑两个选项。代替完全专注于降低系统电效率(Eon + Err),有机会权衡降低电机或发电机成本的全部好处。由于电机和dv/dt滤波器的成本可以与提供的隔离水平相关联,通过放宽关断和恢复损耗性能,可以降低开关dv/dt(kV/us),从而可以放宽电机规格并降低成本。例如,基于具有隔离7kV/us的电动机的现有设计,通过接受现状Eon + Err效率,电动机隔离可以降级到2kV/us。调查普通电机供应商,我们可以将其转换为从具有增强绕组隔离的电机向具有IEC/TS 60034-17标准隔离的电机的转换。成本优势是2.5倍,相当于30kW电机的成本节省1.5k€。qOH电子头条

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进一步降低电机成本潜力,侧壁栅极的市场领先的栅极电容值(Qg)显着降低了驱动栅极所需的功率。额定电流为1400A/1700V的传统IGBT半桥模块的典型GDU可能每GDU消耗2x10W的功率。采用低Cres侧壁闸门仅需2x5W。转换为货币利益,GDU解决方案的成本下降机会可能减少50%。qOH电子头条

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侧栅IGBT的反向传输电容(Cres)减小,可提高短路性能,同时控制更好的栅极电压和更低的峰值集电极电流。这提供了一种在短路条件下更稳健的功率模块,并减少了转换器设计中必须处理的电流。qOH电子头条

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最长寿命和功率密度qOH电子头条

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采用日立专有的铜烧结来代替IGBT芯片和基板之间的焊料层,大大提高了模块的坚固性,特别是与标准焊料相比,功率循环寿命提高了10倍。它还改善了所有管芯的热阻抗和二极管的I2t,并提供尽可能高的功率密度。这特别适用于需要激进加速和高动态任务剖面的高性能牵引和风力设计,同时确保系统整个使用寿命期间的总体可靠性。图4显示了烧结的铜纳米颗粒,以形成牢固的芯片连接接头。qOH电子头条

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图4.铜烧结模具连接过程qOH电子头条

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图5显示了功率循环超过400k循环后的横截面图像,其中Δj= 125K且Tjmax = 175°C,在用于较小目标的市场中设置新的耐久性基准,如ΔTj= <100K和Tjmax = 150° C。qOH电子头条

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图5.电源循环后的横截面qOH电子头条

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下一代硅IGBTqOH电子头条

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nHPD2还针对称为双侧门的下一代日立硅IGBT进行了优化。日立的主要战略是在nHPD2封装中提供最佳的硅IGBT和SiC MOSFET性能,使我们的客户系统灵活而成功。双侧栅极IGBT突破了硅的传统性能限制。通过应用动态载波控制,与传统沟槽IGBT相比,关断损耗可降低45%,并且Eoff-Vce(sat)权衡接近SiC MOSFET但使用标准硅工艺。为了突破对IGBT损耗降低的限制,已经发现在关断开关之前控制载流子浓度的技术非常有效。qOH电子头条

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图6显示了用于高和低空穴注入结构的尖端侧栅HiGT上的模拟存储载流子密度分布和VCEsat和Eoff的性能。qOH电子头条

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图6.前沿侧栅IGBT的孔的模拟载流子分布qOH电子头条

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调整p-集电极剂量浓度使得能够控制漂移层中的电导率调制。然而,由于来自MOS栅极的累积层的注入载流子,不能有效地控制发射极表面附近的载流子密度。该累积的载流子在关断切换期间导致大的关断电流,然后限制IGBT Eoff进一步降低。作为打破这种限制的方法,我们考虑理想的存储载波配置文件,如图7所示。qOH电子头条

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图7.低密度载波分布,低损耗性能qOH电子头条

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在IGBT的导通状态下,应该存储大量的载流子用于低VCEsat,而在关断开关之前,应该减少漂移层的发射极表面区域附近存储的载流子浓度以促进漂移的耗尽层,减少低Eoff的关断电流。通过应用这一想法,降低了Eoff,同时保持了较低的VCEsat,从而突破了传统的IGBT限制:导通与开关损耗权衡性能。qOH电子头条

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图8示出了双侧门HiGT结构的示意性剖视图。qOH电子头条

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图8.提出的新型双侧栅极IGBT的概念和结构qOH电子头条

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驱动两个独立的栅极可实现电导率调制的有效可控性。在导电模式中,两个侧栅极用于注入大量电子,从而降低VCE(sat)。在切换事件之前,两个侧门中的一个被关闭而另一个门保持在接通状态以减少存储的载波量,从而在最终关闭期间实现更快的切换。除了关键的双栅极通道功能外,标准侧壁栅极结构的优点同样适用。这意味着低米勒电容,易驱动和减少的短路峰值电流,每个都有助于提高器件和系统的耐用性。qOH电子头条

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模拟双侧栅极HiGT,图9显示了导电模式下的模拟存储载流子分布(VGsE / VGcE = +15 V / + 15 V)和开关模式(VGsE / VGcE = +15 V / -15 V)。qOH电子头条

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图9.双侧栅极IGBT的模拟存储载流子分布qOH电子头条

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在导电模式中,从两个栅极注入电子,并且通过产生的电导率调制效应增加发射极区域附近存储的载流子浓度。另一方面,通过单栅极关断控制减小了表面发射极区域处存储的载流子密度。图10显示了双侧栅极HiGT的模拟输出特性。qOH电子头条

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图10.双侧栅极IGBT的模拟输出特性qOH电子头条

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经过试制,导电模式下的双侧栅极解决方案实现了低于2.7V的VCE(sat),与同类产品中最好的MBN1800F33F沟槽栅极(2.85V @ Tj = 150°C)相比,虽然传导率降低了6.0%损失是次要性能目标,降低开关损耗是主要目标。qOH电子头条

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接下来,模拟双侧栅极HiGT的关断开关特性。图11显示了所施加的栅极输入信号和获得的关断波形,Gs和Gc信号的定时延迟(tdelay)。qOH电子头条

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图11.双侧栅极IGBT的关断驱动信号和模拟关断波形qOH电子头条

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随着tdelay增加,获得更高速度的关断波形。这是在Gs的关闭信号之前使用Gc控制和tdelay降低存储的载流子浓度的直接效果。表2总结了在经过t延迟之后,即在施加Gc负栅极偏压(-15V)之后的模拟存储的载流子分布。它还强调了在tdelay(Econd),关断开关损耗(Esw)和总Eoff(Econd + Esw)期间对传导损耗的影响。随着tdelay的增加,观察到载体浓度的降低和Econd的增加,同时显示出Esw的显着降低。因此,所提出的双侧栅极HiGT的Eoff比传统的单侧栅极HiGT低31%,具有40μs的延迟驱动曲线。qOH电子头条

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表2:模拟Eoff对tdelay的依赖性qOH电子头条

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下一代SiC“TED-MOS”qOH电子头条

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日立还将SiC MOSFET应用于工业应用,以进一步提高nHPD 2封装的效率。日立专有的下一个沟槽SiC MOSFET技术“TED-MOS”采用特殊的沟槽蚀刻双扩散结构,与标准DMOS和沟槽MOS相比,具有低能量损耗和改善的短路耐久性,具有领先的性能。qOH电子头条

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TED-MOS的结构确保了坚固可靠的芯片,易于控制。与SiC DMOS和沟槽结构相比,漏源电阻和开关损耗均降低。qOH电子头条

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图12.与传统SiC DMOS相比,日立SiC TEDMOS性能。左:降低通态电阻。中心:降低开关损耗。右:改善电路耐用性qOH电子头条

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最值得注意的是沟槽周围的电场,与传统沟槽结构相比减小,从而提供更可靠的芯片。短路电流也得到更好的控制,导致短路耐久性类似于≥10μs的标准硅IGBT。这种性能承受能力为SiC市场树立了新的标准,特别是与目前市场上大多数现有SiC产品的3-5微秒相比。qOH电子头条

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与过去20年硅器件使用中开发的标准检测和反应方法不同,TED-MOS10μs短路能力与nHPD 2电流检测辅助端子的结合提供了与我们已习惯的硅性能相匹配的能力。 。通过采用日立TED-MOS,不再需要通过强化工程工作来克服SiC器件在3μs内关闭短路的需求。qOH电子头条

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模块化和可扩展性qOH电子头条

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nHPD2模块可实现与杂散电感和系统成本相关的多级拓扑的简单并行和优化实现。qOH电子头条

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图13.散热器上的nHPD2母线排列为3级qOH电子头条

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图14.紧凑且兼容的逆变器配置示例qOH电子头条

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日立通过将创新和先进技术应用于一系列以工业为中心的电源模块,支持现代灵活转换器的开发。这些模块非常适合要求最高效率,寿命和功率输出的高性能应用。qOH电子头条

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nHPD2系列的通用模块概述有助于在转换器功率范围内实现高水平的设计重复使用和通用设计,以适应各种应用。qOH电子头条

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日立公司致力于通过创新和先进技术为市场带来最佳性能,这体现在nHPD2系列的未来路线图中。目前已有的最新一代硅IGBT和SiC MOSFET产品系列将进一步推出先进的硅和增强型SiC MOSFET产品,以便在未来几十年内不断突破界限,实现更高的效率,更好的性能和灵活性。SiC MOSFET与侧栅IGBT的铜烧结一体化将是确保客户成功的下一个重要步骤。此外,日立在英国梅登黑德的高科技实验室提供基于客户任务概况和专用测量的终身模拟,与用户的要求相关。qOH电子头条

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