适用于最高电压Class Si IGBT 和 SiC MOSFET 的封装

　　电力电子及其效率的重要性也随之增加。为了限度地减少电力电子设备中的能量损失，我们需要更仔细地检查所涉及组件的各个方面。
　　对于这些电力电子系统中使用的拓扑，从经典的两电平转换器到更先进的具有无源或有源控制或 T 型的 3L NPC，再到更复杂的转换器，如模块化多电平或级联 H 桥多电平，有许多效率、元件数量、谐波失真、可靠性和成本的优化。在电力电子系统中使用的所有组件中，用于打开和关闭电流的开关是重要的。
　　在超高压开关范围（>3 kV）中，我们近年来观察到可用选项的聚集。一方面，我们有相控晶闸管 (PCT) [1] 或集成门极换流晶闸管 (IGCT) [2] 等电流控制器件，另一方面，我们有绝缘栅双极晶体管(IGBT ) 等电压控制开关) 或 SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。

　　这些开关主要有两类封装：压接式解决方案（即用于 BiPolar 的 Hockey Pack 和用于 IGBT [3] 的 StakPak）和隔离模块。对于隔离式高压模块，HiPak 一直是业界的主力 [4]。它广泛用于牵引变流器、中压驱动器和电网应用（即 SVC、互联系统、STATCOM、HVDC阀门等）。近，提出了一种新的封装

在日立能源，该封装称为 LinPak。我们于 2016 年初推出了个 LV LinPak 版本（V iso = 6 kV）进行商业运营[6]。HV LinPak (V iso=10.2kV）现已上市（见图 1）。这些封装很快就被接受，并且由于其改进的性能特征，对它们的需求也很广泛。

　　图 1. HV LinPak 模块。图片由博多电力系统提供  
　　HV LinPak 特点

　　HV LinPak 的设计原理与 LV 版本相同。它是双（或相脚）模块，主电源端子位于长轴的每一侧。这样可以方便地将栅极单元放置在模块的中间，而不会限制母线设计。此外，DC+ 和 DC- 端子以共面几何形状馈入模块，以实现的换向电感。模块设计时特别小心，以便这些模块的并联可以在电流降额或无电流降额的情况下完成 [7]。除了所有这些改进的特性之外，HV LinPak 还配有可选的 NTC 热敏电阻，这是同类产品中个具有此选项的模块。以下 Si IGBT HV LinPak 型号正在开发中：3.3 kV 600 A、4.5 kV 450 A 和 6.5 kV 300 A。 等效额定值SiC MOSFET也在开发中。

　　图 2. 两个并联 3.3kV 600A HV LinPak 模块的高侧（左）和低侧（右）双脉冲开关曲线。图片由博多电力系统提供  
　　并联运行
　　我们根据现有文献建议 [8] 创建了一个并行测试 HV LinPak 的设置。我们开始使用 3.3 kV 600 A HV 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均流效果非常好（见图 2）。测试装置中模块的位置是确定电流不对称性的重要因素。即使我们交换测试中使用的模块，我们也获得了相同的方差。模块参数（V CEsat、V F、V th、t d（开/关） ...）的变化代表了这些参数的典型分布。
　　此外，我们注意到高侧与低侧的并联开关行为存在差异。当我们改变测试设置（即连接或断开断路器）时，我们发现这种不平衡受到了很大影响。此外，如前所述，这种差异取决于位置，并且在交换或调换模块时不会改变。
　　NTC 选项
　　为了增强该模块在高电压范围内的功能，NTC 热敏电阻现在作为可选功能提供。NTC传感器与半导体芯片安装在同一基板上，这确保了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，可以暂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，则可以应用状态监控管理来避免灾难性故障。如果仅使用冷却水的温度或散热器上的传感器作为触发器，则将无法获得此类信息。

　　在图 3 中，我们看到通过 NTC 测量的电压信号。我们应用了此类测量中常见的分压器技术，其中我们将一个电阻器（820 欧姆）与 NTC 热敏电阻串联。我们看到 NTC 传感器跟随安装它的主基板的温度，并且信号与发射极 dv/dt 有一定的耦合。为了避免错误读数，了解这种行为非常重要。较高的温度意味着较低的电阻，这又意味着 NTC 上的压降较低。

　　图 3. 在 HV LinPak 的 RT（左）和 150°C（右）下测量的 NTC 信号曲线，在双脉冲测试期间使用高电流开关进行评估。图片由博多电力系统提供 

　　图 4.  SiC 500 A 3.3 kV HV LinPak 模块的关断，25°C，R g = 3.3Ohm。图片由博多电力系统提供 

　　图 5.基板级 3.3 kV SiC 开启时的R g 扫描（I nom = 225A），25°C。图片由博多电力系统提供 
　　具有 SiC MOSFET 的 HV LinPak

　　由于其杂散电感较低，HV LinPak 还可以配备快速开关 SiC MOSFET。在此封装的改进版本中，我们将内部电感降低至约。23nH，这使得器件的切换速度更快。这样就可以充分利用SiC器件极低的开关损耗。不仅内部电感更低，而且衬底设计也经过优化，以确保每个 SiC 器件具有相同的换向电感和相同的栅极电感，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自己的栅极电阻。

　展示了 500 A 3.3 kV SiC LinPak 的开关波形。我们的目标是具有非常好的可控性，即能够通过应用不同的 R g值来改变开关速度。从波形曲线可以看出，即使外部 R g =0 Ohm，也能实现良好的开关（见图 5）。当 R g值从0 Ohm 变为 5 Ohm/基板时，di/dt 从 3.5 kA/us 减慢至 1.2 kA/us。在关断曲线中也观察到了同样的情况，其中 dv/dt 降低了约 10%。当 Rg 从 0 欧姆增加到 5 欧姆/基板时，因子 3。这使转换器设计人员可以灵活地选择栅极电阻值，从而在损耗和 di/dt 或 dv/dt 约束之间提供折衷。