用于最高電壓等級的硅IGBT和碳化硅MOSFET

對于這些電力電子系統中使用的拓撲結構，從經典的兩電平變流器到更先進的無源或有源控制的T型或 3 電平 NPC 拓撲，再到更復雜的變流器，如 MMC 模塊化電平變流器拓撲或多電平 H 橋級聯等，在效率、組件數量、諧波失真、可靠性和成本方面都有許多優化。在電力電子系統中使用的所有組件中，用于打開和關斷電流的開關是最重要的。

在超高壓開關范圍（>3kV）內，近年來我們觀察到了幾種可用的選項。一方面，有電流控制器件，如相控制晶閘管（PCT）[1] 或集成柵極晶閘管 IGCT[2]，另一方面，有電壓控制器件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（碳化硅 MOSFET）。

這些開關有兩類主要的封裝：壓接型（即雙極型圓餅形的壓接封裝和 IGBT 的 StakPak [3]封裝）和隔離模塊封裝。對于隔離高壓模塊，HiPak 一直是該行業的主力軍 [4]。它廣泛應用于牽引變流器、中壓驅動器和電網應用（即 SVC、互聯網、逆變器、STATCOM、HVDC 閥等）。

最近，提出了一種新的封裝設計[5]，日立能源公司將這種封裝稱為LinPak，并于2016年初推出了第一款用于商業運行的低壓 LinPak（Viso=6kV）[6]。高壓 LinPak（Viso=10.2kV）現已上市（見圖1）。對這些封裝的接受是立竿見影的，由于其良好的特性，對它們的需求也變得比較廣泛。

圖1 ：高壓LinPak 模塊

高壓 LinPak 特性

高壓 LinPak 的設計理念與低壓的相同。它是一個半橋（或相移）模塊，兩側都有主功率端子。這允許將門極驅動器方便地放置在模塊的中間，而對母線設計沒有任何限制。此外，DC+ 和 DC- 端子以共面幾何的形狀連入模塊內部，以實現最低的雜散電感。在設計模塊時特別小心，以便在最小或無電流降額的情況下實現這些模塊的并聯[7]。

除了所有這些改進的特性外，高壓 LinPak還提供了一個可選的 NTC 熱敏電阻，這是同類產品中第一個具有此選項的模塊。硅 IGBT 以及高壓 LinPak 的正在開發中：3.3kV 600A、4.5kV 450A 和 6.5kV 300A。碳化硅 MOSFET 的等效額定值也在開發中。

并聯運行

根據現有文獻 [8]，我們搭建了一個用于測試高壓 LinPak 并聯的平臺。我們開始對 3.3kV 600A 高壓 LinPak 模塊進行并聯測試，并觀察到從我們的生產中隨機抽取的模塊之間的電流均流非常好（見圖2）。模塊在測試臺中的位置是確定電流不對稱性的最重要因素。即使我們交換了測試中所用的模塊的位置，我們也獲得了相同的參數。模塊參數的變化（VCEsat, VF, Vth, td(on/off)等）代表了這些參數的典型分布。

此外，我們還注意到高壓側與低壓側的并聯器件開關行為存在差異。當我們改變測試設置，即連接或斷開斷路器時，我們看到了對這種不平衡的巨大影響。此外，如前所述，這種差異取決于位置，并且在交換模塊或模塊位置時不會改變。

圖2：3.3KV 600A高壓LinPak 模塊并聯時的雙脈沖測試波形圖，高壓側（上圖）和低壓側（下圖）

NTC選項

為了增強該模塊在高電壓范圍內的功能，NTC 熱敏電阻現已作為可選功能提供。NTC 傳感器與半導體芯片安裝在同一基板上，確保溫度讀數盡可能接近芯片溫度。這使客戶能夠通過減少設計余量來進一步優化模塊的使用。例如，當檢測到高溫時，可以臨時改變開關頻率以減少開關損耗。此外，如果只有一個模塊溫度升高，則可以應用狀態監測管理器來避免災難性故障發生。如果僅使用冷卻水的溫度或散熱器上的傳感器來進行檢測管理，則上述信息是獲取不到的。

在下面的圖3中，我們看到了通過 NTC 測量的電壓信號。我們采用了常用的分壓器測量技術，其中我們有一個電阻器（820歐姆）與 NTC 熱敏電阻串聯。我們看到，NTC傳感器感應其安裝的主基板的溫度，并且信號與發射極 dv/dt 有一些耦合。為了避免錯誤的數據讀取，理解這種行為很重要。正如我們所看到的，更高的溫度意味著更低的電阻，這反過來意味著NTC上的電壓降更低。

圖3：高壓LinPak的NTC信號波形圖，其中（上圖）為環境溫度，（下圖）為150°C溫度，在雙脈沖測試期間用大電流進行評估

碳化硅MOSFET的高壓LinPak封裝

由于其雜散電感低，高壓 LinPak 封裝技術同樣適用于高速開關碳化硅 MOSFET。在這個封裝的改進版本中，我們將內部電感降低到大約 23nH，這使器件可以更快地開關。通過這種方式，可以充分利用 SiC 器件非常低的開關損耗。不僅內部電感更低，而且襯底設計經過優化，以確保每個 SiC 器件都具有相同的換向電感、相同的柵極電感，并且耦合非常均勻。為了確保模塊內兩個基板之間的良好平衡，我們為每個基板配備了柵極電阻器。

在下面的圖4中，為3.3kV 500A SiC LinPak 的開關波形。我們的目標是具有非常好的可控性，即能夠通過不同Rg來改變開關速度。從下面的波形可以看出，即使在外部 Rg=0 歐姆的情況下也能實現良好的開關動作（見圖5）。當從 0 歐姆的 Rg 值到 5 歐姆時，di/dt從3.5 kA/us 減慢到 1.2 kA/us。在關斷曲線中也觀察到了同樣的情況，其中當Rg從0歐姆增加到5歐姆時，dv/dt 減少為原來的 1/3。這為變流器設計者提供了選擇柵極電阻值的靈活性，該柵極電阻值提供了損耗與 di/dt 或 dv/dt 之間的最佳折衷。