全球正在向風能、儲能、氫氣生產和光伏(PV)系統等可再生能源源轉型，這推動了對高性能和卓越可靠性電力電子元件的需求。這篇文章介紹了三菱電機新一代電源模塊來滿足這些需求，該模塊結合了先進的封裝技術和前沿的芯片設計。

這項創新的核心是固體覆蓋+(SLC+)結構，這是對之前固體覆蓋(SLC)技術的重要更新。新開發的SLC+結構旨在增強電源循環能力，這是確保電源模塊在苛刻工作條件下長期可靠性的關鍵因素。這個更新的SLC+結構與三菱電機最新的低損耗第七代2.5 kV芯片組集成，提供了性能和耐用性的理想組合。

2.5 kV的電壓等級被專門選定為1000 Vac和1500 Vdc系統的最佳解決方案。這一選擇是在長期直流穩定性(LTDS)和功率損耗之間經過慎重考慮的折衷，確保該模塊在可再生能源應用中提供高效率和可靠性能。這些新模塊專門設計來滿足風能、儲能、氫氣生產和光伏系統中對高性能應用的嚴格要求。

通過這些創新，三菱電機專注于在最具挑戰的可再生能源環境中最大化效率和可靠性。

SLC+結構

增強模塊性能和可靠性的核心是SLC+結構，該結構在電源循環能力方面進行了改進。

鋁合金鍵合線

SLC+結構引入了一種先進的鋁合金鍵合線，其屈服強度顯著高于傳統鍵合線。這一改進至關重要，因為它直接解決了SLC模塊電源循環故障的主要原因之一——“鍵合線裂紋”。在電源循環過程中，材料的重復膨脹和收縮可能導致機械應力，最終導致鍵合線開裂。SLC+結構中的鋁合金線設計用于更有效地承受這些應力，從而提高電源循環能力。這一改進不僅延長了模塊的運行壽命，還增強了其在典型應用(如風能轉換器)中在溫度波動條件下的可靠性。特別是，鋁合金線的增強特性與SLC技術的硬樹脂封裝相結合，顯著提高了電源循環能力。

硬金屬化層

SLC+結構的另一個關鍵特性是施加在芯片表面的硬金屬化層。在傳統電源模塊中，芯片電極因機械應力和熱膨脹而容易開裂。這種開裂可能導致模塊的災難性故障，使整個系統無法運行。SLC+結構中的硬金屬化層充當保護屏障，防止開裂的形成，維持芯片電極的完整性。這與改進的鍵合線相輔相成，形成協同效應，顯著增強模塊的整體穩健性。

電源循環性能

SLC+結構的優勢通過三菱電機進行的電源循環測試得以體現。這些測試旨在重現電源模塊在可再生能源系統中面臨的惡劣工作條件，特別是風力發電機側發生的熱循環。采用SLC+結構的2.5 kV LV100模塊在ton=0.1 s、Tjmax=150 °C和ΔTj=50 K條件下表現出超過4000萬次的電源循環能力。值得注意的是，這一性能在沒有任何故障的情況下實現，展示了改進的SLC+結構設計的有效性。

這標志著相較于傳統電源模塊的重大進展，后者通常在類似條件下顯示出退化或故障的跡象。SLC+模塊增強的電源循環能力確保其在最苛刻的應用中能夠可靠運行。這種可靠性在可再生能源系統中尤為關鍵，因為計劃外的維護或停機可能導致巨大的經濟損失，干擾能源生產。

針對低LTDS FIT率的2500V設計

本模塊所采用的2.5 kV IGBT和二極管芯片組經過優化，以滿足1500 Vdc / 1000 Vac系統的要求。這一優化涉及在最小化功率損耗、控制結溫和增強長期直流穩定性(LTDS)之間實現微妙的平衡。這些因素對模塊的效率和可靠性至關重要。芯片尺寸、導通和開關損耗特性已被調優，以適應如風能和儲能系統等可再生應用中的轉換器。

設計高壓模塊的一大挑戰是確保其在宇宙射線影響下的穩健性，宇宙射線可能引發故障，尤其是在長期暴露于高直流電壓或高海拔環境下。盡管宇宙射線引發的故障較為罕見，但其可能導致突發和不可預測的模塊故障。2.5 kV模塊的增強LTDS能力源于其2.5 kV芯片設計和出色的低FIT率，使其成為要求長期可靠性與穩定性并結合高效率的應用的理想選擇。

模塊損耗與熱性能在典型可再生應用條件下評估2.5 kV SLC+結構模塊的實際優勢。與標準1.7 kV(CM1200DW-34T)模塊的模擬比較顯示出多個關鍵優勢，特別是在風能應用中。

在150 °C下，表現出優良的低損耗開關性能，波形顯示了這一點。由于LV100封裝的內置雜散電感減小，2.5 kV模塊經歷了低關斷和恢復浪涌，實現了平滑快速的開關。這種降低的電感允許芯片優化以減少損耗。

通過在2.5 kV模塊支持的更高電壓下保持相同的系統輸出功率，實際電流可以減少。輸出電流的減少使得在不影響整體性能的情況下略微提高導通電壓。2.5 kV IGBT的導通電壓比1.7 kV版本高約15%，而2.5 kV二極管的正向電壓僅高出5%。強大的二極管性能是因為在風能和氫氣應用的整流轉換器中，二極管損耗至關重要。

在比較2.5 kV與1.7 kV模塊的功率損耗和結溫時，2.5 kV模塊在相同結溫(150 °C)下提供了約15%的更高輸出功率。這在風能系統中特別有利，因為新模塊可以在不超過熱限制的情況下實現更高的功率輸出。

此外，2.5 kV模塊的熱性能改進使得在典型工作條件下IGBT和二極管的溫度非常相似，導致設備使用效率提高并延長電源循環壽命，因為沒有一個設備造成熱量或壽命瓶頸，而另一個設備未能充分發揮。2.5 kV模塊中減少的溫度波動(ΔTj)將二極管在負功率因子工作條件下的瓶頸作用最小化，并有助于延長電源循環壽命。

總結

配備LV100外殼和SLC+結構的2.5 kV IGBT模塊在可再生能源應用的電力電子設計上代表了一個飛躍。通過解決熱量和電源循環、功率密度、高效率以及宇宙射線引發的故障等關鍵挑戰，這一模塊為1500 Vdc或1000 Vac逆變器系統的可再生應用提供了可靠高效的解決方案。

該模塊增強的電源循環能力，加上高LTDS穩健性和高效率特性，使其特別適合于要求嚴格的可再生能源系統。隨著行業持續向更高效率和更大可靠性推進，像SLC+結構這樣的創新將在確保電力電子能夠滿足這些需求方面發揮重要作用。

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