英飞凌的压装外壳和光触发晶闸管 (LTT) 的优点。
出处：维库电子市场网 发布于：2023-10-31 16:09:31
IGBT 模块一直主导电力电子应用。然而，某些应用需要这些组件无法支持的特性，例如功率范围高达 10 MW 的风能系统的油浸变压器 (OIT) 电力电子应用。将电力电子设备集成到中压变压器中通常可以简化整体设计。除了IGBT之外，大家所熟知的晶闸管似乎已经过时了。然而，具有压装外壳和片上功能的现代光触发晶闸管 (LTT) 确实为高功率应用提供了其他当前半导体无法支持的一些关键功能。本文介绍了英飞凌科技的优势' 新闻包装外壳和 LTT 并提供有关其独特卖点的信息。*
根据具体应用，高功率应用中的半导体必须满足以下关键要求：
系统占用空间。
的损失。
高效冷却。
长期可靠性。
峰值电流能力。
极高的电源循环能力。
长期、短期失败行为。
高情况下不破裂电流。
中压应用的绝缘、电气间隙和爬电距离。
采用压装式外壳的半导体具有光触发输入，可以轻松满足所有上述要求
压接式外壳的特点和优点
个可控功率半导体是 1957 年开发的晶闸管。晶闸管无法通过信号关闭，并且在发生故障时不会去饱和，因为这可能导致 10 ms 半波 6 的过电流超过 50 kA峰值。
封装接口的优点
两侧冷却提供的功率体积比。大的电接触面积意味着更少的电接触损耗，因此设备的发热更少。大的热接触面积为散热器提供了的热传递，因此充分利用了硅。实心铜接触面积确保峰值损耗的热容量接近损耗源，这又意味着高过载能力。改进的外壳强度（高情况下不破裂电流）代表了发生故障时的高安全水平。来自固体材料的电流路径（长期短路故障）为串行连接的电路提供了冗余。钼界面的低温烧结 (LTS) 可大大减少材料之间的摩擦。由于其优异的动力循环能力，没有键合，没有移动，因此很少老化。该封装采用气密密封，可防止海上应用受潮。陶瓷封装提供适当的间隙和爬电通道。
外壳概念也适用于 IGBT 外壳
压装式 IGBT (PPI) 的设计基于大功率晶闸管的封装设计，因此也适用于 IGBT。借助大的压力接触面积，电流流过芯片，热量流出芯片（图 4）7,8,9。良好的热接触和电接触主要通过均匀施加的夹紧力来实现。
客户边界条件
中压半导体提供高功率密度和低损耗，从而实现更小的转换器尺寸。简单的转换器设置意味着更少的损耗和更小的占地面积。由于压力接触技术导致长期短路故障行为而发生故障，因此可提供高水平的安全性 -> 取决于应用冗余或通过熔断器或断路器安全关闭。
为什么客户会推动对 Press Pack 等设备的需求
转换器结构紧凑，尺寸小，电流密度高。客户需要针对关键环境中的应用进行简单的设计，以防止潮湿和腐蚀性气体（例如盐雾）的影响。这也适用于油下的设计。由于半导体串联系统的冗余性，不需要更换损坏的部件。从长远来看，这些设备是短期故障的。由于高情况下的非破裂电流，系统发生故障时的风险较小。高功率循环能力可延长使用寿命。由于零件较少，装配率较低，因此可靠性更高。
LTT 的特点和优势
在中压和高压水平下触发和保护采用标准半导体构建的电力电子电路需要付出相当大的努力。这导致了功率晶闸管技术的进一步发展。
控制电路与电源电路之间的绝缘
根据应用，电力电子堆栈可以位于中等电压水平（例如，33 kVrms 10 ）的油浸式变压器油箱内。在这种情况下，控制信号必须相应地绝缘，即必须遵守变压器的绝缘规则。由于变压器油箱上套管的空间有限，必须以光学方式提供控制信号。此外，为了保持阀门打开，控制信号如果可能的话应该是恒定的。这简化了控制单元并确保正常运行。由于需要连续触发功率，因此将此概念应用于中压应用中的电触发晶闸管 (ETT) 需要付出更大的努力。
综合功能特点
LTT 为应用程序提供了其他有用的功能。除了提供无故障中压绝缘的光学控制输入之外，油浸变压器内不需要单独的触发电源。触发功率由 LTT 内部芯片上的外部激光脉冲产生。此外，片上功能包括过压和 dV/dt 保护（图 5）。LTT 的等效电路如图 6 所示。ETT 没有特殊功能（图 7），因此 ETT 解决方案需要单独的有源栅极驱动器、外部保护电路以及安装在油中的触发电源系统罐，可在高达 120°C 的温度下运行。[11] 中描述了可能的变体。除了典型晶闸管所需的功能外，还必须提供额外的外部控制电路和电力电子电路。图 8 显示了 ETT 解决方案所需的控制工作的示例，图 9 描述了 LTT 解决方案所需的少量工作12 . 激光二极管安装在控制柜的控制架内，晶闸管位于油箱内。两个设备通过高温光纤连接。
图 6：具有集成“片上”功能的 LTT T533N80 的等效电路（Infineon Technologies）
应用和电源堆栈设计
压装式外壳可实现简单的电源组设计。一相所需的所有压装件通常可以组装在一个电源组中（图 10）。附加的散热器增强了冷却能力。
图 10：变压器一相基于压装式堆叠设计（Infineon Technologies）
各种功率半导体解决方案的功能优势
表 1 描述了电子有载分接开关 (OLTC) 的集成 LTT 功能的优势。为了全面概述所有可能的功率半导体解决方案，还包括 IGBT。
结论
凭借其密封的压接式陶瓷外壳、光触发栅极和片上功能，LTT 可确保油浸式变压器的轻松应用和正确操作。由于 LTT 解决方案具有集成保护功能，因此对变压器设计的挑战性较小。除了变压器油箱内的晶闸管外，LTT 不需要任何其他电气元件。此外，由于所需的组件较少??，该概念的 FIT 率大约低五倍。只有具有集成功能的LTT才能以简单的方式满足应用需求。LTT 的光闸和集成功能极大地降低了外部控制要求。
用于油浸式变压器中的电子 OLTC 的 LTT 代表着低复杂性和智能、紧凑且坚固的设计。
根据具体应用，高功率应用中的半导体必须满足以下关键要求：
系统占用空间。
的损失。
高效冷却。
长期可靠性。
峰值电流能力。
极高的电源循环能力。
长期、短期失败行为。
高情况下不破裂电流。
中压应用的绝缘、电气间隙和爬电距离。
采用压装式外壳的半导体具有光触发输入，可以轻松满足所有上述要求
压接式外壳的特点和优点
个可控功率半导体是 1957 年开发的晶闸管。晶闸管无法通过信号关闭，并且在发生故障时不会去饱和，因为这可能导致 10 ms 半波 6 的过电流超过 50 kA峰值。
IGBT 模块中使用的众所周知的键合技术目前的能力有限。如果发生故障，键合线会被损坏，并且电流电路会以不受控制的方式断开。此外，可能会发生电弧故障并损坏整个系统，这对于高功率应用来说是不可接受的。功率半导体应该能够承受这样的过流而不被损坏，直到保险丝或快速机械开关安全地断开电路。通过使用合适的芯片设计和主触点的大接触面积，无需粘合的双面连接/冷却压接式封装外壳可以地满足此要求（图 3）。这使得功率半导体能够在整个芯片区域以完美的导通状态传输峰值电流，完美地将热量传递到散热器，
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封装接口的优点
两侧冷却提供的功率体积比。大的电接触面积意味着更少的电接触损耗，因此设备的发热更少。大的热接触面积为散热器提供了的热传递，因此充分利用了硅。实心铜接触面积确保峰值损耗的热容量接近损耗源，这又意味着高过载能力。改进的外壳强度（高情况下不破裂电流）代表了发生故障时的高安全水平。来自固体材料的电流路径（长期短路故障）为串行连接的电路提供了冗余。钼界面的低温烧结 (LTS) 可大大减少材料之间的摩擦。由于其优异的动力循环能力，没有键合，没有移动，因此很少老化。该封装采用气密密封，可防止海上应用受潮。陶瓷封装提供适当的间隙和爬电通道。
外壳概念也适用于 IGBT 外壳
压装式 IGBT (PPI) 的设计基于大功率晶闸管的封装设计，因此也适用于 IGBT。借助大的压力接触面积，电流流过芯片，热量流出芯片（图 4）7,8,9。良好的热接触和电接触主要通过均匀施加的夹紧力来实现。
客户边界条件
中压半导体提供高功率密度和低损耗，从而实现更小的转换器尺寸。简单的转换器设置意味着更少的损耗和更小的占地面积。由于压力接触技术导致长期短路故障行为而发生故障，因此可提供高水平的安全性 -> 取决于应用冗余或通过熔断器或断路器安全关闭。
为什么客户会推动对 Press Pack 等设备的需求
转换器结构紧凑，尺寸小，电流密度高。客户需要针对关键环境中的应用进行简单的设计，以防止潮湿和腐蚀性气体（例如盐雾）的影响。这也适用于油下的设计。由于半导体串联系统的冗余性，不需要更换损坏的部件。从长远来看，这些设备是短期故障的。由于高情况下的非破裂电流，系统发生故障时的风险较小。高功率循环能力可延长使用寿命。由于零件较少，装配率较低，因此可靠性更高。
LTT 的特点和优势
在中压和高压水平下触发和保护采用标准半导体构建的电力电子电路需要付出相当大的努力。这导致了功率晶闸管技术的进一步发展。
控制电路与电源电路之间的绝缘
根据应用，电力电子堆栈可以位于中等电压水平（例如，33 kVrms 10 ）的油浸式变压器油箱内。在这种情况下，控制信号必须相应地绝缘，即必须遵守变压器的绝缘规则。由于变压器油箱上套管的空间有限，必须以光学方式提供控制信号。此外，为了保持阀门打开，控制信号如果可能的话应该是恒定的。这简化了控制单元并确保正常运行。由于需要连续触发功率，因此将此概念应用于中压应用中的电触发晶闸管 (ETT) 需要付出更大的努力。
综合功能特点
LTT 为应用程序提供了其他有用的功能。除了提供无故障中压绝缘的光学控制输入之外，油浸变压器内不需要单独的触发电源。触发功率由 LTT 内部芯片上的外部激光脉冲产生。此外，片上功能包括过压和 dV/dt 保护（图 5）。LTT 的等效电路如图 6 所示。ETT 没有特殊功能（图 7），因此 ETT 解决方案需要单独的有源栅极驱动器、外部保护电路以及安装在油中的触发电源系统罐，可在高达 120°C 的温度下运行。[11] 中描述了可能的变体。除了典型晶闸管所需的功能外，还必须提供额外的外部控制电路和电力电子电路。图 8 显示了 ETT 解决方案所需的控制工作的示例，图 9 描述了 LTT 解决方案所需的少量工作12 . 激光二极管安装在控制柜的控制架内，晶闸管位于油箱内。两个设备通过高温光纤连接。
图 6：具有集成“片上”功能的 LTT T533N80 的等效电路（Infineon Technologies）
应用和电源堆栈设计
压装式外壳可实现简单的电源组设计。一相所需的所有压装件通常可以组装在一个电源组中（图 10）。附加的散热器增强了冷却能力。
图 10：变压器一相基于压装式堆叠设计（Infineon Technologies）
各种功率半导体解决方案的功能优势
表 1 描述了电子有载分接开关 (OLTC) 的集成 LTT 功能的优势。为了全面概述所有可能的功率半导体解决方案，还包括 IGBT。
结论
凭借其密封的压接式陶瓷外壳、光触发栅极和片上功能，LTT 可确保油浸式变压器的轻松应用和正确操作。由于 LTT 解决方案具有集成保护功能，因此对变压器设计的挑战性较小。除了变压器油箱内的晶闸管外，LTT 不需要任何其他电气元件。此外，由于所需的组件较少??，该概念的 FIT 率大约低五倍。只有具有集成功能的LTT才能以简单的方式满足应用需求。LTT 的光闸和集成功能极大地降低了外部控制要求。
用于油浸式变压器中的电子 OLTC 的 LTT 代表着低复杂性和智能、紧凑且坚固的设计。
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