LM80.A 稳定电网的电源模块

　　在现代电网系统中，由于新的挑战，例如向可再生能源的过渡，保持稳定的电网频率比以往任何时候都更加重要。这在很大程度上是由于当今世界消耗了大量的能源以及政府减少碳排放的目标。因此，对能量存储装置的需求正在增长。有效的能量存储系统(ESS)的一个关键要素是功率转换系统(PCS)。PCS充当直流(DC)电池和电网之间的接口。

　　功率转换系统(图1)配备了功率半导体模块作为其主要组件，将储能电池系统连接到电网，以实现电能的双向转换。当发电量过多时，PCS会给电池充电。如果电网需要额外的能量，PCS提供储存的能量。此外，它还提供惯性能量，以保持电网频率接近50/60赫兹。这可以通过像飞轮这样的机械解决方案来实现，飞轮通过旋转具有惯性矩的质量来存储能量。这些能量存储系统通常又大又重，但是可以在短时间内释放大量能量。这种系统可以达到100+ kW，如果需要更多的功率，可以并联更多的单元。

　　更现代的解决方案是电池存储系统，也称为能量存储系统，与PCS作为能量转换的主要部件。可以使用任何类型的电池，但锂离子电池是首选，因为与铅酸电池相比，锂离子电池的功率密度更高，寿命更长。由于需要兆瓦的电力，这些系统可以由几个较小的单元或一个大的单元组成。本文讨论了一款专为高功率系统设计的产品。

　　图一。动力转换系统。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　50/60 Hz左右的稳定电网频率对于许多设备的正确运行是必要的。对于从电网频率产生内部工作频率和时序的老式设备来说尤其如此。然而，现代设备使用DC/DC电源，从内部振荡器产生频率或从服务器接收同步信号。

　　VINcoX 3级高功率模块

　　VINcoX模块专门设计用于不间断电源(UPS)和ESS应用范围从160 kW到1.4 MW，取决于运行条件。它们针对双向操作进行了优化，本质上是一个由多达三个电源模块组成的平台，通过高功率PCB连接。所有主电位在PCB上共享，从而降低杂散电感。

　　图二。VINcoX12电源模块。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　有两种拓扑结构可供选择:一种是3电平T型，具有1200 V和650 V元件，适用于1000 V系统，可选配缓冲电容;另一种是I型，具有1200 V元件，适用于超过1500 V的DC链路。在此功率范围内，开关频率相对较低，因此使用低传导损耗的半导体，在本例中为三菱M7。除了较低的VCEsat，它还提供出色的H3TRB能力。

　　对称的布局

　　较大功率模块的一个挑战是许多半导体需要并联开关。所有器件应同时开关，以实现良好的均流。电源模块内部的长连接可能导致开启和关闭延迟，导致芯片上的负载不均匀。因此，三个段中的每一个都有自己的栅极-发射极连接。此外，DCB上的每个换向环路都有自己的连接。可以压入或焊接到压配合引脚的驱动PCB需要管理这些信号。评估驱动板文档中提供了设计提示和布局建议。

　　图3。环境温度下IC = 3200 A时1800 A模块的关断波形。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图3中的关断波形是用现有最大的VINcoX12模块测量的，其标称芯片电流为1800 A(型号70-W624NIA1K8M701-LD00FP70)。该模块在所有位置都有100%额定组件，使其成为4Q操作的理想选择。如图所示，该模块具有极低的杂散电感，可以利用0.5ω栅极电阻进行非常激进的开关，导致过压尖峰仅为41%，对于1200 V半导体来说约为990 V。

　　图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　可靠性

　　可靠性对于许多应用来说至关重要，因此该模块不使用单个大型铜基板，而是每段有两个基板(图4)。这种设计意味着VINcoX12模块由六块基板组成。这些基板相互分离，与单个基板相比，绝对热膨胀更小，从而降低了热界面材料上的机械应力。

　　对于许多应用，热可靠性是特别重要的。大负载变化会对芯片/焊线连接以及芯片和DCB之间的焊接材料造成压力。此外，如果芯片焊料变得太热，在高负载和高芯片温度下工作可能会使芯片焊料退化。新的先进焊接材料有助于这两者，从而显著延长寿命。它将功率循环能力提高了近两倍，将高温正向偏置能力提高了高达九倍。

　　图4。PCs功能和VINcoX12背面。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　能量储存的惯性

　　VINcoX模块专为3级高功率应用而设计，主要用于储能系统以提供惯性能量。所有位置均为100%额定元件，非常适合需要双向操作的应用。最多可添加三个分段的灵活性可覆盖400 A至2400 A之间的芯片额定电流，T型和I型拓扑可用于1000 V和1500 V系统。具有1200 V元件的I型拓扑的阻断电压能力允许更高的DC链路电压。高可靠性和长寿命是通过在每个部分使用两个独立的基板和先进的焊接材料来实现的，以实现卓越的功率循环和高压正向偏置能力。作为一个选项，模块可以与预先应用的相变材料一起交付，以消除客户生产区的热粘贴过程。总体而言，VINcoX平台适用于从200 kW到1.5 MW的所有3级应用。