電力電子及其效率的重要性也隨之增加。為了限度地減少電力電子設(shè)備中的能量損失，我們需要更仔細(xì)地檢查所涉及組件的各個方面。
　　對于這些電力電子系統(tǒng)中使用的拓?fù)洌瑥慕?jīng)典的兩電平轉(zhuǎn)換器到更先進(jìn)的具有無源或有源控制或 T 型的 3L NPC，再到更復(fù)雜的轉(zhuǎn)換器，如模塊化多電平或級聯(lián) H 橋多電平，有許多效率、元件數(shù)量、諧波失真、可靠性和成本的優(yōu)化。在電力電子系統(tǒng)中使用的所有組件中，用于打開和關(guān)閉電流的開關(guān)是重要的。
　　在超高壓開關(guān)范圍（>3 kV）中，我們近年來觀察到可用選項的聚集。一方面，我們有相控晶閘管 (PCT) [1] 或集成門極換流晶閘管 (IGCT) [2] 等電流控制器件，另一方面，我們有絕緣柵雙極晶體管(IGBT ) 等電壓控制開關(guān)) 或 SiC 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。

　　這些開關(guān)主要有兩類封裝：壓接式解決方案（即用于 BiPolar 的 Hockey Pack 和用于 IGBT [3] 的 StakPak）和隔離模塊。對于隔離式高壓模塊，HiPak 一直是業(yè)界的主力 [4]。它廣泛用于牽引變流器、中壓驅(qū)動器和電網(wǎng)應(yīng)用（即 SVC、互聯(lián)系統(tǒng)、STATCOM、HVDC閥門等）。近，提出了一種新的封裝

在日立能源，該封裝稱為 LinPak。我們于 2016 年初推出了個 LV LinPak 版本（V iso = 6 kV）進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營[6]。HV LinPak (V iso=10.2kV）現(xiàn)已上市（見圖 1）。這些封裝很快就被接受，并且由于其改進(jìn)的性能特征，對它們的需求也很廣泛。

　　圖 1. HV LinPak 模塊。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  
　　HV LinPak 特點

　　HV LinPak 的設(shè)計原理與 LV 版本相同。它是雙（或相腳）模塊，主電源端子位于長軸的每一側(cè)。這樣可以方便地將柵極單元放置在模塊的中間，而不會限制母線設(shè)計。此外，DC+ 和 DC- 端子以共面幾何形狀饋入模塊，以實現(xiàn)的換向電感。模塊設(shè)計時特別小心，以便這些模塊的并聯(lián)可以在電流降額或無電流降額的情況下完成 [7]。除了所有這些改進(jìn)的特性之外，HV LinPak 還配有可選的 NTC 熱敏電阻，這是同類產(chǎn)品中個具有此選項的模塊。以下 Si IGBT HV LinPak 型號正在開發(fā)中：3.3 kV 600 A、4.5 kV 450 A 和 6.5 kV 300 A。 等效額定值SiC MOSFET也在開發(fā)中。

　　圖 2. 兩個并聯(lián) 3.3kV 600A HV LinPak 模塊的高側(cè)（左）和低側(cè)（右）雙脈沖開關(guān)曲線。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  
　　并聯(lián)運(yùn)行
　　我們根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)建議 [8] 創(chuàng)建了一個并行測試 HV LinPak 的設(shè)置。我們開始使用 3.3 kV 600 A HV LinPak 模塊進(jìn)行并聯(lián)測試，并觀察到從我們的生產(chǎn)中隨機(jī)抽取的模塊之間的均流效果非常好（見圖 2）。測試裝置中模塊的位置是確定電流不對稱性的重要因素。即使我們交換測試中使用的模塊，我們也獲得了相同的方差。模塊參數(shù)（V CEsat、V F、V th、t d（開/關(guān)） ...）的變化代表了這些參數(shù)的典型分布。
　　此外，我們注意到高側(cè)與低側(cè)的并聯(lián)開關(guān)行為存在差異。當(dāng)我們改變測試設(shè)置（即連接或斷開斷路器）時，我們發(fā)現(xiàn)這種不平衡受到了很大影響。此外，如前所述，這種差異取決于位置，并且在交換或調(diào)換模塊時不會改變。
　　NTC 選項
　　為了增強(qiáng)該模塊在高電壓范圍內(nèi)的功能，NTC 熱敏電阻現(xiàn)在作為可選功能提供。NTC傳感器與半導(dǎo)體芯片安裝在同一基板上，這確保了溫度讀數(shù)盡可能接近芯片溫度。這使客戶能夠通過減少設(shè)計余量來進(jìn)一步優(yōu)化模塊的使用。例如，當(dāng)檢測到高溫時，可以暫時改變開關(guān)頻率以減少開關(guān)損耗。此外，如果只有一個模塊溫度升高，則可以應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)控管理來避免災(zāi)難性故障。如果僅使用冷卻水的溫度或散熱器上的傳感器作為觸發(fā)器，則將無法獲得此類信息。

　　在圖 3 中，我們看到通過 NTC 測量的電壓信號。我們應(yīng)用了此類測量中常見的分壓器技術(shù)，其中我們將一個電阻器（820 歐姆）與 NTC 熱敏電阻串聯(lián)。我們看到 NTC 傳感器跟隨安裝它的主基板的溫度，并且信號與發(fā)射極 dv/dt 有一定的耦合。為了避免錯誤讀數(shù)，了解這種行為非常重要。較高的溫度意味著較低的電阻，這又意味著 NTC 上的壓降較低。

　　圖 3. 在 HV LinPak 的 RT（左）和 150°C（右）下測量的 NTC 信號曲線，在雙脈沖測試期間使用高電流開關(guān)進(jìn)行評估。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 

　　圖 4.  SiC 500 A 3.3 kV HV LinPak 模塊的關(guān)斷，25°C，R g = 3.3Ohm。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 

　　圖 5.基板級 3.3 kV SiC 開啟時的R g 掃描（I nom = 225A），25°C。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　具有 SiC MOSFET 的 HV LinPak

　　由于其雜散電感較低，HV LinPak 還可以配備快速開關(guān) SiC MOSFET。在此封裝的改進(jìn)版本中，我們將內(nèi)部電感降低至約。23nH，這使得器件的切換速度更快。這樣就可以充分利用SiC器件極低的開關(guān)損耗。不僅內(nèi)部電感更低，而且襯底設(shè)計也經(jīng)過優(yōu)化，以確保每個 SiC 器件具有相同的換向電感和相同的柵極電感，并且耦合非常均勻。為了確保模塊內(nèi)兩個基板之間的良好平衡，我們?yōu)槊總€基板配備了自己的柵極電阻。

　展示了 500 A 3.3 kV SiC LinPak 的開關(guān)波形。我們的目標(biāo)是具有非常好的可控性，即能夠通過應(yīng)用不同的 R g值來改變開關(guān)速度。從波形曲線可以看出，即使外部 R g =0 Ohm，也能實現(xiàn)良好的開關(guān)（見圖 5）。當(dāng) R g值從0 Ohm 變?yōu)?5 Ohm/基板時，di/dt 從 3.5 kA/us 減慢至 1.2 kA/us。在關(guān)斷曲線中也觀察到了同樣的情況，其中 dv/dt 降低了約 10%。當(dāng) Rg 從 0 歐姆增加到 5 歐姆/基板時，因子 3。這使轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員可以靈活地選擇柵極電阻值，從而在損耗和 di/dt 或 dv/dt 約束之間提供折衷。