用于可靠风力发电和电网转换器的压力封装IGBT

现代风能转换中的可靠性挑战

现代风力涡轮机的电力转换器面临极端的运行需求，挑战半导体元件的可靠性。风电场，尤其是海上和偏远地区的设施，在恶劣条件下运行——温度变化剧烈、高湿度、盐腐蚀和机械振动，这些都加速了热循环和机械应力对电力模块的影响。这种环境暴露出标准线键式IGBT的薄弱环节，焊线疲劳和热膨胀系数（CTE）不匹配导致早期失效。

标准模块在高功率半导体堆中的杂散电感减小和电流分布不均方面常常难以应对，限制了其在要求苛刻的并网转换器中的可靠性。此外，电网法规和可再生能源集成的日益复杂，要求严格符合谐波、故障穿越和开关性能的电网合规性。半导体器件必须支持这些严格的电气和机械要求，同时保证运行时间。

在这种背景下，应对可靠性挑战需要从传统的高压IGBT转向更坚固的解决方案，这些方案经过特殊设计，能够承受恶劣的风电场环境，并确保现代风能系统中用于高压直流（HVDC）传输组件和模块化多电平变换器（MMC）的持续性能。

压力封装IGBT（PPI）有何不同？

压力封装IGBT因其独特的无焊线IGBT设计而脱颖而出。不同于依赖脆弱焊线连接半导体芯片的传统模块，PPI采用直接压力接触技术。这意味着半导体芯片被夹紧在均匀压力下，消除了在机械应力或热循环下可能失效的焊线。这一设计大大提高了热循环可靠性，减少了由热膨胀系数（CTE）不匹配引起的失效风险。

另一个关键优势是双面冷却散热。通过允许在IGBT的上下表面进行冷却，压力封装模块能够高效管理热量，实现更高的功率密度和更长的使用寿命，适用于风力涡轮机和电网转换器等苛刻环境。

这些特性共同使压力封装IGBT成为高功率半导体器件的可靠选择，特别是在需要串联连接的IGBT器件的应用中。对于寻求可扩展的高压解决方案的用户，诸如 3300V 1000A高压IGBT功率模块 的型号展示了该技术的强大性能和韧性。

对并网转换器和高压直流的关键优势

压力封装IGBT（PPI）提供了关键优势，使其非常适合风力发电机的电力转换器和高压直流传输组件。其中一个突出的特点是 短路故障模式（SCFM），也称为“短路失效”特性。不同于传统的线键模块，如果发生故障，PPI会安全地通过短路失效而不是开路，从而防止灾难性损坏，并允许系统的其他部分继续运行。这提升了整体可靠性，尤其是在关键的并网应用中。

另一个主要优势是串联连接能力。由于PPI采用无焊线结构和直接压力接触技术，在串联堆叠以实现高功率半导体堆时，能够可靠地处理更高的电压。这减少了杂散电感，提升了 模块化多电平变换器（MMC） 和FACTS设备的性能。其结果是更坚固、更高效的设计，简化了高压直流和风电场的电力电子系统。

PPIs 还具有防爆外壳，通常采用密封陶瓷外壳，提供优越的环境应力保护，如湿度、尘埃和热循环。这种坚固的封装确保在风电场常见的恶劣条件下长时间稳定运行。

对于那些希望结合这些优点的高压 IGBT 解决方案的用户，探索我们的 3300V 1600A 高压 IGBT 功率模块 揭示了为并网应用设计的先进压力封装功率半导体的前沿技术。

HIITIO 在高功率半导体制造方面的做法

在 HIITIO，我们专注于提供可靠的高功率半导体器件，以满足风力发电机变换器和并网系统的严苛要求。我们的专业技术在于精密夹紧工程，确保整个压力封装功率半导体堆栈中的主动夹紧力一致。这一关键因素保持了直接压力接触技术，保证了稳定运行，避免了传统模块中常见的引线断裂风险。

我们还根据特定的变换器拓扑结构，如模块多电平变换器（MMC）或高压直流（HVDC）传输组件，定制无引线 IGBT 和其他高压 IGBT 设备。这种定制增强了热循环的可靠性，减少了热膨胀系数（CTE）不匹配，对于在海上和陆上风电场中持续承受热机械应力的设备尤为关键。

在交付前，每个模块都经过针对极端环境的严格测试——模拟风电场所经历的恶劣环境，包括快速温度变化和电气浪涌。这些测试确保半导体的稳健性，特别是在短路故障模式（SCFM）和通过双面冷却散热实现的热管理方面。

对于寻求成熟高功率解决方案的客户，我们的产品系列包括先进的模块，如 1000V 600A Easy 3B IGBT 功率模块，这些产品在设计时考虑了这些制造标准。我们承诺为您提供在压力下（字面意义上）表现可靠的功率半导体。

对比分析：压力封装与线键封装模块

在风力发电机变换器的高功率半导体设备中，压力封装 IGBT 相较于传统的线键封装模块具有明显优势。关键区别在于它们的无引线 IGBT 结构。不同于线键封装模块中脆弱的引线连接芯片与端子，压力封装 IGBT 采用直接压力接触技术。这种设计消除了由热膨胀系数（CTE）不匹配和热循环引起的常见故障点，提高了在恶劣风电场环境中的可靠性。

以下是简要对比：

• 热循环可靠性: 由于其夹紧力半导体设计，压力封装模块能更好地应对热应力，减少引线脱离的可能性。线键封装模块在反复温度变化后可能会出现疲劳和最终失效。
• 杂散电感降低： 压力封装 IGBT 提供显著更低的寄生电感，因为其设计最小化了内部引线长度，有利于动态开关性能。这一优势在模块多电平变换器（MMC）和高压直流（HVDC）传输组件中尤为关键，关系到效率和快速响应。
• 短路故障模式（SCFM）: 压力封装技术自然支持 故障短路 模式，意味着设备在故障时能够安全失效而不会造成变流器的灾难性损坏。线键合器件倾向于开路失效，可能导致更严重的系统损坏。
• 冷却效率: 由于双面散热的热量散发，压力封装IGBT比线键合器件能处理更高的功率密度，并在重载条件下更好地保持结点温度的稳定。

总体而言，压力封装功率半导体器件提供了更强的耐用性，更易于串联连接的IGBT器件的扩展，以及在并网风电系统中的更佳性能，优于线键合模块。对于有兴趣探索高压IGBT的用户，可以考虑我们的 2400V 1700A 高压 IGBT 功率模块 采用压力封装技术，性能强劲，适用于要求苛刻的风电应用的产品。

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未来展望：PPIs在海上风电中的作用

海上风电场在中国市场快速扩展，对压力封装IGBT（PPIs）等功率半导体的需求也在不断增长。PPIs凭借其无焊线的IGBT设计和坚固的直接压力接触技术，提供了无与伦比的可靠性。这使它们非常适合应对极端温度变化和复杂操作条件的恶劣海上环境，挑战传统模块的性能。

推动海上采用PPI的主要优势包括：

• 卓越的热循环可靠性 通过双面散热的热量散发
• 减少杂散电感 提升高功率半导体堆的效率
• 经过验证 短路故障模式（SCFM） 保证短路失效行为，对于风力发电机组的并网变流器和高压直流输电（HVDC）系统中的关键部件至关重要
• 它们的 密封陶瓷外壳 确保免受盐水腐蚀和湿气的影响
• 易于集成到FACTS和HVDC系统中使用的模块化多电平变换器（MMC）设置中

随着海上风电场规模和容量的扩大，采用PPIs的串联连接IGBT器件的N+1冗余设计变得更加容易。夹紧力半导体结构有助于保持长期运行的稳定性，减少热膨胀系数（CTE）不匹配的问题，这是确保正常运行的关键。

对于中国的运营商而言，这意味着更低的维护成本和更好的电网合规性，确保可靠的可再生能源供应。若想了解适用于此类应用的高功率PPIs，请查看我们的精密工程设计 1700V 450A IGBT模块 旨在满足这些严苛的需求。

总之，压装式功率半导体有望成为海上风电变流器的支柱，提升中国在可持续能源方面的性能和可靠性。