アドバンスト NPC3レベル（ Tタイプ3レベル） インバータモジュール 発生損失と比較表 1. A-NPC 3 レベルインバータモジュールの紹介 2. 300Aモジュールのインバータモードの比較 3. 300Aモジュールの整流器モードの比較 4. RB-IGBT デバイス特性 2012年 3月 富士電機株式会社 電子デバイス事業本部 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 1 2レベル, NPC および A-NPC 3レベルの特性比較 A-NPC 3レベルは、高効率なエネルギーシステムに適したトポロジーです。 型式 2レベル インバーター 回路 NPC 3レベル インバーター A-NPC 3レベル 逆直列 T1 A-NPC 3レベル RB-IGBT P P T1 T1 T1 T2 T3 C M M T2 U U T3 T3 T4 T2 T4 T2 T4 N N デバイス IGBT:1200V IGBT:600V IGBT:1200V +600V(逆直列) IGBT:1200V +600V(RB-IGBT) 出力電圧 オン電圧損失 小 大 大 小 スイッチング損失 大 小 小 小 フィルター損失 大 小 小 小 構成 容易 複雑 容易 容易 総合 普通 普通 良 非常に良い Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 2 インバータモードでの 2レベル, NPC および A-NPC 3レベルの制御比較, A-NPC 3レベルは、高効率なエネルギーシステムに適したトポロジーです。 2レベルインバーター (2L) NPC 3レベルインバーター (NPC) A-NPC 3レベル 逆直列 RB-IGBT T1 P P T1 T1 T1 T2 T3 C M M T3 U U T2 T3 T4 T2 T4 T2 T4 N N Lo sse s i n In ve r t e r M o de (W ) IGBT：1200V IGBT：600V 100% 2500 2000 1500 1000 500 85.3% IGBT：1200V/600V, RB-IGBT：600V 72.4% 71.3% 1 5 2 6 .6 1 5 0 4 .8 2 1 0 9 .1 5 9 6 .4 1 7 9 9 .7 5 6 2 .7 1 0 0 8 .0 6 8 4 .8 6 5 1 .9 9 5 0 .0 2 2 1 .7 5 7 0 .0 2 7 1 .8 5 7 0 .0 2 8 2 .9 5 7 0 .0 A-NPC 3レベル 3 (逆直列) A-NPC 3レベル 4 (RB-IGBT) 0 2レベル 1 NPC 3レベル 2 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 3 整流器モードでの 2レベル, NPC および A-NPC 3レベルの制御比較, A-NPC 3レベルは、高効率なエネルギーシステムに適したトポロジーです。 2レベルインバータ (2L) NPC 3レベルインバータ (NPC) A-NPC 3レベル 逆直列 RB-IGBT T1 P P T1 T1 T1 T2 T3 C M M T3 U U T2 T3 T4 T2 T4 T2 T4 N N Losses in Rectifer Mode (W) IGBT：1200V 2500 2000 1500 1000 500 IGBT：600V IGBT：1200V/600V, RB-IGBT：600V 73.4% 84.0% 100% 72.2% 2086.2 1752.9 573.5 1531.3 1508.1 562.7 939.6 635.0 602.1 950.0 243.3 570.0 326.3 570.0 336.0 2 NPC 3レベル 3 (逆直列) A-NPC 3レベル 4 (RB-IGBT) A-NPC 3レベル 570.0 0 1 2レベル Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 4 富士 A-NPC 3レベル インバータモジュール “100A タイプ” 型式名 : 12MBI100VN-120-50 12MBI100VX-120-50 T1,T2 : 1200V/100A T3,T4 : 600V/100A 400V クラス AC 出力向け 12MBI100VN-120-50 外観 12MBI100VN-120-50 等価回路 12MBI100VX-120-50 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 5 富士 A-NPC 3レベルインバータモジュール “300A タイプ” 型式名 : 4MBI300VG-120R-50 T1,T2 : 1200V/300A T3,T4 : 600V/300A 400V クラス AC 出力向け P T1 T1 G T3 E T3T3 G T1/T4 E M U T4 G C T4 T2 T2 G T2 E N 等価回路 (T3 と T4 は RB-IGBT) パッケージ概略 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 6 300Aモジュールのインバータモードの比較 2レベル; NPC 3レベル; A- NPC 3レベル; 2MBI300VH-120-50 2MBI300VB-060-50 シリーズ適用時 4MBI300VG-120R-50 条件; 100kVA インバータ AC 400V, Io=145A, cosθ=1 Vdc=660V(330V+330V), 変調速度 =0.98 Tj=125deg, Rg(T1,T2)=+10/-1ohm, Rg(T3,T4)=+8.2/-39ohm Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 7 “インバータモード”でのトータル損失比較 Dissipation Loss (W) A-NPC 3 レベルモジュールは30kHz以下のキャリア周波数で最 小損失を達成しています。 5,000 Total Loss 4,000 3,000 2－ Level 2,000 NPC 3-Level 1,000 A-NPC 3-Level RB-IGBT 0 0 10 20 30 Fc (kHz) Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 8 “インバータモード”でのデバイス損失比較 A-NPC 3 レベルモジュールは30kHz以下のキャリア周波数で最 小損失を達成しています。 Device Loss (%) 400% Device Loss as 5kHz loss=100% 350% 300% 250% 2－ Level 200% NPC 3-Level 150% 100% A-NPC3-Level RB-IGBT 50% 0% 0 10 20 Fc (kHz) Electronic Devices Business Headquarters 30 All copy rights are reserved. 9 fc=5kHzの “インバータモード” での損失比較 A-NPC 3レベルインバータのトータル損失は5kHzの“インバータモード” で最小 2レベルインバータから30% 損失低減 3レベルインバータから17% 損失低減 85% 100% 71% Dissipation Losses (W) 2,500 2109.1 2,000 1799.7 596.4 1504.8 1,500 562.7 1008.0 Von Loss 651.9 1,000 500 SW Loss 221.7 282.9 570.0 570.0 950.0 Filter Loss 0 2- Level 1 NPC 3 Level 2 Electronic Devices Business Headquarters A- NPC3Level 3 All copy rights are reserved. 10 fc=5kHzの“インバータモード” でのデバイス損失分析 A-NPC 3レベルのT1 と T2 FWDに電流は流れません。 CD1 193W 193W CD2 205W 205W 155W 155W 250 Device Loss (W) 200 150 100 29.1 9.8 39.0 25.7 Prr Pf Poff CD1,2 FWD Psat Pf 84.0 T2,T3 IGBT Pon Psat 50 T1,T2 FWD 9.8 Pｒｒ 17 P ｆ 89.6 T1,T2 IGBT 16.3 10.9 Poff Pon Psat 67.0 9.0 Prr 24.7 Psat 20.7 Poff 17.4 Pon Psat T1,T4 IGBT T3,T4 RB- IGBT T1,T2 IGBT 83.9 0 1 2-Level NPC 32-Level Electronic Devices Business Headquarters 3 AA NPC3Level All copy rights are reserved. 11 300Aモジュールの整流器モードの比較 2レベル; NPC 3レベル; A-NPC3レベル; 2MBI300VH-120-50 2MBI300VB-060-50 シリーズ適用 4MBI300VG-120R-50 条件; 100kVA インバータ AC 400V, Io=145A, cosθ=1 Vdc=660V(330V+330V), 変調速度 =0.98 Tj=125deg Rg(T1,T2)=+10/-1ohm, Rg(T3,T4)=+8.2/-39ohm Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 12 “整流器モード”でのトータル損失比較 Dissipation Loss (W) A-NPC 3 レベルモジュールは20kHz以下のキャリア周波数で最小損失を達 成しています。 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 Total Loss 2－ Level NPC 3-Level A-NPC 3-Level RB-IGBT 0 5 10 15 20 25 30 35 Fc (kHz) Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 13 “整流器モード”でのデバイス損失比較 A-NPC 3レベルモジュールは20kHz以下のキャリア周波数で最小損失を達 成しています。 400% Device Loss as 5kHz loss 100% Device Loss(%) 350% 300% 250% 200% 150% 2－ Level 100% NPC 3-Level A-NPC 3-Level RB-IGBT 50% 0% 0 10 20 30 Fc (kHz) Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 14 fc=5kHzの“整流器モード” での損失分析 A-NPC 3レベルインバータのトータル損失は5kHzの“整流器モード”で最小 2レベルインバータから30% 損失低減 3レベルインバータから14% 損失低減 Dissipation Losses (W) 100% 2,500 2,000 84% 72% 2086.2 573.5 1752.9 1508.1 Von Loss 1,500 562.7 939.6 602.1 243.3 336.0 570.0 570.0 1,000 500 950.0 SW Loss Filter Loss 0 1 2-Level NPC 32-Level Electronic Devices Business Headquarters 3 A- 3Level NPC3Level All copy rights are reserved. 15 fc=5kHzの“整流器モード” でのデバイス損失分析 A-NPC3レベルのT1 と T2 IGBTに電流は流れません。 CD1 Device Loss(W) 189W 189W 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 29.1 CD2 17.1 T1,T2 FWD 85.5 Poff 39.0 2level 156W 156W Prr Pf 25.7 10.1 167W 167W Pon T1,T2 IGBT Pf Pｆ 30.6 16.3 10.9 17.3 13.4 Poff Pon Psat CD1,2 FWD T2,T3 FWD T2,T3 IGBT 21.5 14.0 24.7 20.5 Prr Pf 61.1 Poff Pon Psat T3,T4 RB-IGBT Prr Pf T1,T4 FWD 75.6 T1,T2 T1,T4 FWD Psat NPC NPC3level 3level Electronic Devices Business Headquarters A-NPC A-3level 3level All copy rights are reserved. 16 RB-IGBTリーク電流の低減制御 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 17 RB-IGBT リーク電流損失 “300A type” Tj=125degでのRB-IGBTリーク電流損失は極めて小さいです。 接合温度Tj＝125℃以下では，大きなリーク電流損失は発生しません。 +0.01% Only 1600 100% 100.01% 1504.8 1521.2 Device losses (W) 0.0 16.3 1400 1200 651.9 Leakage Current Loss 651.9 1000 800 Von Loss 282.9 282.9 600 SW Loss 400 200 570.0 570.0 Filter Loss 0 Advanced 3-Level A-NPC3 レベルモジュール RB-IGBT with Leakage Current リーク電流低減制御あり Reduction Control Advanced 3-Level without Leakage A-NPC3 レベルモジュール Current Reduction Control リーク電流低減制御なし Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 18 RB-IGBT リーク電流 （Leakage current） Tj=125℃ 0 Vge=+15V リーク電流はVg=+15Vで低減できます Jc (A/cm2)2 Jc(mA/cm ) Emitter -5 Gate ＋ Vge=0V Vge=0V～-15V p+ n+ n+ p -10 p+ p n- 空乏領域 p+ -15 -800 -600 -400 -200 ー 0 Vce (V) Electronic Devices Business Headquarters Collector All copy rights are reserved. 19 RB-IGBT デバイス特性 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 20 RB-IGBTの断面図 活性 スクライブ GND スクライブ GND P+ P+ N- 空乏領域 活性 P+ N- ダイシング表面 空乏領域 P+ P+ 接合 分離領域 P+ 負バイアス 負バイアス 従来 IGBT ダイシング表面 RB-IGBT ダイシング表面でキャリアが生成 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 21 RB-IGBTの阻止電圧特性 阻止電圧 -3 1x10 o Tj=25 C -4 RB-IGBT (VGE=+15V) 5x10 IC (A) RB-IGBT 0 -4 RB-IGBT (GE short) -5x10 Conventional NPT-IGBT (VGE=+15V) -3 -1x10 -1000 <- Reverse -500 0 VCE (V) Electronic Devices Business Headquarters 500 1000 Forward -> All copy rights are reserved. 22 RB-IGBTのトレードオフ関係 Eoff (mJ) @Tj=125degC 600V/100A device RB-IGB T IGB T + FWD Vce(sat) @Tj=125degC Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 23 RB-IGBTのスイッチング波形 条件: T3 スイッチング T1-FWD リカバリーモード Tj=RT, Vcc2=400V, Ic=300A, RG=+8.2/-39ohm VGE(T3)=+/-15V, VGE(T4)=+15V, IC snubber=1.84uF, Ls=34nH Turn-off VGE 条件: T1 スイッチング T4 RB-IGBT リカバリーモード Tj=RT, Vcc2=400V, Ic=300A, RG=+10ohm VGE(T1)=+/-15V, VGE(T4)=+15V, snubber=1.84uF, Ls=34nH Riverserecovery IC IC VCE VGE: 10V/div VCE: 100V/div IC: 100A/div t: 500ns/div VCE VCE: 100V/div IC: 100A/div t: 500ns/div Turn-on Riverserecovery IC VCE VGE: 10V/div VGE VCE: 100V/div IC: 100A/div t: 200ns/div VCE: 100V/div IC IC: 100A/div t: 200ns/div VCE 富士RB-IGBTは通常のIGBTとFWDと同様に高速スイッチング動作を実現することができます。 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 24 RB-IGBT ターンオン, ターンオフ 測定回路 配線インダクタンス Ls=34nH + P Vcc2 400V T3 1.8uF Ic T1 VGE = -15V M T4 VGE = +15V U T2 VGE = -15V Vce N M403 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 25 RB-IGBT 逆回復測定回路 配線インダクタンス Ls=34nH + P Vcc2 1.8uF 400V VGE = -15V T3 T1 Ic M U T4 VGE = +15V T2 VGE = -15V N Vce M403 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 26 RB-IGBTリーク電流のメカニズム 逆電圧におけるメカニズム ゲート エミッター + n p+ 電子 ホール n- コレクターホール 逆電圧領域でのホールの生成 ↓ エミッタ領域を通る電子の流れ ↓ この電子はPNPトランジスタのベース電流 ↓ P層でのホールの生成 ↓ 大きいリーク電流の生成 p+ 逆電圧（－Vce） 逆電圧領域 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 27 リーク電流の低減方法 (ii) VGE=+15V (i) G-E short ゲート エミッター ベース n- コレクターホール n+ n+ p+ 電子 n+ チャネル p+ 電子 ホール p+ nホール p+ 逆電圧 逆電圧 pnp ベースがオープン ⇒ エミッターからのホールの生成 ⇒ 大きいリーク電流 電子はエミッタのn+は流れる ⇒ ホールの生成がない “pn ダイオード作用” ⇒ 小さいリーク電流 Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 28 RB-IGBTをFWDモードで使用する場合、Vge = +15Vを入力して下さい。 なぜならVge=0Vの場合、RB-IGBTのリーク電流は大きいためです。 RB-IGBTリーク電流はVge=+15V印加で低減することができます。 P = T1 T3 Io M Vge=+15V U T4 T4 Gate+15V -10V T2 Gate+15V -10V T3 Gate+15V -10V T2 N T3をFWDモードで使用する場合、 T3にVge = +15V 入力して下さい。. Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 29 12 in 1, 100A タイプモジュール Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 30 デバイス損失比較 (12in1 モジュール “100A タイプ”) “100A タイプ”の スイッチング損失はNPC 3 レベルと同等 “100A タイプ A-NPC 3レベル”のトータル損失は全てのキャリア周波数レンジにおい て最小 クロスポイントはなし 250 2－Level NPC 3-Level Power Dissipation （ W） 200 Advanced 3-Level RB-IGBT 2レベル: 7MBR100VN120-50 NPC 3レベル: 7MBR100VZ060-50 A-NPC 3レベル : 12MBI100VN-120-50 150 100 条件: 20kVA インバータ AC 400V, Io=30A, cosθ=0.9 Vdc=700V(350V+350V) 変調速度 =0.8 Tj=125C, Rg=データシート値 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Carrier Frequency （ｋHz） Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 31 Notes 1. This technical note contains the product specifications, characteristics, data, materials, and structures as of January2012. The contents are subject to change without notice for specification changes or other reasons. When using a product listed in this Catalog, be sure to obtain the latest specifications. 2. All applications described in this Catalog exemplify the use of Fuji's products for your reference only. No right or license, either express or implied, under any patent, copyright, trade secret or other intellectual property right owned by Fuji Electric Co., Ltd. is (or shall be deemed) granted. Fuji Electric Co., Ltd. makes no representation or warranty, whether express or implied, relating to the infringement or alleged infringement of other's intellectual property rights which may arise from the use of the applications described herein. 3. Although Fuji Electric Co., Ltd. is enhancing product quality and reliability, a small percentage of semiconductor products may become faulty. When using Fuji Electric semiconductor products in your equipment, you are requested to take adequate safety measures to prevent the equipment from causing a physical injury, fire, or other problem if any of the products become faulty. It is recommended to make your design fail-safe, flame retardant, and free of malfunction. 4. The products introduced in this technical note are intended for use in the following electronic and electrical equipment which has normal reliability requirements. • Computers • OA equipment • Communications equipment (terminal devices) • Measurement equipment • Machine tools • Audiovisual equipment • Electrical home appliances • Personal equipment • Industrial robots etc. 5. If you need to use a product in this Catalog for equipment requiring higher reliability than normal, such as for the equipment listed below, it is imperative to contact Fuji Electric Co., Ltd. to obtain prior approval. When using these products for such equipment, take adequate measures such as a backup system to prevent the equipment from malfunctioning even if a Fuji's product incorporated in the equipment becomes faulty. • Transportation equipment (mounted on cars and ships) • Trunk communications equipment • Traffic-signal control equipment • Gas leakage detectors with an auto-shut-off feature • Emergency equipment for responding to disasters and anti-burglary devices • Safety devices • Medical equipment 6. Do not use products in this Catalog for the equipment requiring strict reliability such as the following and equivalents to strategic equipment (without limitation). • Space equipment • Aeronautic equipment • Nuclear control equipment • Submarine repeater equipment 7. Copyright ©1996-2012 by Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. No part of this technical note may be reproduced in any form or by any means without the express permission of Fuji Electric Co., Ltd. 8. If you have any question about any portion in this Catalog, ask Fuji Electric Co., Ltd. or its sales agents before using the product. Neither Fuji Electric Co., Ltd. nor its agents shall be liable for any injury caused by any use of the products not in accordance with instructions set forth herein. Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 32