新製品 紹介 AT-NPC 3 レベル大容量 IGBT モジュール ―大容量モジュール用パッケージ「M404 パッケージ」― AT-NPC 3-level High-Power IGBT ModulePackage for High-Power Module “M404 Package” 山本 紗矢香 * YAMAMOTO, Sayaka 近年，再生可能エネルギーが注目され，特に太陽光発 電や風力発電の市場が伸びている。これらの分野では電 力変換効率を向上させるため，高電圧化，大容量化，高 効率化が進んでいる。 富士電機は，3 レベル電力変換回路を一つのパッケー ジ に 収 め た 1,200 V/400 A 定 格 の IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールを既に製造している。さ 〈注〉 ら な る 大 容 量 化 に 対 応 す る た め，PrimePack の 一 部 を 改 良 し， 太 陽 光 発 電 用 PCS（Power Conditioner） や 風 力発電，UPS（無停電電源装置）などに対応できる汎用 （a）外 観 性の高い 3 レベル大容量 IGBT モジュール用パッケージ 250 「M404 パッケージ」を開発した。定格電圧 1,200 V，定格 89 M404 パッケージは，並列接続も容易であるため，装置の LABEL 電流 450 A，650 A，900 A の 3 型式をラインアップした。 いっそうの大容量化に対応できる。 38 25.5 本稿では，M404 パッケージの特徴と電気的特性につい て述べる。 1 特 徴 （b）外形図 M404 パ ッ ケ ー ジ は， 既 存 の 大 容 量 パ ッ ケ ー ジ 図₁ 「M404 パッケージ」 PrimePack 内に 3 レベル変換回路とサーミスタを集積し た大容量 IGBT モジュール用のパッケージである。M404 も変換効率が高い。3 レベル電力変換方式には 2 種類あ パッケージの外観と外形図を図₁ に，ラインアップと主 り，中間双方向スイッチング（AC スイッチ）を使用する な特性を表₁ に示す。 AT-NPC（Advanced T-type Neutral-Point-Clamped） ⒜ さらなる大容量化のための並列接続が可能である。 方式と，スイッチング素子が直列につながる NPC 方式が ⒝ モジュール内部の主端子ブスバーをラミネート構 ある。等価回路を図₂ に示す。 造としたため，内部インダクタンスが小さい。 AT-NPC 方式は，電流を通過する素子数が NPC 方式 ⒞ 装置の小型化に対応できるようにモジュール実装 より少ないので，導通損失が抑えられる。さらに，AC 面積を省スペース化し，冷却フィンの面積を小さく スイッチに富士電機独自の RB-IGBT を適用することで， できる。 素子数が少なくなり，さらに導通損失が低減する。図₃ に， ⒟ 温度検出用のサーミスタを内蔵している。 各変換方式におけるトータル発生損失とトータル効率を 示す。RB-IGBT を適用した AT-NPC 方式は，RB-IGBT 2 電気的特性 を用いない場合に比べ，0.1 ポイント効率が向上している。 2 レベル電力変換方式と比較した場合，0.6 ポイントもの RB（Reverse Blocking）-IGBT を使用することで，素 子数が減り，オン抵抗が下がり，変換効率が向上する。 効率向上となる。 ⑵ 耐圧の最適化 ⑴ 導通損失の低減 * 既存の 3 レベル製品は，AC スイッチ部が 600 V 耐圧 3 レベル電力変換方式は，2 レベル電力変換方式より RB-IGBT であった。これに対し，現在，太陽光発電分 富士電機株式会社電子デバイス事業本部事業統括部モジュール技 〈注〉PrimePACK：Infineon Technologies AG の 商 標 ま た は 登 録 術部 商標 2014-S05-1 富士電機技報 2014 vol.87 no.4 AT-NPC 3 レベル大容量 IGBT モジュール ―大容量モジュール用パッケージ「M404 パッケージ」― 表 1 ﹁M404 パッケージ﹂ラインアップと主な特性 項 目 仕 様 方 式 AT-NPC 形 式 4MBI450VB-120R1-50 4MBI650VB-120R1-50 パッケージ寸法 V CES 1,200 V I C（IGBT） 450 A 650 A 900 A −I C（FWD） 450 A 650 A 900 A V GES ±20 V Tj 175 ℃ T jop 150 ℃ V GE（th） （chip） V GE＝20 V 6.0 〜 7.0 V （I C＝450 mA） 6.0 〜 7.0 V （I C＝650 mA） 6.0 〜 7.0 V （I C＝900 mA） V CE（sat） （chip） V GE＝15 V, T j＝25 ℃ typ.1.85 V （I C＝450 A） typ.1.8 V （I C＝650 A） typ.1.85 V （I C＝900 A） V F（chip） T j＝25 ℃ typ.1.70 V （I C＝450 A） typ.1.75 V （I C＝650 A） typ.1.70 V （I C＝900 A） R th（j-c） （IGBT） max. 0.068 ℃/W max. 0.049 ℃/W max. 0.038 ℃/W R th（j-c） （FWD） max. 0.098 ℃/W max. 0.077 ℃/W max. 0.054 ℃/W V CES 900 V I C（RB-IGBT） ACスイッチ部 450 A 650 A V GES ±20 V Tj 150 ℃ T jop 125 ℃ 900 A V GE（th） （chip） V GE＝20 V 5.3 〜 7.3 V （I C＝450 mA） 5.3 〜 7.3 V （I C＝650 mA） 5.3 〜 7.3 V （I C＝900 mA） V CE（sat） （chip） V GE＝15 V, T j＝25 ℃ typ.2.30 V （I C＝450 A） typ.2.25 V （I C＝650 A） typ.2.30 V （I C＝900 A） R th（j-c） （RB-IGBT） max. 0.063 ℃/W max. 0.047 ℃/W max. 0.034 ℃/W V iso 共 通 AC 4,000 V（AC：1 min） サーミ スタ クランプ ダイオード トータル発生損失 （W） インバータ インバータ サーミ スタ RB−IGBT 3,000 97.7 97.1 スイッチン グ損失 1,000 96 フィルター 損失 装着損失 ２レベル 98 97 導通損失 2,000 0 （a）AT−NPC 回路 97.6 ３レベル （AT-NPC） トータル効率 （%） インバータ部 AC スイッチ 4MBI900VB-120R1-50 L250×W89×H38（mm） 95 ３レベル （AT-NPC） （RB-IGBT適用） 回路方式 （b）NPC 回路 図₂ 3 レベル IGBT モジュールの等価回路 図₃ 各変換方式のトータル発生損失とトータル効率 野ではバス電圧 DC1,000 V が主流になりつつあり，この 発売時期 分 野 の 製 品 の AC ス イ ッ チ 部 は DC500 V で ス イ ッ チ ン 2015 年 1 月 グする。このため，既存の 600 V 耐圧では過電圧による 素子破損の恐れがある。一方，既存の 1,200 V 耐圧 RBIGBT ではオン電圧が高くなるため損失に影響が出る上， お問い合わせ先 チップ占有面積が大きくなり集積化が困難になる。そこ 富士電機株式会社 で，適用電圧に対して十分な過電圧耐量のある 900 V 耐 電子デバイス事業本部事業統括部モジュール技術部 圧 RB-IGBT 電話（0263）27-2943 を開発し，最適化を行った。 富士電機技報 2014 vol.87 no.4 2014-S05-2 （2014 年 11 月 21 日 Web 公開） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。