PowerPoint プレゼンテーション

2012

3

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

2 レベル , NPC および A-NPC 3 レベルの特性比較

型式

2

インバーター

NPC 3

A-NPC 3

A-NPC 3

RB-IGBT

デバイス

IGBT:1200V IGBT:600V IGBT:1200V

+600V(逆直列)

IGBT:1200V

+600V(RB-IGBT)

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

T1

T2

T1

T2

T3

T4

T1

T4 T2 T3

P

U

N C

M

T1

T4 T2 T3

P

U

N M

A-NPC 3

9 5 0 .0

5 7 0 .0 5 7 0 .0 5 7 0 .0

5 6 2 .7

2 2 1 .7 2 7 1 .8 2 8 2 .9

5 9 6 .4

1 0 0 8 .0 6 8 4 .8 6 5 1 .9

2 1 0 9 .1

1 7 9 9 .7

1 5 2 6 .6 1 5 0 4 .8

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0

s e s i n I n v e r t e r M o d e (W )

インバータモードでの

2

, NPC

A-NPC 3

,

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

IGBT：1200V IGBT：600V IGBT：1200V/600V, RB-IGBT：600V

T1

T2

T3

T4 T1

T2

T1

T4 T2 T3

P

U

N C

M

T1

T4 T2 T3

P

U

N M

71.3%

72.4%

85.3%

100%

A-NPC 3

950.0

570.0 570.0 570.0

562.7

243.3 326.3 336.0

573.5

939.6 635.0 602.1

2086.2

1752.9

1531.3 1508.1

0 500 1000 1500 2000 2500

1 2 3 4

L o ss e s in R e c ti fe r M o d e (W )

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

IGBT：1200V IGBT：600V IGBT：1200V/600V, RB-IGBT：600V

T1

T2

T3

T4 T1

T2

T1

T4 T2 T3

P

U

N C

M

T1

T4 T2 T3

P

U

N M

A-NPC 3

(RB-IGBT) A-NPC 3レベル (逆直列)

NPC 3レベル 2レベル

72.2%

73.4%

84.0%

100%

A-NPC 3

整流器モードでの

2

, NPC

A-NPC 3

,

等価回路

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

AC

12MBI100VN-120-50 外観

12MBI100VN-120-50

12MBI100VX-120-50

富士

A-NPC 3

300A

等価回路

(T3 と T4 は RB-IGBT)

パッケージ概略

T1

T4 T2 T3

P

U

N M

T1 G

T1/T4 E

T2 G T2 E

T3 E T3 G

T4 G C

型式名 : 4MBI300VG-120R-50

T1,T2 : 1200V/300A

T3,T4 : 600V/300A

400V

AC

300A モジュールのインバータモードの比較

2レベル; 2MBI300VH-120-50

NPC 3

;

2MBI300VB-060-50

A- NPC 3レベル; 4MBI300VG-120R-50

条件;

100kVA

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

“インバータモード”でのトータル損失比較

Total Loss

A-NPC 3

30kHz

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000

0 10 20 30

Fc (kHz)

D issi pation Loss (W )

2 － Level

NPC 3-Level

A-NPC 3-Level

RB-IGBT

“ インバータモード”でのデバイス損失比較

A-NPC 3

30kHz

Device Loss as 5kHz loss=100%

0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%

350%

400%

0 10 20 30

Fc (kHz)

De v ice Lo ss (% )

2

NPC 3-Level

A-NPC3-Level

RB-IGBT

fc=5kHz の “インバータモード” での損失比較

A-NPC 3

5kHz

で最小

2

30%

3

17%

100% 85% 71%

950.0

570.0 570.0

562.7

221.7 282.9

596.4

1008.0

651.9 2109.1

1799.7

1504.8

0 500 1,000 1,500 2,000 2,500

1 2 3

2 - Level A -

D issipati on Lo sses ( W)

Von Loss

SW Loss

Filter Loss

2 - Level NPC 3 Level A - NPC3Level

D issipati on Lo sses ( W)

Von Loss

SW Loss

Filter Loss Von Loss

SW Loss

Filter Loss

fc=5kHz の“インバータモード” でのデバイス損失分析

A-NPC 3

T1

T2 FWD

CD1

CD2

89.6

67.0 83.9

25.7

10.9

17.4 39.0

16.3

20.7 9.8

29.1

84.0 24.7

9.0 9.8 17

0 50 100 150 200 250

1 2 3

D e vi c e L o ss ( W )

2 - Level NPC 3 - Level A

T1,T2 IGBT Poff

Pon Psat

T1,T2 FWD Prr

Pf

T1,T4 IGBT Psat

Pon

T2,T3 IGBT P

Pf

Poff

CD1,2 FWD P

193W

193W 205W 205W 155W 155W

T1,T2 IGBT Psat

Pon

T3,T4 RB - IGBT Prr

Psat Poff

89.6

67.0 83.9

25.7

10.9

17.4 39.0

16.3

20.7 9.8

29.1

84.0 24.7

9.0 9.8 17

0 50 100 150 200 250

1 2 3

D e vi c e L o ss ( W )

2 - Level NPC 3 - Level A- NPC3Level

T1,T2 IGBT Poff

Pon Psat

T1,T2 FWD Prr

Pf

T1,T4 IGBT Psat

Pon

T2,T3 P

Psat

Poff

CD1,2 FWD P

193W

193W 205W 205W 155W 155W

IGBT Psat

Pon

T3,T4 RB - IGBT Prr

Psat

Poff

300A モジュールの整流器モードの比較

2レベル; 2MBI300VH-120-50

NPC 3レベル; 2MBI300VB-060-50 シリーズ適用 A-NPC3レベル; 4MBI300VG-120R-50

条件;

100kVA

AC 400V, Io=145A, cosθ=1

Vdc=660V(330V+330V),

=0.98 Tj=125deg

Rg(T1,T2)=+10/-1ohm, Rg(T3,T4)=+8.2/-39ohm

“ 整流器モード”でのトータル損失比較

A-NPC 3

20kHz

Total Loss

0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500

0 5 10 15 20 25 30 35

Fc (kHz)

Diss ip at io n Lo ss (W)

2

Level

NPC 3-Level

A-NPC 3-Level

RB-IGBT

“ 整流器モード”でのデバイス損失比較

A-NPC 3

20kHz

Device Loss as 5kHz loss 100%

0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%

350%

400%

0 10 20 30

Fc (kHz)

Dev ice Lo ss(% )

2

Level NPC 3-Level

A-NPC 3-Level

RB-IGBT

fc=5kHz の“整流器モード” での損失分析

A-NPC 3

5kHz

2

30%

3

14%

100% 84% 72%

950.0

570.0 570.0

562.7

243.3 336.0

573.5

939.6 602.1

2086.2

1752.9

1508.1

0 500 1,000 1,500 2,000 2,500

1 2 3

Dissip at io n Lo sses (W)

Von Loss

SW Loss

Filter Loss

2 - Level NPC 3 - Level A - 3Level

950.0

570.0 570.0

562.7

243.3 336.0

573.5

939.6 602.1

2086.2

1752.9

1508.1

0 500 1,000 1,500 2,000 2,500

1 2 3

Dissip at io n Lo sses (W)

Von Loss

SW Loss

Filter Loss Von Loss

SW Loss

Filter Loss

2 - Level NPC 3 - Level A - NPC3Level

10.1 25.7 39.0 85.5

61.1 75.6

29.1

13.4 17.3 20.5

24.7 10.9

14.0 16.3

30.6 21.5 17.1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

2level NPC 3level A-3level

D e vi c e L o ss (W )

189W

189W 167W 167W 156W 156W

T1,T2 IGBT Poff

Pon Psat

T1,T2 FWD Prr

Pf

T1,T4 FWD Pf

Prr

T2,T3 IGBT T2,T3 FWD P ｆ

Poff Pon Psat

CD1,2 Pf FWD

T1,T4 FWD Pf

Prr

T3,T4 RB - IGBT Poff

Pon Psat

10.1 25.7 39.0 85.5

61.1 75.6

29.1

13.4 17.3 20.5

24.7 10.9

14.0 16.3

30.6 21.5 17.1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

2level NPC3level A-NPC 3level

D e vi c e L o ss (W )

189W

189W 167W 167W 156W 156W

T1,T2 IGBT Poff

Pon Psat

T1,T2 FWD Prr

Pf

T1,T4 FWD Pf

Prr

T2,T3 IGBT T2,T3 FWD P ｆ

Poff Pon Psat

CD1,2 Pf FWD

T1,T2 FWD Pf

Prr

T3,T4 RB - IGBT Poff

Pon Psat

CD1

CD2

fc=5kHz の“整流器モード” でのデバイス損失分析

A-NPC3

T1

T2 IGBT

RB-IGBT リーク電流の低減制御

570.0 570.0

282.9 282.9

651.9 651.9

16.3 0.0

1521.2 1504.8

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Advanced 3-Level

RB-IGBT with Leakage Current Reduction Control

Advanced 3-Level without Leakage Current Reduction Control

100% 100.01%

Von Loss SW Loss Filter Loss Leakage Current Loss

Tj=125deg

RB-IGBT



Tj

125 ℃以下では，大きなリーク電流損失は発生しません。

De v ice lo ss es (W )

A-NPC3

A-NPC3 レベルモジュール

+0.01%

Only

RB-IGBT リーク電流損失 “ 300A type”

-15 -10 -5 0

-800 -600 -400 -200 0 Vce (V)

J c (A / c m 2 ) J c (mA/c m 2 )

Vge=0V Vge=+15V

（

Leakage current

リーク電流は

Vg=+15V

p+

Collector n-

p p

n+

n+

Emitter Gate

p+ p+

空乏領域

＋

ー RB-IGBT リーク電流

Vge=0V ～ -15V

Tj=125 ℃

RB-IGBT デバイス特性

ダイシング表面

空乏領域 負バイアス

GND

N-

P ⁺ P ⁺

P ⁺

活性 スクライブ

ダイシング表面でキャリアが生成

従来

IGBT

RB-IGBT の断面図

分離領域 接合

ダイシング表面

空乏領域

GND

負バイアス

P ⁺

P ⁺ P ⁺

N-

活性 スクライブ

RB-IGBT

-1000 -500 0 500 1000 -1x10

-5x10

0 5x10

1x10

RB-IGBT (GE short) Tj=25

C

Conventional NPT-IGBT (V

=+15V)

RB-IGBT RB-IGBT (V

GE

=+15V)

I C (A)

V CE (V)

阻止電圧

RB-IGBT の阻止電圧特性

Forward ->

<- Reverse

E o ff (mJ ) @ Tj = 1 2 5 d e g C IGB T + FWD

600V/100A device

RB-IGB T

Vce(sat) @Tj=125degC

E o ff (mJ ) @ Tj = 1 2 5 d e g C IGB T + FWD

600V/100A device

RB-IGB T

Vce(sat) @Tj=125degC

RB-IGBT のトレードオフ関係

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,

snubber=1.84uF, Ls=34nH

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

Turn-on

VGE: 10V/div VCE: 100V/div IC: 100A/div t: 200ns/div

VCE

IC VGE

VGE: 10V/div VCE: 100V/div IC: 100A/div t: 500ns/div

VGE

VCE IC

Riverse- recovery

VCE: 100V/div IC: 100A/div t: 200ns/div

IC

VCE

IC

Riverse- recovery

VCE: 100V/div IC: 100A/div t: 500ns/div

IC VCE

富士

RB-IGBT

IGBT

FWD

RB-IGBT ターンオン , ターンオフ 測定回路

P

U

N

+

M

T4 VGE = +15V

T3

T1 VGE = -15V

T2 VGE = -15V 1.8uF

Vcc2

Ls=34nH

M403 400V

Ic

Vce

配線インダクタンス

P

U

N

+

M

T2 VGE = -15V 1.8uF

Vcc2

Ls=34nH

T3 VGE = -15V

T4

VGE = +15V

T1

配線インダクタンス

M403 400V

Ic

Vce

RB-IGBT 逆回復測定回路

RB-IGBT リーク電流のメカニズム

p ⁺ n ^-

p ⁺

コレクター

エミッター

逆電圧（－ Vce ）

n ⁺

電子

ホール

ホール

ゲート

逆電圧におけるメカニズム

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

↓

大きいリーク電流の生成

逆電圧領域

リーク電流の低減方法

(i) G-E short (ii) V GE =+15V _n ⁺ チャネル

電子はエミッタの

_n+

⇒ 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

p ⁺ n ^-

p ⁺

逆電圧

n ⁺

電子

p ⁺

n ^-

p ⁺

コレクター エミッター

ベース

逆電圧

n ⁺

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

ホール

ホール

ゲート

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。

T1

T2 T4

T3

P

U

N M

=

Io Vge=+15V

T4 Gate T2 Gate T3 Gate

-10V -10V

+15V +15V +15V

-10V

T3 を FWD モードで使用する場合、

T3 に Vge = +15V 入力して下さい。 .

12 in 1, 100A タイプモジュール

デバイス損失比較 (12in1 モジュール “ 100A タイプ” )

条件:

20kVA インバータ

AC 400V, Io=30A, cosθ=0.9 Vdc=700V(350V+350V)

=0.8

Tj=125C, Rg=

0 50 100 150 200 250

0 5 10 15 20 25 30 35 40

P o w er D is si p a ti o n （ W ）

2－ Level NPC 3-Level Advanced 3-Level RB-IGBT

 “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

2レベル: 7MBR100VN120-50

NPC 3レベル: 7MBR100VZ060-50

A-NPC 3レベル : 12MBI100VN-120-50

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.