アドバンスト npc3レベル( tタイプ3レベル) インバータ ......t4 t1 t2 t1 t3 t4...
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2012年 3月
富士電機株式会社
電子デバイス事業本部
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
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2レベル, NPC および A-NPC 3レベルの特性比較
型式 2レベル
インバーター
NPC 3レベル
インバーター
A-NPC 3レベル
逆直列
A-NPC 3レベル
RB-IGBT
回路
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
T1
T2
T1
T2
T3
T4
T1
T2T4T3
P
U
N
C
M
T1
T2T4
T3
P
U
N
M
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。
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950 .0570 .0 570 .0 570 .0
562 .7
221 .7 271 .8 282 .9
596 .4
1008 .0 684 .8 651 .9
2109 .11799 .7
1526 .6 1504 .8
0
500
1000
1500
2000
2500
1 2 3 4
Lo
sse
s i
n I
nve
rte
r M
ode
(W)
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,
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
T2T4T3
P
U
N
C
M
T1
T2T4
T3
P
U
N
M
A-NPC 3レベル (RB-IGBT) A-NPC 3レベル (逆直列) NPC 3レベル 2レベル
71.3% 72.4% 85.3% 100%
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。
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950.0570.0 570.0 570.0
562.7
243.3 326.3 336.0
573.5
939.6 635.0 602.1
2086.21752.9
1531.3 1508.1
0
500
1000
1500
2000
2500
1 2 3 4Loss
es
in R
ecti
fer
Mode
(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
T2T4T3
P
U
N
C
M
T1
T2T4
T3
P
U
N
M
A-NPC 3レベル (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。
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,
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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 クラス AC 出力向け
12MBI100VN-120-50 外観
12MBI100VN-120-50
12MBI100VX-120-50
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富士 A-NPC 3レベルインバータモジュール “300A タイプ”
等価回路 (T3 と T4 は RB-IGBT)
パッケージ概略
T1
T2T4
T3
P
U
N
M
T1 G
T1/T4 E
T2 G
T2 E
T3 E T3 G
C T4 G
型式名 : 4MBI300VG-120R-50
T1,T2 : 1200V/300A
T3,T4 : 600V/300A
400V クラス AC 出力向け
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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レベル; 2MBI300VB-060-50 シリーズ適用時
A- NPC 3レベル; 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
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“インバータモード”でのトータル損失比較
Total Loss
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。
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
0 10 20 30
Fc (kHz)
Dis
sip
ati
on
Lo
ss
(W
)
2 - Level
NPC 3-Level
A-NPC 3-Level
RB-IGBT
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“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 as 5kHz loss=100%
0%
50%
100%
150%
200%
250%
300%
350%
400%
0 10 20 30 Fc (kHz)
De
vic
e L
oss (
%)
2 - Level
NPC 3-Level
A-NPC3-Level
RB-IGBT
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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
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 -
Dis
sip
ati
on
Lo
ss
es
(W
)
Von Loss
SW Loss
Filter Loss
2 - Level NPC 3 Level A - NPC3Level
Dis
sip
ati
on
Lo
ss
es
(W
)
Von Loss
SW Loss
Filter Loss
Von Loss
SW Loss
Filter Loss
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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
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
17 9.8
0
50
100
150
200
250
1 2 3
Devi
ce L
oss
(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 f
Pf
Poff
CD1,2
FWD
P rr
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
17 9.8
0
50
100
150
200
250
1 2 3
Devi
ce L
oss
(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 f
Psat
Poff
CD1,2
FWD
P rr
193W 193W 205W 205W 155W 155W
IGBT
Psat
Pon
T3,T4
RB - IGBT
Prr
Psat
Poff
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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 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
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“整流器モード”でのトータル損失比較
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。
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)
Dis
sip
ati
on
Lo
ss (
W)
2 - Level
NPC 3-Level
A-NPC 3-Level
RB-IGBT
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“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。
Device Loss as 5kHz loss 100%
0%
50%
100%
150%
200%
250%
300%
350%
400%
0 10 20 30
Fc (kHz)
Devic
e L
oss(%
)
2 - Level
NPC 3-Level
A-NPC 3-Level
RB-IGBT
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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
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
Dis
sip
ati
on
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
Dis
sip
ati
on
Lo
sses
(W
)
Von Loss
SW Loss
Filter Loss
Von Loss
SW Loss
Filter Loss
2 - Level NPC 3 - Level A - NPC3Level
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10.1
25.7
39.0
85.5
61.1 75.6
29.1
13.4
20.5 17.3
24.7 10.9
14.0
16.3
21.5 30.6
17.1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
2level NPC 3level A-3level
Devi
ce L
oss
(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
FWD Pf
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
20.5 17.3
24.7 10.9
14.0
16.3
21.5 30.6
17.1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
2level NPC3level A-NPC 3level
Devi
ce L
oss
(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
FWD Pf
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レベルのT1 と T2 IGBTに電流は流れません。
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RB-IGBTリーク電流の低減制御
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570.0 570.0
282.9 282.9
651.9 651.9
16.30.0
1521.21504.8
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。
Devic
e l
osses (
W)
A-NPC3 レベルモジュール
リーク電流低減制御あり
A-NPC3 レベルモジュール
リーク電流低減制御なし
+0.01%
Only
RB-IGBT リーク電流損失 “300A type”
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-15
-10
-5
0
-800 -600 -400 -200 0
Vce (V)
Jc (A
/cm
2)
Jc(m
A/c
m2)
Vge=0V
Vge=+15V
(Leakage current)
リーク電流はVg=+15Vで低減できます
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℃
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RB-IGBT デバイス特性
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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
接合 分離領域
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
Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 22
-1000 -500 0 500 1000-1x10
-3
-5x10-4
0
5x10-4
1x10-3
RB-IGBT
(GE short)
Tj=25oC
Conventional NPT-IGBT
(VGE
=+15V)
RB-IGBT
RB-IGBT (VGE
=+15V)
I C
(A
)
VCE
(V)
阻止電圧
RB-IGBTの阻止電圧特性
Forward -> <- Reverse
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Eo
ff(m
J)
@T
j=125
deg
C IGBT + FWD
600V/100A device
RB-IGBT
Vce(sat) @Tj=125degC
Eo
ff(m
J)
@T
j=125
deg
C IGBT + FWD
600V/100A device
RB-IGBT
Vce(sat) @Tj=125degC
RB-IGBTのトレードオフ関係
Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 24
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
Turn-off
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
VCE IC
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. 25
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
1.8uFVcc2
Ls=34nH
M403
400V
Ic
Vce
配線インダクタンス
Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 26
P
U
N
+
M
T2
VGE = -15V
1.8uFVcc2
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
Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 27
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層でのホールの生成
↓
大きいリーク電流の生成
逆電圧領域
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リーク電流の低減方法
(i) G-E short (ii) VGE=+15V n+ チャネル
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
p+
n-
p+
逆電圧
n+
電子
ホール 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
電子
ホール
ホール
ゲート
Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 29
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。.
Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 30
12 in 1, 100A タイプモジュール
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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)
変調速度 =0.8
Tj=125C, Rg=データシート値 0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Carrier Frequency (kHz)
Po
wer
Dis
sip
ati
on
(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
Electronic Devices Business Headquarters All copy rights are reserved. 32
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.
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