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


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。


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%



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%


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,


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


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


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


“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


“インバータモード”でのデバイス損失比較


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


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


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


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


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;


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


“整流器モード”でのトータル損失比較


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


“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


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



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


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。


RB-IGBTリーク電流の低減制御


570.0 570.0

282.9 282.9

651.9 651.9

16.30.0

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”


-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℃


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

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


-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


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


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。


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


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


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


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


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:


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


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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

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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

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of Fuji Electric Co., Ltd.

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