t-type advanced 3-level inverter module power dissipation...

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T-type Advanced 3-level Inverter Module

Power dissipation and comparison tables

1. Introduction of Advanced 3-level Inverter Module

2. Inverter Mode comparison in 300A modules

3. Rectifier Mode comparison in 300A modules

4. RB-IGBT device characteristics

特许专业代理商WESTPAC ELECTRONICS LIMITED

威柏电子


威柏电子

富士 IGBT武汉技术支持，富士 IGBT华中，西南，西北技术支持: 王鹏手机：15989854023 电话：027-8705 4728 电子邮件：[email protected] 富士 IGBT青岛技术支持，富士 IGBT青岛，东北技术支持: 牟军手机：13589207451 电话：0532-8580 3033 电子邮件：[email protected] 富士 IGBT上海技术支持，富士 IGBT华东，华北技术支持: 杨雪手机：15919925496 电话：021-5489 1461 电子邮件：[email protected] 富士 IGBT深圳技术支持，富士 IGBT华南技术支持: 吴龙手机：13590310423 电话：0755-8826 2914 电子邮件：[email protected]

中国区富士 IGBT模块应用技术支持团队


威柏电子

香港威柏电子(Westpac Electronics)创办於 1992年，为日本富士电机(FUJI ELECTRIC)半导体器件之中国及香港地区专业代理。主要产品为 FUJI 富士电源 IC,FUJI 富士 MOSFET,FUJI富士三极管，FUJI富士超快恢复二极管，FUJI 富士肖特基二极管，FUJI 富士单管 IGBT，FUJI富士 Super J-MOS,FUJI富士电机 IGBT模块，FUJI富士电机 IPM模块，FUJI富士电机 PIM 功率集成模块，FUJI 富士电机分立 IGBT,FUJI 富士智能功率模块,FUJI 富士三电平IGBT模块，FUJI富士汽车级 IGBT模块等。威柏电子以客为本 Westpac ELectronics Customer-based service FUJI ELECTRIC富士电机简介：富士电机早在 1923年成立以来，一直致力于技术革新和挑战，为顾客提供高质量的服务。富士电机集团是“向客户提供最大满足的企业”的代名词。不断向具有独创性的技术革新挑

战,为客户竭诚服务。 FUJI ELECTRIC富士电机发挥创业以来积累的“自由操控电力”的电力电子技术优势，成为“环境，能源”领域举足轻重的国际企业。 FUJI ELECTRIC富士电机研发制造高品质电力电子功率半导体 IGBT/IPM，为太阳能发电，风力发电，智能电网，工业自动化变频伺服，铁路机车，电动汽车等提供核心功率器件，为

高效化和节能做贡献！ FUJI ELECTRIC富士电机功率半导体致力于在“节约电力”和“创造电力”可靠且高效的应用，为人类绿色可持续发展不断努力！ FUJI ELECTRIC Innovating Energy Technology 富士电机不断创新的能源科技 Westpac威柏：WESTPAC威柏-FUJI富士 IGBT模块中国一级代理 WESTPAC威柏-FUJI富士 IGBT一级代理商 WESTPAC威柏-FUJI富士 IGBT一级代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT中国代理商 WESTPAC威柏-FUJI富士 IGBT代理商 WESTPAC威柏-富士 IPM代理商 WESTPAC威柏-FUJI富士 IGBT模块代理 WESTPAC威柏-FUJI IGBT module distributor WESTPAC威柏-FUJI ELECTRIC IGBT MODULE DISTRIBUTOR WESTPAC 威柏-FUJI 富士 IGBT 深圳代理 WESTPAC 威柏-FUJI 富士 IGBT 授权分销 WESTPAC 威柏-FUJI 富士 IGBT 授权代理 WESTPAC 威柏-FUJI 富士 IGBT 上海代理 WESTPAC 威柏-FUJI 富士 IGBT 北京代理 WESTPAC 威柏-FUJI 富士 IGBT 成都代理 WESTPAC 威柏-FUJI 富士 IGBT 青岛代理 WESTPAC 威柏-FUJI 富士 IGBT 武汉代理 WESTPAC威柏-FUJI富士 IGBT西安代理 Westpac威柏针对工业电力电子领域以 FUJI ELECTRIC富士电机 IGBT模块（包括富士 IPM模块、富士 PIM模块、FUJI富士 IGBT驱动 IC）為核心，威柏配合国际知名品牌功率器件：富士 IGBT驱动器，富士 IGBT驱动器解决方案，富士 IGBT模块专用驱动，富士 IGBT模块定制驱动晶闸管，WESTPAC威柏-可控硅 SCR、WESTPAC威柏-电力MOSFET、WESTPAC威柏-MOSFET模块，WESTPAC威柏-电力二极管、WESTPAC威柏-二极管模块、单相整流桥、叁相整流桥等。Westpac威柏同时可以為客户提供 IGBT驱动方案及配套单片机MCU、DSP、高速光耦、隔离光耦、电源 IC、平波用铝电解电容及薄膜电容、IGBT突波吸收电容等元件。业务遍及轨道交通、智能电网(HVDC)、通用变频器、高压变频器、伺服驱动器、UPS、变频与传动、电动汽车、电力系统无功补偿装置 UPS逆变器/UPS/EPS、风电变流器、变频空调、光伏变流、机车主牵引变流器、电梯变频器、起重专用变频器、感应加热、电源电镀/电解电源、有源滤波/无功补偿、机车辅助逆变器、逆变焊机；Westpac威柏在电


威柏电子

能质量（APF,SVG）、逆变焊机、不间断电源 UPS、Inverter变频器、数控伺服、电动汽车、风力太阳能发电等领域与客户战略合作，全力支持中国电力电子工业发展！威柏电子致力于工业节能和新能源市场的拓展香港威柏电子（Westpac Electronics）于 1996年成为 BC components(后被 VISHAY收购)分立元件授权分销商；威柏电子于 2005年正式成为 VISHAY国内汽车全线电子元器件代理及各电子行业之分立元件代理； VISHAY, BCcomponents, Sprague, Dale, Beyschlag, Vishay Semiconductors, Sfernice, Siliconix VISHAY 代理（VISHAY 一级代理 VISHAY 中国代理商 VISHAY 汽车电子元器件专业代理）。 vishay vishay代理商 vishay semiconductor vishay代理 vishay.com VISHAY威柏 www.vishay.com vishay 电阻 VISHAY 电容 vishay dale vishay 公司简介 vishay siliconix vishay电容 ESTA电力电容 Sfernice功率电阻 vishay 一级代理商 vishay 中国代理商 vishay 电容代理商 vishay 电阻代理商 vishay 代理 VISHAY代理商威世代理商 vishay 电阻代理 vishay 深圳代理 vishay 授权分销 VISHAY 授权代理 VISHAY 上海代理 VISHAY北京代理 VISHAY成都代理 VISHAY青岛代理 VISHAY西安代理 VISHAY武汉代理香港威柏电子（Westpac Electronics）于 2012年成为青铜剑电力电子科技（Bronze Tech）IGBT驱动产品的代理,主要产品有 2QD30A17K-I,2QD15A17K-C,2QD23-S,IGBT 串联专用驱动器等。作为富士电机半导体器件国内最大的代理商，威柏电子完善的销售网络、丰富的市场经

验和良好的客户关系，结合青铜剑科技专业的研发团队、高品质的产品和快速响应的技术支

持，必定能够实现双赢，与我们在新能源、智能电网、工业节能等领域的客户协力合作，促

进中国电力电子行业的飞速发展。威柏电子致力于工业节能和新能源市场的拓展


威柏电子

http://www.vishay.com


2-level, NPC and A-NPC 3-level control

A-NPC 3level is suitable topology for High efficiency alternative Energy systems.

Type 2-level Inverter

NPC 3-level Inverter A-NPC 3-level

with Reverse series

A-NPC 3-level

with RB-IGBT

Circuit

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

+600V(Reverse series)

IGBT:1200V

+600V(RB-IGBT)

Output

Voltage

On-loss Small Large Large Small

SW-loss Large Small Small Small

Filter loss Large Small Small Small

Composing Easy Complication Easy Easy

Total Normal Normal Good Excellent

T1

T2

T1

T2

T3

T4

T1

T2T4T3

P

U

N

C

M

T1

T2T4

T3

P

U

N

M


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)

2-level, NPC and A-NPC 3-level control comparison,

in Inverter Mode


2-level Inverter (2L) NPC 3-level Inverter (NPC) A-NPC 3-level

Reverse series 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-level (RB-IGBT) A-NPC 3-level (Reverse series) NPC 3-level 2-level

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-level, NPC and A-NPC 3-level control comparison,

in Rectifier Mode


2-level Inverter (2L) NPC 3-level Inverter (NPC) A-NPC 3-level

Reverse series 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-level (RB-IGBT) A-NPC 3-level (Reverse series) NPC 3-level 2-level

72.2% 73.4% 84.0% 100%


Equivalent circuit

Fuji A-NPC 3-level inverter Module “100A Type”

Type name : 12MBI100VN-120-50

12MBI100VX-120-50

T1,T2 : 1200V/100A

T3,T4 : 600V/100A

For 400V class AC output

12MBI100VN-120-50 Outline View

12MBI100VN-120-50

12MBI100VX-120-50


Fuji A-NPC 3-level inverter Module “300A Type”

Equivalent circuit (T3 and T4 are RB-IGBT)

Package outline

T1

T2T4

T3

P

U

N

M

T1 G

T1/T4 E

T2 G

T2 E

T3 E T3 G

C T4 G

Type name : 4MBI300VG-120R-50

T1,T2 : 1200V/300A

T3,T4 : 600V/300A

For 400V class AC output


Inverter Mode comparison in 300A modules

2-level; 2MBI300VH-120-50

NPC 3-level; 2MBI300VB-060-50 series

Advanced 3-level; 4MBI300VG-120R-50

Conditions;

100kVA Inverter

AC 400V, Io=145A, cosθ=1

Vdc=660V(330V+330V), Modulation rate =0.98

Tj=125deg,

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


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

Advanced 3-Level

RB-IGBT

Total Loss Comparison in “Inverter Mode”

Advanced 3-level module achieves lowest loss in 30kHz

and less carrier frequency

Total Loss


0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%

350%

400%

0 10 20 30Fc (kHz)

Dev

ice L

oss

(%

)

2－Level

NPC 3-Level

Advanced 3-Level

RB-IGBT

Device Loss comparison in “Inverter Mode”



Device Loss as 5kHz loss=100%


950.0570.0 570.0

562.7

221.7 282.9

596.4

1008.0651.9

2109.1

1799.7

1504.8

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

1 2 32-Level NPC 3-Level A- 3Level

Dis

sip

ati

on

Lo

ss

es

(W

)

Von Loss

SW Loss

Filter Loss950.0

570.0 570.0

562.7

221.7 282.9

596.4

1008.0651.9

2109.1

1799.7

1504.8

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

1 2 32-Level NPC 3-Level A- 3Level

Dis

sip

ati

on

Lo

ss

es

(W

)

Von Loss

SW Loss

Filter Loss

Von Loss

SW Loss

Filter Loss

Loss Comparison in fc=5kHz “Inverter Mode”

Total loss of A-3level Inverter is lowest in 5kHz “Inverter Mode”

30% loss reduction from 2-level Inverter

17% loss reduction from NPC 3-level Inverter

100% 85% 71%


Device Loss Analysis in fc=5kHz “Inverter Mode”

T1 and T4 FWD of A-3 level is not flowed the current.

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 - 3Level

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 - 3Level

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


Rectifier Mode comparison in 300A modules

2-level; 2MBI300VH-120-50

NPC 3-level; 2MBI300VB-060-50 series

Advanced 3-level; 4MBI300VG-120R-50

Conditions;

100kVA Inverter

AC 400V, Io=145A, cosθ=1

Vdc=660V(330V+330V), Modulation rate =0.98

Tj=125deg

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


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

Advanced 3-Level

RB-IGBT

Total Loss Comparison in “Rectifier Mode”



Total Loss


0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%

350%

400%

0 10 20 30

Fc (kHz)

Devic

e L

oss(%

)

2－Level

NPC 3-Level

Advanced 3-Level

RB-IGBT

Device Loss comparison in “Rectifier Mode”



Device Loss as 5kHz loss 100%


Loss Comparison in fc=5kHz “Rectifier Mode”

Total loss of A-3level Inverter is lowest in 5kHz “Rectifier Mode”

30% loss reduction from 2-level Inverter

14% loss reduction from NPC 3-level Inverter

100% 84% 72%

950.0570.0 570.0

562.7

243.3 336.0

573.5

939.6 602.1

2086.2

1752.91508.1

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

1 2 3

Dis

sip

ati

on

Lo

ss

es

(W

)

Von Loss

SW Loss

Filter Loss

2-Level NPC 3-Level A- 3Level

950.0570.0 570.0

562.7

243.3 336.0

573.5

939.6 602.1

2086.2

1752.91508.1

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

1 2 3

Dis

sip

ati

on

Lo

ss

es

(W

)

Von Loss

SW Loss

Filter Loss

Von Loss

SW Loss

Filter Loss

2-Level NPC 3-Level A- 3Level


Device Loss Analysis in fc=5kHz “Rectifier Mode”

T1 and T4 FWD of A-3 level is not flowed the current.

CD1

CD2

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 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,T2

FWD

Pf

Prr

T3,T4

RB - IGBT

Poff

Pon

Psat


Reduction control of RB-IGBT leakage current


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

RB-IGBT Leakage Current Loss in “300A type”

100% 100.01%

Von Loss

SW Loss

Filter Loss

Leakage

Current Loss

RB-IGBT leakage Current loss is extremely low at Tj=125deg

Junction temperature, Tj, must be below 125deg

Devic

e l

osses (

W)

A-3 Level module

With Leakage Current Reduction

Control

A-3 Level module

Without Leakage Current Reduction Control

+0.01%

Only


-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）

Leakage current can be reduced

with Vg=+15V

p+

Collector

n-

p p

n+ n+

Emitter Gate

p+ p+

Depletion region

＋

ー

RB-IGBT Leakage current

Vge=0V～-15V

Tj=125℃


RB-IGBT device characteristics


Dicing Surface

Depletion region

Negative bias

GND

N-

P+ P+

P+

Active Scribe

Carrier generation at dicing surface

Conventional IGBT

Cross sectional diagram of RB-IGBT

Junction Isolation region

Dicing

Surface

Depletion region

GND

Negative bias

P+

P+ P+

N-

Active Scribe

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)

Blocking voltage

Forward -> <- Reverse

Blocking voltage characteristics of RB-IGBT


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

Trade-off relationship for RB-IGBT


The switching waveforms of RB-IGBT

Condition:

T3 switching T1-FWD recovery mode

Tj=RT, Vcc2=400V, Ic=300A, RG=+8.2/-39ohm

VGE(T3)=+/-15V, VGE(T4)=+15V,

snubber=1.84uF, Ls=34nH

Condition:

T1 switching T4 RB-IGBT recovery mode

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

Fuji RB-IGBT can be realized of fast switching operation same as normal IGBT and FWD.


RB-IGBT Turn-On, Turn-OFF measurement Circuit

P

U

N

+

M

T4

VGE = +15V

T3

T1

VGE = -15V

T2

VGE = -15V

1.8uFVcc2

Ls=34nH

M403

400V

Ic

Vce

Wiring Inductance


P

U

N

+

M

T2

VGE = -15V

1.8uFVcc2

Ls=34nH

T3

VGE = -15V

T4

VGE = +15V

T1

Wiring Inductance

M403

400V

Ic

Vce

RB-IGBT Reverse Recovery measurement Circuit


Mechanism of RB-IGBT Leakage current

p+

n-

p+

Collector

Emitter

Reverse Voltage（－Vce）

n+

Electron

Hole

Hole

Gate

Mechanism at reverse voltage

Generation of hole at Reverse voltage area

↓

Electron flow through the emitter area

↓

This electron is base current of PNP transistor

↓

Generation of Hole at P-layer

↓

Generation of Large leakage current

Reverse voltage area


Reduction method of Leakage current

(i) G-E short (ii) VGE=+15V n+ Channel

Electron flows the n+ of Emitter

⇒ Not generation of Hole

“pn diode operation”

⇒ Small Leakage current

p+

n-

p+

Reverse volgate

n+

Electron

Hole p+

n-

p+

Collector

Emitter

Base

Reverse Voltage

n+

pnp Base Open

⇒ Generation of hole from emitter

⇒ Large Leakage current

Electron

Hole

Hole

Gate


When RB-IGBT uses the FWD mode, please input the Vge = +15V.

Because the Leakage current of RB-IGBT is larger when the Vge=0V.

RB-IGBT leakage current can be reduced with Vge=+15V.

T1

T2

T4

T3

P

U

N

M

=

Io

Vge=+15V

T4 Gate

T2 Gate

T3 Gate

-10V

-10V

+15V

+15V

+15V

-10V

When T3 uses the FWD mode,

please input the Vge = +15V of T3.


12 in 1, 100A type module


Comparison of Device Loss (12in1 module “100A Type”)

Conditions:

20kVA Inverter

AC 400V, Io=30A, cosθ=0.9

Vdc=700V(350V+350V)

Modulation rate =0.8

Tj=125C, Rg=datasheet value

2-Level: 7MBR100VN120-50

NPC 3-level: 7MBR100VZ060-50

A-NPC 3-level : 12MBI100VN-120-50

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 Type” switching loss is same level of NPC 3level.

The Total loss of “100A Type A-3level” is the smallest in all the frequency ranges.

There is no crossing point.


Notes 香港总公司-富士 IGBT模块|富士 IPM模块香港一级代理：威柏电子有限公司.

Westpac Electronics Limited. 香港九龙观塘成业街 7号宁晋中心 33字楼 B室电话: (852)2763 5991 传真: (852)2343 6979 电邮: [email protected] [email protected]

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t-type advanced 3-level inverter module power dissipation...

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