电力电子技术的现状及未来展望

1 引言
富士电机公司为在能源领域对世界做出贡献，热衷于研发着电力电子技术。PE技术的应用范围广阔：包括工业用可变速驱动，工业用电源，太阳能的光伏发电，感应加热装置，电气铁道用的电机产品，汽车上相关的电机产品等。PE技术不仅是支撑这些分支应用中的PE器件，而且为其重要部件提供功率半导体以及受配电控制设备的产品系列。在各个领域不断提供核心部件及应用这些部件的巧妙解决方法（图1）。
如图2所示，PE器件在各个领域中为实现社会的可持续发展而起着重要的作用。一方面，以电路技术、控制系统、功率半导体作为基础技术，一方面在各自的应用领域来满足市场需求，达到其领域的独立发展。
本文，从各个领域不管如何满足各种要求这一观点看，介绍了PE设备器件的技术动向和产品开发的现状，
2 市场需求与技术动向
图3所示为市场需求与产品技术及用于产品的功率半导体、受配电控制设备、基础技术、分析技术的演变过程。
为满足市场需求，不断开发了必须的产品技术，包括新产品中的功率半导体和受配电控制器件。具体讲是：应用节能、省空间A-NPC 3电平的高效率UPS；将含有RB-IGBT（反向截止绝缘栅双极晶体管）的A-NPC（先进的中性点钳位）3电平逆变器回路一体化，对此实现一体化的专用模块；以及用于兆瓦级太阳电池等功率调节器(PCS)上的直流配电设备等均进行了开发。
这种PE设备器件，既起到了推动功率半导体和受配电控制设备技术革新的作用，又通过重要技术与产品的开发，为各个应用领域提供了有利解决方案的先进元器件。
3 关键技术的开发动向与产品开发现状
3.1 各个领域中的关键技术开发动向
3.1.1 适应驱动产品安全规格的技术
以防止有关机械类人身事故作为目的，建立了各种各样的规格标准，特别是驱动产品（功率驱动系统）的安全规格，制定了IEC61800-5-2。富士公司开发的产品适应这一功能安全规格。表1列出了该公司的变频器产品适应SIL2（相当于ISO13849-1的3类，性能d级）标准。
表1 产品及相应的安全功能
产品名称 相应的安全功能
STO SSI SLS SBC
FRENIC-MuLti 0
FRENIC-Mega 0
FRENIC-VG 0 0 0 0

STO：安全转矩断开，SSI:安全停止1，SLS：安全限速，SBC：安全制动控制 （SSI,SLS,SBC为选件）
STO功能，如图4电路所示，即使在变频器内部也可通过2重化回路处理2重化的停止指令。由此，在故障率减少的同时，还配备了为检测回路故障的诊断功能。今后，扩大相应的功能并与安全总线相适应。
3.1.2 EMC*模拟技术
产品开发中，通用变频器的EMC对策是必要的，对设计阶段就采取怎么样的措施应进行讨论。噪音有传导噪音和发射噪音，有关传导噪音方面，直到与相当详细结构的相关性研究明白为止。
（*EMC：电磁兼容性，有关发射噪音与传导噪音的性能）
如图5所示，按照三维CAD数据，将EMC模拟所需电气参数（结合电容、杂散电容、漂移电感等），通过电磁场分析推导出来。回路网上，能高精度模拟杂音的端子电压。图6显示，模拟精度改善的分析结果，更接近测定结果，其模拟精度已达到实用上足够的水平。由此，从结构设计的初期阶段，如能考虑到EMC的对策，则可缩短产品的开发周期。
今后，通过充分的利用模拟可进行预加载化(front loading)。
3.1.3 高功能驱动系统中的高速同步通信技术
钢铁的轧制（压延），造纸的传送带，汽车试验机等高精度、高功能驱动领域中，不仅单纯的变频器性能，而且要实现作为系统整体的功能、性能很重要。其中，进行了控制器与总线结合的系统控制，更需要提高通信的高速化和同步性。
高性能矢量控制变频器[FRENIC-VG]，在整合控制器[MICREX-SX系列]的新CPU模块[SPH3000MM]上配置了[E-SX总线]。这一总线，应用了以太网[Ethernet]技术的高速通信，可实现成套机械设备的多端高速度控制和印刷机的高精度同步控制驱动等。E-SX总线的大致规格如表2所列应用实例如图7所示。
表2 E-SX总线的主要规格
项 目 规 格
通信速度 100Mbit/s
轴件同步精度 1μs以下
距离（台间，总延长） 100m，1km
节拍周期 最小0.25ms

3.1.4 SiC器件的适用技术
作为功率半导体的新原料，开发了利用SiC和GaN（氮化镓）等的功率半导体。这些材料具有表3所示的特点，需要对有效利用这一特点的方法进行开发。
表3 SIC,GaN器件的特点
特点 有效利用的方法
损耗小 载波频率的高频率化，低损耗化，高效率化
能在高温下工作 在高温度环境下可以使用
易实现高电压化 高压器件的小型化