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

由这些特点派生出来，例如，周边电路的电抗器或小型化，或具有低噪音的可能性，在各个应用领域均予以考虑。
此外，图8所示，变频器主回路中，使用了二极管和三极管，表4列出仅将这一二极管置换成SiC的混合模块和全部置换成SiC的全-SiC模块。
富士公司开发了应用这一混合模块的高效率变频器[FRENIC-MEGA GX-SiC]，对比原来的机型，损耗可降低25%，与高效率同步电机[GNS系列]、[GNP系列]组合，能实现更高效率的驱动系统。
全SiC模块，可大幅降低损耗，不仅效率高，而且能小型化，这均已得到验证。
表4  适用SIC模块的种类
模块种类 二极管 三极管
混合模块 SIC SI
全-SIC模块 SIC SIC

3.1.5  A-NPC 3电平变换技术
不中断电源装置(UPS)和PCS等变换装置，其高效率化是个很大课题。作为它的实现手段，开发了图9所示的A-NPC 3电平变换电路。该电路相对于原来的2电平变换电路，不仅开关损耗减少1/2，而且降低高次谐波电压的电感器和电容器这一滤波回路，其损耗也减小了，故可实现装置的小型化。另外，3电平变换电路中使用了A-NPC 3电平IGBT模块，模块中的RB-IGBT是本公司开发的，力图进一步降低损耗。
3.1.6 蓄电池的评价与适用技术
针对UPS用以外的蓄电需求在不断扩大；另方面，作为取代原来铅蓄电池的新型蓄电器件，特别是用于电动汽车(EV)和混合动力车(HEV)的锂离子电池，已不断向实用化推进。富士公司不仅对各种锂离子电池的特性和使用寿命进行评定，而且立足于最终用户观点的安全性和可靠性评价技术也确立。这一结果，可缩短适用锂离子产品的开发时间和评定时间。
3.2 产品开发的现状
3.2.1 不同用途的变频器
被称为通用变频器的低压变频器，近年来倾向于分类成升降机（电梯）用变频器、空调用变频器、工业用变频器，以及各种不同用途的专用变频器等。
空调/水处理用变频器[FRENIC-HVAC/AQUA]，是以广大市场的HVAC（加热通风和空调）及水处理市场作为对象的。
此外，因适应于防护等级IP55，可不装入盘内使用，故可抑制成本。作为建筑楼房及工厂的空调用，内部装有改善功率因数的电抗器(DCR)和EMC滤波器。同时，比原来较大幅度强化了风扇、水泵控制的专用功能，仅有变频器就能控制压力和温度。主要规格列于表5。
表5  FRENIC-HVAC/AQUA产品规格
项目 规格
电压 400V
功率范围 0.75-710kw
防护结构 1P21/55(90KW以下)
1P00（110KW以上）
DCR 内装（90KW以下）
EMC滤波器 装于内部
功能 推定末端电压控制，水泵控制，温度控制，FireMode等

3.2.2 永磁(PM)同步电机
使用永磁钢的永磁电动机，对比感应电动机，具有高效率、小型、轻量化等特点。为了充分发挥这些特点，最近开发的永磁电动机新系列如表6所列。
表6  永磁电动机系列一览
产品型式 转速传感器 效率 用途
GNS
GNP
GNB 无 IE4以上
相当于IE4 节能
可取代原异步电机
  相当于IE3 节能小型轻量
GNF 有 相当于IE3 一般工业机械控制

超高效率机型[GNS][GNP]，为节能用电机系列。适用于对异步电动机的互换安装。与一般的异步电动机比较，效率可提高3.0—8.5个百分点；高效率机型[GNB]也为节能用，且小型轻量；带传感器的机型[GNF]比同容量异步电动机的机座小1—2号，能适用于充分显示小型、轻量特色的印刷机等一般工业机械的控制。
3.2.3 铁道车辆用PE设备
铁道新干线作为动力设备（发动机）用，提供了主变压器、主变换装置及主电动机。主变换装置每一世代都在革新改进，不断实现小型轻量化、无压缩机（增压器）化等。此外，辅助电源装置中，公司一直提供着力求高性能化、高可靠性化的特色产品。
车门系统中，国内外正采用的有直线电动机(lineal motor)方式和扁平杯形永磁电动机(PCPM)方式。
3.2.4 电动汽车用PE设备
作为地面上的快速充电器CHAdeMO，其规格相应于44Kw、39Kw、25Kw的电机，这些充电器已经开发并投入市场。尤其是25Kw的电机，对有实效的信息设备用服务器电源进行了基础开发、现正在实现小型化和扩大应用范围。
3.2.5 高效率服务器电源
计算机和服务器用的直流稳压电源中，对高效率、高密度的要求更大，因无对最高效率的评定标准，仅以低负荷区的综合高效率表示。
3.2.6 大容量UPS
操作处理社会体系和企业基础体系的大规模数据中心，应要求较高的可靠性和长期的稳定性，UPS作为重要的电气设备而位置显要。单机500KvA级的大容量UPS可多台配置，一般为具有储备容量的系统结构。针对这样的数据中心，UPS的效率和小型化极为重要。
采用了A-NPC 3电平变换技术的HX系列，不仅是高效率和小型化，而且还因为3电平变换的空载损耗降低，大幅改善了低负荷区的效率。
3.2.7 大容量PCS
针对兆瓦级太阳能的PCS，应力求高效率和低成本，PCS的变频器部分，采用了A-NPC 3电平变换技术，因而实现高效率化。此外，开发了将PCS和变压器、开关一体化的户外型成套设备产品，其结果，装置成本降低，施工期限缩短，能使兆瓦级太阳能发电的总成本下降。
4 结束语
本文介绍了富士电机公司电力电子设备器件的技术动向和产品开发现状。PE设备的市场需求，推动了作为基础技术的电路技术，控制系统，功率半导体技术的变革。RB-IGBT，A-NPC 3电平电路技术以及专用模块和直流配电设备等，这些技术和器件的性能均很优越。今后，还要继续发展SIC器件。在PE设备的应用领域中，为适应每个领域的市场需求，应积极利用各种各样的周边技术，进一步提高PE设备，器件的技术水平，不断扩大应用范围，为社会做出贡献。

原文出处：
河野 正志（KAWANO Msasashi） 广濑 顺（HIROSE Jun）
蓝原 隆司（AIHARA Takashi）
Power Electronics Technology：Current Status and Future Outlook
《富士时报》2012 Vol.85 No.3 P188-192

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