[导读]在控制下一代功率半导体的驱动IC方面,株式会社东芝(下称“东芝”)成功实现了将模拟与数字高性能电路集成到单个芯片中*1。该混合IC能够以2微秒甚至更短的超高速检测功率半导体的电压和电流状态,发生短路等故障时,可迅速反应,保护功率半导体免遭损坏。并且通过精细控制,可将功率半导体产生...
在控制下一代功率半导体的驱动IC方面,株式会社东芝(下称“东芝”)成功实现了将模拟与数字高性能电路集成到单个芯片中*1。该混合IC能够以2微秒甚至更短的超高速检测功率半导体的电压和电流状态,发生短路等故障时,可迅速反应,保护功率半导体免遭损坏。
并且通过精细控制,可将功率半导体产生的噪声降低51%。此外,经理论计算证实,与常规方法下的同等降噪效果相比,电机驱动时的功率损耗可减少25%。
本技术通过最大限度地发挥下一代功率半导体的性能,推动广泛用于电动汽车、工业设备、智能电网等应用中的电机驱动电路、直流·交流转换器向小型化、高效化和高可靠性的方向发展,为实现碳中和社会做出贡献。
研发背景功率半导体是控制电压和电流的半导体,用于电机的驱动,以及直流·交流等功率转换。由于其应用场景多,功率半导体和功率转换器的小型化、高效化对实现碳中和社会而言必不可少。随着功率半导体市场逐年扩大,控制功率半导体的驱动器IC其全球市场规模也从2017年的约1400亿日元增长到2021年的约1800亿日元*2,预计未来还将继续扩大。
目前市面上一般使用IGBT*3和Si-MOSFET*4等作为功率半导体元件。如何降低功率转换时所产生的损耗成为课题。为此,具有低损耗特性的SiC-MOSFET*5等下一代功率半导体正在开发中。下一代功率半导体可降低功率转换器所产生的损耗,在实现高效化的同时便于散热,且更小型化、轻型化。可是如采用与常规相同的电路方式进行控制,虽然降低了功率损耗,但更容易产生噪音。另外,由于散热路径变短小,万一发生短路等故障,温度瞬间升高,易导致半导体损坏。
有研究通过改进控制方法来降低下一代功率半导体的噪声,但其灵活性有问题,因为功率半导体元件的电压和电流状态不同,降噪的最佳方法也不尽相同。另外,在常规方法中,对短路等故障检测·保护功能需要系统设计者通过微处理机实现,存在固有的延迟而导致元件被损坏的风险。
本技术特点东芝开发的混合模拟·数字电路的高性能单芯片栅极驱动IC来解决以上问题。一般,要实现与该IC同样的高性能,需要使用信号转换器、存储器、运算电路、放大器电路等多个单独的半导体元件。而该模拟·数字混合电路,使用模拟电路检测功率半导体元件的电压·电流,再根据检测结果用数字电路切换控制方法,只需一个芯片即可实现最佳控制。且还搭载具有存储控制方法的存储器。
此外,在控制过程中,通过组合低速数字电路和高速模拟电路的分辨率来增强电路,仅在需要高速控制的部分使用模拟,实现了等效、精细的控制。
通过开发模拟波形预处理技术,从功率半导体的高速电压·电流波形中,仅提取控制和故障检测所需的特征,即便是低速模拟·数字转换器也可快速完成故障检测。由此,可以在不通过微机的情况下,检测短路和其它故障并立即启动保护。并且还可通过使用现有设备的低成本CMOS*6工艺技术来实现。
浪涌电压是产生噪音的主要因素之一。使用该IC控制1.2 kV的SiC-MOSFET功率半导体,在不增加功率损耗的情况下,可将浪涌电压成功降低51%。理论上,若采用常规方法实现相同效果,电机驱动时的损耗就会增加;如果使用该IC,则可以降低25%的功率损耗。另外,在不使用微机的情况下,可用最短2微秒的速度成功检测出故障。有望最大限度地提高下一代功率半导体的性能。
未来展望
东芝的目标是在2025年将该IC投入实际应用。功率半导体业务是集团的重点发展领域,今后东芝也将继续开发该IC的相关技术,推进下一代功率半导体在各类功率转换系统中的应用。通过功率半导体的高效化,降低CO2排放量,从而为实现碳中和社会做出贡献。
*1:本技术于2021年10月10日至14日,在IEEE ECCE 2021(2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition)在线会议上发表。
*2:出处:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(英文页面)
*3:IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor的简称。指基极内置MOSFET的双极晶体管。
*4:Si-MOSFET:Silicon MOSFET的简称。晶体管的一种,与IGBT相比,适用于低功耗和高速工作。
*5:SiC-MOSFET:使用新材料SiC(碳化硅)的功率半导体。
*6:CMOS:半导体电路的一种。用于多种电子设备,包括个人电脑等。
关于东芝电子元件及存储装置株式会社
东芝电子元件及存储装置株式会社是先进的半导体和存储解决方案的领先供应商,公司累积了半个多世纪的经验和创新,为客户和合作伙伴提供分立半导体、系统LSI和HDD领域的杰出解决方案。
公司22,000名员工遍布世界各地,致力于实现产品价值的最大化,东芝电子元件及存储装置株式会社十分注重与客户的密切协作,旨在促进价值共创,共同开拓新市场,公司现已拥有超过7,100亿日元(65亿美元)的年销售额,期待为世界各地的人们建设更美好的未来并做出贡献。
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