在控制下一代功率半導體的驅動IC方面,株式會社東芝(下稱“東芝”)成功實現了將模擬與數字高性能電路集成到單個芯片中*1。該混合IC能夠以2微秒甚至更短的超高速檢測功率半導體的電壓和電流狀態,發生短路等故障時,可迅速反應,保護功率半導體免遭損壞。
并且通過精細控制,可將功率半導體產生的噪聲降低51%。此外,經理論計算證實,與常規方法下的同等降噪效果相比,電機驅動時的功率損耗可減少25%。
本技術通過最大限度地發揮下一代功率半導體的性能,推動廣泛用于電動汽車、工業設備、智能電網等應用中的電機驅動電路、直流·交流轉換器向小型化、高效化和高可靠性的方向發展,為實現碳中和社會做出貢獻。
研發背景
功率半導體是控制電壓和電流的半導體,用于電機的驅動,以及直流·交流等功率轉換。由于其應用場景多,功率半導體和功率轉換器的小型化、高效化對實現碳中和社會而言必不可少。隨著功率半導體市場逐年擴大,控制功率半導體的驅動器IC其全球市場規模也從2017年的約1400億日元增長到2021年的約1800億日元*2,預計未來還將繼續擴大。
目前市面上一般使用IGBT*3和Si-MOSFET*4等作為功率半導體元件。如何降低功率轉換時所產生的損耗成為課題。為此,具有低損耗特性的SiC-MOSFET*5等下一代功率半導體正在開發中。下一代功率半導體可降低功率轉換器所產生的損耗,在實現高效化的同時便于散熱,且更小型化、輕型化。可是如采用與常規相同的電路方式進行控制,雖然降低了功率損耗,但更容易產生噪音。另外,由于散熱路徑變短小,萬一發生短路等故障,溫度瞬間升高,易導致半導體損壞。
有研究通過改進控制方法來降低下一代功率半導體的噪聲,但其靈活性有問題,因為功率半導體元件的電壓和電流狀態不同,降噪的最佳方法也不盡相同。另外,在常規方法中,對短路等故障檢測·保護功能需要系統設計者通過微處理機實現,存在固有的延遲而導致元件被損壞的風險。
本技術特點
東芝開發的混合模擬·數字電路的高性能單芯片柵極驅動IC來解決以上問題。一般,要實現與該IC同樣的高性能,需要使用信號轉換器、存儲器、運算電路、放大器電路等多個單獨的半導體元件。而該模擬·數字混合電路,使用模擬電路檢測功率半導體元件的電壓·電流,再根據檢測結果用數字電路切換控制方法,只需一個芯片即可實現最佳控制。且還搭載具有存儲控制方法的存儲器。
此外,在控制過程中,通過組合低速數字電路和高速模擬電路的分辨率來增強電路,僅在需要高速控制的部分使用模擬,實現了等效、精細的控制。
通過開發模擬波形預處理技術,從功率半導體的高速電壓·電流波形中,僅提取控制和故障檢測所需的特征,即便是低速模擬·數字轉換器也可快速完成故障檢測。由此,可以在不通過微機的情況下,檢測短路和其它故障并立即啟動保護。并且還可通過使用現有設備的低成本CMOS*6工藝技術來實現。
浪涌電壓是產生噪音的主要因素之一。使用該IC控制1.2 kV的SiC-MOSFET功率半導體,在不增加功率損耗的情況下,可將浪涌電壓成功降低51%。理論上,若采用常規方法實現相同效果,電機驅動時的損耗就會增加;如果使用該IC,則可以降低25%的功率損耗。另外,在不使用微機的情況下,可用最短2微秒的速度成功檢測出故障。有望最大限度地提高下一代功率半導體的性能。
圖1:開發的單芯片控制IC的概述、效果及主要技術
圖2:控制SiC-MOSFET功率半導體時的降噪效果和快速故障檢測結果
未來展望
東芝的目標是在2025年將該IC投入實際應用。功率半導體業務是集團的重點發展領域,今后東芝也將繼續開發該IC的相關技術,推進下一代功率半導體在各類功率轉換系統中的應用。通過功率半導體的高效化,降低CO2排放量,從而為實現碳中和社會做出貢獻。
*1:本技術于2021年10月10日至14日,在IEEE ECCE 2021(2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition)在線會議上發表。
*2:出處:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(英文頁面)
*3:IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor的簡稱。指基極內置MOSFET的雙極晶體管。
*4:Si-MOSFET:Silicon MOSFET的簡稱。晶體管的一種,與IGBT相比,適用于低功耗和高速工作。
*5:SiC-MOSFET:使用新材料SiC(碳化硅)的功率半導體。
*6:CMOS:半導體電路的一種。用于多種電子設備,包括個人電腦等。
編輯:jq
-
芯片
+關注
關注
455文章
50732瀏覽量
423199 -
半導體
+關注
關注
334文章
27305瀏覽量
218145 -
IGBT
+關注
關注
1266文章
3790瀏覽量
248906 -
驅動IC
+關注
關注
9文章
303瀏覽量
33812
原文標題:創新求變|東芝成功將控制下一代功率半導體的高性能驅動IC單芯片化
文章出處:【微信號:toshiba_semicon,微信公眾號:東芝半導體】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
發布評論請先 登錄
相關推薦
評論