創(chuàng)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

時間：2021-11-29 15:31:38

關鍵字：功率半導體驅動IC 芯片

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[導讀]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(xiàn)了將模擬與數(shù)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(tài)，發(fā)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...

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(xiàn)了將模擬與數(shù)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(tài)，發(fā)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(guī)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(fā)揮下一代功率半導體的性能，推動廣泛用于電動汽車、工業(yè)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(fā)展，為實現(xiàn)碳中和社會做出貢獻。

研發(fā)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(xiàn)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(guī)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(xù)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(fā)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(xiàn)高效化的同時便于散熱，且更小型化、輕型化?？墒侨绮捎门c常規(guī)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(fā)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(tài)不同，降噪的最佳方法也不盡相同。另外，在常規(guī)方法中，對短路等故障檢測·保護功能需要系統(tǒng)設計者通過微處理機實現(xiàn)，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(fā)的混合模擬·數(shù)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(xiàn)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(shù)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(jù)檢測結果用數(shù)字電路切換控制方法，只需一個芯片即可實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)了等效、精細的控制。

通過開發(fā)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(shù)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(xiàn)有設備的低成本CMOS^*6工藝技術來實現(xiàn)。

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(guī)方法實現(xiàn)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。

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(yè)務是集團的重點發(fā)展領域，今后東芝也將繼續(xù)開發(fā)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(tǒng)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(xiàn)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(fā)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。

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