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瞧一瞧:东芝成功将控制下一代功率半导体的高性能驱动IC单芯片化-电子发烧友网

发布时间:2022-04-11 20:36:41 阅读: 来源:波纹管厂家
东芝成功将控制下一代功率半导体的高性能驱动IC单芯片化-电子发烧友网

突破性模拟。数字混合ic将噪声降低51%

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

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xt-indent:2em;"> 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。

图1:开发的单芯片控制IC的概述、效果及主要技术

图2:控制SiC-MOSFET功率半导体时的降噪效果和快速故障检测结果

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。

编辑:jq