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    東芝成功開發出可大幅降低功率損耗的功率半導體三柵極IGBT

    ————最多可使開關功率損耗降低40.5%,提高電氣設備中電源轉換器的效率,為實現碳中和做出貢獻
    2021年06月07日

    株式會社東芝(以下稱“東芝”)日前宣布成功開發出三柵極IGBT*1,該三柵極IGBT最多可使開關轉換時的功率損耗(以下簡稱“開關損耗”)整體降低40.5%。

    IGBT中的功率損耗存在一種此消彼長的關系,即:當降低IGBT導通狀態下的功率損耗(以下簡稱“導通損耗”)時,開關損耗便會增加,因此東芝在這方面進行了改善。東芝采用具有三個柵電極的新結構硅IGBT和可高精度開關柵電極的柵極控制技術,與僅有一個柵電極的傳統IGBT相比,成功實現了在不增加導通損耗的情況下,大幅降低開關損耗,使開通損耗*2和關斷損耗*3分別降低50%和28%(最多可降低40.5%的整體損耗)。通過降低功率半導體的功率損耗來提高能源利用效率,這被認為是實現碳中和的關鍵手段,其中IGBT是目前廣泛應用的主要功率半導體,人們對進一步減少其功率損耗的期望越來越高。該技術有望提高各類電氣設備的電力轉換器效率,可廣泛應用于可再生能源系統、電動汽車、鐵路和工業設備等領域。

    東芝于5月30日至6月2日在線召開的功率半導體國際學術會議“ISPSD2021”上公布了技術細節。

    開發背景

    控制電力的功率半導體被廣泛應用于“發電”、“輸送”、“儲存”和“優化使用”等各類場景,在確保穩定的電力供應、節能和節電中發揮了不可或缺的作用。近年來,在“全球碳中和”背景下,電動汽車不斷普及,采用可再生能源進行發電的比重不斷增加,功率半導體的市場份額也隨之不斷擴大。

    同時,為了通過降低功率損耗(功率轉換時所產生的功率損耗)來實現更高的效率,需要進一步提升功率半導體的性能。其中,高耐壓的功率半導體IGBT被廣泛應用于電氣設備的功率轉換器上,因此,從提高能源利用效率的角度來看,降低IGBT的功率損耗將為實現碳中和做出巨大貢獻。

    IGBT可以通過增加元件中電子和空穴的蓄積量來降低導通損耗,但同時開關損耗也隨之增加。在過去的30年里,針對采用硅材料的傳統IGBT,技術人員主要通過改進元件結構來改善導通損耗和開關損耗,但近年來,其性能改善趨于極限,成為行業一大難題。

    本技術的特征

    因此,東芝開發出三柵極IGBT和柵極控制技術,采用從柵極驅動電路端靈活控制IGBT內部載流電子和空穴蓄積量的方式,從而大幅降低開關損耗。

    此次開發的三柵極IGBT的特征:在同一芯片內具有3個柵極,即主柵極(以下簡稱“MG”)、第1控制柵極(以下簡稱“CGp”)和第2控制柵極(以下簡稱“CGs”),并且3個柵極采用獨立驅動方式。當柵極開通時,通過控制柵極使CGs相對于MG和CGp出現延遲,再實現MG、CGp和CGs三個柵極同時接通。其結果是讓大量的電子和空穴被高速注入并蓄積在IGBT中,從而縮短開關轉換時間,并降低開通損耗。

    另一方面,在關斷時,讓CGs保持關斷狀態,讓CGp先于MG關斷,以減少元件內部的電子和空穴。通過上述方式,當MG關斷時(即:當IGBT完全關斷時),電子和空穴快速消失,從而降低關斷損耗。

    通過三柵極IGBT與柵極控制技術的結合,與傳統IGBT相比,成功實現了開通損耗和關斷損耗分別降低50%和28%,整體開關損耗最多可降低40.5%。對于性能改善趨于極限的硅IGBT而言,該技術可顯著降低其功率損耗,從而為降低功率轉換器的功率損耗做出巨大貢獻。

    圖1:三柵極IGBT和柵極控制信號

    圖2:開關轉換電壓波形和降低開關損耗的效果

    未來展望

    東芝將繼續推進采用本技術的功率半導體以及柵極控制技術的研發工作,爭取早日實現該技術的商用化。東芝將致力于提高采用功率電子技術的各類產品性能,為實現碳中和做出貢獻。

    *1 IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫。在基極中加入了MOSFET的雙極性晶體管。

    *2 開關由關斷轉換到導通時發生的功率損耗。

    *3 開關由導通轉換到關斷時發生的功率損耗。

    *4 原文請參考:https://www.global.toshiba/jp/technology/corporate/rdc/rd/topics/21/2106-01.html

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