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          东芝成功开发出可大幅降低功率损耗的功率半导体三栅极IGBT

          ————最多可使开关功率损耗降低40.5%,提高电气设备中电源转换器的效率,为实现碳中和做出贡献
          2021年06月07日

          株式会社东芝(以下称“东芝”)日前宣布成功开发出三栅极IGBT*1,该三栅极IGBT最多可使开关转换时的功率损耗(以下简称“开关损耗”)整体降低40.5%。

          IGBT中的功率损耗存在一种此消彼长的关系,即:当降低IGBT导通状态下的功率损耗(以下简称“导通损耗”)时,开关损耗便会增加,因此东芝在这方面进行了改善。东芝采用具有三个栅电极的新结构硅IGBT和可高精度开关栅电极的栅极控制技术,与仅有一个栅电极的传统IGBT相比,成功实现了在不增加导通损耗的情况下,大幅降低开关损耗,使开通损耗*2和关断损耗*3分别降低50%和28%(最多可降低40.5%的整体损耗)。通过降低功率半导体的功率损耗来提高能源利用效率,这被认为是实现碳中和的关键手段,其中IGBT是目前广泛应用的主要功率半导体,人们对进一步减少其功率损耗的期望越来越高。该技术有望提高各类电气设备的电力转换器效率,可广泛应用于可再生能源系统、电动汽车、铁路和工业设备等领域。

          东芝于5月30日至6月2日在线召开的功率半导体国际学术会议“ISPSD2021”上公布了技术细节。

          开发背景

          控制电力的功率半导体被广泛应用于“发电”、“输送”、“储存”和“优化使用”等各类场景,在确保稳定的电力供应、节能和节电中发挥了不可或缺的作用。近年来,在“全球碳中和”背景下,电动汽车不断普及,采用可再生能源进行发电的比重不断增加,功率半导体的市场份额也随之不断扩大。

          同时,为了通过降低功率损耗(功率转换时所产生的功率损耗)来实现更高的效率,需要进一步提升功率半导体的性能。其中,高耐压的功率半导体IGBT被广泛应用于电气设备的功率转换器上,因此,从提高能源利用效率的角度来看,降低IGBT的功率损耗将为实现碳中和做出巨大贡献。

          IGBT可以通过增加元件中电子和空穴的蓄积量来降低导通损耗,但同时开关损耗也随之增加。在过去的30年里,针对采用硅材料的传统IGBT,技术人员主要通过改进元件结构来改善导通损耗和开关损耗,但近年来,其性能改善趋于极限,成为行业一大难题。

          本技术的特征

          因此,东芝开发出三栅极IGBT和栅极控制技术,采用从栅极驱动电路端灵活控制IGBT内部载流电子和空穴蓄积量的方式,从而大幅降低开关损耗。

          此次开发的三栅极IGBT的特征:在同一芯片内具有3个栅极,即主栅极(以下简称“MG”)、第1控制栅极(以下简称“CGp”)和第2控制栅极(以下简称“CGs”),并且3个栅极采用独立驱动方式。当栅极开通时,通过控制栅极使CGs相对于MG和CGp出现延迟,再实现MG、CGp和CGs三个栅极同时接通。其结果是让大量的电子和空穴被高速注入并蓄积在IGBT中,从而缩短开关转换时间,并降低开通损耗。

          另一方面,在关断时,让CGs保持关断状态,让CGp先于MG关断,以减少元件内部的电子和空穴。通过上述方式,当MG关断时(即:当IGBT完全关断时),电子和空穴快速消失,从而降低关断损耗。

          通过三栅极IGBT与栅极控制技术的结合,与传统IGBT相比,成功实现了开通损耗和关断损耗分别降低50%和28%,整体开关损耗最多可降低40.5%。对于性能改善趋于极限的硅IGBT而言,该技术可显著降低其功率损耗,从而为降低功率转换器的功率损耗做出巨大贡献。

          图1:三栅极IGBT和栅极控制信号

          图2:开关转换电压波形和降低开关损耗的效果

          未来展望

          东芝将继续推进采用本技术的功率半导体以及栅极控制技术的研发工作,争取早日实现该技术的商用化。东芝将致力于提高采用功率电子技术的各类产品性能,为实现碳中和做出贡献。

          *1 IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写。在基极中加入了MOSFET的双极性晶体管。

          *2 开关由关断转换到导通时发生的功率损耗。

          *3 开关由导通转换到关断时发生的功率损耗。

          *4 原文请参考:https://www.global.toshiba/jp/technology/corporate/rdc/rd/topics/21/2106-01.html

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