突破性模擬。數(shù)字混合ic將噪聲降低51%

在控制下一代功率半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)IC方面，株式會(huì)社東芝（下稱“東芝”）成功實(shí)現(xiàn)了將模擬與數(shù)字高性能電路集成到單個(gè)芯片中*1。該混合IC能夠以2微秒甚至更短的超高速檢測(cè)功率半導(dǎo)體的電壓和電流狀態(tài)，發(fā)生短路等故障時(shí)，可迅速反應(yīng)，保護(hù)功率半導(dǎo)體免遭損壞。

并且通過(guò)精細(xì)控制，可將功率半導(dǎo)體產(chǎn)生的噪聲降低51%。此外，經(jīng)理論計(jì)算證實(shí)，與常規(guī)方法下的同等降噪效果相比，電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率損耗可減少25%。

本技術(shù)通過(guò)最大限度地發(fā)揮下一代功率半導(dǎo)體的性能，推動(dòng)廣泛用于電動(dòng)汽車、工業(yè)設(shè)備、智能電網(wǎng)等應(yīng)用中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、直流·交流轉(zhuǎn)換器向小型化、高效化和高可靠性的方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

研發(fā)背景

功率半導(dǎo)體是控制電壓和電流的半導(dǎo)體，用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，以及直流·交流等功率轉(zhuǎn)換。由于其應(yīng)用場(chǎng)景多，功率半導(dǎo)體和功率轉(zhuǎn)換器的小型化、高效化對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)而言必不可少。隨著功率半導(dǎo)體市場(chǎng)逐年擴(kuò)大，控制功率半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)器IC其全球市場(chǎng)規(guī)模也從2017年的約1400億日元增長(zhǎng)到2021年的約1800億日元*2，預(yù)計(jì)未來(lái)還將繼續(xù)擴(kuò)大。

目前市面上一般使用IGBT*3和Si-MOSFET*4等作為功率半導(dǎo)體元件。如何降低功率轉(zhuǎn)換時(shí)所產(chǎn)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(dǎo)體正在開發(fā)中。下一代功率半導(dǎo)體可降低功率轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的損耗，在實(shí)現(xiàn)高效化的同時(shí)便于散熱，且更小型化、輕型化。可是如采用與常規(guī)相同的電路方式進(jìn)行控制，雖然降低了功率損耗，但更容易產(chǎn)生噪音。另外，由于散熱路徑變短小，萬(wàn)一發(fā)生短路等故障，溫度瞬間升高，易導(dǎo)致半導(dǎo)體損壞。

有研究通過(guò)改進(jìn)控制方法來(lái)降低下一代功率半導(dǎo)體的噪聲，但其靈活性有問(wèn)題，因?yàn)楣β拾雽?dǎo)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(duì)短路等故障檢測(cè)·保護(hù)功能需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通過(guò)微處理機(jī)實(shí)現(xiàn)，存在固有的延遲而導(dǎo)致元件被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

本技術(shù)特點(diǎn)

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(qū)動(dòng)IC來(lái)解決以上問(wèn)題。一般，要實(shí)現(xiàn)與該IC同樣的高性能，需要使用信號(hào)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、運(yùn)算電路、放大器電路等多個(gè)單獨(dú)的半導(dǎo)體元件。而該模擬·數(shù)字混合電路，使用模擬電路檢測(cè)功率半導(dǎo)體元件的電壓·電流，再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果用數(shù)字電路切換控制方法，只需一個(gè)芯片即可實(shí)現(xiàn)最佳控制。且還搭載具有存儲(chǔ)控制方法的存儲(chǔ)器。

此外，在控制過(guò)程中，通過(guò)組合低速數(shù)字電路和高速模擬電路的分辨率來(lái)增強(qiáng)電路，僅在需要高速控制的部分使用模擬，實(shí)現(xiàn)了等效、精細(xì)的控制。

通過(guò)開發(fā)模擬波形預(yù)處理技術(shù)，從功率半導(dǎo)體的高速電壓·電流波形中，僅提取控制和故障檢測(cè)所需的特征，即便是低速模擬·數(shù)字轉(zhuǎn)換器也可快速完成故障檢測(cè)。由此，可以在不通過(guò)微機(jī)的情況下，檢測(cè)短路和其它故障并立即啟動(dòng)保護(hù)。并且還可通過(guò)使用現(xiàn)有設(shè)備的低成本CMOS*6工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

浪涌電壓是產(chǎn)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)相同效果，電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的損耗就會(huì)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(jī)的情況下，可用最短2微秒的速度成功檢測(cè)出故障。有望最大限度地提高下一代功率半導(dǎo)體的性能。

圖1：開發(fā)的單芯片控制IC的概述、效果及主要技術(shù)

圖2：控制SiC-MOSFET功率半導(dǎo)體時(shí)的降噪效果和快速故障檢測(cè)結(jié)果

未來(lái)展望

東芝的目標(biāo)是在2025年將該IC投入實(shí)際應(yīng)用。功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)是集團(tuán)的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，今后東芝也將繼續(xù)開發(fā)該IC的相關(guān)技術(shù)，推進(jìn)下一代功率半導(dǎo)體在各類功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)功率半導(dǎo)體的高效化，降低CO2排放量，從而為實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

*1：本技術(shù)于2021年10月10日至14日，在IEEE ECCE 2021（2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition）在線會(huì)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(yè)面）

*3：IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor的簡(jiǎn)稱。指基極內(nèi)置MOSFET的雙極晶體管。

*4：Si-MOSFET：Silicon MOSFET的簡(jiǎn)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(dǎo)體。

*6：CMOS：半導(dǎo)體電路的一種。用于多種電子設(shè)備，包括個(gè)人電腦等。

編輯：jq