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開關(guān)功率損耗降低40.5%！
三柵極IGBT可提高所有電氣設(shè)備中電源轉(zhuǎn)換器的效率，為實(shí)現(xiàn)碳中和做出貢獻(xiàn)。
株式會(huì)社東芝(以下稱“東芝”)日前宣布成功開發(fā)出三柵極IGBT*1。該三柵極IGBT最多可使開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的功率損耗(以下簡稱“開關(guān)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(guān)系，即：當(dāng)IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下的功率損耗(以下簡稱“導(dǎo)通損耗”)降低時(shí)，開關(guān)損耗便會(huì)增加。
東芝針對(duì)此方面進(jìn)行了改善：采用了具有三個(gè)柵電極的新結(jié)構(gòu)硅IGBT和可高精度開關(guān)柵電極的柵極控制技術(shù)。與僅有一個(gè)柵電極的傳統(tǒng)IGBT相比，成功實(shí)現(xiàn)了在不增加導(dǎo)通損耗的情況下，使開通損耗*2和關(guān)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(dǎo)體的功率損耗來提高能源利用效率被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵手段。其中，IGBT是目前被頻繁使用的主要功率半導(dǎo)體，人們對(duì)其進(jìn)一步減少功率損耗的期望越來越高。東芝新技術(shù)有望提高各類電氣設(shè)備的電力轉(zhuǎn)換器效率，可廣泛應(yīng)用于可再生能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、鐵路和工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。
開發(fā)背景
探索IGBT性能改善極限
功率半導(dǎo)體被廣泛應(yīng)用于“發(fā)電”、“輸送”、“儲(chǔ)存”和“優(yōu)化使用”等各類場景，在確保穩(wěn)定的電力供應(yīng)、節(jié)能和節(jié)電中發(fā)揮了不可或缺的作用。近年來，在“全球碳中和”背景下，電動(dòng)汽車不斷普及，采用可再生能源進(jìn)行發(fā)電的比重不斷增加，功率半導(dǎo)體的市場份額也隨之不斷擴(kuò)大。
為了降低功率損耗(功率轉(zhuǎn)換時(shí)所產(chǎn)生的功率損耗)，需要進(jìn)一步提升功率半導(dǎo)體的性能。而功率半導(dǎo)體中高耐壓的IGBT常常被應(yīng)用于電氣設(shè)備的功率轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)碳中和做出巨大貢獻(xiàn)。
IGBT可以通過增加元件中電子和空穴的蓄積量來降低導(dǎo)通損耗，但同時(shí)開關(guān)損耗也隨之增加。在過去的30年里，針對(duì)采用硅材料的傳統(tǒng)IGBT，技術(shù)人員主要通過改進(jìn)元件結(jié)構(gòu)來改善導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。但近年來，其性能改善趨于極限，成為行業(yè)一大難題。
技術(shù)特點(diǎn)
三柵極與柵極控制技術(shù)
東芝開發(fā)出三柵極IGBT和柵極控制技術(shù)，采用從柵極驅(qū)動(dòng)電路端靈活控制IGBT內(nèi)部載流電子和空穴蓄積量的方式，從而大幅降低開關(guān)損耗。
技術(shù)特點(diǎn)
在同一芯片內(nèi)具有3個(gè)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(gè)柵極采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式。
當(dāng)柵極開通時(shí)，通過控制柵極使CGs相對(duì)于MG和CGp出現(xiàn)延遲，再實(shí)現(xiàn)MG、CGp和CGs三個(gè)柵極同時(shí)接通。其結(jié)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(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間，并降低開通損耗。
當(dāng)柵極關(guān)斷時(shí)，讓CGs保持關(guān)斷狀態(tài)的同時(shí)，讓CGp先于MG關(guān)斷，以減少元件內(nèi)部的電子和空穴。通過上述方式，當(dāng)MG關(guān)斷時(shí)(即：當(dāng)IGBT完全關(guān)斷時(shí))，電子和空穴快速消失，從而降低關(guān)斷損耗。
通過三柵極IGBT與柵極控制技術(shù)的結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)IGBT相比，開通損耗和關(guān)斷損耗分別降低50%和28%，整體開關(guān)損耗最多可降低40.5%。對(duì)于性能改善趨于極限的硅IGBT而言，該技術(shù)可顯著降低其功率損耗，從而為降低功率轉(zhuǎn)換器的功率損耗做出巨大貢獻(xiàn)。
*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(guān)由關(guān)斷轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時(shí)發(fā)生的功率損耗。
*3 開關(guān)由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到關(guān)斷時(shí)發(fā)生的功率損耗。
