株式會(huì )社東芝（以下稱(chēng)“東芝”）日前宣布成功開(kāi)發(fā)出三柵極IGBT*1，該三柵極IGBT最多可使開(kāi)關(guān)轉換時(shí)的功率損耗（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“開(kāi)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(cháng)的關(guān)系，即：當降低IGBT導通狀態(tài)下的功率損耗（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“導通損耗”）時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗便會(huì )增加，因此東芝在這方面進(jìn)行了改善。東芝采用具有三個(gè)柵電極的新結構硅IGBT和可高精度開(kāi)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IGBT相比，成功實(shí)現了在不增加導通損耗的情況下，大幅降低開(kāi)關(guān)損耗，使開(kāi)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(guò)降低功率半導體的功率損耗來(lái)提高能源利用效率，這被認為是實(shí)現碳中和的關(guān)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(jìn)一步減少其功率損耗的期望越來(lái)越高。該技術(shù)有望提高各類(lèi)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(dòng)汽車(chē)、鐵路和工業(yè)設備等領(lǐng)域。
東芝于5月30日至6月2日在線(xiàn)召開(kāi)的功率半導體國際學(xué)術(shù)會(huì )議“ISPSD2021”上公布了技術(shù)細節。
開(kāi)發(fā)背景
控制電力的功率半導體被廣泛應用于“發(fā)電”、“輸送”、“儲存”和“優(yōu)化使用”等各類(lèi)場(chǎng)景，在確保穩定的電力供應、節能和節電中發(fā)揮了不可或缺的作用。近年來(lái)，在“全球碳中和”背景下，電動(dòng)汽車(chē)不斷普及，采用可再生能源進(jìn)行發(fā)電的比重不斷增加，功率半導體的市場(chǎng)份額也隨之不斷擴大。
同時(shí)，為了通過(guò)降低功率損耗（功率轉換時(shí)所產(chǎn)生的功率損耗）來(lái)實(shí)現更高的效率，需要進(jìn)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(lái)看，降低IGBT的功率損耗將為實(shí)現碳中和做出巨大貢獻。
IGBT可以通過(guò)增加元件中電子和空穴的蓄積量來(lái)降低導通損耗，但同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也隨之增加。在過(guò)去的30年里，針對采用硅材料的傳統IGBT，技術(shù)人員主要通過(guò)改進(jìn)元件結構來(lái)改善導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，但近年來(lái)，其性能改善趨于極限，成為行業(yè)一大難題。
本技術(shù)的特征
因此，東芝開(kāi)發(fā)出三柵極IGBT和柵極控制技術(shù)，采用從柵極驅動(dòng)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(kāi)關(guān)損耗。
此次開(kāi)發(fā)的三柵極IGBT的特征：在同一芯片內具有3個(gè)柵極，即主柵極（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“MG”）、第1控制柵極（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“CGp”）和第2控制柵極（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“CGs”），并且3個(gè)柵極采用獨立驅動(dòng)方式。當柵極開(kāi)通時(shí)，通過(guò)控制柵極使CGs相對于MG和CGp出現延遲，再實(shí)現MG、CGp和CGs三個(gè)柵極同時(shí)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(kāi)關(guān)轉換時(shí)間，并降低開(kāi)通損耗。
另一方面，在關(guān)斷時(shí)，讓CGs保持關(guān)斷狀態(tài)，讓CGp先于MG關(guān)斷，以減少元件內部的電子和空穴。通過(guò)上述方式，當MG關(guān)斷時(shí)（即：當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(guò)三柵極IGBT與柵極控制技術(shù)的結合，與傳統IGBT相比，成功實(shí)現了開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗分別降低50%和28%，整體開(kāi)關(guān)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(shù)可顯著(zhù)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(kāi)關(guān)轉換電壓波形和降低開(kāi)關(guān)損耗的效果
未來(lái)展望
東芝將繼續推進(jìn)采用本技術(shù)的功率半導體以及柵極控制技術(shù)的研發(fā)工作，爭取早日實(shí)現該技術(shù)的商用化。東芝將致力于提高采用功率電子技術(shù)的各類(lèi)產(chǎn)品性能，為實(shí)現碳中和做出貢獻。
*1 IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫(xiě)。在基極中加入了MOSFET的雙極性晶體管。
*2 開(kāi)關(guān)由關(guān)斷轉換到導通時(shí)發(fā)生的功率損耗。
*3 開(kāi)關(guān)由導通轉換到關(guān)斷時(shí)發(fā)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
