东芝成功将控制下一代功率半导体的高性能驱动IC单芯片化

突破性模拟。数字混合ic将噪声降低51%

在控制下一代功率半导体的驱动IC方面，株式会社东芝（下称“东芝”）成功实现了将模拟与数字高性能电路集成到单个芯片中*1。该混合IC能够以2微秒甚至更短的超高速检测功率半导体的电压和电流状态，发生短路等故障时，可迅速反应，保护功率半导体免遭损坏。

并且通过精细控制，可将功率半导体产生的噪声降低51%。此外，经理论计算证实，与常规方法下的同等降噪效果相比，电机驱动时的功率损耗可减少25%。

本技术通过最大限度地发挥下一代功率半导体的性能，推动广泛用于电动汽车、工业设备、智能电网等应用中的电机驱动电路、直流·交流转换器向小型化、高效化和高可靠性的方向发展，为实现碳中和社会做出贡献。

研发背景

功率半导体是控制电压和电流的半导体，用于电机的驱动，以及直流·交流等功率转换。由于其应用场景多，功率半导体和功率转换器的小型化、高效化对实现碳中和社会而言必不可少。随着功率半导体市场逐年扩大，控制功率半导体的驱动器IC其全球市场规模也从2017年的约1400亿日元增长到2021年的约1800亿日元*2，预计未来还将继续扩大。

目前市面上一般使用IGBT*3和Si-MOSFET*4等作为功率半导体元件。如何降低功率转换时所产生的损耗成为课题。为此，具有低损耗特性的SiC-MOSFET*5等下一代功率半导体正在开发中。下一代功率半导体可降低功率转换器所产生的损耗，在实现高效化的同时便于散热，且更小型化、轻型化。可是如采用与常规相同的电路方式进行控制，虽然降低了功率损耗，但更容易产生噪音。另外，由于散热路径变短小，万一发生短路等故障，温度瞬间升高，易导致半导体损坏。

有研究通过改进控制方法来降低下一代功率半导体的噪声，但其灵活性有问题，因为功率半导体元件的电压和电流状态不同，降噪的最佳方法也不尽相同。另外，在常规方法中，对短路等故障检测·保护功能需要系统设计者通过微处理机实现，存在固有的延迟而导致元件被损坏的风险。

本技术特点

东芝开发的混合模拟·数字电路的高性能单芯片栅极驱动IC来解决以上问题。一般，要实现与该IC同样的高性能，需要使用信号转换器、存储器、运算电路、放大器电路等多个单独的半导体元件。而该模拟·数字混合电路，使用模拟电路检测功率半导体元件的电压·电流，再根据检测结果用数字电路切换控制方法，只需一个芯片即可实现最佳控制。且还搭载具有存储控制方法的存储器。

此外，在控制过程中，通过组合低速数字电路和高速模拟电路的分辨率来增强电路，仅在需要高速控制的部分使用模拟，实现了等效、精细的控制。

通过开发模拟波形预处理技术，从功率半导体的高速电压·电流波形中，仅提取控制和故障检测所需的特征，即便是低速模拟·数字转换器也可快速完成故障检测。由此，可以在不通过微机的情况下，检测短路和其它故障并立即启动保护。并且还可通过使用现有设备的低成本CMOS*6工艺技术来实现。

浪涌电压是产生噪音的主要因素之一。使用该IC控制1.2 kV的SiC-MOSFET功率半导体，在不增加功率损耗的情况下，可将浪涌电压成功降低51%。理论上，若采用常规方法实现相同效果，电机驱动时的损耗就会增加；如果使用该IC，则可以降低25%的功率损耗。另外，在不使用微机的情况下，可用最短2微秒的速度成功检测出故障。有望最大限度地提高下一代功率半导体的性能。

图1：开发的单芯片控制IC的概述、效果及主要技术

图2：控制SiC-MOSFET功率半导体时的降噪效果和快速故障检测结果

未来展望

东芝的目标是在2025年将该IC投入实际应用。功率半导体业务是集团的重点发展领域，今后东芝也将继续开发该IC的相关技术，推进下一代功率半导体在各类功率转换系统中的应用。通过功率半导体的高效化，降低CO2排放量，从而为实现碳中和社会做出贡献。

*1：本技术于2021年10月10日至14日，在IEEE ECCE 2021（2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition）在线会议上发表。

*2：出处：

https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf（英文页面）

*3：IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor的简称。指基极内置MOSFET的双极晶体管。

*4：Si-MOSFET：Silicon MOSFET的简称。晶体管的一种，与IGBT相比，适用于低功耗和高速工作。

*5：SiC-MOSFET：使用新材料SiC（碳化硅）的功率半导体。

*6：CMOS：半导体电路的一种。用于多种电子设备，包括个人电脑等。

编辑：jq