株式會(huì)社東芝（以下(xià)稱“東芝”）日前宣布成功開發(fā／fà)出三栅極IGBT*1，該三栅極IGBT最多可(kě)使開關轉換時的功率損耗（以下(xià)簡稱“開關損耗”）整體降低40.5%。
IGBT中的功率損耗存在一種此消彼長的關系，即：當降低IGBT導通狀态下(xià)的功率損耗（以下(xià)簡稱“導通損耗”）時，開關損耗便會(huì)增加，因此東芝在這方面進行(háng / xíng)了改善。東芝采用(yòng)具有三個栅電極的新結構矽IGBT和可(kě)高精度開關栅電極的栅極控制技術，與僅有一個栅電極的傳統IGBT相比，成功實現了在不增加導通損耗的情況下(xià)，大幅降低開關損耗，使開通損耗*2和關斷損耗*3分别降低50%和28%（最多可(kě)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提高能(néng)源利用(yòng)效率，這被認爲是實現碳中和的關鍵手段，其(qí)中IGBT是目前廣泛應用(yòng)的主要(yào / yāo)功率半導體，人們對(duì)進一步減少其(qí)功率損耗的期望越來越高。該技術有望提高各類電氣設備的電力轉換器效率，可(kě)廣泛應用(yòng)于(yú)可(kě)再生(shēng)能(néng)源系統、電動汽車、鐵路和工業設備等領域。
東芝于(yú)5月30日至6月2日在線召開的功率半導體國際學術會(huì)議“ISPSD2021”上公布了技術細節。
開發(fā／fà)背景
控制電力的功率半導體被廣泛應用(yòng)于(yú)“發(fā／fà)電”、“輸送”、“儲存”和“優化使用(yòng)”等各類場景，在确保穩定的電力供應、節能(néng)和節電中發(fā／fà)揮了不可(kě)或缺的作用(yòng)。近年(nián)來，在“全球碳中和”背景下(xià)，電動汽車不斷普及，采用(yòng)可(kě)再生(shēng)能(néng)源進行(háng / xíng)發(fā／fà)電的比重不斷增加，功率半導體的市場份額也随之不斷擴大。
同時，爲了通過(guò)降低功率損耗（功率轉換時所(suǒ)産生(shēng)的功率損耗）來實現更高的效率，需要(yào / yāo)進一步提升功率半導體的性能(néng)。其(qí)中，高耐壓的功率半導體IGBT被廣泛應用(yòng)于(yú)電氣設備的功率轉換器上，因此，從提高能(néng)源利用(yòng)效率的角度來看，降低IGBT的功率損耗将爲實現碳中和做出巨大貢獻。
IGBT可(kě)以通過(guò)增加元件中電子和空穴的蓄積量來降低導通損耗，但同時開關損耗也随之增加。在過(guò)去(qù)的30年(nián)裏(lǐ)，針對(duì)采用(yòng)矽材料的傳統IGBT，技術人員主要(yào / yāo)通過(guò)改進元件結構來改善導通損耗和開關損耗，但近年(nián)來，其(qí)性能(néng)改善趨于(yú)極限，成爲行(háng / xíng)業一大難題。
本技術的特征
因此，東芝開發(fā／fà)出三栅極IGBT和栅極控制技術，采用(yòng)從栅極驅動電路端靈活控制IGBT内部載流電子和空穴蓄積量的方式，從而(ér)大幅降低開關損耗。
此次開發(fā／fà)的三栅極IGBT的特征：在同一芯片内具有3個栅極，即主栅極（以下(xià)簡稱“MG”）、第1控制栅極（以下(xià)簡稱“CGp”）和第2控制栅極（以下(xià)簡稱“CGs”），并且3個栅極采用(yòng)獨立驅動方式。當栅極開通時，通過(guò)控制栅極使CGs相對(duì)于(yú)MG和CGp出現延遲，再實現MG、CGp和CGs三個栅極同時接通。其(qí)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(ér)縮短開關轉換時間，并降低開通損耗。
另一方面，在關斷時，讓CGs保持關斷狀态，讓CGp先于(yú)MG關斷，以減少元件内部的電子和空穴。通過(guò)上述方式，當MG關斷時（即：當IGBT完全關斷時），電子和空穴快速消失，從而(ér)降低關斷損耗。
通過(guò)三栅極IGBT與栅極控制技術的結合，與傳統IGBT相比，成功實現了開通損耗和關斷損耗分别降低50%和28%，整體開關損耗最多可(kě)降低40.5%。對(duì)于(yú)性能(néng)改善趨于(yú)極限的矽IGBT而(ér)言，該技術可(kě)顯著降低其(qí)功率損耗，從而(ér)爲降低功率轉換器的功率損耗做出巨大貢獻。
圖1：三栅極IGBT和栅極控制信号
圖2：開關轉換電壓波形和降低開關損耗的效果
未來展望
東芝将繼續推進采用(yòng)本技術的功率半導體以及栅極控制技術的研發(fā／fà)工作，争取早日實現該技術的商用(yòng)化。東芝将緻力于(yú)提高采用(yòng)功率電子技術的各類産品性能(néng)，爲實現碳中和做出貢獻。
*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 開關由關斷轉換到導通時發(fā／fà)生(shēng)的功率損耗。
*3 開關由導通轉換到關斷時發(fā／fà)生(shēng)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
