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。
便携式一体化食品安全检测仪的性能
《深度学习革命》书作者访谈,介绍AI的起源和发展
美国工业互联网联盟IIC发布1.8版的工业互联网参考架构
Adam Taylor玩转MicroZed系列之58：Zynq和PicoBlaze第3部分
区块链是否都安全可信？谁能掌握区块链话语权
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
三月你好，小米6恭候多时
中国农机自动驾驶产业已进入快速发展期
AIOps工具在IT领域具有广阔的应用前景
IR为混合动力汽车和电动车推出600V车用IGBT
基于STM32单片机的远程测温控制系统设计
中国电信发布终端洞察报告2020版，华为斩获七个第一
dx音频滤波器电路图讲解
氢气压缩机轴头磨损几种维修方法对比
高速光网时代，光纤连接器市场的机遇与挑战
激光焊接的局限性有哪些
瞄准智慧养老智能可穿戴设备，仁微电子如何杀出重围？
发展物联网正成为推动经济高质量发展的着力点
聚焦峰会关注“2019Rise HongKong”科技新动态
在线式红外笑气检测仪,确保安全的环境-欧森杰
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。
便携式一体化食品安全检测仪的性能
《深度学习革命》书作者访谈,介绍AI的起源和发展
美国工业互联网联盟IIC发布1.8版的工业互联网参考架构
Adam Taylor玩转MicroZed系列之58：Zynq和PicoBlaze第3部分
区块链是否都安全可信？谁能掌握区块链话语权
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
三月你好，小米6恭候多时
中国农机自动驾驶产业已进入快速发展期
AIOps工具在IT领域具有广阔的应用前景
IR为混合动力汽车和电动车推出600V车用IGBT
基于STM32单片机的远程测温控制系统设计
中国电信发布终端洞察报告2020版，华为斩获七个第一
dx音频滤波器电路图讲解
氢气压缩机轴头磨损几种维修方法对比
高速光网时代，光纤连接器市场的机遇与挑战
激光焊接的局限性有哪些
瞄准智慧养老智能可穿戴设备，仁微电子如何杀出重围？
发展物联网正成为推动经济高质量发展的着力点
聚焦峰会关注“2019Rise HongKong”科技新动态
在线式红外笑气检测仪,确保安全的环境-欧森杰