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Toshiba integra un controlador IC de alto rendimiento para controlar semiconductores de potencia de próxima generación en un solo chip por primera vez
-El primer IC mixto analógico-digital del mundo reduce el ruido en un 51%, contribuyendo a la realización de una sociedad neutra en carbono al reducir el tamaño y la eficiencia de los circuitos de accionamiento del motor y los convertidores CC-CA-
29 octubre, 2021
Toshiba Corporation
General
TOKIO─Toshiba Corporation (TOKYO: 6502) ha demostrado la primera fabricación exitosa del mundo de circuitos de alto rendimiento con integración analógica-digital en un controlador de chip único integrado circuito (IC) para controlar semiconductores de potencia de próxima generación (* 1). El CI desarrollado detecta la voltaje y el estado actual de los semiconductores de potencia a velocidades ultra altas de 2 µs o menos, y el control fino reduce el ruido generado por los semiconductores de potencia hasta en un 51%. Los cálculos teóricos también confirman que la pérdida de potencia al accionar el motor se puede reducir en un 25% en comparación con la reducción de ruido equivalente por métodos convencionales. En caso de un cortocircuito u otro mal funcionamiento, el Semiconductores puede protegerse inmediatamente para evitar daños.
Esto es una la tecnología que maximiza el rendimiento de los semiconductores de potencia de próxima generación. Contribuirá a la realización de una sociedad neutra en carbono ayudando a la miniaturización, la alta eficiencia y la alta confiabilidad de los circuitos de accionamiento de motores y los convertidores CC-CA utilizados en vehículos eléctricos, equipos industriales, redes eléctricas inteligentes, etc.
Antecedentes del desarrollo
Los semiconductores de potencia controlan voltajes y corrientes. Se utilizan para accionar motores en muchas aplicaciones y para la conversión de energía CC-CA. Para lograr una sociedad neutra en carbono, es vital mejorar la eficiencia y reducir el tamaño de los semiconductores y convertidores de potencia. Además, el poder semiconductor El mercado continúa expandiéndose cada año, y el mercado global de circuitos integrados de controladores para controlar semiconductores de potencia ha crecido de aproximadamente 140 mil millones de yenes en 2017 a aproximadamente 180 mil millones de yenes en 2021, y se espera que esta tendencia continúe en el futuro (*2).
Actualmente, dispositivos como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) (*3) y transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico de silicio (Si-mosfet) (*4) se utilizan normalmente para semiconductores de potencia. Para mejorar aún más la eficiencia será necesario reducir la pérdida de energía que se produce durante la conversión de energía, por lo que el desarrollo de semiconductores de potencia de próxima generación con características de bajas pérdidas, como el carburo de silicio. MOSFET (SiC-MOSFET) (*5) está progresando. Los semiconductores de potencia de próxima generación reducirán la pérdida de energía en la conversión de energía, lograrán una alta eficiencia y facilitarán la disipación de calor, permitiendo así reducciones tanto en tamaño como en peso. Sin embargo, cuando estos dispositivos se controlan mediante métodos de circuitos convencionales, la reducción de la pérdida de energía se produce a expensas de un mayor ruido. Además, las vías de disipación de calor se reducen, por lo que en el improbable caso de que se produzca un cortocircuito u otro fallo, la temperatura aumentará instantáneamente, lo que facilitará la rotura de los elementos semiconductores.
Se han realizado investigaciones sobre tecnologías para reducir el ruido en semiconductores de potencia de próxima generación mejorando los métodos de control, pero la flexibilidad para reducir el ruido ha sido problemática porque el método óptimo para hacerlo difiere según el voltaje y el estado actual del elemento semiconductor de potencia. Además, los métodos convencionales requieren que los diseñadores de sistemas implementen funciones de detección de fallas y protección para cortocircuitos y similares a través de un microordenador, y el retardo inherente puede resultar en daños al elemento.
Características de la tecnología
Por lo tanto, Toshiba ha abordado este problema desarrollando el primer circuito integrado de controlador de puerta de un solo chip de alto rendimiento del mundo con circuitos mixtos analógicos y digitales. Convencionalmente, la realización de una alta funcionalidad como la proporcionada por este IC requería configuraciones utilizando muchos componentes semiconductores individuales como convertidores de señal, memorias, circuitos de operación y circuitos amplificadores. Sin embargo, el montaje de circuitos analógicos y digitales juntos permite el uso de un circuito analógico para detectar voltaje y corriente en elementos semiconductores de potencia, así como un circuito digital para seleccionar un método de control basado en los resultados de detección, logrando así un control óptimo mediante un solo chip sin muchas partes. El semiconductor desarrollado también tiene memoria para almacenar métodos de control, y durante el control, un circuito de mejora de resolución que combina circuitos digitales de baja velocidad y analógicos de alta velocidad realiza un control apropiado y fino al usar circuitos analógicos solo para aquellas partes que requieren control de alta velocidad.
Toshiba también ha desarrollado una tecnología de preprocesamiento de formas de onda analógicas que extrae solo las funciones necesarias para el control y la detección de fallas de las formas de onda de voltaje y corriente de alta velocidad de los semiconductores de potencia, lo que permite la detección de fallas con un dispositivo analógico a digital de baja velocidad. convertidor. Por lo tanto, no es necesario pasar por un microordenador, lo que permite la detección inmediata de cortocircuitos y otras fallas.
Este CI también se puede realizar mediante tecnologías de proceso de semiconductores de óxido de metal (CMOS) (* 6) complementarias de bajo costo que son compatibles con los equipos de fabricación existentes. Con este circuito integrado, la empresa logró controlar un semiconductor de potencia SiC-MOSFET de 1.2 kV y reducir su sobretensión, una de las principales causas de generación de ruido, en un 51% sin aumentar la pérdida de potencia. El uso de métodos convencionales para una reducción de sobretensión equivalente aumentaría la pérdida al accionar el motor, pero los cálculos teóricos muestran claramente que el uso de este IC puede reducir la pérdida de potencia en un 25%. El IC también tuvo éxito en la detección de estados de falla a velocidades tan bajas como 2 µs sin usar un microordenador. Se espera que estas características maximicen el rendimiento de los semiconductores de potencia de próxima generación.
Figura 2: Efecto de reducción de ruido al controlar un semiconductor de potencia SiC-MOSFET y los resultados de la detección de fallas a alta velocidad.
Desarrollos futuros
El Grupo Toshiba apuntará al uso práctico del CI desarrollado para 2025. La electrónica de potencia es un mercado de enfoque para el Grupo Toshiba, que continuará desarrollando tecnologías relacionadas con este CI. El grupo promoverá la aplicación de semiconductores de energía de próxima generación a varios sistemas de conversión de energía, contribuyendo así a la reducción de CO2 emisiones a través de una mayor eficiencia de los semiconductores de potencia y la realización de una sociedad neutra en carbono.
* 1: Esta tecnología se presentó en el Congreso y Exposición de Conversión de Energía IEEE de 2021, una conferencia internacional de IEEE celebrada en línea del 10 al 14 de octubre de 2021.
* 2: Fuente:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
* 3: IGBT: un bipolar Transistor con un MOSFET integrado en la base.
* 4: Si-MOSFET: un tipo de Transistor Se adapta mejor a operaciones de baja potencia y alta velocidad en comparación con los IGBT.
* 5: SiC-MOSFET: Un semiconductor de potencia que utiliza un nuevo material, SiC.
* 6: CMOS: Un tipo de circuito semiconductor utilizado en computadoras personales y muchos otros dispositivos electrónicos.
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Toshiba integra un controlador IC de alto rendimiento para controlar semiconductores de potencia de próxima generación en un solo chip por primera vez
-El primer IC mixto analógico-digital del mundo reduce el ruido en un 51%, contribuyendo a la realización de una sociedad neutra en carbono al reducir el tamaño y la eficiencia de los circuitos de accionamiento del motor y los convertidores CC-CA-
29 octubre, 2021
Toshiba Corporation
General
TOKIO─Toshiba Corporation (TOKYO: 6502) ha demostrado la primera fabricación exitosa del mundo de circuitos de alto rendimiento con integración analógica-digital en un circuito integrado de controlador de chip único (IC) para controlar semiconductores de potencia de próxima generación (* 1). El CI desarrollado detecta el voltaje y el estado actual de los semiconductores de potencia a velocidades ultra altas de 2 µs o menos, y el control fino reduce el ruido generado por los semiconductores de potencia hasta en un 51%. Los cálculos teóricos también confirman que la pérdida de potencia al accionar el motor se puede reducir en un 25% en comparación con la reducción de ruido equivalente por métodos convencionales. En caso de un cortocircuito u otro mal funcionamiento, el semiconductor de potencia puede protegerse inmediatamente para evitar daños.
Esta es una tecnología que maximiza el rendimiento de los semiconductores de potencia de próxima generación. Contribuirá a la realización de una sociedad neutral en carbono al ayudar en la miniaturización, alta eficiencia y alta confiabilidad de los circuitos de accionamiento del motor y convertidores CC-CA utilizados en vehículos eléctricos, equipos industriales, redes eléctricas inteligentes, etc.
Antecedentes del desarrollo
Los semiconductores de potencia controlan tensiones y corrientes. Se utilizan para impulsar motores en muchas aplicaciones y para la conversión de energía CC-CA. Para lograr una sociedad neutra en carbono, es vital mejorar la eficiencia y reducir el tamaño de los semiconductores y convertidores de energía. Además, el mercado de semiconductores de potencia continúa expandiéndose cada año, y el mercado global de circuitos integrados de controladores para controlar semiconductores de potencia ha crecido de aproximadamente 140 mil millones de yenes en 2017 a aproximadamente 180 mil millones de yenes en 2021, y se espera que esta tendencia continúe en el futuro. (* 2).
Actualmente, los dispositivos como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) (* 3) y los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico de silicio (Si-MOSFET) (* 4) se utilizan normalmente para semiconductores de potencia. Mejorar aún más la eficiencia requerirá reducir la pérdida de energía que se produce durante la conversión de energía, por lo que el desarrollo de semiconductores de energía de próxima generación con características de baja pérdida, como el carburo de silicio MOSFET (SiC-MOSFET) (* 5) está progresando. Los semiconductores de energía de próxima generación reducirán la pérdida de energía en la conversión de energía, lograrán una alta eficiencia y facilitarán la disipación de calor, lo que permitirá reducciones tanto en tamaño como en peso. Sin embargo, cuando estos dispositivos se controlan mediante métodos de circuitos convencionales, las reducciones de pérdida de potencia se producen a expensas de un aumento del ruido. Además, las rutas de disipación de calor se encogen, por lo que en el improbable caso de un cortocircuito u otra falla, la temperatura aumentará instantáneamente, lo que facilitará la rotura de los elementos semiconductores.
Se han realizado investigaciones sobre tecnologías para reducir el ruido en semiconductores de potencia de próxima generación mejorando los métodos de control, pero la flexibilidad para reducir el ruido ha sido problemática porque el método óptimo para hacerlo difiere según el voltaje y el estado actual del elemento semiconductor de potencia. Además, los métodos convencionales requieren que los diseñadores de sistemas implementen funciones de detección de fallas y protección para cortocircuitos y similares a través de un microordenador, y el retardo inherente puede resultar en daños al elemento.
Características de la tecnología
Por lo tanto, Toshiba ha abordado este problema desarrollando el primer circuito integrado de controlador de puerta de un solo chip de alto rendimiento del mundo con circuitos mixtos analógicos y digitales. Convencionalmente, la realización de una alta funcionalidad como la proporcionada por este IC requería configuraciones utilizando muchos componentes semiconductores individuales como convertidores de señal, memorias, circuitos de operación y circuitos amplificadores. Sin embargo, el montaje de circuitos analógicos y digitales juntos permite el uso de un circuito analógico para detectar voltaje y corriente en elementos semiconductores de potencia, así como un circuito digital para seleccionar un método de control basado en los resultados de detección, logrando así un control óptimo mediante un solo chip sin muchas partes. El semiconductor desarrollado también tiene memoria para almacenar métodos de control, y durante el control, un circuito de mejora de resolución que combina circuitos digitales de baja velocidad y analógicos de alta velocidad realiza un control apropiado y fino al usar circuitos analógicos solo para aquellas partes que requieren control de alta velocidad.
Toshiba también ha desarrollado una tecnología de preprocesamiento de formas de onda analógicas que extrae solo las características necesarias para el control y la detección de fallas de las formas de onda de voltaje y corriente de alta velocidad de los semiconductores de potencia, lo que permite la detección de fallas con un convertidor analógico a digital de baja velocidad. Por lo tanto, no es necesario pasar por un microordenador, lo que permite la detección inmediata de cortocircuitos y otras fallas.
Este CI también se puede realizar mediante tecnologías de proceso de semiconductores de óxido de metal (CMOS) (* 6) complementarias de bajo costo que son compatibles con los equipos de fabricación existentes. Con este circuito integrado, la empresa logró controlar un semiconductor de potencia SiC-MOSFET de 1.2 kV y reducir su sobretensión, una de las principales causas de generación de ruido, en un 51% sin aumentar la pérdida de potencia. El uso de métodos convencionales para una reducción de sobretensión equivalente aumentaría la pérdida al accionar el motor, pero los cálculos teóricos muestran claramente que el uso de este IC puede reducir la pérdida de potencia en un 25%. El IC también tuvo éxito en la detección de estados de falla a velocidades tan bajas como 2 µs sin usar un microordenador. Se espera que estas características maximicen el rendimiento de los semiconductores de potencia de próxima generación.
Figura 2: Efecto de reducción de ruido al controlar un semiconductor de potencia SiC-MOSFET y los resultados de la detección de fallas a alta velocidad.
Desarrollos futuros
El Grupo Toshiba apuntará al uso práctico del CI desarrollado para 2025. La electrónica de potencia es un mercado de enfoque para el Grupo Toshiba, que continuará desarrollando tecnologías relacionadas con este CI. El grupo promoverá la aplicación de semiconductores de energía de próxima generación a varios sistemas de conversión de energía, contribuyendo así a la reducción de CO2 emisiones a través de una mayor eficiencia de los semiconductores de potencia y la realización de una sociedad neutra en carbono.
* 1: Esta tecnología se presentó en el Congreso y Exposición de Conversión de Energía IEEE de 2021, una conferencia internacional de IEEE celebrada en línea del 10 al 14 de octubre de 2021.
* 2: Fuente:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
* 3: IGBT: un transistor bipolar con un MOSFET integrado en la base.
* 4: Si-MOSFET: un tipo de transistor que se adapta mejor a operaciones de baja potencia y alta velocidad en comparación con los IGBT.
* 5: SiC-MOSFET: Un semiconductor de potencia que utiliza un nuevo material, SiC.
* 6: CMOS: Un tipo de circuito semiconductor utilizado en computadoras personales y muchos otros dispositivos electrónicos.
General
TOKIO─Toshiba Corporation (TOKYO: 6502) ha demostrado la primera fabricación exitosa del mundo de circuitos de alto rendimiento con integración analógica-digital en un circuito integrado de controlador de chip único (IC) para controlar semiconductores de potencia de próxima generación (* 1). El CI desarrollado detecta el voltaje y el estado actual de los semiconductores de potencia a velocidades ultra altas de 2 µs o menos, y el control fino reduce el ruido generado por los semiconductores de potencia hasta en un 51%. Los cálculos teóricos también confirman que la pérdida de potencia al accionar el motor se puede reducir en un 25% en comparación con la reducción de ruido equivalente por métodos convencionales. En caso de un cortocircuito u otro mal funcionamiento, el semiconductor de potencia puede protegerse inmediatamente para evitar daños.
Esta es una tecnología que maximiza el rendimiento de los semiconductores de potencia de próxima generación. Contribuirá a la realización de una sociedad neutral en carbono al ayudar en la miniaturización, alta eficiencia y alta confiabilidad de los circuitos de accionamiento del motor y convertidores CC-CA utilizados en vehículos eléctricos, equipos industriales, redes eléctricas inteligentes, etc.
Antecedentes del desarrollo
Los semiconductores de potencia controlan tensiones y corrientes. Se utilizan para impulsar motores en muchas aplicaciones y para la conversión de energía CC-CA. Para lograr una sociedad neutra en carbono, es vital mejorar la eficiencia y reducir el tamaño de los semiconductores y convertidores de energía. Además, el mercado de semiconductores de potencia continúa expandiéndose cada año, y el mercado global de circuitos integrados de controladores para controlar semiconductores de potencia ha crecido de aproximadamente 140 mil millones de yenes en 2017 a aproximadamente 180 mil millones de yenes en 2021, y se espera que esta tendencia continúe en el futuro. (* 2).
Actualmente, los dispositivos como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) (* 3) y los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico de silicio (Si-MOSFET) (* 4) se utilizan normalmente para semiconductores de potencia. Mejorar aún más la eficiencia requerirá reducir la pérdida de energía que se produce durante la conversión de energía, por lo que el desarrollo de semiconductores de energía de próxima generación con características de baja pérdida, como el carburo de silicio MOSFET (SiC-MOSFET) (* 5) está progresando. Los semiconductores de energía de próxima generación reducirán la pérdida de energía en la conversión de energía, lograrán una alta eficiencia y facilitarán la disipación de calor, lo que permitirá reducciones tanto en tamaño como en peso. Sin embargo, cuando estos dispositivos se controlan mediante métodos de circuitos convencionales, las reducciones de pérdida de potencia se producen a expensas de un aumento del ruido. Además, las rutas de disipación de calor se encogen, por lo que en el improbable caso de un cortocircuito u otra falla, la temperatura aumentará instantáneamente, lo que facilitará la rotura de los elementos semiconductores.
Se han realizado investigaciones sobre tecnologías para reducir el ruido en semiconductores de potencia de próxima generación mejorando los métodos de control, pero la flexibilidad para reducir el ruido ha sido problemática porque el método óptimo para hacerlo difiere según el voltaje y el estado actual del elemento semiconductor de potencia. Además, los métodos convencionales requieren que los diseñadores de sistemas implementen funciones de detección de fallas y protección para cortocircuitos y similares a través de un microordenador, y el retardo inherente puede resultar en daños al elemento.
Características de la tecnología
Por lo tanto, Toshiba ha abordado este problema desarrollando el primer circuito integrado de controlador de puerta de un solo chip de alto rendimiento del mundo con circuitos mixtos analógicos y digitales. Convencionalmente, la realización de una alta funcionalidad como la proporcionada por este IC requería configuraciones utilizando muchos componentes semiconductores individuales como convertidores de señal, memorias, circuitos de operación y circuitos amplificadores. Sin embargo, el montaje de circuitos analógicos y digitales juntos permite el uso de un circuito analógico para detectar voltaje y corriente en elementos semiconductores de potencia, así como un circuito digital para seleccionar un método de control basado en los resultados de detección, logrando así un control óptimo mediante un solo chip sin muchas partes. El semiconductor desarrollado también tiene memoria para almacenar métodos de control, y durante el control, un circuito de mejora de resolución que combina circuitos digitales de baja velocidad y analógicos de alta velocidad realiza un control apropiado y fino al usar circuitos analógicos solo para aquellas partes que requieren control de alta velocidad.
Toshiba también ha desarrollado una tecnología de preprocesamiento de formas de onda analógicas que extrae solo las características necesarias para el control y la detección de fallas de las formas de onda de voltaje y corriente de alta velocidad de los semiconductores de potencia, lo que permite la detección de fallas con un convertidor analógico a digital de baja velocidad. Por lo tanto, no es necesario pasar por un microordenador, lo que permite la detección inmediata de cortocircuitos y otras fallas.
Este CI también se puede realizar mediante tecnologías de proceso de semiconductores de óxido de metal (CMOS) (* 6) complementarias de bajo costo que son compatibles con los equipos de fabricación existentes. Con este circuito integrado, la empresa logró controlar un semiconductor de potencia SiC-MOSFET de 1.2 kV y reducir su sobretensión, una de las principales causas de generación de ruido, en un 51% sin aumentar la pérdida de potencia. El uso de métodos convencionales para una reducción de sobretensión equivalente aumentaría la pérdida al accionar el motor, pero los cálculos teóricos muestran claramente que el uso de este IC puede reducir la pérdida de potencia en un 25%. El IC también tuvo éxito en la detección de estados de falla a velocidades tan bajas como 2 µs sin usar un microordenador. Se espera que estas características maximicen el rendimiento de los semiconductores de potencia de próxima generación.
Figura 2: Efecto de reducción de ruido al controlar un semiconductor de potencia SiC-MOSFET y los resultados de la detección de fallas a alta velocidad.
Desarrollos futuros
El Grupo Toshiba apuntará al uso práctico del CI desarrollado para 2025. La electrónica de potencia es un mercado de enfoque para el Grupo Toshiba, que continuará desarrollando tecnologías relacionadas con este CI. El grupo promoverá la aplicación de semiconductores de energía de próxima generación a varios sistemas de conversión de energía, contribuyendo así a la reducción de CO2 emisiones a través de una mayor eficiencia de los semiconductores de potencia y la realización de una sociedad neutra en carbono.
* 1: Esta tecnología se presentó en el Congreso y Exposición de Conversión de Energía IEEE de 2021, una conferencia internacional de IEEE celebrada en línea del 10 al 14 de octubre de 2021.
* 2: Fuente:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
* 3: IGBT: un transistor bipolar con un MOSFET integrado en la base.
* 4: Si-MOSFET: un tipo de transistor que se adapta mejor a operaciones de baja potencia y alta velocidad en comparación con los IGBT.
* 5: SiC-MOSFET: Un semiconductor de potencia que utiliza un nuevo material, SiC.
* 6: CMOS: Un tipo de circuito semiconductor utilizado en computadoras personales y muchos otros dispositivos electrónicos.