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Toshiba intègre pour la première fois un circuit intégré de pilote hautes performances pour contrôler les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération dans une puce unique
-Le premier circuit intégré mixte analogique-numérique au monde réduit le bruit de 51%, contribuant à la réalisation d'une société neutre en carbone en réduisant la taille et l'efficacité des circuits d'entraînement du moteur et des convertisseurs DC-AC-
29 Octobre, 2021
Toshiba Corporation
Vue d’ensemble
TOKYO─Toshiba Corporation (TOKYO : 6502) a fait la démonstration de la première fabrication réussie au monde de circuits hautes performances avec intégration analogique-numérique sur un pilote de puce unique intégré circuit (IC) pour contrôler les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération (*1). Le circuit intégré développé détecte le Tension et l'état actuel des semi-conducteurs de puissance à des vitesses ultra-élevées de 2 µs ou moins, et un contrôle précis réduit le bruit généré par les semi-conducteurs de puissance jusqu'à 51 %. Les calculs théoriques confirment également que la perte de puissance lors de l'entraînement du moteur peut être réduite de 25 % par rapport à une réduction du bruit équivalente par les méthodes conventionnelles. En cas de court-circuit ou autre dysfonctionnement, l'alimentation Semi-conducteurs peut être immédiatement protégé pour éviter de l'endommager.
Il s'agit d'un sans souci qui maximise les performances des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération. Il contribuera à la réalisation d'une société neutre en carbone en contribuant à la miniaturisation, au rendement élevé et à la fiabilité élevée des circuits d'entraînement des moteurs et des convertisseurs CC-CA utilisés dans les véhicules électriques, les équipements industriels, les réseaux électriques intelligents, etc.
Contexte du développement
Les semi-conducteurs de puissance contrôlent les tensions et les courants. Ils sont utilisés pour piloter des moteurs dans de nombreuses applications et pour la conversion de puissance CC-CA. Pour parvenir à une société neutre en carbone, il est essentiel d’améliorer l’efficacité et de réduire la taille des semi-conducteurs et des convertisseurs de puissance. Par ailleurs, le pouvoir semi-conducteur Le marché continue de croître chaque année et le marché mondial des circuits intégrés de commande pour le contrôle des semi-conducteurs de puissance est passé d'environ 140 milliards de yens en 2017 à environ 180 milliards de yens en 2021, et cette tendance devrait se poursuivre à l'avenir (*2).
Actuellement, des dispositifs tels que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) (*3) et les transistors à effet de champ silicium-métal-oxyde-semi-conducteur (Si-mosfet) (*4) sont généralement utilisés pour les semi-conducteurs de puissance. Pour améliorer davantage l'efficacité, il faudra réduire la perte de puissance qui se produit lors de la conversion de puissance, c'est pourquoi le développement de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération avec de faibles caractéristiques de perte, comme le carbure de silicium. MOSFET (SiC-MOSFET) (*5) progresse. Les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération réduiront les pertes de puissance lors de la conversion de puissance, atteindront un rendement élevé et faciliteront la dissipation thermique, permettant ainsi des réductions de taille et de poids. Cependant, lorsque ces appareils sont contrôlés à l’aide de méthodes de circuit conventionnelles, la réduction des pertes de puissance se fait au détriment d’une augmentation du bruit. De plus, les chemins de dissipation thermique se rétrécissent, de sorte que dans le cas peu probable d'un court-circuit ou d'un autre défaut, la température augmentera instantanément, ce qui facilitera la rupture des éléments semi-conducteurs.
Des recherches ont été menées sur les technologies permettant de réduire le bruit dans les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération en améliorant les méthodes de contrôle, mais la flexibilité dans la réduction du bruit a été problématique car la méthode optimale pour le faire diffère selon la tension et l'état actuel de l'élément semi-conducteur de puissance. De plus, les procédés conventionnels nécessitent que les concepteurs de systèmes mettent en œuvre des fonctions de détection de défaut et de protection contre les courts-circuits et similaires via un micro-ordinateur, et le retard inhérent peut endommager l'élément.
Caractéristiques de la technologie
Toshiba a donc résolu ce problème en développant le premier circuit intégré de commande de porte à puce unique hautes performances au monde avec des circuits analogiques et numériques mixtes. Classiquement, la réalisation d'une fonctionnalité élevée comme celle fournie par ce circuit intégré nécessitait des configurations utilisant de nombreux composants semi-conducteurs individuels tels que des convertisseurs de signaux, des mémoires, des circuits de fonctionnement et des circuits amplificateurs. Cependant, le montage de circuits analogiques et numériques ensemble, permet l'utilisation d'un circuit analogique pour détecter la tension et le courant dans les éléments semi-conducteurs de puissance ainsi qu'un circuit numérique pour sélectionner une méthode de contrôle basée sur les résultats de détection, réalisant ainsi un contrôle optimal par un seul puce sans beaucoup de pièces. Le semi-conducteur développé possède également une mémoire pour stocker les méthodes de contrôle, et pendant le contrôle, un circuit d'amélioration de la résolution combinant des circuits numériques à basse vitesse et analogiques à grande vitesse réalise un contrôle précis en utilisant des circuits analogiques uniquement pour les pièces nécessitant un contrôle à grande vitesse.
Toshiba a également développé une technologie de prétraitement de forme d'onde analogique qui extrait uniquement les caractéristiques requises pour le contrôle et la détection des défauts à partir des formes d'onde de tension et de courant à grande vitesse des semi-conducteurs de puissance, permettant la détection des défauts avec un convertisseur analogique-numérique à faible vitesse. convertisseur. Il n'est donc pas nécessaire de passer par un micro-ordinateur, ce qui permet une détection immédiate des courts-circuits et autres défauts.
Ce circuit intégré peut également être réalisé par des technologies de traitement complémentaires métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) (*6) à faible coût qui sont compatibles avec les équipements de fabrication existants. À l'aide de ce circuit intégré, la société a réussi à contrôler un semi-conducteur de puissance SiC-MOSFET de 1.2 kV et à réduire sa surtension, une cause majeure de génération de bruit, de 51 % sans augmentation de la perte de puissance. L'utilisation de méthodes conventionnelles pour une réduction de surtension équivalente augmenterait les pertes lors de l'entraînement du moteur, mais les calculs théoriques montrent clairement que l'utilisation de ce circuit intégré peut réduire les pertes de puissance de 25 %. L'IC a également réussi à détecter l'état de défaut à des vitesses aussi faibles que 2 µs sans utiliser de micro-ordinateur. Ces caractéristiques devraient maximiser les performances des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération.
Figure 2 : Effet de réduction du bruit lors du contrôle d'un semi-conducteur de puissance SiC-MOSFET et résultats de la détection de défauts à grande vitesse.
Développements futurs
Le groupe Toshiba visera une utilisation pratique du circuit intégré développé d'ici 2025. L'électronique de puissance est un marché prioritaire pour le groupe Toshiba, qui continuera à développer des technologies liées à ce circuit intégré. Le groupe favorisera l'application de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération à divers systèmes de conversion de puissance, contribuant ainsi à la réduction des émissions de CO2 émissions grâce à une plus grande efficacité des semi-conducteurs de puissance et à la réalisation d'une société neutre en carbone.
*1 : cette technologie a été présentée au Congrès et exposition de conversion d'énergie IEEE 2021, une conférence internationale IEEE tenue en ligne du 10 au 14 octobre 2021.
*2 : Source :
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
*3 : IGBT : Un bipolaire Transistor avec un MOSFET intégré à la base.
*4 : Si-MOSFET : un type de Transistor mieux adapté aux opérations à faible puissance et à grande vitesse par rapport aux IGBT.
*5 : SiC-MOSFET : un semi-conducteur de puissance utilisant un nouveau matériau, le SiC.
*6 : CMOS : type de circuit semi-conducteur utilisé dans les ordinateurs personnels et de nombreux autres appareils électroniques.
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Toshiba intègre pour la première fois un circuit intégré de pilote hautes performances pour contrôler les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération dans une puce unique
-Le premier circuit intégré mixte analogique-numérique au monde réduit le bruit de 51%, contribuant à la réalisation d'une société neutre en carbone en réduisant la taille et l'efficacité des circuits d'entraînement du moteur et des convertisseurs DC-AC-
29 Octobre, 2021
Toshiba Corporation
Vue d’ensemble
TOKYO─Toshiba Corporation (TOKYO : 6502) a fait la démonstration de la première fabrication réussie au monde de circuits hautes performances avec intégration analogique-numérique sur un circuit intégré (IC) à puce unique pour contrôler les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération (*1). Le circuit intégré développé détecte la tension et l'état actuel des semi-conducteurs de puissance à des vitesses ultra-élevées de 2 µs ou moins, et un contrôle précis réduit le bruit généré par les semi-conducteurs de puissance jusqu'à 51 %. Les calculs théoriques confirment également que la perte de puissance lors de l'entraînement du moteur peut être réduite de 25 % par rapport à une réduction du bruit équivalente par les méthodes conventionnelles. En cas de court-circuit ou autre dysfonctionnement, le semi-conducteur de puissance peut être immédiatement protégé pour éviter de l'endommager.
Il s'agit d'une technologie qui maximise les performances des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération. Il contribuera à la réalisation d'une société neutre en carbone en aidant à la miniaturisation, à un rendement élevé et à une fiabilité élevée des circuits d'entraînement des moteurs et des convertisseurs CC-CA utilisés dans les véhicules électriques, les équipements industriels, les réseaux électriques intelligents, etc.
Contexte du développement
Les semi-conducteurs de puissance contrôlent les tensions et les courants. Ils sont utilisés pour entraîner des moteurs dans de nombreuses applications et pour la conversion de puissance CC-CA. Pour réaliser une société neutre en carbone, il est essentiel d'améliorer l'efficacité et de réduire la taille des semi-conducteurs de puissance et des convertisseurs de puissance. En outre, le marché des semi-conducteurs de puissance continue de se développer chaque année et le marché mondial des circuits intégrés de commande pour le contrôle des semi-conducteurs de puissance est passé d'environ 140 milliards de yens en 2017 à environ 180 milliards de yens en 2021, et cette tendance devrait se poursuivre à l'avenir. (*2).
Actuellement, des dispositifs tels que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) (*3) et les transistors à effet de champ à semi-conducteur métal-oxyde-silicium (Si-MOSFET) (*4) sont généralement utilisés pour les semi-conducteurs de puissance. Pour améliorer encore l'efficacité, il faudra réduire la perte de puissance qui se produit lors de la conversion de puissance, de sorte que le développement de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération avec des caractéristiques de faible perte tels que le MOSFET au carbure de silicium (SiC-MOSFET) (*5) progresse. Les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération réduiront les pertes de puissance lors de la conversion de puissance, atteindront un rendement élevé et faciliteront la dissipation thermique, permettant ainsi des réductions de taille et de poids. Cependant, lorsque ces dispositifs sont contrôlés à l'aide de méthodes de circuit conventionnelles, les réductions de perte de puissance se font au détriment d'une augmentation du bruit. De plus, les chemins de dissipation thermique rétrécissent, donc dans le cas improbable d'un court-circuit ou d'un autre défaut, la température augmentera instantanément, ce qui facilitera la rupture des éléments semi-conducteurs.
Des recherches ont été menées sur les technologies permettant de réduire le bruit dans les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération en améliorant les méthodes de contrôle, mais la flexibilité dans la réduction du bruit a été problématique car la méthode optimale pour le faire diffère selon la tension et l'état actuel de l'élément semi-conducteur de puissance. De plus, les procédés conventionnels nécessitent que les concepteurs de systèmes mettent en œuvre des fonctions de détection de défaut et de protection contre les courts-circuits et similaires via un micro-ordinateur, et le retard inhérent peut endommager l'élément.
Caractéristiques de la technologie
Toshiba a donc résolu ce problème en développant le premier circuit intégré de commande de porte à puce unique hautes performances au monde avec des circuits analogiques et numériques mixtes. Classiquement, la réalisation d'une fonctionnalité élevée comme celle fournie par ce circuit intégré nécessitait des configurations utilisant de nombreux composants semi-conducteurs individuels tels que des convertisseurs de signaux, des mémoires, des circuits de fonctionnement et des circuits amplificateurs. Cependant, le montage de circuits analogiques et numériques ensemble, permet l'utilisation d'un circuit analogique pour détecter la tension et le courant dans les éléments semi-conducteurs de puissance ainsi qu'un circuit numérique pour sélectionner une méthode de contrôle basée sur les résultats de détection, réalisant ainsi un contrôle optimal par un seul puce sans beaucoup de pièces. Le semi-conducteur développé possède également une mémoire pour stocker les méthodes de contrôle, et pendant le contrôle, un circuit d'amélioration de la résolution combinant des circuits numériques à basse vitesse et analogiques à grande vitesse réalise un contrôle précis en utilisant des circuits analogiques uniquement pour les pièces nécessitant un contrôle à grande vitesse.
Toshiba a également développé une technologie de prétraitement de forme d'onde analogique qui extrait uniquement les caractéristiques requises pour le contrôle et la détection des défauts des formes d'onde de tension et de courant à grande vitesse des semi-conducteurs de puissance, permettant la détection des défauts avec un convertisseur analogique-numérique à faible vitesse. Il n'est donc pas nécessaire de passer par un micro-ordinateur, ce qui permet une détection immédiate des courts-circuits et autres défauts.
Ce circuit intégré peut également être réalisé par des technologies de traitement complémentaires métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) (*6) à faible coût qui sont compatibles avec les équipements de fabrication existants. À l'aide de ce circuit intégré, la société a réussi à contrôler un semi-conducteur de puissance SiC-MOSFET de 1.2 kV et à réduire sa surtension, une cause majeure de génération de bruit, de 51 % sans augmentation de la perte de puissance. L'utilisation de méthodes conventionnelles pour une réduction de surtension équivalente augmenterait les pertes lors de l'entraînement du moteur, mais les calculs théoriques montrent clairement que l'utilisation de ce circuit intégré peut réduire les pertes de puissance de 25 %. L'IC a également réussi à détecter l'état de défaut à des vitesses aussi faibles que 2 µs sans utiliser de micro-ordinateur. Ces caractéristiques devraient maximiser les performances des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération.
Figure 2 : Effet de réduction du bruit lors du contrôle d'un semi-conducteur de puissance SiC-MOSFET et résultats de la détection de défauts à grande vitesse.
Développements futurs
Le groupe Toshiba visera une utilisation pratique du circuit intégré développé d'ici 2025. L'électronique de puissance est un marché prioritaire pour le groupe Toshiba, qui continuera à développer des technologies liées à ce circuit intégré. Le groupe favorisera l'application de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération à divers systèmes de conversion de puissance, contribuant ainsi à la réduction des émissions de CO2 émissions grâce à une plus grande efficacité des semi-conducteurs de puissance et à la réalisation d'une société neutre en carbone.
*1 : cette technologie a été présentée au Congrès et exposition de conversion d'énergie IEEE 2021, une conférence internationale IEEE tenue en ligne du 10 au 14 octobre 2021.
*2 : Source :
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
*3 : IGBT : un transistor bipolaire avec un MOSFET intégré à la base.
*4 : Si-MOSFET : un type de transistor mieux adapté aux opérations à faible puissance et à grande vitesse par rapport aux IGBT.
*5 : SiC-MOSFET : un semi-conducteur de puissance utilisant un nouveau matériau, le SiC.
*6 : CMOS : type de circuit semi-conducteur utilisé dans les ordinateurs personnels et de nombreux autres appareils électroniques.
Vue d’ensemble
TOKYO─Toshiba Corporation (TOKYO : 6502) a fait la démonstration de la première fabrication réussie au monde de circuits hautes performances avec intégration analogique-numérique sur un circuit intégré (IC) à puce unique pour contrôler les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération (*1). Le circuit intégré développé détecte la tension et l'état actuel des semi-conducteurs de puissance à des vitesses ultra-élevées de 2 µs ou moins, et un contrôle précis réduit le bruit généré par les semi-conducteurs de puissance jusqu'à 51 %. Les calculs théoriques confirment également que la perte de puissance lors de l'entraînement du moteur peut être réduite de 25 % par rapport à une réduction du bruit équivalente par les méthodes conventionnelles. En cas de court-circuit ou autre dysfonctionnement, le semi-conducteur de puissance peut être immédiatement protégé pour éviter de l'endommager.
Il s'agit d'une technologie qui maximise les performances des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération. Il contribuera à la réalisation d'une société neutre en carbone en aidant à la miniaturisation, à un rendement élevé et à une fiabilité élevée des circuits d'entraînement des moteurs et des convertisseurs CC-CA utilisés dans les véhicules électriques, les équipements industriels, les réseaux électriques intelligents, etc.
Contexte du développement
Les semi-conducteurs de puissance contrôlent les tensions et les courants. Ils sont utilisés pour entraîner des moteurs dans de nombreuses applications et pour la conversion de puissance CC-CA. Pour réaliser une société neutre en carbone, il est essentiel d'améliorer l'efficacité et de réduire la taille des semi-conducteurs de puissance et des convertisseurs de puissance. En outre, le marché des semi-conducteurs de puissance continue de se développer chaque année et le marché mondial des circuits intégrés de commande pour le contrôle des semi-conducteurs de puissance est passé d'environ 140 milliards de yens en 2017 à environ 180 milliards de yens en 2021, et cette tendance devrait se poursuivre à l'avenir. (*2).
Actuellement, des dispositifs tels que les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) (*3) et les transistors à effet de champ à semi-conducteur métal-oxyde-silicium (Si-MOSFET) (*4) sont généralement utilisés pour les semi-conducteurs de puissance. Pour améliorer encore l'efficacité, il faudra réduire la perte de puissance qui se produit lors de la conversion de puissance, de sorte que le développement de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération avec des caractéristiques de faible perte tels que le MOSFET au carbure de silicium (SiC-MOSFET) (*5) progresse. Les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération réduiront les pertes de puissance lors de la conversion de puissance, atteindront un rendement élevé et faciliteront la dissipation thermique, permettant ainsi des réductions de taille et de poids. Cependant, lorsque ces dispositifs sont contrôlés à l'aide de méthodes de circuit conventionnelles, les réductions de perte de puissance se font au détriment d'une augmentation du bruit. De plus, les chemins de dissipation thermique rétrécissent, donc dans le cas improbable d'un court-circuit ou d'un autre défaut, la température augmentera instantanément, ce qui facilitera la rupture des éléments semi-conducteurs.
Des recherches ont été menées sur les technologies permettant de réduire le bruit dans les semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération en améliorant les méthodes de contrôle, mais la flexibilité dans la réduction du bruit a été problématique car la méthode optimale pour le faire diffère selon la tension et l'état actuel de l'élément semi-conducteur de puissance. De plus, les procédés conventionnels nécessitent que les concepteurs de systèmes mettent en œuvre des fonctions de détection de défaut et de protection contre les courts-circuits et similaires via un micro-ordinateur, et le retard inhérent peut endommager l'élément.
Caractéristiques de la technologie
Toshiba a donc résolu ce problème en développant le premier circuit intégré de commande de porte à puce unique hautes performances au monde avec des circuits analogiques et numériques mixtes. Classiquement, la réalisation d'une fonctionnalité élevée comme celle fournie par ce circuit intégré nécessitait des configurations utilisant de nombreux composants semi-conducteurs individuels tels que des convertisseurs de signaux, des mémoires, des circuits de fonctionnement et des circuits amplificateurs. Cependant, le montage de circuits analogiques et numériques ensemble, permet l'utilisation d'un circuit analogique pour détecter la tension et le courant dans les éléments semi-conducteurs de puissance ainsi qu'un circuit numérique pour sélectionner une méthode de contrôle basée sur les résultats de détection, réalisant ainsi un contrôle optimal par un seul puce sans beaucoup de pièces. Le semi-conducteur développé possède également une mémoire pour stocker les méthodes de contrôle, et pendant le contrôle, un circuit d'amélioration de la résolution combinant des circuits numériques à basse vitesse et analogiques à grande vitesse réalise un contrôle précis en utilisant des circuits analogiques uniquement pour les pièces nécessitant un contrôle à grande vitesse.
Toshiba a également développé une technologie de prétraitement de forme d'onde analogique qui extrait uniquement les caractéristiques requises pour le contrôle et la détection des défauts des formes d'onde de tension et de courant à grande vitesse des semi-conducteurs de puissance, permettant la détection des défauts avec un convertisseur analogique-numérique à faible vitesse. Il n'est donc pas nécessaire de passer par un micro-ordinateur, ce qui permet une détection immédiate des courts-circuits et autres défauts.
Ce circuit intégré peut également être réalisé par des technologies de traitement complémentaires métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) (*6) à faible coût qui sont compatibles avec les équipements de fabrication existants. À l'aide de ce circuit intégré, la société a réussi à contrôler un semi-conducteur de puissance SiC-MOSFET de 1.2 kV et à réduire sa surtension, une cause majeure de génération de bruit, de 51 % sans augmentation de la perte de puissance. L'utilisation de méthodes conventionnelles pour une réduction de surtension équivalente augmenterait les pertes lors de l'entraînement du moteur, mais les calculs théoriques montrent clairement que l'utilisation de ce circuit intégré peut réduire les pertes de puissance de 25 %. L'IC a également réussi à détecter l'état de défaut à des vitesses aussi faibles que 2 µs sans utiliser de micro-ordinateur. Ces caractéristiques devraient maximiser les performances des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération.
Figure 2 : Effet de réduction du bruit lors du contrôle d'un semi-conducteur de puissance SiC-MOSFET et résultats de la détection de défauts à grande vitesse.
Développements futurs
Le groupe Toshiba visera une utilisation pratique du circuit intégré développé d'ici 2025. L'électronique de puissance est un marché prioritaire pour le groupe Toshiba, qui continuera à développer des technologies liées à ce circuit intégré. Le groupe favorisera l'application de semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération à divers systèmes de conversion de puissance, contribuant ainsi à la réduction des émissions de CO2 émissions grâce à une plus grande efficacité des semi-conducteurs de puissance et à la réalisation d'une société neutre en carbone.
*1 : cette technologie a été présentée au Congrès et exposition de conversion d'énergie IEEE 2021, une conférence internationale IEEE tenue en ligne du 10 au 14 octobre 2021.
*2 : Source :
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
*3 : IGBT : un transistor bipolaire avec un MOSFET intégré à la base.
*4 : Si-MOSFET : un type de transistor mieux adapté aux opérations à faible puissance et à grande vitesse par rapport aux IGBT.
*5 : SiC-MOSFET : un semi-conducteur de puissance utilisant un nouveau matériau, le SiC.
*6 : CMOS : type de circuit semi-conducteur utilisé dans les ordinateurs personnels et de nombreux autres appareils électroniques.