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Toshiba integra per la prima volta un driver IC ad alte prestazioni per il controllo di semiconduttori di potenza di nuova generazione in un singolo chip
-Il primo IC misto analogico-digitale al mondo riduce il rumore del 51%, contribuendo alla realizzazione di una società a emissioni zero riducendo le dimensioni e l'efficienza dei circuiti di azionamento del motore e dei convertitori DC-AC-
29 ottobre, 2021
Toshiba Corporation
Panoramica
TOKYO─Toshiba Corporation (TOKYO: 6502) ha dimostrato la prima fabbricazione di successo al mondo di circuiti ad alte prestazioni con integrazione analogico-digitale su un singolo chip driver integrato circuito (IC) per il controllo di semiconduttori di potenza di nuova generazione (*1). L'IC sviluppato rileva il voltaggio e lo stato attuale dei semiconduttori di potenza a velocità ultraelevate di 2 µs o meno e il controllo fine riduce il rumore generato dai semiconduttori di potenza fino al 51%. I calcoli teorici confermano anche che la perdita di potenza durante l'azionamento del motore può essere ridotta del 25% rispetto alla riduzione del rumore equivalente con metodi convenzionali. In caso di cortocircuito o altro malfunzionamento, l'alimentazione Semiconduttore può essere immediatamente protetto per evitare danni ad esso.
Questo è la tecnologia che massimizza le prestazioni dei semiconduttori di potenza di prossima generazione. Contribuirà alla realizzazione di una società a zero emissioni di carbonio favorendo la miniaturizzazione, l’alta efficienza e l’elevata affidabilità dei circuiti di azionamento dei motori e dei convertitori CC-CA utilizzati nei veicoli elettrici, nelle apparecchiature industriali, nelle reti elettriche intelligenti e così via.
Contesto dello sviluppo
I semiconduttori di potenza controllano tensioni e correnti. Sono utilizzati per azionare motori in molte applicazioni e per la conversione di potenza CC-CA. Per realizzare una società a zero emissioni di carbonio, è fondamentale migliorare l’efficienza e ridurre le dimensioni dei semiconduttori e dei convertitori di potenza. Inoltre, il potere semiconduttore il mercato continua ad espandersi ogni anno e il mercato globale dei circuiti integrati driver per il controllo dei semiconduttori di potenza è cresciuto da circa 140 miliardi di yen nel 2017 a circa 180 miliardi di yen nel 2021 e si prevede che questa tendenza continui in futuro (*2).
Attualmente, dispositivi come i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) (*3) e transistor ad effetto di campo semiconduttore-ossido-metallo di silicio (Si-mosfet) (*4) sono tipicamente utilizzati per i semiconduttori di potenza. Un ulteriore miglioramento dell’efficienza richiederà la riduzione della perdita di potenza che si verifica durante la conversione di potenza, quindi lo sviluppo di semiconduttori di potenza di prossima generazione con caratteristiche di bassa perdita come il carburo di silicio MOSFET (SiC-MOSFET) (*5) sta procedendo. I semiconduttori di potenza di prossima generazione ridurranno la perdita di potenza nella conversione di potenza, raggiungeranno un’elevata efficienza e faciliteranno la dissipazione del calore, consentendo così riduzioni sia di dimensioni che di peso. Tuttavia, quando questi dispositivi vengono controllati utilizzando metodi circuitali convenzionali, le riduzioni della perdita di potenza vanno a scapito di un aumento del rumore. Inoltre, i percorsi di dissipazione del calore si restringono, quindi nell'improbabile caso di un cortocircuito o di un altro guasto, la temperatura aumenterà istantaneamente, facilitando la rottura degli elementi semiconduttori.
Sono state condotte ricerche sulle tecnologie per ridurre il rumore nei semiconduttori di potenza di prossima generazione migliorando i metodi di controllo, ma la flessibilità nella riduzione del rumore è stata problematica perché il metodo ottimale per farlo differisce in base alla tensione e allo stato attuale dell'elemento a semiconduttore di potenza. Inoltre, i metodi convenzionali richiedono che i progettisti di sistema implementino funzioni di rilevamento dei guasti e protezione per cortocircuiti e simili tramite un microcomputer e il ritardo intrinseco può causare danni all'elemento.
Caratteristiche della tecnologia
Toshiba ha quindi affrontato questo problema sviluppando il primo IC gate driver a chip singolo ad alte prestazioni al mondo con circuiti misti analogici e digitali. Convenzionalmente, la realizzazione di funzionalità elevate come quella fornita da questo circuito integrato richiedeva configurazioni che utilizzassero molti singoli componenti a semiconduttore come convertitori di segnale, memorie, circuiti operativi e circuiti amplificatori. Tuttavia, il montaggio di circuiti analogici e digitali insieme, consente l'uso di un circuito analogico per rilevare la tensione e la corrente negli elementi a semiconduttore di potenza, nonché un circuito digitale per selezionare un metodo di controllo basato sui risultati del rilevamento, realizzando così un controllo ottimale da parte di un singolo chip senza molte parti. Il semiconduttore sviluppato dispone anche di memoria per memorizzare metodi di controllo e, durante il controllo, un circuito di miglioramento della risoluzione che combina circuiti digitali a bassa velocità e analogici ad alta velocità realizza un controllo appropriato utilizzando circuiti analogici solo per quelle parti che richiedono un controllo ad alta velocità.
Toshiba ha inoltre sviluppato una tecnologia di preelaborazione della forma d'onda analogica che estrae solo le funzionalità necessarie per il controllo e il rilevamento dei guasti dalle forme d'onda ad alta velocità di tensione e corrente dei semiconduttori di potenza, consentendo il rilevamento dei guasti con un segnale analogico-digitale a bassa velocità. convertitore. Non è quindi necessario passare attraverso un microcomputer, consentendo il rilevamento immediato di cortocircuiti e altri guasti.
Questo circuito integrato può essere realizzato anche mediante tecnologie di processo complementari metallo-ossido-semiconduttore (CMOS) (*6) a basso costo compatibili con le apparecchiature di fabbricazione esistenti. Utilizzando questo circuito integrato, l'azienda è riuscita a controllare un semiconduttore di potenza SiC-MOSFET da 1.2 kV e a ridurre del 51% la sua sovratensione, una delle principali cause di generazione di rumore, senza alcun aumento della perdita di potenza. L'utilizzo di metodi convenzionali per una riduzione dei picchi equivalente aumenterebbe la perdita durante l'azionamento del motore, ma i calcoli teorici mostrano chiaramente che l'utilizzo di questo circuito integrato può ridurre la perdita di potenza del 25%. L'IC è anche riuscito a rilevare lo stato di guasto a velocità di appena 2 µs senza l'utilizzo di un microcomputer. Queste caratteristiche dovrebbero massimizzare le prestazioni dei semiconduttori di potenza di prossima generazione.
Figura 2: Effetto di riduzione del rumore durante il controllo di un semiconduttore di potenza SiC-MOSFET e risultati del rilevamento dei guasti ad alta velocità.
sviluppi futuri
Il Gruppo Toshiba mirerà all'uso pratico dell'IC sviluppato entro il 2025. L'elettronica di potenza è un mercato di interesse per il Gruppo Toshiba, che continuerà a sviluppare tecnologie relative a questo IC. Il gruppo promuoverà l'applicazione di semiconduttori di potenza di nuova generazione a vari sistemi di conversione di potenza, contribuendo così alla riduzione delle emissioni di CO2 emissioni attraverso una maggiore efficienza dei semiconduttori di potenza e la realizzazione di una società a emissioni zero.
*1: Questa tecnologia è stata presentata al 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, una conferenza internazionale IEEE tenutasi online dal 10 al 14 ottobre 2021.
*2: Fonte:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
*3: IGBT: un bipolare Transistor con un MOSFET integrato nella base.
*4: Si-MOSFET: un tipo di Transistor più adatto alle operazioni a bassa potenza e ad alta velocità rispetto agli IGBT.
*5: SiC-MOSFET: un semiconduttore di potenza che utilizza un nuovo materiale, SiC.
*6: CMOS: un tipo di circuito a semiconduttore utilizzato nei personal computer e in molti altri dispositivi elettronici.
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Toshiba integra per la prima volta un driver IC ad alte prestazioni per il controllo di semiconduttori di potenza di nuova generazione in un singolo chip
-Il primo IC misto analogico-digitale al mondo riduce il rumore del 51%, contribuendo alla realizzazione di una società a emissioni zero riducendo le dimensioni e l'efficienza dei circuiti di azionamento del motore e dei convertitori DC-AC-
29 ottobre, 2021
Toshiba Corporation
Panoramica
TOKYO─Toshiba Corporation (TOKYO: 6502) ha dimostrato la prima fabbricazione al mondo di successo di circuiti ad alte prestazioni con integrazione analogico-digitale su un circuito integrato (IC) driver a singolo chip per il controllo di semiconduttori di potenza di nuova generazione (*1). L'IC sviluppato rileva lo stato di tensione e corrente dei semiconduttori di potenza a velocità ultraelevate di 2 µs o meno e il controllo fine riduce il rumore generato dai semiconduttori di potenza fino al 51%. I calcoli teorici confermano anche che la perdita di potenza durante l'azionamento del motore può essere ridotta del 25% rispetto alla riduzione del rumore equivalente con metodi convenzionali. In caso di cortocircuito o altro malfunzionamento, il semiconduttore di potenza può essere immediatamente protetto per evitare danni allo stesso.
Questa è una tecnologia che massimizza le prestazioni dei semiconduttori di potenza di prossima generazione. Contribuirà alla realizzazione di una società a emissioni zero assistendo nella miniaturizzazione, nell'alta efficienza e nell'elevata affidabilità dei circuiti di azionamento del motore e dei convertitori CC-CA utilizzati nei veicoli elettrici, nelle apparecchiature industriali, nelle reti elettriche intelligenti e così via.
Contesto dello sviluppo
I semiconduttori di potenza controllano tensioni e correnti. Sono utilizzati per azionare i motori in molte applicazioni e per la conversione dell'alimentazione CC-CA. Per realizzare una società a emissioni zero, è fondamentale migliorare l'efficienza e ridurre le dimensioni dei semiconduttori di potenza e dei convertitori di potenza. Inoltre, il mercato dei semiconduttori di potenza continua ad espandersi ogni anno e il mercato globale dei driver IC per il controllo dei semiconduttori di potenza è cresciuto da circa 140 miliardi di yen nel 2017 a circa 180 miliardi di yen nel 2021 e si prevede che questa tendenza continuerà in futuro. (*2).
Attualmente, dispositivi come i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) (*3) e i transistor ad effetto di campo a silicio metallo-ossido-semiconduttore (Si-MOSFET) (*4) sono generalmente utilizzati per i semiconduttori di potenza. L'ulteriore miglioramento dell'efficienza richiederà la riduzione della perdita di potenza che si verifica durante la conversione di potenza, quindi lo sviluppo di semiconduttori di potenza di prossima generazione con caratteristiche di bassa perdita come MOSFET al carburo di silicio (SiC-MOSFET) (*5) sta progredendo. I semiconduttori di potenza di nuova generazione ridurranno la perdita di potenza nella conversione di potenza, raggiungeranno un'elevata efficienza e faciliteranno la dissipazione del calore, consentendo così riduzioni sia delle dimensioni che del peso. Tuttavia, quando questi dispositivi sono controllati utilizzando metodi circuitali convenzionali, la riduzione della perdita di potenza avviene a spese di un aumento del rumore. Inoltre, i percorsi di dissipazione del calore si restringono, quindi nell'improbabile eventualità di un cortocircuito o di un altro guasto, la temperatura aumenterà istantaneamente, facilitando la rottura degli elementi a semiconduttore.
Sono state condotte ricerche sulle tecnologie per ridurre il rumore nei semiconduttori di potenza di prossima generazione migliorando i metodi di controllo, ma la flessibilità nella riduzione del rumore è stata problematica perché il metodo ottimale per farlo differisce in base alla tensione e allo stato attuale dell'elemento a semiconduttore di potenza. Inoltre, i metodi convenzionali richiedono che i progettisti di sistema implementino funzioni di rilevamento dei guasti e protezione per cortocircuiti e simili tramite un microcomputer e il ritardo intrinseco può causare danni all'elemento.
Caratteristiche della tecnologia
Toshiba ha quindi affrontato questo problema sviluppando il primo IC gate driver a chip singolo ad alte prestazioni al mondo con circuiti misti analogici e digitali. Convenzionalmente, la realizzazione di funzionalità elevate come quella fornita da questo circuito integrato richiedeva configurazioni che utilizzassero molti singoli componenti a semiconduttore come convertitori di segnale, memorie, circuiti operativi e circuiti amplificatori. Tuttavia, il montaggio di circuiti analogici e digitali insieme, consente l'uso di un circuito analogico per rilevare la tensione e la corrente negli elementi a semiconduttore di potenza, nonché un circuito digitale per selezionare un metodo di controllo basato sui risultati del rilevamento, realizzando così un controllo ottimale da parte di un singolo chip senza molte parti. Il semiconduttore sviluppato dispone anche di memoria per memorizzare metodi di controllo e, durante il controllo, un circuito di miglioramento della risoluzione che combina circuiti digitali a bassa velocità e analogici ad alta velocità realizza un controllo appropriato utilizzando circuiti analogici solo per quelle parti che richiedono un controllo ad alta velocità.
Toshiba ha inoltre sviluppato una tecnologia di pre-elaborazione della forma d'onda analogica che estrae solo le funzionalità necessarie per il controllo e il rilevamento dei guasti dalle forme d'onda ad alta velocità di tensione e corrente dei semiconduttori di potenza, consentendo il rilevamento dei guasti con un convertitore analogico-digitale a bassa velocità. Non è quindi necessario passare attraverso un microcomputer, consentendo il rilevamento immediato di cortocircuiti e altri guasti.
Questo circuito integrato può essere realizzato anche mediante tecnologie di processo complementari metallo-ossido-semiconduttore (CMOS) (*6) a basso costo compatibili con le apparecchiature di fabbricazione esistenti. Utilizzando questo circuito integrato, l'azienda è riuscita a controllare un semiconduttore di potenza SiC-MOSFET da 1.2 kV e a ridurre del 51% la sua sovratensione, una delle principali cause di generazione di rumore, senza alcun aumento della perdita di potenza. L'utilizzo di metodi convenzionali per una riduzione dei picchi equivalente aumenterebbe la perdita durante l'azionamento del motore, ma i calcoli teorici mostrano chiaramente che l'utilizzo di questo circuito integrato può ridurre la perdita di potenza del 25%. L'IC è anche riuscito a rilevare lo stato di guasto a velocità di appena 2 µs senza l'utilizzo di un microcomputer. Queste caratteristiche dovrebbero massimizzare le prestazioni dei semiconduttori di potenza di prossima generazione.
Figura 2: Effetto di riduzione del rumore durante il controllo di un semiconduttore di potenza SiC-MOSFET e risultati del rilevamento dei guasti ad alta velocità.
sviluppi futuri
Il Gruppo Toshiba mirerà all'uso pratico dell'IC sviluppato entro il 2025. L'elettronica di potenza è un mercato di interesse per il Gruppo Toshiba, che continuerà a sviluppare tecnologie relative a questo IC. Il gruppo promuoverà l'applicazione di semiconduttori di potenza di nuova generazione a vari sistemi di conversione di potenza, contribuendo così alla riduzione delle emissioni di CO2 emissioni attraverso una maggiore efficienza dei semiconduttori di potenza e la realizzazione di una società a emissioni zero.
*1: Questa tecnologia è stata presentata al 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, una conferenza internazionale IEEE tenutasi online dal 10 al 14 ottobre 2021.
*2: Fonte:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
*3: IGBT: un transistor bipolare con un MOSFET integrato nella base.
*4: Si-MOSFET: un tipo di transistor più adatto alle operazioni a bassa potenza e alta velocità rispetto agli IGBT.
*5: SiC-MOSFET: un semiconduttore di potenza che utilizza un nuovo materiale, SiC.
*6: CMOS: un tipo di circuito a semiconduttore utilizzato nei personal computer e in molti altri dispositivi elettronici.
Panoramica
TOKYO─Toshiba Corporation (TOKYO: 6502) ha dimostrato la prima fabbricazione al mondo di successo di circuiti ad alte prestazioni con integrazione analogico-digitale su un circuito integrato (IC) driver a singolo chip per il controllo di semiconduttori di potenza di nuova generazione (*1). L'IC sviluppato rileva lo stato di tensione e corrente dei semiconduttori di potenza a velocità ultraelevate di 2 µs o meno e il controllo fine riduce il rumore generato dai semiconduttori di potenza fino al 51%. I calcoli teorici confermano anche che la perdita di potenza durante l'azionamento del motore può essere ridotta del 25% rispetto alla riduzione del rumore equivalente con metodi convenzionali. In caso di cortocircuito o altro malfunzionamento, il semiconduttore di potenza può essere immediatamente protetto per evitare danni allo stesso.
Questa è una tecnologia che massimizza le prestazioni dei semiconduttori di potenza di prossima generazione. Contribuirà alla realizzazione di una società a emissioni zero assistendo nella miniaturizzazione, nell'alta efficienza e nell'elevata affidabilità dei circuiti di azionamento del motore e dei convertitori CC-CA utilizzati nei veicoli elettrici, nelle apparecchiature industriali, nelle reti elettriche intelligenti e così via.
Contesto dello sviluppo
I semiconduttori di potenza controllano tensioni e correnti. Sono utilizzati per azionare i motori in molte applicazioni e per la conversione dell'alimentazione CC-CA. Per realizzare una società a emissioni zero, è fondamentale migliorare l'efficienza e ridurre le dimensioni dei semiconduttori di potenza e dei convertitori di potenza. Inoltre, il mercato dei semiconduttori di potenza continua ad espandersi ogni anno e il mercato globale dei driver IC per il controllo dei semiconduttori di potenza è cresciuto da circa 140 miliardi di yen nel 2017 a circa 180 miliardi di yen nel 2021 e si prevede che questa tendenza continuerà in futuro. (*2).
Attualmente, dispositivi come i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) (*3) e i transistor ad effetto di campo a silicio metallo-ossido-semiconduttore (Si-MOSFET) (*4) sono generalmente utilizzati per i semiconduttori di potenza. L'ulteriore miglioramento dell'efficienza richiederà la riduzione della perdita di potenza che si verifica durante la conversione di potenza, quindi lo sviluppo di semiconduttori di potenza di prossima generazione con caratteristiche di bassa perdita come MOSFET al carburo di silicio (SiC-MOSFET) (*5) sta progredendo. I semiconduttori di potenza di nuova generazione ridurranno la perdita di potenza nella conversione di potenza, raggiungeranno un'elevata efficienza e faciliteranno la dissipazione del calore, consentendo così riduzioni sia delle dimensioni che del peso. Tuttavia, quando questi dispositivi sono controllati utilizzando metodi circuitali convenzionali, la riduzione della perdita di potenza avviene a spese di un aumento del rumore. Inoltre, i percorsi di dissipazione del calore si restringono, quindi nell'improbabile eventualità di un cortocircuito o di un altro guasto, la temperatura aumenterà istantaneamente, facilitando la rottura degli elementi a semiconduttore.
Sono state condotte ricerche sulle tecnologie per ridurre il rumore nei semiconduttori di potenza di prossima generazione migliorando i metodi di controllo, ma la flessibilità nella riduzione del rumore è stata problematica perché il metodo ottimale per farlo differisce in base alla tensione e allo stato attuale dell'elemento a semiconduttore di potenza. Inoltre, i metodi convenzionali richiedono che i progettisti di sistema implementino funzioni di rilevamento dei guasti e protezione per cortocircuiti e simili tramite un microcomputer e il ritardo intrinseco può causare danni all'elemento.
Caratteristiche della tecnologia
Toshiba ha quindi affrontato questo problema sviluppando il primo IC gate driver a chip singolo ad alte prestazioni al mondo con circuiti misti analogici e digitali. Convenzionalmente, la realizzazione di funzionalità elevate come quella fornita da questo circuito integrato richiedeva configurazioni che utilizzassero molti singoli componenti a semiconduttore come convertitori di segnale, memorie, circuiti operativi e circuiti amplificatori. Tuttavia, il montaggio di circuiti analogici e digitali insieme, consente l'uso di un circuito analogico per rilevare la tensione e la corrente negli elementi a semiconduttore di potenza, nonché un circuito digitale per selezionare un metodo di controllo basato sui risultati del rilevamento, realizzando così un controllo ottimale da parte di un singolo chip senza molte parti. Il semiconduttore sviluppato dispone anche di memoria per memorizzare metodi di controllo e, durante il controllo, un circuito di miglioramento della risoluzione che combina circuiti digitali a bassa velocità e analogici ad alta velocità realizza un controllo appropriato utilizzando circuiti analogici solo per quelle parti che richiedono un controllo ad alta velocità.
Toshiba ha inoltre sviluppato una tecnologia di pre-elaborazione della forma d'onda analogica che estrae solo le funzionalità necessarie per il controllo e il rilevamento dei guasti dalle forme d'onda ad alta velocità di tensione e corrente dei semiconduttori di potenza, consentendo il rilevamento dei guasti con un convertitore analogico-digitale a bassa velocità. Non è quindi necessario passare attraverso un microcomputer, consentendo il rilevamento immediato di cortocircuiti e altri guasti.
Questo circuito integrato può essere realizzato anche mediante tecnologie di processo complementari metallo-ossido-semiconduttore (CMOS) (*6) a basso costo compatibili con le apparecchiature di fabbricazione esistenti. Utilizzando questo circuito integrato, l'azienda è riuscita a controllare un semiconduttore di potenza SiC-MOSFET da 1.2 kV e a ridurre del 51% la sua sovratensione, una delle principali cause di generazione di rumore, senza alcun aumento della perdita di potenza. L'utilizzo di metodi convenzionali per una riduzione dei picchi equivalente aumenterebbe la perdita durante l'azionamento del motore, ma i calcoli teorici mostrano chiaramente che l'utilizzo di questo circuito integrato può ridurre la perdita di potenza del 25%. L'IC è anche riuscito a rilevare lo stato di guasto a velocità di appena 2 µs senza l'utilizzo di un microcomputer. Queste caratteristiche dovrebbero massimizzare le prestazioni dei semiconduttori di potenza di prossima generazione.
Figura 2: Effetto di riduzione del rumore durante il controllo di un semiconduttore di potenza SiC-MOSFET e risultati del rilevamento dei guasti ad alta velocità.
sviluppi futuri
Il Gruppo Toshiba mirerà all'uso pratico dell'IC sviluppato entro il 2025. L'elettronica di potenza è un mercato di interesse per il Gruppo Toshiba, che continuerà a sviluppare tecnologie relative a questo IC. Il gruppo promuoverà l'applicazione di semiconduttori di potenza di nuova generazione a vari sistemi di conversione di potenza, contribuendo così alla riduzione delle emissioni di CO2 emissioni attraverso una maggiore efficienza dei semiconduttori di potenza e la realizzazione di una società a emissioni zero.
*1: Questa tecnologia è stata presentata al 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, una conferenza internazionale IEEE tenutasi online dal 10 al 14 ottobre 2021.
*2: Fonte:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
*3: IGBT: un transistor bipolare con un MOSFET integrato nella base.
*4: Si-MOSFET: un tipo di transistor più adatto alle operazioni a bassa potenza e alta velocità rispetto agli IGBT.
*5: SiC-MOSFET: un semiconduttore di potenza che utilizza un nuovo materiale, SiC.
*6: CMOS: un tipo di circuito a semiconduttore utilizzato nei personal computer e in molti altri dispositivi elettronici.