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도시바, 차세대 전력 반도체 제어를 위한 고성능 드라이버 IC를 단일 칩에 최초로 통합
-세계 최초의 아날로그-디지털 혼합 IC는 소음을 51% 감소시켜 모터 구동 회로 및 DC-AC 컨버터의 크기와 효율을 줄여 탄소 중립 사회 실현에 기여합니다.-
29 년 10 월 2021
Toshiba Corporation
살펴보기
TOKYO─Toshiba Corporation(TOKYO: 6502)은 통합된 단일 칩 드라이버에 아날로그-디지털을 통합한 고성능 회로를 세계 최초로 성공적으로 제작했습니다. 회로 (IC) 차세대 전력 반도체 제어용(*1). 개발된 IC는 전압 2μs 이하의 초고속으로 전력반도체의 현황을 파악하고, 미세한 제어로 전력반도체에서 발생하는 노이즈를 최대 51%까지 감소시킵니다. 또한 이론적 계산을 통해 모터 구동 시 전력 손실을 기존 방법에 의한 등가 소음 감소와 비교하여 25%까지 줄일 수 있음이 확인되었습니다. 단락이나 기타 오작동이 발생한 경우 전원이 반도체 손상을 방지하기 위해 즉시 보호할 수 있습니다.
이것은 technology 차세대 전력반도체의 성능을 극대화한 제품입니다. 전기자동차, 산업기기, 스마트 전력망 등에 사용되는 모터 구동 회로와 DC-AC 컨버터의 소형화, 고효율, 고신뢰성을 지원하여 탄소중립 사회 실현에 기여하겠습니다.
개발 배경
전력 반도체는 전압과 전류를 제어합니다. 이는 다양한 응용 분야에서 모터를 구동하고 DC-AC 전력 변환에 사용됩니다. 탄소중립 사회를 실현하기 위해서는 전력반도체와 전력변환기의 효율을 높이고 크기를 줄이는 것이 중요하다. 더욱이, 힘 반도체 시장은 매년 계속 확대되고 있으며, 전력 반도체 제어용 드라이버 IC의 세계 시장 규모는 140년 약 2017억 엔에서 180년 약 2021억 엔으로 성장했으며, 이러한 추세는 앞으로도 계속될 것으로 예상됩니다(*2).
현재 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 같은 장치(IGBT) (*3) 및 실리콘 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(Si-이끼) (*4)는 일반적으로 전력 반도체에 사용됩니다. 효율을 더욱 높이려면 전력 변환 시 발생하는 전력 손실을 줄여야 하므로 탄화규소 등 저손실 특성을 지닌 차세대 전력반도체 개발이 필요하다. MOSFET (SiC-MOSFET)(*5)가 진행 중입니다. 차세대 전력반도체는 전력 변환 시 전력 손실을 줄이고, 고효율을 구현하며, 방열을 촉진해 크기와 무게를 모두 줄일 수 있는 기술이다. 그러나 이러한 장치를 기존 회로 방법을 사용하여 제어하면 잡음이 증가하는 대신 전력 손실이 줄어듭니다. 또한 방열 경로가 줄어들기 때문에 합선이나 기타 결함이 발생하더라도 온도가 즉시 상승하여 반도체 소자가 파손되기 쉽습니다.
제어방식을 개선하여 차세대 전력반도체의 노이즈를 저감하는 기술에 대한 연구가 진행되어 왔지만, 전력반도체 소자의 전압 및 전류 상태에 따라 최적의 노이즈 저감 방법이 다르기 때문에 노이즈 저감의 유연성이 문제가 되어왔다. 또한, 기존 방식에서는 시스템 설계자가 결함 검출 및 단락 등에 대한 보호 기능을 마이크로컴퓨터를 통해 구현해야 하며, 고유한 지연으로 인해 소자가 손상될 수 있습니다.
기술의 특징
Toshiba는 아날로그와 디지털 회로가 혼합된 세계 최초의 고성능 단일 칩 게이트 드라이버 IC를 개발하여 이 문제를 해결했습니다. 기존에는 이 IC가 제공하는 것과 같은 높은 기능을 실현하려면 신호 변환기, 메모리, 연산 회로, 증폭기 회로 등 개별 반도체 부품을 많이 사용하는 구성이 필요했습니다. 그러나 아날로그 회로와 디지털 회로를 함께 실장하면 아날로그 회로를 사용하여 전력 반도체 소자의 전압과 전류를 감지하고, 디지털 회로를 사용하여 감지 결과에 따라 제어 방법을 선택할 수 있으므로 단일 장치로 최적의 제어를 실현할 수 있습니다. 부품이 많지 않은 칩. 개발된 반도체에는 제어 방식을 저장하는 메모리도 내장돼 있으며, 제어 시 저속 디지털과 고속 아날로그 회로를 결합한 해상도 향상 회로가 고속 제어가 필요한 부분에만 아날로그 회로를 사용함으로써 적절한 미세 제어를 구현한다.
또한 도시바는 전력 반도체의 고속 전압 및 전류 파형에서 제어 및 오류 감지에 필요한 기능만 추출하는 아날로그 파형 전처리 기술을 개발하여 저속 아날로그-디지털 신호로 오류 감지가 가능하도록 했습니다. 변환기. 따라서 마이크로컴퓨터를 통과할 필요가 없으므로 단락 및 기타 결함을 즉시 감지할 수 있습니다.
이 IC는 기존 제조 장비와 호환되는 저가형 CMOS(상보성 금속산화물 반도체)(*6) 공정 기술을 통해 구현될 수도 있습니다. 이 IC를 이용해 1.2kV SiC-MOSFET 전력반도체를 제어하고, 전력 손실 증가 없이 노이즈 발생의 주요 원인인 서지 전압을 51% 줄이는 데 성공했다. 등가 서지 감소를 위해 기존 방법을 사용하면 모터 구동 시 손실이 증가하지만 이론적 계산에 따르면 이 IC를 사용하면 전력 손실을 25%까지 줄일 수 있다는 것이 분명하게 드러납니다. IC는 마이크로컴퓨터를 사용하지 않고도 2μs의 낮은 속도로 결함 상태 감지에도 성공했다. 이러한 특징은 차세대 전력반도체의 성능을 극대화할 것으로 기대된다.
그림 2: SiC-MOSFET 전력 반도체 제어 시 잡음 감소 효과와 고속 결함 감지 결과.
향후 개발
도시바 그룹은 개발된 IC의 실용화를 2025년까지 목표로 삼고 있다. 전력전자 분야는 도시바 그룹이 주력 시장으로, 이 IC와 관련된 기술을 계속 개발할 예정이다. 다양한 전력변환시스템에 차세대 전력반도체 적용을 추진해 CO 저감에 기여하겠습니다.2 전력반도체의 고효율화를 통한 배출가스 감축, 탄소중립 사회 실현을 실현합니다.
*1: 이 기술은 2021년 10월 14일부터 2021일까지 온라인으로 개최된 국제 IEEE 컨퍼런스인 XNUMX IEEE Energy Conversion Congress and Exposition에서 발표되었습니다.
*2: 출처:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
*3: IGBT: 바이폴라 트랜지스터 베이스에 MOSFET이 내장되어 있습니다.
*4: Si-MOSFET: 일종의 트랜지스터 IGBT에 비해 저전력, 고속 작동에 더 적합합니다.
*5: SiC-MOSFET: 신소재 SiC를 사용한 전력 반도체.
*6: CMOS: 개인용 컴퓨터 및 기타 다양한 전자 장치에 사용되는 반도체 회로의 일종입니다.
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도시바, 차세대 전력 반도체 제어를 위한 고성능 드라이버 IC를 단일 칩에 최초로 통합
-세계 최초의 아날로그-디지털 혼합 IC는 소음을 51% 감소시켜 모터 구동 회로 및 DC-AC 컨버터의 크기와 효율을 줄여 탄소 중립 사회 실현에 기여합니다.-
29 년 10 월 2021
Toshiba Corporation
살펴보기
TOKYO─Toshiba Corporation(TOKYO: 6502)은 차세대 전력 반도체(*1)를 제어하기 위해 단일 칩 드라이버 집적 회로(IC)에 아날로그-디지털 통합을 갖춘 고성능 회로를 세계 최초로 성공적으로 제작했습니다. 개발된 IC는 2μs 이하의 초고속으로 전력반도체의 전압과 전류 상태를 감지하고, 미세한 제어로 전력반도체에서 발생하는 노이즈를 최대 51%까지 줄여준다. 또한 이론적 계산을 통해 모터 구동 시 전력 손실을 기존 방법에 의한 등가 소음 감소와 비교하여 25%까지 줄일 수 있음이 확인되었습니다. 단락이나 기타 오작동이 발생하는 경우 전력 반도체를 즉시 보호하여 손상을 방지할 수 있습니다.
차세대 전력반도체의 성능을 극대화하는 기술이다. 전기자동차, 산업기기, 스마트 전력망 등에 사용되는 모터 구동 회로와 DC-AC 컨버터의 소형화, 고효율, 고신뢰성을 지원하여 탄소중립 사회 실현에 기여하겠습니다.
개발 배경
전력 반도체는 전압과 전류를 제어합니다. 이는 다양한 응용 분야에서 모터를 구동하고 DC-AC 전력 변환에 사용됩니다. 탄소중립 사회를 실현하기 위해서는 전력반도체와 전력변환기의 효율을 높이고 크기를 줄이는 것이 중요하다. 또한, 전력 반도체 시장은 매년 계속해서 확대되고 있으며, 전력 반도체 제어용 드라이버 IC의 세계 시장 규모는 140년 약 2017억 엔에서 180년 약 2021억 엔으로 성장했으며, 이러한 추세는 앞으로도 계속될 것으로 예상됩니다. (*2).
현재 전력 반도체에는 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)(*3) 및 실리콘 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(Si-MOSFET)(*4)와 같은 장치가 일반적으로 사용됩니다. 효율을 더욱 높이려면 전력 변환 시 발생하는 전력 손실을 줄여야 하므로 탄화규소 MOSFET(SiC-MOSFET)(*5) 등 저손실 특성을 갖춘 차세대 전력 반도체 개발이 진행되고 있습니다. 차세대 전력반도체는 전력 변환 시 전력 손실을 줄이고, 고효율을 구현하며, 방열을 촉진해 크기와 무게를 모두 줄일 수 있는 기술이다. 그러나 이러한 장치를 기존 회로 방법을 사용하여 제어하면 잡음이 증가하는 대신 전력 손실이 줄어듭니다. 또한 방열 경로가 줄어들기 때문에 합선이나 기타 결함이 발생할 경우 온도가 즉시 상승하여 반도체 소자가 파손되기 쉽습니다.
제어방식을 개선하여 차세대 전력반도체의 노이즈를 저감하는 기술에 대한 연구가 진행되어 왔지만, 전력반도체 소자의 전압 및 전류 상태에 따라 최적의 노이즈 저감 방법이 다르기 때문에 노이즈 저감의 유연성이 문제가 되어왔다. 또한, 기존 방식에서는 시스템 설계자가 결함 검출 및 단락 등에 대한 보호 기능을 마이크로컴퓨터를 통해 구현해야 하며, 고유한 지연으로 인해 소자가 손상될 수 있습니다.
기술의 특징
Toshiba는 아날로그와 디지털 회로가 혼합된 세계 최초의 고성능 단일 칩 게이트 드라이버 IC를 개발하여 이 문제를 해결했습니다. 기존에는 이 IC가 제공하는 것과 같은 높은 기능을 실현하려면 신호 변환기, 메모리, 연산 회로, 증폭기 회로 등 개별 반도체 부품을 많이 사용하는 구성이 필요했습니다. 그러나 아날로그 회로와 디지털 회로를 함께 실장하면 아날로그 회로를 사용하여 전력 반도체 소자의 전압과 전류를 감지하고, 디지털 회로를 사용하여 감지 결과에 따라 제어 방법을 선택할 수 있으므로 단일 장치로 최적의 제어를 실현할 수 있습니다. 부품이 많지 않은 칩. 개발된 반도체에는 제어 방식을 저장하는 메모리도 내장돼 있으며, 제어 시 저속 디지털과 고속 아날로그 회로를 결합한 해상도 향상 회로가 고속 제어가 필요한 부분에만 아날로그 회로를 사용함으로써 적절한 미세 제어를 구현한다.
또한 도시바는 전력 반도체의 고속 전압 및 전류 파형에서 제어 및 오류 감지에 필요한 기능만 추출하는 아날로그 파형 전처리 기술을 개발하여 저속 아날로그-디지털 변환기로 오류 감지가 가능하도록 했습니다. 따라서 마이크로컴퓨터를 통과할 필요가 없으므로 단락 및 기타 결함을 즉시 감지할 수 있습니다.
이 IC는 기존 제조 장비와 호환되는 저가형 CMOS(상보성 금속산화물 반도체)(*6) 공정 기술을 통해 구현될 수도 있습니다. 이 IC를 이용해 1.2kV SiC-MOSFET 전력반도체를 제어하고, 전력 손실 증가 없이 노이즈 발생의 주요 원인인 서지 전압을 51% 줄이는 데 성공했다. 등가 서지 감소를 위해 기존 방법을 사용하면 모터 구동 시 손실이 증가하지만 이론적 계산에 따르면 이 IC를 사용하면 전력 손실을 25%까지 줄일 수 있다는 것이 분명하게 드러납니다. IC는 마이크로컴퓨터를 사용하지 않고도 2μs의 낮은 속도로 결함 상태 감지에도 성공했다. 이러한 특징은 차세대 전력반도체의 성능을 극대화할 것으로 기대된다.
그림 2: SiC-MOSFET 전력 반도체 제어 시 잡음 감소 효과와 고속 결함 감지 결과.
향후 개발
도시바 그룹은 개발된 IC의 실용화를 2025년까지 목표로 삼고 있다. 전력전자 분야는 도시바 그룹이 주력 시장으로, 이 IC와 관련된 기술을 계속 개발할 예정이다. 다양한 전력변환시스템에 차세대 전력반도체 적용을 추진해 CO 저감에 기여하겠습니다.2 전력반도체의 고효율화를 통한 배출가스 감축, 탄소중립 사회 실현을 실현합니다.
*1: 이 기술은 2021년 10월 14일부터 2021일까지 온라인으로 개최된 국제 IEEE 컨퍼런스인 XNUMX IEEE Energy Conversion Congress and Exposition에서 발표되었습니다.
*2: 출처:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
*3: IGBT: 베이스에 MOSFET이 내장된 바이폴라 트랜지스터.
*4: Si-MOSFET: IGBT에 비해 저전력, 고속 동작에 더 적합한 트랜지스터 유형입니다.
*5: SiC-MOSFET: 신소재 SiC를 사용한 전력 반도체.
*6: CMOS: 개인용 컴퓨터 및 기타 다양한 전자 장치에 사용되는 반도체 회로의 일종입니다.
살펴보기
TOKYO─Toshiba Corporation(TOKYO: 6502)은 차세대 전력 반도체(*1)를 제어하기 위해 단일 칩 드라이버 집적 회로(IC)에 아날로그-디지털 통합을 갖춘 고성능 회로를 세계 최초로 성공적으로 제작했습니다. 개발된 IC는 2μs 이하의 초고속으로 전력반도체의 전압과 전류 상태를 감지하고, 미세한 제어로 전력반도체에서 발생하는 노이즈를 최대 51%까지 줄여준다. 또한 이론적 계산을 통해 모터 구동 시 전력 손실을 기존 방법에 의한 등가 소음 감소와 비교하여 25%까지 줄일 수 있음이 확인되었습니다. 단락이나 기타 오작동이 발생하는 경우 전력 반도체를 즉시 보호하여 손상을 방지할 수 있습니다.
차세대 전력반도체의 성능을 극대화하는 기술이다. 전기자동차, 산업기기, 스마트 전력망 등에 사용되는 모터 구동 회로와 DC-AC 컨버터의 소형화, 고효율, 고신뢰성을 지원하여 탄소중립 사회 실현에 기여하겠습니다.
개발 배경
전력 반도체는 전압과 전류를 제어합니다. 이는 다양한 응용 분야에서 모터를 구동하고 DC-AC 전력 변환에 사용됩니다. 탄소중립 사회를 실현하기 위해서는 전력반도체와 전력변환기의 효율을 높이고 크기를 줄이는 것이 중요하다. 또한, 전력 반도체 시장은 매년 계속해서 확대되고 있으며, 전력 반도체 제어용 드라이버 IC의 세계 시장 규모는 140년 약 2017억 엔에서 180년 약 2021억 엔으로 성장했으며, 이러한 추세는 앞으로도 계속될 것으로 예상됩니다. (*2).
현재 전력 반도체에는 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)(*3) 및 실리콘 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(Si-MOSFET)(*4)와 같은 장치가 일반적으로 사용됩니다. 효율을 더욱 높이려면 전력 변환 시 발생하는 전력 손실을 줄여야 하므로 탄화규소 MOSFET(SiC-MOSFET)(*5) 등 저손실 특성을 갖춘 차세대 전력 반도체 개발이 진행되고 있습니다. 차세대 전력반도체는 전력 변환 시 전력 손실을 줄이고, 고효율을 구현하며, 방열을 촉진해 크기와 무게를 모두 줄일 수 있는 기술이다. 그러나 이러한 장치를 기존 회로 방법을 사용하여 제어하면 잡음이 증가하는 대신 전력 손실이 줄어듭니다. 또한 방열 경로가 줄어들기 때문에 합선이나 기타 결함이 발생할 경우 온도가 즉시 상승하여 반도체 소자가 파손되기 쉽습니다.
제어방식을 개선하여 차세대 전력반도체의 노이즈를 저감하는 기술에 대한 연구가 진행되어 왔지만, 전력반도체 소자의 전압 및 전류 상태에 따라 최적의 노이즈 저감 방법이 다르기 때문에 노이즈 저감의 유연성이 문제가 되어왔다. 또한, 기존 방식에서는 시스템 설계자가 결함 검출 및 단락 등에 대한 보호 기능을 마이크로컴퓨터를 통해 구현해야 하며, 고유한 지연으로 인해 소자가 손상될 수 있습니다.
기술의 특징
Toshiba는 아날로그와 디지털 회로가 혼합된 세계 최초의 고성능 단일 칩 게이트 드라이버 IC를 개발하여 이 문제를 해결했습니다. 기존에는 이 IC가 제공하는 것과 같은 높은 기능을 실현하려면 신호 변환기, 메모리, 연산 회로, 증폭기 회로 등 개별 반도체 부품을 많이 사용하는 구성이 필요했습니다. 그러나 아날로그 회로와 디지털 회로를 함께 실장하면 아날로그 회로를 사용하여 전력 반도체 소자의 전압과 전류를 감지하고, 디지털 회로를 사용하여 감지 결과에 따라 제어 방법을 선택할 수 있으므로 단일 장치로 최적의 제어를 실현할 수 있습니다. 부품이 많지 않은 칩. 개발된 반도체에는 제어 방식을 저장하는 메모리도 내장돼 있으며, 제어 시 저속 디지털과 고속 아날로그 회로를 결합한 해상도 향상 회로가 고속 제어가 필요한 부분에만 아날로그 회로를 사용함으로써 적절한 미세 제어를 구현한다.
또한 도시바는 전력 반도체의 고속 전압 및 전류 파형에서 제어 및 오류 감지에 필요한 기능만 추출하는 아날로그 파형 전처리 기술을 개발하여 저속 아날로그-디지털 변환기로 오류 감지가 가능하도록 했습니다. 따라서 마이크로컴퓨터를 통과할 필요가 없으므로 단락 및 기타 결함을 즉시 감지할 수 있습니다.
이 IC는 기존 제조 장비와 호환되는 저가형 CMOS(상보성 금속산화물 반도체)(*6) 공정 기술을 통해 구현될 수도 있습니다. 이 IC를 이용해 1.2kV SiC-MOSFET 전력반도체를 제어하고, 전력 손실 증가 없이 노이즈 발생의 주요 원인인 서지 전압을 51% 줄이는 데 성공했다. 등가 서지 감소를 위해 기존 방법을 사용하면 모터 구동 시 손실이 증가하지만 이론적 계산에 따르면 이 IC를 사용하면 전력 손실을 25%까지 줄일 수 있다는 것이 분명하게 드러납니다. IC는 마이크로컴퓨터를 사용하지 않고도 2μs의 낮은 속도로 결함 상태 감지에도 성공했다. 이러한 특징은 차세대 전력반도체의 성능을 극대화할 것으로 기대된다.
그림 2: SiC-MOSFET 전력 반도체 제어 시 잡음 감소 효과와 고속 결함 감지 결과.
향후 개발
도시바 그룹은 개발된 IC의 실용화를 2025년까지 목표로 삼고 있다. 전력전자 분야는 도시바 그룹이 주력 시장으로, 이 IC와 관련된 기술을 계속 개발할 예정이다. 다양한 전력변환시스템에 차세대 전력반도체 적용을 추진해 CO 저감에 기여하겠습니다.2 전력반도체의 고효율화를 통한 배출가스 감축, 탄소중립 사회 실현을 실현합니다.
*1: 이 기술은 2021년 10월 14일부터 2021일까지 온라인으로 개최된 국제 IEEE 컨퍼런스인 XNUMX IEEE Energy Conversion Congress and Exposition에서 발표되었습니다.
*2: 출처:
https://s3.i-micronews.com/uploads/2019/01/YDPE17009_Gate_Driver_Market_and_Technology_Trends_Report_2017_Flyer.pdf(685KB)
*3: IGBT: 베이스에 MOSFET이 내장된 바이폴라 트랜지스터.
*4: Si-MOSFET: IGBT에 비해 저전력, 고속 동작에 더 적합한 트랜지스터 유형입니다.
*5: SiC-MOSFET: 신소재 SiC를 사용한 전력 반도체.
*6: CMOS: 개인용 컴퓨터 및 기타 다양한 전자 장치에 사용되는 반도체 회로의 일종입니다.