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Toshiba integra um driver IC de alto desempenho para controlar semicondutores de energia de próxima geração em um único chip pela primeira vez
-O primeiro IC misto analógico-digital do mundo reduz o ruído em 51%, contribuindo para a realização de uma sociedade neutra em carbono, reduzindo o tamanho e a eficiência dos circuitos de acionamento do motor e conversores DC-AC-
29 outubro, 2021
Toshiba Corporation
Visão geral
TOKYO─Toshiba Corporation (TOKYO: 6502) demonstrou a primeira fabricação bem-sucedida do mundo de circuitos de alto desempenho com integração analógico-digital em um único driver de chip integrado o circuito (IC) para controlar semicondutores de potência de próxima geração (* 1). O IC desenvolvido detecta o Voltagem e o status atual dos semicondutores de potência em velocidades ultra-altas de 2 µs ou menos, e o controle preciso reduz o ruído gerado pelos semicondutores de potência em até 51%. Cálculos teóricos também confirmam que a perda de potência ao acionar o motor pode ser reduzida em 25% em comparação com a redução de ruído equivalente por métodos convencionais. No caso de um curto-circuito ou outro mau funcionamento, a alimentação Semicondutores pode ser imediatamente protegido para evitar danos.
Isto é um tecnologia que maximiza o desempenho dos semicondutores de potência da próxima geração. Contribuirá para a realização de uma sociedade neutra em carbono, auxiliando na miniaturização, alta eficiência e alta confiabilidade dos circuitos de acionamento de motores e conversores CC-CA usados em veículos elétricos, equipamentos industriais, redes de energia inteligentes, e assim por diante.
Antecedentes do desenvolvimento
Os semicondutores de potência controlam tensões e correntes. Eles são usados para acionar motores em muitas aplicações e para conversão de energia CC-CA. Para concretizar uma sociedade neutra em carbono, é vital melhorar a eficiência e reduzir o tamanho dos semicondutores e conversores de energia. Além disso, o poder Semicondutor O mercado continua a se expandir a cada ano, e o mercado global de ICs de driver para controle de semicondutores de potência cresceu de aproximadamente 140 bilhões de ienes em 2017 para aproximadamente 180 bilhões de ienes em 2021, e espera-se que esta tendência continue no futuro (*2).
Atualmente, dispositivos como transistores bipolares de porta isolada (IGBT) (*3) e transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico de silício (Si-mosfet) (*4) são normalmente usados para semicondutores de potência. Melhorar ainda mais a eficiência exigirá a redução da perda de energia que ocorre durante a conversão de energia, de modo que o desenvolvimento de semicondutores de energia da próxima geração com características de baixa perda, como o carboneto de silício MOSFET (SiC-MOSFET) (*5) está progredindo. Os semicondutores de potência da próxima geração reduzirão a perda de energia na conversão de energia, alcançarão alta eficiência e facilitarão a dissipação de calor, permitindo assim reduções no tamanho e no peso. No entanto, quando estes dispositivos são controlados utilizando métodos de circuito convencionais, as reduções na perda de potência ocorrem às custas do aumento do ruído. Além disso, os caminhos de dissipação de calor encolhem, portanto, no caso improvável de um curto-circuito ou outra falha, a temperatura aumentará instantaneamente, facilitando a quebra dos elementos semicondutores.
Tem havido pesquisas sobre tecnologias para reduzir o ruído em semicondutores de potência de próxima geração, melhorando os métodos de controle, mas a flexibilidade na redução do ruído tem sido problemática porque o método ideal para fazer isso difere de acordo com a tensão e o estado atual do elemento semicondutor de potência. Além disso, os métodos convencionais exigem que os projetistas do sistema implementem funções de detecção e proteção de falhas para curtos-circuitos e semelhantes por meio de um microcomputador, e o atraso inerente pode resultar em danos ao elemento.
Características da tecnologia
A Toshiba resolveu assim esse problema desenvolvendo o primeiro IC driver de gateway de chip único de alto desempenho do mundo com circuitos analógicos e digitais mistos. Convencionalmente, a realização de alta funcionalidade como a fornecida por este IC requer configurações usando muitos componentes semicondutores individuais, como conversores de sinal, memórias, circuitos de operação e circuitos amplificadores. No entanto, a montagem de circuitos analógicos e digitais juntos permite o uso de um circuito analógico para detectar tensão e corrente em elementos semicondutores de potência, bem como um circuito digital para selecionar um método de controle com base nos resultados de detecção, realizando assim o controle ideal por um único chip sem muitas peças. O semicondutor desenvolvido também tem memória para armazenar métodos de controle e, durante o controle, um circuito de aprimoramento de resolução combinando circuitos digitais de baixa velocidade e analógicos de alta velocidade realiza um controle preciso de forma apropriada usando circuitos analógicos apenas para as partes que requerem controle de alta velocidade.
A Toshiba também desenvolveu uma tecnologia de pré-processamento de forma de onda analógica que extrai apenas os recursos necessários para controle e detecção de falhas da tensão de alta velocidade e formas de onda de corrente de semicondutores de potência, permitindo a detecção de falhas com um analógico para digital de baixa velocidade conversor. Assim, não há necessidade de passar por um microcomputador, permitindo a detecção imediata de curtos-circuitos e outras falhas.
Este IC também pode ser realizado por tecnologias de processo de baixo custo de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) (* 6) que são compatíveis com os equipamentos de fabricação existentes. Usando este IC, a empresa conseguiu controlar um semicondutor de potência SiC-MOSFET de 1.2 kV e reduzir sua tensão de surto, uma das principais causas da geração de ruído, em 51% sem aumento na perda de potência. O uso de métodos convencionais para uma redução de pico equivalente aumentaria a perda ao acionar o motor, mas os cálculos teóricos mostram claramente que o uso desse IC pode reduzir a perda de potência em 25%. O IC também obteve sucesso na detecção do estado de falha em velocidades tão baixas quanto 2 µs sem usar um microcomputador. Espera-se que esses recursos maximizem o desempenho dos semicondutores de potência da próxima geração.
Figura 2: Efeito de redução de ruído ao controlar um semicondutor de potência SiC-MOSFET e os resultados da detecção de falha de alta velocidade.
Desenvolvimentos futuros
O Grupo Toshiba terá como objetivo o uso prático do IC desenvolvido até 2025. Eletrônica de potência é um mercado em foco para o Grupo Toshiba, que continuará a desenvolver tecnologias relacionadas a este IC. O grupo promoverá a aplicação de semicondutores de energia de próxima geração em vários sistemas de conversão de energia, contribuindo assim para a redução de CO2 emissões por meio de maior eficiência de semicondutores de energia e a realização de uma sociedade neutra em carbono.
* 1: Esta tecnologia foi apresentada no 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, uma conferência internacional IEEE realizada online de 10 a 14 de outubro de 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: um bipolar Transistor com um MOSFET embutido na base.
* 4: Si-MOSFET: Um tipo de Transistor mais adequado para operações de baixa potência e alta velocidade em comparação com IGBTs.
* 5: SiC-MOSFET: Um semicondutor de potência usando um novo material, SiC.
* 6: CMOS: Um tipo de circuito semicondutor usado em computadores pessoais e muitos outros dispositivos eletrônicos.
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Toshiba integra um driver IC de alto desempenho para controlar semicondutores de energia de próxima geração em um único chip pela primeira vez
-O primeiro IC misto analógico-digital do mundo reduz o ruído em 51%, contribuindo para a realização de uma sociedade neutra em carbono, reduzindo o tamanho e a eficiência dos circuitos de acionamento do motor e conversores DC-AC-
29 outubro, 2021
Toshiba Corporation
Visão geral
TOKYO─Toshiba Corporation (TOKYO: 6502) demonstrou a primeira fabricação bem-sucedida do mundo de circuitos de alto desempenho com integração analógico-digital em um único circuito integrado de driver de chip (IC) para controlar semicondutores de potência de próxima geração (* 1). O IC desenvolvido detecta a tensão e o status atual de semicondutores de potência em velocidades ultra-altas de 2 µs ou menos, e o controle fino reduz o ruído gerado por semicondutores de potência em até 51%. Cálculos teóricos também confirmam que a perda de potência ao acionar o motor pode ser reduzida em 25% em comparação com a redução de ruído equivalente por métodos convencionais. No caso de um curto-circuito ou outro mau funcionamento, o semicondutor de potência pode ser protegido imediatamente para evitar danos.
Esta é uma tecnologia que maximiza o desempenho dos semicondutores de potência da próxima geração. Contribuirá para a realização de uma sociedade neutra em carbono, auxiliando na miniaturização, alta eficiência e alta confiabilidade dos circuitos de acionamento do motor e conversores CC-CA usados em veículos elétricos, equipamentos industriais, redes elétricas inteligentes e assim por diante.
Antecedentes do desenvolvimento
Semicondutores de potência controlam tensões e correntes. Eles são usados para acionar motores em muitas aplicações e para conversão de energia DC-AC. Para realizar uma sociedade neutra em carbono, é vital melhorar a eficiência e reduzir o tamanho dos semicondutores e conversores de energia. Além disso, o mercado de semicondutores de potência continua a se expandir a cada ano, e o mercado global de ICs de driver para controle de semicondutores de potência cresceu de aproximadamente 140 bilhões de ienes em 2017 para aproximadamente 180 bilhões de ienes em 2021, e esta tendência deve continuar no futuro (* 2).
Atualmente, dispositivos como transistores bipolares de porta isolada (IGBT) (* 3) e transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico de silício (Si-MOSFET) (* 4) são normalmente usados para semicondutores de potência. Melhorar ainda mais a eficiência exigirá a redução da perda de energia que ocorre durante a conversão de energia, de modo que o desenvolvimento de semicondutores de energia de próxima geração com características de baixa perda, como carboneto de silício MOSFET (SiC-MOSFET) (* 5) está progredindo. Os semicondutores de energia da próxima geração reduzirão a perda de energia na conversão de energia, alcançarão alta eficiência e facilitarão a dissipação de calor, permitindo, assim, reduções no tamanho e no peso. No entanto, quando esses dispositivos são controlados usando métodos de circuito convencionais, as reduções de perda de energia ocorrem às custas do aumento do ruído. Além disso, os caminhos de dissipação de calor encolhem, portanto, no caso improvável de um curto-circuito ou outra falha, a temperatura aumentará instantaneamente, facilitando a quebra dos elementos semicondutores.
Tem havido pesquisas sobre tecnologias para reduzir o ruído em semicondutores de potência de próxima geração, melhorando os métodos de controle, mas a flexibilidade na redução do ruído tem sido problemática porque o método ideal para fazer isso difere de acordo com a tensão e o estado atual do elemento semicondutor de potência. Além disso, os métodos convencionais exigem que os projetistas do sistema implementem funções de detecção e proteção de falhas para curtos-circuitos e semelhantes por meio de um microcomputador, e o atraso inerente pode resultar em danos ao elemento.
Características da tecnologia
A Toshiba resolveu assim esse problema desenvolvendo o primeiro IC driver de gateway de chip único de alto desempenho do mundo com circuitos analógicos e digitais mistos. Convencionalmente, a realização de alta funcionalidade como a fornecida por este IC requer configurações usando muitos componentes semicondutores individuais, como conversores de sinal, memórias, circuitos de operação e circuitos amplificadores. No entanto, a montagem de circuitos analógicos e digitais juntos permite o uso de um circuito analógico para detectar tensão e corrente em elementos semicondutores de potência, bem como um circuito digital para selecionar um método de controle com base nos resultados de detecção, realizando assim o controle ideal por um único chip sem muitas peças. O semicondutor desenvolvido também tem memória para armazenar métodos de controle e, durante o controle, um circuito de aprimoramento de resolução combinando circuitos digitais de baixa velocidade e analógicos de alta velocidade realiza um controle preciso de forma apropriada usando circuitos analógicos apenas para as partes que requerem controle de alta velocidade.
A Toshiba também desenvolveu uma tecnologia de pré-processamento de forma de onda analógica que extrai apenas os recursos necessários para controle e detecção de falhas da tensão de alta velocidade e formas de onda de corrente de semicondutores de potência, permitindo a detecção de falhas com um conversor analógico-digital de baixa velocidade. Assim, não há necessidade de passar por um microcomputador, permitindo a detecção imediata de curtos-circuitos e outras falhas.
Este IC também pode ser realizado por tecnologias de processo de baixo custo de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) (* 6) que são compatíveis com os equipamentos de fabricação existentes. Usando este IC, a empresa conseguiu controlar um semicondutor de potência SiC-MOSFET de 1.2 kV e reduzir sua tensão de surto, uma das principais causas da geração de ruído, em 51% sem aumento na perda de potência. O uso de métodos convencionais para uma redução de pico equivalente aumentaria a perda ao acionar o motor, mas os cálculos teóricos mostram claramente que o uso desse IC pode reduzir a perda de potência em 25%. O IC também obteve sucesso na detecção do estado de falha em velocidades tão baixas quanto 2 µs sem usar um microcomputador. Espera-se que esses recursos maximizem o desempenho dos semicondutores de potência da próxima geração.
Figura 2: Efeito de redução de ruído ao controlar um semicondutor de potência SiC-MOSFET e os resultados da detecção de falha de alta velocidade.
Desenvolvimentos futuros
O Grupo Toshiba terá como objetivo o uso prático do IC desenvolvido até 2025. Eletrônica de potência é um mercado em foco para o Grupo Toshiba, que continuará a desenvolver tecnologias relacionadas a este IC. O grupo promoverá a aplicação de semicondutores de energia de próxima geração em vários sistemas de conversão de energia, contribuindo assim para a redução de CO2 emissões por meio de maior eficiência de semicondutores de energia e a realização de uma sociedade neutra em carbono.
* 1: Esta tecnologia foi apresentada no 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, uma conferência internacional IEEE realizada online de 10 a 14 de outubro de 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: Um transistor bipolar com um MOSFET embutido na base.
* 4: Si-MOSFET: Um tipo de transistor mais adequado para operações de baixa potência e alta velocidade em comparação com IGBTs.
* 5: SiC-MOSFET: Um semicondutor de potência usando um novo material, SiC.
* 6: CMOS: Um tipo de circuito semicondutor usado em computadores pessoais e muitos outros dispositivos eletrônicos.
Visão geral
TOKYO─Toshiba Corporation (TOKYO: 6502) demonstrou a primeira fabricação bem-sucedida do mundo de circuitos de alto desempenho com integração analógico-digital em um único circuito integrado de driver de chip (IC) para controlar semicondutores de potência de próxima geração (* 1). O IC desenvolvido detecta a tensão e o status atual de semicondutores de potência em velocidades ultra-altas de 2 µs ou menos, e o controle fino reduz o ruído gerado por semicondutores de potência em até 51%. Cálculos teóricos também confirmam que a perda de potência ao acionar o motor pode ser reduzida em 25% em comparação com a redução de ruído equivalente por métodos convencionais. No caso de um curto-circuito ou outro mau funcionamento, o semicondutor de potência pode ser protegido imediatamente para evitar danos.
Esta é uma tecnologia que maximiza o desempenho dos semicondutores de potência da próxima geração. Contribuirá para a realização de uma sociedade neutra em carbono, auxiliando na miniaturização, alta eficiência e alta confiabilidade dos circuitos de acionamento do motor e conversores CC-CA usados em veículos elétricos, equipamentos industriais, redes elétricas inteligentes e assim por diante.
Antecedentes do desenvolvimento
Semicondutores de potência controlam tensões e correntes. Eles são usados para acionar motores em muitas aplicações e para conversão de energia DC-AC. Para realizar uma sociedade neutra em carbono, é vital melhorar a eficiência e reduzir o tamanho dos semicondutores e conversores de energia. Além disso, o mercado de semicondutores de potência continua a se expandir a cada ano, e o mercado global de ICs de driver para controle de semicondutores de potência cresceu de aproximadamente 140 bilhões de ienes em 2017 para aproximadamente 180 bilhões de ienes em 2021, e esta tendência deve continuar no futuro (* 2).
Atualmente, dispositivos como transistores bipolares de porta isolada (IGBT) (* 3) e transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico de silício (Si-MOSFET) (* 4) são normalmente usados para semicondutores de potência. Melhorar ainda mais a eficiência exigirá a redução da perda de energia que ocorre durante a conversão de energia, de modo que o desenvolvimento de semicondutores de energia de próxima geração com características de baixa perda, como carboneto de silício MOSFET (SiC-MOSFET) (* 5) está progredindo. Os semicondutores de energia da próxima geração reduzirão a perda de energia na conversão de energia, alcançarão alta eficiência e facilitarão a dissipação de calor, permitindo, assim, reduções no tamanho e no peso. No entanto, quando esses dispositivos são controlados usando métodos de circuito convencionais, as reduções de perda de energia ocorrem às custas do aumento do ruído. Além disso, os caminhos de dissipação de calor encolhem, portanto, no caso improvável de um curto-circuito ou outra falha, a temperatura aumentará instantaneamente, facilitando a quebra dos elementos semicondutores.
Tem havido pesquisas sobre tecnologias para reduzir o ruído em semicondutores de potência de próxima geração, melhorando os métodos de controle, mas a flexibilidade na redução do ruído tem sido problemática porque o método ideal para fazer isso difere de acordo com a tensão e o estado atual do elemento semicondutor de potência. Além disso, os métodos convencionais exigem que os projetistas do sistema implementem funções de detecção e proteção de falhas para curtos-circuitos e semelhantes por meio de um microcomputador, e o atraso inerente pode resultar em danos ao elemento.
Características da tecnologia
A Toshiba resolveu assim esse problema desenvolvendo o primeiro IC driver de gateway de chip único de alto desempenho do mundo com circuitos analógicos e digitais mistos. Convencionalmente, a realização de alta funcionalidade como a fornecida por este IC requer configurações usando muitos componentes semicondutores individuais, como conversores de sinal, memórias, circuitos de operação e circuitos amplificadores. No entanto, a montagem de circuitos analógicos e digitais juntos permite o uso de um circuito analógico para detectar tensão e corrente em elementos semicondutores de potência, bem como um circuito digital para selecionar um método de controle com base nos resultados de detecção, realizando assim o controle ideal por um único chip sem muitas peças. O semicondutor desenvolvido também tem memória para armazenar métodos de controle e, durante o controle, um circuito de aprimoramento de resolução combinando circuitos digitais de baixa velocidade e analógicos de alta velocidade realiza um controle preciso de forma apropriada usando circuitos analógicos apenas para as partes que requerem controle de alta velocidade.
A Toshiba também desenvolveu uma tecnologia de pré-processamento de forma de onda analógica que extrai apenas os recursos necessários para controle e detecção de falhas da tensão de alta velocidade e formas de onda de corrente de semicondutores de potência, permitindo a detecção de falhas com um conversor analógico-digital de baixa velocidade. Assim, não há necessidade de passar por um microcomputador, permitindo a detecção imediata de curtos-circuitos e outras falhas.
Este IC também pode ser realizado por tecnologias de processo de baixo custo de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) (* 6) que são compatíveis com os equipamentos de fabricação existentes. Usando este IC, a empresa conseguiu controlar um semicondutor de potência SiC-MOSFET de 1.2 kV e reduzir sua tensão de surto, uma das principais causas da geração de ruído, em 51% sem aumento na perda de potência. O uso de métodos convencionais para uma redução de pico equivalente aumentaria a perda ao acionar o motor, mas os cálculos teóricos mostram claramente que o uso desse IC pode reduzir a perda de potência em 25%. O IC também obteve sucesso na detecção do estado de falha em velocidades tão baixas quanto 2 µs sem usar um microcomputador. Espera-se que esses recursos maximizem o desempenho dos semicondutores de potência da próxima geração.
Figura 2: Efeito de redução de ruído ao controlar um semicondutor de potência SiC-MOSFET e os resultados da detecção de falha de alta velocidade.
Desenvolvimentos futuros
O Grupo Toshiba terá como objetivo o uso prático do IC desenvolvido até 2025. Eletrônica de potência é um mercado em foco para o Grupo Toshiba, que continuará a desenvolver tecnologias relacionadas a este IC. O grupo promoverá a aplicação de semicondutores de energia de próxima geração em vários sistemas de conversão de energia, contribuindo assim para a redução de CO2 emissões por meio de maior eficiência de semicondutores de energia e a realização de uma sociedade neutra em carbono.
* 1: Esta tecnologia foi apresentada no 2021 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, uma conferência internacional IEEE realizada online de 10 a 14 de outubro de 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: Um transistor bipolar com um MOSFET embutido na base.
* 4: Si-MOSFET: Um tipo de transistor mais adequado para operações de baixa potência e alta velocidade em comparação com IGBTs.
* 5: SiC-MOSFET: Um semicondutor de potência usando um novo material, SiC.
* 6: CMOS: Um tipo de circuito semicondutor usado em computadores pessoais e muitos outros dispositivos eletrônicos.