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東芝開發全球首款雙柵極RC-IEGT,可降低開關損耗

2022年6月15日

東芝電子元件及儲存裝置株式會社
東芝株式會社

日本川崎--東芝電子元件及存儲裝置株式會社和東芝株式會社(Toshiba Corporation,統稱 “東芝” )共同研發出全球首款[1]4.5-kV雙柵極反向傳導注入增強型柵極晶體管(RC-IEGT[2][3])。 東芝證實,其開關導通及關斷時的總功耗(開關損耗)比傳統單柵極結構降低24%[4]。

功率器件是提供和管理電源的元件,對於降低各種電子設備功耗和實現碳中和社會至關重要。 在全球脫碳和節能的趨勢下,IEGT被廣泛用於大功率逆變器和高壓直流輸電等需要大電流、高能效,以及更低功率損耗的應用。 由於在IEGT導通時降低損耗(導通損耗)增加開關損耗,因此很難降低IEGT功耗。

東芝開發了一種4.5kV雙柵極RC-IEGT,其空穴控制柵極(CG)與主柵極(MG)分離。 與單柵極器件中的反向恢復相比,這種方法通過在關斷和注入之前控制空穴提取來降低損耗。 在IEGT模式下,電流從基板的背面流向正面,CG關斷之後MG關斷,減少基板中累積的空穴,降低關斷損耗[5]。 在二極體模式下,電流從基板正面流向背面,MG和CG在反向恢復之前同時導通,減少了基板中累積的電子,減少了反向恢復損耗[6]。

新開發的雙柵極RC-IEGT結合柵極控制技術,關斷和導通損耗[7]分別比傳統單柵極結構降低24%和18%[4] ,反向恢復損耗降低32%[4]。 因此,實際測量值中總開關損耗降低24%[4],而導通損耗沒有任何增加。

5月22日至25日,加拿大溫哥華舉行的線上2022年IEEE國際功率半導體器件和積體電路國際研討會( ISPSD)報告了這一成果的詳細資訊。

東芝將繼續研發雙柵極RC-IEGT和柵極控制技術,力爭2025年之後實現商業化。 東芝致力於通過提高電力電子設備性能,為碳中和做出貢獻。

注:

[1]截至2022年5月,東芝調查。

[2] IEGT:注入增強型柵極晶體管。 通過設計IGBT(絕緣柵雙極晶體管)發射極元件結構,IEGT改善通態電壓隨集電極-發射極電壓增加而急劇升高的問題。

[3] RC-IEGT:反向傳導IEGT。 IEGT和續流二極體(FWD)集成在單個晶元上。 柵極加電壓,IEGT工作時基板正面流動發射極電子,基板背面流動集電極空穴,而RC-IEGT工作時基板正面流動空穴,背面流動電子,續流二極管允許電流反向流動。

[4]與東芝現有單柵極IEGT比較; 東芝測試結果。

[5]關斷損耗:IEGT從導通切換到關斷時的功率損耗。

[6]反向恢復損耗:續流二極管從導通切換到關斷時的功率損耗。

[7]導通損耗:IEGT從關斷切換到導通時的功率損耗。

東芝新型雙柵極RC-IEGT結構

(a) Conventional single-gate structure
(b) Double-gate RC-IEGT  with a hole CG
(c) Fabricated device

實際測量的開關波形(東芝測試結果)

Turn-off switching waveform
Reverse recovery switching waveforms

實際測量的開關損耗下降(東芝測試結果)

Actual measurement of switching loss reduction (Toshiba test results)

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