Les semi-conducteurs de puissance IGBT à triple grille de Toshiba réduisent les pertes de puissance de commutation de 40,5%

Les semi-conducteurs de puissance IGBT à triple grille de Toshiba réduisent les pertes de puissance de commutation de 40,5%

Figure 1 : IGBT à triple porte et signaux de commande de porte. Crédit : Toshiba Corporation

Toshiba Corporation a développé un prototype d’IGBT à triple grille qui réduit la perte de puissance globale jusqu’à 40,5% lors de la mise en marche et de l’arrêt (pertes de commutation), le processus d’autorisation et d’arrêt du flux d’électricité, dans les semi-conducteurs de puissance utilisés pour contrôler l’alimentation électrique.

Il est difficile de réduire la perte de puissance dans l’IGBT, en raison d’un compromis selon lequel la réduction de la perte lorsque l’IGBT est activé (pertes par conduction) augmente la perte de commutation. Toshiba s’est attaqué à ce problème en développant un IGBT au silicium avec une nouvelle structure de trois électrodes de grille et une technologie de contrôle de grille qui offre une commutation d’électrode de grille de haute précision. Le nouveau dispositif réduit les pertes à l’activation de 50 % et les pertes à l’arrêt de 28 %, soit une réduction globale allant jusqu’à 40,5 % par rapport à un IGBT à électrode simple classique, sans augmentation des pertes par conduction.

L’amélioration de l’efficacité énergétique des semi-conducteurs de puissance est considérée comme essentielle pour atteindre la neutralité carbone, en particulier en obtenant des IGBT à plus haut rendement, des semi-conducteurs de puissance utilisés dans de nombreux produits et équipements. La nouvelle technologie devrait augmenter l’efficacité des convertisseurs de puissance dans les systèmes électriques, y compris les systèmes d’énergie renouvelable, les véhicules électriques, les chemins de fer et les équipements industriels. Toshiba présentera la technologie à ISPSD2021, une conférence internationale en ligne du 30 mai au 3 juin.

Les semi-conducteurs de puissance qui contrôlent les flux d’énergie électrique sont utilisés dans tous les aspects de la production, de la transmission, du stockage et de l’utilisation optimale de l’énergie, et sont essentiels pour assurer la stabilité de l’alimentation électrique et réduire la consommation. Ces dernières années, le marché des semi-conducteurs de puissance s’est développé avec la popularité croissante des véhicules électriques et l’utilisation plus large des sources d’énergie renouvelables, deux étapes vers la réalisation d’une économie neutre en carbone. En octobre 2020, le gouvernement japonais s’est fixé pour objectif d’atteindre un Japon neutre en carbone d’ici 2050, et une telle initiative devrait stimuler la croissance du marché.

Ces développements stimulent également les efforts visant à améliorer les performances des semi-conducteurs de puissance, en particulier des IGBT, des semi-conducteurs de puissance haute tension installés dans les convertisseurs de puissance d’un large éventail de systèmes électriques. L’amélioration de l’efficacité énergétique des IGBT contribuera grandement à atteindre la neutralité carbone.

Les semi-conducteurs de puissance IGBT à triple grille de Toshiba réduisent les pertes de puissance de commutation de 40,5%

Figure 2 : Formes d’onde de commutation et effets de réduction des pertes de commutation. Crédit : Toshiba Corporation

Les pertes par conduction peuvent être réduites en augmentant le nombre d’électrons et de trous maintenus sur le dispositif, mais cela augmente les pertes de commutation. Les IGBT à base de silicium ont été modifiés au cours des 30 dernières années en améliorant la structure pour atténuer le compromis entre les pertes de conduction et les pertes de commutation, mais il n’y a eu aucune percée ces dernières années.

Toshiba a développé un IGBT à triple grille et une technologie de contrôle de grille qui réduit considérablement les pertes de commutation grâce à un contrôle flexible de l’accumulation d’électrons et de trous, du côté du circuit de commande de grille.

Les trois portes, la porte principale (MG), la porte de commande principale (CGp) et la porte de commande secondaire (CG), peuvent être commandées indépendamment. Lorsque les portes sont activées, le retardement des CG et la première activation de MG et CGp garantissent des flux simultanés d’électrons et de trous importants provenant des trois électrodes de grille, et ils s’accumulent dans l’IGBT à une vitesse plus élevée, réalisant un temps de commutation plus rapide et une perte d’activation inférieure . Lors de la désactivation des portes, les électrons et les trous à l’intérieur de l’appareil sont réduits en désactivant CGp avant MG, tout en laissant les CG désactivés. Lorsque la MG est éteinte, l’IGBT s’éteint complètement et les électrons et les trous disparaissent à grande vitesse, réduisant ainsi la perte de désactivation.

En combinant l’IGBT à triple grille avec la technologie de contrôle de grille, les pertes d’activation et de désactivation ont été réduites de 50 % et 28 %, respectivement, par rapport à l’IGBT conventionnel, et les pertes de commutation globales ont été réduites jusqu’à 40,5 %. Ces technologies permettent une réduction significative de la perte de puissance des IGBT et contribueront grandement à la réduction des pertes de puissance dans les convertisseurs de puissance.

À l’avenir, la société vise à réaliser la commercialisation précoce par la poursuite de la recherche et du développement de semi-conducteurs de puissance avec les nouvelles technologies. De plus, en améliorant l’efficacité des performances de divers appareils électroniques de puissance grâce à ces technologies, l’entreprise contribuera à la réalisation d’une économie neutre en carbone.


Rester branché sur l’électronique à base de silicium


Fourni par Toshiba Corporation

Citation: Les semi-conducteurs de puissance IGBT à triple grille de Toshiba ont réduit les pertes de puissance de commutation de 40,5% (2021, 2 juin) récupéré le 2 juin 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-06-toshiba-triple-gate-igbt-power- semi-conducteurs.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.