領(lǐng)先產(chǎn)品+創(chuàng)新理念，東芝半導(dǎo)體挑戰(zhàn)功率器件性能極限

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）要問當(dāng)前電子信息產(chǎn)業(yè)哪些領(lǐng)域最火熱？相信很多人會(huì)談到汽車、新能源和儲(chǔ)能等，這些都是和能源息息相關(guān)的，是功率器件重要的應(yīng)用市場，也是PCIM Asia 2023（上海國際電力元件、可再生能源管理展覽會(huì)）上，參展商重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。

為了幫助上述行業(yè)更好地發(fā)展，東芝半導(dǎo)體在PCIM Asia 2023上不僅展出了具有市場競爭力的功率器件和模塊，同時(shí)也將一些創(chuàng)新理念帶入市場，幫助行業(yè)更好地發(fā)展。

新型雙柵極RC-IEGT結(jié)構(gòu)

PCIM Asia 2023上，東芝半導(dǎo)體介紹了該公司最新推出的全球首款4.5kV雙柵極RC-IEGT。如下圖所示，雙柵極RC-IEGT的空穴控制柵極（CG）與主柵極（MG）分離。在IEGT模式下，電流從基板的背面流向正面，CG關(guān)斷之后MG關(guān)斷，減少基板中累積的空穴，降低關(guān)斷損耗；在二極管模式下，電流從基板正面流向背面，MG和CG在反向恢復(fù)之前同時(shí)導(dǎo)通，減少了基板中累積的電子，減少了反向恢復(fù)損耗。



雙柵極RC-IEGT導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)的總功耗（開關(guān)損耗）比傳統(tǒng)單柵極結(jié)構(gòu)降低24%，關(guān)斷和導(dǎo)通損耗分別比傳統(tǒng)單柵極結(jié)構(gòu)降低24%和18%，反向恢復(fù)損耗降低32%。




東芝半導(dǎo)體工程部-分立器件技術(shù)部1-副總監(jiān)屈興國表示，雙柵極RC-IEGT是東芝半導(dǎo)體在IEGT技術(shù)發(fā)展上一次非常有價(jià)值的創(chuàng)新嘗試，有望突破Si器件的極限，進(jìn)一步增強(qiáng)這一類別產(chǎn)品的性能和功耗水平。

當(dāng)然，他也坦言道：“目前雙柵極RC-IEGT還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的階段，距離投向市場還有很長的路要走。”

最新6.5kV的PPI壓接式封裝器件

隨著高壓大功率IGBT（東芝半導(dǎo)體稱為IEGT）產(chǎn)品的快速發(fā)展，4.5 kV和6.5 kV電壓等級(jí)器件已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)市場化，在牽引運(yùn)輸、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要價(jià)值。在這些應(yīng)用中，壓接式結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，能夠長時(shí)間為大功率應(yīng)用提供高性能輸出。

為滿足高電壓的市場需求，PCIM Asia 2023上東芝半導(dǎo)體展出了最新的6.5kV的PPI壓接式封裝器件。器件內(nèi)部采用電流、電壓均等分布的排列方式，裝有多個(gè)IEGT芯片。器件內(nèi)部通過無引線鍵合的方式提高了器件的可靠性，可雙面散熱壓接特性可實(shí)現(xiàn)更高的散熱特性。



屈興國指出，東芝半導(dǎo)體是壓接式封裝技術(shù)發(fā)展的引領(lǐng)者之一，在這類產(chǎn)品的應(yīng)用上有非常具有代表性的成功案例，因此在一些新能源發(fā)電應(yīng)用中非常有競爭力。壓接式封裝可以像紐扣電池一樣，多顆串聯(lián)在一起，如果是傳統(tǒng)的模塊通過銅排串聯(lián)，穩(wěn)定性和可靠性非常低。陶瓷外殼也增強(qiáng)了器件的防爆屬性。

在此，他特別提到了東芝半導(dǎo)體PPI壓接式封裝器件的短路失效模式，器件在失效之后會(huì)呈現(xiàn)短路模式，那么在多顆串聯(lián)使用時(shí)，某一顆器件的失效并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)工作。這是一種性能冗余，對(duì)于海底能源項(xiàng)目等特殊項(xiàng)目，系統(tǒng)投運(yùn)后基本不會(huì)考慮后期的維修，那么通過“N+1”的部署方式就可以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。在國內(nèi)柔性輸配電等項(xiàng)目中，這一產(chǎn)品特性也非常重要。

另外，他介紹說，為了幫助新用戶更好地了解壓接式封裝產(chǎn)品，東芝半導(dǎo)體與第三方合作伙伴共同開發(fā)的IEGT壓接組件采用了2顆ST2000GXH32（4.5KV／2KA／內(nèi)置二極管的壓接式封裝）PPI器件，適用于新客戶進(jìn)行雙脈沖測試，以便快速了解東芝半導(dǎo)體器件，縮短開發(fā)周期。

低功耗、易設(shè)計(jì)的SiC MOSFET

受益于新能源汽車、光伏儲(chǔ)能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，SiC（碳化硅）器件得到了廣泛的應(yīng)用，市場規(guī)?？焖偬嵘８鶕?jù)Yole統(tǒng)計(jì)，到2027年，全球?qū)щ娦蚐iC功率器件市場規(guī)模有望突破60億美元，年復(fù)合增長速率約34%。

PCIM Asia 2023上，SiC器件和模塊也是廠商展示的重點(diǎn)。在這方面，東芝半導(dǎo)體展示了采用SBD內(nèi)置技術(shù)，而非本體二極管的SiC MOSFET，具備更低的VF 和出色的開關(guān)性能以及寬VGS 控制范圍，可廣泛應(yīng)用于光儲(chǔ)充行業(yè)、數(shù)據(jù)中心、高效小型化電源和馬達(dá)等領(lǐng)域。



從第二代產(chǎn)品到第三代產(chǎn)品，東芝的SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)了更低的Ron*Qgd，減少了80%，這是實(shí)現(xiàn)更好開關(guān)性能的關(guān)鍵。

屈興國表示，SBD相較于本體二極管具有更強(qiáng)的通流能力，導(dǎo)通電壓更低，常規(guī)SiC MOSFET的導(dǎo)通電壓在3-5V，東芝半導(dǎo)體SiC MOSFET的導(dǎo)通電壓為1.3V-1.5V。這樣的設(shè)計(jì)也克服了傳統(tǒng)SiC MOSFET的雙極退化缺陷，本體二極管一旦有電流流過，會(huì)影響MOSFET正常工作。

在SiC模塊方面，他指出，東芝半導(dǎo)體除了供應(yīng)主流的1200V、1700V和3300V的SiC模塊以外，為了滿足光伏客戶在1500V母線電壓級(jí)別的需求，還開發(fā)了2200V的SiC模塊，將會(huì)在今年年底前量產(chǎn)交付。

結(jié)語

在本次PCIM Asia 2023上，東芝半導(dǎo)體再一次從產(chǎn)品性能、可靠性以及產(chǎn)品創(chuàng)新層面展示了自己在功率器件領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。這些產(chǎn)品讓東芝半導(dǎo)體在可再生能源、柔性輸配電、光伏儲(chǔ)能、牽引逆變器等領(lǐng)域，能夠贏得更多的用戶認(rèn)可。