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澳门威斯尼斯人wns成功开发出可大幅降低功率损耗的功率半导体三栅极IGBT

————最多可使开关功率损耗降低40.5%，提高电气设备中电源转换器的效率，为实现碳中和做出贡献

Mon Jun 07 10:00:00 CST 2021

株式会社澳门威斯尼斯人wns（以下称“澳门威斯尼斯人wns”）日前宣布成功开发出三栅极IGBT^*1，该三栅极IGBT最多可使开关转换时的功率损耗（以下简称“开关损耗”）整体降低40.5%。

IGBT中的功率损耗存在一种此消彼长的关系，即：当降低IGBT导通状态下的功率损耗（以下简称“导通损耗”）时，开关损耗便会增加，因此澳门威斯尼斯人wns在这方面进行了改善。澳门威斯尼斯人wns采用具有三个栅电极的新结构硅IGBT和可高精度开关栅电极的栅极控制技术，与仅有一个栅电极的传统IGBT相比，成功实现了在不增加导通损耗的情况下，大幅降低开关损耗，使开通损耗^*2和关断损耗^*3分别降低50%和28%（最多可降低40.5%的整体损耗）。通过降低功率半导体的功率损耗来提高能源利用效率，这被认为是实现碳中和的关键手段，其中IGBT是目前广泛应用的主要功率半导体，人们对进一步减少其功率损耗的期望越来越高。该技术有望提高各类电气设备的电力转换器效率，可广泛应用于可再生能源系统、电动汽车、铁路和工业设备等领域。

澳门威斯尼斯人wns于5月30日至6月2日在线召开的功率半导体国际学术会议“ISPSD2021”上公布了技术细节。

开发背景

控制电力的功率半导体被广泛应用于“发电”、“输送”、“储存”和“优化使用”等各类场景，在确保稳定的电力供应、节能和节电中发挥了不可或缺的作用。近年来，在“全球碳中和”背景下，电动汽车不断普及，采用可再生能源进行发电的比重不断增加，功率半导体的市场份额也随之不断扩大。

同时，为了通过降低功率损耗（功率转换时所产生的功率损耗）来实现更高的效率，需要进一步提升功率半导体的性能。其中，高耐压的功率半导体IGBT被广泛应用于电气设备的功率转换器上，因此，从提高能源利用效率的角度来看，降低IGBT的功率损耗将为实现碳中和做出巨大贡献。

IGBT可以通过增加元件中电子和空穴的蓄积量来降低导通损耗，但同时开关损耗也随之增加。在过去的30年里，针对采用硅材料的传统IGBT，技术人员主要通过改进元件结构来改善导通损耗和开关损耗，但近年来，其性能改善趋于极限，成为行业一大难题。

本技术的特征

因此，澳门威斯尼斯人wns开发出三栅极IGBT和栅极控制技术，采用从栅极驱动电路端灵活控制IGBT内部载流电子和空穴蓄积量的方式，从而大幅降低开关损耗。

此次开发的三栅极IGBT的特征：在同一芯片内具有3个栅极，即主栅极（以下简称“MG”）、第1控制栅极（以下简称“CGp”）和第2控制栅极（以下简称“CGs”），并且3个栅极采用独立驱动方式。当栅极开通时，通过控制栅极使CGs相对于MG和CGp出现延迟，再实现MG、CGp和CGs三个栅极同时接通。其结果是让大量的电子和空穴被高速注入并蓄积在IGBT中，从而缩短开关转换时间，并降低开通损耗。

另一方面，在关断时，让CGs保持关断状态，让CGp先于MG关断，以减少元件内部的电子和空穴。通过上述方式，当MG关断时（即：当IGBT完全关断时），电子和空穴快速消失，从而降低关断损耗。

通过三栅极IGBT与栅极控制技术的结合，与传统IGBT相比，成功实现了开通损耗和关断损耗分别降低50%和28%，整体开关损耗最多可降低40.5%。对于性能改善趋于极限的硅IGBT而言，该技术可显著降低其功率损耗，从而为降低功率转换器的功率损耗做出巨大贡献。