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东芝开发全球首款双栅极RC-IEGT,可降低开关损耗

2022年6月15日

东芝电子元件及存储装置株式会社
东芝株式会社

日本川崎--东芝电子元件及存储装置株式会社和东芝株式会社(Toshiba Corporation,统称 “东芝”)共同研发出全球首款[1]4.5-kV双栅极反向传导栅极注入增强型晶体管(RC-IEGT[2][3])。东芝证实,其导通关断时的总功耗(开关损耗)比传统单栅极结构降低24%[4]

功率器件是供电和管理电源的组件,对于降低各种电子设备功耗和实现碳中和社会至关重要。在全球脱碳和节能的趋势下,IEGT被广泛用于大功率逆变器和高压直流输电等需要大电流、高能效,以及更低功率损耗的应用。由于在IEGT开启时降低损耗(导通损耗)增加开关损耗,因此很难降低IEGT功耗。

东芝开发了一种4.5kV双栅极RC-IEGT,其空穴控制栅极(CG)与主栅极(MG)分离。与单栅极器件中的反向恢复相比,这种方法通过在关断和注入之前控制空穴提取来降低损耗。在IEGT模式下,电流从基板的背面流向正面,CG关断之后MG关断,减少基板中累积的空穴,降低关断损耗[5]。在二极管模式下,电流从基板正面流向背面,MG和CG在反向恢复之前同时导通,减少了基板中累积的电子,减少了反向恢复损耗[6]

新开发的双栅极RC-IEGT结合栅极控制技术,关断和导通损耗[7]分别比传统单栅极结构降低24%和18%[4],反向恢复损耗降低32%[4]。因此,实际测量值中总开关损耗降低24%[4],而导通损耗没有任何增加。

5月22日至25日,加拿大温哥华举行的线上2022年IEEE国际功率半导体器件和集成电路国际研讨会(ISPSD)报告了这一成果的详细信息。

东芝将继续研发双栅极RC-IEGT和栅极控制技术,力争2025年之后实现商业化。东芝致力于通过提高电力电子设备性能,为碳中和做出贡献。

注:
[1]截至2022年5月,东芝调查。
[2]IEGT:栅极注入增强型晶体管。通过设计IGBT(绝缘栅双极晶体管)发射极元件结构,IEGT改善通态电压随集电极-发射极电压增加而急剧升高的问题。
[3]RC-IEGT:反向传导IEGT。IEGT和续流二极管(FWD)集成在单个芯片上。栅极加电压,IEGT工作时基板正面流动发射极电子,基板背面流动集电极空穴,而RC-IEGT工作时基板正面流动空穴,背面流动电子,续流二极管允许电流反向流动。
[4]与东芝现有单栅极IEGT比较;东芝测试结果。
[5]关断损耗:IEGT从导通切换到关断时的功率损耗。
[6]反向恢复损耗:续流二极管从导通切换到关断时的功率损耗。
[7]导通损耗:IEGT从关断切换到导通时的功率损耗。

东芝新型双栅极RC-IEGT结构

(a)	传统单栅极结构
(b)带空穴控制栅极的双栅极RC-IEGT
(c)制作的器件

实际测量的开关波形(东芝测试结果)

关断开关波形
反向恢复开关波形

实际测量的开关损耗下降(东芝测试结果)

实际测量的开关损耗下降(东芝测试结果)

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