东芝的三栅极IGBT功率半导体将开关功率损耗降低了40.5%

东芝公司开发了一种原型三栅极 IGBT，可在用于控制电力的功率半导体中，在开启和关闭(开关损耗)(允许和停止电流的过程)时将总功率损耗降低多达 40.5%。

由于在 IGBT 导通时降低损耗(传导损耗)会增加开关损耗，因此很难降低IGBT 的功率损耗。东芝通过开发具有三个栅电极的新结构和提供高精度栅电极开关的栅极控制技术的硅 IGBT 来解决这个问题。新器件将导通损耗降低了 50%，关断损耗降低了 28%，与传统的单栅电极 IGBT 相比，总体降低了 40.5%，而导通损耗没有增加。

提高功率半导体的能效被视为实现碳中和的必要条件，特别是通过实现更高效率的 IGBT，即许多产品和设备中使用的功率半导体。新技术有望提高电力系统中电源转换器的效率，包括可再生能源系统、电动汽车、铁路和工业设备。东芝将在 5 月 30 日至 6 月 3 日举行的国际在线会议 ISPSD2021 上展示该技术。

控制电力流动的功率半导体用于发电、输电、存储和优化使用的各个方面，对于确保电力供应稳定性和降低消耗至关重要。近年来，随着电动汽车的日益普及和可再生能源的广泛使用，功率半导体市场不断扩大，朝着实现碳中和经济迈进。2020 年 10 月，政府设定了到 2050 年实现碳中和的目标，这样的举措有望进一步刺激市场增长。

这些发展也推动了提高功率半导体性能的努力，尤其是安装在各种电气系统中的功率转换器中的 IGBT、高压功率半导体。提高 IGBT 能效将大大有助于实现碳中和。

可以通过增加保持在器件上的电子和空穴的数量来减少传导损耗，但这会增加开关损耗。过去 30 年来，硅基 IGBT 一直在通过改进结构来减轻传导损耗和开关损耗之间的权衡，但近年来一直没有突破。

东芝开发了三栅极 IGBT 和栅极控制技术，通过从栅极驱动电路侧灵活控制电子和空穴的积累，显着降低了开关损耗。

三个门，即主门 (MG)、主控制门 (CGp) 和副控制门 (CG)，可以独立驱动。栅极导通时，延迟CGs并先导通MG和CGp，确保三个栅极同时大量电子和空穴流出，并以更快的速度在IGBT中积累，实现更快的开关时间和更低的导通损耗. 当关闭栅极时，通过在 MG 之前关闭 CGp 来减少器件内部的电子和空穴，同时保持 CG 关闭。当MG关断时，IGBT完全关断，电子和空穴高速消失，降低关断损耗。

通过将三栅 IGBT 与栅极控制技术相结合，与传统 IGBT 相比，开通和关断损耗分别降低了 50% 和 28%，整体开关损耗降低了高达 40.5%。这些技术实现了IGBT功率损耗的显着降低，将大大有助于功率转换器的功率损耗降低。

展望未来，公司将通过进一步研发采用新技术的功率半导体，实现早期商业化。此外，通过利用这些技术提高各种电力电子设备的性能效率，公司将为实现碳中和经济做出贡献。

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