用于IGBT與功率MOSFET的柵驅(qū)動(dòng)器通用芯片

1　引言
　　scale-2芯片組是專門為適應(yīng)當(dāng)今igbt與功率mosfet柵驅(qū)動(dòng)器的功能需求而設(shè)計(jì)的。這些需求包括：可擴(kuò)展的分離式開通與關(guān)斷門級(jí)電流通路;功率半導(dǎo)體器件在關(guān)斷時(shí)的輸出電壓可以為有源箝位提供支持;多電平變換器與并聯(lián)功率器件的專業(yè)控制功能的兼容性;可以選擇使用低成本的雙向信號(hào)的變壓器接口或抗電磁干擾光纖接口;可擴(kuò)展設(shè)置，并具備故障管理;次級(jí)故障信號(hào)輸入/輸出，3.3v到15v的邏輯兼容性。
　　在延伸漏極雙井雙柵氧cmos制造工藝中使用了這個(gè)芯片組，它包括幾個(gè)不盡相同的次級(jí)智能門級(jí)驅(qū)動(dòng)（igd）asic和一個(gè)初級(jí)邏輯驅(qū)動(dòng)插口（ldi）asic。
2　集成的柵驅(qū)動(dòng)器核心

　　圖1所示為柵驅(qū)動(dòng)器asic原型的顯微照片。它的有源區(qū)約為：
　　4 mm×2mm。常規(guī)封裝是一個(gè)在高電流接口有著雙引線鍵合的soic-16。在成本非常低的情況下，不同的接合法常被用來控制不同的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的專業(yè)功能，包括可以選擇使用雙向信號(hào)變壓器接口或雙向光導(dǎo)纖維接口。這個(gè)高度集成的柵驅(qū)動(dòng)器核心包含一個(gè)輸出電流與泄放電流為5.5a的輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，同時(shí)支持對(duì)外置的n型mosfet的直接驅(qū)動(dòng)，這樣就可以輕松放大柵極功率和柵極電流分別達(dá)到20w與20a甚至更大。半橋推挽式輸出級(jí)為在低成本的擴(kuò)展，幾個(gè)柵驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)與不依賴關(guān)斷柵極-發(fā)射極電壓的操作控制性都提供了可能。
　　先進(jìn)的控制功能以及專門為客戶提供的選項(xiàng)可以通過在可編程的單層掩膜上預(yù)置復(fù)合信號(hào)單元以及簡單器件（例如模擬比較器，邏輯門，cmos晶體管，接口），實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間內(nèi)以具有競爭力的價(jià)格投入市場。
 

　　初級(jí)邏輯驅(qū)動(dòng)插口（ldi）asic實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙溝道雙向變壓器接口，一個(gè)帶有專用啟動(dòng)序列可擴(kuò)展的dc-dc轉(zhuǎn)換器，并且具有可擴(kuò)展設(shè)置和故障管理功能。圖2所示為邏輯驅(qū)動(dòng)插口asic原型的顯微照片，其有源區(qū)約為4mm × 2 mm，常規(guī)封裝為soic-16。
　　為了提高igbt的抗短路能力，一般在開啟過程和導(dǎo)通狀態(tài)下將其柵極-發(fā)射極電壓限制在+15v以下。由于近來的igbt的閾值柵壓已經(jīng)超過3v，所以在關(guān)斷過程和斷開狀態(tài)下把柵極-發(fā)射極電壓設(shè)置為0v就足夠了。這對(duì)于直接把柵驅(qū)動(dòng)器集成在功率模塊中的智能功率模塊（ipm）來說是一種慣例。與這些小型的ipm相比，現(xiàn)今常規(guī)的大型igbt模塊，帶有36個(gè)以上的并聯(lián)igbt芯片，它的柵極互連線產(chǎn)生的電阻以及集電極-柵極轉(zhuǎn)移電容都會(huì)增大，這會(huì)對(duì)它的關(guān)斷速度，抗噪聲特性造成嚴(yán)重的影響，特別是還有可能產(chǎn)生由于瞬間電壓導(dǎo)致的局部誤導(dǎo)通。為了減少這些影響，柵極-發(fā)射極關(guān)斷電壓通常設(shè)定為-5v—15 v。
　　因此，在第一種工作模式下，igdasic可以通過在“vee”管腳（見圖3）調(diào)節(jié)發(fā)射極電壓的方式，提供給開啟導(dǎo)通狀態(tài)一個(gè)調(diào)節(jié)過的+15v柵極-發(fā)射極電壓來作為整個(gè)柵驅(qū)動(dòng)器的供給電壓，其測量精確度為±450mv，工藝偏差在3σ內(nèi)，溫度范圍為400℃—1250℃。驅(qū)動(dòng)直流電流必須被限制在 2.8ma以下，這樣外部元件就可以控制將柵極-發(fā)射極電壓設(shè)定為用戶需要的值。
 

　　由于柵驅(qū)動(dòng)器的總供給電壓在 20.5 v以下，所以驅(qū)動(dòng)器需要使柵極-發(fā)射極電壓保持在-5.5v左右，這樣關(guān)斷狀態(tài)才可以抗噪聲干擾。在這種工作模式下，監(jiān)測到柵極-發(fā)射極開啟電壓小于12.6 v，關(guān)斷電壓小于5.15v時(shí)故障清除模式就會(huì)判斷出錯(cuò)。與之相應(yīng)的啟動(dòng)電路與噪聲濾波也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。柵驅(qū)動(dòng)器的推薦供給電壓范圍為20.5 v—30v。在第二種工作模式，也就是mosfet模式下，asic同樣提供了一個(gè)0v的關(guān)斷電壓。一旦這種模式被asic監(jiān)測到，故障清除模式將把開啟電壓8.5v作為判斷出錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測關(guān)斷電壓的電路以及+15v的控制電路都將失效。這種模式下的推薦柵驅(qū)動(dòng)器供給電壓為10 v—17.5 v。
　　igbt是電壓控制器件。通常，柵驅(qū)動(dòng)器是用電壓源來實(shí)現(xiàn)的，柵電流可以通過選擇適當(dāng)?shù)臇烹娮鑱碚{(diào)節(jié)。這里所使用的柵驅(qū)動(dòng)器的開通和關(guān)斷輸出級(jí)都是利用擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝制造的n型ldmos晶體管實(shí)現(xiàn)的。
　　橫向器件的限制因素在于，對(duì)于相同的導(dǎo)通電阻更耗費(fèi)硅片面積，而且在一定的柵極-源極電壓下，一旦超過給定的工藝和溫度，飽和電流以及導(dǎo)通電阻將產(chǎn)生很大的變化。對(duì)于一個(gè)不增加成本的實(shí)例，柵驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)，導(dǎo)通電阻為1.1ω，偏差±40%，假定外部的柵電阻為3.3ω，那么將引起柵電流±10%的變化。此外，隨著在高結(jié)溫下dmos飽和電流的減小，它有可能到達(dá)柵電流峰值所需要的最小值，導(dǎo)通電阻的變化將進(jìn)一步地增大。最終將導(dǎo)致增加igbt柵電荷移動(dòng)的延遲時(shí)間。這種時(shí)間上的延遲將對(duì)并聯(lián)的igbt與獨(dú)立的柵驅(qū)動(dòng)器的電流分配產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
 

　　圖4　用來測評(píng)的即插即用型單通道igbt驅(qū)動(dòng)器，柵級(jí)性能達(dá)到20a、20w，帶有先進(jìn)的有源箝位功能，一個(gè)雙向信號(hào)變壓器接口和一個(gè)光纖接口，可以選擇使用高或低閾值vce監(jiān)測。電路示意圖（上圖），實(shí)物圖（左下圖），igbt關(guān)斷波形圖（右下圖）。
　　大型的集成dmos晶體管被一個(gè)根據(jù)工藝和溫度變化的柵極-源極電壓驅(qū)動(dòng)。此外，關(guān)斷輸出級(jí)工作在柵極-源極電壓低于5.5v的情況下時(shí)，源極導(dǎo)線電阻引起的電壓降落同樣會(huì)被補(bǔ)償。只要有可能，有著減薄柵氧層的高電壓輸出電路都要在源極輸入電壓低于5.5v的條件下工作來增加單位面積的跨導(dǎo)，從而降低成本并減小信號(hào)的延遲。如果有可能，數(shù)字、模擬電路要配合雙輸出為5v的自備供電設(shè)備使用，這種設(shè)備已經(jīng)完全被集成在asic中了。
　　這些測量方法同樣可以對(duì)igbt瞬態(tài)工作進(jìn)行精確的控制。這幾年來，有源箝位被廣泛的應(yīng)用于igbt的關(guān)斷［1，2］，以便限制集電極-發(fā)射極電壓。除了具有有源箝位的功能外，asic合并了電路，實(shí)現(xiàn)了在igbt關(guān)斷時(shí)，對(duì)集電極-發(fā)射極電壓上升速度和箝位水平的閉環(huán)控制。所以，在整個(gè)的斷開過程中，igbt內(nèi)部的dmos柵溝道都是導(dǎo)通的。有源箝位較高的響應(yīng)速度可以減少關(guān)斷時(shí)的開關(guān)損耗，從而提高短路時(shí)的關(guān)斷能力。圖4所示為一個(gè)用來測評(píng)的即插即用scale-2型igbt驅(qū)動(dòng)器，它的有源箝位功能得到了改良，以及一個(gè)3300v、400a的igbt模塊的短路關(guān)斷波形。柵驅(qū)動(dòng)器和dc-dc變換器輸出級(jí)都使用了外置的n型dmos，這樣一來驅(qū)動(dòng)器的柵級(jí)性能可以達(dá)到20 a、20w，并且具有目前大部分的常用功能。這些功能包含一個(gè)雙向信號(hào)變壓器接口和幾個(gè)光纖接口，多電平模式，閉鎖時(shí)間，igbt短路集電極-發(fā)射極電壓在額定電壓3300v或以上時(shí)通過感應(yīng)電阻的高閾值監(jiān)測，不足3300v時(shí)則通過感應(yīng)二極管的低閾值監(jiān)測。
　　對(duì)于關(guān)斷輸出級(jí)來說，經(jīng)過工藝和溫度補(bǔ)償?shù)臇艠O-源極電壓在開啟狀態(tài)下由一個(gè)適合的電荷泵電路提供，在斷開狀態(tài)下由一個(gè)自舉的電平驅(qū)動(dòng)提供。除了一個(gè)外部的電容以外，這些都已經(jīng)集成在芯片里了。這使得輸出脈沖的占空比可以在0-1之間變化，并且可以支持對(duì)外置的n型mosfet的直接驅(qū)動(dòng)，這樣?xùn)膨?qū)動(dòng)器的柵極功率和電流就可以輕松擴(kuò)展了。盡管生產(chǎn)變復(fù)雜了，這種解決方案卻并不浪費(fèi)硅片面積，它占用的硅片面積只是簡單的p-mos輸出級(jí)所占用的面積。
　　前置驅(qū)動(dòng)級(jí)通過使用分離的門級(jí)電阻分別控制開啟和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)最佳性能，可以直接驅(qū)動(dòng)?xùn)烹娙莞哌_(dá)15 nc的外置n型dmos。驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到20a 、20 w的igbt驅(qū)動(dòng)器，開關(guān)頻率可以達(dá)到750 khz（間歇式），300 khz（連續(xù)式），延遲時(shí)間少于50ns。asic在驅(qū)動(dòng)級(jí)提供了可編程的單層掩膜的死區(qū)時(shí)間，以此來滿足用戶定制的需要，使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。
3　設(shè)置與故障管理
　　雙向變壓器接口不論指令信號(hào)還是錯(cuò)誤信號(hào)都同樣傳送，通過短脈寬的單脈沖來實(shí)現(xiàn)最短的指令信號(hào)延遲時(shí)間。如果這兩種信號(hào)遇到?jīng)_突，錯(cuò)誤信號(hào)對(duì)于指令信號(hào)和dv/dt耐量占優(yōu)勢(shì)，將導(dǎo)致長脈沖寬度的噪聲電流。差分信號(hào)用一個(gè)40v的高線性輸入電壓處理，軟箝位被用來增強(qiáng)共模噪聲抑制。為了防止出現(xiàn)反沖電壓，將通過集成的阻尼電阻和專門的最小脈沖時(shí)間來估測，而不需要額外的信號(hào)延遲時(shí)間。假設(shè)耦合電容為4pf，達(dá)到》50v/ns 的超強(qiáng)抗干擾性，可以抵抗高達(dá)3300v的電壓波動(dòng)。
　　由于任何故障狀況都將在1微秒內(nèi)傳遞到初級(jí)端，異步故障傳遞方式可以使并聯(lián)igbt與多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的專用時(shí)鐘需求得以實(shí)現(xiàn)。為了將這種情況的時(shí)間偏差減到最小，電路要通過補(bǔ)償消除溫度和工藝誤差的影響。首選的故障管理模式是在相關(guān)的igbt關(guān)斷之前報(bào)告錯(cuò)誤信息。關(guān)斷之前的延遲時(shí)間是可以在igdasic中調(diào)整的，在幾微秒范圍內(nèi)，也可以設(shè)置為0或無限大。
　　直接模式并沒有在驅(qū)動(dòng)器的通路間提供任何組合邏輯或時(shí)序邏輯的相互作用。
　　這種模式給用戶提供了最大的靈活性，因此成為高級(jí)微控制器協(xié)作系統(tǒng)的首選。在第二種模式，也就是半橋模式中，asic使用一個(gè)輸入端作為公有的指令信號(hào)，用兩個(gè)具有死區(qū)時(shí)間的輸出端（一個(gè)正向和一個(gè)反向）去避免各個(gè)igbt之間的橋臂貫通現(xiàn)象。這種模式和死區(qū)時(shí)間可以根據(jù)特殊應(yīng)用的需要而調(diào)整，調(diào)整時(shí)通過兩個(gè)或典型的六個(gè)通道為一組中的一個(gè)通道內(nèi)的單個(gè)電阻來實(shí)現(xiàn)。第三種的預(yù)置模式可以實(shí)現(xiàn)互鎖或者互斥功能（帶有或不帶有死區(qū)時(shí)間），用戶的需求可以通過修改單層掩膜版來實(shí)現(xiàn)。
　　在初級(jí)端，任何故障狀況都會(huì)通過閉鎖時(shí)間延長幾毫秒。在這段時(shí)間內(nèi)，相關(guān)的通道都會(huì)保持在關(guān)閉狀態(tài)下。這段時(shí)間的長度可以通過兩個(gè)或典型的六個(gè)通道為一組中的一個(gè)通道內(nèi)的單個(gè)電阻來調(diào)整或者設(shè)置為0。
4　應(yīng)用
　　scale-2型芯片組作為核心平臺(tái)應(yīng)用于新一代的igbt柵驅(qū)動(dòng)器。相比于以前的芯片組，一個(gè)完整的即插即用igbt驅(qū)動(dòng)器的所有組成部分的成本可以減少60%以上［3］。
　　圖5　帶有外置n型dmos驅(qū)動(dòng)器級(jí)的雙通道igbt驅(qū)動(dòng)器核心，柵級(jí)性能為20a/4w（左圖），柵極性能為5.5a/0.8w的完全集成版（右圖）。
 

　　圖5 帶有外置n型dmos驅(qū)動(dòng)器級(jí)的雙通道igbt驅(qū)動(dòng)器核心，柵級(jí)性能為：20 a /4 w，柵極性能為5.5 a / 0.8w的完全集成版。圖5（左）所示為一個(gè)雙通道柵驅(qū)動(dòng)器核心，它的驅(qū)動(dòng)能力為20 a， 4 w， +15 v /-10v，柵驅(qū)動(dòng)器和dc-dc變換器輸出級(jí)使用的都是外置n型dmos：它具有雙向信號(hào)變壓器接口，提供可調(diào)整的操作模式、死區(qū)時(shí)間、閉鎖時(shí)間、先進(jìn)的有源箝位功能和一個(gè)次級(jí)故障輸入端。典型的延遲時(shí)間為110ns。代表性的應(yīng)用包括對(duì)于1700 v / 200 a，開關(guān)頻率達(dá)到75 khz的igbt進(jìn)行半橋式控制。
　　圖5（右）所示為一個(gè)相似的雙通道柵驅(qū)動(dòng)器核心，它的驅(qū)動(dòng)能力為5.5 a， 0.8 w， +15 v/-10v，柵驅(qū)動(dòng)器和dc-dc變換器輸出級(jí)都是完全集成的。典型的延遲時(shí)間為88ns。體積小，更容易擴(kuò)展到7通道以及其低廉的成本使得它成為驅(qū)動(dòng)1700 v/225a igbt的最佳選擇。代表性的應(yīng)用包括對(duì)于1700v / 100 a，開關(guān)頻率達(dá)到25 khz，或者是600 v / 50 a，開關(guān)頻率達(dá)到75 khz的igbt進(jìn)行半橋式控制。
5　前景
　　在過去的10年里，scale技術(shù)已經(jīng)在市場上被確立為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，concept公司擁有的scale-2芯片組將得到更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。這個(gè)芯片組作為實(shí)現(xiàn)新一代igbt柵驅(qū)動(dòng)器的核心平臺(tái)，在可靠性、功能性、可擴(kuò)展性、成本以及投入到市場的時(shí)間方面都有所提高。這些提高要?dú)w功于使用被大規(guī)模應(yīng)用的scale型驅(qū)動(dòng)器，它經(jīng)過了廣泛的試用與測試。