用于IGBT與功率MOSFET的柵驅(qū)動器通用芯片

1　引言
　　scale-2芯片組是專門為適應當今igbt與功率mosfet柵驅(qū)動器的功能需求而設計的。這些需求包括：可擴展的分離式開通與關斷門級電流通路;功率半導體器件在關斷時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的變壓器接口或抗電磁干擾光纖接口;可擴展設置，并具備故障管理;次級故障信號輸入/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芯片組，它包括幾個不盡相同的次級智能門級驅(qū)動（igd）asic和一個初級邏輯驅(qū)動插口（ldi）asic。
2　集成的柵驅(qū)動器核心

　　圖1所示為柵驅(qū)動器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準產(chǎn)品的專業(yè)功能，包括可以選擇使用雙向信號變壓器接口或雙向光導纖維接口。這個高度集成的柵驅(qū)動器核心包含一個輸出電流與泄放電流為5.5a的輸出驅(qū)動級，同時支持對外置的n型mosfet的直接驅(qū)動，這樣就可以輕松放大柵極功率和柵極電流分別達到20w與20a甚至更大。半橋推挽式輸出級為在低成本的擴展，幾個柵驅(qū)動器并聯(lián)與不依賴關斷柵極-發(fā)射極電壓的操作控制性都提供了可能。
　　先進的控制功能以及專門為客戶提供的選項可以通過在可編程的單層掩膜上預置復合信號單元以及簡單器件（例如模擬比較器，邏輯門，cmos晶體管，接口），實現(xiàn)在最短的時間內(nèi)以具有競爭力的價格投入市場。
 

　　初級邏輯驅(qū)動插口（ldi）asic實現(xiàn)了一個雙溝道雙向變壓器接口，一個帶有專用啟動序列可擴展的dc-dc轉換器，并且具有可擴展設置和故障管理功能。圖2所示為邏輯驅(qū)動插口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，所以在關斷過程和斷開狀態(tài)下把柵極-發(fā)射極電壓設置為0v就足夠了。這對于直接把柵驅(qū)動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-柵極轉移電容都會增大，這會對它的關斷速度，抗噪聲特性造成嚴重的影響，特別是還有可能產(chǎn)生由于瞬間電壓導致的局部誤導通。為了減少這些影響，柵極-發(fā)射極關斷電壓通常設定為-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，提供給開啟導通狀態(tài)一個調(diào)節(jié)過的+15v柵極-發(fā)射極電壓來作為整個柵驅(qū)動器的供給電壓，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)射極電壓設定為用戶需要的值。
 

　　由于柵驅(qū)動器的總供給電壓在 20.5 v以下，所以驅(qū)動器需要使柵極-發(fā)射極電壓保持在-5.5v左右，這樣關斷狀態(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，關斷電壓小于5.15v時故障清除模式就會判斷出錯。與之相應的啟動電路與噪聲濾波也已經(jīng)實現(xiàn)。柵驅(qū)動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0v的關斷電壓。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作為判斷出錯的標準。監(jiān)測關斷電壓的電路以及+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)動器是用電壓源來實現(xiàn)的，柵電流可以通過選擇適當?shù)臇烹娮鑱碚{(diào)節(jié)。這里所使用的柵驅(qū)動器的開通和關斷輸出級都是利用擴展標準cmos工藝制造的n型ldmos晶體管實現(xiàn)的。
　　橫向器件的限制因素在于，對于相同的導通電阻更耗費硅片面積，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，飽和電流以及導通電阻將產(chǎn)生很大的變化。對于一個不增加成本的實例，柵驅(qū)動器的輸出級，導通電阻為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，隨著在高結溫下dmos飽和電流的減小，它有可能到達柵電流峰值所需要的最小值，導通電阻的變化將進一步地增大。最終將導致增加igbt柵電荷移動的延遲時間。這種時間上的延遲將對并聯(lián)的igbt與獨立的柵驅(qū)動器的電流分配產(chǎn)生嚴重影響。
 

　　圖4　用來測評的即插即用型單通道igbt驅(qū)動器，柵級性能達到20a、20w，帶有先進的有源箝位功能，一個雙向信號變壓器接口和一個光纖接口，可以選擇使用高或低閾值vce監(jiān)測。電路示意圖（上圖），實物圖（左下圖），igbt關斷波形圖（右下圖）。
　　大型的集成dmos晶體管被一個根據(jù)工藝和溫度變化的柵極-源極電壓驅(qū)動。此外，關斷輸出級工作在柵極-源極電壓低于5.5v的情況下時，源極導線電阻引起的電壓降落同樣會被補償。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，從而降低成本并減小信號的延遲。如果有可能，數(shù)字、模擬電路要配合雙輸出為5v的自備供電設備使用，這種設備已經(jīng)完全被集成在asic中了。
　　這些測量方法同樣可以對igbt瞬態(tài)工作進行精確的控制。這幾年來，有源箝位被廣泛的應用于igbt的關斷［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，實現(xiàn)了在igbt關斷時，對集電極-發(fā)射極電壓上升速度和箝位水平的閉環(huán)控制。所以，在整個的斷開過程中，igbt內(nèi)部的dmos柵溝道都是導通的。有源箝位較高的響應速度可以減少關斷時的開關損耗，從而提高短路時的關斷能力。圖4所示為一個用來測評的即插即用scale-2型igbt驅(qū)動器，它的有源箝位功能得到了改良，以及一個3300v、400a的igbt模塊的短路關斷波形。柵驅(qū)動器和dc-dc變換器輸出級都使用了外置的n型dmos，這樣一來驅(qū)動器的柵級性能可以達到20 a、20w，并且具有目前大部分的常用功能。這些功能包含一個雙向信號變壓器接口和幾個光纖接口，多電平模式，閉鎖時間，igbt短路集電極-發(fā)射極電壓在額定電壓3300v或以上時通過感應電阻的高閾值監(jiān)測，不足3300v時則通過感應二極管的低閾值監(jiān)測。
　　對于關斷輸出級來說，經(jīng)過工藝和溫度補償?shù)臇艠O-源極電壓在開啟狀態(tài)下由一個適合的電荷泵電路提供，在斷開狀態(tài)下由一個自舉的電平驅(qū)動提供。除了一個外部的電容以外，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，并且可以支持對外置的n型mosfet的直接驅(qū)動，這樣柵驅(qū)動器的柵極功率和電流就可以輕松擴展了。盡管生產(chǎn)變復雜了，這種解決方案卻并不浪費硅片面積，它占用的硅片面積只是簡單的p-mos輸出級所占用的面積。
　　前置驅(qū)動級通過使用分離的門級電阻分別控制開啟和關斷來實現(xiàn)最佳性能，可以直接驅(qū)動柵電容高達15 nc的外置n型dmos。驅(qū)動能力達到20a 、20 w的igbt驅(qū)動器，開關頻率可以達到750 khz（間歇式），300 khz（連續(xù)式），延遲時間少于50ns。asic在驅(qū)動級提供了可編程的單層掩膜的死區(qū)時間，以此來滿足用戶定制的需要，使設計達到最優(yōu)化。
3　設置與故障管理
　　雙向變壓器接口不論指令信號還是錯誤信號都同樣傳送，通過短脈寬的單脈沖來實現(xiàn)最短的指令信號延遲時間。如果這兩種信號遇到?jīng)_突，錯誤信號對于指令信號和dv/dt耐量占優(yōu)勢，將導致長脈沖寬度的噪聲電流。差分信號用一個40v的高線性輸入電壓處理，軟箝位被用來增強共模噪聲抑制。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間來估測，而不需要額外的信號延遲時間。假設耦合電容為4pf，達到》50v/ns 的超強抗干擾性，可以抵抗高達3300v的電壓波動。
　　由于任何故障狀況都將在1微秒內(nèi)傳遞到初級端，異步故障傳遞方式可以使并聯(lián)igbt與多電平變換器拓撲結構的專用時鐘需求得以實現(xiàn)。為了將這種情況的時間偏差減到最小，電路要通過補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的igbt關斷之前報告錯誤信息。關斷之前的延遲時間是可以在igdasic中調(diào)整的，在幾微秒范圍內(nèi)，也可以設置為0或無限大。
　　直接模式并沒有在驅(qū)動器的通路間提供任何組合邏輯或時序邏輯的相互作用。
　　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使用一個輸入端作為公有的指令信號，用兩個具有死區(qū)時間的輸出端（一個正向和一個反向）去避免各個igbt之間的橋臂貫通現(xiàn)象。這種模式和死區(qū)時間可以根據(jù)特殊應用的需要而調(diào)整，調(diào)整時通過兩個或典型的六個通道為一組中的一個通道內(nèi)的單個電阻來實現(xiàn)。第三種的預置模式可以實現(xiàn)互鎖或者互斥功能（帶有或不帶有死區(qū)時間），用戶的需求可以通過修改單層掩膜版來實現(xiàn)。
　　在初級端，任何故障狀況都會通過閉鎖時間延長幾毫秒。在這段時間內(nèi)，相關的通道都會保持在關閉狀態(tài)下。這段時間的長度可以通過兩個或典型的六個通道為一組中的一個通道內(nèi)的單個電阻來調(diào)整或者設置為0。
4　應用
　　scale-2型芯片組作為核心平臺應用于新一代的igbt柵驅(qū)動器。相比于以前的芯片組，一個完整的即插即用igbt驅(qū)動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)動器級的雙通道igbt驅(qū)動器核心，柵級性能為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)動器級的雙通道igbt驅(qū)動器核心，柵級性能為：20 a /4 w，柵極性能為5.5 a / 0.8w的完全集成版。圖5（左）所示為一個雙通道柵驅(qū)動器核心，它的驅(qū)動能力為20 a， 4 w， +15 v /-10v，柵驅(qū)動器和dc-dc變換器輸出級使用的都是外置n型dmos：它具有雙向信號變壓器接口，提供可調(diào)整的操作模式、死區(qū)時間、閉鎖時間、先進的有源箝位功能和一個次級故障輸入端。典型的延遲時間為110ns。代表性的應用包括對于1700 v / 200 a，開關頻率達到75 khz的igbt進行半橋式控制。
　　圖5（右）所示為一個相似的雙通道柵驅(qū)動器核心，它的驅(qū)動能力為5.5 a， 0.8 w， +15 v/-10v，柵驅(qū)動器和dc-dc變換器輸出級都是完全集成的。典型的延遲時間為88ns。體積小，更容易擴展到7通道以及其低廉的成本使得它成為驅(qū)動1700 v/225a igbt的最佳選擇。代表性的應用包括對于1700v / 100 a，開關頻率達到25 khz，或者是600 v / 50 a，開關頻率達到75 khz的igbt進行半橋式控制。
5　前景
　　在過去的10年里，scale技術已經(jīng)在市場上被確立為工業(yè)界的標準，concept公司擁有的scale-2芯片組將得到更加長遠的發(fā)展。這個芯片組作為實現(xiàn)新一代igbt柵驅(qū)動器的核心平臺，在可靠性、功能性、可擴展性、成本以及投入到市場的時間方面都有所提高。這些提高要歸功于使用被大規(guī)模應用的scale型驅(qū)動器，它經(jīng)過了廣泛的試用與測試。