用于IGBT与功率MOSFET的栅驱动器通用芯片

分类：技术教程日期：2012-12-20 00:00:00 来源：西部工控网

　　1　引言

　　scale-2芯片组是专门为适应当今igbt与功率mosfet栅驱动器的功能需求而设计的。这些需求包括：可扩展的分离式开通与关断门级电流通路;功率半导体器件在关断时的输出电压可以为有源箝位提供支持;多电平变换器与并联功率器件的专业控制功能的兼容性;可以选择使用低成本的双向信号的变压器接口或抗电磁干扰光纤接口;可扩展设置，并具备故障管理;次级故障信号输入/输出，3.3v到15v的逻辑兼容性。

　　在延伸漏极双井双栅氧cmos制造工艺中使用了这个芯片组，它包括几个不尽相同的次级智能门级驱动(igd)asic和一个初级逻辑驱动插口(ldi)asic。

　　2　集成的栅驱动器核心

　　图1所示为栅驱动器asic原型的显微照片。它的有源区约为：

　　4 mm×2mm。常规封装是一个在高电流接口有着双引线键合的soic-16。在成本非常低的情况下，不同的接合法常被用来控制不同的标准产品的专业功能，包括可以选择使用双向信号变压器接口或双向光导纤维接口。这个高度集成的栅驱动器核心包含一个输出电流与泄放电流为5.5a的输出驱动级，同时支持对外置的n型mosfet的直接驱动，这样就可以轻松放大栅极功率和栅极电流分别达到20w与20a甚至更大。半桥推挽式输出级为在低成本的扩展，几个栅驱动器并联与不依赖关断栅极-发射极电压的操作控制性都提供了可能。

　　先进的控制功能以及专门为客户提供的选项可以通过在可编程的单层掩膜上预置复合信号单元以及简单器件(例如模拟比较器，逻辑门，cmos晶体管，接口)，实现在最短的时间内以具有竞争力的价格投入市场。

　　初级逻辑驱动插口(ldi)asic实现了一个双沟道双向变压器接口，一个带有专用启动序列可扩展的dc-dc转换器，并且具有可扩展设置和故障管理功能。图2所示为逻辑驱动插口asic原型的显微照片，其有源区约为4mm × 2 mm，常规封装为soic-16。

　　为了提高igbt的抗短路能力，一般在开启过程和导通状态下将其栅极-发射极电压限制在+15v以下。由于近来的igbt的阈值栅压已经超过3v，所以在关断过程和断开状态下把栅极-发射极电压设置为0v就足够了。这对于直接把栅驱动器集成在功率模块中的智能功率模块(ipm)来说是一种惯例。与这些小型的ipm相比，现今常规的大型igbt模块，带有36个以上的并联igbt芯片，它的栅极互连线产生的电阻以及集电极-栅极转移电容都会增大，这会对它的关断速度，抗噪声特性造成严重的影响，特别是还有可能产生由于瞬间电压导致的局部误导通。为了减少这些影响，栅极-发射极关断电压通常设定为-5v—15 v。

　　因此，在第一种工作模式下，igdasic可以通过在“vee”管脚(见图3)调节发射极电压的方式，提供给开启导通状态一个调节过的+15v栅极-发射极电压来作为整个栅驱动器的供给电压，其测量精确度为±450mv，工艺偏差在3σ内，温度范围为400℃—1250℃。驱动直流电流必须被限制在 2.8ma以下，这样外部元件就可以控制将栅极-发射极电压设定为用户需要的值。

　　由于栅驱动器的总供给电压在 20.5 v以下，所以驱动器需要使栅极-发射极电压保持在-5.5v左右，这样关断状态才可以抗噪声干扰。在这种工作模式下，监测到栅极-发射极开启电压小于12.6 v，关断电压小于5.15v时故障清除模式就会判断出错。与之相应的启动电路与噪声滤波也已经实现。栅驱动器的推荐供给电压范围为20.5 v—30v。在第二种工作模式，也就是mosfet模式下，asic同样提供了一个0v的关断电压。一旦这种模式被asic监测到，故障清除模式将把开启电压8.5v作为判断出错的标准。监测关断电压的电路以及+15v的控制电路都将失效。这种模式下的推荐栅驱动器供给电压为10 v—17.5 v。

　　igbt是电压控制器件。通常，栅驱动器是用电压源来实现的，栅电流可以通过选择适当的栅电阻来调节。这里所使用的栅驱动器的开通和关断输出级都是利用扩展标准cmos工艺制造的n型ldmos晶体管实现的。

　　横向器件的限制因素在于，对于相同的导通电阻更耗费硅片面积，而且在一定的栅极-源极电压下，一旦超过给定的工艺和温度，饱和电流以及导通电阻将产生很大的变化。对于一个不增加成本的实例，栅驱动器的输出级，导通电阻为1.1ω，偏差±40%，假定外部的栅电阻为3.3ω，那么将引起栅电流±10%的变化。此外，随着在高结温下dmos饱和电流的减小，它有可能到达栅电流峰值所需要的最小值，导通电阻的变化将进一步地增大。最终将导致增加igbt栅电荷移动的延迟时间。这种时间上的延迟将对并联的igbt与独立的栅驱动器的电流分配产生严重影响。