用于IGBT與功率MOSFET的柵驅動器通用芯片

　　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動(igd)asic和一個初級邏輯驅動插口(ldi)asic。

　　2　集成的柵驅動器核心

　　圖1所示為柵驅動器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動器核心包含一個輸出電流與泄放電流為5.5a的輸出驅動級，同時支持對外置的n型mosfet的直接驅動，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)調節(jié)發(fā)射極電壓的方式，提供給開啟導通狀態(tài)一個調節(jié)過的+15v柵極-發(fā)射極電壓來作為整個柵驅動器的供給電壓，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。

　　由于柵驅動器的總供給電壓在 20.5 v以下，所以驅動器需要使柵極-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動器供給電壓為10 v—17.5 v。

　　igbt是電壓控制器件。通常，柵驅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{節(jié)。這里所使用的柵驅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)。