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用于IGBT与功率MOSFET的栅驱动器通用芯片
作 者:北京工业大学 游雪兰 吴 郁 张彦飞 译

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 智能栅驱动器(igd)的显微照片与分区示意图

  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×2 mm。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5.5 a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。

图2 逻辑驱动插口(ldi)的显微照片与分区示意图


  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4 mm × 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+15 v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-5 v—15 v。
  因此,在第一种工作模式下,igd asic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+15 v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±450 mv,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 2.8 ma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。

图3 高度集成的scale-2型双通道igbt驱动器核心示意图


  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-5.5 v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5.15 v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—30 v。在第二种工作模式,也就是mosfet模式下,asic同样提供了一个0 v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+15 v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。

图4 用来测评的即插即用型单通道igbt驱动器,栅级性能达到20a、20w,带有先进的有源箝位功能,一个双向信号变压器接口和一个光纤接口,可以选择使用高或低阈值vce监测。电路示意图(上图),实物图(左下图),igbt关断波形图(右下图)。

  图4 用来测评的即插即用型单通道igbt驱动器,栅级性能达到20a 、20 w,带有先进的有源箝位功能,一个双向信号变压器接口和一个光纤接口,可以选择使用高或低阈值vce监测。电路示意图(上图),实物图(左下图),igbt关断波形图(右下图)。
  大型的集成dmos晶体管被一个根据工艺和温度变化的栅极-源极电压驱动。此外,关断输出级工作在栅极-源极电压低于5.5 v的情况下时,源极导线电阻引起的电压降落同样会被补偿。只要有可能,有着减薄栅氧层的高电压输出电路都要在源极输入电压低于5.5 v的条件下工作来增加单位面积的跨导,从而降低成本并减小信号的延迟。如果有可能,数字、模拟电路要配合双输出为5 v的自备供电设备使用,这种设备已经完全被集成在asic中了。
  这些测量方法同样可以对igbt瞬态工作进行精确的控制。这几年来,有源箝位被广泛的应用于igbt的关断[1,2],以便限制集电极-发射极电压。除了具有有源箝位的功能外,asic合并了电路,实现了在igbt关断时,对集电极-发射极电压上升速度和箝位水平的闭环控制。所以,在整个的断开过程中,igbt内部的dmos栅沟道都是导通的。有源箝位较高的响应速度可以减少关断时的开关损耗,从而提高短路时的关断能力。图4所示为一个用来测评的即插即用scale-2型igbt驱动器,它的有源箝位功能得到了改良,以及一个3300 v、400 a的igbt模块的短路关断波形。栅驱动器和dc-dc变换器输出级都使用了外置的n型dmos,这样一来驱动器的栅级性能可以达到20 a 、20 w,并且具有目前大部分的常用功能。这些功能包含一个双向信号变压器接口和几个光纤接口,多电平模式,闭锁时间,igbt短路集电极-发射极电压在额定电压3300v或以上时通过感应电阻的高阈值监测,不足3300v时则通过感应二极管的低阈值监测。
  对于关断输出级来说,经过工艺和温度补偿的栅极-源极电压在开启状态下由一个适合的电荷泵电路提供,在断开状态下由一个自举的电平驱动提供。除了一个外部的电容以外,这些都已经集成在芯片里了。这使得输出脉冲的占空比可以在0-1之间变化,并且可以支持对外置的n型mosfet的直接驱动,这样栅驱动器的栅极功率和电流就可以轻松扩展了。尽管生产变复杂了,这种解决方案却并不浪费硅片面积,它占用的硅片面积只是简单的p-mos输出级所占用的面积。
前置驱动级通过使用分离的门级电阻分别控制开启和关断来实现最佳性能,可以直接驱动栅电容高达15 nc的外置n型dmos。驱动能力达到20 a 、20 w的igbt驱动器,开关频率可以达到750 khz(间歇式),300 khz(连续式),延迟时间少于50 ns。asic在驱动级提供了可编程的单层掩膜的死区时间,以此来满足用户定制的需要,使设计达到最优化。

3 设置与故障管理
  双向变压器接口不论指令信号还是错误信号都同样传送,通过短脉宽的单脉冲来实现最短的指令信号延迟时间。如果这两种信号遇到冲突,错误信号对于指令信号和dv/dt耐量占优势,将导致长脉冲宽度的噪声电流。差分信号用一个40v的高线性输入电压处理,软箝位被用来增强共模噪声抑制。为了防止出现反冲电压,将通过集成的阻尼电阻和专门的最小脉冲时间来估测,而不需要额外的信号延迟时间。假设耦合电容为4pf,达到>50 v/ns 的超强抗干扰性,可以抵抗高达3300v的电压波动。
  由于任何故障状况都将在1微秒内传递到初级端,异步故障传递方式可以使并联igbt与多电平变换器拓扑结构的专用时钟需求得以实现。为了将这种情况的时间偏差减到最小,电路要通过补偿消除温度和工艺误差的影响。首选的故障管理模式是在相关的igbt关断之前报告错误信息。关断之前的延迟时间是可以在igd asic中调整的,在几微秒范围内,也可以设置为0或无限大。
直接模式并没有在驱动器的通路间提供任何组合逻辑或时序逻辑的相互作用。 这种模式给用户提供了最大的灵活性,因此成为高级微控制器协作系统的首选。在第二种模式,也就是半桥模式中,asic使用一个输入端作为公有的指令信号,用两个具有死区时间的输出端(一个正向和一个反向)去避免各个igbt之间的桥臂贯通现象。这种模式和死区时间可以根据特殊应用的需要而调整,调整时通过两个或典型的六个通道为一组中的一个通道内的单个电阻来实现。第三种的预置模式可以实现互锁或者互斥功能(带有或不带有死区时间),用户的需求可以通过修改单层掩膜版来实现。
  在初级端,任何故障状况都会通过闭锁时间延长几毫秒。在这段时间内,相关的通道都会保持在关闭状态下。这段时间的长度可以通过两个或典型的六个通道为一组中的一个通道内的单个电阻来调整或者设置为0。

4 应用
  scale-2型芯片组作为核心平台应用于新一代的igbt栅驱动器。相比于以前的芯片组,一个完整的即插即用igbt驱动器的所有组成部分的成本可以减少60%以上[3]。

图5 带有外置n型dmos驱动器级的双通道igbt驱动器核心,栅级性能为
20a/4w(左图),栅极性能为5.5a/0.8w的完全集成版(右图)。


  图5 带有外置n型dmos驱动器级的双通道igbt驱动器核心,栅级性能为:20 a /4 w,栅极性能为5.5 a / 0.8 w的完全集成版。图5(左)所示为一个双通道栅驱动器核心,它的驱动能力为20 a, 4 w, +15 v /-10 v,栅驱动器和dc-dc变换器输出级使用的都是外置n型dmos:它具有双向信号变压器接口,提供可调整的操作模式、死区时间、闭锁时间、先进的有源箝位功能和一个次级故障输入端。典型的延迟时间为110 ns。代表性的应用包括对于1700 v / 200 a,开关频率达到75 khz的igbt进行半桥式控制。

  图5(右)所示为一个相似的双通道栅驱动器核心,它的驱动能力为5.5 a, 0.8 w, +15 v /-10v,栅驱动器和dc-dc变换器输出级都是完全集成的。典型的延迟时间为88 ns。体积小,更容易扩展到7通道以及其低廉的成本使得它成为驱动1700 v/225a igbt的最佳选择。代表性的应用包括对于1700 v / 100 a,开关频率达到25 khz,或者是600 v / 50 a,开关频率达到75 khz的igbt进行半桥式控制。

5 前景
  在过去的10年里,scale技术已经在市场上被确立为工业界的标准,concept公司拥有的scale-2芯片组将得到更加长远的发展。这个芯片组作为实现新一代igbt栅驱动器的核心平台,在可靠性、功能性、可扩展性、成本以及投入到市场的时间方面都有所提高。这些提高要归功于使用被大规模应用的scale型驱动器,它经过了广泛的试用与测试。

(原文于“2007年德国纽伦堡pcim欧洲会议”上发表和汇编出版。)

[我要评论] | 本文来自:2008年第1期“国际电力电子技术”上 ,已经被阅读过78597
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