（电路与系统专业论文）栅极驱动光电耦合器芯片的研究与设计.pdf

摘要 栅极驱动光电耦合器x d 0 1 2 9 是一款用于驱动功率m o s f e t ( m e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r ) 或i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) 的驱动芯片。 论文首先概述了光电耦合器的组成、参数和作用，重点介绍了了红外发光二 极管的发光原理和硅光电二极管工作原理，并给出了硅光电二极管的模型。其次， 详细分析了功率m o s f e t 的内部结构，给出了其参数模型。最后依据功率m o s f e t 的参数模型和驱动原理，设计了栅极驱动光电耦合器x d 0 1 2 9 。x d 0 1 2 9 包括了输 入端的砷化铝镓( a 1 g a a s ) 发光二极管和输出端的驱动电路。基准模块中设计了 一个基于齐纳二极管稳压原理的预偏置电路，满足了宽电源电压范围的同时提高 了基准的精度；芯片内部集成了带迟滞的欠压闭锁模块，欠压时关断芯片并防止 了电源在阈值附近抖动引起的安全问题。 基于0 4 i n nb c d ( b i p o l a rc m o sd m o s ) 工艺对x d 0 1 2 9 的整体功能和电特 性指标进行了仿真验证。结果表明该芯片可在1 5 - 3 0 v 的电源电压范围内正常工 作；在负载为l o f t 电阻和l o n f 电容串联时的最大传输延迟为4 0 0 n s ，上升和下降 时间均为l o o n s ；欠压锁存的上阈值和下阈值电压分别为1 2 6 5 v 和1 1 1 5 v ，迟滞 电压为1 5 v ；典型情况下的峰值输出电流为2 0 a 。芯片性能满足设计要求。 关键词：光电耦合器栅极驱动功率m o s f e t 峰值输出电流 a b s t r a c t g a t ed r i v eo p t o c o u p l e rx d 0 12 9i sad r i v e ri cu s e df o rd r i v i n gp o w e rm o s f e t ( m e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ) o ri g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) f i r s t l y , a no v e r v i e wt ot h ee o m p o n e n gt h ep a r a m e t e ra n dt h ea c t i o no fo p t o c o u p l e r a r eg i v e n t h ei r r a d i a t i n gp r i n c i p l eo fi n f a r e dl i g h te m i t t i n gd i o d ea n dt h ew o r k i n g t h e o r yo fp h o t o d i o d ea l eh i g h l i g h t e d t h em o d e lo ft h ep h o t o d i o d ei sg i v e n s e c o n d l y ， i n t e r n a ls t r u c t u r eo f p o w e rm o s f e ti sa n a l y z e di nd e t a i l t h u s ，ap a r a m e t e rm o d e li s p r o p o s e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e rm o d e la n dd r i v i n gp r i n c i p l eo fp o w e r m o s f e t , t h eo p t o c o u p l e rx d 0 12 9h a sb e e nd e v i s e df o rg a t ed r i v i n g x d 012 9c o n s i s t s o fa g a l l i u ma r s e n i d e ( a i g a a s ) l i g h te m i t t i n gd i o d ea ti n p u ta n dad r i v ec i r c u i ta to u t p u t a p r e - r e g u l a t e dc i r c u i tb a s e do nr e g u l a t i o np r i n c i p l eo fz e n e rd i o d ei sd e s i g n e di nt h e r e f e r e n c em o d u l e ，w h i c hm e e t st h eo p e r a t i n gv o l t a g er a n g ea n di m p r o v e sp r e c i s i o n t h ec h i pi n t e g r a t e sa l lu n d e rv o l t a g el o c k o u tm o d u l e 谢t hh y s t e r e s i s ，w h i c hc o u l dt u r n o f ft h ec h i pa tu n d e rv o l t a g ea n da v o i ds e c u r i t yi s s u ea tt h r e s h o l d b a s e do na0 4 l _ t mb c d ( b i p o l a rc m o sd m o s ) p r o c e s s ，f u n c t i o na n de l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l ec h i pa r es i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u p p l yv o l t a g e r a n g ei s15 - 3 0 v m e a n w h i l e ，w i t ha10 qr e s i s t a n c ea n da10 n fc a p a c i t o ri ns e r i e sa t o u t p u t ，t h em a x i m u mp r o p a g a t i o nd e l a y , t h em a x i m u mr i s et i m ea n df a l lt i m ea r e4 0 0 n s ， lo o n sa n dlo o n s ，r e s p e c t i v e l y t h eu pa n dd o w nt h r e s h o l d so fu n d e rv o l t a g el o c k o u t a r e12 6 5 va n d11 15 vr e s p e c t i v e l y t h ep e a ko u t p u tc u r r e n ti s2 0 aa t t y p i c a l c o n d i t i o n s t h ep e r f o r m a n c er e a c h e st h ei n d i c a t o r k e y w o r d s ：o p t o c o u p l e r g a t ed r i v ep o w e rm o s f e tp e a ko u t p u tc u r r e n t 第一章绪论 第一章绪论 本章简要地概述了栅极驱动电路的作用和现状，重点介绍了光电耦合器的分 类和应用，并由此引出栅极驱动光电耦合器，讨论了栅极驱动光电耦合器未来的 发展方向，最后给出了本论文的章节安排。 1 1 栅极驱动电路的作用和耦合方式 在电力电子领域，半导体功率器件作为一种重要的元器件，是强电与弱电之 间的桥梁，并广泛应用于开关电源、显示、变频、节能降耗与生态环境保护中。 功率m o s f e t 和i g b t 这两种器件由于具有以下的特点而接近于理想的开关。其 中，功率m o s f e t 为电压控制型器件，并具有输入电阻大、驱动功率小、开关损 耗低及工作频率高等特点。i g b t 的输入级是一个n 沟道型功率m o s f e t ，所以 i g b t 也具有输入电阻大的特点，不同的是i g b t 具有电导调制效应，这有效地降 低了器件的导通损耗，但i g b t 的工作频率通常低于功率m o s f e t 1 1 。目前这两种 功率器件已成为电力电子器件领域的主流。 驱动电路位于控制电路和主电路之间，主要用于对控制电路产生的控制信号 进行功率放大，以此用来驱动功率开关器件。驱动电路对整个系统的性能都有很 大的影响，因此为保证功率m o s f e t 和i g b t 器件能够可靠高效地工作，相应驱 动电路的设计与优化也显得十分重要 2 1 。一方面，性能良好的驱动电路可以使功率 开关器件工作在比较理想的状态，以缩短开关时间，减少开关损耗，提高运行效 率；另一方面，可靠工作的驱动电路中附加的欠压保护电路与主电路中的过流保 护电路一起，对半导体功率器件可能出现的欠压、过电流等情况进行处理，以保 护昂贵的主开关器件。因此，研究功率m o s f e t 和i g b t 的驱动电路在半导体功 率领域，乃至电力电子领域，都具有深远的意义。 栅极驱动电路按输入信号的耦合方式分为分立元件直接耦合式，磁耦合式和 光耦合式1 2 。每一种驱动方式都有各自的优点，缺点及相应的成本。设计者在选择 时需要考虑到系统的需求、成本、面积、元器件的数量、功耗、可靠性、效率、 隔离性能和安全性能。 分立元件直接耦合驱动方式的缺点在于电气隔离性能差，目前已无法达到大 多数功率器件的安全隔离电压标准。变压器耦合驱动方式的缺点在于无法传输频 率很低的信号，并且与光耦合驱动方式相比，面积较大。光耦合驱动方式电气隔 离性能好，并且减少了外围电路的元件数量，降低了系统的成本。 2 栅极驱动光电耦合器芯片的研究与设计 1 2 光电耦合器概述 光电耦合器，也简称为光耦，是以光为媒介来传输电信号。在某些特殊的应 用场合，会要求输入和输出实现电气隔离，这样就不能用传统的电子器件来传输 电信号，而光电耦合器可以很好地解决这一问题。光电耦合器在输入端将电信号 转换为光信号，在输出端将光信号接收并转换为电信号，通过这种方法，既实现 了信号的传输，又具有隔离性能。 光电耦合器按传输特性可分为两类：线性光耦和非线性光耦。线性光耦的电 流传输特性曲线接近直线，小信号性能较好，能以线性特性进行隔离控制。通常 用来传输模拟信号，如开关电源输出端反馈信号与输入信号的隔离。非线性光耦 的电流传输特性曲线是非线性的，不适合传输模拟信号，而更适合传输开关信号。 通常用于传输逻辑信号的场合，如采样信号与单片机输入之间的信号传输。 按结构类型，光电耦合器又可分为通用性、达林顿型、施密特型、光集成电 路、高速型、光纤维、光电晶闸管型、高增益型、光电场效应管型。 光电耦合器由于具有良好的性能而得到广泛的应用 3 1 。 在代替变压器耦合信号应用中，光电耦合器可以耦合零到几兆赫的信息，并 且体积小、重量轻，与变压器相比优势十分明显，可以代替耦合小功率信号的变 压器。 在逻辑电路应用中，光电耦合器可以组成各种门电路，它的优点在于抗干扰 能力强，不过在转换速度、功耗等方面不如晶体管门电路和固体门电路。光电耦 合器还可组成各种驱动电路以及完成电平匹配、电平移位的功能。 在开关电路应用中，光电耦合器可以作为固体开关使用，并且不受所在电位 高低的限制。在代替继电器方面，光电耦合器能克服继电器断电时反电势的泄放 干扰，以及大冲击下的触点抖动等不可靠问题；光电耦合器还可应用于各种数模 转换电路中，由于它的饱和压降可以做得很低，所以可以用它取代晶体三极管来 提高数模转换的精度。另外，光电耦合器还可以组成振荡器、触发器和斩波器等。 在长传输线应用中，光电耦合器可以接到长传输线的终端，这样可以较好地 抑制噪声或外界尖峰脉冲的干扰，从而提高长线传输中的信噪比。 在过电流保护应用中，用光电耦合器组成的过电流保护电路可以自动切断大 电流通路，以保护半导体器件，并且具有简单、可靠、控制速度快等优点。 1 3 栅极驱动光电耦合器的发展方向 栅极驱动光电耦合器主要应用在工业领域的电机控制中，用于驱动功率 m o s f e t 或i g b t 等电压控制型器件。根据其应用的领域和范围，可以推测出它 第一章绪论 将向着高集成度，高耐压和高可靠性的方向发展【3 1 。 提高栅极驱动光电耦合器的集成度， 路，可以减小体积、提高脉冲响应频率， 实际使用中，驱动不同的功率开关器件， 把光电耦合器及其附属电路做成集成电 还可以使电路安装板的设计标准化。在 栅极驱动光电耦合器的电特性也不同， 为了驱动大功率的开关器件，驱动能力更强的光电耦合器也相继出现。近来还出 现了可以将整个系统都集成在一个芯片上的功率集成电路( 简称p i c ) ，整个系统 包括主电路功率器件及其驱动电路、控制保护电路。尽管目前这种芯片的耐压和 功率都很低，但发展前景十分广阔。 光电耦合器的输入发光部分与输出光电部分是直流隔离的，因此用它去控制 高压设备时，可以将控制部分和高压部分隔离开，避免人因触高压电而产生危险。 在这种情况下就要求光电耦合器的耐压值很高。提高耐压的较为简单方法是提高 发光部分和光电部分的距离，但矛盾的是这种方法降低了电流传输比，在实际使 用中会降低控制灵敏度，所以这种方法并不实用。一种较为有效的方法是改变发 光部分和光电部分的隔离材料，如加入薄层透明纤维玻璃布板，可以大大提高绝 缘电压的数值，现以制造出耐压上万伏的高压光电耦合器。 栅极驱动光电耦合器作为一种驱动电路，位于控制电路与主电路之间，是弱 电与强电之间的桥梁，它的应用决定了光电耦合器必须长期工作稳定可靠。否则， 人的生命安全会受到危害，并且昂贵的功率开关器件也会受到损坏。为使整个设 备能够长期工作并且稳定可靠，每一个单元器件的可靠性就必须提高。在光电耦 合器的研制与大批量生产中，重要的是提高产品的质量，并且要有严格的工艺流 程，每一道工序都要有严格的检验制度，还要定期做一些可靠性考核试验，这是 提高可靠性的一般性原则。 1 4 论文的主要工作和章节安排 论文结合当今栅极驱动电路的现状和发展趋势，详细介绍了光电耦合器的基 本原理，并基于0 4 i _ t mb c d 工艺和h s p i c e 仿真软件，设计了栅极驱动光电耦合器 ) 0 1 2 9 。全文共分为五个章节。 第一章首先介绍了功率器件驱动电路的现状与研究课题的意义，其次对光电 耦合器的概念、分类和应用进行了概述，并讨论了栅极驱动光电耦合器的发展趋 势，最后对本文的各章节内容进行了安排。 第二章对发光二极管的发光原理和硅光电二极管的工作原理进行了介绍，对 功率m o s f e t 的结构和驱动电路原理进行了分析，给出了功率m o s f e t 的等效模 型。 第三章结合以上理论，提出了栅极驱动光电耦合器芯片x d 0 1 2 9 的系统架构、 4 栅极驱动光电耦合器芯片的研究与设计 设计方案和电特性指标。 第四章对芯片中的主要模块进行了设计，主要包括带隙基准模块、线性调整 器模块、欠压锁存模块、迟滞比较器模块、跨阻放大器模块和逻辑与死区时间控 制模块。详细分析了这些模块的设计原理，并给出了典型情况下的仿真结果。 第五章对芯片x d 0 1 2 9 的整体电路进行了仿真验证，给出了c o r n e r 情况下的 电特性仿真曲线。 第二章光电耦合器和功率m o s f e t 的工作原理 第二章光电耦合器和功率m o s f e t 的工作原理 为了设计性能良好和安全可靠的栅极驱动光电耦合器芯片，对光电耦合器及 功率m o s f e t 有一定的认识是十分有必要的。本章从集成电路的角度出发，全面 而系统地分析光电耦合器的工作原理，接着总结了光电耦合器的参数和特性，最 后分析了功率m o s f e t 的结构、等效模型和驱动电路的设计。 2 1 发光二极管原理 为实现电光转换，光电耦合器的输入采用发光二极管【4 】【5 1 ，用电信号驱动半导 体器件发光，而发光二极管通常采用红外发光二极管。这主要有以下两个原因： 首先，红外发光二极管的制程相对简单，因而价格也较便宜；其次，光信号主要 的用途是实现电气隔离、传输信号，至于发出的光是否需要被看见则没有意义。 因此，光电耦合器芯片通常采用红外发光二极管来完成电光转换。 2 1 1 发光二极管的工作原理 发光二极管是半导体二极管的一种，可以将电能转化为光能，通常简称l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 。当电流通过发光二极管时，带负电的电子和带正电的空 穴会向相反的方向移动。与自由电子相比，空穴处在一个比较低的能级，所以当 自由电子与空穴复合时会产生能量。能量将以光子的形式发射出来。自由电子和 空穴的能级之差决定了光子的能量。一个较大的能级之差会产生能量较大的光子 并且光的频率也较高。这种现象会出现在任意一个二极管中，但人眼只能看到由 某种物质构成的二极管所发出的光。对于硅材料，自由电子和空穴的能级相差较 小，结果，光子的频率较低以至于不能被人眼看到，这就是光谱中的红外光。图 2 1 为发光二极管的工作原理图。 图2 1 发光二极管的工作原理图 6 栅极驱动光电耦合器芯片的研究与设计 发光二极管在使用时必须与电阻串联，电阻用来限制发光二极管中的电流， 否则发光二极管会立刻烧毁，限流电阻r 的值为 r ：堡当( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，v s 为电源电压，v l 为l e d 的正向压降，i 为l e d 的工作电流。若计 算出的电阻值不是标准的电阻阻值，选择与计算出的电阻值最接近的标准电阻， 且标准电阻值大于计算出的电阻值，这样实际通过l e d 的电流将比设计值略小， 防止l e d 的损坏。 红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材 料不n t 6 1 。发光二极管发出光的波长九与制作所用的半导体材料本身的禁带宽度有 关 。 元：竺旦( 2 2 ) = 一一 l z - z 夕 互一岛 乞。 式( 2 2 ) 中，h 为普朗克常数，c 为光速，e l 和e 2 分别为电子跃迁复合之前和之后所 具有的能量，e 9 0 为半导体材料的禁带宽度。在室温下，砷化镓材料的禁带宽度为 1 4 3 e v ，辐射的波长为8 7 0n m 。 红外发光二极管的衬底为n 型砷化镓单晶材料，p 型层由掺锌( z n ) 或掺硅 ( s i ) 的砷化镓材料构成，这样就形成了p n 结。掺锌的砷化镓材料发出9 1 0 n m 的 红外光，但由于砷化镓材料本身对9 1 0 n m 的红外光有较强的吸收作用，因此掺锌 的砷化镓发光二极管辐射强度较低。掺硅的砷化镓发光二极管辐射波长为9 4 0 n m ， 由于偏离砷化镓材料的吸收波长峰值，砷化镓材料对9 4 0 r i m 的红外光吸收较少。 因此掺硅的砷化镓红外发光二极管应用广泛，有助于提高光电耦合器的传输效率。 2 1 2 发光二极管的发光效率 发光二极管的发光效率包括了内量子效率和外量子效率。内量子效率与发光 二极管的掺杂有关，外量子效率与光子产生后的损耗有关。 ( 1 ) 内量子效率 正向偏置的二极管中有三种电流：耗尽区复合电流j r 、少数载流子电子扩散 电流j n 和少数载流子空穴扩散电流j p 。这些电流的表达式为【7 】 以= 等 唧( 嘉) 一t ( 2 - 3 ， 以= 警h 舒 ( 2 - 4 ， 以= 半 唧( 舒 ( 2 - 5 ， 第二章光电耦合器和功率m o s f e t 的工作原理 7 式( 2 3 ) 、( 2 - - 4 ) 和( 2 5 ) 中，p o 和n p o 分别是n 区和px l d e 4 - 数载流子的平衡浓度，d p 是p 区中的空穴扩散常数，d 。是n 区中的电子扩散常数，n ；是本征浓度，w 为 耗尽区的宽度。在砷化镓材料中，发光主要是由于少子电子的复合，可以定义注 入效率7 为电子电流与总电流之比 卜南( 2 - 6 ) l jn + j ，七j r 因此采用n + p 型二极管，使j 。只占二极管电流较小的一部分，从而可以获得高的 注入效率。 电子注入到p 区后并不是所有的复合都能够辐射，定义辐射效率t 1 为辐射复合 率r ，和整个过程的复合率r 之比，即 r = 等( 2 - 7 ) 复合率反比于寿命，因此 7 7 = 叠一( 2 8 ) 。 r n ，十f ， 式( 2 - 8 ) 中是非辐射寿命，是辐射寿命。对于高发光效率的发光二极管，应 该很大。内量子效率1 1 i 为蜘。 r ，= 聊 ( 2 - 9 ) 辐射复合率正比于p 型掺杂浓度，但注入效率随p 型掺杂的增加而下降，所以一 个适宜的p 型掺杂可以使内量子效率达到最大。 妒 h， ( 2 ) ：9 b 量子效率 外量子效率是指光子遇到的三种损耗机制：光子在半导体内被吸收、菲涅耳 损耗和临界角损耗。外量子效率比内量子效率小得多。 光子产生后向任何方向发射，由于光子能量大于半导体的禁带宽度，所以这 些光子又可以被半导体再吸收，被吸收的光子占大多数。 菲涅尔效应是指在半导体和空气的界面处发生的反射现象，反射系数为 r _ ( 嚣+ n t 2 式中n 2 和n 1 分别是半导体和空气的折射系数。 临界角损耗是指如果光子以临界角入射到晁面， 由s n e l l 定律确定 = 删n ( 2 1 0 ) 则全都是内反射。临界角可 ( 2 1 1 ) 8 栅极驱动光电耦合器芯片的研究与设计 2 1 3 发光二极管的伏安特性 红外发光二极管的伏安特性主要包括以下三个区域，如图2 2 所示 i k n 俏) o - - 5 0 4 0 3 0 2 0 l o c i 一 一一 0正向死区：正向 i v f ( 妨 反向死区 o 0 1 o 0 2 工作区 图2 2 红外发光二极管的伏安特性 ( 1 ) 正向死区 当红外发光二极管两端所加的正向电压小于o 9 v 1 1 v 时，正向电压无法克 服由于多数载流子扩散而在p n 结形成的势垒电场，因此整个p n 结呈现出比较大 的电阻，这时通过红外发光二极管的电流很小。在正向死区红外发光二极管基本 不发光。 ( 2 ) i e 向t 作区 当正向电压超过o 9 v 1 1 v 后，正向电压克服了p n 结的势垒电场。此时，自 由电子由n 区通过p n 结注入到p 区，同时空穴从p 区通过p n 结注入到n 区， 这些注入的少数载流子与原来存在的多数载流子在p n 结复合，从而使红外发光二 极管发光。通过p n 结的电流可表示为： ，! 生、 ，f = ip 打一ll ( 2 1 2 ) l 式( 2 1 2 ) 中，g ，七和t 分别表示电子的电荷量，波尔兹曼常数和绝对温度。i s 表示 红外发光二极管的反向饱和电流，与半导体材料的性质、载流子的浓度、温度和 偏置电压等因素有关。 ( 3 ) 反向死区 当红外发光二极管加反向电压时，反向电压的方向与p n 结的势垒电压相同， 阻止了多数载流子的扩散，此时，由热激发产生的少数载流子在内电场的作用下 漂移形成反向饱和电流。热激发与温度有关，当温度升高时，少数载流子的浓度 也会增大，因此反向饱和电流也会增大。若反向偏置电压增大到一定程度时，红 外发光二极管中的反向饱和电流会急剧增大，使用时要注意，i f # l - 发光二极管的 反向偏置电压不应大于击穿电压。 第二章光电耦合器和功率m o s f e t 的工作原理 9 2 1 4 发光二极管的驱动电路 图2 3 ( a )图2 3 ( b ) 图2 3 发光二极管的两种驱动电路( 图2 3 ( a ) 传统结构，图2 3 ( b ) 改进结构) 发光二极管的两种驱动电路【8 】如图2 3 所示。图2 3 ( a ) 的传统结构采用共射结 构，正常的红外二极管的压降约为1 1 v ，并确保双极型晶体管q l 处于线性区，可 使v c e 大于1 v ，由此可计算r 2 的阻值最大为( v c c - 2 1 ) i f 。 传统的驱动电路有一个缺点，即当输入电压降低时，发光二极管中的电流也 会下降。图2 3 ( b ) 为一种改进型的驱动电路，串联的两个二极管d l 和d 2 将双极型 晶体管q l 的基极电压箝位到1 2 v ，而双极型晶体管的基极发射极压降为0 6 v ， 这样0 6 v 的电压加在一个固定的电阻r 2 就可以产生稳定的电流。 2 2 光电二极管原理 光电的转换需要用到光电二极管。光电二极管( p h o t o d i o d e ) 是一种光检测器， 并且可以把光转换为电流或电压，这取决于光电二极管的工作模式。光电二极管 与普通半导体二极管相似，不同的是光电二极管的封装留有“窗口，允许光可以 直接到达器件的感光部分。许多光电二极管的设计采用了p i n 结而不是p n 结，这 是为了提高光电二极管的响应速度。光电二极管正常工作时处于反向偏置状态。 2 2 1 硅光电二极管的结构及工作原理 光电二极管包括硅光电二极管，p i n 光电二极管，雪崩光电二极管，h g c d t e 光伏二极管和肖特基势垒光电二极管【9 】【1 0 1 。由于硅器件暗电流和温度系数都小得 多，加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此，硅光 电二极管得到了广泛的应用。再者，论文根据应用的广泛性和与项目的相关性， 将以硅光电二极管为典型例子来对光电转换原理进行描述。硅光电二极管的管芯 构造与普通二极管相同，都具有一个p n 结，也具有单向导电性。但作为光电器件， 硅光电二极管在构造上又有它的一些特点。首先，为了提高光电转换能力，光电 二极管p n 结的面积通常做的较大，而管芯面积则做得尽量小，这样可以接收更多 的光线，以增大光电流；其次，为了提高器件的稳定性，并减小噪声，硅片上会 1 0 栅极驱动光电耦合器芯片的研究与设计 生长一层二氧化硅( s i 0 2 ) 保护层，将p n 结的边缘保护起来【1 1 1 。 图2 4 ( a )图2 4 ( b ) 图2 4 硅光电二极管的两种典型结构 图2 4 为硅光电二极管的两种典型结构。图2 4 ( a ) 是采用n 型单晶硅和扩散工 艺，称为p + n 结构。而图2 4 ( b ) 是采用p 型单晶硅和磷扩散工艺，称n + p 结。 光是由光子组成的，对于一定频率的光，光子具有一定的能量。当光子照射 到光电二极管的p n 结上时，光子将自身的能量传递给价带中的电子。若能量足够， 电子就可以从价带过渡到导带，即电子由束缚状态变为自由状态，同时产生空穴。 因光照而产生的自由电子和空穴，分别称为光生电子和光生空穴，统称为光生载 流子。当给p n 结加反向电压时，光生载流子就会在电场的作用下运动，自由电子 被推向n 区，空穴被推向p 区，这样在硅光电二极管中就产生了光电流。 由半导体物理学理论可知，光子能量的大小取决于光的波长。波长越短，其 光子能量越大；而波长越长，其光子能量越小。光电二极管的工作正好与发光二 极管的工作正好相反，其入射光的长波阈值“的公式也与公式( 2 2 ) 相似： h c 1 2 3 9 如2 瓦2 百 ( 2 - 1 3 ) h 的单位为i t m ，硅单晶材料的禁带宽度e 扣为1 1 e v ，所以硅光电二极管接收光 的长波阈值h 为1 1 t t r n 。此j l - ，对于波长较短的光，虽然其光子能量越大，但它 在硅材料表面的损失也越大，所以实际的硅光电二极管也存在接收光的短波限。 一般的硅光电二极管的光谱范围为0 4 1 t m 1 1 i m a ，峰值波长为0 9 p r o 。图2 5 为硅 光电二极管的光谱响应曲线。 电流灵 波长九( i i m ) 图2 5 硅光电二极管的光谱响应曲线 第二章光电耦合器和功率m o s f e t 的工作原理 1 1 在峰值波长为0 9 9 m 条件下，电流灵敏度大于等于0 4 ( g a i - t w ) 。 2 2 2 硅光电二极管的两种工作方式 光电二极管可以将检测的光信号转换为电流或电压。光信号转换为电流具有 更好的线性，失调小且响应速度快。转换的光电流正比于光信号的能量，接着通 过跨阻结构就可以将电流转换电压。光电二极管可以在反向偏置或零偏置的条件 下工作，分别称为光致电导和光致电压工作模式。 ( 1 ) 光致电导方式 光电二极管加反向偏置，这很大程度上提高了光电二极管的响应速度和线性 度。这是由于反向偏置使得耗尽区的宽度增加，结电容减小了。然而，反向偏置 会使暗电流和噪声电流增加。 ( 2 ) 光致电压方式 光致电压工作模式通常用于工作频率低于3 5 0 k h z 的应用中。这种模式下，光 电二极管的响应和暗电流受温度的影响较小，适合于精密的光检测仪器。 2 - 2 3 光电二极管中光电流密度的计算 反向偏置的光电二极管在有光照的情况下，且光子能量大于半导体禁带宽度 & 时，光电二极管中的电流密度由两部分组成：光电流密度和暗电流密度。暗电 流密度受许多因素的影响，诸如温度、偏置电压、工艺等，且通常情况下暗电流 的密度比光电流的密度小几个数量级，所以下面的计算中主要计算光电流密度的 大小。光电流密度也由两部分组成：一个是耗尽区中产生的过剩载流子在内电场 的作用下产生的电流密度j d 旅，；另一个是n 区和p 区中产生的过剩载流子向耗尽 区扩散而产生的电流密度j n 和j 口，这是由于耗尽区之外的载流子浓度不平衡而引 起的。 耗尽区产生的光电流对光照反应很快，也成为瞬时光电流。设过剩载流子产 生率为g l ，耗尽区的宽度为w ，其中，过剩载流子产生率是指单位时间、单位体 积产生的过剩载流子数目，单位为l ( c m 3 x g e c ) ，那么耗尽区产生的光电流密度j “n 为 = pi q 出 ( 2 - 1 4 ) 近似的分析中g l 在整个耗尽区域内可看做常数，则有 = p q 形 ( 2 - 1 5 ) 假设光电二极管中的内电场只存在于耗尽区内部，那么p 区中过剩载流子的电子 分布可由双极输运方程得到，即 1 2 栅极驱动光电耦合器芯片的研究与设计 剑一堡：一鱼 d x 2 置或 ( 2 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 中d n 表示p 区中电子的扩散常数，l 。是p 区中电子的扩散长度，8 n ，表 示光照后的少数载流子浓度。式( 2 1 6 ) 1 拘解由通解和特解组成，通解可由下式得到 丁d 2 ( * s n t , ) 专- - ( 2 - 1 7 ) 出2e 。 那么通解可表示为 6 h = a e 一“l + b e + 工7 ( 2 1 8 ) 由于6 n p h 必须是有限的，所以b = 0 。 特解可由下式给出 专一每 e见 、 7 由式( 2 - 1 9 ) 得 6 = 筹= 掣2 ( 2 - 2 。) 由式( 2 18 ) 和( 2 2 0 ) 可得 6 咋= a e 。惕+ g 工 ( 2 - 2 1 ) 对于反向偏置的p n 结，x = 0 处的总电子浓度为零，那么在x = 0 处的过剩电子浓度 为- r b o ，所以 6 = q l o 一( g 工l o + o ) p 。儿 ( 2 2 2 ) 在p n 结中，扩散电流是由少数载流子浓度的梯度产生。少子电子在x = o 处产生的 扩散电流密度为 j n l - 哦掣卜蛾 吼。也唯) e - x z ：_ e d ( q f 神+ ) ( 2 - 2 3 ) ：p q 厶+ _ e o n o 同理可算出少子空穴的扩散电流密度近似为 j r l = e g z l v + 华( 2 - 2 4 ) 所以，光电二极管总的光电流密度为 以e ( w + 厶+ ) 皖 ( 2 - 2 5 ) 第二章光电耦合器和功率m o s f e t 的工作原理 1 3 2 2 4 硅光电二极管等效电路模型 硅光电二极管可等效为电流源( i p c ) 与理想二极管( d e d ) 并联。电流源表示 转换的光电流，理想二极管表示p n 结。再者，结电容( c p d ) 和分流电阻( r s h ) 也电流源和理想二极管并联。寄生串联电阻( r s ) 与以上的器件串联。图2 6 给出 了硅光电二极管的等效电路模型【1 2 1 。 斗b d 伸 i p c ) k 牛c 朋奉：yy _ i 【( ) (、 图2 6 硅光电二极管的等效电路模型 分流电阻( r s h ) 等于硅光电二极管电流电压特性曲线在偏置电压为零时的斜 率。理想的光电二极管的分流电阻应为无限大。实际的光电二极管分流电阻的阻 值为1 0 m q 到1 0 0 0 m f 2 。在光致电压工作模式下，分流电阻确定了噪声电流的大 小。理想的硅光电二极管的寄生串联电阻( r s ) 为零，实际中寄生串联电阻的典 型值为1 0 f l 到l k o 。结电容( c p o ) 类似于平行板电容，电容的大小正比例于耗尽 区的面积，反比例于耗尽区的宽度，再者高电阻率的衬底具有较小的结电容。光 电二极管的暗电流是由本征激发引起的，在反向偏置电压增大或温度升高时，暗 电流也增大。 2 3 光电耦合器的参数 光电耦合器的参数包括输入特性、输出特性、传输特性和隔离特性【1 3 】【1 4 】。 2 3 1 光电耦合器的输入特性 光电耦合器【1 5 】嗍的输入特性实际也就是内部发光二极管的特性。 ( 1 ) 正向工作电流i f ：指发光二极管正常发光时所流过的正向电流值。不同的 发光二极管，允许流过的最大电流也会不一样。 ( 2 ) 正向脉冲工作电流i 句：指流过发光二极管的正向脉冲电流值。为保证寿命， 通常采用脉冲的形式来驱动发光二极管，通常发光二极管是以0 1 m s 脉冲 宽度，占空比为1 1 0 的脉冲电流来驱动的。 ( 3 ) 正向工作电压v f ：指在给定的工作电流下，发光二极管本身的压降。常 见的小功率发光二极管通常以i f = 2 0 m a 来测试正向工作电压。不过对于不 同的发光二极管，测试条件和测试结果也会不一样。 ( 4 ) 反向电压v r ：指发光二极管所能承受的最大反向电压，超过此反向电压， 1 4 栅极驱动光电耦合器芯片的研究与设计 可能会损坏发光二极管。在使用交流脉冲驱动发光二极管时，要尤其注意 不要超过反向电压。 ( 5 ) 反向电流i r ：指在反向电压情况下，流过发光二极管的反向电流。 ( 6 ) 允许功耗p d ：指发光二极管所能承受的最大功耗值。超过此功耗值，可能 会损坏发光二极管。 ( 7 ) 中心波长九p ：指发光二极管所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜 色，对于双色或多色发光二极管，会有几个不同的中心波长值。 2 3 2 光电耦合器的输出特性 光电耦合器的输出特性实际也就是其内部光电管的特性，以光电三极管为例， 常见的参数有： ( 1 ) 集电极电流i c ：光电三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。 ( 2 ) 集电极发射极电压v 瀚：集电极发射极所能承受的电压。 ( 3 ) 发射极集电极电压v 厶：发射极集电极所能承受的电压。 ( 4 ) 反向截止电流i 啪：发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值 时，流过集电极的电流为反向截止电流。 ( 5 ) 集电极发射极饱和电压v c e ( ：发光二极管工作电流i f 和集电极电流i c 为规定值时，并保持七厶c 刀k 时集电极与发射极之间的压降。 2 3 3 光电耦合器的传输特性 ( 1 ) 上升时间t r ( r i s et u n e ) 与下降时间t f ( f a l lt i m e ) ：光电耦合器在规定 的工作条件下，当发光二极管输入规定的i f p 电流时，输出管则输出相应 的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的1 0 到9 0 所需的时间为脉冲上升时间 为t f ，从输出脉冲后沿幅度的9 0 到1 0 所需的时间为脉冲下降时间t f 。 ( 2 ) 电流传输比【1 7 c t r ( c u r r e n tt r a n s f e rr a d i o ) ：输出管的工作电压为规定值 时，输出电流和发光二极管正向电流之比。 2 3 4 光电耦合器的隔离特性 ( 1 ) 输入输出间隔离电容c i o ( 2 ) 输入输出之间隔离电阻i k ( 3 ) 输入输出之间隔离电压v i o 2 4 光电耦合器的作用 光电耦合器的作用主要有两个：信号隔离和电气绝缘【18 】【1 9 1 。信号隔离是通过 消除组环路电流，阻塞噪声信号和共模瞬变，改善信号质量 2 0 1 1 2 1 】；电气绝缘是防 止光电耦合器和灵敏电路因高压电势而引起损坏，使用户能够安全地使用元器件 第二章光电耦合器和功率m o s f e t 的工作原理 1 5 或设备。之所以光电耦合器能够抑制尖峰脉冲及各种噪声，具有很强的抗干扰或 信号隔离作用，主要有以下几个原因【2 2 】【2 3 】： ( 1 ) 光电耦合器的输入端和输出端的绝缘电阻非常大( 1 0 1 1 m 1 0 1 8 f 1 ) ，而寄生 电容又非常小( 0 5p f 2 p f ) ，因此输出系统中的各种干扰噪声难以通过光 电耦合器反馈到输入系统中。 ( 2 ) 输入端和输出端的信号传输是在一个密封管壳内进行的，不会受到外界光 的干扰。 ( 3 ) 光电耦合器的输入阻抗很低( 1 0 0 f l l l o ) ，而干扰源的内阻一般较大 ( 1 0 51 0 6 q ) ，根据电阻的分压原理，馈送到光电耦合器输入端的干扰噪 声变得很小。 ( 4 ) 光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使 是电压幅值很高的干扰，由于它没有足够的能量而不能使发光二极管发 光。这样，干扰就被抑制掉了。 2 5 功率m o s f e t 的结构和等效模型 由于i g b t 的开通和关断特性与功率m o s f e t 十分相似，并且功率m o s f e t 的 驱动电路完全可以用于驱动i g b t ，所以下面主要讨论功率m o s f e t 的结构、等效 模型和驱动电路的设计。 2 5 1 功率m o s f e t 的结构和关键参数 由于没有少数载流子的传输，m o s f e t 可以工作在较高的频率。m o s f e t 的工 作频率主要受到两个因素的影响：一个是自由电子穿过漂移区的时间；另一个是 对栅极寄生电容和米勒电容的充电和放电所需时间。图2 7 所示为功率m o s f e t 的 内部结构。 耗尽层 图2 7 功率m o s f e t 的内部结构 由图2 7 可以看出，栅源电容c g s 由三部分组成，包括：c p ，栅极与p 阱间的电 容：c n + ，栅极与n + 源极间的电容；c o ，栅极与源极金属化层间的电容。开通功 1 6 栅极驱动光电耦合器芯片的研究与设计 率m o s f e t 时，必须给栅源电容c o s 充电，当c g s 上的电压达到功率m o s f e t 的阈值 电压v g s o h ) 时，功率m o s f e t 导通，漏极电流才开始上升。栅漏电容c g o 是栅极与 n + 漂移区间的电容。c o o 也被称为米勒电容，同时与c g s 一起限制了功率m o s f e t 的工作频率。c d s 是漏极与p 阱间的结电容，由于功率m o s f e t 的p 阱与n + 源极短路， 所以称此电容为c g d 。图2 8 给出了n 沟道型功率m o s f e t 的等效模型 2 4 1 ，该模型包 括了三个寄生电容c o s ，c o o 和c d s ，这三个寄生电容的电容值并不是固定不变的。 如c o d 随着漏源电压的上升而快速减小。图2 9 给出了c g d 随v d s 的变化曲线。 d g s场2 图2 8 功翠m o s f e t 的等效电路图2 9 c g d 随v d s 的变化曲线 图2 1 0 为功率m o s f e t i 拘漏极电流i x ) 与栅源电压v g s 的关系。曲线的斜率与功 率m o s f e t 的跨导相等，跨导g m 定义为： = 急 6 ， 漏极电流i x ) 与栅源电压v g s 的关系也可表示为： 毛= 七( 一( 曲) ) 2 ( 2 2 7 ) 然而对于功率m o s f e t ，在v 6 s 大于v g s ( t h ) 时，易与的基本呈线性关系。图2 1 1 给出了功率m o s f e t 的电路符号。 图2 1 0 功率m o s f e t 的传输特性曲线 s 图2 1 ln 沟道型m o s f e t 的电路符号 djallo 叫 g 第二章光电耦合器和功率m o s f e t 的工作原理 1 7 2 5 2 功率m o s f e t 驱动原理分析 i b i n t 表示功率m o s f e t 内部的栅极的寄生电阻；r g 为驱动输出到m o s f e t 栅极 的串联电阻，用于调节功率m o s f e t 的开关速度；，表示驱动源的输出阻抗。v d d 表示直流电源，该电源通过电感负载接m o s f e t 的漏极。驱动电路v c c 提供电源， 峰值为v p ，且v c c 与v d d 共地并与m o s f e t 的源极相连。当一个正的脉冲信号输入