智能功率集成电路发展概述

1、 微电子技术学科前沿（三） 智能功率集成电路发展技术前沿调研 指导老师：罗萍 学 生： 叶庆国 学 号：18SPIC：智能功率集成电路。随着微电子技术和功率MOS器件的发展，目前又新兴出一个领域：SPIC，Smart Power IC 。将输出功率集成器件与低压控制的信号处理以及传感、保护、检测、诊断等功能电路集成到同一芯片，是微电子技术和电力电子技术、控制技术、检测技术相结合的产物。SPIC自问世以来已经有了巨大的进步，汽车电子、平板显示、开关电源，电机驱动，工业控制，电源管理各方面应用广泛。现就从SPIC（智能功率集成电路）的电路层面的技术实现，新型功率器件，封装技术，应用领域等多方面调研

2、来了解智能集成电路的前沿动态。1、Spic电路 SPIC 将所有的高压器件与低压电路集成在同一芯片上，消除了原来电力电子装置中各模块之间多余的连接6。这样既提高了电路的稳定性，也可以明显降低原来在高频工作时各模块之间引线对电路造成的破坏性影响，甚至可将过温、过流、过压和欠压等保护电路都集成进芯片去增强对功率器件的保护。因此，不仅显著地提高集成度、降低成本，更可令芯片整体的可靠性获得提升。 SPIC 共分为三个功能模块，分别是功率控制、传感保护和智能接口，如图 1-3所示。其中，功率控制主要包括用作开关的各种功率半导体器件以及它们的驱动电路，在常见的率器件图腾柱式应用中，由于高侧器件的驱动电路与

3、低侧器件的驱动电路分别参考不同的基准电位，驱动电路部分通常还要包含一个高压电平位移电路用以顺利从低侧向高侧传递控制信号。传感保护模块通过模拟电路采集芯片内各种电压、电流、温度信息并反馈给保护电路，在适当之时对芯片进行有效防护。另外，电力电子装置除了要与源和负载对接之外，还常常要与外部的计算机对接以实现编码控制。因此智能接口模块也非常重要，它使得 SPIC 外界信息沟通及各种高级指令得以实现。单片式 单片式智能功率集成电路具有成本低、体积小、工作稳定等诸多优点，自 20世纪 90 年代中期问世以来已得到广泛应用。功率半导体器件是单片式智能功率集成电路发展的关键所在，如何提高功率半导体器件的耐压、

4、降低其导通电阻以及解决其工艺兼容性直接关系着单片式智能功率集成电路的发展。RESURF（REduced SURface Field）技术是设计横向功率半导体器件的关键技术之一，它能够在保证横向功率半导体器件击穿电压不变的同时，降低横向功率半导体器件的导通电阻。 开关电源，即是电路中的功率器件通过开关两种状态切换来控制电源向负载输出稳定功率的一种电力电子装置。传统的开关电源，由于生产工艺技术水平不足的原因，除其功率管和控制电路之外，还另有若干个分立器件，使得开关电源在成本、体积以及可靠性等方面都受到不小的限制。因此，开关电源一直沿着以下两个方向不断发展。 第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路

5、实现集成化27，1977 年国外率先推出 PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制器集成电路，如美国 SiliconGeneral 公司的 SG3524、美国 Uuitrode 公司（已被美国 Texas Instruments公司收购）的 UC3842。20 世纪 90 年代，国外又推出开关频率高达 1MHz 的高速PWM、PFM（Pulse frequency modulation，脉冲频率调制）芯片27，如 UC1825。 第二个方向是对中、小型开关电源实现单片集成化，亦即是对单片式智能功率集成电路的研究。随着半导体相关工艺技术的革新与进步，已然开发出相关

6、工艺能够将开关电源中的低压控制部件以及高压功率半导体器件集成到同一块芯片之中，如此不仅大大提高了硅片的利用率，降低了芯片的制造成本以及开关电源的体积，而且由于功率管和控制电路集成在一起，开关电源的可靠性也得到了极大地提高，目前单片式智能功率集成电路已形成几十个系列，数百种产品2，例如国际整流器（International Rectifier，IR）公司制造的 IR2110、IR2130 系列功率 MOS驱动集成电路（采用 CD（CMOS、DMOS）工艺制造）、Power Integration（PowerIntegration，PI）公司制造的 TOP 系列单片式开关电源集成电路（采用 BCD

7、（Bipolar、CMOS、DMOS）工艺制造）。单片式智能功率集成电路具有成本低、体积小、工作稳定等诸多优点，自 20 世纪 90 年代中期问世以来已得到广泛应用，目前业已成为国际上开发 300W 以下精密开关电源、特种开关电源、中、小功率开关电源及电源模块的优选集成电路。 大功率LED 大功率驱动IC是LED照明应用中的重要组成部分,其技术成熟度正随着LED照明市场的繁荣而逐步增强。无论在车用照明,室内照明还是工业照明领域都有了一批比较成熟的产品。但是随着LED照明应用的的进一步发展,产业对驱动IC解决方案也提出了更高的要求,这给LED驱动IC产业带来了巨大的机遇和挑战。1大功率LED驱动

8、IC的应用领域主要分为三个方面:一是用于建筑装饰和室内照明。二是用于汽车照明产品。三是用于室外公共照明的产品,例如路灯,隧道灯,大型探照灯等。LED驱动IC按照其应用领域的不同,其技术指标和特点也均不相同。装饰和室内照明是LED照明产业中发展潜力最大的领域,功率范围为10W?75W,目前市场多为白识灯、突光灯所占据。其驱动IC要求能将220V交流输入转换为恒流输出用于驱动大功率LED负载。从室内应用的安全性和实用性考虑,一般还要求其驱动电路采用隔离式设计,同时具有调光功能。电源效率一般要求大于80%。在车用照明方面,其电源来自汽车蓄电池,一般为48V,且对驱动电路的体积求较为苟刻,所以一般需要

9、能承受较高电压的高集成度DC-DC恒流驱动IC,同时由于车载电源的波动性较大,所以驱动IC还必须具有宽的电压输入范围和强的抗干扰能力。室外照明领域多路灯、險道灯、景观灯等超过75W的大功率公共设施照明应用,考虑到其对电网和其他电器通信设备的影响,要求其驱动电路具有极高的效率(大于90%),较高的输入功率因数(大于95%) 4,好的电磁兼容性;同时从其制造和更换的成本上考虑,还要要求其具有长的电源寿命和高的可靠性。综上所述,针对不同的应用领域,如何能设计出高效,高功率因数,高恒流精度,高可靠性,高电磁兼容性,且智能可控的大功率LED驱动IC是行业发展的趋势和方向。 2、 spic器件自 1955

10、 年美国 GE 公司生产出第一只大功率二极管 SR（Silicon Rectifier）3，标志着功率半导体器件的诞生后，几十年以来功率半导体器件得到迅速的发展，已历经 3 个发展阶段，功率半导体器件种类增长到近四十个4。第一代功率半导体器件时间段为六十年代到七十年代，第二代功率半导体器件时间段为八十年代到九十年代；第三代功率半导体器件出现在 20 世纪 90 年代中期。目前，功率半导体器件及其控制技术正朝高压大电流、高频以及集成化、智能化方向发展。大功率晶体管（GTR）GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件,产生于本世纪70年代,其额定值已达1800V/800A/2KHz、1400V/6

11、00A/5KHz、600V/3A/100KHz。它既具备晶体管的固有特性,又增大了功率容量,因此,由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短,在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内,下正逐步被功率MOSFET和GBT所代替功率MOSFET功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管,它是通过栅极电压来控制漏极电流的,因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小仅由多数载流子导电,无少子存储效应,高频特性好,工作频率高达100KHz以上,为所有电力电子器件中频率之最,因而最适

12、合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合没有二次击穿问题,安全工作区广,耐破坏性强。功率MOSFET下的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大,不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概是1KV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。绝缘门极双极型晶体管（IGBT）IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的,当时容量仅500V/20A,且存在一些技术问题。经过几年改进,IGBT于1986年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初,已开发完成第二代产品。目前,第三代智能IGBT已经出现,科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体

13、管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通反之,若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身,因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能,特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言,IGBT的开关速度低于功率MOSFET,却明显高于GTR。IGBT的通态压降同GTR相近,但比功率MOSFET低得多。IGBT的电流电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高，目前，其研制水平已达4500V/

14、1000A。由于IGBT具有上述特点,在中等功率容量以上的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中,IGBT己逐步替代GTR成为核心元件。另外,公司已设计出开关频率高达150KHz的WARP系列400一600VIGBT,其开关特性与功率MOSFET接近,而导通损耗却比功率MOSFET低得多。该系列IGBT有望在高频150KHz整流器中取代功率MOSFET,并大大降低开关损耗。IGBT的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。MOS控制晶闸管（MCT）MCT最早由美国GE公司研制,是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。每个丁器件由成千上万的MCT

15、元组成,而每个元又是由一个PNPN晶闸管、一个控制MCT导通的MOSFET和一个控制MCT关断的MOSFET组成。MCT工作于超掣住状态,是一个真正的PNPN器件,这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性,又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高,通态压降不过是IGBT或GTR1/3的,而开关速度则超过GTR。此外,由于MCT中的MOSFET元能控制MCT下芯片的全面积通断,故MCT具有很强的导通di/dt和阻断dv/dt能力,其值高达2000A/us和2000V/us。其工作结温

16、亦高达150一200。已研制出阻断电压达4000V的MCT,75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。随着性能价格比的不断优化,下将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO,与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。功率集成电路（PIC）PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物,是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上,就制成了PIC。一般认为,PIC的额定功率应大于1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路、智能功率集成电路和智能功率模块。HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成,由于它的功率器件是横

17、向的、电流容量较小,而控制电路的电流密度较大,故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。己有110V/13A和550V/0.5A、80V/2A/200KHz以及500V/600MA的HVIC分别用于上述装置。SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成,电流容量大而耐压能力差,适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。IPM除了集成功率器件和驱动电路以外还集成了过压过流、过热等故障监测电路,并可将监测信号传送至CPU,以保证CPU自身在任何情况下不受损坏。当前IPM中的功率器件一般由IGBT充当。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便,故深受用

18、户喜爱。旧主要用于交流电机控制、家用电器等。己有400V/55KW/20KHzIPM面市。1981年美国试制出第一个PIC以来,技术获得了快速发展今后,PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。 智能电力集成电路(SmartPowerIntegratedCircuit,SPIC)是当今国际上迅速发展起来的一种高新科技产品，它是电力电子技术与微电子技术相结合的产物。采用双极、CMOS以及DMOS兼容工艺，利用集成电路(1C)隔离技术将功率控制、传感与保护以及接口电路集成在同一芯片上，具有逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等多种功能。SPIC被称为第3代电力电子器件。器件的“

19、智能”必须是在器件内部而不是在外部实现的。为了实现与微机和CPU直接连接的复杂程序工作，也可集成接口电路，从图246可知，SPIC的3个基本功能是：功率控制、传感/保护和接口。为实现这些功能所需的基本电路和典型器件如图246所示。图中给出了3个基本单元及其相成的器件。第1个单元为功率控制单元，包括电力电子器件和驱动电路两部分。功率控制部分主要使用MOS门控晶闸管来完成。第2个单元为传感与保护单元，包括模拟电路和检测电路两部分。而模拟电路具有对异常情况(如过热、过电流、过电压和欠电压等)迅速反应的功能，即能传感故障信息。由于短路时的d/d/值非常高，该电路通常由高速双极型晶体管构成。第3个单元为

20、接口单元。接口功能需要用逻辑电路来完成编码和解码，这样就可以对中央微处理器的指令作出反应，并将关于智能功率芯片及其负载状态的信号反馈给微处理器。由于功率电路中工作温度和瞬态值较髙，因此逻辑部分中CMOS晶体管的设计是很复杂的。SPIC中的电力电子器件必须有驱动电路(或触发电路)、控制电路和保护电路的配合，才能按人们的要求实现一定的电力控制功能。以往，电力电子器件和配套控制电路是分立器件或电路装置，而今半导体技术达到了可以将电力电子器件及其配套控制电路集成在一个芯片上形成所谓的电力集成电路。它可以集成多种电力电子器件及其控制电路所需的有源或无源器件，比如电力二极管、BJT、IGBT、高低压电容、

21、高阻值多晶硅电阻、低阻值扩散电阻以及各元器件之间的连接等。这种电力集成电路特别适应于电力电子技术高频化发展方向的需要。由于高度集成化，结构十分紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟等所带来的一系列技术难题。3、 封装技术 对于功率半导体而言封装技术有着特殊的重要性。一方面是因为当器件发生故障时，会主动产生功率损耗和高的动态性能。因此，通常情况下MOS晶体管的功率损耗约l2瓦，而发生短路时功率损耗会以高过三个数量级的数值而上升。在这种情况下芯片、焊料、内嵌散热片都会由于热量的增加而处于极限工作状态。第二个原因是连接的导线要流过大电流，或者要承受大电压。例如，如果一根常规使用的截面积为0.75mm2的

22、电缆的电流密度与芯片内的焊线相同，那么该电缆就需要传输1000A的电流。这意味着，材料在物理上已经达到了极限。由于MOS技术的进步，已经有可能制造出阻抗极低的器件。因此，封装本身内阻(焊线、芯片和内嵌散热片的连接以及内嵌散热片本身)的功率损耗将占更大的比重。功率半导体有两类封装。第一种是在芯片载体引线架上有着散热的表面，表面可以直接焊接。这种封装在芯片和散热面之间有很小的热阻，称为Rthj-c(接到外壳的热阻)。第二种是“热增强型引线架”，从芯片载体连接金属引线到封装的引脚。因为模塑料掩盖了这些细节，所以从外观上无法与标准器件相区分，和P-T0263-15为例描述了这两种不同的封装。和P-T0

23、263-15为例描述了这两种不同的封装和内嵌散热片封装的区别。随看频率的不断提高，散热面的尺寸成了主要问题，尤其是在使用表贴器件（SMD）时更是如此。芯片技术的改进使得从通孔的封装变到低成本的SMD应用已成为一种趋势。由于印刷电路板(PCB)本身可以作为散热面，因此许多情况下，可以用“硅半导体代替散热片”对于功率半导体而言封装技术有着特殊的重要性。一方面是因为当器件发生故障时，会主动产生功率损耗和高的动态性能。因此，通常情况下MOS晶体管的功率损耗约l2瓦，而发生短路时功率损耗会以高过三个数量级的数值而上升。在这种情况下芯片、焊料、内嵌散热片都会由于热量的增加而处于极限工作状态。第二个原因是连

24、接的导线要流过大电流，或者要承受大电压。例如，如果一根常规使用的截面积为0.75mm2的电缆的电流密度与芯片内的焊线相同，那么该电缆就需要传输1000A的电流。这意味着，材料在物理上已经达到了极限。由于MOS技术的进步，已经有可能制造出阻抗极低的器件。因此，封装本身内阻(焊线、芯片和内嵌散热片的连接以及内嵌散热片本身)的功率损耗将占更大的比重。功率半导体有两类封装。第一种是在芯片载体引线架上有着散热的表面，表面可以直接焊接。这种封装在芯片和散热面之间有很小的热阻，称为Rthj-c(接到外壳的热阻)。第二种是“热增强型引线架”，从芯片载体连接金属引线到封装的引脚。因为模塑料掩盖了这些细节，所以从

25、外观上无法与标准器件相区分，和P-T0263-15为例描述了这两种不同的封装。和P-T0263-15为例描述了这两种不同的封装和内嵌散热片封装的区别。随看频率的不断提高，散热面的尺寸成了主要问题，尤其是在使用表贴器件（SMD）时更是如此。芯片技术的改进使得从通孔的封装变到低成本的SMD应用已成为一种趋势。由于印刷电路板(PCB)本身可以作为散热面，因此许多情况下，可以用“硅半导体代替散热片”散热层。 在把PCB作为散热面计算时，必须考虑许多因素。早先的做法是在功率封装上附加一个固体散热片，这样在确定热阻时只须考虑散热的几何尺寸，比较容易实现。但对于SMD来说，确定尺寸就变得很困难，因为必须要分

26、析热量扩散的途径：芯片(连接点)引线架封装接触面(容器或引脚)焊孔PCB材料PCB体积周围环境。4、应用领域 在过去10年里,汽车工业发生了两个显著变化一是,增长的基点正在从欧美市场向以亚洲国家为主的发展中地区市场转移数据显示,2010一2012年亚洲和欧洲将会主导全球汽车产量的89%,亚洲的其他国家将成为汽车消费的主力军二是,在市场成熟的欧美国家,汽车性能的提高更多地依赖于电子技术有研究表明,从1989年至2005年,电子设备在整车制造成本中所占比例,己由16%增至30%以上而目前每部新车的IC成本约在310美元左右,估计到2010年将增长到350美元左右无论是市场重心向发展中国家转移,还是

27、技术重心向电子技术倾斜,都势必影响到汽车电子发展的方向而且,其技术本身也将面临着来自性能!安全以及环保法规等多方面的苛刻要求今后10年,集成电路势必在汽车工业中扮演着关键角色汽车电子设计师面临的挑战之一是迅速开发新的电子元件,满足客户对舒适度!安全性和性能改进的需求汽车电子产品市场上充满了竞争这就要求设计师缩短整体设计和鉴定周期,在保证质量!可靠性和成本目标的前提下增强现有系统的功能性为了应对这些挑战,汽车设计师们需要找到高度集成的解决方案,通过大规模集成混合信号集成电路来提高系统的功能强度 而汽车电子领域的集成电路有别于普通的集成电路:首先,它有较高的安全性可靠性要求,正常工作范围要满足一40e一+150e,并能通过AECQIOO标准的一系列可靠性