大功率IGBT驱动电路设计翻译

1、0.8的半导体加入IGBT电源开关的门极驱动摘要：本文主要讨论了绝缘栅双极晶体管（IGBT）的门极驱动的设计和整体的实现。本文讨论的初衷是实现一个高压（25V）整体门极驱动和异常电路的保护电路在常见的低压（5V）高密度（0.8）半导体工艺的处理。扩展MOS-FET管以在这个设计中实现抗高压的能力。关键词：门极驱动，IGBT，HVNMOS,HVPMOS1. 简介 一个有效的IGBT门极驱动必须连接单片机的接口，通过电压或者电流来实现IGBT1的开关，而且同时能够在非正常情况下保护IGBT。最近几年，种类繁多的制造设计工艺已经实现在IGBT的门极驱动【2,3】。在大多数的这些设计中，其中用于高压门

2、极驱动电路的实现往往与低压控制电路的实现不同。这项工作的目的是IGBT驱动的高压部分在传统的低压（5V）高密度（0.8）半导体中的实现4，在不额外添加其他条件的情况下达到高压性能，使用扩展MOS晶体管5,6。这个过程可以适合低压控制电路中实施，因此也可以在一个单片机芯片上实现高压驱动控制，与此同时还实现了保护电路的最小区域和最小功耗。1.1 IGBT开特性图1展示了IGBT和感性负载，图2展示开状态电路的理想波形。IGBT的输入端通过电阻连接，IGBT门极驱动是输出电阻的体现。电压的变化来自IGBT门极的电压必须关闭而IGBT的门极电压需要变为打开。图1 IGBT感性负载电路图2 IGBT开状

3、态理想波形在时间，门电流控制常量电容直到阴极电压上升至超过设备的临界电压。此时，IGBT打开并开始通过电流。在时间的负载电流是来自IGBT的二极管D1的阳极电流同时不断增加逐渐趋近于稳定值。阳极电流波形取决于门电压的上升时间和装置的超前互导。以下的表达式可以用来表达阳极电流和时间的关系： (1)门阴极电压在期间的变化率可以表达如下： (2) 从而 (3)把（1）式代入（2）式中得出阳极电流的变化率 (4)在期间，门阴极电压达到支持阳极电流恒定稳态的值，此时阳极阴极之间的电压开始减小到IGBT的开电压。在此时间，门电流与反向传输电容的从属电压在某一稳定门电流的关系可以表达如下: （5）为了降低动

4、态打开的损失，IGBT的切换时间必须十分短暂。实现这个条件使得IGBT的门极驱动必须具有低阻抗（low ）并且可以提供大的窄脉冲电流（）以快速冲入电容从而引起IGBT在低功耗的条件下迅速开始工作。1.2 IGBT的关闭特性IGBT的关闭是由于门阴极端的电压的消除。图3表示了IGBT关闭时选定区域的感性负载的理想波形。1. 关闭过程的第一部分是在延时时间，时间就是将门极驱动电压从开电压（）值减小向IGBT开始关闭。在时间，关闭过程开始同时阳极和阴极间的电压增大。其增长率和电阻保持一致： (6) 在时间，阳极和阴极之间的电压达到母线电压值，单向二极管D1开始流通感性负载电流，同时阳极电流开始减弱。

5、由于在此段时间阳极电流较高的变化率感应系数极大，使得阳极电压上升到远远高于供给电源电压。阳极电流在下降时间的初期受到门极驱动电路的设计和其驱动阻抗很大的影响。阳极电流下降时间与的关系表达式为： (7) 当门阴极电压减小到IGBT临界电压值以下时间开始。时间段需要IGBT1极结构中的基极区少数载流子进行重组， 重组过程在关闭波形中通常被称为“后电流”，控制IGBT的操作频率。后电流的尺寸和长度取决于装置的设计、加工工艺和不能被门驱动所控制。图3 IGBT关闭时的理想波形1.3 IGBT的门极驱动 一个IGBT的低功率驱动是它可以快速进入工作状态的原因。不像双极型晶体管那样，经常需求大量的基极电流

6、，IGBT典型模块需要一个均匀的毫安驱动电流7。即使平均驱动功率很小，也要为大型IGBT驱动模块提供门驱动电路，这是一个非常富有挑战性的任务。IGBT的快速转换和高操作电压在电源电路导致较高的di/dt和dv/dt可以对门极驱动电路造成电偶噪声。因此，小心门极驱动的电路和布局设计可以避免噪声的问题8。IGBT门极驱动的结构如图4所示，驱动的主要作用是控制IGBT的开关。此外，门极驱动还要保护其当开关在打开的情况下阳极和阴极电压上升超过开电压时饱和度下降失败。另外，还要保护在驱动输出电压不足以驱动IGBT是无效开关转换。对于有效的转换，驱动必须能足以支持而且分别在IGBT时开和关的状态下，保持电

7、压（）和（）稳定。同样，门极驱动必须能够在极短的时间内提供一个峰值电流IG，其性能为1A/ms或者更高来提供给中型IGBT（100A,300V8）。门极驱动的输入终端是与一个外部控制系统连接的，故障输出信号点在图4可示，其会向系统的控制器报告一个故障信号。为了检测电压失败，IGBT的阳极电压检测须不受到性能转换的影响。为了达到这个目的，阴极外置二极管D2的反向偏置高压是连接在IGBT的阳极并作为一个饱和度下降探测反馈装置。图4 IGBT门极驱动的连接如果通过二极管的电流几乎为零，那么二极管的阳极电压是跟随它的阴极电压而且这个电压可以被视为IGBT的阳极和阴极之间的电压。门极驱动的内部保护电路采

8、用感应电压去检测饱和度下降失败同时将IGBT在一段时间内关闭被称为饱和度的保护恢复时间。该文章呈现的是IGBT门极驱动的保护电路和高压驱动模块的设计和测试实验内容。2. 高压装置实施图5是一个通常的0.8半导体元件的横截面示意图。利用扩展MOS晶体管的漏极没有添加任何额外的膜层，使得高压性能的实现。扩展漏极的缺点是额外增加了MOSFET管内的串极电阻。图5 半导体加工工艺横截面高压NMOS和PMOS晶体管在半导体加工工艺的结构如图6所示。漏极的高掺杂质区域与一个低掺杂质区域良好的接触来使漏极接触点增加击穿电压。击穿电压的增大情况是与扩展漏极的长度和掺杂杂质有关的。高压晶体管单元的布局设计如图7

9、所示。在此设计中，转角被做成圆形来增加击穿电压，起始点被放置在单元的附近。高压NMOS和高压PMOS晶体管的IV特性曲线如图8所示。高压高流NMOS和PMOS晶体管的纵横比是互相交叉组成的，互相连接的单元个体如图9所示。 图6 高压MOS晶体管结构图7 高压MOS晶体管单体结构图8 高压MOS晶体管单元IV特性图9 高压MOS晶体管单体布局3 门极驱动结构门极驱动电路的集成电路原理图如图10所示。高压接口电路由一个偏电路、一个位移电路、一个逻辑控制器和一个高压高流输出驱动组成。其他电路，例如IGBT开关自动保护、过压检测、时钟信号和脉冲展宽器都是保护电路中的一部分。图10 IGBT门极驱动原理

10、图3.1 高压接口 在图10中，阴影部分展示了逻辑控制电路内的主要驱动路径。低功率输入脉冲控制着IGBT的开或关的时间。然而，这些信号的电压和电流水平不足以直接驱动IGBT。一旦输入脉冲的电压等级经过电平位移器的调整，必须还要有几个阶段的缓冲才可以提供信号来驱动IGBT。晶体管M31,M32和M33组成了驱动IGBT的输出高压高流门极。 当门极驱动输入电压由高变低时，电平位移器的输出上升，与反相器I8输入相连的比较器2的输出增大同时反相器I8的输出降低了M31的门极电压从而将它打开。与此同时，晶体管M32和M33分别被反相器I1、I2、I3和缓冲器B5及反相器I1、I4、I5和缓冲器B6关闭。

11、这就导致M31的漏极电流改变了IGBT栅电容和电容的穿过电压增长到（15V）。当门极驱动的输入电压上升时，电平位移器的输出下降，晶体管M32和M33打开，晶体管M31关闭同时IGBT的栅电容通过晶体管M32和M33的漏极电流而减小到（10V）。电容C1在打开/关闭这些纯源化晶体管M31和凹型晶体管M32、M33的时间上制造了一点小延时（t）来避免同时打开这些晶体管和到短路。或者晶体管M32和M33可以通过改变栅电容来关闭IGBT。晶体管M33比M32有一个较小的宽度来允许缓慢的在去饱和的条件下关闭IGBT。此外，晶体管M25、M26、M27、M28、M29、M30、电容C3和电阻R10都是用来

12、在降饱和度的保护过程期间增加定时控制。3.2 保护电路 门极驱动包括无意开关和降饱和失败保护电路。IGBT无意开关保护电路监控着轨至轨功率供给电压和如果门极驱动输出电压不足以有效的驱动IGBT则关闭系统。为了将IGBT在发生故障的情况下关闭，该保护电路采用最小补充道电路和通过使用同样高压高流的电路提供功率损耗来驱动IGBT的门极。这个保护电路也可以外部可调，供用户在发生故障的情况下规定关闭速度。当下降饱和度发生故障，假如当IGBT在打开时，通过负载的电路出现短路。在此故障情况下，保护电路必须关闭IGBT。关闭指令的执行必须逐步的进行，以避免过高的/通过电路中的电感。为了满足这个要求，本设计中使

13、用了最新技术水平的保护电路。饱和度下降保护电路包括过压感应，一个时钟和一个脉冲展宽电路。在图10中，一旦饱和度下降出现故障，过压保护感应模块的输出电压（）上升同时IGBT连续逐步的关闭，如图11所示。图11 门极驱动输出的减饱和保护步骤首先，IGBT门电压下降是为了帮助增大IGBT短路反抗时间。此电压下降的实现是通过打开晶体管M32和M33还有关闭晶体管M31在很短一段时间内，由电容C3和电阻R10规定。晶体管M25、M27和M29分别是用来关闭M31和打开M32和M33。其后，经过（由时钟在输出T1时创建）时间的延时后晶体管M30打开同时导致M33通过反相器I5和缓冲器B6打开。IGBT的门

14、电容通过M33的漏极电流放电和装置关闭慢慢的释放掉电路内电感存储的能量。最终，（在时钟在输出T2确定）时间后，当IGBT即将关闭时刻，M32和M33分别被M26和M28打开同时将IGBT的门极电压减小到。持续时间和可以分别通过外部电容C4和C5调整。当IGBT在关闭的状态下，反相器I7（PC）的输出信号无法能够检测过压来阻止过早的恢复保护。当“开”信号发送至IGBT时，电容C2在I7能够再次过压检测之前产生一个小小的延时。该延时提供了足够的时间，在过压检测电路被激活之前使得IGBT的输出电压可以降低至其与设定的开电压（）。输出时钟（T2）被连接在脉冲延伸电路的输出上。每一次故障状况，时钟都会建

15、立一个脉冲，从而让保护电路使其恢复正常。在预先设定的一段时间内，这个脉冲延伸器测量着一连续的故障情况的发生。如果故障状况持续了一段重要时间，脉冲延伸器会向门极驱动的输出发送一个信号来告知系统内的永久失效从而关闭该系统。反相器I1至I7的示意图，缓冲器B1至B6和反相器I8分别如图12、13和14所示。及其注意的是设计中的缓冲器和反相器为了防止门极氧化层和源接口（在NMOS晶体管的非固定源的情况下）的击穿。串联的二极管和电阻是用来限制电路中的电压和电流。反相器I1至I7的阐述如图12所示，其使用在低功率控制电路中。在这些反相器中，晶体管M34是晶体管M35的有效负载同时通过一系列二极管的连接使用

16、使得M35的门电压被限制在3V。缓冲器B1至B6的阐述如图13所示，其用来驱动大约10pF的大电容。这些缓冲器，当M9的门电压变高时，M9打开的同时降低M10的门极电压至其关闭。另外，当M9打开时，它通过M7-M8的电流镜引导着基准电流I7，其使得输出电流I8产生。当M9的门电压在低位（）时，晶体管M7和M8是关闭的而M10是打开的，同时输出电压下降到。串联二极管用来保护M7、M9和M10的门极。当M7在打开的状态下，电阻R4用来限制电流I7。反相器I8的结构如图14所示，其驱动着晶体管M31的大输入电容（大约20pF）。如果一个低信号应用在Vin3,则M37打开同时M40关闭。当M37打开时

17、，其降下M38的门电压从而导致M38和M39打开。串联二极管D56至D59限制了反向器输出低电压为Vout3(low)=(Vdd-4Vbe)来保护HVPMOS晶体管M31的氧化层。电阻R12限制当M40在打开时的二极管中的电流。图12 反相器I1至I7原理图图13 缓冲器B1至B6电路原理图图14 反相器I8电路原理图4 实验结果0.8半导体工艺执行应用于IGBT的门极驱动。图15展示了一个1.8mm*1.9mm电路区域内的微型显示。图15 执行IGBT门极驱动的显微图几个层保护环和电源连接用来分开从低压芯片部分的高压高流部分。门极驱动被成功试用于一个等效的栅电容升至10nF的 IGBT中。I

18、GBT的门极驱动输出波形在普通条件驱动情况的下面，其频率为10KHz并配置一个10nF等效的IGBT输入栅极电容，其如图16所示。这个波形在Vdd(15V)和Vss(-10V)之间变换，其上升时间和下降时间少于1ms。输出门极驱动电流的峰值为700mA，其足以满足驱动一个中型IGBT的功效，即便其频率大于15KHz。图16 IGBT门极驱动正常驱动时波形对于较小的低输入栅电容的IGBT，一个外部电阻可放置在门极驱动的输出部分来限制驱动电流。去饱和作用失败的三个保护步骤如图17所示。时间和波形的斜率可以通过外部电容和电阻进行调整。图17 减饱和失败时IGBT门极驱动波形图（根据实验）IGBT的门极驱动10nF的IGBT栅电容特性如表格1所示。表格1 IGBT门极驱动简要特性（IGBT栅电容=10nF）:5 总结本文的主要内容是一个整体的IGBT门极驱动的设计的提出和具体试