功率集成电路基础 习题及答案 第4章习题答案

第四章习题参考答案IGBT的导通和关断过程主要包括哪几个阶段？其主要参数有哪些？IGBT的导通有四个阶段，关断也有四个阶段；导通过程：（1）关断状态（2）门极充电延迟（3）电流上升（4）续流二极管反向恢复（5）电压下降（6）门极充电；关断过程：（1）导通状态（2）门极放电延迟（3）电压上升（4）电流下降（5）拖尾电流（6）门极放电。重要参数：（1）VCES：最大集-射极电压。当IGBT门极-发射极之间处于短路状态时在集电极-发射极之间能够外加的最大电压，它决定了IGBT的电压定额。（2）ICM：最大集电极电流。集电极上容许的最大直流电流。（3）BVGE：门-射极击穿电压。门极氧化层的击穿电压，决定了门极-发射极之间能够承受的最高电压。（4）VGE(th)：门-射极阈值电压。使IGBT导通所需要的最小门-射极电压。（5）Cies：输入电容。集电极与发射极短路时，门极与发射极之间的电容。（6）Coes：输出电容。门极与发射极短路时，集电极与发射极之间的电容。（7）td(on)：开通延时，门-射极电压达到终值10%的时刻与集电极电流达到终值10%的时刻之间的时间。（8）td(off)：关断延时，门-射极电压下降到初始值90%的时刻与集电极电流下降到初始值90%的时刻之间的时间。（9）tr：上升时间。集电极电流从终值的10%上升到终值的90%所需的时间。（10）tf：下降时间。集电极电流从初始值的90%下降到初始值的10%所需的时间。（11）Eoff：关断损耗。单次关断损耗的能量。（12）Eon：开通损耗。单次开通损耗的能量。2.功率器件的驱动电路主要具有哪些功能？驱动电路通常有哪些类型？功率器件的驱动电路主要功能：（1）对控制信号进行电平移位；（2）时序控制；（3）驱动能力增强；驱动电路的类型：从隔离技术的角度来说，通常分为隔离型栅极驱动电路和非隔离型栅极驱动电路。（1）非隔离型栅极驱动电路；①pn结隔离（JI）技术②绝缘体上硅（SOI）技术（2）隔离型栅极驱动电路；①光耦隔离栅极驱动电路②变压器隔离栅极驱动电路③电容隔离栅极驱动电路

3.栅极驱动电路的主要电路模块有哪些？各模块完成的功能是什么？栅极驱动电路主要模块：输入接口模块、死区时间模块、延时模块、电平移位模块、自举模块、驱动输出模块。（1）输入接口模块：对输入信号进行脉冲整形、滤除噪声；（2）死区时间模块：避免所使用的功率器件发生上、下同时导通；（3）延时模块：使高、低侧两个驱动输出信号同步；（4）电平移位模块：将低压逻辑信号转换为高压驱动信号并提供一定的驱动电流；（5）自举模块：自举电容作为高侧驱动电路的电源；（6）驱动输出模块：提供所需的电压和电流来控制功率器件（通常是MOSFET或IGBT）的栅极，以确保它们能够有效地导通和关断。4.电平移位电路的关键参数有哪些？在电平移位电路的设计过程中，如何提高其抗dv/dt能力？关键参数：低延迟时间、低损耗和高dv/dt抑制能力等；提高其抗dv/dt能力方法：（1）采用差分对结构电平移位电路，利用其共模抑制能力抵消dv/dt引起的共模噪声；（2）电平移位器中加入共模瞬态抑制电路；（3）使用双稳态锁存器（如RS锁存器）存储信号状态，避免因瞬态噪声翻转。5．芯片内部保护电路通常有哪些保护功能？(1).过压保护:(a)栅极-源极过压保护：防止因米勒电容充电导致栅极电压超过击穿电压。常用方法是设计栅极箝位电路，如二极管箝位、稳压管箝位、TVS管箝位。(b)漏极-源极过压保护：防止关断或二极管反向恢复过程中产生的浪涌电压击穿器件。常用方法是采用缓冲保护电路，如无源或有源缓冲网络。(2).欠压保护:监测驱动芯片的供电电压VDD。当供电电压不足时，强制关闭功率器件，防止器件因栅极电压过低而工作在有源区或逻辑电路输出错误信号。(3).过温保护:利用对温度敏感的半导体器件，如负温度系数热敏电阻作为传感器检测芯片内部温度。当温度超过阈值时，输出保护信号并关断相应电路，防止芯片或器件烧毁。6．输出驱动电路如何进行功率器件的匹配设计？(1)晶体管尺寸的折中设计：输出级功率器件(上拉PMOS和下拉NMOS)的宽长比(W/L)决定了输出峰值电流能力。W/L越大，驱动电流能力越强；但同时也意味着需要更长的时间来充放电该驱动管本身的输入电容，导致驱动电路自身的开关速度变慢。因此，设计时需要在驱动能力和开关速度之间进行折中选取。(2)驱动电压匹配：必须将控制电路的低电平逻辑信号转换为适合功率器件的栅极驱动电压，确保电压水平满足器件导通或关断的需求。(3)输出电流能力匹配：驱动电路必须提供足够的源电流(Source)和泄放电流(Sink)，以快速充放电功率器件的栅极电容(Ciss)，从而保证功率器件的快速切换。(4)传输延时与死区时间：设计需保证极小的传输延时，同时为了防止输出级自身的上拉管和下拉管直通，需要在它们之间设置适当的死区时间。7．功率器件的短路电流通常是多大？其通常有哪些检测方法？各有什么优缺点？工程中最常用的是哪些方法？(1)短路电流大小：短路发生时，流过器件的电流会迅速上升，通常为正常工作电流的8～10倍。(2)常用检测方法：(a)退饱和检测法:检测功率器件导通时的VDS。短路时VDS会迅速升高并退出饱和区。优点：成本低、实现简单。缺点：需要设置消隐时间(Blankingtime)避开误触发；检测精度易受温度影响。(b)di/dt检测法:利用源极寄生电感LS上的感应电压来检测电流变化率。优点：无检测盲区、保护电路简单、容易集成。缺点：需要开尔文连接或利用寄生电感。(c)分流器检测法：在源端串联小电阻，直接测量电压反映电流。优点：简单直接、响应速度快。缺点：会产生额外损耗；大电流下电阻两端电压可能过高。(d)门极电压检测法：检测短路时门极电压VGS的异常变化，如米勒平台消失或电压尖峰。优点：可检测硬开关故障。缺点：电路复杂，不易实现；SiCMOSFET米勒电容小导致特征不明显，易误触发。(e)罗氏线圈检测法：测量di/dt通过积分得到电流。优点：检测快，无需死区时间。缺点：结构复杂，难以集成，精度易受电磁干扰影响。(3)工程中最常用的方法：退饱和检测法：因其低实施成本和简单性，它是目前最常用的一种方法。8．功率器件的过载电流的范围通常是多大？在实际应用中，过载检测方法有哪些？(1)过载电流范围：过载故障时，电流缓慢增大，通常为正常电流的1.2～1.5倍。(2)实际应用中的过载检测方法：(a)直接电流检测：一般可以通过分流器检测法检测电流，来判断是否发生过载。(b)专用过载保护电路（RLC滤波+比较器）：利用RLC网络滤除高频振铃，测量与电流成比例的输出电压。通过比较器设置阈值，当检测电压超过阈值时触发故障信号并锁存，从而关断电路。挑战性拓展热搭建IGBT基本驱动电路原理图，设置不同的栅极驱动电阻或驱动电流，仿真IGBT的开关速度和电气应力情况，分析驱动强度对开关速度和电气应力的影响。这是一个基本的栅极驱动电路的晶体管级电路图，通过搭建半桥结构仿真双脉冲实验来说明，不同的栅极驱动能力对功率器件开关特性的影响，其中功率器件为SiCMOSFET（与IGBT原理类似，但是IGBT的器件模型导不进这个库，故用SiCMOSFET代替），其型号是SCT4026DE,负载为感性负载电感L=50uH，母线电压为200V。上图为当驱动电阻Rg分别为0、5、10欧姆的情况下，即栅极驱动能力变弱的情况下