功率集成电路基础杨媛课后答案

第一章习题参考答案1．功率集成电路与普通集成电路的主要区别是什么？功率集成电路与普通集成电路的核心区别在于它们的功能不同。普通集成电路（如CPU、内存芯片）主要负责处理信息，关心的是运算速度、数据精度和逻辑功能，它们工作在低电压、小电流下。而功率集成电路的使命是处理和控制电能，负责高效地进行电压转换、电流放大和功率开关，直接驱动电机、灯光或为其他芯片供电，因此必须承受高电压、大电流的考验。由于功能不同，两者的设计重点和制造工艺也截然不同。普通集成电路追求晶体管尺寸的不断缩小，采用先进的CMOS工艺来提升集成度和能效。功率集成电路则采用特殊的工艺（如BCD工艺），在同一芯片上集成耐高压的功率器件和精细的控制电路。它不盲目追求最小尺寸，而是特别优化器件的耐压能力、导通电阻和开关速度，以最大限度地减少能量损耗和发热。这种差异直接体现在产品的外观和使用上。功率集成电路的封装往往更大、更厚重，常常带有金属散热片或裸露的焊盘，因为它工作时会产生大量热量，散热设计是其可靠性的生命线。而普通集成电路的封装则以小型化、高密度引脚为主。在应用上，手机的快充芯片、电动汽车的电机控制器、工业电源里的核心模块，都是功率集成电路的舞台；而我们手机里的处理器、电脑里的内存条，则是普通集成电路的典型代表。2.功率集成电路的应用领域有哪些？手机、电脑和穿戴设备：快充芯片、电源管理芯片、屏幕背光驱动工业、汽车和能源：电机驱动芯片、电机驱动、电池管理、车载充电和逆变器等3.功率集成电路的未来发展趋势是什么？1、第三代半导体：碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）​将逐步替代传统硅基材料，成为高压、高频、高效率应用的主流。2、更高的集成度：从单一功能芯片向“系统级封装”​和“智能功率模块”​发展，将控制、驱动、保护乃至无源元件集成在一起，提升功率密度和可靠性。3、更高的功率密度：持续追求在更小体积内处理更大功率4、更高的可靠性：受新能源汽车和自动驾驶驱动，对功能安全、长寿命、零缺陷​的要求达到极致，成为技术发展的核心标杆。挑战性拓展请阐述功率集成电路技术在国际上的最新发展现状和国内的发展现状。功率集成电路技术在全球正处于从硅基向宽禁带（碳化硅、氮化镓）快速迭代、系统级集成与智能化深度发展的新阶段，国际巨头凭借全产业链布局和先发优势主导高端市场；我国在消费与工业级中低压领域已实现大规模国产替代，并在新能源驱动的IGBT和宽禁带半导体赛道上取得关键突破，但仍在车规级可靠性、高端制造工艺及上游核心材料环节面临挑战，处于奋力追赶、加速攻坚的核心瓶颈期。试给出一个功率集成电路系统的典型构成。由控制电路、接口电路、驱动电路，检测电路、保护电路、功率器件构成，如图

习题常见的横向高压MOS型器件有哪些？有何结构特点？解答：常见的硅横向高压MOS型器件有LDMOS、LDIGBT。这类器件背面均为衬底，主电极和控制极在芯片上表面，器件工作时电流水平流动；漂移区的长度和浓度决定了器件击穿电压的大小。只要增加漂移区的长度，就可以提高其击穿电压，但会导致导通电阻增加。此外，常见的SOI横向高压器件包括SOI功率二极管、SOILDMOS及SOILIGBT。横向器件的工作机理及与纵向器件是否相同？解答：横向器件的工作机理及与纵向器件完全相同。LDMOS与VDMOS相同，导通时要求VGS>VTH且VDS>0；LIGBT与IGBT相同，导通时VGE>VTH且VCE>0。何谓RESURF技术含义？可用于哪些器件？解答：RESURF技术即降低表面电场技术，是指在p型衬底上外延一薄层轻掺杂的n漂移区，使其在达到临界击穿电场之前全部耗尽，以承担大部分的外加电压，并降低器件表面峰值电场，使击穿点从表面pn结转移到体内pn结，从而提高击穿电压。目前在硅LDMOS和SOILDMOS中已经得到广泛使用。何谓REBULF技术含义？可用于哪些器件？解答：RESURF技术即降低体内电场（REBULF）技术，是指在RESURFLDMOS器件的衬底中引入了高掺杂浓度的埋层，以降漏极侧nn+结处的高电场，使得漂移区的电场更加均匀，从而提高器件的击穿电压。目前REBULF技术主要用于RESURFLDMOS、超结LDMOS以及SOIRESURFLDMOS器件中。如何避免LIGBT的闩锁效应？解答：在LIGBT导通期间，由发射区侧的纵向npn晶体管VnV与集电极侧的横向pnp晶体管VpL之间形成的正反馈效应，导致LIGBT栅极失控，即LIGBT发生闩锁。为了避免LIGBT的闩锁效应，需要减小发射极侧npn晶体管VnV的p基区横向电阻RB或通过RB的电流，并限制集电极侧pnp晶体管VpL的注入效率。通常采用的措施是，在发射区一侧增加p阱、埋层，或者采用表面短路结构，在集电区一侧增加n缓冲层或采用短路结构，或者采用空穴电流旁路结构。何谓功率器件的优值？通常有几种表征方法？解答：功率器件的优值（FOM）共有3种表征方法，不同的表征方法其不同含义不同。1）评价双极型和单极型功率器件的综合性能的特性优值，与器件的击穿电压VBR、导通电阻或电流密度JF，以及开关速度或关断时间toff有关，可表示为 （1）FOM值越高，器件的综合性能越好。2）评价单极型功率器件的功率大小的功率优值FOM1，与器件的击穿电压VBR、特征导通电阻Ron,sp有关，可表示为 （2）FOM1值越高，器件的功率越大。3）表征单极型功率器件低损耗大小的损耗优值FOM2，与器件的特征导通电阻Ron,sp和栅漏电容QGD有关，可表示为 （3）FOM2值越小，表示器件的功耗越小。采用SOI衬底材料制作PIC有何好处？SOI是怎样形成的？解答：采用SOI衬底材料制作PIC中，可有效地实现有源层与衬底之间隔离，同时高、低压单元之间也可通过绝缘介质完全隔离。由于SOI技术能提供较为理想的隔离，并具有寄生效应小、集成度高、抗辐射能力强等诸多优点，因而应用广泛。SOI衬底可以通过注氧隔离（SIMOX）、多孔硅氧化全隔离（FIPOS）、硅片直接键合（SDB）及智能剥离技术（SmartCut）来制备。SOI基功率器件有哪些优点与缺点？解答：SOI基功率器件优点，一是断态漏电流小，比如SOIRESURFLDMOS中埋氧层实现了器件纵向隔离，减小器件的耗尽区宽度，从而减小器件的漏电流；二是关断损耗低，比如SOIRESURFLIGBT中的埋氧层可有效阻止载流子注入衬底，使器件的关断时间与拖尾电流减小，开关功耗更低。SOI基功率器件缺点，一是导通电阻较大，且埋氧层阻挡了热量通过背衬底的传导，因而存在自加热效应。比如在SOIRESURFLDMOS导通期间，载流子仅限于在n外延层内输运，不会进入到埋氧层和衬底，导致其导通电阻增加。二是受寄生效应（背栅效应、‌‌衬底辅助耗尽效应）和埋氧层的影响，击穿电压较低。增加埋氧层厚度，有利于提高击穿电压。但是埋氧层越厚，自加热效应越严重。怎样克服SOI基横向器件的自加热效应？解答：为了缓解SOI基横向器件的自加热效应，通过在埋氧层中开窗口，使外延层与多晶硅层连通，可以缓解自加热效应。或者，采用高导热率的介质，比如氮化硅（Si3N4）及氮化铝（AlN）替代二氧化硅（SiO2）。SOI横向高压器件采用介质场增强技术的结构有哪些？并说明其特点。解答：SOI介质场增强（ENDIF）技术是指通过增强介质埋层的电场来提高SOI器件的纵向击穿电压。基于ENDIF技术的SOI高压器件结构有电荷型SOI高压器件、低k和变k埋层SOI高压器件、薄硅层阶梯漂移区SOI高压器件。其中，电荷型SOI高压器件就是在埋氧层上、下界面的形成电荷槽，且电荷越多，埋层电场越高，器件耐压越高。低k和变k埋层SOI高压器件是用低k和变k埋层替代埋氧层，以提高其埋层电场，从而提高其耐压；薄硅层阶梯漂移区SOI高压器件是利用阶梯漂移区对横向电场的调制作用，使其表面电场更加均匀，以提高器件的横向击穿电压；同时，漂移区电场又调制了埋氧层电场分布，从而增强了埋氧层电场，提高了器件的纵向击穿电压。GaNHEMT的结构和工作原理与硅MOSFET有何不同？解答：GaNHEMT的结构与功率MOSFET相似，表面有栅极、源极和漏极，并有耗尽型和增强型两种类型。与功率MOSFET结构不同在于，栅极与GaN之间增加了一个AlGaN薄层，于是在GaN晶体与AlGaN薄层的界面处会产生应变，感应出二维电子气（2DEG）。GaNHEMT的工作原理与功率MOSFET不同在于，当施加电压时，GaNHEMT中的2DEG可以有效地传导电子，且因电子气的迁移率很高，故其工作频率极高；而功率MOSFET是通过表面反型沟道传导电子，因沟道电子的迁移率较低，导致其工作频率较低。试确定200V的LDMOS所需的n-漂移区的浓度和厚度（不考虑终端的影响）。解答：LDMOS的漏源击穿电压VBR由n-漂移区与p体区形成的pn结决定，根据题意可知，不考虑pn结终端的影响，并且因n-漂移区浓度较低且较厚，即使在击穿电压下n-漂移区也无法全部耗尽。因此，可以根据pin结构在非穿通条件下的击穿电压计算公式来计算，此时VBR的大小主要与n-漂移区的浓度ND及长度Ln有关。当VBR一定时，ND越高，对应的长度Ln越长，或者ND越低，对应的长度Ln越短。可见，满足VBR要求的ND、Ln有多组值。由于LDMOS是单极型器件，ND越低或者Ln越长，均会导致器件的导通电阻增大。但是当ND较高时，虽然有利于降低器件的导通电阻，会使得栅极与n-漂移区界面处的电场强度增大，容易发生栅极击穿。因此，n-漂移区的浓度和厚度的选择，不仅要考虑VBR与Ron之间的折衷，还要考虑栅氧化层的击穿问题。可以在保证VBR的前提下，取n-漂移区的长度为对应浓度下的耗尽层展宽。考虑到结弯曲的影响，由n-漂移区与p体区形成的pn结的击穿电压大约只有平行平面结击穿电压的80%，故按VBR=200V/80%=250V来估算n-漂移区的浓度和长度。取n-漂移区的ND为9´1014cm3，计算得到n-漂移区的耗尽层宽度即长度Ln为取n-漂移区的ND为1´1015cm3，计算得到n-漂移区的耗尽层宽度即长度Ln为取n-漂移区的ND为1.1´1015cm3，计算得到n-漂移区的耗尽层宽度即长度Ln为由以上计算可知，只考虑pn结弯曲的影响，不考虑pn结终端，按80%耐压效率计算，200V的LDMOS所需的n-漂移区的浓度和长度分别为1.0±0.1´1015cm3和16.6±0.2mm。实际设计时，为了避免pn结终端的影响，通常会将栅极延伸至n-漂移区上方作为场板，以降低栅极下方pn结终端的电场强度，此时场板也会对击穿电压产生的影响。需要说明的是，对RESURFLDMOS而言，由于n-漂移区厚度tn较薄，可以完全耗尽，则可以根据pin的穿通击穿公式计算。挑战性拓展以图2-8所示的单RESURFLDMOS结构为例，假设衬底掺杂浓度为1.5×1014cm3，外延层掺杂浓度为8×1014cm3，厚度8m，漂移区长度都为60m。试建立器件结构模型，分析器件的横向和纵向电场分布、击穿电压及导通电阻。解答：考虑到n-漂移区与p体区形成的pn结终端处电场强度较高，将栅极延伸至n-漂移区上方作为场板，同时将漏极延金属伸至n+漏区上方作为场板，以降低栅极下方pn结表面以及漏极侧nn+结表面的电场强度。在单RESURFLDMOS结构中，n-漂移区即外延层掺杂浓度和厚度、以及p-衬底的浓度和厚度受电荷平衡条件的约束，题中未给出p-衬底的厚度，为了保证外延层完全耗尽，p-衬底的厚度可以适当加厚，不影响结果。根据题意建立的结构模型的如图1所示，仿真得到的横向和纵向电场分布如图2所示，可见，横向电场强度为悬链线分布，且表面pn结峰值电场位低于nn+结处的表面电场；纵向电场强度分布为三角形分布，且峰值电场位于体内n-漂移区与p-衬底之间的pn结面上，并低于表面电场强度峰值。若保持其他参数不变，通过优化漂移区掺杂浓度为1×1015cm-3，衬底掺杂浓度为1.5×1014cm-3，可以得到如图2(c)所示的理想电场强度分布。仿真得到的击穿特性曲线如图3所示。可见，在栅源短路条件下的漏源击穿电压为600V，对应的漏电流为1×10-5A/cm2。仿真得到的导通特性曲线如图4所示。可见，在栅源电压为10V、50A/cm2条件下的比导通电阻为0.38W×cm2。图1单RESURFLDMOS结构模型(a)横向电场强度分布(b)纵向电场强度分布(c)优化后的的电场强度分布图2仿真得到的单RESURFLDMOS中横向和纵向强度电场分布图3仿真得到的单RESURFLDMOS击穿特性曲线图4仿真得到的单RESURFLDMOS导通特性曲线

第三章习题参考答案1．BCD工艺集成多种器件的好处是什么？BCD工艺（Bipolar-CMOS-DMOS）是将双极型器件、CMOS器件和DMOS功率器件集成在同一芯片上的工艺技术，其核心优势在于兼顾高性能模拟信号处理、低功耗数字控制和大功率驱动能力，能大幅提升芯片的集成度、可靠性与性价比。它打破了传统工艺的界限，在一个硅片上创造了一个异构集成的系统级平台。让精密模拟处理（Bipolar）、智能数字控制（CMOS）和高效功率处理（DMOS）这三种核心能力协同使用，实现更强性能、更小体积、更低成本、更高可靠。这种互补性让BCD工艺芯片能同时处理模拟信号、数字信号和功率信号，广泛应用于汽车电子（如发动机控制、车灯驱动）、电源管理芯片（PMIC）、工业控制等领域。2．LOCOS隔离技术的主要缺陷是什么？LOCOS（LocalOxidationofSilicon，硅的局部氧化）是早期半导体工艺中常用的器件隔离技术，其核心原理是利用氮化硅掩膜阻挡氧化，在器件之间形成厚氧化层实现隔离。但随着芯片特征尺寸缩小（进入深亚微米、超深亚微米工艺节点），该技术的缺陷逐渐凸显，其主要缺陷是鸟嘴效应。高温氧化过程中，氧化层会横向钻入氮化硅掩膜的下方，形成类似鸟嘴的侧向延伸结构。对于小尺寸器件，鸟嘴会占用大量有效芯片面积，降低器件集成度；鸟嘴的边缘轮廓不规则，会导致器件的电学参数（如阈值电压）出现偏差，影响器件性能一致性。3．BCD工艺的互连存在什么难点？主要的解决方法有哪些？难点：BCD工艺的核心是在单芯片上集成双极型器件、CMOS器件和DMOS功率器件，三类器件的工作电压、电流密度、工艺要求差异极大。双极型和CMOS器件通常工作在低压、小电流场景，互连导线可采用细线条、薄金属层；而DMOS功率器件需承受高压、大电流，要求互连导线具备低电阻、高耐压能力，若采用统一的互连方案，低压区导线会因过设计造成面积浪费，高压区导线则易因载流密度不足引发电迁移（EM），或因绝缘层厚度不够导致击穿失效。同时，功率器件的大电流特性还会引发高压互连效应，大功率互连导线的宽线条、多层金属结构会引入较大的寄生电容，降低信号传输速度；长距离互连则会产生寄生电感，在开关瞬间引发电压尖峰，损坏低压器件。高压DMOS器件的大电流会在衬底中形成寄生电流通路，与CMOS器件的寄生PNP/NPN三极管构成正反馈回路，导致芯片闩锁失效，而互连的金属走线会加剧衬底电流的传导。解决方法：首先，采用多层金属布线结构，将低压互连与高压互连分离。低压区使用上层细线条、薄金属层，满足小电流、高密度布线需求；高压区采用下层宽线条、厚金属层，或局部增加金属层数，降低导线电阻，提升抗电迁移能力；高压互连的绝缘层采用厚氧化层和氮化硅复合结构，提高耐压性能，避免与低压区的漏电风险。其次，针对高压互连效应，可以通过厚介质互连技术、掺杂优化技术、场板技术、自屏蔽技术等方法改善。4．寄生MOS管是如何形成的？在BCD工艺中，寄生MOS管的形成源于芯片内部不同掺杂区、介质层与衬底之间的结构匹配。由隔离结构引发的寄生MOS管：BCD工艺中常用LOCOS或STI隔离实现器件间隔离，隔离氧化层与两侧的掺杂区、衬底会构成寄生MOS管；由阱结构与互连层引发的寄生MOS管：BCD工艺存在多层阱结构，阱与阱之间、阱与衬底之间的氧化层和互连层易形成寄生MOS管，这是CMOS与DMOS器件共存时的典型问题；由互连台阶覆盖不良引发的寄生MOS管：BCD工艺的多层金属互连需要跨越不同器件的表面台阶,如隔离氧化层的凸起、阱区的高低差，若介质层台阶覆盖不良，会导致局部氧化层过薄，进而形成寄生MOS管。挑战性拓展1．SOI基的BCD工艺有什么优势？应该如何在体硅和SOI基BCD工艺之间选择？优势：SOI基BCD工艺是在SOI衬底上集成双极型、CMOS和DMOS器件的技术方案，核心优势源于埋氧层（BOX层）的绝缘隔离作用，能从根本上解决体硅BCD工艺的寄生效应、闩锁风险等痛点。选择：选择体硅或SOI基BCD工艺的核心是平衡成本、性能与可靠性需求：体硅BCD工艺成本低、工艺成熟且导热性好，适合成本敏感的民用消费类、中低压低频、大功率场景，以及已有成熟体硅产线的情况；SOI基BCD工艺凭借埋氧层实现天然隔离，彻底消除闩锁效应，兼具低寄生、高频高性能、抗辐射耐高温的优势，更适用于汽车电子、工业控制等高可靠性领域，以及高频高压、特殊环境和高集成度小型化的场景。2．相比单层场板，多层场板为何能够实现更高的工作电压？多层场板相比单层场板能实现更高工作电压的核心原因是通过阶梯式电场分布优化，大幅降低器件漂移区的电场峰值，避免局部电场击穿。单层场板仅能在栅极边缘附近对电场进行有限调制，漂移区的电场峰值仍集中在栅极与漏极之间的局部区域，当电压升高时，该峰值极易超过半导体材料的击穿电场强度。而多层场板采用多段金属层叠加和阶梯式延伸的结构，每一层场板都对应不同的电势梯度，可将原本集中在单点的高电场，分散为多个连续且平缓的电场台阶，显著降低漂移区的最大电场强度。同时，多层场板的逐级延伸能覆盖更长的漂移区范围，进一步优化电场分布的均匀性，从而在不增加器件面积的前提下，大幅提升器件的耐压能力，实现更高的工作电压。

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，栅极驱动信号到达最大值依次变慢；上图为下管MOSFET关闭时，漏极的电压因寄生电感而产生的电压过冲，驱动电阻Rg分别为0、5、10欧姆的情况下，发现电压过冲减小，并且电压振荡也随之变小，减小了器件关断时候的损耗，但是这也代表着下管MOSFET关断的速度变慢，这又造成器件更多的损耗，所以设计者一般要综合考虑问题，进行折中。

第五章习题参考答案1．PMOS作为功率管的线性稳压器相较NMOS作为功率管的线性稳压器的优点是什么？缺点是什么？优点：①PMOS作为功率管时，其源极接输入电压，栅极由误差放大器直接驱动，不需要额外的电荷泵或自举电路来产生高于输入电压的驱动电压，简化了电路设计，降低功耗与成本。②栅极电压低于源极电压即可导通，容易实现低压差（LowDropout）。缺点：①相同电流下PMOS比NMOS的跨导小（迁移率低），导通电阻更大，需要更大的尺寸才能达到同样压差，增加芯片面积与寄生电容。②频率响应可能较差（寄生电容大），补偿相对复杂。2．当输入电压为2.5V、输出电压为1.2V时，计算稳压电源在该工作条件下的效率。对线性稳压器：效率忽略静态电流，则

Iin≈即在忽略静态电流的情况下，效率为

48%。但实际电路中存在静态电流

Iqη=当

Iq

远小于

Iout

时可忽略，所以该稳压电源在该工作条件下的效率约48%，当

3．请在图5-7中标注PMOS作为功率管的LDO的主极点与次极点的位置，并列出其表达式。主极点：位于误差放大器输出端到地的极点（节点

VG），因为此处阻抗很高且负载电容较大（包括功率管的

Cgs、表达式，该节点对地总电容为

CA，总电阻为

RA次极点：位于LDO的输出节点

VOUT，因为输出电容

COUT

与负载电阻

RL表达式（忽略

RESR）：p4．在Buck-Boost变换器中，如果使用NMOS功率管作为主开关管会带来什么好处？又会带来什么问题？好处：①NMOS比PMOS迁移率高，相同面积下导通电阻小，效率更高。②开关速度快，适合高频工作，减小电感体积。③成本通常更低（工艺上NMOS比PMOS性能好）。问题：①当作为上管使用时，NMOS的栅极驱动电压需要高于输入电压，需要自举电路或隔离驱动，增加复杂性和成本。②在负输出或输入输出电压差大时，驱动电路设计更复杂，可能引起开关节点振铃与EMI问题。5．已知在Buck变换器中，输入电压为3.3V，输出电压为1.2V，最大的负载电流IO_max为3A，系统工作频率为2MHz，试用下面公式求出静态条件下电感峰值电流（IL_max）和电感电流纹波（∆IL）。IO_max为最大负载电流，D为占空比，fSW为开关频率。通常将∆IL取最大负载电流的30%。 已知：V占空比

D=由题意：Δ由纹波公式：Δ可得电感值：L=VOUT电感平均电流

IL峰值电流：I可得：Δ6．已知在Buck变换器中，主功率管的导通电阻为

120mΩ，续流功率管的导通电阻为220mΩ，电感寄生电阻为25mΩ。在输入电压为3.7V、输出电压为2.5V的工作条件下，当负载电流为1.5A时，系统的直流导通损耗是多少（忽略静态损耗及开关损耗）？已知：VIN=3.7V,VOUT=2.5V,ILOAD=1.5主开关管（高边MOS）导通时，电流流过

Ron_续流管（低边MOS）导通时，电流流过

Ron_占空比：D=平均电感电流

IL开关管导通损耗：高边管导通时间占比

D：PHS低边管导通时间占比

1−D：1−D≈0.3243PP电感DCR损耗：

电感电流在整个周期都流过

RL：总直流导通损耗：P≈0.1824+0.1605+0.05625≈0.399157．已知在Boost变换器中，输入电压为3.7V，输出电压为4.6V，电感为4.7μH，系统的工作频率为1.5MHz，当负载电流为多大时，系统处在BCM（临界导通模式）？已知：𝑉𝐼𝑁=3.7V，𝑉𝑂𝑈𝑇=4.6V，𝐿=4.7𝜇H，𝑓𝑆𝑊=1.5MHzBCM条件：在周期

TSWBoost的占空比：D=1−电感峰值电流：开关管导通时间

ton=D⋅TSW，电感电压

ITtIIpeak≈787234×1.3043×输出电流

IOUT

与输入电流关系：忽略损耗：V所以：I代入：I8．图5-75所示为四开关型电荷泵，φ1～φ4为开关信号，TON=1μs，T=1.5μs，VIN=3V，VCP为输出电压，CP为20pF，CF为20pF。图5-75四开关型电荷泵（1）请画出φ1～φ4开关信号与输入电压、输出电压的波形图并阐述该电荷泵的工作原理。φ1和φ3为相同的驱动信号，φ2和φ4为相同的驱动信号，当φ1和φ3导通时，φ2和φ4关断，输入电压VIN向电容CP充电，当φ2和φ4导通时，φ1和φ3关断，此时由于电容CP两端电压不能突变，所以当下极板由GND抬升至VIN时，上极板由VIN变为2VIN，且M2导通，电容CP向电容CF转移电荷。当下个周期来临时重复充电、抬升、电荷转移的过程，实现升压。（2）空载下，经过4个周期后的输出电压为多少？空载下，稳定后的输出电压为多少？从0V开始，每次阶段2提升电压为：Δ所以V设

CPV初始

V0VVVV4个周期后

VOUT稳态

VOUT（3）如果在输出端接入5μA的负载电流，则需要多少个周期输出电压才能达到稳定时的90%？负载电流5uA时一个周期内消耗的电荷为：ILILVn+1​=Vn​+0.5(6−Vn​)−0.375=3+0.5Vn​−0.375=2.625+0.5Vn​稳态

Vf

满足：可得稳态电压为：Vf​=5.25

VVVVV即需要4个周期输出电压才能达到稳定时的90%（5.25*0.9=4.725V）挑战性拓展9．在输入电压为2.5～5.5V、输出电压为1.8～2.5V、输出电流为1A的芯片中交替使用LDO与Buck变换器供电（主功率管的导通电阻为210mΩ，续流功率管的导通电阻为350mΩ，电感寄生电阻为25mΩ），试问：（1）LDO与Buck变换器的优缺点分别是什么？LDO（低压差线性稳压器）优点：①结构简单，外围元件少（通常只需输入、输出电容）。②噪声低、输出纹波小（无开关动作）。③瞬态响应快（带宽高时）。④没有电磁干扰（EMI）。缺点：①效率低（η≈V②只能降压，且

VIN

必须大于

V③功率管一般工作在饱和区或线性区，导通电阻或压降导致效率受限。Buck（开关降压变换器）优点：①效率高（理想可达90%以上），尤其当输入输出电压差大时。②可大电流输出，发热相对小。③输入电压范围大，

VIN

大于

V缺点：①需要电感、开关管、续流管，外围元件多、体积大。②开关噪声大、纹波较大，可能干扰敏感电路。③有EMI问题，需要滤波和布局设计。④控制环路设计较复杂，瞬态响应特性较差。（2）若仅考虑功率管带来的损耗，在保证系统高效率的条件下，上述两种电源电路分别工作在哪种输入电压和输出电压下？LDO高效率条件：效率

η=VOUT/VIN，高效率要求

VBuck高效率条件：Buck效率主要取决于开关损耗和导通损耗。导通损耗（忽略开关损耗）：高边管损耗：I低边管损耗：I电感DCR损耗：IOUT可见

D

越大（即

VIN

接近

VBuck还有开关损耗（与频率、输入电压、开关时间有关），输入电压越高，开关损耗越大；开关频率越高，开关损耗越大。综合来看，Buck在

中等占空比、输入电压较低

时效率较高。（3）如果忽略系统损耗，LDO和Buck变换器分别采用哪种类型的功率管，可以简单地实现输入电压为2.5V、输出电压也为2.5V？如果需要使用另一种类型的功率管，则需要做哪些处理？LDO：压差为0，此时需要功率管导通电阻极小，且能工作在极低压差。通常用

PMOS

作为功率管，因为栅极可低于源极导通，容易实现

VINBuck：D=1

理论上需开关一直导通，这其实是“直通”模式，不是正常开关调节。Buck无法在

VIN=VOUT

时稳压（除非允许

D=1

的直通模式，即旁路模式）。若要做成这种旁路，可以

PMOS

作高边开关，栅极可低于源极（如果LDO想用

NMOS

为功率管：NMOS源极接输出，栅极必须高于源极才能导通，所以需要

电荷泵

来升压栅极驱动电压。如果Buck的高边开关用

NMOS：当

D=1

时，高边NMOS栅极需高于

VIN

第六章习题参考答案1．画出传统功率模块的结构示意图。图6-1所示为传统的引线键合封装结构的功率模块结构示意图。传统的引线键合封装结构包括功率半导体芯片、焊料层、直接覆铜（DirectBondCopper，DBC）基板、键合线、功率端子、散热基板、灌封材料和外壳（塑料框架和盖板）。焊料层与键合线用于将IGBT芯片、二极管芯片、功率端子、控制端子以及DBC基板连接起来。DBC基板是由陶瓷基板和上、下铜层组成的三明治结构，铜箔附着在陶瓷基板的上、下两面。散热基板对焊接在表面的DBC基板和粘贴的外壳起机械支撑作用。灌封材料覆盖模块内部的功率半导体芯片、DBC基板、键合线、功率端子等部件，可以提高内部的电气绝缘特性，以及保护功率半导体芯片、DBC基板和功率端子免受湿气、化学腐蚀、灰尘和振动的影响。模块外部采用塑料框架和盖板进行封装。图6-1功率模块结构示意图2．简述IPM与传统功率模块在结构上的区别。IPM是在传统功率模块技术的基础上发展而来的新产物，但与传统功率模块相比具有一定差异。IPM是将功率器件、驱动电路、保护电路、传感器（检测电路）及处理器等集成为一体的智能功率模块。3．简述IPM的优点。（1）高度集成：IPM集成了多个关键组件，包括功率器件、驱动电路、保护电路和传感器等，减小了系统体积，简化了电路设计。（2）节省空间：由于高度集成，因此IPM的封装结构相对紧凑，适用于空间有限的应用场景。（3）简化设计：IPM的集成结构简化了系统设计，降低了系统复杂性，缩短了产品开发周期。（4）高性能：IPM的功率回路、驱动回路设计紧凑，寄生参数较小，确保了功率器件的高效率和高性能，适用于高频率应用。（5）高可靠性和稳定性：IPM内部集成了多种保护电路，用于监测功率器件和系统的状态，保护系统免受过流、欠压、过温和短路等故障的影响。（6）节能：IPM在高效率和高性能的特性下工作，能够降低能源消耗，提高系统的能源利用率，实现节能效果。（7）易于控制和集成：IPM通常提供了易于使用的控制接口，使得它能够方便地与微控制器或数字信号处理器等集成，实现智能化的控制。（8）适应性强：IPM适用于各种应用领域，包括家电、工业自动化、汽车电子、可再生能源系统等。4．简述传统功率模块的保护类型。传统功率模块的保护类型仅有短路保护、过压保护等。5．分析低温烧结技术与真空回流焊相比有什么优点。相比真空回流焊，低温烧结技术是一种典型的在焊剂材料以及焊接环境上做出突破的焊接技术，该技术具有极高的可靠性，通常使用非常细小的银粉作为焊剂，均匀散布在两个被连接物的接触面上，然后在250℃温度和高压的作用下，形成一种多孔银层，如图6-8所示，低温烧结技术在工艺上省去了助焊剂涂刷流程的同时，可以让形成的烧结层保持Ag的熔点962℃，相比一般的SnAg3焊接