智能功率驱动芯片IGBT栅级控制方法研究与实现

摘要

单片集成智能功率驱动芯片，因其集成度高、功耗低、可靠性高等特点，在高可靠性和低功耗的电力电子应用系统中（如电机驱动、电源管理等）有着广泛的应用。由于绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为功率输出级被集成在智能功率芯片中，其在开关阶段的过冲和损耗对单片智能功率芯片的可靠性和功耗带来严重影响。IGBT栅极控制技术作为单片智能功率驱动芯片的核心技术之一，能够有效控制IGBT开关阶段过冲和损耗，对单片智能功率驱动芯片的可靠性和功耗有着决定性的作用。
　　本文通过对IGBT的传统栅极控制技术进行深入地研究，发现传统栅极控制技术通过加快IGBT的开关速度来减小其开关损耗，然而，这会带来较大的电压或电流过冲，导致对单片智能功率驱动的可靠性带来负面影响;通过减小IGBT的开关速度来减小电压电流过冲，但这又会产生较大的开关损耗，从而导致单片智能功率驱动芯片的损耗增加。因此，IGBT的开关过冲和开关损耗的关系需要折衷优化。而传统的栅极控制技术通过改变栅极电阻的方法来对IGBT开关过冲和开关损耗进行控制，其折衷优化效果一般，不能满足单片智能功率芯片对高可靠性和低功耗的要求。本文提出的梯度调制闭环栅极控制技术，分别在开通和关断两个阶段通过对IGBT集电极电压dvC/dt和电流梯度diC/dt的调制，达到对IGBT开关过冲和开关损耗之间的折衷优化，从而抑制开关过冲和降低开关损耗。为了确定IGBT开关过程中过冲和损耗之间的关系，本文基于梯度调制技术推导了二者的函数关系，其可作为栅极控制技术实际应用的理论依据。
　　本文提出的梯度调制闭环IGBT栅极控制技术基于600V0.5μm Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺进行流片。测试结果表明，相对于传统栅极控制技术，本文的栅极控制技术下的IGBT在开关阶段的电压过冲和电流过冲分别减小了57.9％和56.8％，关断损耗和开通损耗分别降低了12.9％和7％，在抑制IGBT开关过冲和降低IGBT开关损耗方面具有很大的优势。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 智能功率驱动芯片概述

1．2 栅极控制技术概述

1．2．1 栅极控制技术国内外研究现状

1．2．2 栅极控制技术发展趋势

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 本文论文组织

第二章 功率器件IGBT及其传统栅极控制技术分析

2．1 功率器件IGBT

2．1．1 功率器件IGBT的发展

2．1．2 IGBT内部结构

2．1．3 IGBT开关特性

2．2 IGBT栅极控制要求

2．3 传统栅极控制技术存在的问题

2．4 本章小结

第三章 栅极控制技术中IGBT开关过冲和损耗分析

3．1 电流电压过冲产生机理分析

3．1．1 电流过冲

3．1．2 电压过冲

3．2 开关损耗分析

3．3 本章小结

第四章 闭环栅极控制技术设计与实现

4．1 闭环栅极控制技术概述

4．1．1 集电极电压VCE或集电极电流IC闭环控制技术

4．1．2 集电极电压梯度dvC／dt或集电极电流梯度diC／dt闭环控制技术

4．2 新型梯度调制闭环栅极控制技术原理与架构

4．2．1 梯度调制闭环栅极控制技术原理

4．2．2 梯度调制闭环栅极控制技术架构

4．3 梯度调制闭环栅极控制技术的电路设计

4．3．1 运算放大器设计

4．3．2 负压转换器设计

4．3．3 输出缓冲器设计

4．3．4 dvC／dt和diC／dt采样电路设计

4．4 梯度调制闭环栅极控制技术小信号分析

4．4．1 IGBT小信号等效电路及相关参数

4．4．2 梯度调制闭环控制技术小信号传递函数推导

4．5 梯度调制闭环栅极控制技术开关损耗分析

4．5．1 关断损耗分析

4．5．2 开通损耗分析

4．6 总体电路仿真分析

4．7 本章小结

第五章 芯片版图设计与测试

5．1 SOI-BCD工艺简介

5．2 版图设计

5．2．1 版图设计规则

5．2．2 电路版图

5．3 测试结果分析

5．3．1 双脉冲测试

5．3．2 关断电压过冲与关断损耗测试

5．3．3 开通电流过冲与开通损耗测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间取得成果