具有瞬态尖峰电压保护功能的半桥驱动电路分析与设计

摘要

可靠性是衡量集成电路性能的重要指标，半桥电路工作频率的增加，使电路寄生参数所带来的瞬态效应变得更加重要。瞬态效应引起的尖峰电压导致功率MOSFET和驱动电路功能的混乱，引起半桥电路功耗的增加并破坏电路的可靠性。本论文重点研究瞬态效应导致的尖峰电压的产生原因与影响程度，进而给出了保护电路设计方案。
　　本论文首先介绍了自举式半桥电路的结构与工作原理。考虑功率MOSFET及驱动电路的主要寄生参数，建立电路的等效模型，详细分析了瞬态尖峰电压产生的原因，随后具体研究了瞬态尖峰电压对功率MOSFET与驱动电路的影响。根据电路闭锁的原理，提出了一种保护电路，该电路由采样检测电路、复位电路及逻辑控制电路三个子模块组成，实现了对工作状态信号的锁存，并输出带有回滞的电路锁定信号，提高了电路的可靠性。在所提出保护电路的基础上，本论文设计了一款改进后的半桥驱动电路，该驱动电路通过欠压保护电路与过流保护电路，实现了电路保护功能，提高了驱动电路抗瞬态尖峰电压的干扰能力。本论文使用了3μm CMOS工艺为基础的高低压兼容BCD工艺，完成了版图设计并进行了仿真，最后给出芯片的应用系统，通过实际测试结果对芯片的性能进行了验证。
　　测试结果表明，保护电路锁定功能正常，在工作频率f=100kHz，母线直流电压VH=600V的测试条件下，半桥电路中瞬态负尖峰电压幅值仅为8.5V，低于10V的设计指标，满足了设计要求。相对于驱动电路外围的保护电路设计，本论文提出的半桥驱动电路方案具有集成度高，性能优等特点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

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 论文组织

第二章 半桥电路中的瞬态尖峰电压分析

2．1 半桥电路结构

2．2 半桥电路的寄生参数

2．3 半桥电路的瞬态特性分析

2．4 瞬态尖峰引起的失效

2．4．1 瞬态电压对MOSFET的影响

2．4．2 瞬态电压对高压电平位移电路的影响

2．4．3 瞬态电压对寄生二极管网络的影响

2．5 本章小结

第三章 瞬态尖峰电压保护电路设计

3．1 瞬态尖峰电压保护电路设计

3．1．1 电流采样检测电路

3．1．2 复位信号产生电路

3．1．3 错误逻辑控制电路

3．2 半桥驱动电路总体结构

3．3 本章小结

第四章 半桥驱动电路设计

4．1 输入级电路

4．1．1 RS触发器

4．1．2 锁存器

4．1．3 输入级电路逻辑功能

4．2 欠压锁定电路

4．2．1 差分放大比较器

4．2．2 基准电压

4．2．3 欠压锁定电路设计

4．3 延时电路

4．3．1 RC积分电路

4．3．2 施密特触发器

4．3．3 延时电路设计

4．4 高电平位移电路

4．4．1 高电平位移电路工作原理

4．4．2 脉冲产生电路

4．4．3 脉冲滤波电路

4．4．4 高电平位移电路

4．5 输出级电路

4．6 ESD保护电路

4．6．1 电路中的ESD

4．6．2 保护电路设计

4．7 总体电路仿真与分析

4．8 本章小结

第五章 版图设计与流片测试

5．1 版图设计

5．1．1 横向高压器件LDMOS

5．1．2 版图实现

5．1．3 后仿真与结果分析

5．2 半桥驱动电路的应用系统

5．2．1 自举电路设计

5．2．2 输出电阻网络设计

5．3 芯片测试

5．3．1 测试结果及讨论

5．3．2 测试结果与指标对比

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

硕士期间取得的成果