基于PN結(jié)隔離(JI)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)指導(dǎo)

引言

自從1989年國(guó)際整流器公司(IR)率先推出首款單片式高壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品以來，高壓集成電路(HVIC)技術(shù)就開始利用獲得專利的單片式結(jié)構(gòu)，集成雙極器件、CMOS及橫向DMOS器件，設(shè)計(jì)出了擊穿電壓分別高于700V和1400V的產(chǎn)品；這些高壓驅(qū)動(dòng)芯片可以工作在600V和1200V偏置電壓下。

2016年英飛凌完全收購IR后，英飛凌擁有了這項(xiàng)經(jīng)過多年市場(chǎng)驗(yàn)證的PN結(jié)隔離(JI)技術(shù)，該技術(shù)是一項(xiàng)成熟的、可靠的且經(jīng)過市場(chǎng)驗(yàn)證的技術(shù)。特有的HVIC和抗閂鎖CMOS技術(shù)可打造出可靠的單片式構(gòu)造。先進(jìn)的制造工藝生產(chǎn)出性價(jià)比最佳的產(chǎn)品，可面向電機(jī)控制，開關(guān)電源等多種應(yīng)用。

英飛凌PN結(jié)隔離（JI）技術(shù)的主要益處：

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最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)4A

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精密模擬電路(嚴(yán)格的時(shí)序/傳輸延遲)

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擁有行業(yè)內(nèi)數(shù)量最多的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)門極驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品

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電壓等級(jí)：1200V、600V、500V、200V和100V

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驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)類型：三相、半橋、單通道等

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最佳性價(jià)比

PN結(jié)隔離(JI)技術(shù)介紹

一個(gè)完整的半橋驅(qū)動(dòng)芯片包含了耐高壓的高邊驅(qū)動(dòng)電路和低邊驅(qū)動(dòng)電路，其中高邊驅(qū)動(dòng)電路包含高壓電平轉(zhuǎn)換電路和高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路。PN結(jié)隔離技術(shù)（JI）通過多晶硅環(huán)形成的“井”型高壓浮動(dòng)開關(guān)，將可“浮動(dòng)”600V或1200V的高壓電路與其他低壓電路在同一硅片上隔離，從而通過對(duì)地的低壓數(shù)字信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)需要高壓浮動(dòng)開關(guān)的功率器件IGBT和MOSFET。廣泛應(yīng)用于各種常見電路拓?fù)渲?，包括降壓電路、同步升壓電路、半橋電路、全橋電路和三相全橋電路等等?/p>

下圖分別是LDMOS電平轉(zhuǎn)換電路以及高低邊驅(qū)動(dòng)CMOS的橫切面圖。

電平轉(zhuǎn)移式高壓驅(qū)動(dòng)芯片的

內(nèi)部框圖和工作原理

下圖是一個(gè)典型半橋驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)。

這個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片高邊HVIC包含了：

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脈沖發(fā)生器：在輸入信號(hào)HIN的上升沿和下降沿產(chǎn)生脈沖信號(hào)；

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電平轉(zhuǎn)移電路：把以COM為參考的信號(hào)轉(zhuǎn)換成以VS為參考的信號(hào)；

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SR鎖存器：鎖存從電平轉(zhuǎn)移電路傳輸過來的脈沖信號(hào)；

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緩沖器：放大輸入信號(hào)

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延時(shí)電路：補(bǔ)償高邊信號(hào)的傳輸延時(shí)；

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自舉二極管：在S2開通時(shí)對(duì)自舉電容進(jìn)行充電。通過電平轉(zhuǎn)換電路，使相對(duì)于地（COM）的Hin信號(hào)轉(zhuǎn)換成同步的相對(duì)對(duì)于懸浮地（VS）的Ho信號(hào)，從而控制高邊S1的開關(guān)。

VS負(fù)壓和閂鎖效應(yīng)

在半橋電路中，感性負(fù)載、寄生電感和下管反向續(xù)流可能在VS腳產(chǎn)生負(fù)壓。基于HVIC的構(gòu)造，VS負(fù)壓可能導(dǎo)致HVIC失效。因此，如何抑制VS負(fù)壓，將是HVIC應(yīng)用中的重要課題。

L1，L2分別是上下管上功率器件的封裝電感和電路走線的寄生電感，當(dāng)上管開通時(shí)，電流經(jīng)過上管流過負(fù)載電感；上管關(guān)斷換流時(shí)，續(xù)流電流經(jīng)過S2的體二極管，并在L1L2寄生電感上產(chǎn)生電壓，導(dǎo)致VS端產(chǎn)生了低于地線電壓的負(fù)壓。該負(fù)電壓的大小正比于寄生電感的大小和開關(guān)器件的電流關(guān)斷速度di/dt；di/dt由柵極驅(qū)動(dòng)電阻Rg和開關(guān)器件的輸入電容Ciss決定。

VS負(fù)壓除了使Vbs超過芯片的絕對(duì)最大額定值，導(dǎo)致芯片過壓損壞；更多的時(shí)候是產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)，導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

如上圖，驅(qū)動(dòng)芯片外延層到襯底有一個(gè)等效二極管D1（VB-COM），外延層-襯底-外延層有一個(gè)等效NPN三極管Q1(VCC-COM-VB)。當(dāng)VS產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，D1/Q1可能導(dǎo)通，會(huì)引起HO跳變（在沒有輸入信號(hào)時(shí)，HO可能從低電平跳到高電平），從而導(dǎo)致半橋功率管短路使系統(tǒng)失效，或者引起驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部CMOS結(jié)構(gòu)發(fā)生閂鎖效應(yīng)，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)芯片失效。

上兩圖是來自客戶的一個(gè)實(shí)測(cè)雙脈沖波形，驅(qū)動(dòng)芯片的輸入信號(hào)是低電平，但是輸出跳變成高電平，在上管關(guān)斷的時(shí)候VS腳的瞬變電壓達(dá)到了-130V，這個(gè)負(fù)壓使得HO從低電平跳變成高電平。

JI技術(shù)驅(qū)動(dòng)芯片

周邊電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)

為了減小-VS(VS=-(Lp*di/dt+Vf))，在電路設(shè)計(jì)中需要做到：

1.使寄生電感最小化，減小驅(qū)動(dòng)回路的走線，避免交錯(cuò)走線。

2.半橋電路兩個(gè)功率管盡可能靠近安裝，它們之間連接盡量用粗短線

3.驅(qū)動(dòng)芯片盡量靠近功率管

4.母線電源上的退耦電容盡量靠近功率管和電流檢測(cè)電阻

5.使用低寄生電感的電阻作為電流檢測(cè)電阻，并盡量靠近下面的功率管

6.VB-VS之間使用低寄生電感的瓷片電容

7.VCC-COM之間也要使用低寄生電感的瓷片電容，推薦使用的VCC-COM之間的電容容量是VB-VS之間的電容容量的十倍以上

8.退耦電容盡量靠近驅(qū)動(dòng)芯片引腳

如果注意了上述事項(xiàng)，VS腳負(fù)壓仍然很大的話，可以考慮降低功率管的開關(guān)速度，以便降低開關(guān)時(shí)的電流變化率di/dt，例如：

1.外加緩沖電路

2.增大驅(qū)動(dòng)電阻(注意：這種方法會(huì)增加功率管開關(guān)損耗)