本發(fā)明屬于半導體器件設計領域,尤其是一種集成光觸發(fā)一體化IGBT結構及設計方法。
背景技術:
目前,IGBT均設計為電壓控制器件(圖1),柵極為金屬電極,在柵極和源極之間施加足夠高的正向驅動電壓信號,在柵極下方的P區(qū)會形成一個反型層,即N導通溝道,經由這個通道,電子從源極下方的N+區(qū)注入N-區(qū),使IGBT進入導通狀態(tài)。當柵極與源極之間的正向驅動電壓消失,柵極與源極電位差低于IGBT導通所需的電壓閾值時,IGBT截止。因此,目前IGBT的導通是由柵極驅動電壓信號在柵極下方的P區(qū)形成N型導通溝道控制的,需要通過外接饋線由驅動電路為柵極饋送正向電壓信號。IGBT由截止狀態(tài)向導通狀態(tài)轉換的時間由柵極注入電流和IGBT結構參數(shù)決定。目前,由于IGBT結構的限制,對額定工作電流數(shù)百安培以上的大功率IGBT而言,柵極結構電容較大,IGBT的狀態(tài)轉換時間通常在百納秒以上。同時,在多個IGBT串聯(lián)使用時,電脈沖觸發(fā)方式會帶來IGBT的絕緣隔離問題。通過對IGBT柵極區(qū)結構進行特殊設計并采用匹配的觸發(fā)方式,可以解決IGBT的絕緣隔離及狀態(tài)轉換時間長的問題。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術問題是:針對現(xiàn)有技術存在的問題,提供一種集成光觸發(fā)一體化IGBT結構及設計方法,即通過設計觸發(fā)控制初級電源電路、負極性柵極電壓控制電路以及正極性柵極電壓控制電路,并使其與IGBT源極、漏極連通,采用絕緣隔離的觸發(fā)方法控制柵極下方導電溝道的形成,控制IGBT的通斷,與IGBT電路結構在同一片硅片上加工,用于解決IGBT的絕緣隔離及狀態(tài)轉換時間長的問題。
本發(fā)明采用的技術方案如下:
一種集成光觸發(fā)一體化IGBT結構包括:
觸發(fā)控制初級電源電路,用于跨接在IGBT源級和漏極之間,當IGBT漏極(D極)與IGBT源級(S極)存在電位差U0時,通過觸發(fā)控制初級電源電路輸出端為負極性及正極性柵極電壓控制電路進行儲能充電,觸發(fā)控制初級電源電路為柵極電壓控制電路提供的閾值儲能電壓值為U1;U0>U1;U1=Ug+Uk+UMF+Um;Ug為使IGBT導通所需的柵極(G極)-源極電位差,Uk為光控制開關PCSS導通壓降,UMF為第一電源模塊工作壓降,Um為由工作模式和回路雜散參數(shù)確定的調整電壓,一般情況下Um≤3V;
負極性柵極電壓控制電路,用于設置在觸發(fā)控制初級電源電路輸出端與IGBT柵極之間;當正極性柵極電壓控制電路的光控制開關(PCSS)未受光照時,負極性柵極電壓控制電路對IGBT柵極進行負極性充電,使得IGBT保持關斷狀態(tài);
正極性柵極電壓控制電路,用于設置在觸發(fā)控制初級電源電路輸出端與IGBT柵極之間;當正極性柵極電壓控制電路的光控制開關受到光照時,對IGBT柵極進行正極性充電,當充電滿足IGBT柵極導通控制電脈沖參數(shù)要求時,IGBT導通;當器件設計時以器件壽命為優(yōu)先考慮因素時,光控制開關設定為線性工作模式時,光控制開關的導通時間約等于光脈沖脈寬;
正極性柵極電壓控制電路的輸出端與負極性柵極電壓控制電路輸出端相連后連接到IGBT柵極上,IGBT柵極通過泄放電阻與IGBT源極相連。
進一步的,正極性柵極電壓控制電路的第一電源模塊A輸出正極性電壓U2,U2=Ug+Uk+Um,Uk為光控制開關導通壓降,Ug為IGBT要求的驅動電壓,Um為由工作模式和回路雜散參數(shù)確定的調整電壓,一般Um≤3V。所述當器件設計時以減小狀態(tài)轉換時間為優(yōu)先考慮因素時,光控制開關設定為非線性工作模式,此時,U2=Ug+Uk+Um中Ug取IGBT柵極觸發(fā)電壓上限UgH;第一限流電阻R1推薦取值(1.5到5)*UgH/IgH,IgH為IGBT柵極最大允許注入電流;IGBT導通時間寬度τ≈k1(第一限流電阻R1阻值+泄放電R3阻值)*(第二儲能電容C2容值+IGBT柵極電容CG容值),k1的值與IGBT柵極觸發(fā)電壓上限UgH與柵極觸發(fā)電壓下限UgL的比值UgH/UgL相關,一般在0.2到0.5之間。此種工作模式下,IGBT導通時間寬度可通過調整第一限流電阻R1和第二儲能電容C2容值予以調整以適應應用需求。
進一步的,所述觸發(fā)控制初級電源電路包括充電電阻Rh、齊納穩(wěn)壓二極管D1以及第一儲能電容C1;所述齊納穩(wěn)壓二極管D1與第一儲能電容C1并聯(lián);齊納穩(wěn)壓二極管D1一端與與充電電阻Rh一端、第一儲能電容C1一端連接,另一端與IGBT源級連接;充電電阻Rh另一端與IGBT漏極連接;第一儲能電容C1一端與第一電源模塊輸入端、第二電源模塊的輸入端、齊納穩(wěn)壓二極管D1一端及充電電阻Rh一端連接,第一儲能電容C1另一端與IGBT源極連接。所述電壓差U0通過充電電阻Rh給第一儲能電容C1充電,使得第一儲能電容C1的充電電壓閾值為U1;然后第一儲能電容給正極性以及負極性柵極電壓控制電路饋電,控制IGBT處于關斷或者導通狀態(tài);觸發(fā)控制初級電源電路輸出端指的是二極管D1與第一儲能電容C1并聯(lián),且與充電電阻Rh連接的端口。
進一步的,所述正極性柵極電壓控制電路包括第一電源模塊A、第一限流電阻R1、第二儲能電容C2以及光控制開關PCSS;第一儲能電容C1同時為第一電源模塊A供電,觸發(fā)控制初級電源電路輸出端通過第一電源模塊A與第一限流電阻R1一端、第二儲能電容C2一端連接;第一限流電阻R1另一端通過光控制開關與IGBT柵極連接;第二儲能電容與第一電源模塊A及第一限流電阻相連接的一端作為正極性連接端;第二儲能電容C2另一端通過短路連接線連接到IGBT源極,是第二儲能電容C2的地線端;所述第一電源模塊A輸出正極性電壓U2,U2=Ug+Uk+Um,Uk為光控制開關導通壓降,Ug為IGBT要求的驅動電壓,Um為由工作模式和回路雜散參數(shù)確定的調整電壓,一般Um≤3V。
進一步的,所述當正極性柵極電壓控制電路的光控制開關受到光照時,光控制開關導通,第二儲能電容對IGBT柵極進行正極性充電,當充電滿足IGBT柵極導通控制電脈沖參數(shù)要求時IGBT導通,具體過程是:當光控制開關導通時,光控制開關呈現(xiàn)低阻狀態(tài),此時第二儲能電容、第一限流電阻、光控制開關、泄放電阻構成導通回路,此時第二儲能電容上電壓U2通過第一限流電阻和泄放電阻分壓后加載到IGBT柵極上;由于第二儲能電容容值>>第三儲能電容容值,泄放電阻阻值>>第二限流電阻阻值>第一限流電阻阻值;此時IGBT柵極上為正極性電壓,當該電壓滿足IGBT導通控制電脈沖參數(shù)要求時,IGBT導通;其中U2=Ug+Uk+Um,Uk為光控制開關導通壓降,Ug為IGBT要求的驅動電壓,Um為由工作模式和回路雜散參數(shù)確定的調整電壓,一般Um≤3V;光控制開關是通過光脈沖控制通斷的開關;其中泄放電阻跨接在IGBT柵極與源級之間;其中第一儲能電容容值>第二儲能電容容值>>第三儲能電容容值。
進一步的,所述負極性柵極電壓控制電路包括第二電源模塊B、第二限流電阻R2、第三儲能電容C3、第三限流電阻R4、泄放電阻R3;觸發(fā)控制初級電源電路輸出端通過第二電源模塊B與第三限流電阻R4一端相連接;第三限流電阻R4另一端與第三儲能電容C3一端、第二限流電阻R2一端連接;第二限流電阻R2另一端與IGBT柵極連接;第三儲能電容C3與第二限流電阻R2和第三限流電阻R4相連接的一端作為負極性鉗位電壓輸出端;第三儲能電容C3另一端通過短路連接線與IGBT源極連接;第一儲能電容C1為第二電源模塊B供電時,所述第二電源模塊輸出負極性電壓U3,U3=Uoff·(第二限流電阻阻值R2+泄放電阻R3阻值)/泄放電阻R3阻值;Uoff指的是IGBT關斷電壓閾值,一般Uoff為-5V。。
進一步的,所述正極性柵極電壓控制電路的光控制開關未受光照時,負極性柵極導通電壓控制電路對IGBT柵極進行負極性充電,使得IGBT保持關斷狀態(tài),具體工作流程是光控制開關未受光照時保持高電阻狀態(tài),光控制開關阻值遠大于泄放電阻R3阻值;此時第三儲能電容C3、第二限流電阻R2和泄放電阻R3構成導通回路,IGBT柵極的電位由負極性充電的第三儲能電容通過第二限流電阻和泄放電阻R3鉗制在負電位,使得IGBT處于關斷狀態(tài);其中U3=Uoff·(第二限流電阻阻值R2+泄放電阻R3阻值)/泄放電阻R3阻值;Uoff指的是IGBT關斷電壓閾值,一般Uoff為-5V。第三限流電阻電阻R4用于限制第二電源模塊B向第二儲能電容的充電速率,其值根據(jù)IGBT運行頻率f和占空比δ確定,一般取值范圍為((1-δ)/4C3f)≤R4≤(1/4C3f),推薦取為R4≈(1/8C3f)。
一種集成光觸發(fā)一體化IGBT結構設計方法,包括:
步驟1:將觸發(fā)控制初級電源電路跨接在IGBT源級(S極)和漏極(D極)之間,當IGBT漏極與IGBT源級存在電壓差U0時,通過觸發(fā)控制初級電源電路輸出端為柵極電壓控制電路進行儲能充電,觸發(fā)控制初級電源電路為柵極電壓控制電路提供的閾值儲能電壓值為U1;U0>U1;U1=Ug+Uk+UMF+Um;Ug為使IGBT導通所需的柵極(G極)-源極電位差,Uk為光控制開關(PCSS)導通壓降,UMF為第一電源模塊工作壓降,Um為由工作模式和回路雜散參數(shù)確定的調整電壓,一般Um≤3V;
步驟2:在觸發(fā)控制初級電源電路輸出端與IGBT柵極之間設置負極性柵極電壓控制電路與正極性柵極電壓控制電路;正極性柵極電壓控制電路的輸出端與負極性柵極電壓控制電路輸出端相連后連接到IGBT柵極上,IGBT柵極通過泄放電阻與IGBT源極相連;當正極性柵極電壓控制電路的光控制開關未受光照時,負極性柵極電壓控制電路對IGBT柵極進行負極性充電,使其電位被鉗制在相對源極的負電位,使得IGBT保持關斷狀態(tài);當正極性柵極電壓控制電路的光控制開關受到光照時,正極性柵極電壓控制電路對IGBT柵極進行正極性充電,當充電滿足IGBT柵極導通控制電脈沖參數(shù)要求時,IGBT導通。
其中,所述觸發(fā)控制初級電源電路包括充電電阻、齊納二極管以及第一儲能電容;所述二極管與第一儲能電容并聯(lián);二極管分別與充電電阻一端、IGBT源級連接;充電電阻另一端與IGBT漏極連接;所述電壓差U0通過充電電阻給第一儲能電容充電,使得儲能電容的充電電壓閾值為U1;然后儲能電容給正極性以及負極性柵極電壓控制電路饋電,控制IGBT處于關斷或者導通狀態(tài);觸發(fā)控制初級電源電路輸出端指的是二極管與第一儲能電容并聯(lián),且與充電電阻供電連接的端口。
進一步的,當正極性柵極電壓控制電路的光控制開關受到光照時,對IGBT柵極進行正極性充電,當充電滿足IGBT柵極導通控制電脈沖參數(shù)要求時IGBT導通,具體過程是:
步驟21:正極性柵極電壓控制電路包括第一電源模塊、第一限流電阻、第二儲能電容、光控制開關以及泄放電阻;第一儲能電容同時為第一電源模塊和第二電源模塊供電,觸發(fā)控制初級電源電路輸出端通過第一電源模塊與第一限流電阻一端、第二儲能電容一端連接;第一限流電阻另一端通過光控制開關與IGBT柵極連接;第二儲能電容一端作為正極性電壓輸出端與第一限流電阻一端連接;第二儲能電容另一端通過短路連接線與IGBT源極連接;所述第一電源模塊輸出正極性電壓U2;其中U2=Ug+Uk+Um,Uk為光控制開關導通壓降,Ug為IGBT要求的驅動電壓,Um為由工作模式和回路雜散參數(shù)確定的調整電壓,一般Um≤3V;
步驟22:當光控制開關受到光照導通時,光控制開關呈現(xiàn)低阻狀態(tài),此時第二儲能電容、第一限流電阻、光控制開關、泄放電阻構成導通回路,此時第二儲能電容上電壓U2通過第一限流電阻和泄放電阻分壓后加載到IGBT柵極上;由于第二儲能電容容值>>第三儲能電容容值,泄放電阻阻值>>第二限流電阻阻值>第一限流電阻阻值;此時IGBT柵極上為正極性電壓,當該電壓滿足IGBT導通控制電脈沖參數(shù)要求時,IGBT導通;光控制開關是通過光脈沖控制通斷的開關;其中泄放電阻跨接在IGBT柵極與源級之間;其中第一儲能電容容值>第二儲能電容容值>>第三儲能電容容值。
進一步的,正極性柵極電壓控制電路的光控制開關未受光照時,負極性柵極電壓控制電路對IGBT柵極進行負極性充電,使得IGBT保持關斷狀態(tài),具體工作流程是:
步驟31:負極性柵極電壓控制電路包括第二電源模塊、第三限流電阻R4、第三儲能電容C3、第二限流電阻R2、及泄放電阻R3;觸發(fā)控制初級電源電路輸出端通過第二電源模塊通過第三限流電阻R4與第三儲能電容一端連接;第二限流電阻一端與第三儲能電容一端連接;第二限流電阻另一端與IGBT柵極及泄放電阻一端連接;第三儲能電容另一端通過短路連接線與IGBT源極連接;第一儲能電容為第二電源模塊供電時,所述第二電源模塊輸出負極性電壓U3;其中U3=Uoff·(第二限流電阻阻值+泄放電阻阻值)/泄放電阻阻值;Uoff指的是IGBT關斷電壓值。
步驟32:當正極性柵極電壓控制電路的光控制開關未受光照時,光控制開關保持高電阻狀態(tài),光控制開關阻值遠大于泄放電阻阻值;此時負極性柵極電壓控制電路第三儲能電容、第二限流電阻和泄放電阻構成導通回路,IGBT柵極的電位由負極性充電的第三儲能電容通過第二限流電阻和泄放電阻鉗制在負電位,使得IGBT處于關斷狀態(tài)。
綜上所述,由于采用了上述技術方案,本發(fā)明的有益效果是:
1、通過本發(fā)明電路結構使其與IGBT源極、漏極聯(lián)通,本發(fā)明采用光控制開關進行絕緣隔離的觸發(fā)方法來控制柵極下方導電溝道的形成,控制IGBT的通斷,用于解決IGBT器件與其觸發(fā)控制系統(tǒng)的絕緣隔離問題。
2、本發(fā)明電路與IGBT電路結構集成在同一硅片上。本發(fā)明電路與IGBT柵極之間無外接連接引線,回路電感極低,減小柵極電位控制電路向柵極注入或抽取電流的電路的回路阻抗,實現(xiàn)對柵極結構電容較大的灌注或抽取電流而不引起欠阻尼震蕩,縮短IGBT狀態(tài)轉換時間,用于解決狀態(tài)轉換時間長的問題。通過本發(fā)明電路結構使其與IGBT源極、漏極聯(lián)通,使本發(fā)明電路直接從IGBT電路系統(tǒng)獲得能量饋入,用于解決IGBT觸發(fā)電路電源系統(tǒng)與IGBT主電路之間的絕緣隔離問題。
3、當器件設計時以器件壽命為優(yōu)先考慮因素時,光控制開關(PCSS)設定為線性工作模式時,光控制開關的導通時間約等于光脈沖脈寬。當器件設計時以減小狀態(tài)轉換時間為優(yōu)先考慮因素時,光控制開關設定為非線性工作模式時,光控制開關的導通時間由正極性柵極電壓控制電路參數(shù)決定,IGBT導通時間寬度τ≈k1(第一限流電阻R1阻值+泄放電R3阻值)*(第二儲能電容C2容值+IGBT柵極電容CG容值),k1的值與IGBT柵極觸發(fā)電壓上限UgH與柵極觸發(fā)電壓下限UgL的比值(UgH/UgL)相關,一般在0.2∽0.5之間。解決技術問題是使光控制開關快速實現(xiàn)高阻狀態(tài)向低阻狀態(tài)的轉換,并使其導通電阻降至極小值,實現(xiàn)向IGBT柵極結電容的快速電流注入。
4、正、負極性柵極電壓控制電路與IGBT電路結構在同一片硅片上加工,解決技術問題是減小正、負極性柵極電壓控制電路與IGBT柵極構成的驅動脈沖回路的電感,避免快速電流注入或抽取模式工作時出現(xiàn)欠阻尼振蕩。
附圖說明
本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明,其中:
圖1a現(xiàn)有技術中IGBT器件內部結構圖。
圖1b現(xiàn)有技術中IGBT器件等效圖。
圖2本發(fā)明IGBT芯片電路結構圖。
附圖標記:DC-DC模塊A指的是第一電源模塊
DC-DC模塊B指的是第二電源模塊
D1-齊納二極管 C1-第一儲能電容 C2-第二儲能電容
C3-第三儲能電容 R1-第一限流電阻 R2-第二限流電阻
R3-泄放電阻 R4-第三限流電阻 Rh-充電電阻
PCSS-光控制開關 RMOD-IGBT內部電阻
具體實施方式
本說明書中公開的所有特征,或公開的所有方法或過程中的步驟,除了互相排斥的特征和/或步驟以外,均可以以任何方式組合。
本說明書中公開的任一特征,除非特別敘述,均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即,除非特別敘述,每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
本發(fā)明相關說明:
1、泄放電阻R3設置在IGBT柵極與源級之間,作用是使IGBT柵極相對源極保持一個確定的電勢差,避免柵極浮動造成柵極電位的不確定。一般IGBT驅動電路中都會設置這個偏置電阻R3;
2、目前為止,IGBT的驅動電路與IGBT器件均采用分立設計方式,即IGBT驅動電路是獨立于IGBT芯片之外的一個產生電脈沖饋送至IGBT柵極用于驅動IGBT的電路板。
3、第一電源模塊和第二電源模塊都是DC-DC模塊,即用于直流-直流電壓變換的模塊。DC-DC電源模塊A與B可以是同型異極性輸出電源模塊,也可以選擇非同型模塊,其電路結構可以采用已有的成熟直流-直流電壓變換電路;DC-DC電源模塊A輸出正電壓,DC-DC電源模塊B輸出負電壓。
4、工作原理:
步驟1:齊納二極管D1與電容C1并聯(lián)后與限流電阻Rh串聯(lián),跨接在IGBT柵極和漏極之間。在IGBT加電狀態(tài)下,源、漏極之間存在電壓差U0,該電壓同樣加載到Rh和D1、C1構成的觸發(fā)控制電路初級電源電路上。U0通過限流電阻Rh給儲能電容C1充電,當C1上電壓達到預設的齊納二極管的穩(wěn)壓閾值時,D1動作,使C1上電壓維持在預設電壓U1。根據(jù)IGBT要求的驅動電壓Ug和第一電源模塊(DC-DC模塊A)的壓降特性設定齊納二極管的穩(wěn)壓閾值,典型值設為U1=Ug+Uk+UMF+Um;Ug為使IGBT導通所需的柵極(G極)-源極電位差,Uk為光控制開關(PCSS)導通壓降,UMF為DC-DC模塊工作壓降,Um為由工作模式和回路雜散參數(shù)確定的調整電壓,一般≤3V。
步驟2:第一電源模塊由C1供電,產生IGBT正向導通所需的正極性電壓輸出,給正向導通控制支路儲能電容C2充電,其輸出電壓U2需根據(jù)IGBT要求的驅動電壓Ug設定,推薦設計為U2=Ug+Uk+Um,Uk為光控制開關導通壓降,Ug為IGBT要求的驅動電壓,Um為由工作模式和回路雜散參數(shù)確定的調整電壓(一般≤3V)。C2和IGBT柵極之間通過限流電阻R1和控制開關PCSS相連接。PCSS是由光脈沖控制通斷的光控半導體開關,PCSS導通時C2通過R1向IGBT柵極供電,通過SiO2隔離在Si材料中建立電場,在柵極下方的P型區(qū)內形成N型溝道,使其MOSFET結構導通,為晶體管提供基極電流,從而使IGBT導通。
步驟3:第二電源模塊也由C1供電,產生使IGBT關斷所需的負極性電壓輸出,通過負極性支路充電電阻(即第三限流電阻)R4給反向關斷控制支路儲能電容C3充電,其輸出電壓U3需根據(jù)IGBT要求的關斷電壓Uoff設定,推薦設計為U3=Uoff·(R2+R3)/R3。C2和IGBT柵極之間通過第二限流電阻R2連接。IGBT柵極通過泄放電阻R3與IGBT源極連接。
其中第一儲能電容C1容值>第二儲能電容C2容值≥第三儲能電容C3容值;負極性支路充電電阻(即第三限流電阻)R4≥泄放電阻R3阻值≥第二限流電阻R2阻值>第一限流電阻R1阻值;
以上電路結構設計使IGBT加電后,常態(tài)下由負極性關斷控制支路使其保持關斷狀態(tài),當且僅當控制開關PCSS導通時,IGBT進入導通狀態(tài)。
整個電路的工作流程可歸納如下:
U0通過Rh給電容器C1充電至U1,C1給DC-DC模塊A和B饋電。DC-DC模塊A的輸出電壓為U2,DC-DC模塊B的輸出電壓為U3。
DC-DC模塊A產生IGBT正向導通所需的正極性電壓給正極性導通柵極控制支路儲能電容C2充電,在PCSS未受光照時,PCSS保持高電阻狀態(tài),其阻值遠大于泄放電阻R3的阻值。此時由于C3、R2和R3回路的存在,IGBT柵極G的電位由負極性充電的C3通過R2和R3鉗制在負電位,與源極之間的電壓差為U3·R3/(R2+R3)。
當使用光脈沖輻照PCSS時,PCSS導通,呈現(xiàn)低阻狀態(tài),電阻降至數(shù)mΩ至數(shù)Ω,此時,C2、R1、PCSS、R3回路導通,C2上電壓通過R1和R3分壓后加載到IGBT柵極上,由于C2≥C3,R3≥R2>R1,故此時IGBT柵極上為正極性電壓,當該電壓滿足IGBT導通控制電脈沖參數(shù)要求時,IGBT導通。IGBT的導通狀態(tài)持續(xù)時間由光脈沖參數(shù)、PCSS工作狀態(tài)和IGBT的轉換、恢復特性等決定。當器件設計時以器件壽命為優(yōu)先考慮因素時,PCSS設定為線性工作模式時,PCSS的導通時間約等于光脈沖脈寬。當器件設計時以減小狀態(tài)轉換時間為優(yōu)先考慮因素時,PCSS設定為非線性工作模式時,PCSS的導通時間由C2、R1、R3以及IGBT柵極耐受電壓和導通控制閾值電壓等參數(shù)決定。
本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合,以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。