智能功率驱动芯片IGBT栅极控制方法研究与实现

发布时间：2017-03-24 11:01

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【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600V 0.5μm 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。
【关键词】：智能功率驱动芯片 开关过冲 开关损耗 绝缘栅双极型晶体管 闭环控制
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN322.8
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 智能功率驱动芯片概述9-10
• 1.2 栅极控制技术概述10-14
• 1.2.1 栅极控制技术国内外研究现状11-14
• 1.2.2 栅极控制技术发展趋势14
• 1.3 研究内容与设计指标14-15
• 1.3.1 研究内容14-15
• 1.3.2 设计指标15
• 1.4 本文论文组织15-17
• 第二章 功率器件IGBT及其传统栅极控制技术分析17-27
• 2.1 功率器件IGBT17-22
• 2.1.1 功率器件IGBT的发展17-18
• 2.1.2 IGBT内部结构18-20
• 2.1.3 IGBT开关特性20-22
• 2.2 IGBT栅极控制要求22-23
• 2.3 传统栅极控制技术存在的问题23-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 栅极控制技术中IGBT开关过冲和损耗分析27-33
• 3.1 电流电压过冲产生机理分析27-29
• 3.1.1 电流过冲27-28
• 3.1.2 电压过冲28-29
• 3.2 开关损耗分析29-31
• 3.3 本章小结31-33
• 第四章 闭环栅极控制技术设计与实现33-55
• 4.1 闭环栅极控制技术概述33-35
• 4.1.1 集电极电压V_(CE)或集电极电流I_C闭环控制技术33-34
• 4.1.2 集电极电压梯度dv_C/dt或集电极电流梯度di_C/dt闭环控制技术34-35
• 4.2 新型梯度调制闭环栅极控制技术原理与架构35-39
• 4.2.1 梯度调制闭环栅极控制技术原理36-38
• 4.2.2 梯度调制闭环栅极控制技术架构38-39
• 4.3 梯度调制闭环栅极控制技术的电路设计39-45
• 4.3.1 运算放大器设计39-41
• 4.3.2 负压转换器设计41-42
• 4.3.3 输出缓冲器设计42-44
• 4.3.4 dv_C/dt和di_C/dt采样电路设计44-45
• 4.4 梯度调制闭环栅极控制技术小信号分析45-48
• 4.4.1 IGBT小信号等效电路及相关参数45-46
• 4.4.2 梯度调制闭环控制技术小信号传递函数推导46-48
• 4.5 梯度调制闭环栅极控制技术开关损耗分析48-51
• 4.5.1 关断损耗分析48-49
• 4.5.2 开通损耗分析49-51
• 4.6 总体电路仿真分析51-53
• 4.7 本章小结53-55
• 第五章 芯片版图设计与测试55-65
• 5.1 SOI-BCD工艺简介55-57
• 5.2 版图设计57-58
• 5.2.1 版图设计规则57-58
• 5.2.2 电路版图58
• 5.3 测试结果分析58-63
• 5.3.1 双脉冲测试60-61
• 5.3.2 关断电压过冲与关断损耗测试61-62
• 5.3.3 开通电流过冲与开通损耗测试62-63
• 5.4 本章小结63-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 总结65
• 6.2 展望65-67
• 致谢67-69
• 参考文献69-73
• 硕士期间取得成果73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 姚修远;金新民;周飞;吴学智;李友敏;;零电压零电流转换软开关技术中二极管反向恢复的影响[J];中国电机工程学报;2015年04期

2 杜毅;廖美英;;逆变器中IGBT模块的损耗计算及其散热系统设计[J];电气传动自动化;2011年01期

3 陈凯;陈术涛;雷凯;;减小IGBT模块功率损耗的研究和实现[J];自动化应用;2010年11期

4 胡建辉;李锦庚;邹继斌;谭久彬;;变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J];电工技术学报;2009年03期

5 Steve Clemente ,Ajit Dubhashi ,张怡;高压浮置MOS栅驱动集成电路[J];电子器件;1992年02期

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本文编号：265481