一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法技术

技术编号:15651000 阅读:252 留言:0更新日期:2017-06-17 04:05
本发明专利技术属于半导体器件设计领域,尤其是一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法。本发明专利技术针对现有技术存在的问题,通过设计与IGBT电路结构在同一片硅片上加工的触发控制初级电源电路、正负极性栅极电压控制电路,采用绝缘隔离的触发方法控制栅极相对源极的电位差,从而控制IGBT的通断,用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。本发明专利技术中当正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时,负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电,使得IGBT保持关断状态;当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时,正极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行正极性充电,当IGBT栅极电压达到导通控制电脉冲参数要求时,IGBT导通。

【技术实现步骤摘要】
一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法
本专利技术属于半导体器件设计领域,尤其是一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法。
技术介绍
目前,IGBT均设计为电压控制器件(图1),栅极为金属电极,在栅极和源极之间施加足够高的正向驱动电压信号,在栅极下方的P区会形成一个反型层,即N导通沟道,经由这个通道,电子从源极下方的N+区注入N-区,使IGBT进入导通状态。当栅极与源极之间的正向驱动电压消失,栅极与源极电位差低于IGBT导通所需的电压阈值时,IGBT截止。因此,目前IGBT的导通是由栅极驱动电压信号在栅极下方的P区形成N型导通沟道控制的,需要通过外接馈线由驱动电路为栅极馈送正向电压信号。IGBT由截止状态向导通状态转换的时间由栅极注入电流和IGBT结构参数决定。目前,由于IGBT结构的限制,对额定工作电流数百安培以上的大功率IGBT而言,栅极结构电容较大,IGBT的状态转换时间通常在百纳秒以上。同时,在多个IGBT串联使用时,电脉冲触发方式会带来IGBT的绝缘隔离问题。通过对IGBT栅极区结构进行特殊设计并采用匹配的触发方式,可以解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:针对现有技术存在的问题,提供一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法,即通过设计触发控制初级电源电路、负极性栅极电压控制电路以及正极性栅极电压控制电路,并使其与IGBT源极、漏极连通,采用绝缘隔离的触发方法控制栅极下方导电沟道的形成,控制IGBT的通断,与IGBT电路结构在同一片硅片上加工,用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。本专利技术采用的技术方案如下:一种集成光触发一体化IGBT结构包括:触发控制初级电源电路,用于跨接在IGBT源级和漏极之间,当IGBT漏极(D极)与IGBT源级(S极)存在电位差U0时,通过触发控制初级电源电路输出端为负极性及正极性栅极电压控制电路进行储能充电,触发控制初级电源电路为栅极电压控制电路提供的阈值储能电压值为U1;U0>U1;U1=Ug+Uk+UMF+Um;Ug为使IGBT导通所需的栅极(G极)-源极电位差,Uk为光控制开关PCSS导通压降,UMF为第一电源模块工作压降,Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压,一般情况下Um≤3V;负极性栅极电压控制电路,用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间;当正极性栅极电压控制电路的光控制开关(PCSS)未受光照时,负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电,使得IGBT保持关断状态;正极性栅极电压控制电路,用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间;当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时,对IGBT栅极进行正极性充电,当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时,IGBT导通;当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时,光控制开关设定为线性工作模式时,光控制开关的导通时间约等于光脉冲脉宽;正极性栅极电压控制电路的输出端与负极性栅极电压控制电路输出端相连后连接到IGBT栅极上,IGBT栅极通过泄放电阻与IGBT源极相连。进一步的,正极性栅极电压控制电路的第一电源模块A输出正极性电压U2,U2=Ug+Uk+Um,Uk为光控制开关导通压降,Ug为IGBT要求的驱动电压,Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压,一般Um≤3V。所述当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时,光控制开关设定为非线性工作模式,此时,U2=Ug+Uk+Um中Ug取IGBT栅极触发电压上限UgH;第一限流电阻R1推荐取值(1.5到5)*UgH/IgH,IgH为IGBT栅极最大允许注入电流;IGBT导通时间宽度τ≈k1(第一限流电阻R1阻值+泄放电R3阻值)*(第二储能电容C2容值+IGBT栅极电容CG容值),k1的值与IGBT栅极触发电压上限UgH与栅极触发电压下限UgL的比值UgH/UgL相关,一般在0.2到0.5之间。此种工作模式下,IGBT导通时间宽度可通过调整第一限流电阻R1和第二储能电容C2容值予以调整以适应应用需求。进一步的,所述触发控制初级电源电路包括充电电阻Rh、齐纳稳压二极管D1以及第一储能电容C1;所述齐纳稳压二极管D1与第一储能电容C1并联;齐纳稳压二极管D1一端与与充电电阻Rh一端、第一储能电容C1一端连接,另一端与IGBT源级连接;充电电阻Rh另一端与IGBT漏极连接;第一储能电容C1一端与第一电源模块输入端、第二电源模块的输入端、齐纳稳压二极管D1一端及充电电阻Rh一端连接,第一储能电容C1另一端与IGBT源极连接。所述电压差U0通过充电电阻Rh给第一储能电容C1充电,使得第一储能电容C1的充电电压阈值为U1;然后第一储能电容给正极性以及负极性栅极电压控制电路馈电,控制IGBT处于关断或者导通状态;触发控制初级电源电路输出端指的是二极管D1与第一储能电容C1并联,且与充电电阻Rh连接的端口。进一步的,所述正极性栅极电压控制电路包括第一电源模块A、第一限流电阻R1、第二储能电容C2以及光控制开关PCSS;第一储能电容C1同时为第一电源模块A供电,触发控制初级电源电路输出端通过第一电源模块A与第一限流电阻R1一端、第二储能电容C2一端连接;第一限流电阻R1另一端通过光控制开关与IGBT栅极连接;第二储能电容与第一电源模块A及第一限流电阻相连接的一端作为正极性连接端;第二储能电容C2另一端通过短路连接线连接到IGBT源极,是第二储能电容C2的地线端;所述第一电源模块A输出正极性电压U2,U2=Ug+Uk+Um,Uk为光控制开关导通压降,Ug为IGBT要求的驱动电压,Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压,一般Um≤3V。进一步的,所述当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时,光控制开关导通,第二储能电容对IGBT栅极进行正极性充电,当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时IGBT导通,具体过程是:当光控制开关导通时,光控制开关呈现低阻状态,此时第二储能电容、第一限流电阻、光控制开关、泄放电阻构成导通回路,此时第二储能电容上电压U2通过第一限流电阻和泄放电阻分压后加载到IGBT栅极上;由于第二储能电容容值>>第三储能电容容值,泄放电阻阻值>>第二限流电阻阻值>第一限流电阻阻值;此时IGBT栅极上为正极性电压,当该电压满足IGBT导通控制电脉冲参数要求时,IGBT导通;其中U2=Ug+Uk+Um,Uk为光控制开关导通压降,Ug为IGBT要求的驱动电压,Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压,一般Um≤3V;光控制开关是通过光脉冲控制通断的开关;其中泄放电阻跨接在IGBT栅极与源级之间;其中第一储能电容容值>第二储能电容容值>>第三储能电容容值。进一步的,所述负极性栅极电压控制电路包括第二电源模块B、第二限流电阻R2、第三储能电容C3、第三限流电阻R4、泄放电阻R3;触发控制初级电源电路输出端通过第二电源模块B与第三限流电阻R4一端相连接;第三限流电阻R4另一端与第三储能电容C3一端、第二限流电阻R2一端连接;第二限流电阻R2另一端与IGBT栅极连接;第三储能电容C3与第二限本文档来自技高网...
一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法

【技术保护点】
一种集成光触发一体化IGBT结构,其特征在于包括:触发控制初级电源电路,用于跨接在IGBT源级和漏极之间,当IGBT漏极(D极)与IGBT源级(S极)存在电位差U

【技术特征摘要】
2017.03.10 CN 20171014153691.一种集成光触发一体化IGBT结构,其特征在于包括:触发控制初级电源电路,用于跨接在IGBT源级和漏极之间,当IGBT漏极(D极)与IGBT源级(S极)存在电位差U0时,通过触发控制初级电源电路输出端为负极性及正极性栅极电压控制电路进行储能充电,触发控制初级电源电路为栅极电压控制电路提供的阈值储能电压值为U1;U0>U1;U1=Ug+Uk+UMF+Um;Ug为使IGBT导通所需的栅极(G极)-源极电位差,Uk为光控制开关(PCSS)导通压降,UMF为第一电源模块(DC-DC模块A)工作压降,Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压,一般情况下Um≤3V;负极性栅极电压控制电路,用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间;当正极性栅极电压控制电路的光控制开关(PCSS)未受光照时,负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电,使得IGBT保持关断状态;正极性栅极电压控制电路,用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间;当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时,对IGBT栅极进行正极性充电,当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时,IGBT导通;当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时,光控制开关设定为线性工作模式时,光控制开关的导通时间约等于光脉冲脉宽;正极性栅极电压控制电路的输出端与负极性栅极电压控制电路输出端相连后连接到IGBT栅极上,IGBT栅极通过泄放电阻与IGBT源极相连。2.根据权利要求1所述的一种集成光触发一体化IGBT结构,其特征在于所述当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时,光控制开关设定为非线性工作模式。正极性栅极电压控制电路的第一电源模块A输出正极性电压U2,U2=Ug+Uk+Um,Uk为光控制开关导通压降,Ug为IGBT要求的驱动电压,Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压,一般Um≤3V;当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时,U2=Ug+Uk+Um中Ug取IGBT栅极触发电压上限UgH;第一限流电阻(R1)推荐取值(1.5到5)*UgH/IgH,IgH为IGBT栅极最大允许注入电流;IGBT导通时间宽度τ≈k1(第一限流电阻R1阻值+泄放电R3阻值)*(第二储能电容C2容值+IGBT栅极电容CG容值),k1的值与IGBT栅极触发电压上限UgH与栅极触发电压下限UgL的比值(UgH/UgL)相关,一般在0.2到0.5之间。此种工作模式下,IGBT导通时间宽度可通过调整第一限流电阻R1和第二储能电容C2容值予以调整以适应应用需求。3.根据权利要求1所述的一种集成光触发一体化IGBT结构,其特征在于所述触发控制初级电源电路包括充电电阻(Rh)、齐纳稳压二极管(D1)以及第一储能电容(C1);所述齐纳稳压二极管(D1)与第一储能电容(C1)并联;齐纳稳压二极管(D1)一端与与充电电阻(Rh)一端、第一储能电容(C1)一端连接,另一端与IGBT源级连接;充电电阻(Rh)另一端与IGBT漏极连接;第一储能电容(C1)一端与第一电源模块输入端、第二电源模块的输入端、齐纳稳压二极管(D1)一端及充电电阻(Rh)一端连接,第一储能电容(C1)另一端与IGBT源极连接。所述电压差U0通过充电电阻(Rh)给第一储能电容(C1)充电,使得第一储能电容(C1)的充电电压阈值为U1;然后第一储能电容给正极性以及负极性栅极电压控制电路馈电,控制IGBT处于关断或者导通状态;触发控制初级电源电路输出端指的是二极管(D1)与第一储能电容(C1)并联,且与充电电阻(Rh)连接的端口。4.根据权利要求1所述的一种集成光触发一体化IGBT结构,其特征在于所述正极性栅极电压控制电路包括第一电源模块(A)、第一限流电阻(R1)、第二储能电容(C2)以及光控制开关(PCSS);第一储能电容(C1)为第一电源模块(A)供电,触发控制初级电源电路输出端通过第一电源模块(A)与第一限流电阻(R1)一端、第二储能电容(C2)一端连接;第一限流电阻(R1)另一端通过光控制开关与IGBT栅极连接;第二储能电容与第一电源模块(A)及第一限流电阻相连接的一端作为正极性连接端;第二储能电容(C2)另一端通过短路连接线连接到IGBT源极,是第二储能电容(C2)的地线端;所述第一电源模块(A)输出正极性电压U2,U2=Ug+Uk+Um,Uk为光控制开关导通压降,Ug为IGBT要求的驱动电压,Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压,一般情况下Um≤3V。5.根据权利要求4所述的一种集成光触发一体化IGBT结构,其特征在于所述当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时,对IGBT栅极进行正极性充电,当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时IGBT导通,具体过程是:当光控制开关导通时,光控制开关呈现低阻状态,此时第二储能电容、第一限流电阻、光控制开关、泄放电阻构成导通回路,此时第二储能电容上电压(U2)通过第一限流电阻和泄放电阻分压后加载到IGBT栅极上;由于第二储能电容容值>>第三储能电容容值,泄放电阻阻值>>第二限流电阻阻值>第一限流电阻阻值;此时IGBT栅极上为正极性电压,当该电压满足IGBT导通控制电脉冲参数要求时,IGBT导通;其中U2=Ug+Uk+Um,Uk为光控制开关导通压降,Ug为IGBT要求的驱动电压,Um为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压,一般Um≤3V;光控制开关是通过光脉冲控制通断的开关;其中泄放电阻跨接在IGBT栅极与源级之间;其中第一储能电容容值>第二储能电容容值>>第三储能电容容值。6.根据权利要求1所述的一种集成光触发一体化IGBT结构,其特征在于所述负极性栅极电压控制电路包括第二电源模块(B)、第二限流电阻(R2)、第三储能电容(C3)、第三限流电阻(R4)、泄放电阻(R3);触发控制初级电源电路输出端通过第二电源模块(B)与第三限流电阻(R4)一端相连接;第三限流电阻(R4)另一端与第三储能电容(C3)一端、第二限流电阻(...

【专利技术属性】
技术研发人员:赵娟李博婷李洪涛黄宇鹏李波张信
申请(专利权)人:中国工程物理研究院流体物理研究所李博婷
类型:发明
国别省市:四川,51

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1