【摘 要】
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Si C MOSFET在高压大功率领域中具有优良的特性,如开关速度快、损耗低以及优异的高温特性等特点,其在汽车电子、绿色能源以及工业领域等有着很好的发展前景。迄今为止,常用的Si C MOSFET驱动技术主要采用了传统Si MOSFET无源驱动和PCB板级有源驱动。传统Si MOSFET驱动技术不仅降低了功率器件的开关速度,而且无法发挥Si C MOSFET的优异性能;PCB板级有源驱动对Si C
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Si C MOSFET在高压大功率领域中具有优良的特性,如开关速度快、损耗低以及优异的高温特性等特点,其在汽车电子、绿色能源以及工业领域等有着很好的发展前景。迄今为止,常用的Si C MOSFET驱动技术主要采用了传统Si MOSFET无源驱动和PCB板级有源驱动。传统Si MOSFET驱动技术不仅降低了功率器件的开关速度,而且无法发挥Si C MOSFET的优异性能;PCB板级有源驱动对Si C MOSFET开关性能的提升有限。为了更好发挥Si C MOSFET的高速开关特性以及降低EMI噪声,根据Si C MOSFET的器件特性,结合已有集成电路知识,提出了Si C MOSFET集成驱动策略来提升其开关性能;最终实现了Si C MOSFET集成动态分段驱动电路。三个主要创新点简述如下:提出了适用于不同场合的高压亚纳秒延时电平位移电路。现有的高压电平位移电路响应速度较慢,也不适用于闭环驱动电路。本文基于边沿采样技术提出了高压亚纳秒延时电平位移电路。又采用了辅助电路和数字选择电路使得高压亚纳秒延时电平位移电路具有高频工作特性和自校准功能。高压亚纳秒延时电平位移电路的d V/dt噪声抑制能力受限于应用环境,于是又提出了屏蔽d V/dt噪声的超高压电平位移电路。高压亚纳秒延时电平位移电路在0.5μm BCD工艺下进行了流片和测试,芯片面积为0.024 mm~2。测试结果显示,在供电电压为30 V情况下,电平位移电路的平均延时只有664 ps,FOM值只有0.044 ns/（μm×V）。高压亚纳秒延时电平位移电路在30 V供电电压下有250 V/ns d V/dt抑制能力;具有屏蔽d V/dt噪声的电平位移电路,在400 V供电电压下实现了屏蔽d V/dt噪声功能以及不超过1.5ns的延迟时间。提出了Si C MOSFET集成动态分段驱动电路。合适的驱动电路对于发挥Si C MOSFET优异性能至关重要。本文结合Si C MOSFET的器件特性以及寄生效应,采用具有自校准功能的亚纳秒延时电平位移电路;实现了能够快速实时反馈Si C MOSFET信息的闭环集成动态分段驱动电路,能够及时调整Si C MOSFET的开关速度,从而实现高速开关切换和低EMI噪声的兼容。集成动态分段驱动在0.18μm BCD工艺下进行了流片和测试,芯片面积为4.16 mm~2。采用本文提出的集成动态分段驱动电路,Si C MOSFET的开关性能在600 V高压供电电源和15 A至90 A负载电流下进行了实验验证。测试结果显示,本文所提出的集成动态分段驱动电路,可以使得Si C MOSFET在不同应用环境下均能够获得优异的开关性能,如小于2A/ns峰值di/dt噪声,不超过50 V/ns峰值d V/dt噪声,小于3.5 m J能量损耗,以及约为200 ns开关时间。提出了软关断的快速短路保护电路。Si C MOSFET的漏源电流不饱和特性使其在短路状态下面临严重的可靠性问题。Si C MOSFET是否处于短路状态可以根据其在正常工作状态和短路状态时EMI噪声的差异来判断。当Si C MOSFET处于短路状态,立即开始将Si C MOSFET缓慢地关断。软关断的快速短路保护电路在0.18μm BCD工艺下进行了仿真验证,表明Si C MOSFET发生短路状态时,保护电路都能够在几个ns内响应并缓慢的关断Si C MOSFET。本文的研究主要是为了尽可能发挥Si C MOSFET在高压大功率应用领域的高性能开关特性。提出了一系列高压亚纳秒延时电平位移电路、集成动态分段驱动电路和软关断的快速短路保护电路。结合集成电路设计方法、仿真和实验方法,对本文所提出的理论和电路都进行了验证。
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