2000年 ---外文翻译--0.8 的半导体加入IGBT电源开关的门极驱动（译文）

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1、中文 5000 字 出处：SwitchJ. Analog Integrated Circuits & Signal Processing, 2000, 24(3):175-185(11). 0.8 m 的半导体 加入 IGBT 电源开关的门极驱动 摘要：本文主要讨论了绝缘栅双极 晶 体 管 （ IGBT）的门极驱动的设计和整体的实现。 本文讨论的初衷 是实现一个高压（ 25V）整体门极驱动和异常电路的保护电路在常见的低压（ 5V）高密度（ 0.8 m ） 半导体工艺 的处理 。扩展 MOS-FET 管以在这个设计中实现抗高压的能力。 关键词：门极驱动， IGBT， HVNMOS,HVPMOS

2、1. 简介 一个有效的 IGBT 门极驱动必须连接单片机的接口，通过电压或者电流来实现 IGBT1的开关，而且同时能够在非正 常情况下保护 IGBT。 最 近几年， 种类繁多的制造设计工艺已经实现在 IGBT 的门极驱动【 2,3】。在大多数的这些设计中，其 中用于高压门极驱动电路的实现往往与低压控制电路的实现不同。 这项工作的目的是 IGBT 驱动的高压部分在传统的低压（ 5V） 高密度（ 0.8 m ） 半导体中的实现 4， 在不额外添加其他条件的情况下达到高压性能， 使用扩展 MOS晶体管 5,6。 这个过程可以适合低压控制电路中实施， 因此 也可以 在一个单片机芯片 上实现高压驱动控制

3、，与此同时还实现了保护电路的最小区域和最小功耗。 1.1 IGBT 开特性 图 1 展示了 IGBT 和感性负载，图 2 展示 开状态电路的理想波形。 IGBT 的输入 端 通过电阻GR连接GGV， IGBT 门极驱动是输出电阻的体现 。 电压GGV的变化来自 IGBT 门极的电压GoffV必须关闭 而 IGBT 的门极电压GonV需要变 为打开。 图 1 IGBT 感性负载电路 图 2 IGBT 开状态理想波形 在0t时间， 门电流GI控制常量电容ISC直到 阴极电压GKV上升至超过 设备的临界电压thV。此时， IGBT 打开并开始通过电流。 在 1t 时间 的负载电流 LI 是来自IGB

4、T 的二极管 D1 的阳极电流 AI 同时不断增加逐渐趋近于稳定值 onI 。 阳极电流波形取决于门电压的上升时间和 装置的超前互导 mg 。 以下的表达 式可以用来 表达阳极电流 和时间的关系： tGKmtA ddVgdI *d (1) 门阴极电压在1t期间的变化率可以 表达如下： ISSGPGGtGK CR VVddV * (2) 从而 mAth gI VV P(3) 把（ 1）式代入（ 2）式中 得出阳极电流的变化率 ISSGPGGmtA CR VVgddI * (4) 在 2t 期间，门 阴极电压GKV达到 支持阳极电流恒定稳态 的值， 此时阳极阴极之间的电压 AKV 开始减小到 IG

5、BT 的 开电压onV。 在此时间，门电流GI与反向传输电容RSC的从属电压在某一稳定门电流的关系可以表达如下 : tAGdVd*CR V-VI R S SGPGGG （ 5） 为了降低动态打开的损失， IGBT 的 切换时间必须十分短暂。 实现这个条件使得 IGBT 的门极驱动必须具有 低阻抗（ low GR） 并且可以提供大的窄脉冲电流（GI） 以快速冲入电容 从而引起 IGBT 在低功耗的条件下 迅速 开始工作。 1.2 IGBT 的关闭特性 IGBT 的关闭是由 于 门阴极端的电压的 消除 。 图 3表示了 IGBT 关闭时选定区域的感性负载的理想波形。 1. 关闭过程的第一部分是在延

6、时时间 4t ， 4t 时间就是将门极驱动电压GKV从 开电压（GonV） 值减小向 IGBT 开始关闭。在5t时间，关闭过程开始同时阳极和阴极间的电压 AKV 增大。 其增长率和电阻 GR 保持一致： GRSSPtA RC VddI * (6) 在 6t 时间， 阳极和阴极之间的电压 AKV 达到 母线电压 AAV 值， 单向二极管D1 开始流通感性负载电流 LI ，同时阳极电流 AI 开始减弱。 由于在此段时间阳极电流较高的变化率感应系数极大，使得 阳极电压 上升 到 远远高于供给电源电压AAV。 阳极电流 在下降时 间的初期 受到门极驱动电路的设计和其驱动阻抗GR很大的影响。 阳极电流下降时间与GR的关系表达式为： ISSGPmtA CR VgddI * (7) 当门阴极电压GKV