（微电子学与固体电子学专业论文）高压电源管理芯片中低压电路用电源的研究.pdf

摘要 摘要 电源管理的应用无处不在，从计算机、便携设备、家电，到工业控制、照明、 宇航、军事等领域，其市场极为广阔。随着各种整机设备市场规模的不断增长和 社会对环保问题的日益重视，功耗和成本问题逐渐成为关注热点，电源管理和电 源控制i c 市场成为整个半导体产业中最为活跃的领域之一，降低电子产品的功耗 这一广泛需求，将推动电源管理器件市场的稳步发展。 本论文正是在充分了解国内外电源管理芯片研究现状的基础上，对高压电源 管理芯片中的低压电路所用的电源的产生及不同参考点的低压电路中信号传递进 行了深入的研究，这些参考点之间的电压差可能非常大，而每种电压所在电路的 低压电源的电压又非常低，本文重点研究了用于通过高压母线电源产生低压控制 电路用低压电源的高压电流源电路和用于不同电源系统之间信号传递的高压电平 位移电路，通过深入分析它们的工作原理及过程，在前人的基础上提出了一些改 进方案，这些方案可以为改善电源管理芯片的性能提供参考。 本文的独创性工作主要表现在第三章、第四章、第五章和第六章，主要内容 为： l 、根据陈星弼院士的发明专利“一种半导体器件及其提供的低压电源的应用 ( 专利申请号：2 0 0 8 1 0 0 9 7 3 8 8 6 ) 中的思想，利用高压l d m o s 和v d m o s 的器件 结构，设计了高压电流源电路结构。通过流片实验证明，该结构采用普通的c m o s 工艺流程，利用类似于浮空场限环的原理可以实现自偏置功能，可用作单片开关 电源启动时所用的高压电流源电路。该结构通过一个简单的低压m o s t 器件，可 以关断充电电流，从而实现该结构的可控性。采用该结构的单片集成开关电源的 控制芯片具有节省芯片面积，降低电路功耗，易于控制的优点。 2 、根据陈星弼院士的发明专利“一种半导体器件及其提供的低压电源的应用” ( 专利申请号：2 0 0 8 1 0 0 9 7 3 8 8 6 ) 中的思想，设计了一种用于无极灯c m o s 驱动 的正负电源的结构。通过流片实验证明，该结构采用普通的c m o s 工艺流程，所 得到的f 负电源具有一定的稳定性，其电压随母线电压的变化小，且该结构具有 可控制性，能够通过内部的低压电路进行简单有效的控制，可适用于c m o s 驱动 芯片。 3 、根据高压电平位移电路的工作过程的特点，提出一种采用分区r e s u r f 技 摘要 术并应用多金属环终端技术的新的电平位移结构。该结构的耐压区采用多金属环 的结构，提高了电路的可靠性。利用结构中的寄生二极管效应，减小了高侧驱动 电路的电源电压与输入电压之间的电压差，并且该电压差的最大值较已有结构降 低了3 0 。该结构还具有良好的电压及电流隔离能力，可适用于各种应用的电平 位移电路。 4 、在对高压电平位移电路结构进行仿真的过程中，发现只有通过三维仿真才 能全面了解结构的电压及电流的分布情况。但是完全的三维模拟存在计算时间长、 可用网格点有限等缺点，因此提出了一种用于验证高压电平位移电路结构的准三 维模拟方法。该方法利用m e d i e i 软件的电路仿真模块将三维器件结构用许多二维 器件结构按照一定的顺序连接起来。所用二维器件有两种，一种的横截面垂直于 另一种的横截面。再利用二维仿真器及其固有的含外电路的仿真功能将两种二维 器件结合起来进行仿真。此种准三维模拟方法与真三维仿真器d a v i n c i 的仿真结果 相比较表明，该准三维模拟方法可以正确地模拟三维高压电平位移电路的电势和 电流分布，且占用的c p u 时间被大大减少。该准三维模拟技术可以被推广应用到 其它情形，具有计算快、无需高级计算机终端且操作容易等优点。 关键词：电源管理芯片，低压电源，高压电流源，高压电平位移，准三维 u a b s t r a c t i 沁c e n t l y ，p o w e rm a n a g e m e n ti cb e c o m e s av e r yi m p o r t a n ta n da c t i v ef i e l d ，d u et o i tc a nb eu s e df o rc o m p u t e r s ，p o r t a b l ee q u i p m e n t s ，h o m e - d e v i c e s ，i n d u s t r i a lc o n t r o l ， l i g h t i n g , s p a c en a v i g a t i o n ，a n dm i l i t a r ya f f a i r sa n d s oo n , a n di t sm a r k e ti sv e r yl a r g e w i t hi n c r e a s i n gt h em a r k e ts c a l e so fa l lk i n d so fh o l i s t i cd e v i c e sa n db e i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n to ft h ep r o b l e m so ft h ee n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n , t h ep r o b l e m so f p o w e rl o s sa n dc o s ti sb e i n gt h eh o t s p o t t h ew i d ed e m a n d s o fr e d u c i n gt h el o s so ft h e e l e c t r i cp r o d u c t sw i l lm a k et h em a r k e to f p o w e rm a n a g e ri cp r o g r e s ss t e a d i l y 1 1 1 廿l et h e s i s t h eb a s i cr e s p o n s i b l ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o w 。v o l t a g ep o w e rs o u r c e s y s t e mi nt h ep o w e rm a n a g e m e n ti ch a v eb e e ns t u d i e d t h e n , t h em a i n r e s u l t sa r e i n v e s t i g a t e da n dv e r i f i e dw h i c hc o r r e s p o n dt ob o t hh i g h v o l t a g ec u r r e n ts o b r c e w h i c hi s u s e dt ot r a n s f e rap a r to ft l l el l i g h v o l t a g em a i nb u sp o w e rs o u i o et ot h el o w 。v o l t a g e p o w e ts o u r c ef o rt h el o w v o l t a g ec o n t r o lc i r c u i ta n dh i g h v o l t a g el e v e l s h i f t i n gc i r c u i t w l l i c hi su s e dt ot r a n s m i tt h ec o n t r o ls i g n a lb e t w e e nt w od i f f e r e n tl o w 。v o l t a g ep o w e r s o u r c e s t h er e s u l t sc a nb eu s e da sac r i t e r i o nf o rd e s i g n i n gt h ep o w e rm a n a g e r i c t h ea u t h o r ，so r i g i n a lm a i nw o r ki ss u m m a r i z e di nc h a p t e r3 ，c h a p t e r4 ，c h a p t e r5 a n dc h a p t e r6 f i r s t l y b i a s e d o nt h ei d e ao fp r o f e s s o rc h e nx i n g b i si n v e n t i o np a t e n t “a s e m i c o n d u c “) rd e v i c ea n di t sa p p l i c a t i o nt op r o v i d i n gl o w - v o l t a g ep o w e rs u p p l y f c h i n e s ep a t e n ta p p l i c a t i o nn o 2 0 0 8 10 0 9 7 3 8 8 6 ) ，an o v e ls e l f - g e n e r a t e dl o w 。v o l t a g e p o w e rs u p p l yf o rt h eg a t e d r i v e ro f h i g h v o l t a g eo f f - l i n es w i t c h i n gm o d e lp o w e rs u p p l y i ci sd e s c r i b e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h a tt h es t r u c t u r ec a nr e a l i z et h e s e l fg e n e r a t e df u n c t i o n ，a n db ec o n t r o l l e db yt h el o w v o l t a g el o g i cs i g n a l u s i n gt h i s n o v e lp o w e rs u p p l ys t r u c t u r ef o rt h eo f f - l i n es w i t c h i n gm o d e lp o w e rs u p p l yi cc a n s a v e t h ec e l la 1 c a r e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h ec i r c u i t ，m a k ec o n t r o lb ee a s i l ya n d s u p p l ye n o u g hl a r g eo u t p u tv o l t a g ef o rt h ep o w e rs u p p l yo f t h eg a t ed r i v e ra sw e l l s e c o n d l y ，b i a s e do nt h ei d e ao ft h ep r o f e s s o rc h e nx i n g b i si n v e n t o rp a t e n t a s e m i c o n d u c t o rd e v i c ea n di t sa p p l i c a t i o nt op r o v i d i n gl o w v o l t a g ep o w e rs u p p l y f c h i n e s ep a t e n ta p p l i c a t i o nn o 2 0 0 8 10 0 9 7 3 8 8 6 ) ，ap o s i t i v ea n dn e g a t i v ep o w e r a b s t r a c t s u p p l yf o rc m o sd r i v e rc i r c u i to fe l e c t r o d e l e s sf l u o r e s c e n tl a m p si sd e s c r i b e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h a tt h es 仃u d 咖c a l lg e ts t e a d yl o w - v o l t a g ep o w e r s u p p l i e s ，d u et ot h a tt h el o w - v o l t a g e sa l ec o n t r o l l e db yt h el o w - v o l t a g el o g i cs i g n a la n d b ef i tf o r t h ec m o sd r i v e rc i r c u i t t h i r d l y , an e ws t r u c t u r eo fal a t e r a ln - m o s ta n dan e wl e v e l s h i f t i n gs t r u c t u r e w i t hm u l t i p l ym e t a lr i n g sb yd i v i d e dr e s u r ft e c h n i q u eh a v eb e e np r o p o s e d t h e d e v i c ea n de l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e so ft h es t r u c t u r ea r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e db y m e d i c i i nc o m p a r i s o nt ot h el e v e l s h i f t i n gs 仃u c t u r ew i lm u l t i p l yf l o a t i n gf i e l dp l a t e s u s e db e f o r e ，t h es 缸u c l 腑s t a t e dh e r ei m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n dd i m i n i s h e st h ev o l t a g e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ev o l t a g eo ft h ep o w e rs u p p l yo ft h eh i g h s i d eg a t ed r i v e ra n dt h e v o l t a g eo ft h eo u t p u tt e r m i n a lo ft h el e v e l - s h i f t i n gs t r u c t u r e ，w h i c hi sa l s ot h a to ft h e i n p u tt e r m i n a lo ft h eh i g h s i d eg a t ed r i v e r t h em a x i m a lv o l t a g ed i f f e r e n c eo ft h e l e v e l - s h i f t i n gs 缸1 l c t u r ei nt h i sp a p e ri s3 0 l o w e rt h a nt h a tu s e db e f o r e t h e r e f o r e ，g o o d v o l t a g ei s o l a t i o na n dc u r r e n ti s o l a t i o na l eo b t a i n e d t h es t m c h l r ec a nb eu s e di nt h e l e v e l - s h i f t i n gc i r c u i to fv a r i o u sa p p l i c a t i o n s f o u r t h l y , an e wq u a s i t h r e e - - d i m e n s i o n a l ( q u a s i - - 3 d ) n u m e r i cs i m u l a t i o nm e t h o d f o rt h eh i g h v o l t a g el e v e l - s h i f t i n gc i r c u i ts t r u c n l r ei sp r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c e so f3 d s 仃u c t u r ei sa n a l y z e db yc o m b i n i n gs o m e2 dd e v i c e ss t r u c t u r e s ，t h e2 dd e v i c e sa l ei n t w op l a n e sp e r p e n d i c u l a re a c ht oo t h e ra n dt ot h es u r f a c eo ft h es e m i c o n d u c t o r c o m p a r i n gw i t hd a v i n c i ，t h ef u l l3 dd e v i c es i m u l a t i o nt o o l ，t h eq u a s i - 3 ds i m u l a t i o n m e t h o dc a ng i v et h er e s u l t so ft h e p o t e n t i a la n dc u r r e n t d i s t r i b u t i o no ft h e3 d l l i g h - v o l t a g el e v e l - s h i f t i n gc i r c u i ts t r u c t u r ew i t ha p p r o p r i a t ea c c u r a c ya n dt h et o t a lc p u t i m ef o rs i m u l a t i o ni sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y t h eq u a s i - 3 ds i m u l a t i o nt e c h n i q u ec a nb e u s e di nm a n yc a s e sw i t hm e r i t ss u c ha ss a v i n gc o m p u t i n gt i m e ，n od e m a n do nt h e l l i 曲一e n dc o m p u t e rt e r m i n a l sa n de a s yt oo p e r a t e k e y w o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n ti c ，l o w v o l t a g ep o w e rs u p p l y , h i g h v o l t a g ec u r r e n t s o u r c e ，h i g h v o l t a g el e v e l s h i f t i n g ，q 3 d i v 缩略词表 缩略语 a c b c d b i c m o s b j t c c m o s d d c d i g t o h v i c i c i g b t m j i l d m o s m c t m f f p s m m r s m o s m o s f e t o p t v l d p i c p w m r e s u r f s c r s i s i t s 1 1 h s p i c 1 1 1 v d m o s 3 d q 3 d 缩略词表 英文 a l t e r n a t i n gc u r r e n t b i p o l a rc m o sd m o s b i p o l a rc m o s b i p o l a rt r a n s i s t o r c a p a c i t y c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r d i o d e d i r e c tc u r r e n t d i e l e c t r i ci s o l a t i o n g a t et u r n - o f f t h y r i s t o r h i 曲v o l t a g ei n t e g r a t e dc i r c u i t s i n t e g r a t e dc i r c u i t s i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r s i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e j u n c t i o ni s o l a t i o n l a t e r a ld o u b l e - d i f f u s e dm o st r a n s i s t o r s m o s c o n t r o l l e dt h y r i s t o r m u l t i p l ef l o a t i n gf i e l dp l a t e s m u l t i p l em e t a lr i n g s m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r m o sf i e l de f i e c tt r a n s i s t o r o p t t i m 娩e dv a r i a t i o n a ll a t e r a ld o p i n g p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n r e d u c e ds u r f a c ef i e l dt e c h n o l o g y s e m i c o n d u c t o rc o n t r o lr e c t i f i e r s e l f - i s o l a t i o n s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r s t a t i ci n d u c t i o nt h y r i s t o r s m a r tp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s t h y r i s t o r v e r t i c a ld o u b l e d i f f u s e dm o s t h r e e - d i m e n s i o n a l q u a s i t h r e e - d i m e n s i o n a l v i i i 中文 交流电 双极c m o s d m o s 工艺 双极c m o s 工艺 双极型晶体管 电容 互补金属氧化物半导体 二极管 直流电 介质隔离 门极可关断晶闸管 高压集成电路 集成电路 绝缘栅晶体管 智能功率模块 p n 结隔离 横向双扩散m o s 晶体管 场控晶闸管 多浮空场限环 多金属环 金属氧化物半导体 氧化物半导体场效应晶体管 优化横向变掺杂 功率集成电路 脉冲宽度调制 降低表面电场技术 可控硅整流器 自隔离 场控晶体管 场控晶闸管 智能功率集成电路 普通晶闸管 垂直双扩散m o s 晶体管 三维 准三维 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：查硅兰日期：2 咖7 年1 月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：必塾 导师签名：窖善圭三乡 日期：。宇年。广月。7 日 第一章绪论 1 1 电力电子技术简介 1 1 1电力电子的构成 第一章绪论帚一早殖了匕 电力电子技术是应用电力电子器件对电力进行变换和控制的技术。电力有交 流电和直流电之分。电力变换是指电力的四大基本变换：交流直流( a c d c ) 、直 流交流( d c a c ) 、直流直流( d c d c ) 和交流交流( a c a c ) 。因而包含在两 种电能之间，或对同一种电能的一个或多个参数( 如电压、频率、波形和相位等) 进行变换。而控制则包括三方面的内容：对电力变换，亦即电能形态变换的控 制；0 对电能传送流动方向的控制；0 对电能质量指标的控制，包括电量的大小、 频率、波形和相位等【i 】。 1 1 2电力电子的发展 电力电子技术这门新兴科学的诞生是以1 9 5 7 年美国通用电气公司研制出第一 个晶闸管为标志的。早期的电力变换是以晶闸管为核心组成的交流电路，沿用电 力电子技术史前期的水银整流器所用的相控整流电路及周波变换电路，实现 a c d c 整流变换和a c a c 交交频率变换。随后，就开创了“晶闸管及其应用”的传 统电力电子技术时代。实现了两种电能之间和同一电能电气参数的变换，达到了 电能的“粗加工”需求( 此时期对电能质量指标的要求还不是很严格) 。然而由于晶 闸管自身的先天不足：半控型器件、工作频率低和采用移相控制方法，带来整机 体积大、功率因数低、网侧及负载上的谐波严重，给电网和用电设备的正常运行 带来的危险不可忽视。由于上述原因，晶闸管及其变流电路形成的传统电力电子 技术经多年的发展已处于停滞阶段，迫切要求新一代电力电子器件和变换技术的 出现，以取代传统电力电子技术。 2 0 世纪7 0 年代后期，以门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 和 电力场效应晶体管( p m o s f e t ) 为代表的全控型器件迅速发展。到8 0 年代后期， 以绝缘栅晶体管( i g b t ) 为代表的复合型器件相继出现：i g b t 是m o s f e t 和g t r 的复合；m o s 控制品闸管( m c t ) 是以m o s f e t 和s c r 的复合；门级换流晶闸 电子科技大学博士学位论文 管( i g c t ) 是以m o s f e t 和g t o 的复合。这些都是综合了两管的优点而研制出 来的新型器件。全控器件的出现和迅速发展，特别是8 0 年代后出现的场控自关断 器件( i g b t 、p m o s f e t 、i g c t 等) 集高频、高电压和大电流于一身的优良性能， 使电力电子技术从低频( 传统) 电力电子技术进入高频( 现代) 电力电子技术的 发展时期【2 j 。 随着集成工艺的提高，8 0 年代中期开发出功率集成电路( p o w e ri n t e g r a t e d c i r c u i t ，p i c ) 和智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，i p m ) ，这是微电子技术 与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而成就的新一代高频化、全控型的功 率集成电路，从而使电力电子技术由传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术 的新时代。 现代电力电子技术具有集成化、高频化、全控化、p w m 控制方式、控制技术 数字化与智能化和高频化与软开关技术六大特点。基于上述的六大特点，现代电 力电子技术应用领域将会有更大的延伸和扩展。现在经过变换处理后再供用户使 用的电能占全国总发电量的百分比值的高低，已成为衡量一个国家技术进步的主 要标志之一。据有关资料所述，1 9 9 5 年发达国家有7 5 左右的电能是经过电力电 子技术变换或控制后再使用。2 0 0 0 年以后，将有9 5 的电能须经变换处理后再使 用。而美国预计到2 l 世纪二三十年代，由发电站产生的全部电能都将经过变换处 理后再供负载使用。 如此说来，未来的电能都是要经过电力电子技术加工处理，将“粗电变成 “精电 后才能使用了。为什么? 理由有三： 1 、节能的需要 带风机、水泵等负载的三相交流异步电动机，每年耗电为总发电量的1 3 以上。 如果直接由电网供电，而用挡板、阀门调节风量、水量至5 0 额定值，电能的利 用效率将低于5 0 。如果采用电力电子技术变压变频供电，通过调节电动机的转 速来改变风量、流量，则电能的利用效率可维持在9 0 左右，这将节省大量电能。 还有耗电占发电量1 0 一1 5 的电气照明，采用高频电力变换器( 又称电子镇 流器) 对荧光灯供电，在同样的光通量下，其耗电量可减少到白炽灯的1 6 。 2 、节材的需要 高频变换装置的功率密度随频率的提高而提高。高频逆变装置将工频5 0 h z 交 流电升频至2 0 k h z 后再供给负载供电，可使电能变换设备成1 0 一2 0 倍地缩小体积 和重量，使钢、铜原材料地消耗量大大减小。 3 、使用电设备获得更大的经济效益的需要 2 第一章绪论 在电力系统中，公用电网提供的电源是频率固定的单相或三相交流电源。而 用电设备的类型、功能干差万别，对电能的电压、频率要求各不相同。为了满足 一定的生产工艺和流程的需要，确保产品质量，提高劳动效率，降低能耗，提高 经济效益，供电电源的电压、频率甚至波形、相位都必须严格满足各种用电设备 的不同要求。因此，由公用电源或其它电源提供的“粗电，必须经过适当的加 工处理变成“精电后再供负载使用，使用电设备处于理想的最佳工况，才能使 用电设备获得更大的经济效益。( 详情请见参考文献 3 】) 1 1 3电力电子技术展望 电力电子技术是由电力、电子和控制三门学科交叉而形成。就其内容而言， 包含器件、电路和控制三方面。电力电子技术的发展总是以器件的发展和性能的 改善为先导，对电力电子技术的发展起着决定性的作用。因此，电力电子技术的 展望就先从电力电子器件的发展谈起。 1 、电力电子器件 电力电子器件发展迅猛，推动电力电子技术从传统电力电子技术进入现代电 力电子技术阶段，目前仍处在一个所谓“动态变革”之中。现代电力电子器件的发展 趋势有三个方面： ( 1 ) 已实用化的全控器件在大功率、易驱动、高频率和高电流密度方向继续 发展； ( 2 ) 器件的模块化、集成化和智能化。在一个芯片上集成一个系统，包括器 件、驱动电路、传感器和自诊断、检测、保护和控制电路，推动电力电子技术跃 入功率集成电力电子技术新阶段； ( 3 ) 器件材料的更新。当今电力电子器件都是以硅作为基础材料，其垄断地 位目前仍然维持。但某些新型材料如碳化硅、金刚石等的采用，已预示着新一代 器件将会出现。新器件类似于m o s f e t ，有高得多的功率和开关频率、低导通电 阻、耐高温等优良性能。 2 、变换电路 变换电路离不开四大基本变换，在电力电子装置中，可以是单一变换也可以 是包含两种以上的变换。传统电力电子技术所用的相控电路适用于晶闸管，现代 电力电子技术所用的p w m 电路、软p w m 电路适用于各种全控型器件和功率集成 电路p i c 、智能功率模块i p m 。 3 电子科技太学博士学位论文 3 、控制技术 微电子技术与电力电子技术的结合，信息电子技术已经融入电力电子技术领 域形成一个整体，计算机控制技术已在电力电子技术中生根、开花、结果。现在 电力电子装置不仅依赖于硬件电路，而且可以利用软件编程，既方便叉灵活，使 各种新颖、复杂的控制策略和方案得以实现。新的控制理论以及基于神经元网络 和模糊逻辑数字的智能控制技术都在变换电路的控制中得到应用 j 。 11 4 电力电子技术的应用 由于功率整流器、功率晶体管、晶闸管、g t o 、i g b t 等功率器件取得很大的 进展，故电力电子技术的应用领域不断扩大。电力电子技术在工业企业和日常生 活中的应用领域如图1 i 所示。 糯4 嘉。l f 池、m ，j 发- e t n m o 址 机珠机搿人 轧制机、持金i 怛 + # 电铺i 童 峰州脉辅诜衣帆 挺光灯街被炉 啦m 嚣采撇机 童埔运输铺域 饿路电帆乍地铣 u 础汽乍l u 掷 电力东缝锄域 帮串鹰接、卣洫精咀 止功功丰补偿v c s v g l 币m 晰电抓i 嗤 创l - 1 电力电子技术的应脚 高功率密度的需求又导致了电力电子集成技术的产生。功率集成技术的迅速 发展使电力屯了器件在集成化方面出现了一个新的分支高压集成电路( 亦即功 率集成电路) 。它使计算机的输出获得了一个直接联系到负载的“功率接口”【“。 2 功率集成电路 121 功率集成电路简介 在电力t u 予技术中，功率集成电路( p i c ) 足一个非常具有活力的、欣欣上荣 第一章绪论 的发展方向。功率集成电路是功率半导体技术与微电子技术相结合的产物，是机 电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外 围电路同时在一个或多个芯片上集成，就制成了功率集成电路。 功率集成电路最早出现在七十年代后期，由于单芯片集成，功率集成电路减 少了系统中的元件数、互连数和焊点数，使得系统的可靠性和稳定性得到了提高， 而且减小了系统的功耗、体积、重量和成本。但由于当时的主流功率器件为双极 器件，它们所需的驱动电流大、驱动和保护电路复杂，因而有关于功率集成电路 的研究并未取得实质性进展。直至八十年代，由m o s 栅控制、具有高输入阻抗、 低驱动功耗、容易保护等特点的新型m o s 类功率器件如d m o s 、i g b t 的出现， 才迅速带动了p i c 的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了p i c 的应 用。进入九十年代后，p i c 的设计与工艺水平不断提高，性价比不断改进，p i c 逐 步进入了实用阶段。迄今已有系列功率集成电路面市，例如功率m o s 智能开关、 电源管理电路、半桥或全桥驱动电路、p w m 专用芯片等等【5 棚。 功率集成电路可以分为智能功率集成电路( s p i c ) 、高压集成电路( h v i c ) 和智能功率模块( 口m ) 。h v i c 是多个高压器件与低压模拟或逻辑电路在单片上 集成，且其功率器件多为横向器件。s p i c 是一个或多个纵向功率器件与控制电路、 保护电路，以及传感器电路等多功能的单片集成。i p m 除了集成功率器件和驱动 电路外，还集成了各种保护检测电路，并可以将监测信号传递给c p u ，以保证i p m 自身不受损坏 7 1 。随着功率集成电路的不断发展，h v i c 和s p i c 在工作电压和器 件结构上( 垂直型或横向型) 都难以严格区分，已经习惯将两者统称为智能功率 集成电路( s p i c ) 。 图1 2 所示为s p i c 的主要功能模块及其组成。s p i c 按照其发挥的作用可以分 为功率控制、传感保护和智能接口三个部分。s p i c 最重要、也是最基本的功能是 功率控制。功率控制的作用通过两个功能模块来实现：功率器件和驱动电路。各 种功率器件通过驱动电路的控制和驱动来完成功率的传输。传感保护电路，通过 低压模拟电路和逻辑电路，将芯片的各种异常信号，例如过流、过压和过温等， 传递给驱动电路，通过关断功率器件来达到保护s p i c 的作用。智能接口功能是通 过解码编码等复杂的逻辑功能来完成高级指令，包括了信息传输等。同时，由于 智能接口，s p i c 才能发展成为真正意义上的智能功率集成电路瞵j 。 电子科技大学博士学位论文 智 能 功 率 集 成 电 路 功率控制 传感保护 功率器件 驱动电路 模拟电路 双极型功率晶体管 功率m o s f e t 3 0 vc m o s 电路 高压电平位移电路 高速双极晶体管 运算放大器 过压欠压保护 保护电路卜一 过温保护 过流无载保护 智能接口卜一逻辑电路卜- 一 高集成度c m o s 电路 图1 - 2 智能功率集成电路组成及功能1 8 j 发自1 9 8 1 年美国研制出第一片p i c 以来，p i c 技术得到了快速的发展，并向 着智能化、高效化、轻型化、小型化等方向更快速的发展并进入普遍的实用阶段。 因此，半导体功率器件及功率集成电路的发展将引起“第二次电子革命 ，而且其 影响将超过由半导体集成电路的发展引起的“第一次电子革命 9 1 。 1 2 2 功率集成电路的隔离技术 在功率集成电路中，由于硅是导电的，因此必须将电路中的各元件进行隔离， 以避免彼此的电连接。对于功率集成电路，更应该考虑高压器件与低压电路之间 的电隔离。在目前的生产工艺中，常用的隔离技术被分为三类：自隔离、结隔离 和介质隔离。下面就对这三种隔离技术进行简单的介绍。 1 2 2 1 自隔离技术 自隔离技术是通过器件的源漏区和沟道区的反向偏压来实现隔离的。图1 3 6 第一章绪论 所示为个包含c m o s 逻辑电路和高压器件的采用自隔离技术的功率集成电路的 实例。在图中，p 衬底作为n 型m o s f e t 的沟道区，n 阱作为p 型m o s f e t 的沟 道区。值得注意的是其中的高压器件必须被设计成为一个药丸式的封闭结构。其 漏电极必须被器件的栅源区所包围，从而以保证高压器件的耐压能力。同时，这 也使得芯片中的高压器件必须采用共源电极的连接方式。采用自隔离技术的功率 集成电路，已经有耐压到达1 0 0 0 v 的芯片被报道【1 0 l 。这种隔离方式的功率集成电 路常用于显示器的驱动i 。 图1 - 3 自隔离结构示意幽 1222 州结隔离 结隔离技术通过施加在n 型外延层与p 型衬底之间的反向偏压来实现的【1 5 i 。 陔隔离技术可以通过两种方法来实现。种方法是采用罔i - 4 c a ) 所示的厚外延层结 构。这样的结构使得垂直型的高压晶体管的太电流处理能力通过限制d + 型埋层的 电阻和对通结的扩散柬得到优化。由于该方法采用了深结的漏电极区和由深结的 矿隔离扩散选与n + 型对通区构成的隔离区占用了很大的：占片面积，凼此电路电学 性能不太理想旧。第二种方法中，一个薄的外延层被采用，如图1 _ 4 ( b ) 所示。这里， n 外延层的工艺参数被优化柬提高低压晶体管的性能。高压晶体管采用r e s u r f 技术柬实现”。r e s u r e f 技术的核心内容就是保证n 型外延层的剂量在0 5 到 l e l 2 c m 。的范闸内变化。这样的电荷剂量使得器件内部的电场分如为，维分布，以 致于在d m o s f e t 的源漏之间叫以承受较高的横向电雎。该方法的一个好处在_ ： 高压器件的耐压能够通过增加器件源漏之间的距离米提高，而不需要对工艺作出 任何的变化。这也就使得同一种工艺可咀制造“ 各种麻用电压范的功率集成电 路，甚至可以在同一块。占片上制造出不同耐压的高压器件。山于结隔高技术可以 存同一块芯片上同时实现高性能的c m o s 逻辑电路、烈极型模拟电路及高压横向 功率器什，它被广泛地应片】在各种场合，例如，5 达驱动和电源管刑“j 。 电子科技大学博士学位论文 l aj l v h 帅 n e l s t o rl v - p 咿t h a n 自i s t o a ( b ) 罔 4 结隔离示意凰 12 23 介质隔离 上面介绍的两种方法都存在不能集成所有需要的元件、且不能在高温工作时 避免闭锁效应的问题，而介质隔离技术可以解决上述存在的问题。图l - 5 所示足一 个在同一块芯片上使用介质隔离技术同时集成m o s 晶体管和双极型晶体管的例 子。在图中，有一个1 1 型沟道的i g t 器什。当导通时，i g t 的漂移区中注入了大 量的少数载流子，这就使得功率集成电路的功率处理能力通过提高电流能力实现 了个数量级的提升吲。这样的双极型功率器件往往会导致较大的衬底电流，因 而不能使用在自隔离和结隔离技术中m j 。 出于介质隔离所需要的面积较小，凼而介质隔离可以提供较高的封装密度， 这就弥补了其衬底材料的价格过高的劣势。介质隔离主要被使用在通信领域中【i ”。 现在人们j 下大力敛力于通过，r 发一种新的介质隔离环的方法来降低芯片衬底的价 第章绪论 格1 雌q 。当衬底价格下降后，人们希望介质隔离技术能被广泛地应用在功率集成 电路中。 图1 - 5 介质隔离的基本结构剖面图 13 智能功率集成技术 在科技r 新月异的今灭，智能功率集成技术的快速发展是对信息处理( 低压 模拟数字电路) 与真正的功率处刊帽结合的硅片系统日益增加的市场需求最好的 吲应。智能功率集成技术的发展不仅是经济发展的需要，因为功率集成使得功率 集成电路的可靠性提高、电磁t 扰( e m i ) 降低更重要的是功率集成技术使得整 机的重量和体积减小，成为了节能减排的重要于段之一。一些混合型的功率集成 技术被发明应用于特殊的范畴中。随着现代半导体技术的快速发展，便携技术这 个概念变得越来越重要，因为可实现的最小的横向和纵向的光刻尺、j 越来越小， 将单独的分离功率器件的发展与信号处理部分的