【導讀】自從1989年國際整流器公司(IR)率先推出首款單片式高壓驅動(dòng)產(chǎn)品以來(lái)，高壓集成電路(HVIC)技術(shù)就開(kāi)始利用獲得專(zhuān)利的單片式結構，集成雙極器件、CMOS及橫向DMOS器件，設計出了擊穿電壓分別高于700V和1400V的產(chǎn)品；這些高壓驅動(dòng)芯片可以工作在600V和1200V偏置電壓下。
2016年英飛凌完全收購IR后，英飛凌擁有了這項經(jīng)過(guò)多年市場(chǎng)驗證的PN結隔離(JI)技術(shù)，該技術(shù)是一項成熟的、可靠的且經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗證的技術(shù)。特有的HVIC和抗閂鎖CMOS技術(shù)可打造出可靠的單片式構造。先進(jìn)的制造工藝生產(chǎn)出性?xún)r(jià)比最佳的產(chǎn)品，可面向電機控制，開(kāi)關(guān)電源等多種應用。
英飛凌PN結隔離（JI）技術(shù)的主要益處：
?最大驅動(dòng)電流可達4A
?精密模擬電路(嚴格的時(shí)序/傳輸延遲)
?擁有行業(yè)內數量最多的標準級門(mén)極驅動(dòng)產(chǎn)品
?電壓等級：1200V、600V、500V、200V和100V
?驅動(dòng)結構類(lèi)型：三相、半橋、單通道等
?最佳性?xún)r(jià)比
PN結隔離(JI)技術(shù)介紹
一個(gè)完整的半橋驅動(dòng)芯片包含了耐高壓的高邊驅動(dòng)電路和低邊驅動(dòng)電路，其中高邊驅動(dòng)電路包含高壓電平轉換電路和高壓浮動(dòng)驅動(dòng)電路。PN結隔離技術(shù)（JI）通過(guò)多晶硅環(huán)形成的“井”型高壓浮動(dòng)開(kāi)關(guān)，將可“浮動(dòng)”600V或1200V的高壓電路與其他低壓電路在同一硅片上隔離，從而通過(guò)對地的低壓數字信號直接驅動(dòng)需要高壓浮動(dòng)開(kāi)關(guān)的功率器件IGBT和MOSFET。廣泛應用于各種常見(jiàn)電路拓撲中，包括降壓電路、同步升壓電路、半橋電路、全橋電路和三相全橋電路等等。
下圖分別是LDMOS電平轉換電路以及高低邊驅動(dòng)CMOS的橫切面圖。
電平轉移式高壓驅動(dòng)芯片的內部框圖和工作原理
下圖是一個(gè)典型半橋驅動(dòng)芯片的內部設計原理和結構。
這個(gè)半橋驅動(dòng)芯片高邊HVIC包含了：
?脈沖發(fā)生器：在輸入信號HIN的上升沿和下降沿產(chǎn)生脈沖信號；
?電平轉移電路：把以COM為參考的信號轉換成以VS為參考的信號；
?SR鎖存器：鎖存從電平轉移電路傳輸過(guò)來(lái)的脈沖信號；
?緩沖器：放大輸入信號
?延時(shí)電路：補償高邊信號的傳輸延時(shí)；
?自舉二極管：在S2開(kāi)通時(shí)對自舉電容進(jìn)行充電。通過(guò)電平轉換電路，使相對于地（COM）的Hin信號轉換成同步的相對對于懸浮地（VS）的Ho信號，從而控制高邊S1的開(kāi)關(guān)。
VS負壓和閂鎖效應
在半橋電路中，感性負載、寄生電感和下管反向續流可能在VS腳產(chǎn)生負壓?；贖VIC的構造，VS負壓可能導致HVIC失效。因此，如何抑制VS負壓，將是HVIC應用中的重要課題。
L1，L2分別是上下管上功率器件的封裝電感和電路走線(xiàn)的寄生電感，當上管開(kāi)通時(shí)，電流經(jīng)過(guò)上管流過(guò)負載電感；上管關(guān)斷換流時(shí)，續流電流經(jīng)過(guò)S2的體二極管，并在L1L2寄生電感上產(chǎn)生電壓，導致VS端產(chǎn)生了低于地線(xiàn)電壓的負壓。該負電壓的大小正比于寄生電感的大小和開(kāi)關(guān)器件的電流關(guān)斷速度di/dt；di/dt由柵極驅動(dòng)電阻Rg和開(kāi)關(guān)器件的輸入電容Ciss決定。
VS負壓除了使Vbs超過(guò)芯片的絕對最大額定值，導致芯片過(guò)壓損壞；更多的時(shí)候是產(chǎn)生閂鎖效應，導致不可預測的結果。
如上圖，驅動(dòng)芯片外延層到襯底有一個(gè)等效二極管D1（VB-COM），外延層-襯底-外延層有一個(gè)等效NPN三極管Q1(VCC-COM-VB)。當VS產(chǎn)生負壓時(shí)，D1/Q1可能導通，會(huì )引起HO跳變（在沒(méi)有輸入信號時(shí)，HO可能從低電平跳到高電平），從而導致半橋功率管短路使系統失效，或者引起驅動(dòng)芯片的內部CMOS結構發(fā)生閂鎖效應，從而導致驅動(dòng)芯片失效。
上兩圖是來(lái)自客戶(hù)的一個(gè)實(shí)測雙脈沖波形，驅動(dòng)芯片的輸入信號是低電平，但是輸出跳變成高電平，在上管關(guān)斷的時(shí)候VS腳的瞬變電壓達到了-130V，這個(gè)負壓使得HO從低電平跳變成高電平。
JI技術(shù)驅動(dòng)芯片周邊電路設計指導
為了減小-VS(VS=-(Lp*di/dt+Vf))，在電路設計中需要做到：
1.使寄生電感最小化，減小驅動(dòng)回路的走線(xiàn)，避免交錯走線(xiàn)。
2.半橋電路兩個(gè)功率管盡可能靠近安裝，它們之間連接盡量用粗短線(xiàn)
3.驅動(dòng)芯片盡量靠近功率管
4.母線(xiàn)電源上的退耦電容盡量靠近功率管和電流檢測電阻
5.使用低寄生電感的電阻作為電流檢測電阻，并盡量靠近下面的功率管
6.VB-VS之間使用低寄生電感的瓷片電容
7.VCC-COM之間也要使用低寄生電感的瓷片電容，推薦使用的VCC-COM之間的電容容量是VB-VS之間的電容容量的十倍以上
8.退耦電容盡量靠近驅動(dòng)芯片引腳
如果注意了上述事項，VS腳負壓仍然很大的話(huà)，可以考慮降低功率管的開(kāi)關(guān)速度，以便降低開(kāi)關(guān)時(shí)的電流變化率di/dt，例如：
1.外加緩沖電路
2.增大驅動(dòng)電阻(注意：這種方法會(huì )增加功率管開(kāi)關(guān)損耗)
評估板
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用于200V半橋/高壓側和低壓側電平移位柵級驅動(dòng)器IRS2005S/IRS2007S/IRS2008S的步進(jìn)電機評估板
帶退飽和檢測的電平轉換半橋柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)1200V, 50 A EconoPIM?3模塊評估板
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在實(shí)際應用中，由于各種限制，可能很難滿(mǎn)足以上設計指導，導致Vs負壓居高不下，這個(gè)時(shí)候還可以選擇更高耐負壓能力的SOI驅動(dòng)芯片，敬請關(guān)注我們后續的驅動(dòng)系列文章介紹。
原創(chuàng )：王剛 李青霞 ，英飛凌工業(yè)半導體
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