本文是一篇工程硕士论文，本文还在传统置位复位调制解调方案的基础上进行了改良，采用了具有刷新功能的置位复位调制；并根据IGBT的工作特性创新型的设计了关断保护模块，使得芯片在实际应用的过程中能够进一步减少短路故障的发生，提高了IGBT工作的安全性。
1 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
现如今，能源安全问题越来越成为世界各国关注和重视的安全问题之一。随着国际形势的变化，俄罗斯的石油和天然气暂时退出国际能源市场，全球的能源供应出现了较大的缺口。中国在2022年前三季度进口原油每吨价格同比上涨55.1%。在当前能源危机频发的局势下，努力向新能源转型的计划变得更加重要和紧迫。世界各国正全面推广使用电动车代替传统汽车，采用风能发电和太阳能发电等清洁能源代替传统石油和天然气来应对已经到来的能源危机和环境污染危机。而风力发电或太阳能光伏发电产生的电能，在其发电、输电、变电和用电的过程中，都大量使用了功率半导体器件和模块[1]。因此，如何使得功率半导体器件能够工作在更安全、更高效的环境中成为大力发展新能源必须考虑的问题。
绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）作为新一代功率半导体器件，在航空航天，智能电网，汽车电子与新能源等领域有着极为广泛的应用。IGBT兼有绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）和双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）的优势，具有饱和压降低，开关速度快，驱动功率小和载流密度大等优点，是能源变换与传输的核心器件[2]。
IGBT能够在高效，安全的环境下工作离不开栅极驱动芯片的帮助。由于IGBT经常工作在电压和电流剧烈变化的环境下，主电路容易引起短路故障、桥臂直通等损。IGBT器件风险的情况，带来巨大损失。因此，IGBT往往需要带有保护功能的栅极驱动芯片的辅助，才能工作在安全的环境下[3]。同时，栅极驱动芯片能降低IGBT的导通和关断的时间，减少其开关过程中带来的损耗，并且抑制其导通关断时的电压和电流尖峰，延长IGBT器件的工作寿命[4]。随着IGBT的不断发展，IGBT栅极驱动电路的性能也需要不断的提升，才能努力为IGBT提供一个可靠、高效、低损耗的工作环境。因此，具有全面的保护、高效的性能以及强大驱动能力的栅极驱动芯片对IGBT及其应用领域具有很高的社会价值[5]。
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1.2 国内外研究现状
随着大功率IGBT器件在各个领域被广泛应用，国内外对于大功率IGBT的驱动和保护技术也在飞速发展。这其中，瑞士、美国、德国和日本等国家的技术发展相对较为成熟，经验积累较为丰富。目前全球知名的IGBT驱动芯片供应厂商有英飞凌、安森美、Power Integrations（PI）和Texas Instruments（TI）等欧美企业。德国英飞凌科技公司对IGBT器件及其配套的驱动芯片的研发起步较早，经验丰富，产品种类多样化，其研发的EiceDriver系列栅极驱动器受市场认可度较高。PI公司下属的Concept部门从事研发栅极驱动多年，在高压IGBT驱动器的研发上有较为深厚的积累，其SCALE系列栅极驱动芯片在全球市场也被广泛认可。除此之外，TI、安森美、瑞萨半导体等知名企业也提供部分IGBT栅极驱动芯片[6]。国内在IGBT栅极驱动芯片领域的起步较晚，驱动技术与国外比稍显落后。近年来由于政府的大力支持和IGBT器件的迅速发展，国内也涌现了一些优秀的企业，比如苏州纳芯微电子和深圳的青铜剑公司、北京的落木源电子等在IGBT驱动领域大方光彩的企业[7]。
在实际应用中，IGBT栅极驱动芯片的输出侧往往为高压域，其直流母线电压可达上千伏，而驱动芯片的输入侧则为低压域，常常存在一些人机接口。为避免高压域的电压与电流流窜至低压域，对设备和人体造成严重的伤害，IGBT栅极驱动芯片往往要求具有隔离功能。按照隔离技术类型的不同，IGBT栅极驱动器可分为电平位移驱动、光耦隔离驱动、电容隔离驱动以及电感隔离驱动四种。
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2 IGBT的结构和工作特性
2.1 IGBT的结构和工作原理
IGBT是从VDMOSFET（Vertical Double-diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）的结构上演变而来。相较于传统的N沟道VDMOS，IGBT的改进之处在于它在原有N沟道VDMOS的漏极N+上新增了一个重掺杂的P+注入区，形成了一个大面积的PN结。该P+注入区为IGBT的集电极，VDMOS的栅极则作为IGBT的栅极，IGBT的发射极为VDMOS的源极，如图2-1所示。
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由IGBT的结构可知，IGBT可以看做一个由VDMOS驱动的PNP三极管。与MOS管的工作原理相似，当IGBT的栅极-发射极电压VGE大于其导通阈值电压VGE(th)且集电极-发射极电压VCE＞0时，IGBT进入导通状态。此时，其栅氧化层下的P区感应出电子并形成反型层，电子从该反型层沟道注入N-漂移区；靠近集电极的PN结导通，P+区的空穴也注入到N-漂移区。由于重掺杂的P+区在导通状态下向轻掺杂漂移区提供了大量的少子空穴，为维持电中性，N+区域大量的自由电子被吸引到N-区域，使得N-区的载流能力大幅提升，其电导率显著提升，该过程即为电导调制效应[16]。得益于该电导调制效应，IGBT相较于MOSFET而言拥有更低的导通压降和更小的导通损耗[17]。当IGBT的栅极-发射极电压VGE比导通阈值电压VGE(th)更低时，IGBT进入关断状态，该状态一般分为两个过程。第一个过程为反型层的关断，当VGE＜VGE(th)时，IGBT栅氧化层下的反型层沟道迅速关断，自由电子停止向N-漂移区注入，电流迅速下降；第二过程为PNP晶体管的关断过程，由于自由电子停止注入，N-区大量电子向P+区移动，空穴向P区移动，随着载流子浓度的降低，其移动逐渐停止，剩余的载流子仅依靠电子与空穴的复合作用来消除，该阶段被称为拖尾电流阶段，这一阶段的电流下降缓慢，持续时间较长，当拖尾电流为零时，IGBT彻底关断[18]。
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2.2 IGBT的工作特性
2.2.1 IGBT的静态特
IGBT的静态特性分为转移特性和输出特性。转移特性是指当集电极-发射极电压VCE不变时，集电极电流IC与栅极-发射极电压VGE的对应关系。
当VGE＜VGE(th)时，IGBT关断，此时流过集电极的电流IC为零。当VGE＞VGE(th)时，IGBT导通，集电极的电流IC随栅极-发射极电压VGE的增大而增大。
输出特性描述的是当VGE一定时， IC随VCE之间的对应关系。如图2-4所示，IGBT的输出特性曲线共分为四个部分，它们分别是反向阻断区，正向阻断区，饱和区和有源区。
反向阻断区：当VCE＜0时，IGBT处于反向阻断区，此时无论VGE的值为多大 ，IGBT均无法导通，其原因是IGBT相较于NMOS多出一层P区，当VCE小于零时，反偏的PN结阻断了电流，此时IGBT处于关断状态。
正向阻断区：当0＜VGE＜VGE(th)时，IGBT处于正向阻断区，此时反型层还没有形成，集电极电流IC非常小，该电流称为ICES。
饱和区：当VGE≥VGE(th)，且VCE≤VGE-VGE(th)时，IGBT处于饱和区。此时沟道已经形成，集电极电流IC随着VCE的增大而增大。在该区域下IGBT的导通压降低，导通的损耗小，因此该区域为IGBT导通时的主要工作区。
有源区：当VGE≥VGE(th)，且VCE＞VGE-VGE(th)时，IGBT处于有源区。此时集电极电流IC仅与VGE有关，而不随VCE的变化而变化。当IGBT工作在该区间时其导通压降和导通损耗大，在实际使用中应尽量避免IGBT工作在有源区。
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3 IGBT驱动芯片的关键设计要求和技术分析 ................. 12
3.1 IGBT驱动芯片的预期设计指标要求 ......................... 13
3.2 IGBT驱动芯片的隔离设计要求和隔离技术 ............... 14
4 IGBT驱动芯片关键电路的设计与分析 ............................ 27
4.1 IGBT驱动芯片的整体设计介绍 ........................... 27
4.2 IGBT驱动芯片的隔离模块设计与分析 ....................... 29
5 IGBT隔离式栅极驱动芯片的版图设计与关键仿真分析 ................. 5
5.1 IGBT隔离式栅极驱动芯片的版图设计 ....................... 50
5.2 IGBT隔离式栅极驱动芯片的关键仿真 ......................... 50
5 IGBT隔离式栅极驱动芯片的版图设计与仿真分析
5.1 IGBT隔离式栅极驱动芯片的版图设计
本论文基于以上章节描述的电路结构和设计方案设计了IGBT隔离式栅极驱动器芯片的版图，其中的输出侧版图设计如下图5-1所示。本芯片在SMIC 0.18μm BCD（Bipolar CMOS DMOS）工艺下完成芯片的设计，其中输出侧的隔离变压器、输出驱动电路、调制解调电路和三个保护电路的位置如下图红框所示。本芯片的总面积为2600μm×1400μm，其整体面积为3.64mm2。
工程硕士论文参考
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6 总结与展望
6.1 论文的研究内容总结
随着IGBT被大量运用于工业界的清洁能源的电力传输和新能源汽车等热门领域，针对IGBT驱动芯片的研究也越来越受到各方的重视。本文首先介绍了IGBT器件在目前国际形势下的重要地位，以及IGBT栅极驱动芯片在IGBT器件工作中的重要性，并介绍了国内外各企业和学术界在IGBT栅极驱动芯片领域的研究现状。同时，本文对IGBT器件本身的结构和IGBT的工作原理和特性做了详细的描述和分析。针对IGBT在工作过程中的种种特性，本文提出了IGBT驱动芯片在设计时需要考虑的一些关键设计要求，包括：IGBT驱动芯片的隔离要求、调制和解调要求、栅极驱动要求和保护要求四个方面。对于这些要求，本文详细介绍了现有的技术和各类解决方案并对这些技术进行了分析和对比。在充分考虑了现有的各类技术的优缺点后，本论文详细论述了各关键模块的实现原理及其电路结构，并给出了芯片的版图的布局和设计方案，随后又对这些模块的核心参数和功能进行了仿真验证。
在设计过程中，本文创新性的采用了NMOS和PMOS混合驱动的栅极驱动电路，在保障了轨对轨输出功能的同时增大了电流驱动能力。同时本文还针对该驱动方法设计了电压控制模块，使得该方案在实际应用的过程中更加可靠。本文还在传统置位复位调制解调方案的基础上进行了改良，采用了具有刷新功能的置位复位调制；并根据IGBT的工作特性创新型的设计了关断保护模块，使得芯片在实际应用的过程中能够进一步减少短路故障的发生，提高了IGBT工作的安全性。
参考文献（略）