600v高压栅驱动芯片中驱动电路分析与设计

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1、第一章绪论1．1背景与意义1．1．1功率集成电路的发展科学技术的飞速发展，使半导体技术形成两大分支：一个是以大规模集成电路为核心的微电子技术，实现对信息的处理、存储与转换；另一个则是以功率半导体器件为主，实现对电能的处理与变换。功率半导体器件与大规模集成电路一样具有重要价值，在国民经济和社会生活中具有不可替代的关键作用。功率半导体器件在其发展的初期(上世纪60年代至80年代)主要应用于工业和电力系统，近三十年来，随着4C产业(通信、计算机、消费电子、汽车)的蓬勃发展，功率半导体器件的应用范围有了大幅度的扩展，已渗透到国民经济与国防建设的各个领域，其技术已成为航空、航天、火车、汽车、通讯、计算机

2、、消费类电子、工业自动化和其他科学与工业部门的至关重要的基础。使用功率半导体器件的最根本目的，一是为了将电压、电流、频率转换到负载所需要的数值，二是为了更有效地利用电能。功率半导体器件的广泛应用可以实现对电能的传输转换及最佳控制，大幅度提高工业生产效率、产品质量和产品性能，大幅度节约电能、降低原材料消耗，因此，它已经愈加明显地成为加速实现我国能源、通信、交通等基础产业的技术改造和技术进步的支柱。在人类所消耗的电能中有75％需经功率半导体器件转换成一定的形式后才可供最终设备使用。新型功率半导体器件能较大地提高转换效率，达到节能的目的。如电动机采用变频调速可节电20％以上。各种风机、水泵电机的总耗

3、电量约占全国发电量的36％，如果采用变频调速技术，每年可节电659亿度，相当于三个葛洲坝电站的发电量。如果全国电机的驱动都采用功率半导体进行变频调速，则全国总用电需求量将降低15％到20％。按器件结构划分，功率半导体器件可分为功率集成电路(PowerIntegratedCircuit,PIC)和功率分立器件。功率集成电路是将功率器件和集成电路集成在单一硅片上。功率集成电路(PIC)一般分为智能功率集成电路(SmartPowerIntegratedCircuit,SPIC)和高压集成电路(HighVoltageIntegratedCircuit,HVIC)两类。但随着PIC的不断发展，两者在工作

4、电压和器件结构上(垂直或横向)都难以严格区分，已习惯于将它们统称为SPIC。虽然功率集成电路使用历史较短，但其发展势头远远超过功率分立器件。PIC的最早出现是在七十年代后期，当时人们提出将功率器件与IC单片集成的功率集成电路。它减少了系统中的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性，而且减小了体积、重量和1东南大学工程硕士学位论文成本。但是由于当时主流的功率器件为：双极晶体管和门极可关断晶闸管(GateTurnOffThyristor，GTO)等，它们所需的驱动电流很大，驱动和保护电路复杂，PIC的研究未取得实质性进展。直到八十年代，由于MOS栅控制具有高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等

5、特点的新型MOS类功率器件如双扩散金属氧化物半导体(doublediffusionmetal—oxide．semiconductor,DMoS)、绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTranslator,IGBT)的出现使得驱动电路简单且容易与功率器件集成，才带动了PIC的发展，但是复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了PIC的应用。进入九十年代后，PIC的设计与工艺水平的不断提高，性能价格比不断改进，PIC才逐步进入实用阶段【11【2】。1．1-2功率集成电路的应用功率集成电路最典型的产品是电源管理电路，电源管理电路品种繁多，大致可分为电压调制器和其他接口电路。由于电源管

6、理芯片市场的增长速度快于功率分立器件市场，这就导致电源管理芯片市场在功率器件市场中所占比重将逐步提升。据赛迪顾问预测，到2011年，电源管理芯片销售额将达到775．6亿元，占整体功率器件市场的46．2％。目前，功率集成电路已经完全融入到人们生活的每个角落。例如：家电中的电机驱动，照明中的电子镇流器，平板显示驱动等。功率集成电路不仅在生活中的应用广泛，在军工方面也有很大的应用领域。具体应用范围见表1．1吲。如图1．1所示给出了美国、西欧、日本试制并生产的Pit2及其应用的电压和电流容量。从电压和电流容量来看，可以认为PIC向三极分化：l、低电压大电流PIC：用于汽车点火、集成调节器、点式打印机、

7、步进电机驱动等。2、高压小电流PIC：用于平板显示、交换机等。3、高压大电流PIC：同于电源及家用电器等[41。^《V薅脚电压(V)图1-1PIC应用产品的电压与电流2第一章绪论表1．1功率集成电路的应用应用领域主要工作应用领域主要工作需要工作于严酷的各类环境的各类电源、通信器主机电源接口用电压转换、磁盘驱材；应用于各类车辆、载动器、马达驱动及控制磁头定位驱军用及航天具、风行器的电力供应，电脑动、