一種高可靠性三相全橋IGBT 驅(qū)動電路的設(shè)計

邢鑫怡，程 心，王柯凡，金超

（合肥工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院，合肥 230601）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）是一種復(fù)合功率半導(dǎo)體器件。從結(jié)構(gòu)上看，IGBT 相當(dāng)于由一個金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）和一個雙極結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor，BJT）共同組成，所以它集合了這兩種器件的優(yōu)點，具有高輸入阻抗、低導(dǎo)通壓降，成為發(fā)展最為迅速的新一代電力電子器件。IGBT 器件被廣泛應(yīng)用于高功率大電流領(lǐng)域中特別是在600 V以上的高壓電路系統(tǒng)中，在汽車電子、消費(fèi)電子、新能源等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。

文獻(xiàn)[4]提出了一種可同時驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)開關(guān)電源裝置的高壓柵極驅(qū)動模塊，有效降低了驅(qū)動模塊的總體積；文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種基于SOI 工藝的功率MOSFET 的柵極驅(qū)動電路，其最高輸出電壓可達(dá)400 V；文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一款1200 V/600 A 半橋結(jié)構(gòu)的大功率SiC 模塊；文獻(xiàn)[7-8]主要介紹了溫度對柵極驅(qū)動器的影響以及過流檢測功能的設(shè)計。在高壓功率驅(qū)動電路中，電平位移電路是其核心部分；文獻(xiàn)[9]提出了一種具有高抗噪性的電平位移電路，應(yīng)用于600 V 高壓半橋驅(qū)動電路中；文獻(xiàn)[10]提出了一種新的具有多金屬環(huán)的電平位移電路，降低了高側(cè)柵驅(qū)動器的輸入端的電壓差。但在實際應(yīng)用中，高壓電路中由于寄生效應(yīng)的存在，會產(chǎn)生電壓偏移現(xiàn)象，從而使電平位移電路產(chǎn)生錯誤觸發(fā)。

本文基于X-FAB 1.0 μm SOI 工藝，設(shè)計一種高可靠性的三相全橋IGBT 驅(qū)動電路，提出了一種可以對輸入信號的錯誤狀態(tài)進(jìn)行判斷的死區(qū)時間產(chǎn)生電路，避免因高、低側(cè)信號同時輸入有效電平所造成的錯誤；采用一種將浮動電源和浮動地進(jìn)行隔離的新型高壓電平位移電路，并具有欠壓檢測、過流檢測、錯誤邏輯控制等保護(hù)電路，在滿足驅(qū)動能力要求的同時提升驅(qū)動電路的安全性與可靠性。

1 IGBT 的開關(guān)特性

從結(jié)構(gòu)上來看，IGBT 的輸入端為MOSFET 的柵極，因此開啟信號施加到MOSFET 的柵極上。與MOSFET 類似，IGBT 作為一個壓控器件，其開啟是通過電壓而不是電流進(jìn)行的，但I(xiàn)GBT 器件開啟的速度隨柵極電壓的增加而加快。由于BJT 是被基極電流控制的器件，所以其開啟速度顯然慢于壓控器件IGBT 的開啟速度。但正因為IGBT 的導(dǎo)通需要BJT 和MOSFET 均進(jìn)入工作區(qū)，所以IGBT 的開啟速度會略慢于MOSFET。在高頻狀態(tài)下，器件導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生的動態(tài)電流會變得很大，進(jìn)而會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響。

2 IGBT 驅(qū)動電路及關(guān)鍵模塊設(shè)計

本文設(shè)計的IGBT 驅(qū)動電路系統(tǒng)框圖，如圖1所示。三相全橋由3 個單相半橋IGBT 器件形成，每個支路有2 個帶有反向并聯(lián)二極管的IGBT 組成，產(chǎn)生A、B、C 三相輸出用于驅(qū)動后面的電路。

圖1 三相全橋IGBT 驅(qū)動電路系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of three-phase IGBT driver circuit

圖1 中，IGBT 驅(qū)動電路的輸入信號由3 個高側(cè)輸入信號VHI1、VHI2、VHI3和3 個低側(cè)輸入信號VLI1、VLI2、VLI3組成，分別用于控制三相半橋上下橋臂的通斷。高低側(cè)輸入信號首先需要經(jīng)過接口電路的處理，將3.3 V 或5 V 的輸入信號轉(zhuǎn)化為0～5 V 的方波并進(jìn)行濾波整形，然后通過死區(qū)時間產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個防止上下橋臂同時導(dǎo)通的死區(qū)時間，最后分別經(jīng)過電平位移電路和輸出驅(qū)動電路，形成高低側(cè)的輸出電壓信號，輸入到相應(yīng)的IGBT 器件。此外，本設(shè)計中還包括相應(yīng)的保護(hù)電路，在欠壓、過流或發(fā)生短路狀態(tài)下迅速對整個驅(qū)動電路采取有效保護(hù)措施。驅(qū)動電路的關(guān)鍵模塊設(shè)計如下。

2.1 死區(qū)時間產(chǎn)生電路

死區(qū)時間定義為上下橋臂的2 路輸入信號同時關(guān)閉，即都處于低電平的時間。因此，為了避免由于延遲效應(yīng)造成的上下橋臂直通現(xiàn)象，本文的死區(qū)時間產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生一個穩(wěn)定的死區(qū)時間，提高功率驅(qū)動芯片的穩(wěn)定性，其核心為設(shè)計一個延時電路。傳統(tǒng)的死區(qū)時間產(chǎn)生電路如圖2 所示，通過延時電路產(chǎn)生延時時間，再通過邏輯門運(yùn)算疊加到輸出信號形成死區(qū)時間。這種結(jié)構(gòu)在實際情況中存在著一定的風(fēng)險，它僅適用于高低側(cè)兩路輸入信號相位相反的情況，一旦由于隨機(jī)因素出現(xiàn)高低側(cè)輸入信號同為高電平的情況，該電路很容易判斷失誤，產(chǎn)生兩路同向的信號驅(qū)動后級IGBT 器件[11]。

圖2 傳統(tǒng)的死區(qū)時間產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Traditional diagram of dead time generation circuit

本文所設(shè)計的死區(qū)時間產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。電路原理為由輸入級濾波電路處理過的高側(cè)信號VHI和低側(cè)信號VLI一起輸入到死區(qū)時間產(chǎn)生電路中，ENN 是由保護(hù)電路和使能電路經(jīng)過邏輯門運(yùn)算產(chǎn)生的綜合使能信號，低電平有效，高電平代表著芯片使能信號EN=0 或芯片發(fā)生欠壓、過流等錯誤。高低側(cè)輸入信號VHI、VLI分別和ENN 經(jīng)過或非門運(yùn)算產(chǎn)生VHII和VLII，或非門的作用是當(dāng)使能信號ENN 無效時，高低側(cè)支路輸出均為0。為了防止高低側(cè)輸入信號VHI和VLI出現(xiàn)同時為高電平的錯誤狀況，本設(shè)計中采用一種改進(jìn)的RS 觸發(fā)器來對VHII和VLII信號進(jìn)行邏輯判斷。

圖3 死區(qū)時間產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of dead time generation circuit

在實際電路中由于穿通電流的存在可能出現(xiàn)VHII和VLII同為高電平的情況，極易發(fā)生上下橋臂直通的危險，因此本文設(shè)計了一種改進(jìn)的RS 觸發(fā)器，如圖4 所示。輸入端S 和R 分別經(jīng)過一個反相器再輸入到或非門RS 觸發(fā)器中。當(dāng)S=1、R=1 時，經(jīng)過反相器后，不管Q 的狀態(tài)如何，RS 觸發(fā)器將會繼續(xù)保持該狀態(tài)，因此可以避免輸入同為“1”時輸出也同時為“1”的錯誤發(fā)生。當(dāng)S=0、R=0時，經(jīng)過反相器后，RS 觸發(fā)器此時處于不定態(tài)，取決于哪個信號跳變更快，但輸入同為“0”時，電路不存在短路的風(fēng)險。

圖4 改進(jìn)的RS 觸發(fā)器Fig.4 Improved RS trigger

2.2 高壓電平位移電路

高壓電平位移電路的作用是實現(xiàn)15 V～615 V的高壓電平位移功能。實現(xiàn)電源電壓和地轉(zhuǎn)換為浮動電源和浮動地的電平轉(zhuǎn)換，才能有效驅(qū)動后級IGBT 功率器件的正常通斷。傳統(tǒng)的雙脈沖電平位移電路如圖5（a）所示，雙脈沖產(chǎn)生電路將輸入信號轉(zhuǎn)化為兩路窄脈沖信號，分別與其上升沿和下降沿相對應(yīng)，有效降低系統(tǒng)的功耗。通過高壓功率管LDMOS，漏極電壓轉(zhuǎn)換為比浮動電源VB低的輸出。下一級再將高壓信號轉(zhuǎn)化以高端浮動地信號VS為參考的脈沖，經(jīng)過RS 觸發(fā)器再將窄脈沖還原回正常的高壓驅(qū)動信號，則整個過程完成了從0～15 V 到600～615 V 的電平位移，從而達(dá)到驅(qū)動IGBT 功率器件的能力。

圖5 高壓電平位移電路Fig.5 High voltage level shift circuit

本設(shè)計基于傳統(tǒng)的雙脈沖電平位移電路進(jìn)行了改進(jìn)，圖5（b）為針對圖5（a）虛線部分改進(jìn)后的電路結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用了4 個LDMOS 高壓功率器件，分別進(jìn)行浮動地的電平轉(zhuǎn)換和浮動電源的電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)信號轉(zhuǎn)化為與上升沿和下降沿相對應(yīng)的兩路脈沖后，當(dāng)窄脈沖A1來臨時，LDMOS3和LDMOS5管導(dǎo)通，LDMOS4和LDMOS6管截止，輸出一個相對于VB的低電平信號，VS為浮動地信號，其電壓變化范圍為0～600 V，當(dāng)脈沖來臨時VS也處于0～600 V的上升沿位置，則LDMOS5的源端電壓大于LDMOS3的漏端電壓，隨后信號經(jīng)過或門轉(zhuǎn)化為跟隨浮動電平變化的電壓。最后濾波電容和RS 觸發(fā)器將脈沖信號恢復(fù)為方波的高壓驅(qū)動信號?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)的電平位移電路，高壓地信號VS與低壓地信號COM并沒有完全隔離，有可能會產(chǎn)生信號偏移，改進(jìn)后的電平位移電路有效隔離了高低壓兩路地信號，減少了寄生效應(yīng)產(chǎn)生的串?dāng)_，增強(qiáng)了電平位移電路的可靠性。

3 仿真結(jié)果與分析

本文基于X-FAB 1.0 μm SOI 工藝，用Cadence軟件對三相全橋IGBT 驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計與仿真。

不含RS 觸發(fā)器的傳統(tǒng)死區(qū)結(jié)構(gòu)的仿真波形，如圖6 所示?？梢钥闯觯趖1～t2時間段內(nèi)，當(dāng)VHI與VLI均為“1”時，高低側(cè)輸入VHO和VLO同時為高電平，導(dǎo)致上下橋臂的IGBT 全導(dǎo)通、發(fā)生短路。

圖6 傳統(tǒng)死區(qū)結(jié)構(gòu)功能仿真Fig.6 Simulation results of traditional dead time generation circuit

驗證高側(cè)輸入信號與低側(cè)輸入信號為同為“1”時，本文中死區(qū)時間產(chǎn)生電路的功能仿真，如圖7所示?？芍趖1～t2時間段內(nèi)，輸入信號VHI與VLI均為5 V，此時RS 觸發(fā)器的兩個輸入端均為“1”，由RS 觸發(fā)器的工作原理可知，RS 觸發(fā)器保持原工作狀態(tài)，因此VH 信號仍為低電平，最終死區(qū)時間產(chǎn)生電路的高低輸入VHO和VLO避免了同時為高電平的情況，證明了本文所設(shè)計的死區(qū)產(chǎn)生電路能夠保證驅(qū)動芯片在輸入信號發(fā)生錯誤的狀態(tài)下仍能正常工作。

圖7 高低側(cè)錯誤輸入時死區(qū)時間產(chǎn)生模塊功能仿真Fig.7 Simulation results of dead time generation circuit with high and low side error input

驅(qū)動電路整體仿真結(jié)果如圖8 所示。可知，低側(cè)輸出信號VLO1的幅值為0～15 V，高側(cè)輸出信號VHO1的幅值為0～615 V，VLO1與VHO1之間存在著1.2 μs的死區(qū)時間，驅(qū)動芯片可以完成3.3 V 輸入信號的邏輯轉(zhuǎn)換，功能正常。

圖8 驅(qū)動電路整體仿真波形圖Fig.8 System-level simulation results of driver circuit

三相全橋驅(qū)動芯片控制部分各項參數(shù)如表1所示，表中所列出的各項指標(biāo)參數(shù)均滿足設(shè)計要求。

表1 驅(qū)動電路仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters for driver circuit

本文驅(qū)動電路與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)比較如表2 所示?？梢钥闯?，本文結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于三相功率驅(qū)動系統(tǒng)中，應(yīng)用面更為廣泛。同時可高效實現(xiàn)600 V 高壓電路的驅(qū)動，開啟時間和關(guān)斷時間相較于其他驅(qū)動電路有顯著提高，驅(qū)動能力良好，綜合性能高。

表2 幾種IGBT 驅(qū)動電路仿真參數(shù)對比Tab.2 Comparison of performance parameters of several IGBT driver circuits

4 結(jié)語

本文基于X-FAB 1.0 μm 高壓SOI 工藝，設(shè)計了一種適用于600 V 高壓下的三相全橋驅(qū)動電路：設(shè)計了一種可以對輸入信號的錯誤狀態(tài)進(jìn)行判斷的死區(qū)時間產(chǎn)生電路，避免因高、低側(cè)信號同時輸入有效電平所造成的錯誤；并且提出一種將浮動電源和浮動地進(jìn)行隔離的新型高壓電平位移電路，可以減小高低壓地電位之間的串?dāng)_，有效地提高了驅(qū)動電路的可靠性，三路高側(cè)輸出信號電壓可達(dá)615 V，三路低側(cè)信號輸出電壓為0～15 V，最大驅(qū)動電流達(dá)到0.8 A，仿真結(jié)果表明具有良好的驅(qū)動能力。仿真結(jié)果顯示，各項參數(shù)均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。