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絕緣體上硅(SOI)驅(qū)動芯片技術(shù)優(yōu)勢及產(chǎn)品系列

發(fā)布時間:2022-06-23 來源:英飛凌 責任編輯:wenwei

【導讀】在之前的技術(shù)文章中,介紹了驅(qū)動芯片的概覽和PN結(jié)隔離(JI)技術(shù),本文會繼續(xù)介紹英飛凌的絕緣體上硅(SOI)驅(qū)動芯片技術(shù)。


高壓柵極驅(qū)動IC的技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展,走向了絕緣體上硅(silicon-on-insulator,簡稱SOI),SOI指在硅的絕緣襯底上再形成一層薄的單晶硅,相對于傳統(tǒng)的導電型的硅襯底,它有三層結(jié)構(gòu),第一層是厚的硅襯底層,用于提供機械支撐,第二層是薄的二氧化硅層,二氧化硅是一種絕緣體,從而形成一層絕緣結(jié)構(gòu),第三層是薄的單晶硅頂層,在這一層進行電路的刻蝕,形成驅(qū)動IC的工作層。


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圖1.絕緣體上硅SOI(左圖)與傳統(tǒng)體硅(Bulk CMOS)(右圖)結(jié)構(gòu)的比較


SOI在1964年由C.W. Miller和P.H. Robinson提出,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,逐漸成熟。英飛凌采用了SOI的獨特設(shè)計的柵極驅(qū)動IC,從設(shè)計上帶來了諸多優(yōu)勢。其中,最大的優(yōu)勢在于,SOI的二氧化硅的絕緣層,能夠徹底消除體硅(Bulk CMOS)結(jié)構(gòu)中襯底中的寄生PN結(jié),從而消除了閉鎖效應,提高了驅(qū)動芯片耐受負壓的能力。


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圖2.傳統(tǒng)體硅(Bulk CMOS)(左圖)與絕緣體上硅SOI(右圖)寄生PN結(jié)的比較


從柵極驅(qū)動IC的設(shè)計結(jié)構(gòu)上,如圖3所示,可以清楚的看到相關(guān)電路的影響,在體硅(Bulk CMOS)的設(shè)計中,對于高邊電路,襯底連接COM電位,MOS的源極SOURCE連接VS電位,因為襯底與VS之間存在一個寄生二極管,從而在某些工況下,當COM的電位高于VS的電位時,寄生二極管會導通,產(chǎn)生無法控制的電流,從而對電路的可靠性產(chǎn)生影響。在絕緣體上硅SOI的驅(qū)動IC中,因為二氧化硅絕緣層的存在,消除了連接COM和VS的寄生二極管,從而極大提升了驅(qū)動IC的可靠性。


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圖3.傳統(tǒng)體硅(Bulk CMOS)(左圖)與絕緣體上硅SOI(右圖)寄生PN結(jié)對設(shè)計的影響


驅(qū)動芯片的耐受負壓(VS的電壓低于COM)的能力,對于電機驅(qū)動應用,或者橋式電路帶感性負載的應用情況,都非常重要。如圖4所示,當上管Q2關(guān)閉的時候,負載電流切換到下管D1,此時電流從負母線流向負載??紤]動態(tài)的情況,在D1上的電流逐步建立的過程中,在VS~COM之間,會產(chǎn)生由Ls1和Ld1的感生電壓,以及Q1的二極管的導通電壓,總的電壓等于這三個電壓的疊加,方向上電壓在COM為正,VS為負。因為這類應用中,負壓現(xiàn)象不可避免,所以驅(qū)動IC耐受這個負壓的能力越高越好,圖4的右圖可以看出,英飛凌的SOI驅(qū)動IC,抗負壓的能力可以達到-100V/300ns或者-60V/1000ns,這種抗負壓的能力遠遠大于JI設(shè)計的驅(qū)動IC。


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圖4.橋式電路中負壓的產(chǎn)生,及英飛凌的SOI驅(qū)動的負壓耐受工作區(qū)


另外,SOI的結(jié)構(gòu)中,因為寄生PN結(jié)的消失,器件的寄生效應減小,器件的開關(guān)損耗也可極大的降低,并且由于漏電流的減小,靜態(tài)功耗也可以得到降低,從而使得采用SOI設(shè)計的驅(qū)動IC,工作頻率能夠更高,整體損耗更小。圖5對比了300kHz的開關(guān)頻率下,2ED2106(SOI設(shè)計)與IR2106(Bulk CMOS設(shè)計)的溫升對比,可以看到,2ED2106的最高溫度只有66°C,而IR2106的溫度高達122°C。


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圖5.絕緣體上硅SOI與傳統(tǒng)體硅(Bulk CMOS)的驅(qū)動IC的溫升比較


再次,SOI因為存在良好的介質(zhì)隔離,更方便進行集成。英飛凌的SOI的驅(qū)動IC集成了自舉二極管,從而能夠節(jié)省掉以前需要外加的高壓自舉二極管,從而節(jié)省系統(tǒng)成本。


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圖6.絕緣體上硅SOI集成自舉二極管示意圖


綜上所述,絕緣體上硅SOI是柵極驅(qū)動器的一次技術(shù)飛躍,具有負壓耐受能力強、損耗低、集成自舉二極管等一系列的優(yōu)異特性。


英飛凌已經(jīng)推出了大量的絕緣體上硅SOI的驅(qū)動IC,電壓覆蓋200V至1200V,結(jié)構(gòu)有高低邊驅(qū)動、半橋及三相橋。可以點擊文末“閱讀原文”,查詢相關(guān)的型號。


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