智能功率集成电路SPIC一般包括
第二章 - 5_IGBT(电力电子技术)

主要解决挚 住效应
改善饱和压降和开 关特性:N+缓冲 层、P+层浓度、 厚度最佳化、新 寿命控制,饱和 压降、下降时间 微细化工艺 均降低了30%以 上。
有选择的寿命控制,饱 和压降和关断时间 下降到1.5V/0.1ms。
沟槽技术
19
2.5 其他新型电力电子器件
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件
11
2.4.4 绝缘栅双极晶体管
■IGBT的主要参数 ◆前面提到的各参数。 ◆最大集射极间电压UCES ☞由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿 电压所确定的。 ◆最大集电极电流 ☞包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 ◆最大集电极功耗PCM ☞在正常工作温度下允许的最大耗散功率。
12
正向电流密度(A/sp.cm)
1000
IGBT
100 10 1 0.1 0 1 2
300V 600V 1200V 300V 600V 1200V
MOSFET
正向压降(V) 16
3
温度特性
功率MOSFET 导通时温升沟道电阻速增,200度时可达室温时的3倍。考 虑温升必须降电流定额使用。 IGBT 可在近200度下连续运行。导通时,MOS段的N通 道电阻具有正温度系数,Q2的射基结具有负温度系数,总 通态压降受温度影响非常小。
13
IGBT_5SNS 0300U120100
主要参数: • VCES 1200V • IC(DC) 300A • Tc(OP) -40~125oC • VCESAT IC300A ,VGE15V: 1.9V 25oC,2.1V125oC
智能功率集成电路发展概述

微电子技术学科前沿(三)——智能功率集成电路发展技术前沿调研指导老师:罗萍学生:叶庆国学号:2011032030018 SPIC:智能功率集成电路。
随着微电子技术和功率MOS器件的发展,目前又新兴出一个领域:SPIC,Smart Power IC 。
将输出功率集成器件与低压控制的信号处理以及传感、保护、检测、诊断等功能电路集成到同一芯片,是微电子技术和电力电子技术、控制技术、检测技术相结合的产物。
SPIC自问世以来已经有了巨大的进步,汽车电子、平板显示、开关电源,电机驱动,工业控制,电源管理各方面应用广泛。
现就从SPIC(智能功率集成电路)的电路层面的技术实现,新型功率器件,封装技术,应用领域等多方面调研来了解智能集成电路的前沿动态。
1、Spic电路SPIC 将所有的高压器件与低压电路集成在同一芯片上,消除了原来电力电子装置中各模块之间多余的连接[6]。
这样既提高了电路的稳定性,也可以明显降低原来在高频工作时各模块之间引线对电路造成的破坏性影响,甚至可将过温、过流、过压和欠压等保护电路都集成进芯片去增强对功率器件的保护。
因此,不仅显著地提高集成度、降低成本,更可令芯片整体的可靠性获得提升。
SPIC 共分为三个功能模块,分别是功率控制、传感保护和智能接口,如图1-3所示。
其中,功率控制主要包括用作开关的各种功率半导体器件以及它们的驱动电路,在常见的率器件图腾柱式应用中,由于高侧器件的驱动电路与低侧器件的驱动电路分别参考不同的基准电位,驱动电路部分通常还要包含一个高压电平位移电路用以顺利从低侧向高侧传递控制信号。
传感保护模块通过模拟电路采集芯片内各种电压、电流、温度信息并反馈给保护电路,在适当之时对芯片进行有效防护。
另外,电力电子装置除了要与源和负载对接之外,还常常要与外部的计算机对接以实现编码控制。
因此智能接口模块也非常重要,它使得SPIC 外界信息沟通及各种高级指令得以实现。
单片式单片式智能功率集成电路具有成本低、体积小、工作稳定等诸多优点,自20世纪90 年代中期问世以来已得到广泛应用。
功率集成电路PIC

21/22
PIC发展存在的几点困难
由于需要集成不同结构的功率器件,很多情况下 兼容性的考虑会导致不能充分发挥出功率器件的 性能; 由于采用兼容多种器件的技术,会导致工艺复杂 度或占用芯片面积的增加,从而增加产品的成本 ; 工艺复杂度和芯片面积的增加必然导致产品成品 率的降低,从而间接影响PIC的成本。
模拟 版图
工艺和器件定形
版图整合及验证
18/22
基于标准模型库PIC设计
为了缩短研发周期,一般将工艺和电路设计分 开。在稳定的BCD工艺基础上建立一系列各种器 件(包括功率器件)模型库、以及低压数字、控制 电路、高压功率器件等IP核,电路设计人员以此为
基础进行系统的PIC设计。
19/22
基于标准模型库PIC设计流程
12/22
Toshiba公司不同时期开发PIC芯片
13/22
PIC厂商
目前已有一系列PIC产品应用在各个电子领域中, 包括MOS智能功率开关、半桥或全桥驱动器、电源管 理和显示驱动等电路。 一些著名国际公司在功率集成电路领域处于领先地 位,如: ST Microelectronics Texas Instruments International Rectifier National Semiconductor ON Semiconductor Intersil等
PIC开发流程
工艺设计
工艺流程设计 器件结构设计
工艺验证
工艺线预流片 工 艺 调 整
PIC设计
系统需求
工艺仿真文件编写
器件结构描述
工艺参数测试
电路设计
数字 模拟
器件测试验证 工艺仿真 器件仿真
电力电子技术32

20
•ID较大时, ID与UGS的关
系近似线性,曲线的斜率
10
定义为跨导Gfs。
0
2 UT4
68
UGS/V
电力MOSFET的转移特性
电力MOSFET的的漏极伏安特性
• 工作在开关状态,即在 截止区和非饱和区之间 来回转换。
• 漏源极之间有寄生二极 管,漏源极间加反向电 压时器件导通。
• 通态电阻具有正温度系 数,对器件并联时的均 流有利。
• 优点是可缩小装置体积,降低成本,提高可靠性。
• 对工作频率高的电路,可大大减小线路电感,从而 简化对保护和缓冲电路的要求。
• 目前的趋势是将器件与逻辑、控制、保护、传感、 检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上, 称为功率集成电路(Power Integrated Circuit— —PIC)。
• GTR上电压超过规定值时会发生击穿。
• 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关,还与外 电路接法有关。
• BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo。 • 实际使用时,最高工作电压要比BUceo低得多。
(2)集电极最大允许电流IcM
• 通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对
MOSFET内形成沟道,为晶体管提 供基极电流,IGBT导通。
-+
• 通态压降:电导调制效应使电阻RN
+
减小,使通态压降减小。
IR
G
-D on
• 关断:栅射极间施加反压或不加信
号时,MOSFET内的沟道消失,晶
体管的基极电流被切断,IGBT关断
E
。
IGBT的转移特性和输出特性
转间移的特关性系— (开—启I电C与压UGE
CAN、I2S、I2C、SPI、SSP总线简介

一、SPI总线说明串行外围设备接口SPI(serial peripheral interface)总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口,Motorola公司生产的绝大多数MCU(微控制器)都配有SPI硬件接口,如68系列MCU。
SPI 用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。
SPI可以同时发出和接收串行数据。
它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯,这四条线是:串行时钟线(CSK)、主机输入/从机输出数据线(MISO)、主机输出/从机输入数据线(MOSI)、低电平有效从机选择线CS。
这些外围器件可以是简单的TTL移位寄存器,复杂的LCD显示驱动器,A/D、D/A转换子系统或其他的MCU。
当SPI工作时,在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚(MOSI)输出(高位在前),同时从输入引脚(MISO)接收的数据逐位移到移位寄存器(高位在前)。
发送一个字节后,从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。
主SPI的时钟信号(SCK)使传输同步。
其典型系统框图如下图所示。
SPI主要特点有: 可以同时发出和接收串行数据;∙可以当作主机或从机工作;∙提供频率可编程时钟;∙发送结束中断标志;∙写冲突保护;∙总线竞争保护等。
图2示出SPI总线工作的四种方式,其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式(实线表示):SPI 模块为了和外设进行数据交换,根据外设工作要求,其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置,时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。
如果 CPOL=0,串行同步时钟的空闲状态为低电平;如果CPOL=1,串行同步时钟的空闲状态为高电平。
时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。
如果CPHA=0,在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样;如果CPHA=1,在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。
SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。
智能功率集成电路

智能功率集成电路之电子镇流器摘要:本文介绍了智能功率集成电路应用于电子镇流器的相关内容,介绍了电子镇流器电路的基本构成,核心电路的工作原理,旨在对功率集成电路的工作方式形成一定的认识。
关键词:智能功率集成电路电子镇流器半桥逆变电路启辉一、智能功率集成电路概述SPIC将输出功率器件、低压控制信号处理以及传感、保护、检测、诊断等功能电路集成到同一芯片上,是微电子技术和电力电子技术、控制技术、检测技术相结合的产物,目前被广泛应用于汽车电子、开关电源、电机驱动、工业控制和电源管理等方面。
SPIC电路的基本构成如图所示。
SPIC一般包括三个部分:功率控制、检测和保护以及接口电路。
功率控制电路包括功率器件和驱动电路两部分,主要实现终端功率输出处理功能。
出于功耗、控制难度等考虑,功率电路一般使用MOS栅功率器件为主。
为了保证功率器件正常工作并发挥出功率器件的特点,一般还需要增加栅驱动电路或电平位移电路,来控制功率器件的开启和关断。
检测和保护电路主要针对SPIC高压、大电流特点,增加SPIC或外围电路发生异常情况(过压/欠压、过温、过流和短路/断路等)时进行保护的功能,从而较好地保护SPIC不受损坏,提高SPIC的稳定性和使用寿命。
SPIC发生异常情况(如过热、过压等)时,如果在很短时间内不作出反应,SPIC电路(特别是功率器件)就可能损毁,所SPIC的检测和保护功能一般由高速双极型晶体管构成的高性能模拟电路完成。
随着CMOS特征尺寸的大幅度减小,标准CMOS器件的截止频率也达到几十GHZ到上百GHZ的范围,目前很多检测和保护电路也采用CMOS电路来替代双极型晶体管电路,因为这有利于简化工艺步骤、降低生产成本和减小芯片面积等。
出于这种变化趋势,部分BCD工艺也逐渐向CMOS-DMOS工艺转变。
SPIC接口电路一般由高密度逻辑CMOS实现,主要功能是完成与微机的信息交互,对微机的指令进行简单处理然后控制功率器件作出响应,同时将当前的工作状态、负载信息及其他,检测到的信息传送回给微机系统,为下一步更好地控制SPIC电路提供数据。
智能集成电路主要技术指标

智能集成电路主要技术指标智能集成电路(IC)是一种集成了多个电子元件、电路和功能的微小芯片。
它是现代电子设备的核心组成部分,广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统、消费电子和工业控制等领域。
智能集成电路的性能直接影响着设备的功能和性能,因此,掌握智能集成电路的主要技术指标对于电子工程师和电子设备制造商来说至关重要。
智能集成电路的主要技术指标之一是集成度。
集成度指的是在一个芯片上集成的电子元件和电路的数量。
随着技术的不断进步,智能集成电路的集成度也在不断提高。
高集成度的智能集成电路能够实现更多的功能,同时减小了设备的体积和功耗,提高了设备的性能和可靠性。
第二个主要技术指标是工作频率。
智能集成电路的工作频率决定了其处理能力和速度。
通常,工作频率越高,智能集成电路的运算速度也越快。
高工作频率的智能集成电路可以处理更复杂的任务,适用于高性能的应用领域,比如高速计算和数据传输。
第三个主要技术指标是功耗。
功耗是智能集成电路在工作过程中消耗的功率。
低功耗的智能集成电路对于电池供电的移动设备尤为重要,可以延长设备的续航时间。
同时,低功耗的智能集成电路还可以减少设备的散热需求,提高设备的可靠性。
另外一个重要的技术指标是工作温度范围。
智能集成电路的工作温度范围是指它能够正常工作的温度范围。
不同的应用领域对工作温度范围有不同的要求。
例如,工业控制领域对工作温度范围要求较高,因为工业环境的温度波动较大。
智能集成电路需要能够在极端的温度条件下正常运行。
智能集成电路的存储容量也是一个重要的技术指标。
存储容量决定了智能集成电路能够存储和处理的数据量。
随着数据量的不断增加,存储容量的要求也越来越高。
因此,提高存储容量是智能集成电路发展的一个重要方向。
智能集成电路的可靠性也是一个关键的技术指标。
智能集成电路通常被集成到各种各样的设备中,工作环境千差万别。
因此,智能集成电路需要具备较高的抗干扰能力和稳定性,以确保设备的正常运行和长期稳定性。
功率半导体器件发展概述

中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集
相互交叠的 SJ 结构中的电场分布,使传统 VDMOS 中 击穿盾关系,所以,国际 上对横向 SJ(SJ-LDMOS)研究也是一个热点。
图 1 纵向 Super Junction 结构
功率半导体器件的半导体衬底材料是影响功率器件 发展的基础,下面分别以目前应用和研究最广泛的硅基 和 SOI(SOI,Silicon-On-Insulator)基为例对功率器件的发 展作简单的概述。 2.1 硅基功率器件
硅基功率器件是第一代半导体功率器件,在对硅、
锗材料以及与之形成界面的氧化物、硅/金属研究成熟的 基础上,出现了功率晶闸管、功率二极管、功率 MOS、 IGBT 等。功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目 前商业化的功率二极管主要是 PiN 功率二极管和肖特基 势垒功率二极管(SBD)[2]。前者有着耐高压、大电流、 低泄漏电流和低导通损耗的优点,但电导调制效应在漂 移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度,限制了 电力电子系统向高频化方向发展。具有多数载流子特性 的肖特基势垒功率二极管有着极高的开关频率,但其串 联的漂移区电阻有着与器件耐压成 2.5 次方的矛盾关系, 阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用,加之 肖特基势垒功率二极管极差的高温特性、大的泄漏电流 和软击穿特性,使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工 作在 200 伏以下的电压范围内。
SOI 高压器件作为 SOI SPIC 的核心器件,其击穿电 压取决于横向击穿电压和纵向击穿电压的较低者。由于 常规 SOI 结构埋层限制耗尽区向衬底扩展,衬底不能参 与耐压,同时基于隔离和散热的考虑,顶层硅和埋氧层 都不能做得太厚,因而 SOI 器件的纵向耐压成为限制 SOI 技术在功率集成电路领域应用的主要因素。在最近的 20 年中人们提出了一系列的新技术和新结构[9-10],分别从 横向和纵向来提高 SOI 高压器件的击穿电压。我们通过 对 SOI 中介质层中电场和击穿电压的分析,提出了一种 提高器件纵向耐压的新技术-介质场增强技术(EnbilfBuried Insulator Layer Field),这种技术通过在传统 SOI 埋层(I 层)中引入低介电系数的材料或通过使用图形化 的结构突破了传统 SOI 结构中受界面电荷为零时的 3 倍 电场关系,通过 Enbilf 技术,使 I 层中的电场大大提高, 纵向击穿电压达到设计的要求。 3 SJ(Super Junction)型功率半导体器件发展展望
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
漏极电压:-0.3V到700V;
漏极电流增加速度(ΔID/每100ns): 0.1×ILIMIT(MAX)
控制脚电压:-0.3V到9V 控制脚电流:100mA 储存温度:-65到125℃ 工作结温度:-40到150℃
2019/3/3
15/84
TOP223性能模块电路
开关电源SPIC的BCD工艺流程
开关电源SPIC的版图设计
2019/3/3
10/84
开关电源原理
311V t 2t 3t 4t
TOP223
311V
t
2t
3t
4t
2019/3/3
11/84
开关电源TOP223
TOP223芯片是一个自我偏置、自我保护的用线性电流控制占空 比转换的开关电源。主要包括:
2019/3/3
8/84
关键工艺参数的设计
在改造工艺上调整有限的工艺参数使得功率器件性能最 佳是SPIC工艺必须要考虑的问题。
要确定这些最佳工艺参数,可以采用理论推导和TCAD 仿真相结合的方式。
2019/3/3
9/84
PWM开关电源SPIC设计实例
开关电源原理及开关电源SPIC
2019/3/3
IE9= IE5=2Vtln(IS6/IS7)/R5 ;
18/84
VOUT=VE9=VBE10+2R6Vtln(IS6/IS7)/R5
反馈电流小于2mA,电路以最大占空比67%工作;
误差放大器
反馈电流输入
反馈电流在2~6mA,电路工作占空比67%~1%工作; 反馈电流大于6mA,电路以最小占空比1%工作;
目标
尽可能少的工艺步骤,
功率控制 检测 / 保护 接口电路
实现最佳功率器件性能
2019/3/3
4/84
工艺流程选择
SPIC一般实现方案:
在已有的CMOS或者BiCMOS工艺上进行改造,增加若干个 工艺步骤而实现。
工艺改造的好处:
一方面可以减小工艺成本和实现难度,另一方面也提高工艺 的稳定性。
主电路部分
偏置电路、分流调整器/误差放大器电路、锯齿波发生器电路、
PWM比较器电路、最小导通时间延迟、驱动电路、组合逻辑电路
辅助保护电路部分
温度保护电路、过流保护电路、欠压保护电路、8分频复位延时
电路、高压充电电路
2019/3/3
12/84
TOP223芯片管脚
DRAIN:输出管MOSFET的漏极。在启动时,通过一个内部 开关控制的高压电流源提供内部偏置电流。
Q25
2019/3/3
25/84
最小导通时间延迟模块
• 增加这个电路其实就是加 了一个反馈,利用环路延迟, 使得当误差信号逐步增大到 大于锯齿波信号时,保持一 个最小的占空比。
2019/3/3
26/84
组合逻辑电路
最大占空比不超过67%
最小导通时间(占空比 1%) 综合处理各种保护信号
2019/3/3
2019/3/3
5/84
SPIC基本工艺流程
SPIC工艺主要可分为外延层结构工艺和无外延层结构工艺。
这两种工艺技术各有特点,根据电路、器件、特性等方面不
同的要求,其最恰当的兼容工艺方式也大不相同。相比而言, 目前无外延层结构工艺较为普遍。
2019/3/3
6/84
功率器件关键参数确定
LDMOS、VDMOS和IGBT等功率器件是SPIC 的核心,一 般功率器件约占整个芯片面积的1/2~2/3。
第七章 智能功率集成电路的设计
2019/3/3
1
主要内容
SPIC设计考虑
PWM开关电源SPIC设计实例
荧光灯驱动SPIC设计实例
2019/3/3
2/84
SPIC设计考虑
工艺流程选择
功率器件关键参数确定
关键工艺参数设计
2019/3/3
3/84
智能功率集成电路SPIC
一般包括:
偏置电路
M3 电路控制 电压 R1 C1 偏置电压1
由之前正常工作的100kHz减小为3kHz,减小功耗。
M6 M5
M7 偏置电压2
M8
M4
Q5
Q9 基准电压
M1
M2
Q1
Q2 R2
R3 Q6
C2 R4 R6 Q10
Q3
Q4
欠压保 欠压保 护输出 护输入
1:8
Q8 R5
Q7
IR5=(VBE6-VBE7)/R5=Vtln(IS6/IS7)/R5 ;
设计性能良好的功率器件是整个智能功率集成电路设计的 关键,其中耐压和导通电阻是SPIC的重要指标。
2019/3/3
7/84
功率器件的主要技术参数
击穿电压:源漏击穿电压BVDS、栅源击穿电压BVGS; 静态特性参数:阈值电压、IV特性、栅特性和特征 导通电阻等;
动态特性参数:栅电容、导通时间、关断时间和开关 频率等; 器件安全工作区(SOA)。
误差放大器输出
2019/3/3
PMOS宽长比很大, 实现旁路分流的作用
19/84
误差放大器仿真结果
2019/3/3
20/84
锯齿波发生器电路
Q6、Q7的栅电压互反,控制C1的充放电
偏置
方波脉冲
2V
0.7V
偏置
锯齿波输出
2019/3/3 21/84
锯齿波电路仿真图
频率为100KHz
2019/3/3 22/84
最大功率:50W(单一值电压输入)
30W(宽范围电压输入)
*TO-220(Y)封装
导通电阻:7.8Ω (ID=100mA,Tj=25℃) 保护电流:1.00A(Tj=25℃) 最大占空比:67%
2019/3/3
16/84
开关电源SPIC—TOP223
2019/3/3
17/84
当发生欠压时,偏置电压1调节锯齿波发生器输出频率
CONTROL:作为占空比控制时,是误差放大器和反馈电流的
输入端。也用做内部电路和自动重启动/补偿电容的连接点。
SOURCE:Y型封装时,是输出MOSFET的源极,作为高压电 源的回路。原边控制电流的公共参考点。
2019/3/3
13/84
TOP223封装
2019/3/3
14/84
TOP223性能参数
27/84
保护电路
在TOP223中,保护电路是非常完备的,它包括温度 保护电路、过流保护电路、欠压保护电路等。有关保 护电路可以参考第五章节。
PWM比较器
2019/3/3
23/84
PWM比较器仿真图
2019/3/3
24/84
驱动电路
Vc 偏置电压 偏置电压 Q11 D rain Q1 栅控电压 Q4 Q7 Q13 C1 Q2 Q3 Q9 Q10 Q15 Q18 Q14 Q17 R1 Q20 Q22 Q24
0
Q5
Q6
Q8 Q12 Q16 Q19 Q21 Q23