CN103762231A - 一种低功耗igbt器件及其外围电路 - Google Patents

一种低功耗igbt器件及其外围电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子技术，具体的说是涉及一种通过工作点自调节实现低功耗的IGBT及其外围自检测与反馈电路。本发明的原理是：利用IGBT工作时电子电流与空穴电流的比值与Vce和Eoff具有对应关系，通过采样检测IGBT工作时的电子电流与空穴电流的比值，从而反馈控制IGBT的栅压，调节器件的工作点，使器件在实际应用时具有最佳的关断损耗与正向导通压降的折中关系。本发明的有益效果为，通过采样电子电流与空穴电流比值，来反馈调节栅信号，使IGBT的工作点设置在最低能耗点，实现关断损耗和正向导通压降的最佳折中，从而提高了IGBT的综合性能。本发明尤其适用于IGBT器件。

Description

一种低功耗IGBT器件及其外围电路
技术领域
本发明涉及电子技术，具体的说是涉及一种通过工作点自调节实现低功耗的IGBT及其外围自检测与反馈电路。
背景技术
IGBT（Insulate Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极型功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点，所以被广泛应用于电磁炉、UPS不间断电源、汽车电子点火器、三相电动机变频器、电焊机开关电源等产品中作为功率开关管或功率输出管，市场前景非常广阔。
功耗是IGBT的重要性能指标，由两部分构成，一是静态功耗，也即导通能量损耗，由器件的导通压降决定。二是动态功耗，也即关断能量损耗，由漂移区存储的非平衡少子浓度及少子寿命等决定。要使开关应用中的IGBT总功耗较低，就要求动态和静态能量损耗都足够小，而在IGBT实际工作中其关断损耗（Eoff）和正向导通压降（VCE）间存在矛盾关系，一般当IGBT的工作点设定在正向导通压降（VCE）低的状态，那么其漂移区中的电导调制效应就很强烈，也即过剩载流子就越多，当该IGBT关断时，抽取这些过剩载流子的时间就越长，拖尾电流就越大，故而关断损耗就越大；反之若希望IGBT关断损耗小，即漂移区中过剩载流子少，那么IGBT的工作点需要设置在正向导通压降较高的点。故要使IGBT器件的总功耗较小，需要将其工作点设置在适当的范围，使其具有最优的Eoff、VCE折中关系，即在Eoff、VCE折中关系曲线上工作在靠近原点的区域内，才能保证既有较低的Eoff又有较低的VCE。
在IGBT的应用回路中，VCE可以通过电压采样读取，但Eoff却几乎无法有效地获得。因此，要实时的获取IGBT的功耗信息并相应地对其工作点进行调节，难度非常大以降低等位环处电流集中效应为目的，提出了一种功率半导体器件的终端结构及其制作方法。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述传统IGBT器件存在的问题，提出一种低功耗IGBT器件及其外围电路。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：如图1所示，一种低功耗IGBT器件及其外围电路，包括IGBT器件和外围电路，其特征在于，所述IGBT器件的元胞结构包括主元胞结构和采样元胞结构，所述主元胞结构和采样元胞结构设置在N-漂移区3上，所述漂移区3底部设置有P集电区2，所述P集电区2底部设置有阳极金属电极1；所述主元胞区包括相互独立的设置在N-漂移区3中的第一P型体区4和第二P型体区5，所述第一P型体区4中设置有第一N+发射区6、第二N+发射区8和第一P+短路区7，所述第一N+发射区6和第二N+发射区8分别连接在第一P+短路区7的两侧，所述第二P型体区5中设置有相连接的第三N+发射区9和第二P+短路区10，所述第一P+短路区7上端面设置有第一阴极金属电极15，所述第二P+短路区10上端面设置有第二阴极金属电极16，所述第二N+发射区8上端面设置有第一二氧化硅层11，所述第一二氧化硅层11上端面设置有第一多晶硅栅电极12，所述第一N+发射区6和第三N+发射区9的上端面设置有第二二氧化硅层13，所述第二二氧化硅层13上端面设置有第二多晶硅栅电极14，所述第一阴极金属电极15、第二阴极金属电极16、第一二氧化硅层11、第二二氧化硅层13之间通过绝缘介质层17相互隔离；所述采样元胞结构包括相互独立的设置在N-漂移区3中的第三P型体区18和第四P型体区19，所述第三P型体区18中设置有相连接的第四N+发射区20和第三P+短路区21，所述第四P型体区19中设置有相连接的第五N+发射区22和第四P+短路区23，所述第四N+发射区20上端面设置有第一电子电流采样电极24，所述第三P+短路区21上端面设置有第一空穴电流采样电极25，所述第五N+发射区22上端面设置有第二电子电流采样电极27，所述第四P+短路区23上端面设置有第二空穴电流采样电极26，所述第四N+发射区20和第五N+发射区22之间的上端面设置有第三二氧化硅层28，所述第三二氧化硅层28上端面设置有第三多晶硅栅电极29，所述第一电子电流采样电极24、第一空穴电流采样电极25、第二空穴电流采样电极26、第二电子电流采样电极27和第三多晶硅栅电极29之间通过绝缘介质层17相互隔离；所述外围电路包括计算模块和栅极电压调节模块，所述计算模块的输入端连接IGBT器件的第一电子电流采样电极24、第二电子电流采样电极27、第一空穴电流采样电极25和第二空穴电流采样电极26，计算模块的输出端连接栅极电压调节模块的一个输入端，栅极电压调节模块的另一个输入端连接外部电流信号、输出端连接IGBT器件的栅极；其中，
计算模块接收IGBT器件输出的电子电流和空穴电流信号，计算两种电流的比值，将电子电流与空穴电流的比值输出到栅极电压调节模块；
栅极电压调节模块接收电子电流与空穴电流的比值，同时接收预先设定的IGBT器件工作在最佳状态下的电子空穴比相关的电流信号，根据理想值和实际比值的关系实时调整输出到栅极的驱动电压，使IGBT器件工作在低功耗状态。
本发明总的技术方案，利用IGBT工作时电子电流与空穴电流的比值与Vce和Eoff具有对应关系，通过采样检测IGBT工作时的电子电流与空穴电流的比值，从而反馈控制IGBT的栅压，调节器件的工作点，使器件在实际应用时具有最佳的关断损耗与正向导通压降的折中关系。
具体的，所述栅极电压调节模块包括差分放大器、模数转换器、单片机和数模转换器，其中差分放大器输入端连接外部输入信号、输出端连接模数转换器，模数转换器的输出端连接单片机，单片机输出端连接数模转换器，数模转换器输出驱动电压信号。
本发明的有益效果为，通过采样电子电流与空穴电流比值，来反馈调节栅信号，使IGBT的工作点设置在最低能耗点，实现关断损耗和正向导通压降的最佳折中，从而提高了IGBT的综合性能。
附图说明
图1是本发明的IGBT结构示意图；
图2是本发明的IGBT器件的外围电路的逻辑示意框图；
图3是IGBT的I-V输出曲线随栅极电压变化曲线图；
图4是图3的局部放大图；
图5是IGBT工作在不同的工作点后关断过程中电流与时间的关系曲线示意图；
图6是IGBT的关断损耗与正向导通压降的折中关系曲线示意图；
图7是采样元胞中电子电流采样电极和空穴电流采样电极分别收集电子和空穴的示意图；
图8是计算模块的具体结构示意图；
图9是栅极电压调节模块的结构图；
图10是图9中差分放大器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明一种低功耗IGBT器件，如图所示，IGBT器件的元胞结构包括主元胞结构和采样元胞结构，所述主元胞结构和采样元胞结构设置在N-漂移区3上，所述漂移区3底部设置有P集电区2，所述P集电区2底部设置有阳极金属电极1；所述主元胞区包括相互独立的设置在N-漂移区3中的第一P型体区4和第二P型体区5，所述第一P型体区4中设置有第一N+发射区6、第二N+发射区8和第一P+短路区7，所述第一N+发射区6和第二N+发射区8分别连接在第一P+短路区7的两侧，所述第二P型体区5中设置有相连接的第三N+发射区9和第二P+短路区10，所述第一P+短路区7上端面设置有第一阴极金属电极15，所述第二P+短路区10上端面设置有第二阴极金属电极16，所述第二N+发射区8上端面设置有第一二氧化硅层11，所述第一二氧化硅层11上端面设置有第一多晶硅栅电极12，所述第一N+发射区6和第三N+发射区9的上端面设置有第二二氧化硅层13，所述第二二氧化硅层13上端面设置有第二多晶硅栅电极14，所述第一阴极金属电极15、第二阴极金属电极16、第一二氧化硅层11、第二二氧化硅层13之间通过绝缘介质层17相互隔离；所述采样元胞结构包括相互独立的设置在N-漂移区3中的第三P型体区18和第四P型体区19，所述第三P型体区18中设置有相连接的第四N+发射区20和第三P+短路区21，所述第四P型体区19中设置有相连接的第五N+发射区22和第四P+短路区23，所述第四N+发射区20上端面设置有第一电子电流采样电极24，所述第三P+短路区21上端面设置有第一空穴电流采样电极25，所述第五N+发射区22上端面设置有第二电子电流采样电极27，所述第四P+短路区23上端面设置有第二空穴电流采样电极26，所述第四N+发射区20和第五N+发射区22之间的上端面设置有第三二氧化硅层28，所述第三二氧化硅层28上端面设置有第三多晶硅栅电极29，所述第一电子电流采样电极24、第一空穴电流采样电极25、第二空穴电流采样电极26、第二电子电流采样电极27和第三多晶硅栅电极29之间通过绝缘介质层17相互隔离。
本发明的工作原理为：
以一个阈值电压为5V，反向耐压为1200V的IGBT为例，其I-V特性输出曲线随栅电压的变化如图3所示，IGBT作为开关应用时工作点通常设置在虚线框内。图4为图3中的虚线方框内的I-V特性图的局部放大，当IGBT接上负载后其工作点A-F将沿负载线移动。从A点到F点，随着栅压的逐渐升高，电导调制效应加强，因而器件的VCE降低，静态功耗降低；但另一方面，如图5所示，从A点到F点，由于电导调制效应的加强，器件的关断时间和关断电流增加，动态功耗增强。将工作点A到F所对应的Eoff和VCE画在图6的坐标系中，可以看到Eoff和VCE存在制约关系，在O点附近Eoff与VCE具有最佳折中关系，是器件的最佳工作点。进一步仿真该IGBT在不同工作点A-F时其电子电流与空穴电流的比值，发现该比值会随着工作点的变化而单调变化，如表1所示。
表1IGBT在不同工作点A-F时其电子电流与空穴电流的比值
Figure BDA0000465456220000041
Figure BDA0000465456220000051
由于两种电流的比值与工作状态A-F是一一对应的关系，同样工作状态A-F与栅极电压Vg也是一一对应关系，故电子电流与空穴电流比值与Vg也成对应关系。因此我们可以通过采样两种电流的比值来反馈控制栅极电压，使其工作点随之调整，处于最佳工作点O点附近。当电子电流与空穴电流的比值过高时，说明电子电流过大，从而反馈电路反馈信息给栅驱动，使得栅压上的电压减小，MOS管的沟道变窄，电子电流减小，这样电子电流与空穴电流的比值就会下降。相反，当电子电流与空穴电流的比值低于这一特定值时，说明电子电流过小，反馈电流发送信号给栅极电压，使得栅压增大，MOS管沟道变宽，电子电流增大，电子电流与空穴电流的比值提高。这样，通过时刻采样，检测两种电流的比值，就能使得IGBT工作在最低的能耗状态。
基于以上原理，本发明提出的一种能通过工作点自调节实现低功耗的IGBT及其外围电路，是在传统IGBT的基础上把IGBT分为主元胞部分和采样元胞部分，采样元胞具有与主元胞相同的元胞结构，共用相同的阳极和栅电极，因此流过采样元胞的电流与主元胞的电流成比例，比例系数由元胞数之比决定：
K = I S I M = N S N M - - - ( 1 )
其中，K为流过采样元胞的电流与主元胞的电流的比例，IS为流过采样元胞的电流，IM为流过主元胞的电流，NS为采样元胞数，NM为主元胞数。
因此采样元胞的电流将精确地反映IGBT的总电流。与常规采样方式所不同的是，本发明提出的IGBT对电子电流与空穴电流的分离采样，而不是采样总电流。如图7所示，IGBT在正向导通状态下，电子和空穴具有不同的流经路径，N+发射区发射电子，经沟道进入N-漂移区，P+发射区收集从阳极流过来的空穴。因此通过将N+发射区和P+发射区隔离，再分别引入电子采样电极和空穴采样电极与N+发射区、P+发射区连接，可以实现对电子电流和空穴电流的分别采样。
电子电流采样电极和空穴电流采样电极分别获得了电子电流和空穴电流之后，将其输入本发明提出的外围电路。外围电路包括电子/空穴比计算模块和栅极电压调节模块。电子/空穴比计算模块的作用是计算由IGBT采样电极输入的两种电流比值，以电子电流和空穴电流为输入信号，输出信号为与电子电流与空穴电流比值相关的电流或电压信号。栅极电压调节模块的功能是产生适当的输出来调整IGBT的栅电压，使其工作在低功耗状态。栅极电压调节模块以电子/空穴比计算模块的输出信号和预先设定的IGBT工作在最佳状态下的电子空穴比相关的电流信号为输入，以调整后的栅极驱动电压VG为输出。
当IGBT的工作点偏离低功耗工作区时，电子电流和空穴电流的比值将偏离最优值，栅极电压调节模块将根据来自电子/空穴比计算模块的输入信号对栅极驱动电压VG进行调节，使IGBT的工作点回到关断损耗与正向导通压降的最佳折中点。具体来说，当电子空穴比大于IGBT工作在最佳折中关系时的电子/空穴比时，则栅极电压调节模块将减小当前栅压VG，使IGBT的沟道变窄，电子电流减小，从而使电子电流与空穴电流的比值减小；另一方面，当电子/空穴比小于IGBT工作在最佳折中关系时的电子/空穴比，则栅极电压调节模块将增大当前栅压VG，使IGBT的沟道变宽，电子电流增加，从而使电子电流与空穴电流的比值增大，最终电子电流与空穴电流的比值将稳定在所设定的使IGBT工作在最佳折中关系下的比值，以达到调节IGBT工作在关断损耗和正向导通压降具有最佳折中关系的状态下的目的。
外围电路如图2所示，包括电子/空穴比计算模块和栅极电压控制模块。电子/空穴比计算模块实现的功能是：输出一个与电子电流和空穴电流的比值相关的电流信号。图8给出了该模块的一种典型的除法器电路架构。此除法器以电流为输入信号，通过二极管将电流信号转化为电压信号，转化关系为：
V=VTlnIin/IS   (2)
其中，VT=KT/q，Is为反向饱和电流。则A点和B点的电压分别为电子电流和空穴电流转化后的值：
VA=VTln/电子/IS   (3)
VB=VTlnIout/IS+VTln/空穴/IS   (4)
根据运放的“虚短虚断”可知：
VA=VB   (5)
将式(3)和式(4)带入式(5)得：
Figure BDA0000465456220000071
由式(6)可知，除法器输出的电流信号为与电子电流与空穴电流的比值相关的信号。
栅极电压调节模块将产生适当的输出来调整IGBT的栅电压，图9给出了该模块的一种典型的电路架构。其工作原理为：以"电子/空穴比计算模块"输出的电流信号为输入信号，从（6）式可知，由于IS较小，此输入信号较小，直接用电阻将电流转化为电压会带来严重的温漂问题，为了将电流信号转化电压信号，同时抑制温漂问题，采用了差分放大器（此差分放大器可采用TI公司的高输入阻抗精密差分放大器INA114，图10为其原理图，其中参考电流Iref可由另一INA114和OPA602得到）。差分放大器的输出电压信号通过A/D转化器采样量化后送入单片机，与同样通过差分放大器、A/D转换后的设定参数之间做差，产生电压偏差信号，再对偏差信号进行PID（Proportional-Integral-Differential，比例、积分、微分）运算，运算结果经D/A转化后，成为IGBT的驱动电压。当电子空穴比不是使IGBT工作在最佳状态的比例时，输入单片机中的信号与设定的参数信号间会存在偏差，通过PID调节，使偏差减小，最后使偏差为零。具体来说，当电子空穴比大于IGBT工作在最佳折中关系时的电子/空穴比时，则栅极电压调节模块将减小当前栅压VG，使IGBT的沟道变窄，电子电流减小，从而使电子电流与空穴电流的比值减小；另一方面，当电子/空穴比小于IGBT工作在最佳折中关系时的电子/空穴比，则栅极电压调节模块将增大当前栅压VG，使IGBT的沟道变宽，电子电流增加，从而使电子电流与空穴电流的比值增大，使IGBT的驱动电压为使其工作在最佳状态下的电子空穴比相对应的电压。达到调节IGBT工作在关断损耗和正向导通压降具有最佳折中关系的状态下的目的。

Claims (2)

1.一种低功耗IGBT器件及其外围电路，包括IGBT器件和外围电路，其特征在于，所述IGBT器件的元胞结构包括主元胞结构和采样元胞结构，所述主元胞结构和采样元胞结构设置在N-漂移区（3）上，所述漂移区（3）底部设置有P集电区（2），所述P集电区（2）底部设置有阳极金属电极（1）；所述主元胞区包括相互独立的设置在N-漂移区（3）中的第一P型体区（4）和第二P型体区（5），所述第一P型体区（4）中设置有第一N+发射区（6）、第二N+发射区（8）和第一P+短路区（7），所述第一N+发射区（6）和第二N+发射区（8）分别连接在第一P+短路区（7）的两侧，所述第二P型体区（5）中设置有相连接的第三N+发射区（9）和第二P+短路区（10），所述第一P+短路区（7）上端面设置有第一阴极金属电极（15），所述第二P+短路区（10）上端面设置有第二阴极金属电极（16），所述第二N+发射区（8）上端面设置有第一二氧化硅层（11），所述第一二氧化硅层（11）上端面设置有第一多晶硅栅电极（12），所述第一N+发射区（6）和第三N+发射区（9）的上端面设置有第二二氧化硅层（13），所述第二二氧化硅层（13）上端面设置有第二多晶硅栅电极（14），所述第一阴极金属电极（15）、第二阴极金属电极（16）、第一二氧化硅层（11）、第二二氧化硅层（13）之间通过绝缘介质层（17）相互隔离；所述采样元胞结构包括相互独立的设置在N-漂移区（3）中的第三P型体区（18）和第四P型体区（19），所述第三P型体区（18）中设置有相连接的第四N+发射区（20）和第三P+短路区（21），所述第四P型体区（19）中设置有相连接的第五N+发射区（22）和第四P+短路区（23），所述第四N+发射区（20）上端面设置有第一电子电流采样电极（24），所述第三P+短路区（21）上端面设置有第一空穴电流采样电极（25），所述第五N+发射区（22）上端面设置有第二电子电流采样电极（27），所述第四P+短路区（23）上端面设置有第二空穴电流采样电极（26），所述第四N+发射区（20）和第五N+发射区（22）之间的上端面设置有第三二氧化硅层（28），所述第三二氧化硅层（28）上端面设置有第三多晶硅栅电极（29），所述第一电子电流采样电极（24）、第一空穴电流采样电极（25）、第二空穴电流采样电极（26）、第二电子电流采样电极（27）和第三多晶硅栅电极（29）之间通过绝缘介质层（17）相互隔离；所述外围电路包括计算模块和栅极电压调节模块，所述计算模块的输入端连接IGBT器件的第一电子电流采样电极（24）、第二电子电流采样电极（27）、第一空穴电流采样电极（25）和第二空穴电流采样电极（26），计算模块的输出端连接栅极电压调节模块的一个输入端，栅极电压调节模块的另一个输入端连接外部电流信号、输出端连接IGBT器件的栅极；其中，
计算模块接收IGBT器件输出的电子电流和空穴电流信号，计算两种电流的比值，将电子电流与空穴电流的比值输出到栅极电压调节模块；
栅极电压调节模块接收电子电流与空穴电流的比值，同时接收预先设定的IGBT器件工作在最佳状态下的电子空穴比相关的电流信号，根据理想值和实际比值的关系实时调整输出到栅极的驱动电压，使IGBT器件工作在低功耗状态。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗IGBT器件的外围电路，其特征在于，所述栅极电压调节模块包括差分放大器、模数转换器、单片机和数模转换器，其中差分放大器输入端连接外部输入信号、输出端连接模数转换器，模数转换器的输出端连接单片机，单片机输出端连接数模转换器，数模转换器输出驱动电压信号。
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