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絕緣體上硅(SOI)驅(qū)動(dòng)芯片技術(shù)優(yōu)勢(shì)及產(chǎn)品系列

發(fā)布時(shí)間:2022-06-23 來源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

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


高壓柵極驅(qū)動(dòng)IC的技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展,走向了絕緣體上硅(silicon-on-insulator,簡(jiǎn)稱SOI),SOI指在硅的絕緣襯底上再形成一層薄的單晶硅,相對(duì)于傳統(tǒng)的導(dǎo)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(jī)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(jìn)行電路的刻蝕,形成驅(qū)動(dòng)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(dú)特設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)IC,從設(shè)計(jì)上帶來了諸多優(yōu)勢(shì)。其中,最大的優(yōu)勢(shì)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(yīng),提高了驅(qū)動(dòng)芯片耐受負(fù)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(dòng)IC的設(shè)計(jì)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(jì)中,對(duì)于高邊電路,襯底連接COM電位,MOS的源極SOURCE連接VS電位,因?yàn)橐r底與VS之間存在一個(gè)寄生二極管,從而在某些工況下,當(dāng)COM的電位高于VS的電位時(shí),寄生二極管會(huì)導(dǎo)通,產(chǎn)生無法控制的電流,從而對(duì)電路的可靠性產(chǎn)生影響。在絕緣體上硅SOI的驅(qū)動(dòng)IC中,因?yàn)槎趸杞^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(dòng)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(duì)設(shè)計(jì)的影響


驅(qū)動(dòng)芯片的耐受負(fù)壓(VS的電壓低于COM)的能力,對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用,或者橋式電路帶感性負(fù)載的應(yīng)用情況,都非常重要。如圖4所示,當(dāng)上管Q2關(guān)閉的時(shí)候,負(fù)載電流切換到下管D1,此時(shí)電流從負(fù)母線流向負(fù)載。考慮動(dòng)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(huì)產(chǎn)生由Ls1和Ld1的感生電壓,以及Q1的二極管的導(dǎo)通電壓,總的電壓等于這三個(gè)電壓的疊加,方向上電壓在COM為正,VS為負(fù)。因?yàn)檫@類應(yīng)用中,負(fù)壓現(xiàn)象不可避免,所以驅(qū)動(dòng)IC耐受這個(gè)負(fù)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(dòng)IC,抗負(fù)壓的能力可以達(dá)到-100V/300ns或者-60V/1000ns,這種抗負(fù)壓的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于JI設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)IC。


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


另外,SOI的結(jié)構(gòu)中,因?yàn)榧纳鶳N結(jié)的消失,器件的寄生效應(yīng)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(jì)的驅(qū)動(dòng)IC,工作頻率能夠更高,整體損耗更小。圖5對(duì)比了300kHz的開關(guān)頻率下,2ED2106(SOI設(shè)計(jì))與IR2106(Bulk CMOS設(shè)計(jì))的溫升對(duì)比,可以看到,2ED2106的最高溫度只有66°C,而IR2106的溫度高達(dá)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(dòng)IC的溫升比較


再次,SOI因?yàn)榇嬖诹己玫慕橘|(zhì)隔離,更方便進(jìn)行集成。英飛凌的SOI的驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的一次技術(shù)飛躍,具有負(fù)壓耐受能力強(qiáng)、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(dòng)IC,電壓覆蓋200V至1200V,結(jié)構(gòu)有高低邊驅(qū)動(dòng)、半橋及三相橋。可以點(diǎn)擊文末“閱讀原文”,查詢相關(guān)的型號(hào)。


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