高压浮置栅驱动电路设计及关键技术研究

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功率集成电路作为功率集成领域关键的组成部分,一直保持着快速的发展。高压浮置栅驱动电路是一种典型功率集成电路,具有体积小、可靠性高、效率高等优点,获得广泛应用。这类芯片的显著特征是高低压集成,不仅要解决控制信号在高低压电路之间传递时所面临的共模和差模干扰问题,确保其可靠传输;也要解决多个信号通道间在宽温度范围内的延时不匹配问题,以降低温度变化对系统工作频率的影响;还要解决高低压集成工艺结构在高压下所面临的电场过于集中等复杂问题,保证芯片有足够的隔离耐压能力。  针对600V高压应用系统的要求,本论文对自举式高压浮置栅驱动芯片的电路结构和工艺隔离结构进行了重点研究,提出了新的电平移位电路和低温漂延时匹配电路,研制了满足应用要求的高压器件,设计了新型高低压隔离结构,完成了BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)制备工艺的设计,最后实现了一款600V浮置栅驱动芯片,并进行了应用系统验证。论文主要创新研究工作如下:  (1)提出了一种具有抑制高dV/dt噪声能力的电平移位电路,相比于使用传统电平移位电路的芯片,抗dV/dt噪声能力达到了68V/ns。  (2)设计了一种新型低温漂传输延时电路,使得传输延时的最大温度变化率小于0.10ns/K,且高低侧延时匹配的温度系数也明显降低。  (3)基于改进的高压BCD工艺,提出了一种带n-“岛状”结构的新型隔离结构,该结构中的n-“岛状”结构能够有效地防止P阱与高盆耗尽,从而降低高盆和P阱界面的峰值电场。相对于传统的隔离结构,当漂移区长度相同时,该隔离结构的击穿电压提高了7%。  (4)设计了适用于高低压混合集成电路的两种SCR(Silicon Controlled Rectifier)ESD(Electro-Static discharge)保护的新结构,并以此建立了浮置栅驱动芯片的全芯片ESD保护网络,该网络保证了芯片引脚的抗ESD能力通过HBM(Human Boady Mode)5000V的测试。  基于高压器件及隔离结构的研究成果,改进并完善了一套集成高压LDMOS(LateralDouble-diffused Metal Oxide Semiconductor)器件、25V LDMOS器件、5V CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)器件及双极型晶体管的高压BCD工艺;基于核心模块电路的研究,设计了一款高压浮置栅驱动芯片。该芯片所有静态和动态参数(如拉灌电流为2.5A,最高工作电平为600V,开通延时与关断延时分别约为150ns和120ns,高低通道延时匹配小于10ns,抗dV/dt噪声能力高于国外同类产品标示的50 V/ns的水平等)均满足设计要求。所研制的芯片能在一款半桥电源系统中稳定工作,且该电源系统通过了完整的应用考核试验。
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