智能功率开关及其在软开关中的应用.pdf

2005年11月 第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议 珠海 智能功率开关及其在软开关中的应用 李思扬王志强 (华南理工大学，广东广州510640) 摘要：本文介绍了一种由高压双极型晶体管和低压功率MOSFET管结合而成的单片共射 共基极结构智能功率开关。从结构和电气特性两方面描述了其基本特性。特别研究了它作 为lOOkHz的零压准谐振boost变换器主开关的器件特性，凸显了它在高压高频应用中的 良好性能。实验测试证实了这种开关的优缺点。最后给出了开关损耗对应开关频率的关系 曲线。实验结果证明了器件用于软开关场合的优势。 1．引言 今天，在中低功率变换器应用领域，开关器件主要有三种选择：功率MOSFET，IGBT， BJT。功率器件的设计者要在这些器件的正向压降，击穿电压和开关速度几方面取得最优 折中。功率MOSFET要求的驱动功率较低，具有很高的开关速度。但工作在高击穿电压条 件下时通态电阻很大，在大电流场合的应用受到限制。而BJT则刚好相反。因而，许多人 尝试融合这两种器件的最佳特性来改善开关特性，降低导通压降。应此目标而产生的最成 功的器件就是IGBT，尤其是在中等功率和频率的应用场合。 然而，新的器件结构和连接方法的不断涌现对功率器件和变换器的设计是一个很大的 挑战[1]。本文将一个新型单片共射共基极器件应用于dc-dc准谐振boost变换器中。这 个智能功率集成电路[2]E32将高压器件和控制电路集成在同一个芯片上。共射共基极 器件具有双极型结构，因而正向压降很低并且MOSFET部分允许开发射极关断，从而加快 了器件的开关速度。它的擎住电压达到1．5kV，相应的电流容量达到IOA，最低正向压降 小于或等于2V，这使得这种开关广泛应用在谐振电源，TV偏转电路或照明电路等工业场 合。 在零电压开关电源(SMPS)应用中，由于集电极电压准正弦谐振，功率器件承受的电 压大于硬开关情况下所承受的电压。共射共基极开关的独特特性引起了众多应用场合的关 注[4][5]。将器件用在实际zV应用场合并进行测试[6][7]，目的就是更加深入地了 解它的性能和优缺点。 2．器件描述及主要特性 该器件包含一个npn晶体管，它具有垂直流向的电流，硅衬底上有一个低压节与IC 绝缘。信号处理部分由内部扩散的P型隐埋层实现。这个P型隐埋层处于传统IC反向P 衬底的位置。该层必须与电源最负端相连。衬底厚度和电阻率的优化设计以及适当的边缘 BJT和一个垂直的功率MOSFET构 可使它的阻断电压达到1．5kV。功率部分由一个深层npn 成。其横截面和等效电路如图1所示。 这个共射共基极器件的特点是开关速度非常快。参考图2，在关断期间，初始值等于 集电极电流的很大的反向电流流过基极，消除了基极电荷。由于发射极开路关断，双极性 晶体管的存储时间和下降时间显著缩短。首先，功率MOSFET开关管的门极电压％和源极 2005年11月 第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议 珠海 电流很快下降到零。源极电流开始关断时，电流，r转向基极一集电极结，且主要流经集 成反并联齐纳二极管。电压％在导通期间被固定在由集成齐纳二极管决定的恒定值。基 极电流被完全抽走时，拖尾电压立刻上升到它的峰值。 削1．单片足射』《基扳器件：／t!边足』}订单级 烈极性MOS，∈射共丛檄丌火的横撼㈨：√i边 劁2．带fr辅助卉纳?极镑的测 足等效电路．控制部分被忽略。 试I【l蹄及JC父断l卜f的】：篮波形 如前所述关断使得电流流过基极，所以要提供一个合适的反向通路来加速器件的关断 过程，确保器件的快速工作特性。可在同一个芯片上集成一个齐纳二极管与BJT的基极相 连，提供放电通路。 导通时，由于门极的正向偏置电压大于MOSFET的阀值电压，竖直的npn双极性晶体 管的发射极通过n沟道MOSFET的反向区域连接到地。同时，基极驱动电路流过BJT饱和 电流。与双极性晶体管的情况相似，甩+发射极电子的注入使得通态电流密度很高。门极 偏置为零时，晶体管基极接地。器件在关断状态时的特性类似于反向偏置的pn二极管。 基于以上分