[發(fā)明專利]一種集成光觸發(fā)一體化IGBT結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710174332.5
• 申請日: 2017-03-22
• 公開（公告）號: CN106849924B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙娟;李博婷;李洪濤;黃宇鵬;李波;張信
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: H03K17/567
• 分類號: H03K17/567;H03K17/041
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 徐靜

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件設(shè)計領(lǐng)域，尤其是一種集成光觸發(fā)一體化IGBT結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，通過設(shè)計與IGBT電路結(jié)構(gòu)在同一片硅片上加工的觸發(fā)控制初級電源電路、正負極性柵極電壓控制電路，采用絕緣隔離的觸發(fā)方法控制柵極相對源極的電位差，從而控制IGBT的通斷，用于解決IGBT的絕緣隔離及狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間長的問題。本發(fā)明中當(dāng)正極性柵極電壓控制電路的光控制開關(guān)未受光照時，負極性柵極電壓控制電路對IGBT柵極進行負極性充電，使得IGBT保持關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)正極性柵極電壓控制電路的光控制開關(guān)受到光照時，正極性柵極電壓控制電路對IGBT柵極進行正極性充電，當(dāng)IGBT柵極電壓達到導(dǎo)通控制電脈沖參數(shù)要求時，IGBT導(dǎo)通。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件設(shè)計領(lǐng)域，尤其是一種集成光觸發(fā)一體化IGBT結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。

背景技術(shù)

目前，IGBT均設(shè)計為電壓控制器件(圖1)，柵極為金屬電極，在柵極和源極之間施加足夠高的正向驅(qū)動電壓信號，在柵極下方的P區(qū)會形成一個反型層，即N導(dǎo)通溝道，經(jīng)由這個通道，電子從源極下方的N+區(qū)注入N-區(qū)，使IGBT進入導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)柵極與源極之間的正向驅(qū)動電壓消失，柵極與源極電位差低于IGBT導(dǎo)通所需的電壓閾值時，IGBT截止。因此，目前IGBT的導(dǎo)通是由柵極驅(qū)動電壓信號在柵極下方的P區(qū)形成N型導(dǎo)通溝道控制的，需要通過外接饋線由驅(qū)動電路為柵極饋送正向電壓信號。IGBT由截止?fàn)顟B(tài)向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換的時間由柵極注入電流和IGBT結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。目前，由于IGBT結(jié)構(gòu)的限制，對額定工作電流數(shù)百安培以上的大功率IGBT而言，柵極結(jié)構(gòu)電容較大，IGBT的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間通常在百納秒以上。同時，在多個IGBT串聯(lián)使用時，電脈沖觸發(fā)方式會帶來IGBT的絕緣隔離問題。通過對IGBT柵極區(qū)結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計并采用匹配的觸發(fā)方式，可以解決IGBT的絕緣隔離及狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間長的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種集成光觸發(fā)一體化IGBT結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，即通過設(shè)計觸發(fā)控制初級電源電路、負極性柵極電壓控制電路以及正極性柵極電壓控制電路，并使其與IGBT源極、漏極連通，采用絕緣隔離的觸發(fā)方法控制柵極下方導(dǎo)電溝道的形成，控制IGBT的通斷，與IGBT電路結(jié)構(gòu)在同一片硅片上加工，用于解決IGBT的絕緣隔離及狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間長的問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種集成光觸發(fā)一體化IGBT結(jié)構(gòu)包括：

觸發(fā)控制初級電源電路，用于跨接在IGBT源級和漏極之間，當(dāng)IGBT漏極(D極)與IGBT源級(S極)存在電位差U₀時，通過觸發(fā)控制初級電源電路輸出端為負極性及正極性柵極電壓控制電路進行儲能充電，觸發(fā)控制初級電源電路為柵極電壓控制電路提供的閾值儲能電壓值為U₁；U₀U₁；U₁＝U_g+U_k+U_MF+U_m；U_g為使IGBT導(dǎo)通所需的柵極(G極)-源極電位差，U_k為光控制開關(guān)PCSS導(dǎo)通壓降，U_MF為第一電源模塊工作壓降，U_m為由工作模式和回路雜散參數(shù)確定的調(diào)整電壓，一般情況下U_m≤3V；

負極性柵極電壓控制電路，用于設(shè)置在觸發(fā)控制初級電源電路輸出端與IGBT柵極之間；當(dāng)正極性柵極電壓控制電路的光控制開關(guān)(PCSS)未受光照時，負極性柵極電壓控制電路對IGBT柵極進行負極性充電，使得IGBT保持關(guān)斷狀態(tài)；

正極性柵極電壓控制電路，用于設(shè)置在觸發(fā)控制初級電源電路輸出端與IGBT柵極之間；當(dāng)正極性柵極電壓控制電路的光控制開關(guān)受到光照時，對IGBT柵極進行正極性充電，當(dāng)充電滿足IGBT柵極導(dǎo)通控制電脈沖參數(shù)要求時，IGBT導(dǎo)通；當(dāng)器件設(shè)計時以器件壽命為優(yōu)先考慮因素時，光控制開關(guān)設(shè)定為線性工作模式時，光控制開關(guān)的導(dǎo)通時間約等于光脈沖脈寬；