1、导言
scale-2芯片组是专门为习惯当今igbt与功率mosfet栅驱动器的功用需求而规划的。这些需求包含：可扩展的别离式注册与关断门级电流通路;功率半导体器材在关断时的输出电压可认为有源箝位供应支撑;多电平变换器与并联功率器材的专业操控功用的兼容性;能够挑选运用低本钱的双向信号的变压器接口或抗电磁搅扰光纤接口;可扩展设置，并具有毛病办理;次级毛病信号输入/输出，3.3v到15v的逻辑兼容性。
在延伸漏极双井双栅氧cmos制作工艺中运用了这个芯片组，它包含几个不尽相同的次级智能门级驱动（igd）asic和一个初级逻辑驱动插口（ldi）asic。
2、集成的栅驱动器中心
图1所示为栅驱动器asic原型的显微照片。它的有源区约为：
4 mm×2mm。惯例封装是一个在高电流接口有着双引线键合的soic-16。在本钱十分低的情况下，不同的接合法常被用来操控不同的规范产品的专业功用，包含能够挑选运用双向信号变压器接口或双向光导纤维接口。这个高度集成的栅驱动器中心包含一个输出电流与泄放电流为5.5a的输出驱动级，一起支撑对外置的n型mosfet的直接驱动，这样就能够轻松扩大栅极功率和栅极电流别离抵达20w与20a乃至更大。半桥推挽式输出级为在低本钱的扩展，几个栅驱动器并联与不依赖关断栅极-发射极电压的操作操控性都供应了或许。
先进的操控功用以及专门为客户供应的选项能够经过在可编程的单层掩膜上预置复合信号单元以及简略器材（例如模仿比较器，逻辑门，cmos晶体管，接口），完成在最短的时刻内以具有竞争力的价格投入商场。
初级逻辑驱动插口（ldi）asic完成了一个双沟道双向变压器接口，一个带有专用发动序列可扩展的dc-dc转换器，而且具有可扩展设置和毛病办理功用。图2所示为逻辑驱动插口asic原型的显微照片，其有源区约为4mm × 2 mm，惯例封装为soic-16。
为了进步igbt的抗短路才能，一般在敞开进程和导通情况下将其栅极-发射极电压约束在+15v以下。因为近来的igbt的阈值栅压现已超越3v，所以在关断进程和断开情况下把栅极-发射极电压设置为0v就足够了。这关于直接把栅驱动器集成在功率模块中的智能功率模块（ipm）来说是一种惯例。与这些小型的ipm比较，如今惯例的大型igbt模块，带有36个以上的并联igbt芯片，它的栅极互连线发生的电阻以及集电极-栅极搬运电容都会增大，这会对它的关断速度，抗噪声特性形成严峻的影响，特别是还有或许发生因为瞬间电压导致的部分误导通。为了削减这些影响，栅极-发射极关断电压一般设定为-5v—15 v。
因而，在第一种作业形式下，igdasic能够经过在“vee”管脚（见图3）调理发射极电压的方法，供应给敞开导通情况一个调理过的+15v栅极-发射极电压来作为整个栅驱动器的供应电压，其丈量准确度为±450mv，工艺差错在3σ内，温度规模为400℃—1250℃。驱动直流电流有必要被约束在 2.8ma以下，这样外部元件就能够操控将栅极-发射极电压设定为用户需求的值。
因为栅驱动器的总供应电压在 20.5 v以下，所以驱动器需求使栅极-发射极电压保持在-5.5v左右，这样关断情况才能够抗噪声搅扰。在这种作业形式下，监测到栅极-发射极敞开电压小于12.6 v，关断电压小于5.15v时毛病铲除形式就会判别犯错。与之相应的发动电路与噪声滤波也现已完成。栅驱动器的引荐供应电压规模为20.5 v—30v。在第二种作业形式，也便是mosfet形式下，asic相同供应了一个0v的关断电压。一旦这种形式被asic监测到，毛病铲除形式将把敞开电压8.5v作为判别犯错的规范。监测关断电压的电路以及+15v的操控电路都将失效。这种形式下的引荐栅驱动器供应电压为10 v—17.5 v。
igbt是电压操控器材。一般，栅驱动器是用电压源来完成的，栅电流能够经过挑选恰当的栅电阻来调理。这儿所运用的栅驱动器的注册和关断输出级都是运用扩展规范cmos工艺制作的n型ldmos晶体管完成的。
横向器材的约束要素在于，关于相同的导通电阻更消耗硅片面积，而且在必定的栅极-源极电压下，一旦超越给定的工艺和温度，饱和电流以及导通电阻将发生很大的改变。关于一个不添加本钱的实例，栅驱动器的输出级，导通电阻为1.1ω，差错±40%，假定外部的栅电阻为3.3ω，那么将引起栅电流±10%的改变。此外，跟着在高结温下dmos饱和电流的减小，它有或许抵达栅电流峰值所需求的最小值，导通电阻的改变将进一步地增大。最终将导致添加igbt栅电荷移动的推迟时刻。这种时刻上的推迟将对并联的igbt与独立的栅驱动器的电流分配发生严峻影响。
图4 用来测评的即插即用型单通道igbt驱动器，栅级功用抵达20a、20w，带有先进的有源箝位功用，一个双向信号变压器接口和一个光纤接口，能够挑选运用高或低阈值vce监测。电路示意图（上图），实物图（左下图），igbt关断波形图（右下图）。
大型的集成dmos晶体管被一个依据工艺和温度改变的栅极-源极电压驱动。此外，关断输出级作业在栅极-源极电压低于5.5v的情况下时，源极导线电阻引起的电压下降相同会被补偿。只需有或许，有着减薄栅氧层的高电压输出电路都要在源极输入电压低于5.5v的条件下作业来添加单位面积的跨导，然后降低本钱并减小信号的推迟。假如有或许，数字、模仿电路要合作双输出为5v的自备供电设备运用，这种设备现已彻底被集成在asic中了。
这些丈量方法相同能够对igbt瞬态作业进行准确的操控。这几年来，有源箝位被广泛的运用于igbt的关断，以便约束集电极-发射极电压。除了具有有源箝位的功用外，asic兼并了电路，完成了在igbt关断时，对集电极-发射极电压上升速度和箝位水平的闭环操控。所以，在整个的断开进程中，igbt内部的dmos栅沟道都是导通的。有源箝位较高的响应速度能够削减关断时的开关损耗，然后进步短路时的关断才能。图4所示为一个用来测评的即插即用scale-2型igbt驱动器，它的有源箝位功用得到了改进，以及一个3300v、400a的igbt模块的短路关断波形。栅驱动器和dc-dc变换器输出级都运用了外置的n型dmos，这样一来驱动器的栅级功用能够抵达20 a、20w，而且具有现在大部分的常用功用。这些功用包含一个双向信号变压器接口和几个光纤接口，多电平形式，闭锁时刻，igbt短路集电极-发射极电压在额定电压3300v或以上时经过感应电阻的高阈值监测，缺乏3300v时则经过感应二极管的低阈值监测。
关于关断输出级来说，经过工艺和温度补偿的栅极-源极电压在敞开情况下由一个合适的电荷泵电路供应，在断开情况下由一个自举的电平驱动供应。除了一个外部的电容以外，这些都现已集成在芯片里了。这使得输出脉冲的占空比能够在0-1之间改变，而且能够支撑对外置的n型mosfet的直接驱动，这样栅驱动器的栅极功率和电流就能够轻松扩展了。虽然出产变杂乱了，这种解决方案却并不糟蹋硅片面积，它占用的硅片面积仅仅简略的p-mos输出级所占用的面积。
前置驱动级经过运用别离的门级电阻别离操控敞开和关断来完成最佳功用，能够直接驱动栅电容高达15 nc的外置n型dmos。驱动才能抵达20a 、20 w的igbt驱动器，开关频率能够抵达750 khz（间歇式），300 khz（接连式），推迟时刻少于50ns。asic在驱动级供应了可编程的单层掩膜的死区时刻，以此来满意用户定制的需求，使规划抵达最优化。
3、设置与毛病办理
双向变压器接口不管指令信号仍是过错信号都相同传送，经过短脉宽的单脉冲来完成最短的指令信号推迟时刻。假如这两种信号遇到抵触，过错信号关于指令信号和dv/dt耐量占优势，将导致长脉冲宽度的噪声电流。差分信号用一个40v的高线性输入电压处理，软箝位被用来增强共模噪声按捺。为了防止呈现反冲电压，将经过集成的阻尼电阻和专门的最小脉冲时刻来估测，而不需求额定的信号推迟时刻。假定耦合电容为4pf，抵达》50v/ns 的超强抗搅扰性，能够反抗高达3300v的电压动摇。
因为任何毛病情况都将在1微秒内传递到初级端，异步毛病传递方法能够使并联igbt与多电平变换器拓扑结构的专用时钟需求得以完成。为了将这种情况的时刻差错减到最小，电路要经过补偿消除温度和工艺差错的影响。首选的毛病办理形式是在相关的igbt关断之前陈述过错信息。关断之前的推迟时刻是能够在igdasic中调整的，在几微秒规模内，也能够设置为0或无限大。
直接形式并没有在驱动器的通路间供应任何组合逻辑或时序逻辑的相互作用。
这种形式给用户供应了最大的灵活性，因而成为高档微操控器协作体系的首选。在第二种形式，也便是半桥形式中，asic运用一个输入端作为公有的指令信号，用两个具有死区时刻的输出端（一个正向和一个反向）去防止各个igbt之间的桥臂贯穿现象。这种形式和死区时刻能够依据特别运用的需求而调整，调整时经过两个或典型的六个通道为一组中的一个通道内的单个电阻来完成。第三种的预置形式能够完成互锁或许互斥功用（带有或不带有死区时刻），用户的需求能够经过修正单层掩膜版来完成。
在初级端，任何毛病情况都会经过闭锁时刻延伸几毫秒。在这段时刻内，相关的通道都会保持在封闭情况下。这段时刻的长度能够经过两个或典型的六个通道为一组中的一个通道内的单个电阻来调整或许设置为0。
4、运用
scale-2型芯片组作为中心渠道运用于新一代的igbt栅驱动器。比较于曾经的芯片组，一个完好的即插即用igbt驱动器的一切组成部分的本钱能够削减60%以上。
图5 带有外置n型dmos驱动器级的双通道igbt驱动器中心，栅级功用为20a/4w（左图），栅极功用为5.5a/0.8w的彻底集成版（右图）。
图5 带有外置n型dmos驱动器级的双通道igbt驱动器中心，栅级功用为：20 a /4 w，栅极功用为5.5 a / 0.8w的彻底集成版。图5（左）所示为一个双通道栅驱动器中心，它的驱动才能为20 a， 4 w， +15 v /-10v，栅驱动器和dc-dc变换器输出级运用的都是外置n型dmos：它具有双向信号变压器接口，供应可调整的操作形式、死区时刻、闭锁时刻、先进的有源箝位功用和一个次级毛病输入端。典型的推迟时刻为110ns。代表性的运用包含关于1700 v / 200 a，开关频率抵达75 khz的igbt进行半桥式操控。
图5（右）所示为一个类似的双通道栅驱动器中心，它的驱动才能为5.5 a， 0.8 w， +15 v/-10v，栅驱动器和dc-dc变换器输出级都是彻底集成的。典型的推迟时刻为88ns。体积小，更简单扩展到7通道以及其低价的本钱使得它成为驱动1700 v/225a igbt的最佳挑选。代表性的运用包含关于1700v / 100 a，开关频率抵达25 khz，或许是600 v / 50 a，开关频率抵达75 khz的igbt进行半桥式操控。
5、远景
在曩昔的10年里，scale技能现已在商场上被确立为工业界的规范，concept公司具有的scale-2芯片组将得到愈加久远的开展。这个芯片组作为完成新一代igbt栅驱动器的中心渠道，在可靠性、功用性、可扩展性、本钱以及投入到商场的时刻方面都有所进步。这些进步要归功于运用被大规模运用的scale型驱动器，它经过了广泛的试用与测验。
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