[发明专利]超高压绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路

说明书

本发明公开了一种超高压绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路，该电路包括：输入接收电路、数字控制电路、调制发送电路、高压隔离电路、高共模瞬态抑制差分信号接收电路、输出驱动电路、发送端低压产生电路、接收端低压产生电路和芯片状态监测电路。本发明所提供的超高压绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路一方面采用高压绝缘隔离技术，可实现超高耐压绝缘电容；另一方面，可自动检测地电位共模瞬态噪声的大小，并在噪声超过阈值时对共模瞬态噪声产生的误差进行动态补偿。本发明可以广泛应用于驱动各类高压SiC MOSFET和IGBT器件。

技术领域

本发明涉及一种超高压绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路，属于集成电路技术领域。

背景技术

在智能电网、移动通信以及新能源汽车等新兴产业的牵引下，电力电子应用系统要求进一步提高系统的效率、小型化和增加功能，特别要求系统装备在尺寸、质量、功率和效率之间的权衡，比如服务器电源管理、电池充电器和太阳能电场的微逆变器。随着Si基超结MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现和应用普及，硅器件由于其本身物理特性的限制，已经开始不适用于一些高压、高温、高效率及高功率密度的应用场合。与Si材料相比，SiC材料较高的热导率决定了其高电流密度的特性，较高的禁带宽度又决定了SiC器件的高击穿场强和高工作温度。尤其在SiC MOSFET的开发与应用方面，与相同功率等级的SiMOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。

由于SiC MOSFET器件特性与传统的Si MOSFET有较大差别，SiC MOSFET驱动电路的性能对于整机系统起着至关重要的影响。基于SiC器件的新一代电力电子整机系统对高压栅驱动芯片的驱动速度、智能化提出了更高的需求，从而进一步提高整机可靠性，并降低整机系统设计复杂度。相比于Si MOSFET，SiC MOSFET的寄生电容更小，两者相差超过十倍，因此SiC MOSFET对驱动电路的寄生参数更敏感。另一方面，SiC MOSFET的驱动电压范围通常为-5V～+25V，而传统的Si MOSFET的驱动电压范围为-30V～+30V。因此，SiC MOSFET与传统的Si MOSFET相比，安全阈值更小，驱动电路的一个电压尖峰很可能就会击穿栅源之间氧化层，这也是驱动电路的输出控制电平需要精心设计。

高压栅驱动芯片用于满足CPU控制器输出接口提供的小功率电平信号和大功率输出器件栅驱动所需要高压大电流信号之间转换驱动的需求。栅驱动IC在整机系统中的核心功能为将CPU控制器输出的小功率电平信号(1mA/3-5V)转换为大功率器件栅驱动所需要高压大电流信号(0.5～5A/5～20V)，将输出电流和输出电压摆幅进行放大，由于高压和低压区电路之间还必须进行信号连接，因此芯片内必须有负责隔离区两侧之间信号传输功能的隔离区信号传输模块。由于功率半导体器件的应用场景存在很大差异，高/低电压区最大值之间存在VH的压差可以从40V跨度到6500V，电流从几安培跨度到上百安培，开关频率从几KHz跨度到几MHz，不同的应用场景对于栅驱动IC的性能和成本要求完全不同。VH大小直接决定了芯片内部的电气隔离等级，而在芯片内部实现不同等级的电气隔离组成电路，所需要采用的电路器件技术和成本质量等级存在较大差异。用于栅驱动IC的高压电气隔离技术主要有单片集成隔离技术和物理绝缘隔离技术两大类。其中，单片集成的隔离技术主要为PN结隔离技术，PN结隔离技术常用于实现650V以下的单片集成栅驱动IC产品；绝缘隔离技术将高低压信号处理电路在物理空间上隔离开，可实现超过6500V的超高压电气隔离。