[发明专利]超高压绝缘隔离IGBT半桥栅驱动电路

说明书

本发明涉及一种用于高压IGBT器件栅驱动所需要的超高压绝缘隔离IGBT半桥栅驱动电路，该电路包括输入接收电路、死区时间产生电路、低侧延时电路、低侧输出驱动电路、调制发送电路、4个高压电容、高共模瞬态抑制差分信号接收电路、高侧输出驱动电路、发送端低压产生电路和接收端低压产生电路。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功率器件。

技术领域

本发明涉及一种用于电力电子系统的超高压绝缘隔离IGBT半桥栅驱动电路，属于集成电路技术领域。

背景技术

进入21世纪，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，特别要求电路应用在尺寸、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。上述应用要求电力电子系统在设计效率95％的同时，还具有高的功率密度(500W/in³，即30.5W/cm³)、高比功率(10kW/磅,22kW/kg)和高总负载点(1000W)。随着半导体技术和制造工艺的不断发展和提高，IGBT器件日渐走上功率半导体的舞台中央，成为主流的功率输出器件。作为一种复合型的功率半导体，IGBT综合了GTR和MOSFET 的优点，具有开关速度快、耐压高、承受电流大、热稳定性好等特点。尤其在大功率的应用场合，IGBT已经被广泛的应用在能量变换与管理中。新一代电力电子应用系统对功率半导体器件驱动技术要求日益提高，这其中最核心的因素就是对功率半导体器件功能进行控制的高压栅驱动芯片。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。

IGBT的驱动电路对于整个系统的可靠运行具有决定性的作用。在半桥或者全桥拓扑中，驱动电路实现的功能是主电路与控制回路之间的接口。控制电路的输出信号一般为PWM脉冲，不足以驱动IGBT等功率器件，驱动电路将该PWM信号进行放大，使其具有一定的功率处理能力，实现对于功率开关器件的控制。栅驱动电路设计的最终目标就是使功率开关器件工作在接近理想的开关状态下，降低其开关损耗，提高整体系统的效率和可靠性。与MOSFET栅驱动电路相比，IGBT栅驱动电路主要的主要特点体现在以下几个方面：(1)更高的隔离电压，为了适应更高电压的应用场合，必须研发隔离电压更高的驱动芯片；(2)更高的开关频率，功率器件的应用正朝着高频的方向发展，因此驱动芯片必须能够提供更大的瞬时驱动电流，具有更高的开关频率；(3)更大的驱动功率，功率器件模块的容量在不断的增加，驱动芯片的最大输出电流也应该增加，才能够提供更大的驱动功率；(4)更完备的功能，驱动器必须具有完备的过流、欠压、过压、过温等保护功能，并且能有效的控制功率器件开关造成的瞬间di/dt，dv/dt，具备较强的抗干扰能力。

在诸多栅驱动芯片中，半桥栅驱动芯片是一种最常用的芯片架构，典型半桥栅驱动芯片由高侧和低侧驱动电路构成。半桥栅驱动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。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功能模块，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。IGBT器件有很多大于1200V的应用场景，因此绝缘隔离技术是更适用于IGBT半桥栅驱动IC的高压隔离技术。

发明内容