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1、2 0 0 5 年1 1 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5 1 0 6 4 0 ) 摘要：本文介绍了一种由高压双极型晶体管和低压功率M O S F E T 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l O O k H z 的零压准谐振b o o s t 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
2、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M O S F E T ，I G B T ， B J T 。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M O S F E T 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B J T 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I G B T ，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
3、挑战 1 。本文将一个新型单片共射共基极器件应用于d c - d c 准谐振b o o s t 变换器中。这 个智能功率集成电路 2 E 3 2 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M O S F E T 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 5 k V ，相应的电流容量达到I O A ，最低正向压降 小于或等于2 V ，这使得这种开关广泛应用在谐振电源，T V 偏转电路或照明电路等工业场 合。 在零电压开关电源( S M P S ) 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
4、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z V 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n p n 晶体管，它具有垂直流向的电流，硅衬底上有一个低压节与I C 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I C 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 可使它的阻断电压达到1 5 k V 。功率部分由一个深层n p nB J T 和一个垂直的功率M O S F E T 构 成。其横截面和等效电路如图1
5、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M O S F E T 开关管的门极电压和源极 2 0 0 5 年1 1 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M
6、O S ，射共丛檄丌火的横撼：i 边 足等效电路控制部分被忽略。 劁2 带f r 辅助卉纳? 极镑的测 试I 【l 蹄及J C 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B J T 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M O S F E T 的阀值电压，竖直的n p n 双极性晶体 管的发射极通过n 沟道M O S F E T 的反向区域连接到地。同时，基极驱动电路流过B J T 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
7、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p n 二极管。 基于以上分析，显而易见该器件具有很高的击穿电压，其值等于基极集电极击穿电压。 3 驱动要求及动态特性 器件的驱动分为两部分：一部分驱动门极；另一部分给基极提供适当的电流。两个驱 动电路必须同步，以避免误导通。产生门极驱动信号的简单方法是将直流电压发生器与基 极相连，电压脉冲电路与门极相连。晶体管驱动电路要求所提供电流的大小有选择性，以 控制正向压降。负载电流恒定时，基极电流由恒定值下的I V 静态特性确定，以获得正向 压降期望值。相反，如果负载电流变化，驱动电路必须能适应基极电流，确
8、保固定的正向 压降。现在的技术可以将驱动电路，功率级，以及温度控制和热关断，短路保护，基极电 流控制等集成在一个芯片上。 4 软开关变换器中的器件特性 在软开关应用中，器件的功率损耗与谐振频率和开关频率有关，还与所选择的拓扑有 关 4 3E 5 。本文将器件放在准谐振Z Vd c - d cb o o s t 变换器中研究它的高压特性，采用 半波( H v ) 模式。变换器拓扑如图3 所示，相关的稳态分析见文献 5 7 。 4 4 5 2 0 0 5 年“月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议 珠海 主要无源元件参数为：C o = l 呼旷，巴= 1 0 咿，C r - - 5 6 n
9、E L o = 2 m H , L , = 1 0 0 弘F 。应 用中器件的特性为：B = 1 5 0 0 V ，I T = 5 A ，嵋( 删) 2 V 。根据以上数据，开关频率为 1 0 1 4 k H z ，谐振频率为2 1 2 k H z ，器件的峰值电压为9 4 5 V ，实验波形如图4 ，非常接近于理 论分析。 | 割3 川功牢J LJ L 删撇器件作为1 丌天倚的b o o s t d c d c 准许振变换器。 l 割4 变换； ： 的。艾验, LJ h 和I U 流f 内波形。1 作状态 ，= 2 A d i v V r = 2 0 0 V d i v K = 5 V d
10、i v ，t = 2 1 t s d i v 5 零压开关条件下的功率损耗 器件的功率损耗与开关特性和导通电流有关。 e = 乞+ + 。 ( 1 ) f ； ：烈l 钆 飞嚣妒 这里由于是Z V 条件下，开通损耗P o 。可以忽略。换句话说，开关损耗主要由关断损耗 决定。 由图3 可以计算出z V 软开关条件下的器件特性。图5 是简化的测试电路装置，用来 研究器件在宽频范围内的功率损耗和频率限制。实际变换器工作时承受半正弦电压，开关 的电压斜率与谐振频率有关。近似关系如下： 盟l ： d tI t = t o = 2 X f r V T ( m a x ) ( 2 ) 这里的乞是谐振开始时刻
11、。H ( m 。) 是开关 管正弦电压峰值。由( 2 ) 可以看出坼( 啪。) 一 定时，电压斜率与谐振频率成正比，因此关断 期间的能量损耗与谐振频率也成正比。 矧5 _ _ fJ ：测蹬器件动态特性的实验测试装置 根据以上讨论，可以计算出器件在不同输出电压斜率下的能量损耗。实验中可以通过 改变器件集电极和源极之闸电容的大小虬改变电压斜率 三种不同斜率下的集电极电压和电流波形如图6 所示。从图中可以看出电流下降时间 不受输出电压斜率的影响。通过计算，总功率损耗与开关频率的关系曲线见图7 。 僻一m 一 趟出 K d 一 2 0 0 5 年1 1 月 第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠
12、海 皿瞳 2 0 0 ”2 0 m V o 罔6 集电极电压和电流在关断期问 的波形 V r = 2 0 0 V I d i v f r = 2 A I d i v ，t = 2 0 0 I P n ，带。匕t 5 j ! 一 一一一j 一一 一一一j 一1 ， f j ， 7 厂 r j t 一。 V T t 【k tI t 略 t 0 0 时枷2 B J k H z I 网7 两种不同温度_ 卜器件总的功率损耗对频率 曲线 6 总结 本文介绍了一种智能单片共基共射极器件。器件的主要优点是：高击穿电压，低正向 压降，可与控制电路及功率器件集成在同一芯片上以减小变换器的元件数量。文中更深入 地
13、研究了它在Z V 应用场合中的高压特性，并得出了实际Z V 准谐振b o o s t 变换器中的功率 损耗与开关频率的关系。 参考文献： 1 N M o h a n ，T M U n d e l a n d W P I t o h b i n s P o w e re l e c t r o n i c s ? c o n v e r t e r s , a p p l i c at i o n s , a n dd e s i g n , S e c o n de d it i o n ，J o h nW il e y 星S o n s ，N e wY o r k ，1 9 9 5 2 0T
14、 a g li a v i a ，S S p a m p i n a t o ，S S u e r i “V I P o w e rM 3t e c h n o l o g y ：a ne x a m p l e o fs m a r tp o w e rs o l u t i o ni nq u a s ir e s o n a n tf l y b a c ka p p li c a t i o n s ，”P r o c e e d i n g so f t h eE u r o p e a nC o n f e r e n c eo nC i r c u itT h e o r ya
15、n dB e s i g nE C C T D 9 9 ，A u g u s t 2 9 一S e p t e m b e r 2 1 9 9 9 ，S t r e s a I t a l y ，P P 9 7 9 9 8 2 3 B e l v e r d e ，G ：G a l l u z z o ，A ：M e l i t o ，M ：M u s u m e c i ，S ：R a c i t i ，A ：“S m a r tP o w e t D e v i c e si nS o f tS w i t c h i n g A p p l i c a t i o n s ”P o w
16、e rE l e c t r o n i c sS p e c i a l i s t sC o n f e r e n c e ， 2 0 0 0 P E S C0 0 2 0 0 0I E E E3 1 s tA n n u a l V o l u m e3 ，1 8 2 3J u n e2 0 0 0P a g e ( s ) ：1 5 7 7 1 5 8 2v 0 1 3 4 K H L i u ，R O r u g a n t i ，F C L e e ，“Q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ：t o p o l o g i e s a n dc h a r a c t
