一种集成光触发一体化IGBT结构的制作方法

本实用新型涉及半导体器件设计领域，尤其是一种集成光触发一体化IGBT结构。

背景技术：

目前，IGBT均设计为电压控制器件(图1)，栅极为金属电极，在栅极和源极之间施加足够高的正向驱动电压信号，在栅极下方的P区会形成一个反型层，即N导通沟道，经由这个通道，电子可以从源极流向N-漂移区，直至N-区，使IGBT进入导通状态。当栅极与源极之间的正向驱动电压消失，栅极与源极电位差低于IGBT导通所需的电压阈值时，IGBT截止。因此，目前IGBT的导通是由栅极驱动电压信号在栅极下方的P区形成N型导通沟道控制的，需要通过外接馈线由驱动电路为栅极馈送正向电压信号。IGBT由截止状态向导通状态转换的时间由栅极注入电流和IGBT结构参数决定。目前，由于IGBT结构的限制，对额定工作电流数百安培以上的大功率IGBT而言，栅极结构电容较大，IGBT的状态转换时间通常在百纳秒以上。同时，在多个IGBT串联使用时，电脉冲触发方式会带来IGBT的绝缘隔离问题。通过对IGBT栅极区结构进行特殊设计并采用匹配的触发方式，可以解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种集成光触发一体化IGBT结构，其通过设计触发控制初级电源电路、负极性栅极电压控制电路以及正极性栅极电压控制电路，并使其与IGBT源极、漏极连通，采用绝缘隔离的触发方法控制栅极下方导电沟道的形成，控制IGBT的通断，与IGBT电路结构在同一片硅片上加工，用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。

本实用新型采用的技术方案是这样的：

一种集成光触发一体化IGBT结构包括：

触发控制初级电源电路，用于跨接在IGBT源级和漏极之间，当IGBT漏极D极与IGBT源级S极存在电位差U₀时，通过触发控制初级电源电路输出端为负极性及正极性栅极电压控制电路进行储能充电，触发控制初级电源电路为栅极电压控制电路提供的阈值储能电压值为U₁；U₀>U₁；U₁＝U_g+U_k+U_MF+U_m；U_g为使IGBT导通所需的栅极G极-源极电位差，U_k为光控制开关PCSS导通压降，U_MF为第一电源模块工作压降，U_m为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般情况下U_m≤3V；

负极性栅极电压控制电路，用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关(PCSS)未受光照时，负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态；

正极性栅极电压控制电路，用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通；当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时，光控制开关设定为线性工作模式时，光控制开关的导通时间约等于光脉冲脉宽；

正极性栅极电压控制电路的输出端与负极性栅极电压控制电路输出端相连后连接到IGBT栅极上，IGBT栅极通过泄放电阻与IGBT源极相连。

进一步的，所述当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时，光控制开关设定为非线性工作模式。所述第一电源模块A输出正极性电压U₂，U₂＝U_g+U_k+U_m，U_k为光控制开关导通压降，U_g为IGBT要求的驱动电压，U_m为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般U_m≤3V。当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时，U₂＝U_g+U_k+U_m中U_g取IGBT栅极触发电压上限U_gH；第一限流电阻R₁推荐取值(1.5到5)*UgH/IgH，I_gH为IGBT栅极最大允许注 入电流；IGBT导通时间宽度τ≈k₁(第一限流电阻R₁阻值+泄放电R₃阻值)*(第二储能电容C₂容值+IGBT栅极电容C_G容值)，k₁的值与IGBT栅极触发电压上限U_gH与栅极触发电压下限U_gL的比值U_gH/U_gL相关，一般在0.2到0.5之间。此种工作模式下，IGBT导通时间宽度可通过调整第一限流电阻R₁和第二储能电容C₂容值予以调整以适应应用需求。

进一步的，所述触发控制初级电源电路包括充电电阻R_h、齐纳稳压二极管D₁以及第一储能电容C₁；所述齐纳稳压二极管D₁与第一储能电容C₁并联；齐纳稳压二极管D₁一端与与充电电阻R_h一端、第一储能电容C₁一端连接，另一端与IGBT源级连接；充电电阻R_h另一端与IGBT漏极连接；第一储能电容C₁一端与第一电源模块输入端、第二电源模块的输入端、齐纳稳压二极管D₁一端及充电电阻R_h一端连接，第一储能电容C₁另一端与IGBT源极连接。所述电压差U₀通过充电电阻R_h给第一储能电容C₁充电，使得第一储能电容C₁的充电电压阈值为U₁；然后第一储能电容给正极性以及负极性栅极电压控制电路馈电，控制IGBT处于关断或者导通状态；触发控制初级电源电路电源输出端指的是二极管D₁与第一储能电容C₁并联，且与充电电阻R_h连接的端口。

进一步的，所述正极性栅极电压控制电路包括第一电源模块A、第一限流电阻R₁、第二储能电容C₂以及光控制开关PCSS；第一储能电容C₁同时为第一电源模块A供电，触发控制初级电源电路输出端通过第一电源模块A与第一限流电阻R₁一端、第二储能电容C₂一端连接；第一限流电阻R₁另一端通过光控制开关与IGBT栅极连接；第二储能电容与第一电源模块A及第一限流电阻相连接的一端作为正极性连接端；第二储能电容C₂另一端通过短路连接线连接到IGBT源极，是第二储能电容C₂的地线端；所述第一电源模块A输出正极性电压U₂，U₂＝U_g+U_k+U_m，U_k为光控制开关导通压降，U_g为IGBT要求的驱动电压，U_m为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般U_m≤3V。

进一步的，所述当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时IGBT导通，具体过程是：当光控制开关受到光照导通时，光控制开关呈现低阻 状态，此时第二储能电容、第一限流电阻、光控制开关、泄放电阻构成导通回路，此时第二储能电容上电压U₂通过第一限流电阻和泄放电阻分压后加载到IGBT栅极上；由于第二储能电容容值>>第三储能电容容值，泄放电阻阻值>>第二限流电阻阻值>第一限流电阻阻值；此时IGBT栅极上为正极性电压，当该电压满足IGBT导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通；其中U₂＝U_g+U_k+U_m，Uk为光控制开关导通压降，U_g为IGBT要求的驱动电压，U_m为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般U_m≤3V；光控制开关是通过光脉冲控制通断的开关；其中泄放电阻跨接在IGBT栅极与源级之间；其中第一储能电容容值>第二储能电容容值>>第三储能电容容值。

进一步的，所述负极性栅极电压控制电路包括第二电源模块(B)、第二限流电阻R₂、第三储能电容C₃、第三限流电阻R₄、泄放电阻R₃；触发控制初级电源电路输出端通过第二电源模块B与第三限流电阻R₄一端相连接；第三限流电阻R₄另一端与第三储能电容C₃一端、第二限流电阻R₂一端连接；第二限流电阻R₂另一端与IGBT栅极连接；第三储能电容C₃与第二限流电阻R₂和第三限流电阻R₄相连接的一端作为负极性钳位电压输出端；第三储能电容C₃另一端通过短路连接线与IGBT源极连接；第一储能电容C₁为第二电源模块B供电时，所述第二电源模块输出负极性电压U₃，其中U₃＝U_off·(第二限流电阻阻值R₂+泄放电阻R₃阻值)/泄放电阻R₃阻值；U_off指的是IGBT关断电压阈值，一般U_off为-5V。

进一步的，所述正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，负极性栅极导通电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态，具体工作流程是光控制开关保持高电阻状态，光控制开关阻值远大于泄放电阻R₃阻值；此时第三储能电容C₃、第二限流电阻R₂和泄放电阻R₃构成导通回路，IGBT栅极的电位由负极性充电的第三储能电容通过第二限流电阻和泄放电阻R₃钳制在负电位，使得IGBT处于关断状态；其中U₃＝U_off·(第二限流电阻阻值R₂+泄放电阻R₃阻值)/泄放电阻R₃阻值；U_off指的是IGBT关断电压阈值，一般U_off为-5V。第三限流电阻电阻R₄用于限制第二电源模块B向第二储能电容的充电速率，其值根据IGBT运行频率f和占空比δ确定，一般取值范围为((1- δ)/4C₃f)≤R₄≤(1/4C₃f)，推荐取为R₄≈(1/8C₃f)。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、通过本发明电路结构使其与IGBT源极、漏极联通，本发明采用光控制开关进行绝缘隔离的触发方法，来控制栅极下方导电沟道的形成，控制IGBT的通断，用于解决IGBT器件与其触发控制系统的绝缘隔离问题。

2、本发明电路与IGBT电路结构集成在同一硅片上。本发明电路与IGBT栅极之间无外接连接引线，回路电感极低，减小栅极电位控制电路向栅极注入和抽取电流的电路回路阻抗，实现对栅极结构电容较大的灌注或抽取电流而不引起欠阻尼震荡，缩短IGBT状态转换时间，用于解决状态转换时间长的问题。通过本发明电路结构并使其与IGBT源极、漏极联通，使本发明电路直接从IGBT电路系统获得能量馈入，用于解决IGBT触发电路电源系统与IGBT主电路之间的绝缘隔离问题。

3、当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时，PCSS设定为线性工作模式时，PCSS的导通时间约等于光脉冲脉宽。当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时，光控制开关PCSS设定为非线性工作模式时，光控制开关PCSS的导通时间由其外电路决定，具体计算公式为：τ≈0.9(R₁+R₃)*C₂；解决技术问题是使PCSS快速实现高阻状态向低阻状态的转换，并使其导通电阻降至极小值，实现向IGBT栅极结电容的快速电流注入。

4、正、负极性栅极电压控制电路与IGBT电路结构在同一片硅片上加工，解决技术问题是减小正、负极性栅极电压控制电路与IGBT栅极构成的驱动脉冲回路的电感，避免快速电流注入或抽取模式工作时出现欠阻尼振荡。

附图说明

图1a现有技术中IGBT器件内部结构图。

图1b现有技术中IGBT器件等效图。

图2本实用新型IGBT芯片电路结构图。

附图标记：A-第一电源模块 B-第二电源模块

D₁-齐纳二极管 C₁-第一储能电容 C₂-第二储能电容

C₃-第三储能电容 R₁-第一限流电阻 R₂-第二限流电阻

R₃-泄放电阻 R₄-第三限流电阻 R_h-充电电阻

PCSS-光控制开关 R_MOD-IGBT内部电阻

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本发明相关说明：

1、泄放电阻R₃设置在IGBT栅极与源级之间，作用是使IGBT栅极相对源极可以保持一个确定的电势差，避免栅极浮动造成栅极电位的不确定。一般IGBT驱动电路中都会设置这个偏置电阻R₃；

2、目前为止，IGBT的驱动电路与IGBT器件均采用分立设计方式，即IGBT驱动电路是独立于IGBT芯片之外的一个产生电脉冲馈送至IGBT栅极用于驱动IGBT的电路板。

3、第一电源模块和第二电源模块都是DC-DC模块，即用于直流-直流电压变换的模块。DC-DC电源模块A与B可以是同型异极性输出电源模块，也可以选择非同型模块，其电路结构可以采用已有的成熟直流-直流电压变换电路；DC-DC电源模块A输出正电压，DC-DC电源模块B输出负电压。

工作原理：

步骤1：齐纳二极管D₁与电容C₁并联后与限流电阻R_h串联，跨接在IGBT栅极和漏极之间。在IGBT加电状态下，源、漏极之间存在电压差U₀，该电压同样加载到R_h和D₁、C₁构成的触发控制电路初级电源电路上。U₀通过限流电阻R_h给储能电容C₁充电，当C₁上电压达到预设的齐纳二极管的稳压阈值时，D₁动作，使C₁上电压维持在预设电压U₁。根据IGBT要求的驱动电压U_g和第一电源模块DC-DC模块(DC-DC模块A)的压降特性设定齐纳二极管的稳压阈值，典型值设为U₁＝U_g+U_k+U_MF+U_m；U_g为使IGBT导通所需的栅极(G极)-源极电位差，U_k为光控制开关(PCSS)导通压降，U_MF为DC-DC模块工作压降，U_m为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般≤3V。

步骤2：第一电源模块由C₁供电，产生IGBT正向导通所需的正极性电压输出，给正向导通控制支路储能电容C₂充电，其输出电压U₂需根据IGBT要求的驱动电压U_g设定，推荐设计为U₂＝U_g+U_k+U_m，U_k为光控制开关导通压降，U_g为IGBT要求的驱动电压，U_m为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压(一般≤3V)。C₂和IGBT栅极之间通过限流电阻R₁和控制开关PCSS相连接。PCSS是由光脉冲控制通断的光控半导体开关，PCSS导通时C₂通过R₁向IGBT栅极供电，通过SiO₂隔离在Si材料中建立电场，在栅极下方的P型区内形成N型沟道，使其MOSFET结构导通，为晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。

步骤3：第二电源模块也由C₁供电，产生使IGBT关断所需的负极性电压输出，通过负极性支路充电电阻(即第三限流电阻)R₄给反向关断控制支路储能电容C₃充电，其输出电压U₃需根据IGBT要求的关断电压U_off设定，推荐设计为U₃＝U_off·(R₂+R₃)/R₃，U_off指的是IGBT关断电压阈值，一般U_off为-5V。C₂和IGBT栅极之间通过第二限流电阻R₃连接。IGBT栅极通过泄放电阻R₃与IGBT 源极连接。

其中第一储能电容C₁容值>第二储能电容C₂容值≥第三储能电容C₃容值；负极性支路充电电阻(即第三限流电阻)R₄≥泄放电阻R₃阻值≥第二限流电阻R₂阻值>第一限流电阻R₁阻值；

以上电路结构设计使IGBT加电后，常态下由负极性关断控制支路使其保持关断状态，当且仅当控制开关PCSS导通时，IGBT进入导通状态。

整个电路的工作流程可归纳如下：

U₀通过R_h给电容器C₁充电至U₁，C₁给DC-DC模块A和B馈电。DC-DC模块A的输出电压为U₂，DC-DC模块B的输出电压为U₃。

DC-DC模块A产生IGBT正向导通所需的正极性电压给导通控制支路储能电容C₂充电，在PCSS未受光照时，PCSS保持高电阻状态，其阻值远大于R₃的阻值。此时由于C₃、R₂和R₃回路的存在，IGBT栅极G的电位由负极性充电的C₃通过R₂和R₃钳制在负电位，与源极之间的电压差为U₃·R₃/(R₂+R₃)。

当使用光脉冲辐照PCSS时，PCSS导通，呈现低阻状态，电阻降至数mΩ至数Ω，此时，C₂、R₁、PCSS、R₃回路导通，C₂上电压通过R₁和R₃分压后加载到IGBT栅极上，由于C₂≥C₃，R₃≥R₂>R₁，故此时IGBT栅极上为正极性电压，当该电压满足IGBT导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通。IGBT的导通状态持续时间由光脉冲参数、PCSS工作状态和IGBT的转换、恢复特性等决定。当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时，PCSS设定为线性工作模式时，PCSS的导通时间约等于光脉冲脉宽。当器件设计时以减小状态转换时间为优先考虑因素时，PCSS设定为非线性工作模式时，PCSS的导通时间由C₂、R₁、R₃以及IGBT栅极耐受电压和导通控制阈值电压等参数决定。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型， 凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。