絕緣體上硅（SOI）驅動(dòng)芯片技術(shù)優(yōu)勢及產(chǎn)品系列

在之前的技術(shù)文章中，介紹了驅動(dòng)芯片的概覽和PN結隔離(JI)技術(shù)，本文會(huì )繼續介紹英飛凌的絕緣體上硅（SOI）驅動(dòng)芯片技術(shù)。

高壓柵極驅動(dòng)IC的技術(shù)經(jīng)過(guò)長(cháng)期的發(fā)展，走向了絕緣體上硅（silicon-on-insulator，簡(jiǎn)稱(chēng)SOI），SOI指在硅的絕緣襯底上再形成一層薄的單晶硅，相對于傳統的導電型的硅襯底，它有三層結構，第一層是厚的硅襯底層，用于提供機械支撐，第二層是薄的二氧化硅層，二氧化硅是一種絕緣體，從而形成一層絕緣結構，第三層是薄的單晶硅頂層，在這一層進(jìn)行電路的刻蝕，形成驅動(dòng)IC的工作層。

圖１.絕緣體上硅SOI（左圖）與傳統體硅(Bulk CMOS)（右圖）結構的比較

SOI在1964年由C.W. Miller和P.H. Robinson提出，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，逐漸成熟。英飛凌采用了SOI的獨特設計的柵極驅動(dòng)IC，從設計上帶來(lái)了諸多優(yōu)勢。其中，最大的優(yōu)勢在于，SOI的二氧化硅的絕緣層，能夠徹底消除體硅(Bulk CMOS)結構中襯底中的寄生PN結，從而消除了閉鎖效應，提高了驅動(dòng)芯片耐受負壓的能力。

圖2.傳統體硅(Bulk CMOS)（左圖）與絕緣體上硅SOI（右圖）寄生PN結的比較

從柵極驅動(dòng)IC的設計結構上，如圖3所示，可以清楚的看到相關(guān)電路的影響，在體硅(Bulk CMOS)的設計中，對于高邊電路，襯底連接COM電位，MOS的源極SOURCE連接VS電位，因為襯底與VS之間存在一個(gè)寄生二極管，從而在某些工況下，當COM的電位高于VS的電位時(shí)，寄生二極管會(huì )導通，產(chǎn)生無(wú)法控制的電流，從而對電路的可靠性產(chǎn)生影響。在絕緣體上硅SOI的驅動(dòng)IC中，因為二氧化硅絕緣層的存在，消除了連接COM和VS的寄生二極管，從而極大提升了驅動(dòng)IC的可靠性。

圖3.傳統體硅(Bulk CMOS)（左圖）與絕緣體上硅SOI（右圖）寄生PN結對設計的影響

驅動(dòng)芯片的耐受負壓（VS的電壓低于COM）的能力，對于電機驅動(dòng)應用，或者橋式電路帶感性負載的應用情況，都非常重要。如圖4所示，當上管Q2關(guān)閉的時(shí)候，負載電流切換到下管D1，此時(shí)電流從負母線(xiàn)流向負載?？紤]動(dòng)態(tài)的情況，在D1上的電流逐步建立的過(guò)程中，在VS~COM之間，會(huì )產(chǎn)生由Ls1和Ld1的感生電壓，以及Q1的二極管的導通電壓，總的電壓等于這三個(gè)電壓的疊加，方向上電壓在COM為正，VS為負。因為這類(lèi)應用中，負壓現象不可避免，所以驅動(dòng)IC耐受這個(gè)負壓的能力越高越好，圖4的右圖可以看出，英飛凌的SOI驅動(dòng)IC，抗負壓的能力可以達到-100V/300ns或者-60V/1000ns，這種抗負壓的能力遠遠大于JI設計的驅動(dòng)IC。

圖4.橋式電路中負壓的產(chǎn)生，及英飛凌的SOI驅動(dòng)的負壓耐受工作區

另外，SOI的結構中，因為寄生PN結的消失，器件的寄生效應減小，器件的開(kāi)關(guān)損耗也可極大的降低，并且由于漏電流的減小，靜態(tài)功耗也可以得到降低，從而使得采用SOI設計的驅動(dòng)IC，工作頻率能夠更高，整體損耗更小。圖5對比了300kHz的開(kāi)關(guān)頻率下，2ED2106（SOI設計）與IR2106(Bulk CMOS設計)的溫升對比，可以看到，2ED2106的最高溫度只有66°C，而IR2106的溫度高達122°C。

圖5.絕緣體上硅SOI與傳統體硅(Bulk CMOS)的驅動(dòng)IC的溫升比較

再次，SOI因為存在良好的介質(zhì)隔離，更方便進(jìn)行集成。英飛凌的SOI的驅動(dòng)IC集成了自舉二極管，從而能夠節省掉以前需要外加的高壓自舉二極管，從而節省系統成本。

圖6.絕緣體上硅SOI集成自舉二極管示意圖

綜上所述，絕緣體上硅SOI是柵極驅動(dòng)器的一次技術(shù)飛躍，具有負壓耐受能力強、損耗低、集成自舉二極管等一系列的優(yōu)異特性。

英飛凌已經(jīng)推出了大量的絕緣體上硅SOI的驅動(dòng)IC，電壓覆蓋200V至1200V，結構有高低邊驅動(dòng)、半橋及三相橋?？梢渣c(diǎn)擊文末“閱讀原文”，查詢(xún)相關(guān)的型號。