由于柵驅(qū)動(dòng)器的總供給電壓在 20.5 v以下，所以驅(qū)動(dòng)器需要使柵極-發(fā)射極電壓保持在-5.5v左右，這樣關(guān)斷狀態(tài)才可以抗噪聲干擾。在這種工作模式下，監(jiān)測(cè)到柵極-發(fā)射極開(kāi)啟電壓小于12.6 v，關(guān)斷電壓小于5.15v時(shí)故障清除模式就會(huì)判斷出錯(cuò)。與之相應(yīng)的啟動(dòng)電路與噪聲濾波也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。柵驅(qū)動(dòng)器的推薦供給電壓范圍為20.5 v—30v。在第二種工作模式，也就是mosfet模式下，asic同樣提供了一個(gè)0v的關(guān)斷電壓。一旦這種模式被asic監(jiān)測(cè)到，故障清除模式將把開(kāi)啟電壓8.5v作為判斷出錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)關(guān)斷電壓的電路以及+15v的控制電路都將失效。這種模式下的推薦柵驅(qū)動(dòng)器供給電壓為10 v—17.5 v。
　　igbt是電壓控制器件。通常，柵驅(qū)動(dòng)器是用電壓源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，柵電流可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臇烹娮鑱?lái)調(diào)節(jié)。這里所使用的柵驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)通和關(guān)斷輸出級(jí)都是利用擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝制造的n型ldmos晶體管實(shí)現(xiàn)的。
　　橫向器件的限制因素在于，對(duì)于相同的導(dǎo)通電阻更耗費(fèi)硅片面積，而且在一定的柵極-源極電壓下，一旦超過(guò)給定的工藝和溫度，飽和電流以及導(dǎo)通電阻將產(chǎn)生很大的變化。對(duì)于一個(gè)不增加成本的實(shí)例，柵驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)，導(dǎo)通電阻為1.1ω，偏差±40%，假定外部的柵電阻為3.3ω，那么將引起柵電流±10%的變化。此外，隨著在高結(jié)溫下dmos飽和電流的減小，它有可能到達(dá)柵電流峰值所需要的最小值，導(dǎo)通電阻的變化將進(jìn)一步地增大。最終將導(dǎo)致增加igbt柵電荷移動(dòng)的延遲時(shí)間。這種時(shí)間上的延遲將對(duì)并聯(lián)的igbt與獨(dú)立的柵驅(qū)動(dòng)器的電流分配產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

　　圖4　用來(lái)測(cè)評(píng)的即插即用型單通道igbt驅(qū)動(dòng)器，柵級(jí)性能達(dá)到20a、20w，帶有先進(jìn)的有源箝位功能，一個(gè)雙向信號(hào)變壓器接口和一個(gè)光纖接口，可以選擇使用高或低閾值vce監(jiān)測(cè)。電路示意圖（上圖），實(shí)物圖（左下圖），igbt關(guān)斷波形圖（右下圖）。
　　大型的集成dmos晶體管被一個(gè)根據(jù)工藝和溫度變化的柵極-源極電壓驅(qū)動(dòng)。此外，關(guān)斷輸出級(jí)工作在柵極-源極電壓低于5.5v的情況下時(shí)，源極導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的電壓降落同樣會(huì)被補(bǔ)償。只要有可能，有著減薄柵氧層的高電壓輸出電路都要在源極輸入電壓低于5.5v的條件下工作來(lái)增加單位面積的跨導(dǎo)，從而降低成本并減小信號(hào)的延遲。如果有可能，數(shù)字、模擬電路要配合雙輸出為5v的自備供電設(shè)備使用，這種設(shè)備已經(jīng)完全被集成在asic中了。
　　這些測(cè)量方法同樣可以對(duì)igbt瞬態(tài)工作進(jìn)行精確的控制。這幾年來(lái)，有源箝位被廣泛的應(yīng)用于igbt的關(guān)斷［1，2］，以便限制集電極-發(fā)射極電壓。除了具有有源箝位的功能外，asic合并了電路，實(shí)現(xiàn)了在igbt關(guān)斷時(shí)，對(duì)集電極-發(fā)射極電壓上升速度和箝位水平的閉環(huán)控制。所以，在整個(gè)的斷開(kāi)過(guò)程中，igbt內(nèi)部的dmos柵溝道都是導(dǎo)通的。有源箝位較高的響應(yīng)速度可以減少關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗，從而提高短路時(shí)的關(guān)斷能力。圖4所示為一個(gè)用來(lái)測(cè)評(píng)的即插即用scale-2型igbt驅(qū)動(dòng)器，它的有源箝位功能得到了改良，以及一個(gè)3300v、400a的igbt模塊的短路關(guān)斷波形。柵驅(qū)動(dòng)器和dc-dc變換器輸出級(jí)都使用了外置的n型dmos，這樣一來(lái)驅(qū)動(dòng)器的柵級(jí)性能可以達(dá)到20 a、20w，并且具有目前大部分的常用功能。這些功能包含一個(gè)雙向信號(hào)變壓器接口和幾個(gè)光纖接口，多電平模式，閉鎖時(shí)間，igbt短路集電極-發(fā)射極電壓在額定電壓3300v或以上時(shí)通過(guò)感應(yīng)電阻的高閾值監(jiān)測(cè)，不足3300v時(shí)則通過(guò)感應(yīng)二極管的低閾值監(jiān)測(cè)。
　　對(duì)于關(guān)斷輸出級(jí)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)工藝和溫度補(bǔ)償?shù)臇艠O-源極電壓在開(kāi)啟狀態(tài)下由一個(gè)適合的電荷泵電路提供，在斷開(kāi)狀態(tài)下由一個(gè)自舉的電平驅(qū)動(dòng)提供。除了一個(gè)外部的電容以外，這些都已經(jīng)集成在芯片里了。這使得輸出脈沖的占空比可以在0-1之間變化，并且可以支持對(duì)外置的n型mosfet的直接驅(qū)動(dòng)，這樣?xùn)膨?qū)動(dòng)器的柵極功率和電流就可以輕松擴(kuò)展了。盡管生產(chǎn)變復(fù)雜了，這種解決方案卻并不浪費(fèi)硅片面積，它占用的硅片面積只是簡(jiǎn)單的p-mos輸出級(jí)所占用的面積。
　　前置驅(qū)動(dòng)級(jí)通過(guò)使用分離的門(mén)級(jí)電阻分別控制開(kāi)啟和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能，可以直接驅(qū)動(dòng)?xùn)烹娙莞哌_(dá)15 nc的外置n型dmos。驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到20a 、20 w的igbt驅(qū)動(dòng)器，開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到750 khz（間歇式），300 khz（連續(xù)式），延遲時(shí)間少于50ns。asic在驅(qū)動(dòng)級(jí)提供了可編程的單層掩膜的死區(qū)時(shí)間，以此來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)定制的需要，使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。
3　設(shè)置與故障管理
　　雙向變壓器接口不論指令信號(hào)還是錯(cuò)誤信號(hào)都同樣傳送，通過(guò)短脈寬的單脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)最短的指令信號(hào)延遲時(shí)間。如果這兩種信號(hào)遇到?jīng)_突，錯(cuò)誤信號(hào)對(duì)于指令信號(hào)和dv/dt耐量占優(yōu)勢(shì)，將導(dǎo)致長(zhǎng)脈沖寬度的噪聲電流。差分信號(hào)用一個(gè)40v的高線(xiàn)性輸入電壓處理，軟箝位被用來(lái)增強(qiáng)共模噪聲抑制。為了防止出現(xiàn)反沖電壓，將通過(guò)集成的阻尼電阻和專(zhuān)門(mén)的最小脈沖時(shí)間來(lái)估測(cè)，而不需要額外的信號(hào)延遲時(shí)間。假設(shè)耦合電容為4pf，達(dá)到》50v/ns 的超強(qiáng)抗干擾性，可以抵抗高達(dá)3300v的電壓波動(dòng)。
　　由于任何故障狀況都將在1微秒內(nèi)傳遞到初級(jí)端，異步故障傳遞方式可以使并聯(lián)igbt與多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的專(zhuān)用時(shí)鐘需求得以實(shí)現(xiàn)。為了將這種情況的時(shí)間偏差減到最小，電路要通過(guò)補(bǔ)償消除溫度和工藝誤差的影響。首選的故障管理模式是在相關(guān)的igbt關(guān)斷之前報(bào)告錯(cuò)誤信息。關(guān)斷之前的延遲時(shí)間是可以在igdasic中調(diào)整的，在幾微秒范圍內(nèi)，也可以設(shè)置為0或無(wú)限大。
　　直接模式并沒(méi)有在驅(qū)動(dòng)器的通路間提供任何組合邏輯或時(shí)序邏輯的相互作用。
　　這種模式給用戶(hù)提供了最大的靈活性，因此成為高級(jí)微控制器協(xié)作系統(tǒng)的首選。在第二種模式，也就是半橋模式中，asic使用一個(gè)輸入端作為公有的指令信號(hào)，用兩個(gè)具有死區(qū)時(shí)間的輸出端（一個(gè)正向和一個(gè)反向）去避免各個(gè)igbt之間的橋臂貫通現(xiàn)象。這種模式和死區(qū)時(shí)間可以根據(jù)特殊應(yīng)用的需要而調(diào)整，調(diào)整時(shí)通過(guò)兩個(gè)或典型的六個(gè)通道為一組中的一個(gè)通道內(nèi)的單個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。第三種的預(yù)置模式可以實(shí)現(xiàn)互鎖或者互斥功能（帶有或不帶有死區(qū)時(shí)間），用戶(hù)的需求可以通過(guò)修改單層掩膜版來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　在初級(jí)端，任何故障狀況都會(huì)通過(guò)閉鎖時(shí)間延長(zhǎng)幾毫秒。在這段時(shí)間內(nèi)，相關(guān)的通道都會(huì)保持在關(guān)閉狀態(tài)下。這段時(shí)間的長(zhǎng)度可以通過(guò)兩個(gè)或典型的六個(gè)通道為一組中的一個(gè)通道內(nèi)的單個(gè)電阻來(lái)調(diào)整或者設(shè)置為0。
4　應(yīng)用
　　scale-2型芯片組作為核心平臺(tái)應(yīng)用于新一代的igbt柵驅(qū)動(dòng)器。相比于以前的芯片組，一個(gè)完整的即插即用igbt驅(qū)動(dòng)器的所有組成部分的成本可以減少60%以上［3］。
　　圖5　帶有外置n型dmos驅(qū)動(dòng)器級(jí)的雙通道igbt驅(qū)動(dòng)器核心，柵級(jí)性能為20a/4w（左圖），柵極性能為5.5a/0.8w的完全集成版（右圖）。

　　圖5 帶有外置n型dmos驅(qū)動(dòng)器級(jí)的雙通道igbt驅(qū)動(dòng)器核心，柵級(jí)性能為：20 a /4 w，柵極性能為5.5 a / 0.8w的完全集成版。圖5（左）所示為一個(gè)雙通道柵驅(qū)動(dòng)器核心，它的驅(qū)動(dòng)能力為20 a， 4 w， +15 v /-10v，柵驅(qū)動(dòng)器和dc-dc變換器輸出級(jí)使用的都是外置n型dmos：它具有雙向信號(hào)變壓器接口，提供可調(diào)整的操作模式、死區(qū)時(shí)間、閉鎖時(shí)間、先進(jìn)的有源箝位功能和一個(gè)次級(jí)故障輸入端。典型的延遲時(shí)間為110ns。代表性的應(yīng)用包括對(duì)于1700 v / 200 a，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到75 khz的igbt進(jìn)行半橋式控制。
　　圖5（右）所示為一個(gè)相似的雙通道柵驅(qū)動(dòng)器核心，它的驅(qū)動(dòng)能力為5.5 a， 0.8 w， +15 v/-10v，柵驅(qū)動(dòng)器和dc-dc變換器輸出級(jí)都是完全集成的。典型的延遲時(shí)間為88ns。體積小，更容易擴(kuò)展到7通道以及其低廉的成本使得它成為驅(qū)動(dòng)1700 v/225a igbt的最佳選擇。代表性的應(yīng)用包括對(duì)于1700v / 100 a，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到25 khz，或者是600 v / 50 a，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到75 khz的igbt進(jìn)行半橋式控制。
5　前景
　　在過(guò)去的10年里，scale技術(shù)已經(jīng)在市場(chǎng)上被確立為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，concept公司擁有的scale-2芯片組將得到更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。這個(gè)芯片組作為實(shí)現(xiàn)新一代igbt柵驅(qū)動(dòng)器的核心平臺(tái)，在可靠性、功能性、可擴(kuò)展性、成本以及投入到市場(chǎng)的時(shí)間方面都有所提高。這些提高要?dú)w功于使用被大規(guī)模應(yīng)用的scale型驅(qū)動(dòng)器，它經(jīng)過(guò)了廣泛的試用與測(cè)試。