绝缘体上硅（SOI）驱动芯片技术优势及产品系列

作者：沈嵩 李青霞
 
在之前的技术文章中，介绍了驱动芯片的概览和PN结隔离(JI)技术，本文会继续介绍英飞凌的绝缘体上硅（SOI）驱动芯片技术。

高压栅极驱动IC的技术经过长期的发展，走向了绝缘体上硅（silicon-on-insulator，简称SOI），SOI指在硅的绝缘衬底上再形成一层薄的单晶硅，相对于传统的导电型的硅衬底，它有三层结构，第一层是厚的硅衬底层，用于提供机械支撑，第二层是薄的二氧化硅层，二氧化硅是一种绝缘体，从而形成一层绝缘结构，第三层是薄的单晶硅顶层，在这一层进行电路的刻蚀，形成驱动IC的工作层。

图１.绝缘体上硅SOI（左图）与传统体硅(Bulk CMOS)（右图）结构的比较

SOI在1964年由C.W. Miller和P.H. Robinson提出，经过几十年的发展，逐渐成熟。英飞凌采用了SOI的独特设计的栅极驱动IC，从设计上带来了诸多优势。其中，最大的优势在于，SOI的二氧化硅的绝缘层，能够彻底消除体硅(Bulk CMOS)结构中衬底中的寄生PN结，从而消除了闭锁效应，提高了驱动芯片耐受负压的能力。

图2.传统体硅(Bulk CMOS)（左图）与绝缘体上硅SOI（右图）寄生PN结的比较

从栅极驱动IC的设计结构上，如图3所示，可以清楚的看到相关电路的影响，在体硅(Bulk CMOS)的设计中，对于高边电路，衬底连接COM电位，MOS的源极SOURCE连接VS电位，因为衬底与VS之间存在一个寄生二极管，从而在某些工况下，当COM的电位高于VS的电位时，寄生二极管会导通，产生无法控制的电流，从而对电路的可靠性产生影响。在绝缘体上硅SOI的驱动IC中，因为二氧化硅绝缘层的存在，消除了连接COM和VS的寄生二极管，从而极大提升了驱动IC的可靠性。

图3.传统体硅(Bulk CMOS)（左图）与绝缘体上硅SOI（右图）寄生PN结对设计的影响

驱动芯片的耐受负压（VS的电压低于COM）的能力，对于电机驱动应用，或者桥式电路带感性负载的应用情况，都非常重要。如图4所示，当上管Q2关闭的时候，负载电流切换到下管D1，此时电流从负母线流向负载。考虑动态的情况，在D1上的电流逐步建立的过程中，在VS~COM之间，会产生由Ls1和Ld1的感生电压，以及Q1的二极管的导通电压，总的电压等于这三个电压的叠加，方向上电压在COM为正，VS为负。因为这类应用中，负压现象不可避免，所以驱动IC耐受这个负压的能力越高越好，图4的右图可以看出，英飞凌的SOI驱动IC，抗负压的能力可以达到-100V/300ns或者-60V/1000ns，这种抗负压的能力远远大于JI设计的驱动IC。

图4.桥式电路中负压的产生，及英飞凌的SOI驱动的负压耐受工作区

另外，SOI的结构中，因为寄生PN结的消失，器件的寄生效应减小，器件的开关损耗也可极大的降低，并且由于漏电流的减小，静态功耗也可以得到降低，从而使得采用SOI设计的驱动IC，工作频率能够更高，整体损耗更小。图5对比了300kHz的开关频率下，2ED2106（SOI设计）与IR2106(Bulk CMOS设计)的温升对比，可以看到，2ED2106的最高温度只有66°C，而IR2106的温度高达122°C。

图5.绝缘体上硅SOI与传统体硅(Bulk CMOS)的驱动IC的温升比较

再次，SOI因为存在良好的介质隔离，更方便进行集成。英飞凌的SOI的驱动IC集成了自举二极管，从而能够节省掉以前需要外加的高压自举二极管，从而节省系统成本。

图6.绝缘体上硅SOI集成自举二极管示意图

综上所述，绝缘体上硅SOI是栅极驱动器的一次技术飞跃，具有负压耐受能力强、损耗低、集成自举二极管等一系列的优异特性。

英飞凌已经推出了大量的绝缘体上硅SOI的驱动IC，电压覆盖200V至1200V，结构有高低边驱动、半桥及三相桥。

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