智能功率集成电路发展动态及技术前沿

智能功率集成电路发展动态及技术前沿

一、发展动态：

功率集成电路出现70年代后期,由于单芯片集成,功率集成电路减少了系统中的元件数、互连数和焊点数,不仅提高了系统的可靠性、稳定性,而且减少了系统的功耗、体积、重量和成本。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管(BJT)、晶闸管等,功率器件所需的驱动电流大,驱动和保护电路复杂,功率集成电路的研究并未取得实质性进展。直至80年代,由金属氧化层半导体场效晶体管(M0SFET)栅控制、具有高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型M0SFET 功率器件如功率M0SFET、绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 等的出现,使得驱动电路简单且容易与功率器件集成,才迅速带动了功率集成电路的发展,但是复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了功率集成电路的应用。进入90年代以后,功率集成电路的设计与工艺水平不断提高,性价比不断改进,逐步进入了实用阶段。迄今已经有系列功率集成电路产品问世,包括功率M0SFET智能开关、电源管理电路、半桥或全桥逆变器、两相步进电机驱动器、三相无刷电机驱动器、直流电机单相斩波器、脉宽调制器专用集成电路、线性集成稳压器、开关集成稳压器等。

一些著名国际公司在功率集成技术领域处于领先地位,如德州仪器公司(TI)、意法半导体有限公司(ST)、美信半导体公司(Maxim)、仙童半导体公司(Fairchild)、国际整流器公司(IR)、安森美半导体公司(0n_Semi)、美国PI公司等世界著名的半导体公司,已经将功

率集成电路产品系列化、标准化。

随着智能手机、笔记本电脑等便携式电子产品需求的强劲增长,以电压调整器为代表的电源管理集成电路得到迅速发展。有人认为功率集成电路重在高低压兼容的功率集成,而电源管理集成电路重在功率管理,故应独立于功率集成电路的范围之外。而笔者认为功率集成电路即是进行功率处理的集成电路,电源管理集成电路应置于功率集成电路的范围之内。

根据市场调研公司IHSiSuppli统计,2010年全球功率半导体市场中,功率集成电路占据了53%的市场份额。在功率集成电路所采用的工艺中,既有基于硅衬底(包括硅外延片)的集成工艺,又发展出基于

绝缘体上硅(SOI)的集成工艺。S0I集成电路具有高速、高集成度、低功耗和抗辐照等优点,S0I技术已成为先进硅集成技术的主流之一。由于SOI具有易于隔离的特性,使其在功率半导体技术中也有着广阔的应用前景。日本东芝公司己利用S0I技术研制成功500V/lA的三相直流无刷马达驱动电路并实现量产,S0I高压集成电路已广泛用于等离子体显示板(PDP)驱动电路和高性能IGBT大功率模块的栅驱动中。双极型CMOS-DMOS(BCD)技术是指将双极型模拟电路、CMOS逻辑电路和DMOS基高压功率器件集成在同一块芯片上的工艺集成技术,BCD己成为功率集成电的主流工艺技术。

BCD技术的众多特殊要求适应了不同的应用需要,产业发展的现

状也证明不存在“通用”的BCD技术规范,按工艺特点,BCD技术可分为髙压BCD、大功率BCD、高集成度BCD等。高压BCD主要用于PDP

等要求高耐压(100V以上)但工作电流不大的领域;大功率BCD主要用于自动控制等要求大电流、中等电压(50V左右)的领域;髙集成度BCD 则主要用于需要与CMOS非易失性存储电路工艺兼容的领域。根据系统应用电压的不同,也可将基于BCD工艺的功率集成电路分为100V以下、100~300V及300V以上3类。100V以下的产品种类最多,应用最广泛,包括DC/DC转换、液晶显示器(LCD)显示驱动、背光发光二极管(LED)显示驱动、以太网路供电协定(POE)、控制器区域网络(CAN)和本地互连网络(LIN)等;100~300V的产品主要用于PDP显示驱动和电机驱动等;300V以上的产品主要用于半桥/全桥驱动、AC/DC电源转换和高压照明LED驱动等。BCD工艺正向高压、高功率、高密度方向发展,2003年意法半导体有限公司引入了采用0.18/0.15Jim的体硅BCD 工艺;2006年瑞萨电子公司报道了0.25jun的SOIBCD工艺;2009年日本东芝公司推出了60V0.13xm的体硅BCD工艺,可应用于髙效DC/DC 的电源管理和系统级芯片(SOC)的单片集成;1.2kV的BCD技术也已在仙童半导体公司完成。

除硅基和SOI功率集成技术在不断发展外,氮化镓(GaN)功率集成在近两年也受到了国际关注。GaN功率集成技术将实现传统硅功率芯片技术所不能达到的工作安全性、工作速度及高温承受能力。2009年香港科技大学率先报道了单片集成功率晶体管和功率整流器的GaNBoost转换器,并在此基础上开发出GaN智能功率集成技术平台雏形。由于GaN电力电子器件可基于硅衬底进行研制,故异质集成有可能成为GaN功率半导体的研究热点。

在国内,在“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项等支持下,上海华虹宏力半导体制造有限公司、无锡华润上华科技有限公司和杭州士兰微电子股份有限公司等开展了40~600V 髙压BCD工艺技术研发,较好地支撑了国内功率集成电路的发展,同时,与Flash等存储工艺兼容的髙密度BCD工艺平台也在研发中。

二、技术前沿：

主电路在整流桥M加-个輸滤波电,,以有效抑制来自电网的噪声，同时满足电源产品电磁兼容性的问题。接通电源后,来自电网的交流电压经过滤波器然后进行全桥整流,整流输出的是正弦半波直流脉动电压,且电流波形中含有丰富的谐波。所设计的驱动电源电路采用

MP4021作为驱动电源芯片,与传统釆用L6562+恒流芯片的方案相比具备系统成本优势,外围电路也更简单。

圾初,芯片引脚3通过启动电阻/?,充电,当电压达到12V时'逻辑控制电路工作且栅极驱动信号开始切换,然后正常工作时芯片由辅助绕组继续供电。芯片引脚4输出P丽脉冲来控制MOSFET的通断，当MOSFET

关断时，初级电感的极性就会翻转,初级储存的能量通过次级绕组和二极管整流,并经滤波电容,然后为LEI)供电。

MP4021可控制来自初级的次级电流,通过釆样电阻将初级的电流信号转化为电压信号,然后将其反馈到芯片的內部,调粮对MOSFET栅极的脉冲占空比来实现恒流控制。

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