论文总字数：32211字

摘 要

高压集成电路是在同一芯片上集成高压器件与低压控制单元的一种集成电路，在电机驱动、开关电源、汽车电子以及通讯等方面有着广泛的应用。高压栅极驱动芯片是典型的高压集成电路，在高压栅极驱动电路中通常有两条信号通路，为了实现高低侧信号的同步，通常需要在低侧通路中添加延时电路。根据应用场所的需要，高压栅极驱动芯片有时会长期工作在较恶劣的环境中，为了使功率MOSFET正确的开启和关断,延时电路必须在较宽的温度范围内保持稳定的输出信号，所以延时电路的高低温特性非常重要。

本文的主要内容有：简述了功率集成电路的特点与发展；描述了高压功率栅驱动芯片的特点和主要应用；分析了半桥驱动电路的电路结构和工作原理；详细分析了延时电路的工作原理，并设计了主要模块电路；以功率栅驱动芯片延时电路为载体，利用仿真软件研究电路参数对延时温度特性的影响，并以此为基础，设计了一款低温漂延时电路。

本文采用了东南大学ASIC工程中心PIC课题组开发的600V BCD工艺，在Cadence设计平台下，运用Spectre仿真软件对各个电路模块进行了仿真分析，以理论分析和仿真结果为基础对电路参数进行了验证。

关键词：功率集成电路，高压栅极驱动电路，半桥驱动，延时电路，温度特性

A STUDY ON THE HIGH-VOLTAGE GATE DRIVE IC WITH LOW-TEMPERATURE COFFICIENT PROPAGATION DELAY TIME

Abstract

High voltage integrated circuit (HVIC) is one of integrated circuit which integrates high voltage device and low voltage control unit on a chip, it has been widely used in the motor drive, switching power supply, automotive electronics and communication. High-voltage gate driver IC is a typical high voltage integrated circuit, there usually exists two signaling pathways in high-voltage gate driver circuit, in order to realize the synchronization of high side and low side signal, it is usually necessary to add a delay circuit in the low side pathway. According to the needs of different application, high voltage gate driver IC sometimes works in harsh environment for a long time, in order to ensure the power MOSFET turn on and turn off right, the delay circuit must maintain a stable output signal in a wide temperature range, so the high and low temperature performances of the delay circuit is very important.

The main contents of this paper are: characteristics and development of power integrated circuits (PIC) is briefly introduced in this paper; describe the features and main applications of the high-voltage power gate drive chip; analyze the structure and principle of half bridge drive circuit; a detailed analysis of the delay circuit’s working principle, and designs the main circuit module; Set the power gate drive chip delay circuit as the carrier, and research the effects between the temperature characteristic of delay circuit and circuit parameters by using simulation software, and on this basis, design a low-temperature drift delay circuit.

This paper takes the 600V BCD process developed by Southeast University ASIC Engineering Center’s PIC group, simulation and analysis of every circuit module have been made by using Spectre simulation software in Cadence design platform, and the circuit parameters is verified on the basis of theory analysis and simulation results.

Key words: power integrated circuits (PIC), high voltage gate drive circuit, half bridge drive circuit, delay circuit, temperature characteristic

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 功率集成电路 1

1.1.1 功率集成电路的发展 1

1.1.2 功率集成电路的应用 2

1.2 高压栅极驱动电路 3

1.2.1 高压MOS器件及其特点 3

1.2.2 BCD工艺 4

1.2.3 高压栅极驱动电路设计要点 5

1.3 国内外研究现状 6

1.4 论文主要内容和结构安排 7

1.4.1 论文主要内容 7

1.4.2 论文结构安排 7

第二章 半桥驱动芯片的工作原理 8

2.1 半桥式电路结构与驱动方式 8

2.1.1 半桥式电路结构 8

2.1.2 半桥式电路结构的驱动 8

2.2 半桥驱动芯片内部结构与工作原理 9

2.2.1 半桥驱动芯片内部结构 9

2.2.2 半桥驱动芯片工作原理 10

第三章 延时电路子电路的分析与设计 12

3.1 RC延时电路 12

3.1.1 温度对电阻的影响 12

3.1.2 电阻的低温度系数实现 13

3.1.3 RC延时电路原理 14

3.2 反相器分析 16

3.2.1 温度对MOS器件的影响 16

3.2.2 直流特性 17

3.2.3 开关特性 17

3.2.4 反相器及输出缓冲电路设计 19

3.3 施密特触发器 20

第四章 低温漂延时电路的设计与仿真 23

4.1 低温漂延时电路的设计 23

4.2 低温漂延时电路的仿真 24

4.2.1 子电路的仿真 24

4.2.2 总电路的仿真 26

第五章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

致谢 31

参考文献 32

第一章 绪 论

• 1. 功率集成电路
     1. 功率集成电路的发展

随着现代科学技术的不断发展，半导体技术逐渐向两大方向分化。其一是微电子技术，核心是大规模集成电路，对信息进行处理运算、储存与变换等；另一方向的核心是功率半导体器件，对电能的转换与处理是其主要功能^[1]。按照器件结构的不同，功率半导体器件可分为功率集成电路（Power Integrated Circuit，PIC）和功率分立器件两大类。

功率集成电路（PIC）在单块芯片上不仅仅集成了多种高压功率器件，还集成了一系列信号处理模块，如接口电路模块、检测和诊断电路模块、保护电路模块等。以往，功率集成电路被分为两类，其一称为智能功率集成电路（Smart Power IC，SPIC），另一称为高压集成电路（High Voltage IC，HVIC）。但随着功率集成电路自身的发展和半导体工艺的成熟，SPIC和HVIC在各领域不停地相互渗透，在芯片工作电压、内部器件结构以及应用范围上都很难给出确切的界定，于是人们将二者统称为智能功率集成电路。目前SPIC已经实现了传感、保护、功率控制及接口等功能，其基本结构可参见图1-1^[2]。功率控制电路实现对功率器件的控制，包括电平移位电路、时序控制电路等，是SPIC最重要的部分。驱动电路和功率集成器件结合起来实现对电压和电流的改变，驱动电路提供给功率集成器件足够高的栅极电压，对于图腾式连接的功率管还要实现高低压之间的电平转换。当系统中出现输出级短路、负载过重、芯片电源电压不正常等有害情况时，传感电路与保护电路及时做出改变，调整功率集成器件工作在安全范围内。检测电路主要对芯片中过电压、过电流、过热以及空载和欠电压等情况进行检测，其中对欠电压的检测主要是为了防止低电压下开启器件增加损耗，确保栅极电压足够大，功率器件能够正常开启。SPIC的接口电路采用高密度CMOS电路技术，具有逻辑功能，不仅能接收微处理器的信号，还能将芯片的工作状态发送给微处理器，包括空载或短路信息以及过热关闭等有关负载监控的信息。由于具有功率化、集成化和智能化的特点，SPIC在电机驱动、智能开关、平板显示驱动、汽车行业等领域得到了广泛的应用。

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