絕緣體上硅（SOI）驅動芯片技術優勢及產品系列

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

高壓柵極驅動IC的技術經過長期的發展，走向了絕緣體上硅（silicon-on-insulator，簡稱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，在這一層進行電路的刻蝕，形成驅動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，經過幾十年的發展，逐漸成熟。英飛凌采用了SOI的獨特設計的柵極驅動IC，從設計上帶來了諸多優勢。其中，最大的優勢在于，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IC的設計結構上，如圖3所示，可以清楚的看到相關電路的影響，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，寄生二極管會導通，產生無法控制的電流，從而對電路的可靠性產生影響。在絕緣體上硅SOI的驅動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

驅動芯片的耐受負壓（VS的電壓低于COM）的能力，對于電機驅動應用，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關閉的時候，負載電流切換到下管D1，此時電流從負母線流向負載。考慮動態的情況，在D1上的電流逐步建立的過程中，在VS~COM之間，會產生由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電壓的疊加，方向上電壓在COM為正，VS為負。因為這類應用中，負壓現象不可避免，所以驅動IC耐受這個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IC。

圖4.橋式電路中負壓的產生，及英飛凌的SOI驅動的負壓耐受工作區

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，器件的開關損耗也可極大的降低，并且由于漏電流的減小，靜態功耗也可以得到降低，從而使得采用SOI設計的驅動IC，工作頻率能夠更高，整體損耗更小。圖5對比了300kHz的開關頻率下，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IC的溫升比較

再次，SOI因為存在良好的介質隔離，更方便進行集成。英飛凌的SOI的驅動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是柵極驅動器的一次技術飛躍，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異特性。

英飛凌已經推出了大量的絕緣體上硅SOI的驅動IC，電壓覆蓋200V至1200V，結構有高低邊驅動、半橋及三相橋。可以點擊文末“閱讀原文”，查詢相關的型號。