[发明专利]一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法

说明书

本发明属于半导体器件设计领域，尤其是一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法。本发明针对现有技术存在的问题，通过设计与IGBT电路结构在同一片硅片上加工的触发控制初级电源电路、正负极性栅极电压控制电路，采用绝缘隔离的触发方法控制栅极相对源极的电位差，从而控制IGBT的通断，用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。本发明中当正极性栅极电压控制电路的光控制开关未受光照时，负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，正极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行正极性充电，当IGBT栅极电压达到导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通。

技术领域

本发明属于半导体器件设计领域，尤其是一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法。

背景技术

目前，IGBT均设计为电压控制器件(图1)，栅极为金属电极，在栅极和源极之间施加足够高的正向驱动电压信号，在栅极下方的P区会形成一个反型层，即N导通沟道，经由这个通道，电子从源极下方的N+区注入N-区，使IGBT进入导通状态。当栅极与源极之间的正向驱动电压消失，栅极与源极电位差低于IGBT导通所需的电压阈值时，IGBT截止。因此，目前IGBT的导通是由栅极驱动电压信号在栅极下方的P区形成N型导通沟道控制的，需要通过外接馈线由驱动电路为栅极馈送正向电压信号。IGBT由截止状态向导通状态转换的时间由栅极注入电流和IGBT结构参数决定。目前，由于IGBT结构的限制，对额定工作电流数百安培以上的大功率IGBT而言，栅极结构电容较大，IGBT的状态转换时间通常在百纳秒以上。同时，在多个IGBT串联使用时，电脉冲触发方式会带来IGBT的绝缘隔离问题。通过对IGBT栅极区结构进行特殊设计并采用匹配的触发方式，可以解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种集成光触发一体化IGBT结构及设计方法，即通过设计触发控制初级电源电路、负极性栅极电压控制电路以及正极性栅极电压控制电路，并使其与IGBT源极、漏极连通，采用绝缘隔离的触发方法控制栅极下方导电沟道的形成，控制IGBT的通断，与IGBT电路结构在同一片硅片上加工，用于解决IGBT的绝缘隔离及状态转换时间长的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种集成光触发一体化IGBT结构包括：

触发控制初级电源电路，用于跨接在IGBT源级和漏极之间，当IGBT漏极(D极)与IGBT源级(S极)存在电位差U₀时，通过触发控制初级电源电路输出端为负极性及正极性栅极电压控制电路进行储能充电，触发控制初级电源电路为栅极电压控制电路提供的阈值储能电压值为U₁；U₀U₁；U₁＝U_g+U_k+U_MF+U_m；U_g为使IGBT导通所需的栅极(G极)-源极电位差，U_k为光控制开关PCSS导通压降，U_MF为第一电源模块工作压降，U_m为由工作模式和回路杂散参数确定的调整电压，一般情况下U_m≤3V；

负极性栅极电压控制电路，用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关(PCSS)未受光照时，负极性栅极电压控制电路对IGBT栅极进行负极性充电，使得IGBT保持关断状态；

正极性栅极电压控制电路，用于设置在触发控制初级电源电路输出端与IGBT栅极之间；当正极性栅极电压控制电路的光控制开关受到光照时，对IGBT栅极进行正极性充电，当充电满足IGBT栅极导通控制电脉冲参数要求时，IGBT导通；当器件设计时以器件寿命为优先考虑因素时，光控制开关设定为线性工作模式时，光控制开关的导通时间约等于光脉冲脉宽；