关键词：
局域电压采样模式
集成电压传感器
动态调控模型
IGBT
摘要：
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是工业控制、轨道交通和电网等系统中电能变换的核心器件,在串联均压、在线性能优化、在役器件健康状态监测等诸多场景都亟需IGBT电压采样关键技术的支持,以满足集成电路和系统智能化的要求,有效地保证系统正常和可靠地工作。因此,一直以来其采样的安全性、可控性和非线性误差是业界关注的焦点。现有IGBT电压采样模式的特点在于对功率器件全部电压数值域的检测,其发展受到限制:首先是采样安全性与信号分辨率的矛盾,在非调控下,采样端信号会随着电压量级的增加而增大,过大的动态范围将导致高压采样的安全性问题,若降低采样信号电平到安全范围,则影响信号的可辨识性;其次,采样特性参数的可设计性与可控性仍需要进一步解决,以提升集成式电压传感器的应用灵活性和场景适用性;最后,线性度是传感器的重要特性,如何在器件结构设计上降低采样的非线性误差,都尚未给出解决方案。
针对上述瓶颈问题,本文对IGBT的采样新模式与模型、新结构与应用进行深入研究。提出局域电压采样（Local Voltage Sensing,LVS）新模式,建立动态调控模型,提出集成器件新结构,进行流片实验验证,并开展LVS模式应用方法的探究。其主要创新点如下:
1、提出IGBT电压采样LVS新模式及其集成器件新结构。常规电压采样是全域、单工作状态模式,本文提出的LVS是局域、双工作状态模式,前者集电极电压(Vce)采样范围为0 V至额定应用电压（Vr）,LVS模式则引入采样起始电压(Vst),当Vcest时传感器处于“休眠状态”,而当Vce>Vst时处于“采样状态”。该模式聚焦于中高电压范围的局部电压数值域采样,因此可以突破高压采样的安全性与信号可辨识性瓶颈;同时,针对电压采样的温漂问题,提出功能复用思想,“休眠状态”被复用以提供结温状态信息,因此LVS模式兼具电压采样和温度采样两项功能,在获取结温的同时,可以修正电压采样的温漂特性。基于此模式,提出集成器件新结构,其特点在于“势垒的栅控性”:通过采样控制栅压(VG2)调控势垒高度,以控制载流子是否越过势垒,从而决定电压传感器处于“休眠状态”或“采样状态”,实现Vst的可控性,调整电压采样范围;借助Si基和Si C基不同类型的器件新结构验证了LVS模式的普适性,其电压量级覆盖600-3300 V、器件及材料类型包括IGBT、VDMOS和Si C MOSFET。
2、建立动态调控模型与集成新结构器件研制。在休眠和采样状态下,分析了可控势垒区的电势和电场分布,建立了势垒高度的动态调控模型,揭示了器件内部和外部的双重反馈机理,获得了势垒高度的动态调控与内部结构参数（掺杂浓度Na、高度D、半宽度W）和外部电学参数(采样控制电压VG2、采样电阻Rse)的关系,从而实现了Vst的可设计性与可控性,并使载流子越过势垒的输运方式从固有的指数调控转变为近似线性调控机制,降低了采样阶段非线性误差。借助该模型获得的设计公式,指导集成电压采样新结构的器件研制,基于6寸IGBT工艺平台,进行元胞及终端设计、工艺流程设计和版图设计并完成流片实验。测试结果显示,集成采样结构的IGBT芯片击穿电压大于1200 V、阈值电压为4.5-5.5 V、通态压降小于2 V;集成采样结构在VG2=0 V的条件下,测得Vst=622 V、采样第二阶段的非线性误差δ=3.85%;在VG2=-1 V的条件下,Vst=707 V、δ=3.42%,表明了LVS模式的可行性以及Vst的可控性,测试结果也验证了上述模型,同时说明了引入的反馈机制的正面作用;在LVS模式休眠状态下,随着温度升高采样电压近似线性上升,变化系数约为2.3 m V/K,表明其具有温度采样功能。
3、提出LVS模式的器件应用新方法。研究LVS模式的器件在应用场景中的采样精度和滑模控制下不同趋近律的控制差异,提出两种应用新方法:在直流母线电压监测应用中,LVS模式可以提升采样区间的利用效率,进而获得更好的采样精度,仿真结果表明,当设置母线电压基准为900 V、波动幅度为10%时,对应LVS模式电压变化了1.8 V,而传统采样模式电压变化仅有0.32 V,因而LVS模式具有更高的采样精度;在滑模变结构控制应用中,借助滑模控制器调控VG2可以使得传感器输出曲线收敛至预先设计的滑模曲面上,进而在应用端优化LVS传感器的采样品质,降低非线性误差,仿真结果显示,基于等速趋近律的滑模控制波形总体误差最大值为0.03 V,采样准确度可达99.0%,采样阶段整体非线性误差可降低至1.01%。
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