Материалы Международной научно-технической конференции, 14 – 17 ноября 2011 г.

МОСКВА INTERMATIC – 2 0 1 1, часть 1 МИРЭА

ПРОБЛЕМЫ ИНТЕГРАЦИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИЛОВЫХ КЛЮЧЕЙ

© 2011 г. Е.А. ТРУДНОВСКАЯ, А.М. ЛАГУН, П.Р. МАШЕВИЧ, А.Д. ВОРОБЬЕВ, М.В. СЛАДКОВ, А.А. ЛУКЬЯНОВ

ОАО «Ангстрем», г. Москва

e-mail: diamond@angstrem.ru

На рынке электронных ключей пока еще доминируют дискретные силовые ДМОП транзисторы. По основным параметрам – малым сопротивлениям (от единиц мОм), высоким напряжениям (до 2000 В), высокому быстродействию (частота работы до 500 кГц) они являются почти идеальными ключами. ДМОП транзисторы выпускают-ся в огромном количестве большим количеством производителей. Использование ДМОП транзисторов требует комплектации их соответствующими драйверами и, для снижения динамических потерь мощности, быстро восстанавливающимися диодами. Однако основным недостатком дискретных ДМОП транзисторов является отсутствие внутренних защит от перегрузок по току и напряжению. Использование внешних за-щит не всегда эффективно, например, перегрев кристалла ДМОП транзистора должен контролировать температурный датчик, расположенный на том же кристалле. Пере-грузку по току лучше контролировать отводом тока от истока в соотношении, например 1:5000. Для дискретного транзистора это приводит к появлению дополнительного вы-вода.

Из-за больших плотностей тока и работы на индуктивные нагрузки дискретные ДМОП транзисторы в нештатных ситуациях могут выходить из строя и приводить к от-казу соответствующей электронной системы. Поэтому с самого начала массового ис-пользования мощных ДМОП транзисторов использовались различные внешние схемы защиты, а также возникали идеи интегрировать транзистор со встроенной защитой.

Термин «интеллектуальная мощная ИС» впервые появился в статье Г. Бир-мана в 1985 году в журнале «Electronics. С этого времени ведущими полупроводнико-выми компаниями проделана огромная работа и достигнут значительный прогресс. Массовая замена дискретных ДМОП транзисторов интеллектуальными силовы-ми ключами началась с автомобильной промышленности. Все крупные полупроводни-ковые компании Infineon (Siemens), STMicroelectronics, Philips, Motorola, Fuji Electric, In-ternational Rectifier и др. выпустили семейства автомобильных интеллектуальных клю-чей на напряжения 12, 24 и 42 В. В настоящее время сфера применения интеллекту-альных силовых ключей (ИСК) расширяется, затрагивая, в первую очередь, те направ-ления, где нужна повышенная надежность. Это военная техника, авиация, транспорт, связь и т.д.

В работе рассмотрены технологические и схемотехнические проблемы интегра-ции ИСК с малыми сопротивлениями в открытом состоянии. В настоящее время по этому параметру хорошо решен диапазон коммутируемых напряжений до 60 В. Для этого используется вертикальная конструкция ДМОП транзистора с традиционной N-N+ эпитаксией. Более высоковольтный диапазон коммутируемых напряжений в на-стоящее время не имеет удовлетворительного решения в монолитном исполнении.

1. Элементная база интеллектуальных силовых ключей

В работах [1-6] рассмотрены технологические процессы и элементная база, ис-пользуемая для разработки монолитных ИСК на коммутируемые напряжения до 60 В.

176

Для обеспечения защитных функций, управления мощным ДМОП транзистором и вы-вода информации о состоянии ключа на контроллер (употребляется термин – интел-лектуальные функции), технологический процесс должен обеспечить широкую номенк-латуру компонентов, приведенную в Табл. 1.

Таблица 1

Компоненты Максимальное рабо-чее напряжение, В

Высоковольтные (HV) КMOП транзисторы 90 Низковольтные (LV) КMOП транзисторы 15 Силовой ДMOП транзистор 90 Высоковольтные NPN подложечные транзисторы 90 Высоковольтные (HV) NМОП транзисторы со встроенным каналом

90

Высоковольтные (HV) резисторы, Rs=1…5 кОм/кв 90 Диоды Зенера (стабилитроны) ~7 и ~14 В Низковольтные (HV) емкости 30 Высоковольтные (LV) емкости 90

2. Технологические проблемы монолитной интеграции В ОАО «Ангстрем» силовые интеллектуальные ключи выполнены по эпитакси-

альной технологи на N+ подложке с «самоизоляцией» компонентов и интеграцией пе-речисленных в Табл. 1 компонентов на одном кристалле.

При разработке маршрута изготовления основными проблемами явились: - создание на относительно слаболегированной эпитаксиальной пленке (ρV =2-5

Ом·см) и толщиной порядка 8…10 мкм HV КМОП и силового ДМОП транзисторов с пробивными напряжениями 90…100 В;

- разработка конструкции и технологии HV КМОП транзисторов с напряжениями пробоя 90…100 В по технологии с полным прообеденением стоковой области под за-твором, т.н. RESURF технология (REduced SURface Field);

- обеспечение поверхностной изоляции HV компонентов созданием поликрем-ниевых расширенных электродов, N+ и Р+ охранных колец;

- обеспечение высоких пробивных напряжений исток-подложка LV РМОП тран-зисторов, учет влияния потенциала подложки на изменение порогового напряжения.

На Рис. 1 представлена зависимость порогового напряжения LV РМОП транзи-сторов от напряжения на подложке.

На Рис. 2 представлен HV NМОП транзистор с N-RESURF об-ластью в области стока. Схема включения такого транзистора пред-полагает подачу положительных на-пряжений на сток D и N+ подложку, а области истока S с затвором G близ-ки к потенциалу земли. При пра-вильно выбранных концентрациях в Р кармане и N-RESURF области, при подаче соответствующего положи-тельного напряжения область обед-нения распространяется до поверх-ности стока под затвором, прежде, чем наступит лавинный пробой. Таким образом, обеспечивается повышение пробивных напряжений HV КМОП транзисторов.

Известно, например [7], чтобы RESURF область обеспечивала прообеднение слоя до наступления пробоя, произведение толщины слоя на его концентрацию d·N не должно превышать 1.2·1012 см-2.

Зависимость порогового напряжения LV PMOS транзистора от напряжения на подложке

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Обратное смещение между истоком и подложкой,В

Пороговое нап

ряжен

ие,

В

Рис. 1. Зависимость порогового напряжения LV РМОП транзисторов от напряжения на подложке.

177

Р и N - RESURF области широко используются в различных конструктивных ва-риантах для обеспечения высоковольтности МОП транзисторов. Интегральная RESURF технология успешно используется для получения пробивных напряжений до 700 В. Естественно, выбирается соответствующая величина удельного сопротивление подложки или эпитаксиального слоя.

Для изготовления ИСК с напряжениями до 60 В был разработан технологиче-ский маршрут, включающий 12 фотокопий. Напряжение изоляции компонентов 95 В.

На Рис. 3 представлены типовые выходные характеристики HV NMOП и РМОП транзисторов, изготовленных по разработанному технологическому маршруту. Фото-графии сделаны с экрана прибора для измерения параметров транзисторов ПНХТ-2.

3. Схемотехнические проблемы монолитной интеграции

Современные силовые ключи должны обеспечивать все типы резистивных, ин-дуктивных и ёмкостных нагрузок. В зависимости от подключения к напряжению питания силового ДМОП транзистора интеллектуальные ключи делятся на ключи нижнего уровня и ключи верхнего уровня.

В ОАО «Ангстрем» были разработаны и изготовлены образцы кристаллов мо-нолитных интеллектуальных силовых ключей верхнего и нижнего уровня с N-канальным мощным ДMOП транзистором.

3.1. Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня

Ключ верхнего уровня работает с накачкой заряда в диапазоне рабочих напря-жений до 42 В и состоит из мощного ДMOП транзистора и схемы управления, выпол-няющей различные встроенные защитные функции. Ключ верхнего уровня имеет со-

Рис. 3. Выходные характеристики HV NMOП и РМОП транзисторов.

Рис. 2. Иллюстрация полного прообеднения области стока под затвором, введением специальной N-RESURF области с малым легированием. Область обеднения показана штриховкой.

N+ подложка N - эпи-

Р-N-RESURFN

Р РN N+

D+V

+V

S S

GG

178

вместимый с КMOП вход, диагностическую обратную связь и контролируемый по току вывод - пропорциональный датчик тока, монолитно интегрированный в конструкцию силового ДМОП транзистора для контроля тока нагрузки.

Защитные функции ключа верхнего уровня: - КМОП совместимый вход; - отключение при перенапряжении и низком напряжении с автоматическим пе-

резапуском и гистерезисом; - быстрое размагничивание индуктивных нагрузок; - логическая «земля» не зависит от земли нагрузки; - защита от короткого замыкания; - защита от перегрузки по току; - выключение при превышении температуры; - защита от перенапряжения (включая сброс нагрузки) с внешним резистором; - защита от обратного тока с внешним резистором; - защита от потери «земли» и напряжения питания; - защита от статического электричества; - датчик тока, пропорциональный нагрузочному току; - диагностическая обратная связь с выходом типа «открытый сток»; - выявление обрыва нагрузки в выключенном состоянии с внешним резистором; - обратная связь при отключении по температуре во включенном состоянии. На Рис. 4 представлена структурная схема монолитного ключа верхнего уровня. Внутренний стабилизатор напряжения преобразует напряжение питания ИСК в

напряжение питания блока логики (~5 В). Блок фиксации повышенного напряжения пи-тания защищает все блоки (кроме мощного ДМОП транзистора) от повышенного напря-жения (с внешним резистором в цепи GND). Блок фиксации напряжения индуктивных выбросов открывает мощный ДМОП транзистор при возникновении индуктивного вы-броса и таким образом защищает мощный ДМОП транзистор от пробоя высоким на-пряжением. Блок защиты от повышенного и пониженного напряжения питания с авто-матическим перезапуском обеспечивает выключение мощного ДМОП транзистора при повышенном и пониженном напряжении питания. Блок защиты кристалла от перегрева и короткого замыкания защищает ключ при достижении критической температуры кри-сталла (TО>150º С) и выдаёт сигнал ошибки на выход состояния ST1. После охлажде-ния ключ автоматически запускается вновь и работоспособность восстанавливается. Если перегрузка не устранена, то такие температурные циклы будут периодически по-вторяться. Блок ограничения тока нагрузки подключен к отводу тока мощного ДМОП транзистора, ток в цепи отвода пропорционален току нагрузки, при достижении крити-

Рис. 4. Структурная схема и условное графическое обозначение одноканального ИСК верхнего уровня в монолитном исполнении.

179

ческого значения тока нагрузки блок уменьшает напряжение на затворе мощного ДМОП транзистора, что приводит к увеличению сопротивления RDSON мощного ДМОП транзистора и к уменьшению тока нагрузки. Блок обнаружения обрыва (холостого хо-да) в цепи нагрузки определяет обрыв нагрузки при выключенном ключе и подключен-ном внешнем резисторе “подтяжки” к напряжению питания. Блок логики обеспечивает управление всеми блоками ИСК.

Дополнительный выход состояний ST1 позволяет контролировать состояние ключа во время работы и при включении. Сигнал состояния ключа имеет выход с от-крытым «стоком». Состояние с открытым стоком требует подключение к выходу ST1 резистора 5 кОм. Несколько выходов с открытым стоком могут подключаться к одному резистору. Эта комбинация («проводное И») дает высокий уровень сигнала, когда нет ошибочных сигналов, и низкий уровень, если один или больше выходов с открытым стоком выдают сигнал ошибки.

Накачка заряда формирует увеличенное напряжение на затворе, необходимое для быстрого срабатывания мощного ДМОП транзистора. «Зарядовый насос» активи-руется входным сигналом, утраивая напряжение питания, которое подается на затвор мощного ДМОП транзистора. В Табл. 2 представлены основные характеристики интеллектуальных силовых ключей верхнего уровня в монолитном исполнении, разработанных ОАО «Ангстрем».

Таблица 2. Параметры защиты

Число каналов

Число выводов

Uвых макс, В

Iном, А

RDSON, мОм

VСС, В Iстаб,

(А) Tвыкл,

C° 1 6 60 8 60 42 60 150 2 20 60 12 30 42 60 150

3.2. Интеллектуальные силовые ключи нижнего уровня Ключ нижнего уровня состоит из мощного ДМОП транзистора и схемы управ-

ления, которая имеет встроенную защиту от перегрузок. Защитные функции ключа нижнего уровня: – КМОП совместимый вход; – отключение при перегреве кристалла с защелкой; – защита от перегрузки по току; – защита от короткого замыкания; – защита от перенапряжения; – ограничение тока; – проверка состояния с помощью внешнего резистора; – возможность аналогового управления; – защита входов от статического электричества. Использование входа управления для диагностики режимов работы ключа по-

зволяет обойтись 3/4 выводами корпуса. Малое количество выводов и простота схемы включения, делают этот прибор более дешевым, по сравнению с ключом верхнего уровня.

На Рис. 5 представлена структурная схема ИСК нижнего уровня в монолитном исполнении с регулируемым током ограничения и датчиком тока.

Вход управления ИСК этого типа одновременно является и входом диагностики рабочего состояния прибора по величине входного тока. Ключи этого класса защище-ны от перегрева кристалла (температура выключения 150°С), имеют оптимизирован-ные длительности фронтов и спада импульсов для минимизации создаваемых элек-тромагнитных помех, реализована функция активного ограничения тока. Низкий вход-ной ток и совместимость с логическими уровнями позволяют упростить управление ключами от микроконтроллера и исключить дополнительные электронные компоненты.

180

В Табл. 3 представлены основные характеристики ИСК нижнего уровня в моно-

литном исполнении, разработанных ОАО «Ангстрем».

Таблица 3.

Число выводов

Uвых макс,В

RDSON,мОм Iном, A Iстаб,A Tвыкл, C° Вход

управл. и диагностики

3/4 60 40 19 30 150 1

Заключение В результате в ОАО «Ангстрем» были решены следующие задачи: - разработана технология производства ИСК верхнего и нижнего уровней в

виде монолитных интегральных схем с развитой системой управления и контроля; - разработаны и изготовлены экспериментальные образцы ИСК.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. W.C. Dunn. Driving and Protection of High Side NMOS Power Switches. IEEE Transac-tion on Industry Application Vol. 28, No. 1, 1992

2. W. Pribyl. Integrated Smart Power Circuits Technology, Design and Application. Siemens Entwicklungszentrum für Mikroelektronik Ges.m.b.H.

3. H. Zitta et all. A 60-V CMOS DC/DC Converter for ISDN Application. IEEE Journal of Solid-State Circiuts, Vol. 23, No 3, 1988.

4. A. Marty-Blavier at all. А Cost Effective Smart Power Technology for 45V Application. Motorola Semiconductors SA, Le Mirail BP1029.

5. T. Morimoto et all. High-Side Intellegent Power Switch Technology. Vol. 40 No 4, Fuji Electric Review.

6. K. Yoshida et all. A Self-Isolated CDMOS Technology for the Integration of Multi-Channel Surge Protection Circuits.

7. Study on Process Integration of High-Voltage BCDMOS IC. Internet.

Блок защиты от статического электричества

Блок защиты от перегрузки

Блок ограничения времени

включения/выключения

ключа

Блок защиты от перегрева

Блок ограничения тока

нагрузки

Блок защиты от

перенапряжения

Блок защиты от короткого

замыкания (КЗ)

IN

D

ДМОПтранзистор

GND

СС

In1TS

Рис. 5. Структурная схема интеллектуального силового ключа нижнего уровня с фиксированным током ограничения в монолитном исполнении.

181