專利名稱：用于控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的集成電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種用于控制設(shè)置為單個開關(guān)或一個橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)的集成電路結(jié)構(gòu)。這種功率開關(guān)的橋式結(jié)構(gòu)已知作為單相、雙相或三相半橋電路或作為H橋電路，其中單相半橋是功率電子電路的基礎(chǔ)構(gòu)件。在一個半橋電路中兩個功率開關(guān)設(shè)置為一個串接電路，兩個開關(guān)中第一個稱為TOP開關(guān)，第二個稱為BOT開關(guān)。通常這種半橋具有與一個直流中間回路的連接。典型地，中間接點連接于一個負載。
背景技術(shù)：
在具有一個功率半導(dǎo)體構(gòu)件或具有多個以同樣形式相互串接的功率半導(dǎo)體構(gòu)件的功率開關(guān)結(jié)構(gòu)中為了控制功率開關(guān)必須有一個控制電路。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，通常此控制電路由多個子電路或功能塊組成。由上級配置的控制裝置發(fā)出的控制信號在第一子電路-控制邏輯電路-中被處理并通過其它元件送到驅(qū)動電路，最終送到相應(yīng)功率開關(guān)的控制輸入端。在具有更高的中間回路電壓-例如大于100伏-的半橋結(jié)構(gòu)中，用于處理控制信號的控制邏輯電路在電位/電氣上與驅(qū)動電路相隔離，因為相應(yīng)的功率開關(guān)分別處于不同的電位上，因此在電壓上的絕緣是必要的。在現(xiàn)有技術(shù)中這種隔離例如通過變壓器、光耦或光波導(dǎo)實現(xiàn)。這種電氣隔離至少適合于TOP開關(guān)，但是在較高功率時也適合于BOT開關(guān)，這是由于對開關(guān)上地電位可能有嚴(yán)格的要求。
已知的還有用于直至600伏電壓等級的功率開關(guān)的集成電路結(jié)構(gòu)，它們不采用外部的電氣隔離。它們是單片集成電路，其中按照現(xiàn)有技術(shù)采用諸如所謂SOI(絕緣器上的硅樹脂，Silicon on isolator)工藝的電平移位器，以實現(xiàn)控制邏輯電路與真正驅(qū)動電路的電氣隔離。這種工藝對于更高的電壓等級在技術(shù)上受到限制，并且成本過高。
此外還已知了借助“結(jié)隔離(junction isolation)”的控制邏輯電路及驅(qū)動電路的單片集成。這種技術(shù)可應(yīng)用于直至1200伏的電壓等級。但這種集成電路結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)技術(shù)上的成本很高，因而價格昂貴。此外它存在以下技術(shù)問題例如具有漏電流和鎖止效應(yīng)，此外在較高溫度(大于125℃的工作溫度)下及在快速動態(tài)過程中對地電位有嚴(yán)格要求時也會出現(xiàn)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種集成電路結(jié)構(gòu)，它采用已知的生產(chǎn)工藝并可用于較高的電壓等級，此電壓等級高于該生產(chǎn)工藝通常適用的電壓等級，并且它同時也適用于超過125℃的更高工作溫度下。
按照本發(fā)明，上述任務(wù)由具有權(quán)利要求1或2所述特征的措施完成。從屬權(quán)利要求中給出本發(fā)明具有優(yōu)點的實施方式。
根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)用于控制設(shè)置為單個開關(guān)或橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)。這里橋電路是經(jīng)常應(yīng)用的，因此在下面對其重點說明。在橋電路中TOP和BOT開關(guān)串聯(lián)連接，并且與一個直流中間回路和一個負載相連接。這里橋電路可以有不同的結(jié)構(gòu)，例如構(gòu)成成單相、兩相或三相半橋，或者構(gòu)造成具有另一個功率開關(guān)-即所謂制動斷路器的三相橋。與橋電路的結(jié)構(gòu)相關(guān)地，根據(jù)本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)具有第一集成控制芯片和至少一個第二集成控制芯片。第一控制芯片包括多個功能組，其中有控制邏輯電路和至少一個BOT開關(guān)驅(qū)動器和至少一個用于TOP開關(guān)的第一電平移位器。至少一個第二集成控制芯片包括多個功能組，根據(jù)本發(fā)明，其中有至少一個第二電平移位器和一個TOP開關(guān)驅(qū)動器。根據(jù)本發(fā)明，至少一個第二控制芯片接在第一控制芯片之后。其中相應(yīng)的第二控制芯片的地電位處于用于相應(yīng)TOP開關(guān)的第一控制芯片的電平移位器的輸出電位上。第一和至少一個第二控制芯片最好以所有控制芯片相互間適當(dāng)隔離的方式一起設(shè)置在一個公共的外殼中。
在控制單開關(guān)的情況下，顯然在電路結(jié)構(gòu)中不存在用于BOT開關(guān)的驅(qū)動器，而只有用于處于其它電位的功率開關(guān)的一個或多個電平移位器。


下面借助圖1至4所示實施例詳細說明本發(fā)明。
圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中用于控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的一個電路結(jié)構(gòu)。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于控制設(shè)置為功率開關(guān)半橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的用于控制設(shè)置為功率開關(guān)三相橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的用于控制設(shè)置為具有制動斷路器的三相橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個用于控制功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)。其中一個半橋電路由第一功率開關(guān)40(即TOP開關(guān))和與其串接的第二功率開關(guān)50(即BOT開關(guān))組成。這兩個開關(guān)分別由一個功率晶體管-例如一個IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和一個反向并聯(lián)連接的空轉(zhuǎn)二極管或者作為替代的MOS-FET構(gòu)成。按照現(xiàn)有技術(shù)，各個半導(dǎo)體開關(guān)也可由多個并聯(lián)連接的IGBT和多個與它們反向并聯(lián)連接的空轉(zhuǎn)二極管或類似地多個MOS-FET組成。
各晶體管的柵極作為控制輸入端與一個驅(qū)動電路相連接。其中驅(qū)動電路20對應(yīng)于TOP開關(guān)40，驅(qū)動開關(guān)30對應(yīng)于BOT開關(guān)50。這兩個功率開關(guān)在工作時處于不同的電位，因而兩個驅(qū)動電路20，30必須相互電絕緣地設(shè)置。
一個上級配置的控制裝置的控制信號5在控制邏輯電路10中被處理，并且電氣上隔離地傳輸?shù)津?qū)動電路。這里為了實現(xiàn)電氣隔離，在控制邏輯電路10與驅(qū)動電路20，30之間接有變壓器22，32。在諸如小功率等某些特定應(yīng)用情況下，按照現(xiàn)有技術(shù)沒有采用連接到BOT開關(guān)50的驅(qū)動器30的變壓器32。此時控制邏輯電路10和BUT驅(qū)動器30處于相同的電位。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于控制設(shè)置為功率開關(guān)半橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)。其中該半橋電路與圖1中的半橋電路相同。這里電壓等級1200伏的IGBT被用作功率開關(guān)40，50。
上級配置的控制裝置的控制信號5按照本發(fā)明由單個構(gòu)件處理，并送到相應(yīng)功率開關(guān)40，50的柵極。此構(gòu)件由兩個控制芯片72，74組成，這兩個控制芯片相互隔離地設(shè)置在一個公共的外殼70中。第一控制芯片72包括一個邏輯電路組750、一個用于BOT開關(guān)50的驅(qū)動器732、以及一個用于TOP開關(guān)的電平移位器730。此電平移位器的輸出端與第二控制芯片74的輸入端相連接。第二控制芯片74包括第二電平移位器740和TOP開關(guān)40的驅(qū)動器746。
這樣在邏輯電路組750和TOP開關(guān)40的驅(qū)動器746之間的信號借助于所述第二電平移位器730，740提升到所需電位上。由于第一電平移位器730是第一控制芯片72的集成部件，而第二電平移位器740是第二控制芯片74的集成部件，在每個控制芯片72，74上需要克服的電位差只是最大電壓的一半。這里第一控制芯片72的地電位例如在0伏與600伏之間，而第二控制芯片74的地電位在600伏和1200伏之間波動。從而根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，600伏絕緣方法-例如SOI-可以應(yīng)用于相應(yīng)的控制芯片72，74上。由于兩個控制芯片72，74相互隔離地設(shè)置，在整個集成電路結(jié)構(gòu)中克服了兩倍于各控制芯片72，74電位差的電位差。在此實施例中，在控制芯片72，74中以600伏的內(nèi)部絕緣實現(xiàn)了本發(fā)明用于1200伏電壓等級的集成電路結(jié)構(gòu)70。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的用于控制設(shè)置為功率開關(guān)三相橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)。所述三相橋電路由三個與圖1中相同的半橋電路構(gòu)成。三相橋電路分別具有三個TOP開關(guān)和三個BOT開關(guān)，它們同樣由電壓等級為1200伏的IGBT構(gòu)成。負載60可以例如是交流電動機。
上級配置的控制裝置的控制信號5按照本發(fā)明由單個構(gòu)件70處理，并送到三相橋電路的相應(yīng)功率開關(guān)40，50的柵極。構(gòu)件70由4個控制芯片72，74構(gòu)成，它們相互絕緣地設(shè)置在一個公共的外殼70中。第一控制芯片72在這里比圖2所示的更加復(fù)雜，它包括以下功能組電壓調(diào)節(jié)器724，輸入接口720，處理邏輯電路722，故障管理726，保護電路728以及用于三相橋電路的BOT開關(guān)50的三個驅(qū)動器732和用于TOP開關(guān)的三個電平移位器730。電平移位器730的輸出端與三個第二控制芯片74的輸入端相連接。這些第二控制芯片分別包括一個電平移位器740，一個信號重建742，一個處理邏輯電路和一個保護電路744，以及用于各個TOP開關(guān)40的驅(qū)動器746。
處理邏輯電路722和TOP開關(guān)40的驅(qū)動器746之間的信號也是借助于所述第二電平移位器730，740提升到所需電位上。第一電平移位器730是第一控制芯片72的集成部件，而第二電平移位器740是第二控制芯片74的集成部件，同時各個第二控制芯片74的輸出電位在工作時位于600伏至1200伏之間的不同電位上，并且這些電位在工作期間內(nèi)發(fā)生波動。在控制三相橋電路的情況下，也可以將現(xiàn)有技術(shù)中的絕緣方法應(yīng)用到各控制芯片72，74上。由于所有控制芯片72，74相互隔離，從而與圖2所示實施例一樣在整個集成電路結(jié)構(gòu)70中克服了兩倍于控制芯片72，74內(nèi)部電位差的電位差。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的用于控制設(shè)置為具有制動斷路器的三相橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)。這里除了三個TOP開關(guān)和三個BOT開關(guān)50之外還設(shè)置了第7個功率開關(guān)80。所述的第7個開關(guān)80用于在工作中控制所謂的制動斷路器，它例如用于由于電動機60的回饋導(dǎo)致的電路中多余電能的排放。為了控制用于制動斷路器的功率開關(guān)80，與圖3相比，第一控制芯片具有另一個驅(qū)動器734，它處于與BOT開關(guān)50的驅(qū)動器732相同的電位上。
權(quán)利要求
1.用于控制功率半導(dǎo)體開關(guān)(40)的集成電路結(jié)構(gòu)，其中該電路結(jié)構(gòu)由具有多個功能組的第一集成控制芯片(72)，和至少一個具有多個功能組的第二集成控制芯片(74)組成，所述第一集成控制芯片(72)的功能組至少包括至少一個用于一個開關(guān)(40)的第一電平移位器(730)，所述第二集成控制芯片(74)的功能組至少包括一個第二電平移位器(740)和一個開關(guān)(40)的驅(qū)動器(746)，其中至少一個第二控制芯片(74)連接在第一控制芯片(72)的后面，第二控制芯片(74)的地電位處于第一控制芯片(72)的電平移位器(730)的輸出端電位上，并且控制芯片(72，74)以控制芯片(72，74)相互間適當(dāng)隔離的方式設(shè)置在一個公共的外殼(70)中。
2.用于控制設(shè)置在橋電路中的功率半導(dǎo)體開關(guān)(40，50)的集成電路結(jié)構(gòu)，其中功率半導(dǎo)體開關(guān)作為TOP開關(guān)(40)和BOT開關(guān)(50)，它們與一個直流中間回路和一個負載(60)相連接，其中該電路結(jié)構(gòu)由一個具有多個功能組的第一集成控制芯片(72)和至少一個具有多個功能組的第二集成控制芯片(74)組成，所述第一集成芯片(72)的功能組至少包括一個BOT開關(guān)(50)的驅(qū)動器(732)和至少一個用于TOP開關(guān)(40)的第一電平移位器(730)，所述第二集成芯片(74)的功能塊至少包括一個第二電平移位器(740)和一個TOP開關(guān)(40)的驅(qū)動器(746)，其中至少一個第二控制芯片(74)連接在第一控制芯片(72)的后面，第二控制芯片(74)的地電位處于第一控制芯片(72)的電平移位器(730)的輸出端電位上，并且控制芯片(72，74)以控制芯片(72，74)相互間適當(dāng)隔離的方式設(shè)置在一個公共的外殼(70)中。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電路結(jié)構(gòu)，其中一個功率半導(dǎo)體開關(guān)(40，50)具有一個或多個如IGBT這樣的功率半導(dǎo)體元件，與其反向并聯(lián)設(shè)置有空轉(zhuǎn)二極管或者MOSFET。
4.如權(quán)利要求1或2所述的電路結(jié)構(gòu)，其中第一集成控制芯片(72)具有以下的其它功能組電壓調(diào)節(jié)器(724)，輸入接口(720)，處理邏輯電路(722)，故障管理(726)和保護電路(728)。
5.如權(quán)利要求1或2所述的電路結(jié)構(gòu)，其中第二集成控制芯片(74)具有以下的其它功能組信號重建(742)，處理邏輯電路和保護電路(744)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的電路結(jié)構(gòu)，其中第一電平移位器(730)的輸出端電位在第一集成控制芯片(72)的地電位之上的0到600伏之間變化。
7.如權(quán)利要求2所述的電路結(jié)構(gòu)，其中用于控制由一個TOP開關(guān)和一個BOT開關(guān)組成的半橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)(40，50)的電路結(jié)構(gòu)具有一個第一控制芯片(72)和一個第二控制芯片(74)。
8.如權(quán)利要求2所述的電路結(jié)構(gòu)，其中用于控制一個三相橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)(40，50)的電路結(jié)構(gòu)具有一個包括三個BOT驅(qū)動器(732)和三個電平移位器(730)的第一控制芯片(72)以及三個分別包括一個電平移位器(740)和一個TOP驅(qū)動器(746)的第二控制芯片(74)。
9.如權(quán)利要求2所述的電路結(jié)構(gòu)，其中用于控制具有制動斷路器的一個三相橋電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)(40，50)的電路結(jié)構(gòu)具有一個包括三個BOT驅(qū)動器(732)，用于制動斷路器的另一開關(guān)(80)的驅(qū)動器(734)和三個電平移位器(730)的第一控制芯片(72)以及三個分別包括一個電平移位器(740)和一個TOP驅(qū)動器(746)的第二控制芯片(74)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于控制單個功率半導(dǎo)體開關(guān)或控制半橋結(jié)構(gòu)的多個功率半導(dǎo)體開關(guān)的集成電路結(jié)構(gòu)。該電路結(jié)構(gòu)由一個具有多個功能組的第一集成控制芯片和至少一個具有多個功能組的第二集成控制芯片組成，所述第一控制芯片的功能塊至少包括至少一個用于較高電位開關(guān)的第一電平移位器，所述第二控制芯片的功能塊至少包括一個第二電平移位器和一個用于所述開關(guān)的驅(qū)動器。其中至少一個第二控制芯片連接在第一控制芯片的后面，第二控制芯片的地電位處于第一控制芯片的電平移位器的輸出端電位上，并且這些控制芯片以控制芯片相互間適當(dāng)隔離的方式設(shè)置在一個公共的外殼中。
文檔編號H01L27/00GK1855679SQ20051010677
公開日2006年11月1日 申請日期2005年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者賴因哈德·赫澤, 托馬斯·施托克邁爾 申請人:塞米克朗電子有限及兩合公司