单片集成光耦隔离式驱动芯片

程翔; 常浩然; 刘岩; 邓晨洋; 严旭杰

doi:10.37188/OPE.20233107.1022

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单片集成光耦隔离式驱动芯片

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-04-14

- 单片集成光耦隔离式驱动芯片
- Monolithic optocoupler isolated driver chip
- 光学精密工程 2023年31卷第7期页码：1022-1030
- 作者机构：
  
  1.厦门大学航空航天学院，福建厦门 361104
  2.集美大学海洋信息工程学院，福建厦门 361021
- 作者简介：
  
  [ "程翔（1977-），女，博士，副教授，2014-2015为美国佛罗里达大学访问学者，主要研究方向为光电子技术，嵌入式系统，集成光电子学，微纳光机电和集成电路。E-mail：chengfling@xmu.edu.cn" ]
  [ "刘岩（1988-），男，博士，讲师，2010年于天津大学获得学士学位，2013年、2019年于厦门大学分别获得硕士和博士学位，主要研究方向为电源管理芯片，光电集成等。E-mail：ly_liu@jmu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  福建省教育厅-面上项目(JAT200264);国家重点研发计划资助项目(2021YFB3200201)
- DOI：10.37188/OPE.20233107.1022
  中图分类号： TN312
- 收稿日期：2022-11-03，
  
  修回日期：2022-11-23，
  
  纸质出版日期：2023-04-10
- 稿件说明：
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程翔,常浩然,刘岩等.单片集成光耦隔离式驱动芯片[J].光学精密工程,2023,31(07):1022-1030.

CHENG Xiang,CHANG Haoran,LIU Yan,et al.Monolithic optocoupler isolated driver chip[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(07):1022-1030.
程翔,常浩然,刘岩等.单片集成光耦隔离式驱动芯片[J].光学精密工程,2023,31(07):1022-1030. DOI： 10.37188/OPE.20233107.1022.

CHENG Xiang,CHANG Haoran,LIU Yan,et al.Monolithic optocoupler isolated driver chip[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(07):1022-1030. DOI： 10.37188/OPE.20233107.1022.

摘要

在功率半导体市场中，绝缘栅双极型晶体管（Insulated gate bipolar transistor，IGBT）和碳化硅金属氧化物半导体场效应管（Silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，SiC MOSFET）具有出色的耐压性与频率特性，逐渐取代了传统的MOSFET。为了提高IGBT和SiC MOSFET驱动电路的可靠性，设计了一款光耦隔离式栅极驱动芯片，通过协同设计光探测器与驱动电路，从而实现单片集成。使用Silvaco软件对光探测器进行了仿真。仿真结果显示：光探测器对800 nm波长红外光的响应度约为0.277 A/W，

3 dB带宽约为90 MHz。进一步对光耦的光学结构进行优化设计，实现了控制端与后端高压驱动电路的有效隔离，从而解决了串扰问题。使用Maxchip 0.18 μm 40 V BCD工艺进行流片，并对封装芯片进行测试。在光源输入电流为10 mA、芯片供电电压为12~40 V、输入信号频率为20 kHz的测试条件下，芯片的传播延时仅为98 ns。

Abstract

In the power semiconductor market， insulated gate bipolar transistor （IGBT） and silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistors （SiC MOSFETs） have excellent voltage resistance and frequency characteristics， and thus gradually replaced the traditional MOSFETs. The reliability design of IGBT and SiC MOSFET driver circuits is associated with rigorous challenges. Therefore， an optocoupler-isolated gate driver chip was designed in this study. Monolithic integration was realized by co-designing photodetectors and driver circuits. Silveraco software was used to simulate the photodetector. The simulation results indicate that the responsivity of the photodetector to 800 nm infrared light is 0.277 A/W， and the

3 dB bandwidth is approximately 90 MHz. Further， the optical structure of the optocoupler was optimized to effectively isolate the control end and the rear high-voltage drive circuit， and thus the crosstalk problem was addressed. The 0.18 μm 40 V bipolar-CMOS-DMOS （BCD） technique was used to tape out and test the package chip. The chip test results indicate that the chip propagation delay is only 98 ns when the input current of the light source is 10 mA， the chip power supply voltage is 12–40 V， and the input signal frequency is 20 kHz.

关键词

Keywords

references

LIANG Z X ， NING P Q ， WANG F . Development of advanced all-SiC power modules ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 5 ）： 2289 - 2295 . doi: 10.1109/tpel.2013.2289395 http://dx.doi.org/10.1109/tpel.2013.2289395

王建渊，林文博，孙伟 . 用于全桥变换器的SiC MOSFET驱动电路设计［J］. 电力电子技术， 2020 ， 54 （ 2 ）： 120 - 124 .

WANG J Y ， LIN W B ， SUN W . SiC MOSFET drive circuit design for full bridge converter ［J］. Power Electronics ， 2020 ， 54 （ 2 ）： 120 - 124 . （in Chinese）

SCHRITTWIESER L ， LEIBL M ， HAIDER M ， et al . 99.3% efficient three-phase buck-type all-SiC SWISS rectifier for DC distribution systems ［C］. 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC）. 2630，2017 ， Tampa， FL， USA. IEEE ， 2017 ： 2173 - 2178 . doi: 10.1109/apec.2017.7931000 http://dx.doi.org/10.1109/apec.2017.7931000

WANG X D ， ZHAO Z M ， LI K ， et al . Analytical methodology for loss calculation of SiC MOSFETs ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2019 ， 7 （ 1 ）： 71 - 83 . doi: 10.1109/jestpe.2018.2863731 http://dx.doi.org/10.1109/jestpe.2018.2863731

NOGE Y ， SHOYAMA M ， DENG M C . Active gate driver for high power SiC-MOSFET module with source current feedback and P-D controller ［C］. 2021 IEEE 12th Energy Conversion Congress & Exposition-Asia （ECCE-Asia）. 2427，2021 ， Singapore， Singapore. IEEE ， 2021 ： 1350 - 1353 . doi: 10.1109/ecce-asia49820.2021.9478986 http://dx.doi.org/10.1109/ecce-asia49820.2021.9478986

NEVAREZ J ， OLMEDO A ， WILLIAMS R ， et al . Gate driver protection methods for SiC MOSFET short circuit testing ［C］. 2021 IEEE International Reliability Physics Symposium （IRPS）. 2125，2021 ， Monterey， CA， USA. IEEE ， 2021 ： 1 - 4 . doi: 10.1109/irps46558.2021.9405170 http://dx.doi.org/10.1109/irps46558.2021.9405170

王佳军，陈息坤，顾隽楠，等 . 一种大功率IGBT模块驱动电路设计［J］. 微特电机， 2021 ， 49 （ 11 ）： 43 - 46， 52 . doi: 10.3969/j.issn.1004-7018.2021.11.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-7018.2021.11.009

WANG J J ， CHEN X K ， GU J N ， et al . A high-power IGBT module drive circuit design ［J］. Small & Special Electrical Machines ， 2021 ， 49 （ 11 ）： 43 - 46， 52 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1004-7018.2021.11.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-7018.2021.11.009

黄烜宇 . 应用于Si-IGBT+SiC-SBD混合模块的栅驱动电路设计［D］. 南京：东南大学， 2017 .

HUANG H/X） Y . Design of Gate Driver Circuit for Si-IGBT+SiC-SBD Hybrid Module ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2017 . （in Chinese）

余宝伟 . 大功率SiC MOSFET驱动电路及功率回路振荡问题研究［D］. 北京：北京交通大学， 2021 .

YU B W . Research on Driver Circuit and Power Circuit Oscillation Problems of High Power SiC MOSFET Modules ［D］. Beijing ： Beijing Jiaotong University ， 2021 . （in Chinese）

史晓凤，庞雪，朱丽君，等 . BCD工艺下光电集成的单光子雪崩光电二极管及前端电路的研制［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 2 ）： 267 - 277 . doi: 10.37188/OPE.20212902.0267 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212902.0267

SHI X F ， PANG X ， ZHU L J ， et al . Development of photoelectric integrated single photon avalanche photodiode and front-end circuit based on BCD technology ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 2 ）： 267 - 277 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212902.0267 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212902.0267

李晓亮，刘荣科，王建军，等 . 基于单光子探测器的深空激光通信阵列［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 13 ）： 1534 - 1541 . doi: 10.37188/OPE.20223013.1534 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223013.1534

LI X L ， LIU R K ， WANG J J ， et al . Deep-space laser communications telescope array based on single photon detector ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2022 ， 30 （ 13 ）： 1534 - 1541 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223013.1534 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223013.1534

何伟基，司马博羽，程耀进，等 . 基于盖格-雪崩光电二极管的光子计数成像［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 8 ）： 1831 - 1837 . doi: 10.3788/OPE.20122008.1831 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20122008.1831

HE W J ， SIMA B Y ， CHENG Y J ， et al . Photon counting imaging based on GM-APD ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2012 ， 20 （ 8 ）： 1831 - 1837 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20122008.1831 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20122008.1831

拉扎维 . 光通信集成电路设计［M］. 北京：清华大学出版社， 2005 .

BEHZAD R . Optical Communication IC Design ［M］. Beijing ： Tsinghua University Press ， 2005 . （in Chinese）

CHOI B D . Enhancement of current driving capability in data driver ICs for plasma display panels ［J］. IEEE Transactions on Consumer Electronics ， 2009 ， 55 （ 3 ）： 992 - 997 . doi: 10.1109/tce.2009.5278054 http://dx.doi.org/10.1109/tce.2009.5278054

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