馬俊

摘要：文章首先介紹了智能功率集成電路及功率半導體器件；接著分析了智能功率集成技術；最后詳細闡述了功率半導體器件在智能功率集成電路中的應用，主要是智能功率集成電路功能和智能功率集成電路應用等。

關鍵詞：智能功率；集成電路；半導體器件

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0252-02

在當今電力電子技術領域，智能功率集成電路作為應用的最前沿，隨著綜合控制技術的快速發(fā)展，也極大地提升了電力電子技術的使用效率，同時功率半導體在智能功率集成電路上的應用，也使智能功率集成系統(tǒng)大大提升了實際的應用性能，使其工作條件需求得到有效的降低，促使應用成本的節(jié)約，對智能功率集成系統(tǒng)大規(guī)模的推廣應用起到了一定的促進作用。

對于電力電子裝置來說，現(xiàn)有的一部分設備是由芯片組合而成的，芯片又是由低壓或者不同的高壓功能模塊制作而成。如果在電力電子裝置上的同一塊芯片上囊括了所有需要的功能模塊，就是單片式功率集成電路，在電力電子技術中，這是較為新穎的具有活力的發(fā)展趨勢[1]。對于電力電子技術發(fā)展的智能化進程，單片式功率集成電路完全符合其發(fā)展需求，所以也常被記為SPIC，即是智能功率集成電路。電力電子技術從晶閘管時代一路走來，經歷了更新?lián)Q代的核心功率器件時代，并在繼續(xù)邁向智能化、集成化、高頻化以及全控化的發(fā)展方向。智能化功率集成電路是從智能化發(fā)展而來，尤其是在節(jié)能減排的今天，得到了越來越多的應用，每年都在不斷提升其市場占有率。

1 智能功率集成電路及功率半導體器件

1.1智能功率集成電路

在保護電子系統(tǒng)的前提下，當前許多電力電子裝置都把大量的電氣和線路保護裝置應用到電子電路系統(tǒng)中，這些保護裝置是通過并線連接各類線路狀態(tài)處理模塊進行作用機制的創(chuàng)新，在電氣設備中，通過檢測連接進入其中的能源，對線路中的電流類型進行判斷，再在相應線路狀態(tài)中進行處理模塊的線路連接，在這一過程中，最典型的模塊就是安裝在不同芯片上的低壓和高壓功能模塊，電氣設備由于這種模塊并聯(lián)模式可以得到較好的保護，但是對于電子芯片組成的電力電子裝置而言，這種重復設計使其設計成本受到了嚴重的影響，如果在一塊芯片中裝入電力電子裝置需要的所有模塊，并在電力電子裝置中使用該模塊，系統(tǒng)綜合的處理可能會遇到的各種電力供應情況，這就形成了單片式功率集成電路，這種芯片設計方向在現(xiàn)代電力電子技術中表現(xiàn)出了良好的活力[2]。從一定程度上來說，這種芯片集成模式使電力電子的智能化技術難題得到很好的解決，所以這種規(guī)模較大的芯片集成技術，也被定義為智能功率集成電路。

在同一個芯片中SPIC集成了所有的低壓電路以及高壓器件，在原電力電子裝置的基礎上把模塊間連接多余的部分進行了有效的消除[3]。不僅使電路穩(wěn)定性得到有效提高，同時使高頻工作狀態(tài)下模塊間引線造成的電路破壞得到明顯降低，還可以在芯片中集成一些保護電路如使保護功率器件的力度得到增強。所以，不僅能使集成度得到顯著提高，成本得到有效降低，還有助于提升芯片的整體可靠性。

1.2 功率半導體器件

電力電子器件也可成為功率半導體器件，一般指在電力電子裝置中通過對半導體材料特性進行充分利用制成的功率電子器件，相當于開關的作用。功率半導體器件，從字面上理解就是組成的主要材料是功率半導體，在電力電子裝置中，這種元器件通過發(fā)揮半導體材料的特性，充當線路開關的作用[4]。半導體器件從誕生至今已經歷經了多次的高速發(fā)展階段，形成的電力電子器件種類繁多。針對當前不同的半導體功率器件，圖1展示了在工作范圍不同時這些器件的應用領域，在對功率半導體器件進行合理選擇和使用時提供一定的參考依據(jù)。對于功率半導體器件來說，發(fā)展半導體材料，然后在材料更優(yōu)的基礎上設計半導體器件是其未來的發(fā)展方向之一。

在電力電子裝置中，功率半導體器件作為其中的“功率開關”，在電力電子裝置當前的實際應用要求中，不僅要具有穩(wěn)定性，其狀態(tài)轉換能力也要極高，功率半導體器件在理想狀態(tài)下應該具備以下功能[5]：半導體的狀態(tài)為開通時，半導體本身為零阻力，流經半導體的電流不會帶來能耗，也不會因為大量電流在短時間內流經半導體本身產生大量的熱量使半導體燒毀；半導體的狀態(tài)為關閉時，半導體是作為絕緣體存在的，其漏電流為零，線路中的高壓電流無法將其擊穿。功率半導體器件在兩種狀態(tài)轉換時，并沒有花費時間，其狀態(tài)轉換瞬間完成的動力是管控線路的微弱信號。半導體不管是在開通還是在關閉狀態(tài)都具有較高的穩(wěn)定性，外部電磁環(huán)境的變化并不會對其造成影響，功率半導體器件在運行過程中，頻繁的開關操作并不會造成半導體的老化，其狀態(tài)控制能力也不會因此而有所退化。

2智能功率集成技術

2.1 OPTVLD 理論

陳星弼教授于1992年研究得出一種最佳技術：橫向變摻雜結構，通過不斷的優(yōu)化和完善，廣泛的應用和研究，這種技術發(fā)展成為OPTVID，也可稱為優(yōu)化橫向變摻雜理論[6]。這種理論能夠在盡可能短的距離內使表面耐壓結構擁有盡可能大的擊穿電壓，用途相當廣泛。發(fā)展至今，這種理論已經在橫向漂移區(qū)和結邊緣等結構中得到了成功的應用，生產工藝和隔離技術也有了相應的配套設置，作為智能功率集成技術的一種，可以在同一芯片中集成各種低壓電路、高側和低側的高壓器件。

注入窗口通過光刻掩膜版可以對其孔徑和密度進行控制，確保具有橫向變化的注入雜質劑量。通過高溫擴散工藝的使用，使因間隔注入導致的雜質不連續(xù)分布情況得到有效消除，橫向漸變雜質分布，橫向變摻雜結構就得以形成，圖2給出了具體的結構示意圖，由圖可知，引入的變摻雜區(qū)不僅使原有的冶金結面處電場得到改變，也使冶金結面面貌得到改變，但是沿電力線方向，異型材料的交界面一直都是電場峰值所在，同時，沿電力線方向電場在穿過冶金結面時也不會有過于劇烈的電場變化，這種理論為以下假設提供了依據(jù)：電場分布是沿冶金結面的，當臨界擊穿場強Ec與某處峰值相同時，就可以認為結構被擊穿。為了便于解析計算，先假定在一個極薄的表面層內分布有引入的電荷，冶金結面區(qū)域水平，沿此水平結面的電場分布也基本等同于沿橫向距離的表面電場分布。

2.2解析計算橫向變摻雜結構

在把電荷引入到表面耗盡區(qū)的過程中，為了對最佳方法進行找尋，陳星弼教授通過使用橢圓柱坐標近似法開展了解析計算。他首先歸一化處理泊松方程求解所需的變量，確保求解結果能夠在不同摻雜濃度襯底中適用，使解的應用范圍得到提高。圖3給出了簡單明了的結果示意圖，其中的曲線又可稱為OPTVLD 曲線。

在上圖中，歸一化的離開主結橫向距離作為橫坐標，歸一化的摻雜劑量作為縱坐標，主結的橫向實際距離用x表示，實際摻雜劑量用N表示，在襯底相同時，在最大反偏壓下平行平面結的耗盡區(qū)寬度用Wpp來表示，輕摻雜濃度與耗盡區(qū)寬度的乘積用Npp來表示。

在上述公式中，VBR、NB、q、εs分別代表反向擊穿電壓、襯底濃度、單位電荷以及半導體的介電常數(shù)。優(yōu)化橫向變摻雜理論的物理意義可以描述如下：如果可以按照曲線改變所摻雜質的劑量，沿著表面其分布是橫向變化的，也即是說伴隨不斷增加的離開主結橫向距離，所摻雜質的減少是有規(guī)律可循的，就能使表面電場的峰值得到最大程度的減小，使擊穿電壓得到提高。

3功率半導體器件在智能功率集成電路中的應用

3.1 智能功率集成電路功能

功率控制、智能接口以及傳感保護是SPIC的三大模塊。其中功率控制對象主要為功率半導體器件和驅動電路，在功率器件常見的圖騰柱式應用過程中，高側器件和低側器件具有不同基準電位的驅動電路，驅動電路中還要裝置高壓電平位移電路，實現(xiàn)控制信號從低側向高側的傳遞。通過模擬電路傳感保護模塊可以對芯片內電壓、溫度以及電流等信息進行采集并向保護電路反饋，在必要時有效保護芯片。此外，電力電子裝置不僅要對接源和負載，為了編碼控制的實現(xiàn)還要對接外部計算機。所以智能接口模塊也起到了相當重要的作用，可以實現(xiàn)外界與SPIC的指令傳輸和信息溝通。

功率控制在三大功能模塊中是最關鍵的模塊，智能接口和傳感保護是為其提供服務的，電路的功率控制，在智能功率集成電路中能實現(xiàn)電路的主要作用，因為通過分析功率的現(xiàn)狀和需求，系統(tǒng)本身已經明確認識到裝置需求的能源模式，明確認識到電力電子裝置應該輸入到接口段的線路電流，最關鍵的是，如何在電力電子裝置需求的基礎上轉化現(xiàn)有能源，而且這一轉化過程是在功率半導體器件基礎上完成的，通過半導體的特性，通過對其運行狀態(tài)的改變就能夠轉化能源特點，使其與裝置的能源需求相吻合，確保電力電子裝置能合理、穩(wěn)定的運行。

3.2智能功率集成電路應用

半控型晶閘管是初期功率半導體器件的代表，是半導體材料開展的最初級的應用，通過對半導體自身特性的應用調節(jié)線路功率，在這種調節(jié)方式下，其工作狀態(tài)有一半不可控，所以該晶管閘被稱為半控型的，由于半導體的特性及其管控方式的不足，只能在器件開通狀態(tài)下對功率半導體器件進行線路能源狀態(tài)的調整，線路無法實現(xiàn)完全絕緣。以上缺陷再加上過大的半控型晶管閘體積，在智能芯片中完全無法使用，直到出現(xiàn)LDMOS器件這一問題才得到有效的解決。在智能功率集成電路中通過功率半導體的使用，能源供應的智能管控也得以實現(xiàn)。

智能功率集成技術要在同一芯片中把所有功率器件都集成進去，不僅是要對單個形態(tài)器件的集成，還要對圖騰柱式的功率管組進行集成。在圖騰柱中，高側器件位于連接高壓的一端，低側器件位于接地的一端，盆即是其中間點。高側和低側器件僅受驅動電路控制，兩者之間互不影響。

4結論

在智能功率集成電路中，作為線路功率的管控系統(tǒng)，功率半導體能確保電路的正常和穩(wěn)定運行，其器件質量也是集成電路運行效率的關鍵影響因素。電力電子技術經過不斷地發(fā)展，正在向智能化、集成化的方向發(fā)展，在目前這個倡導節(jié)能、減排、環(huán)保的大背景下，智能功率集成電路應用越來越廣泛，也體現(xiàn)出了巨大的應用價值。

參考文獻：

[1] 蔣苓利 . 功率集成電路中高壓 ESD 防護表面電流抑制模型與器件研究 [D]. 電子科技大學 ，2013.

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[3] 吳郁 .2008 年 IEEE 功率半導體器件及集 成 電 路 國 際 會 議 評 述 [J]. 電 力 電子 ，2009（2）：6-16.

[4] 羅萍.智能功率集成電路的跨周調制PSM 及其測試技術研究 [D]. 電子科技大學，2004.

[5] 高珊.復合柵多階梯場極板 LDMOS 電學特性的研究 [D]. 安徽大學，2007.

[6] 李奎兵.智能功率集成電路中部分子電路的分析與設計 [D]. 電子科技大學，2006.