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功率集成电路的技术发展

功率集成电路(PIC)是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。以往,一般将其分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路(HVIC)两类。但随着PIC的不断发展,两者在工作电压和器件结构上(垂直或横向)都难以严格区分,已习惯于将它们统称为智能功率集成电路。智能功率集成电路是机电一体化的关键接口电路,是SOC(SystemOnChip)的核心技术。它将信息采集、处理与功率控制合一,是引发第二次电子革命的关键技术。

SPIC出现于20世纪70年代后期。由于是单芯片集成,SPIC减少了系统中的元件数、互连数和焊点数,不仅提高了系统的可靠性、稳定性,而且减少了系统的功耗、体积、重量和成本。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、GTO等,功率器件所需的驱动电流大,驱动和保护电路复杂,PIC的研究并未取得实质性进展。直至20世纪80年代,由MOS栅控制并具有高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型MOS类功率器件,如功率MOSFET、IGBT等的出现,使得驱动电路简单,且容易与功率器件集成,才迅速带动了PIC的发展。但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了PIC的应用。进入20世纪90年代后,PIC的设计与工艺水平不断提高,性能价格比不断改进,PIC逐步进入了实用阶段。产品主要包括功率MOS智能开关、电源管理电路、半桥或全桥逆变器、PWM专用SPIC、线性集成稳压器及开关集成稳压器等。据美国CSFB公司2001年5月23日公布的数据表明,全世界PIC的销售额已超过100亿美元,并将以超过10%的速度增长,预计2006年PIC的市场份额将接近200亿美元。

SPIC的典型代表产品为IR公司的IR2110、IR2130系列功率MOS栅驱动IC。IR2110、IR2130在500V或600V电压下工作,最大峰值电流为2A,工作频率为500kHz,可承受大于±50V/ns的高dv/dt。新推出的IR2233、IR2235工作电压可高达1200V,输出驱动电流为04A。同时IR公司最近还推出了命名为ICRIC7113,用于太空应用的第一种高压抗辐射加固的功率MOS栅驱动IC。其工作电压为400V,可承受100kRAD的辐射剂量而不会出现性能下降的情况。

SPIC总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、功耗更低和功能更全。目前,SPIC的主要研究内容为:开发高成品率、低成本工艺且兼容于CMOS的产品;针对包括多个大功率器件的单片SPIC的研究;能在高温下工作并具有较好坚固性的SPIC的研究;大电流高速MOS控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。SPIC的下一个目标是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上,使之具备系统功能,进而实现单片式功率系统的集成。最近,陈星弼院士提出了一种与CMOS工艺完全兼容的新的横向耐压结构,这种全兼容的新功率器件为第二次电子革命的真正到来奠下了一块基石。

功率半导体技术正朝着高温、高频、低功耗、高功率容量以及智能化、系统化方向发展,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,新材料功率半导体器件正不断走向成熟。可以预期,随着SPIC的不断发展,人们期望已久的第二次电子革命将最终到来。


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