CN101390280A - Lus半导体与应用电路 - Google Patents

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Abstract

本发明所述的Lus半导体的特点在于，使用极性反转的(与常规SSD相比)SSD、肖特基二极管、或齐纳二极管、或面对面或背对背耦合的肖特基二极管、齐纳二极管、快速二极管、或诸如DIAC和Triac之类的四层器件，替代常规的功率金属氧化物半导体场效应晶体管(Power MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor，Power MOSFET)的静电保护二极管(static shielding diode，SSD)。通过使用具有相当低的漏源电阻器(drain to source resistor，Rds)的建议功率MOSFET，有可能实现高效交流/直流转换和直流电压调整这两项主要功能。

Description

LUS半导体与应用电路
背景技术
技术领域
本发明涉及功率金属氧化物半导体场效应晶体管，即功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)，特别涉及具有新颖的、可替代常规静电保护二极管SSD(Static Shielding Diode，SSD)的结构的功率MOSFET。根据本发明，功率MOSFET中的常规SSD有可能被极性反转的(与常规SSD相比)SSD、肖特基二极管、齐纳二极管、或面对面/背对背耦合的肖特基二极管、齐纳二极管、快速二极管、或诸如DIAC和Triac之类的四层器件代替，并保留常规功能，且只需考虑本征半导体工作电压的反向偏置电压幅度。如图2(E)或2(F)所示，可根据本发明中的要求配置反向偏置工作电压、即齐纳电压、的幅度，且该电压将高于实际应用中的直流输出电压。换言之，功率MOSFET中的常规SSD的电压高于输入侧的交流电压，且极性反转耦合齐纳二极管的齐纳电压高于直流输出电压。根据本发明的这一设计原则，有可能通过将单一的功率MOSFET与辅助电路配合使用、实现半波整流和电压调整功能，以及有可能通过将两个功率MOSFET与辅助电路配合使用、实现全波整流和电压调整功能。因此，有可能实现高效的整流和电压调整功能。
背景技术
为在常规的交换电源中获得稳定的输出电压，有必要在电路中使用PWM系统的整流二极管和反馈电路。图3(A)示出常规N沟道功率MOSFET的结构，图3(B)示出常规P沟道功率MOSFET的结构，二者均具有静电保护二极管SSD(static shielding diode，SSD)。图4示出使用UC3842的功率调整电路，其中VD6和VD7负责整流，1C2TL431、光耦合器4N35、以及PWM IC MC3842负责电压调整。这类方案具有下列缺点：
1.当流经二极管VD6的电流被设定为IF＝1.5A、且二极管VD2的正向偏置电压的电压降约为VF＝0.7V时，功耗约为0.7V×1.5A＝1.05W。如果输出电流为20A，功耗变为0.7V×20A＝14W，这对于实际应用而言、功耗过高。
2.当在PWM系统内提供具有不同电压幅度的多个直流输出时，这类系统有可能不对一些直流输出进行调整。例如，图4中的初级输出12V、1.5A被调整，而次级输出5V、0.2A不被调整。
3.噪音是PWM功率调整系统中不可避免的问题。
发明内容
为提供可提高整流效率、且具有电压调整功能的半导体器件，根据以下目标提出本发明。
本发明的第一个目标是提供半导体器件，且该半导体器件可克服使用诸如肖特基二极管之类的二极管的常规功率整流器所具有的高功耗缺点。
本发明的第二个目标是提供半导体器件，且该半导体器件无需对前端电路使用反馈电路、即可获得稳定的输出。
本发明的第三个目标是要克服以下缺点，即在常规的PWM交换电力电路中只能调整某些组的输出电压，而不能调整其它多数的输出。
为解决常规整流和电压调整系统中的高功耗问题，本发明具有下列特点：
1.与常规功率MOSFET的制造工艺不同的是，将单个寄生二极管SSD的极性反转、或用两个面对面/背对背耦合的二极管代替SSD，即在功率MOSFET的制造工艺中、与漏节点与源节点之间的Lus半导体的特性结构耦合，如图2所示。
2.如果在常规功率MOSFET中不存在寄生二极管，Lus半导体的特性结构可在漏节点与源节点之间被外耦合，如图2所示。
3.本发明中的Lus半导体也可应用在常规的PWM电源系统中。例如在图4中，VD6有可能仅针对整流目的而被Lus半导体代替，且VD7也有可能被Lus半导体代替，从而可提高整流效率。
针对上文讨论的常规技术的缺点，本发明提出一新颖的解决方案，即Lus半导体，该Lus半导体可使功率MOSFET具有整流与电压调整两项功能。
附图说明
图1示出本发明所述的Lus半导体的N沟道功率MOSFET和P沟道功率MOSFET的结构。
图2示出在图1所示的功率MOSFET的漏与源之间耦合的Lus半导体的特性电路结构。
图3示出常规N沟道MOSFET和常规P沟道MOSFET的结构。
图4示出使用UC3842的功率调整电路。
图5示出使用本发明所述的Lus半导体的一实施例的一应用电路。
图6示出使用本发明所述的Lus半导体的一实施例的另一应用电路。
具体实施方式
图1示出本发明所述的Lus半导体的N沟道功率MOSFET(100)和P沟道功率MOSFET(200)的结构。图2示出Lus半导体的一些特性电路结构(101)，且该Lus半导体可在图1所示的功率MOSFET的漏节点与源节点之间耦合。图2(A)和图2(B)分别示出一对面对面耦合的肖特基二极管、以及一对背对背耦合的肖特基二极管，且它们均可与功率MOSFET的漏节点和源节点耦合。图2(C)和图2(D)分别示出一对面对面耦合的SSD、以及一对背对背耦合的SSD，且它们均可与功率MOSFET的漏节点和源节点耦合。图2(E)和图2(F)分别示出一对面对面耦合的齐纳二极管、以及一对背对背耦合的齐纳二极管，且它们均可与功率MOSFET的漏节点和源节点耦合。图2(G)示出一对面对面耦合的肖特基二极管和齐纳二极管，且它们可与功率MOSFET的漏节点和源节点耦合。图2(H)示出一对面对面耦合的肖特基二极管和SSD，且它们可与功率MOSFET的漏节点和源节点耦合。图2(I)示出一对面对面耦合的齐纳二极管和快速二极管，且它们可与功率MOSFET的漏节点和源节点耦合。图2(J)示出DIAC四层半导体，图2K示出Triac四层半导体，且它们均可与功率MOSFET的漏节点和源节点耦合。图2(A)-(K)所示的特性电路结构(101)均可与功率MOSFET的漏节点和源节点耦合，从而构成Lus半导体(100)(200)。由于使用图2(A)-(K)所示的特性电路结构(101)，可通过使用单一的功率MOSFET实现高效的整流和电压调整。与图3所示的常规N沟道MOSFET或常规P沟道MOSFET的结构相比，可看出它们完全不同于Lus半导体的特性电路结构。
如图2(L)、2(M)和2(N)所示，为满足常规PWM电源的要求，常规N沟道或P沟道MOSFET的寄生二极管的极性有可能反转，从而变为Lus半导体的特性电路结构(101)，它可在诸如图4所示的VD6和VD7之类的常规电路中代替整流器，且仍然保留常规SSD的整流器的特性功能。
图5示出使用本发明所述的Lus半导体的一实施例的一应用电路。如该图所示，所有N沟道功率MOSFET均被N沟道Lus半导体(100a，100b)代替。在运行中，当在高频变压器300的第一个二次绕组的节点8处的高频交流电压处于正半周时，正电压通过限流电阻器R1、二极管D1、以及光耦合器PhI的LED，到达中间节点9。
同时，在高频变压器300的第二个二次绕组的节点11与节点12之间的高频电压是由高频二极管D3整流的半波，从而在滤波电容器C1的两端获得直流电压V1。正电压V1通过光耦合器PhI的输出侧到达分压电阻器RH，且导通Lus半导体(100a，100b)的漏和源。在节点8处的正半周交流电压通过Lus半导体(100a)的漏和源、以及由滤波电容器C2、感应器L1和滤波电容器C3构成的π型滤波器，变为直流输出电压V2。当在高频变压器300的第一个二次绕组的节点10处的交流电压位于正半周时，其运行与当高频变压器300的第一个二次绕组的节点8处的交流电压位于正半周时的运行相同。由于这两个半周期电路通常连接在节点A处，因而有可能实现全波整流。
当输出电压V2高于预定电压时，有可能启动可调精密并联调节器集成电路IC1，同时有可能导通光耦合器Ph3输出侧的集电极和发射极，这使Lus半导体(100a，100b)的门和源发生短路、并停止整流，从而有可能使电压V2下降。当电压V2低得使IC1停止工作时，Lus半导体(100a，100b)可开始整流、并使电压V2上升。根据这一运行原理，Lus半导体(100a，100b)能够进行整流和电压调整。当将高频变压器300的节点8处的电压设为正时，Lus半导体(100a)的特性电路结构(101a)的肖特基二极管的反向偏置击穿电压高于节点8处的正电压，从而使节点8处的电压不能通过反转的肖特基二极管，但能通过Luz半导体(100a)的漏和源。当存在输出电压V2时，即使节点8处的电压位于交流电压的负半周，由于特性电路结构(101a)中的反向耦合肖特基二极管的反向偏置击穿电压高于输出电压V2，可消除第一个二次绕组有可能被常规功率MOSFET的反向电流烧损的可能性。节点10处的Lus半导体(100b)中的特性电路结构(101b)的运行相同。根据本发明中特性电路结构(101)的运行原理，有可能根据应用配置反向偏置击穿电压，且将不受到限制。
图6示出使用本发明所述的Lus半导体(100)的另一实施例的另一应用电路。实际上，除功率MOSFET被Lus半导体(100c)代替外，它是与图4所示的电路相同的电路。在图6中，当高频变压器300的第一个二次绕组的节点8处的电压为正时，它通过二极管D1和分压电阻器R3，并向Lus半导体(100c)的门提供正电压，从而导通漏节点和源节点。因此，π型滤波器自此获得正电压。因为在功率MOSFET的漏与源之间测得的电阻器RDS小，所以大多数电流可流过漏节点和源节点，而不是流过特性电路结构(101c)中的二极管。当节点8处的交流电压位于负半周时，π型滤波器的直流电压不能向后流动至高频变压器300的第一个二次绕组的节点8，从而使第一个二次绕组的节点8免于被反向电流源烧损。相反，在图4中，由于常规功率MOSFET的SSD的极性与本发明的SSD相比为反向耦合，因而第一个二次绕组的节点8有可能被反向直流电流烧损。这也示出本发明优点的一些具体证据。UC3842中的PWM电压调整操作为本领域技术人员所熟知，这里将不再讨论。要强调的是，图6所示的Lus半导体(100)也有可能与图5所示的辅助电路一同实施，且将不受限制。

Claims (20)

1.一种功率半导体器件，其特征在于，在制造过程期间，在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的漏节点与源节点之间形成特性电路，从而使所述功率半导体器件具有功率整流和电压调整功能。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述特性电路选自下组器件：
一对背对背或面对面串联耦合的肖特基二极管、一对背对背或面对面串联耦合的SSD、一对背对背或面对面串联耦合的齐纳二极管、一对背对背或面对面串联耦合的肖特基二极管和齐纳二极管、一对背对背或面对面串联耦合的肖特基二极管和SSD、以及一对背对背或面对面串联耦合的齐纳二极管和SSD；
所述背对背耦合是指P型节点互连，所述面对面耦合是指N型节点互连。
3.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述特性电路是四层半导体器件。
4.根据权利要求3所述的功率半导体器件，其特征在于，所述四层半导体器件是DIAC或Triac。
5.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述特性电路由分别与所述MOSFET的所述漏节点和所述源节点耦合的P型节点和N型节点组成。
6.根据权利要求5所述的功率半导体器件，其特征在于，所述特性电路是一个快速二极管、一个肖特基二极管或一个齐纳二极管。
7.一种功率半导体器件，其特征在于，特性电路在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的漏节点与源节点之间被外耦合，从而使所述器件具有整流和电压调整功能。
8.根据权利要求7所述的功率半导体器件，其特征在于，其中所述特性电路选自下组器件：
一对背对背或面对面串联耦合的肖特基二极管、一对背对背或面对面串联耦合的SSD、一对背对背或面对面串联耦合的齐纳二极管、一对背对背或面对面串联耦合的肖特基二极管和齐纳二极管、一对背对背或面对面串联耦合的肖特基二极管和SSD、以及一对背对背或面对面串联耦合的齐纳二极管和SSD；
所述背对背耦合是指P型节点互连，所述面对面耦合是指N型节点互连。
9.根据权利要求7所述的功率半导体器件，其特征在于，所述特性电路是四层半导体器件。
10.根据权利要求9所述的功率半导体器件，其特征在于，所述四层半导体器件是DIAC或Triac。
11.根据权利要求7所述的功率半导体器件，其特征在于，所述特性电路由分别与所述MOSFET的所述漏节点和所述源节点耦合的P型节点和N型节点组成。
12.根据权利要求11所述的功率半导体器件，其特征在于，所述特性电路是一个快速二极管、一个肖特基二极管或一个齐纳二极管。
13.一种整流电路，包括：
至少有一个前述任何一个权利要求所述的功率半导体器件；以及
一辅助电路与所述功率半导体器件耦合，从而由提供直流输出电压的所述整流电路对电压源进行半波或全波整流和调整。
14.根据权利要求13所述的整流电路，其特征在于，所述辅助电路向所述功率半导体器件提供辅助电压，从而使所述功率半导体器件在工作区域被偏置。
15.根据权利要求14所述的整流电路，还包括：
由第一个二次绕组与第二个二次绕组组成的高频变压器；
其特征在于：
当交流电压的正半周馈送至所述第一个二次绕组的第一个节点时，所述交流电压的正半周通过所述辅助电路，到达所述第一个二次绕组的第二个节点，并施加在所述功率半导体器件上；以及
在所述第二个二次绕组两端的电压通过所述辅助电路提供所述辅助电压，且导通/隔离所述功率半导体器件的漏节点和源节点。
16.根据权利要求13所述的整流电路，其特征在于，所述辅助电路由与所述功率半导体的输出节点耦合的滤波电路组成，从而使所述整流电路传输所述直流输出电压。
17.根据权利要求16所述的整流电路，其特征在于，所述滤波电路为π型滤波器。
18.根据权利要求13所述的整流电路，包括：
第一个和第二个功率半导体器件；以及
由第一个二次绕组和第二个二次绕组组成的高频变压器；
其特征在于：
所述辅助电路包括第一个限流电阻器、第二个限流电阻器、第一个二极管、第二个二极管、第一个光耦合器、第二个光耦合器、高频二极管、滤波电容器、第一个分压电路、第二个分压电路、以及滤波电路；
当正半周交流电压馈送至所述第一个二次绕组的第一个节点时，通过所述第一个限流电阻器、所述第一个二极管、以及所述第一个光耦合器，到达所述第一个二次绕组的中间节点；在所述第二个二次绕组的两个节点两端的电压被所述高频二极管整流，并将正的直流输出传输通过所述滤波电容器；所述正的直流输出通过所述第一个光耦合器的输出侧到达所述第一个分压电路，并导通所述第一个功率半导体器件的漏节点和源节点；从而使在所述第一个二次绕组的所述第一个节点处的所述正半周电压通过所述第一个功率半导体器件的所述漏节点和所述源节点，且于是通过所述滤波电路传输所述直流输出电压；以及
当正半周交流电压馈送至所述第一个二次绕组的第二个节点时，通过所述第二个限流电阻器、所述第二个二极管、以及所述第二个光耦合器，到达所述第一个二次绕组的中间节点；在所述第二个二次绕组两端的电压被所述高频二极管整流，并将正的直流输出传输通过所述滤波电容器；所述正的直流输出通过所述第二个光耦合器的输出侧到达所述第二个分压电路，并导通所述第二个功率半导体器件的漏节点和源节点；从而使在所述第一个二次绕组的所述第二个节点处的所述正半周交流电压通过所述第二个功率半导体器件的所述漏节点和所述源节点，且于是通过所述滤波电路传输所述直流输出电压。
19.根据权利要求13所述的整流电路，其特征在于，所述辅助电路由与所述功率半导体器件耦合的反馈电路组成，并在所述直流输出电压超过预定值时、禁用所述功率半导体器件的整流功能，直至所述直流输出电压降至所述预定值以下。
20.根据权利要求19所述的整流电路，其中所述反馈电路由可调精密并联调节器集成电路和光耦合器组成；其特征在于：
当所述直流输出电压超过所述预定值时，所述可调精密并联调节器集成电路被启动，且所述光耦合器的所述集电极节点和所述发射极节点导通，于是所述功率半导体器件的门节点和源节点导通，所述功率半导体器件停止整流，从而使所述直流输出电压下降；以及
当所述直流输出电压下降得足够低、使得所述可调精密并联调节器集成电路不再导通时，所述功率半导体开始整流，从而使所述直流输出电压上升。
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