CN104122921B - 约束功率半导体器件的安全工作区轨迹的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在功率半导体器件的工作期间约束该功率半导体器件的安全工作区(SOA)轨迹的方法，所述功率半导体器件位于电源和负载之间，该方法包括：获取负载两端的电压测量值(V_LOAD)；选择标量，以缩放所获取的负载两端的电压测量值(V_LOAD)；以及根据由该标量与在负载两端获取的电压测量值(V_LOAD)的乘积来借助控制电路构造用于控制该功率半导体器件控制电压，从而约束该功率半导体的输出电压。

Description

约束功率半导体器件的安全工作区轨迹的方法

技术领域

本发明涉及用于在位于电源和负载之间的功率半导体器件的工作期间约束该功率半导体器件的安全工作区(SOA)轨迹的方法和电路。本发明特别地但是非排他性地应用于约束在电源和负载之间的以高边配置的N沟道增强型功率MOSFET的SOA轨迹，通过构造用于控制功率MOSFET的控制电压以约束该功率MOSFET的输出电压。

背景技术

诸如功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等功率半导体器件典型地用于对例如在自动控制和脉宽调制电机控制应用中的感应负载切换电源开(ON)和关(OFF)。该功率MOSFET具有用于控制该功率MOSFET的栅电极、连接到该电源的漏电极以及连接到该负载的源电极。在工作期间，当功率MOSFET被转换到断开(OFF)以切断(OFF)该负载，存储在该感应负载中的感应能量可导致该功率MOSFET的源电压降到地电位之下。在某些情况下，该功率MOSFET的源漏电压增加直到其超过源漏电子雪崩电压，导致在功率MOSFET的内部寄生的反并联的二极管中的传导，其可导致电子雪崩感应的功率MOSFET失效。因此，在保护功率半导体器件免受电子雪崩感应失效并且在约束的安全工作区(SOA)中运行该功率MOSFET方面做出过努力。SOA表示最大的电压和电流条件，在该条件下，任何这样的功率半导体器件可以不对器件造成自损的情况下运行。

对延长功率MOSFET寿命所做努力的一个现有实例中，源漏电压的变化率由次级栅极驱动电路通过MOSFET“米勒电容”控制。该次级栅极驱动通过选择用于该功率MOSFET的高阻抗主栅极驱动电路而获得，其与MOSFET内嵌的“米勒电容”相互作用。尽管如此，然而，在这个实例的“栅极成形”中，MOSFET安全工作区(SOA)轨迹仅仅在特定情形中被约束，并且这个技术对于参数波动不坚固。

在另一个实例中，次级栅极驱动电路源自源漏电压并且该感应负载由箝位控制电路箝位。然而，在这个实例中，当与传统负载使用时，“箝位”MOSFET SOA轨迹不产生最小峰值功率。实际上，该峰值功率仅仅在极端运行情况下最小化。

图1示出了用图表示的约束功率半导体器件的SOA的这些上述的现有实例。图1还以源漏电压(V_ds)在曲线图10的x轴上和漏电流(I_D)在曲线图10的y轴上示出了诸如功率MOSFET的功率半导体器件的最大额定正向偏移安全工作区(SOA)轨迹12的曲线图10。该SOA轨迹12表示该功率MOSFET在例如最大峰值结温和案例温度25℃下可安全地处理的最大同时源漏电压和漏电流。

按照每一个上述的现有实例，功率半导体器件可被用于转换箝位的和未箝位的感应负载。对于未箝位的感应负载，在电子雪崩期间在功率MOSFET中消耗的所存储的感应能量必须小于功率MOSFET的额定能量吸收限制。而且，必须调节功率MOSFET可处理的最大同时源漏电压和漏电流以用于不同的工作条件，例如案例温度。因而，可以看到使用上述现有方法的“栅极成形”SOA轨迹16约束了功率MOSFET的SOA轨迹12。对于箝位的负载，诸如上述现有实例，由图1可以看到，“箝位”SOA轨迹14还约束了功率MOSFET的SOA轨迹12，但是峰值功率仅仅在极端工作情况下最小化，例如电池电压向着MOSFET的最大源漏电压增加。还可以看到，使用“栅极成形”的方法比“箝位”方法，在更大范围的工作条件下约束功率。然而，当漏电流和漏源电压处于峰值水平时，峰值功率没有被显著约束。

还可以从图1的“箝位”14和“栅极成形”16两者轨迹看出漏电流(I_d)被约束为初始的漏电流(I_d(初始))18，并且当没有漏电流穿过功率MOSFET时，源漏电压是源电压(例如电池电压)(V_bat)20。尽管如此，存在进一步约束功率半导体器件的SOA在例如更大范围的工作条件下以更好地保护其免受峰值负载和电子雪崩感应失效。

对本发明背景的讨论在此被包括用于解释本发明。这不应当作是承认所引用的现有实例在本申请的优先权日被公开、公知、或是公知常识部分。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种在功率半导体器件的工作期间约束功率半导体器件的安全工作区(SOA)轨迹的方法，所述功率半导体器件位于电源和负载之间，所述方法包括：

获取负载两端的电压测量值(V_LOAD)；

选择标量用于缩放所获取的负载两端的电压测量值(V_LOAD)；以及

根据该标量与在负载的两端获取的电压测量值(V_LOAD)的乘积来借助控制电路构造用于控制该功率半导体器件控制电压，从而约束该功率半导体的输出电压。

优选地，该功率半导体器件是功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，用于切换例如在自动起动器电机控制应用中的负载。实际上，该功率半导体器件优选地是在电源和诸如起动器电机之类的感应负载之间以高边配置的N沟道增强型功率MOSFET。该功率MOSFET的控制电压进而约束该功率MOSFET的输出电压以致约束该功率MOSFET的SOA以最大化其寿命。即在功率MOSFET发生显著退化之前通过最小化功率MOSFET上的电子雪崩压力的事件和最小化峰值功率产生和/或功率MOSFET的总能量吸收而最大化开关循环的数量。这样，该SOA被约束以使得最低限度地利用功率MOSFET的SOA。

本领域技术人员应当意识到，功率半导体器件包括诸如功率MOSFET、以及双极结晶体管(BJT)、闸流晶体管和绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)之类的器件。

在实施例中，该方法进一步包括：选择在控制电路中的位于功率半导体器件的输出电极和功率半导体器件的控制电极之间的第一阻抗(R₁)和选择在控制电路中的位于负载的输出端和功率半导体器件的控制电极之间的第二阻抗(R₂)，以形成标量。

优选地，该标量是：-1/(R₂/R₁+1)。

在另一个实施例中，该方法进一步包括：通过给该控制电压添加偏移量来偏移该控制电路的控制电压。在该实施例中，该控制电路进一步包括位于负载和功率半导体器件的控制电极之间的非线性元件(D1)，并且偏移量包括标量与在非线性元件的两端获取的电压测量值(V_D1)的乘积。

另外，在实施例中，控制电压是：

V_LOAD·-1/(R₂/R₁+1)+V_D1·-1/(R₂/R₁+1)。

参考功率MOSFET实施例，控制电压是功率MOSFET的栅源电压(V_gs)。控制电极是功率MOSFET的栅电极并且输出电极是功率MOSFET的源电极。而且正如意识到的，连接到电源(例如电池)的功率半导体器件的输入电极是功率MOSFET的漏电极。

根据本发明的另一个方面，提供一种在功率半导体器件的工作期间约束该功率半导体器件的安全工作区(SOA)轨迹的控制电路，所述功率半导体器件位于电源和负载之间，所述控制电路包括：

具有第一阻抗的第一电阻器(R₁)，位于功率半导体器件的输出端和功率半导体器件的控制电极之间；以及

具有第二阻抗的第二电阻器(R₂)，位于功率半导体器件的输出端和功率半导体器件的控制电极之间，其中

第一阻抗和第二阻抗形成标量，以缩放所获取的负载两端的电压测量值(V_LOAD)，并且其中

根据该标量与在负载的两端获取的电压测量值(V_LOAD)的乘积借助控制电路来构造用于控制该功率半导体器件的控制电压，从而约束该功率半导体的输出电压。

再次参考功率MOSFET实施例，上面的控制电路具有对于由例如电源瞬变对功率MOSFET的错误激活的高度鲁棒性。这个通过具有缺少漏栅极耦合的控制电路获得。而且，通过选择第一和第二阻抗(R₁和R₂)选择本发明实施例的约束的SOA轨迹，以使得最低的峰值功率可被获得用于任意给定的电源输入电压。而且，正如意识到的，通过选择R₁和R₂，SOA轨迹被选择作为介于峰值功率消耗和功率MOSFET的总能量吸收之间的平衡。峰值功率的降低导致半导体管芯和功率MOSFET的封装材料的物理张力最小化。而且，总能量吸收中的降低导致由半导体管芯和封装材料经受的峰值温度最小化并由此延长功率MOSFET的寿命。

附图说明

现将参考附图来描述发明的实施例，其中：

图1是用于功率半导体器件的最大比率的正向偏移量安全工作区(SOA)轨迹的图，示出了现有技术中努力约束SOA轨迹以保护功率半导体器件的实例；

图2是用于图1的功率半导体器件的最大比率的正向偏移量安全工作区(SOA)轨迹的进一步的图，示出根据本发明的实施例的约束的SOA轨迹；

图3是描绘根据本发明的实施例的用于功率MOSFET的至少一个控制电路的示意图；

图4是描绘根据本发明的实施例的用于功率MOSFET的控制电路的进一步的示意图；

图5是描绘根据本发明的实施例的在功率MOSFET的开关期间的功率MOSFET的漏电流和栅源电压的示意图。

具体实施方式

现在参考图2，用于功率半导体器件的最大比率的正向偏移量安全工作区(SOA)轨迹12被示出在曲线图22。如上所述的，SOA轨迹12表示功率MOSFET可安全处理的最大同时源漏电压和漏电流。在本发明的实施例中，SOA轨迹12是以高边配置在电源和负载之间的N沟道增强型功率MOSFET被约束成受约束的SOA轨迹24。本领域技术人员将意识到曲线图22可描绘用于诸如BJT的其它器件的SOA轨迹。尽管如此，可以看到功率MOSFET的源漏电压被约束并且峰值功率产生以及功率MOSFET的总能量吸收被约束以最低限度地利用功率MOSFET的SOA。

根据上述方法产生约束的SOA轨迹24。即，在功率MOSFET工作期间，该方法包括：获取负载两端的电压测量值(V_LOAD)；选择标量用于缩放该获取的跨在负载上的电压测量值(V_LOAD)；以及如图3和4所示，根据由标量与在负载的两端获取的电压测量值(V_LOAD)的乘积来借助控制电路构造用于控制该功率半导体器件的控制电压，从而约束该功率MOSFET的输出电压。在图3中，提供了用于切换负载28的ON和OFF的开关电路26。如所描述的，负载是汽车的起动器电机，其借助功率MOSFET30来开关。

功率MOSFET30的工作由控制电路34控制，控制电路34被配置为控制从电池32向负载28的电力供应并且将功率MOSFET30的SOA轨迹约束成如上所述的示出在图2中的受约束的SOA轨迹。而且，在图3中示出的实施例中，控制电路34包括用于在某种情况下使约束功率MOSFET30的SOA轨迹的功能失效的开关。尽管如此，在能够约束时，在功率MOSFET30的工作期间跨过负载的电压测量值(V_LOAD)被标量为构造的用于功率MOSFET30的控制电压。来自功率MOSFET的输出电压被减去跨在负载上的电压(V_LOAD)并由此由如所述的标量为构造的控制电压标量。因而，功率MOSFET30的输出电压由闭环控制电路约束。

图4比图3更详细地示出了具有用于约束SOA轨迹的控制电路的开关电路36。图4中示出的实施例的功率MOSFET1是以高边在电压源4和感应负载5之间的N沟道增强型功率MOSFET1。N沟道增强型功率MOSFET1具有包括用于提供电压给开关MOSFET1开(ON)和关(OFF)的DC电源的主栅极驱动电路2。本领域技术人员将意识到当栅源电压超过阈值电压(V_TH)时功率MOSFET开关为开(ON)和当栅源电压小于阈值电压时开关为关(OFF)。而且，当功率MOSFET开关为OFF时，存储在负载5中的感应能量可导致功率MOSFET1的源电压下降到地电位之下足够远从而不会诱发MOSFET电子雪崩模式，该电子雪崩模式在如果功率MOSFET1的SOA没有最优的约束的情况下将导致功率MOSFET1电子雪崩感应失效。因此，开关电路26包括了用于约束功率MOSFET1的SOA的抗雪崩控制电路3。

现结合图5来解释图4的功率MOSFET1的工作。主栅极驱动电路2在闭合(CLOSED)和断开(OPEN)状态38之间切换开(ON)和关(OFF)。例如，MOSFET可被在20Hz处被开关并且占用1微秒以在状态之间开关。在这个时间期间，由于MOSFET漏电流上升和下降会产生开关功率的损耗。相应地，从功率MOSFET1的漏电极流到源电极的MOSFET漏电流(I_d)40被切换为开(ON)并且在主栅极驱动电路2被闭合(CLOSED)之后经一段时间而上升到其最大值并且在主栅极驱动2被断开(OPENED)之后经一段时间而下降到零。MOSFET栅源电压(V_gs)42示出了当主栅极驱动电路2被切换为开(ON)和关(OFF)二者时控制功率MOSFET1的控制电压。即，在主栅极驱动电路2开关为开(ON)时，功率MOSFET1处在饱和模式并且由主栅极驱动电路2控制。当主栅极驱动电路2开关为关(OFF)时，功率MOSFET1进入线性模式并且由电子雪崩控制电路3控制。

抗雪崩控制电路3包括具有第一阻抗并被放置在功率MOSFET1的源电极和功率MOSFET1的栅电极之间的第一电阻器(R₁)。电路3还包括具有第二阻抗并被放置在负载5的输出和功率MOSFET1的栅电极之间的第二电阻器(R₂)。如所述的，第一阻抗和第二阻抗形成用于缩放负载两端的电压测量值(V_LOAD)的标量。这样，根据负载5两端的经缩放的电压测量值，控制电路3可构造用于控制功率MOSFET1的控制电压。而且，选择阻抗以约束功率MOSFET1的输出电压。

此外，控制电路3包括二极管(D1)的形式的非线性元件并且控制电压通过添加偏移量给经缩放的控制电压而被偏移。在实施例中，该偏移量包括标量与在二极管(D1)两端的电压测量值的乘积，以使得控制电压即介于功率MOSFET的栅电极和源电极之间的电压是：

V_gs＝V_LOAD·^-1/(R₂/R₁+1)+V_D1·^-1/(R₂/R₁+1)。

开关电路36的典型参数包括12V(V_bat＝12V)的电池电源电压和20A(I_d(initial)＝20A)的功率MOSFET1的初始漏电流。对于功率MOSFET1，介于功率MOSFET1的源电极和漏电极之间的电阻器在其接通ON时是5mΩ(R_ds＝5mΩ)，将其接通为ON的介于功率MOSFET1的栅电极和源电极之间所需的最小栅极阈值电压是4V(V_TH＝4V)，并且功率MOSFET1的跨导是100A/V(g_m＝100A/V)。

对于功率MOSFET1，如图4中所示，当其工作在线性区域时由抗雪崩控制电路3控制：

V_gs＝V_TH+I_d·1/g_m 等式1

在实施例中：

I₁＝V_gs/R₁

相应地，在具有主栅极驱动电路2的栅极驱动开关断开(OPEN)的稳定状态中：I₁＝I₂

V_g＝0V-V_D1-I₂·R₂＝0V-V_D1-V_gs·R₂/R₁

V_s＝V_g-V_gs＝-V_D1-V_gs·R₂/R₁-V_gs＝-V_D1-V_gs·(R₂/R₁+1) 等式2

因此代入等式1和2：

V_s＝V_LOAD＝-V_D1-V_gs(R₂/R₁+1)

V_gs＝V_LOAD·-1/(R₂/R₁+1)+V_D1·-1/(R₂/R₁+1)

因此，从等式可见，由控制电流所构造的用于功率MOSFET1的控制电压(V_gs)是由负载电压加上偏移量再乘以标量而形成的。

返回参考图2，约束的SOA24是在该处峰值功率由功率MOSFET1的初始漏电流(I_d(initial))和最大源漏电压(V_ds)约束的功率MOSFET1的工作轨迹。

功率MOSFET1在峰值V_ds的峰值工作点是：

V_ds＝V_d-V_s V_d＝V_bat

V_s＝-V_D1-(V_TH+I_d·1/g_m)·(R₂/R₁+1)

V_ds＝V_bat+V_D1+(V_TH+I_d·1/g_m)·(R₂/R₁+1)

因而，使用上述的典型参数：

V_ds＝12V+V_D1+(4.2V)·(R₂/R₁+1)

虽然结合了有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应意识到根据前述说明许多替换、修改和变型是可能的。本发明旨在包含会落在所公开的本发明的精神和范围内的所有那些替换、修改和变型。

Claims (9)

1.一种在功率半导体器件的工作期间对所述功率半导体器件的安全工作区SOA轨迹进行约束的方法，所述功率半导体器件位于电源和负载之间，所述方法包括：

获取所述负载两端的电压测量值V_LOAD；

选择标量，以缩放在所述负载的两端获取的所述电压测量值V_LOAD；以及

根据所述标量与在所述负载的两端获取的所述电压测量值V_LOAD的乘积来利用控制电路构造用于控制所述功率半导体器件的控制电压，从而约束所述功率半导体器件的输出电压，

其中，选择在所述控制电路中的位于所述功率半导体器件的输出电极和所述功率半导体器件的控制电极之间的第一阻抗R₁以及选择在所述控制电路中的位于所述负载的输出和所述功率半导体器件的所述控制电极之间的第二阻抗R₂，以形成标量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述标量为：

－1/(R₂/R₁+1)。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：通过将偏移量添加到所述控制电压上来偏移所述控制电路的所述控制电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制电路进一步包括位于所述负载和所述功率半导体器件的所述控制电极之间的非线性元件D1，并且所述偏移量包括所述标量与在所述非线性元件的两端获取的电压测量值V_D1的乘积。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述控制电压为：

V_LOAD﹒－1/(R₂/R₁+1)+V_D1﹒－1/(R₂/R₁+1)。

6.根据权利要求1到5中的任意一项所述的方法，其中，所述功率半导体器件是N沟道增强型功率MOSFET。

7.一种用于在功率半导体器件的工作期间约束所述功率半导体器件的安全工作区SOA轨迹的控制电路，所述功率半导体器件位于电源和负载之间，所述控制电路包括：

具有第一阻抗R₁的第一电阻器，所述第一电阻器位于所述功率半导体器件的输出端和所述功率半导体器件的控制电极之间；以及

具有第二阻抗R₂的第二电阻器，所述第二电阻器位于所述负载的输出端和所述功率半导体器件的所述控制电极之间，其中

所述第一阻抗和所述第二阻抗形成标量，用于缩放在所述负载的两端获取的电压测量值V_LOAD，并且其中

所述控制电路根据所述标量与在所述负载的两端获取的电压测量值V_LOAD的乘积来构造用于控制所述功率半导体器件的控制电压，从而约束所述功率半导体器件的输出电压。

8.根据权利要求7所述的控制电路，其中，通过将偏移量添加到所述控制电压上来偏移所述控制电压。

9.根据权利要求8所述的控制电路，进一步包括位于所述负载和所述功率半导体器件的所述控制电极之间的非线性元件，其中，所述偏移量包括所述标量与在所述非线性元件的两端获取的电压测量值的乘积。