CN105702747B - 一种基于光伏应用的vdmos旁路开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光伏应用的VDMOS旁路开关，由N沟道的具有超低导通压降的VDMOS、驱动控制模块和电容组成，VDMOS为核心部分，C+接电容正端，C‑接电容负端，G接VDMOS栅级，D+接VDMOS阳极，D‑接VDMOS阴级，该电路具有旁路开关能力。电容和驱动控制模块用于VDMOS的驱动控制，而该结构包括光伏电池元胞的旁路开关的VDMOS，当光伏电池元胞中出现热点时，电流就会经旁路开关流过而不会阻断，在一切都正常的情况下旁路开关不会起作用的。本设计的VDMOS，仿真得出旁路开关的导通压降可以降低到50mV以下，反向漏电流更小，功耗更低，温度特性更好，寿命更长和特性更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及半导体器件及制造工艺，尤其涉及一种基于光伏应用的VDMOS旁路开关。
背景技术
随着太阳能的广泛应用，光伏电池等太阳能相关产业发展迅速。其中光伏板就是由一系列的光伏电池元胞组成。在最佳条件下，所有的细胞都同样辐照和作用在同一电流水平。然而，在正常操作下一些电池元胞可能会有部分阴影或模糊的。和完全辐照元胞相比这些阴影元胞限制电流产生，在极端的情况下，这些元胞被完全遮蔽了，电流被阻断。在这种情况下阴影元胞就像一个负载，辐照元胞产生的电流导致过电压产生，其值完全可以达到击穿阈值。这种现象被称作一个“热点”，会导致阴影元胞的过热，在某些情况下，甚至永久损伤导致漏电。为了防止热点的出现，因此，旁路二极管并联连接于元胞中，可以很好地解决这种情况，如图1。本发明所提供的就是一种基于光伏应用的旁路开关。
发明内容
本发明提出一种基于光伏应用的VDMOS旁路开关，具有极低的正向导通压降，更小的反向漏电流，更低的功耗，更长的寿命和更稳定的特性的VDMOS旁路开关。
为实现本发明目的，本发明提供了一个由1只N沟道的VDMOS一个驱动控制模块和一个电容C1构成的电路结构，所述电容C1和驱动电路控制VDMOS的门极驱动，该电路具有旁路开关的作用。所述的结构制作在一块n型单晶硅上，既可以把电路全部集成在一起，也可以实现单独连接。所述VDMOS作为核心部分，其阳极与阴极之间并联一个二极管；所述驱动控制模块的C+极接电容C1正端，C-极接电容C1负端，G极接VDMOS栅级，D+极接VDMOS阳极，D-极接VDMOS阴级，上述构成了本发明的整个电路结构，具体参见图3。
本发明的最重要之处是利用受驱动电路控制的VDMOS的特点来代替肖特基二极管实现旁路开关。VDMOS采用分离栅以及JFET区注入结构以减小旁路开关的导通压降和寄生电容，使旁路开关具有优良的性能，VDMOS的具体结构参见图2。
本发明的工作原理是：其工作原理类似于肖特基二极管，作为光伏电池元胞的旁路开关，当光伏电池元胞中出现热点时，电流就会经旁路开关流过而不会阻断，而在光伏电池一切都正常的情况下，旁路开关不会起作用，处于关断状态，如图5。在电流流经旁路开关时，首先VDMOS处于关断状态，电流流经二极管，振荡器开始工作，配合电荷泵将二极管压升压给电容充电，充至比较器预设的高电平值时完成充电，此阶段旁路开关的压降约为一普通二极管的压降。当电容充电阶段完成后，驱动模块开始工作，比较器输出的使能信号关断电荷泵，电容上的电荷用于驱动VDMOS直到电容上电压达到比较器预设的低电平值，VDMOS导通形成低阻抗路径，电流绝大部分流过VDMOS。此阶段旁路开关的压降约为VDMOS的导通压降，由于充电阶段的占空比小，平均导通压降极低，仿真得出在电流能力为8A的条件下，导通压降可以做到小于50mV。
所述驱动控制模块包括单芯片处理器CMP、驱动器、电荷泵以及振荡器OSC，其驱动原理图参见图4；所述振荡器OSC由两个PMOS、两个NMOS和一个电阻构成电流基准给所述电容C1充电，能在低电压下工作；所述驱动模块中电荷泵由若干个子电荷泵串联构成，子电荷泵电路结构如图6所示：其内部含有电容C2和电容C3，电容C2和电容C3的负端分别接两个反相的振荡器信号，根据振荡器信号电平的高低，电容C2和电容C3分别交替完成两个工作过程：1、电容C2和电容C3负端接地，电容C2和电容C3正端充电至输入电压Vin；2、电容C2和电容C3负端接高电平，由于电容C2和电容C3两端压差不变，电容C2和电容C3正端电压泵升输出，将较低的体二极管输入电压泵升给外接电容C1充电。
所述驱动模块中的振荡器电路结构如图7所示，该振荡器能工作在0.6V的低输入电压下，振荡频率受电源电压影响较小。振荡器通过由2个PMOS和2个NMOS和1个电阻构成电流基准给电容C1充电，电容C1充电至一定电位时迟滞反相器开始输出低电平，将充电电流减小且放电管开启开始放电，电容C1上的电压开始降低，当放电至低电位后开始充电过程，实现振荡。
开关中的VDMOS为横向结构的VDMOS或纵向结构的LDMOS。
进一步，VDMOS旁路开关的制造方法的步骤流程主要包括以下步骤：硅片制备—外延层生长—有源区光刻—栅氧化层生长—多晶刻蚀—JFET区注入—p型注入—p+型注入—n+型注入—接触孔刻蚀—金属淀积、刻蚀—制成合金—钝化—退火工艺步骤制备。
VDMOS的栅介质为SiO2、Si3N4、Al2O3、La2O3、HfO2或ZrO2。
VDMOS旁路开关采用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟以及锗硅半导体材料选自其中一种制作而成。
本发明的优点：本发明旁路开关其导通压降可以降低到50mV以下，并具有更小的反向漏电流，更低的功耗，更好的温度特性，更长的寿命和更稳定的特性。其性能远远优于现目前国内使用的肖特基二极管阵列的旁路开关。
附图说明
图1为本发明的VDMOS旁路开关的光伏应用；
图2为本发明的VDMOS基本结构；
图3为本发明的VDMOS旁路开关的连接图；
图4为本发明的VDMOS驱动模块原理图；
图5为本发明的VDMOS驱动模块原理图；
图6为本发明的电荷泵的电路图；；
图7为本发明的振荡器的电路图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
本发明提供了一个由1只N沟道的VDMOS、一个驱动控制模块和一个电容C1构成的电路结构，所述电容C1和驱动电路控制VDMOS的门极驱动，该电路具有旁路开关的作用。所述的结构制作在一块n型单晶硅上，既可以把电路全部集成在一起，也可以实现单独连接。
本实施例中VDMOS旁路开关个电子器件优选的将所有电子器件全部集成在同一硅片上，电路具体连接参见图3。所述VDMOS作为核心部分，其阳极与阴极之间并联一个二极管；所述驱动控制模块的C+极接电容C1正端，C-极接电容C1负端，G极接VDMOS栅级，D-极接VDMOS阳极，D+极接VDMOS阴级，上述构成了本发明的整个电路结构。
所述电路中N沟道的VDMOS元件主要通过n+硅片制备—生长n-外延—有源区光刻—栅氧化层生长—多晶刻蚀—JFET区注入—p型注入—p+型注入—n+型注入—接触孔刻蚀—金属淀积、刻蚀——制成合金—钝化—退火等工艺步骤制备。制备好后的N沟道的VDMOS元件结构具体参见图2。VDMOS的栅介质优选为SiO2高k介质。VDMOS旁路开关优选采用体硅半导体材料制作，开关中的VDMOS优选为横向结构。
所述驱动控制模块内部电路结构参见图4，包括单芯片处理器CMP、驱动器、电荷泵以及振荡器OSC。所述电荷泵的电路结构图参见图6，电荷泵由若干个子电荷泵串联构成，子电荷泵电路结构内部含有两个电容C2和电容C3，电容C2和电容C3的负端分别接两个反相的振荡器信号，根据振荡器信号电平的高低，电容C2和电容C3分别交替完成两个工作过程：1、电容C2和电容C3负端接地，电容C2和电容C3正端充电至输入电压Vin；2、电容C2和电容C3负端接高电平，由于电容C2和电容C3两端压差不变，电容C2和电容C3正端电压泵升输出，将较低的体二极管输入电压泵升给外接电容C1充电。
如图5所示，作为光伏电池元胞的旁路开关，当光伏电池元胞中出现热点时，电流就会经旁路开关流过而不会阻断，而在光伏电池一切都正常的情况下，旁路开关不会起作用，处于关断状态，当旁路开关采用肖特基二极管阵列，其导通压降至少在200mV之上，耐压较小，漏电流也很大。当采用本发明的旁路开关时，在电流流经旁路开关时，首先VDMOS处于关断状态，电流流经二极管，振荡器开始工作，配合电荷泵将二极管压升压给电容充电，充至比较器预设的高电平值时完成充电，此阶段旁路开关的压降约为一普通二极管的压降。当电容充电阶段完成后，驱动模块开始工作，比较器输出的使能信号关断电荷泵，电容上的电荷用于驱动VDMOS直到电容上电压达到比较器预设的低电平值，VDMOS导通形成低阻抗路径，电流绝大部分流过VDMOS。此阶段旁路开关的压降约为VDMOS的导通压降，由于充电阶段的占空比小，平均导通压降极低，仿真得出在电流能力为8A的条件下，导通压降可以做到小于50mV。漏电流可以降低两个量级，耐压也可以根据实际需要得到提高。
所述驱动模块中的振荡器电路结构如图7所示，该振荡器能工作在0.6V的低输入电压下，振荡频率受电源电压影响较小。振荡器通过由2个PMOS和2个NMOS和1个电阻构成电流基准给电容C1充电，电容C1充电至一定电位时迟滞反相器开始输出低电平，将充电电流减小且放电管开启开始放电，电容C1上的电压开始降低，当放电至低电位后开始充电过程，实现振荡。
应当说明，本发明的核心发明点在于用VDMOS组成的旁路开关，本发明的制备工艺具有多种变化，既可以把其附带电路集成在一块芯片里面，又可以单独连接。本发明中提供的制备方法仅为实现该电路结构的一种途径，本发明不可能也没有必要一一列出所有制备方法，但本领域技术人员应当理解在本发明的基础上所做出的各种结构或者工艺上的变化，均在本发明申请保护的范围之内。
Claims (2)
1.一种基于光伏应用的VDMOS旁路开关，其特征在于：包括1只N沟道的VDMOS、一个驱动控制模块和一个电容C1；VDMOS作为核心部分，所述驱动控制模块的C+极接电容正端，C-极接电容负端，G极接VDMOS栅级，D-极接VDMOS阳极，D+极接VDMOS阴级；
所述驱动控制模块包括单芯片处理器CMP、驱动器、电荷泵以及振荡器OSC；
所述电荷泵由若干串联的子电荷泵组成，子电荷泵电路结构内部包括一个电容C2和一个电容C3，其中电容C2和电容C3的负端分别接两个反相的震荡器信号；
所述VDMOS旁路开关的VDMOS、驱动控制模块以及电容C1是分立器件，或者VDMOS、驱动控制模块以及电容C1集成到同一片硅片上，或者VDMOS为分立器件，而驱动控制模块和电容C1集成在同一片硅片上；
开关中的VDMOS为横向结构的VDMOS或纵向结构的LDMOS。
2.根据权利要求1所述的一种基于光伏应用的VDMOS旁路开关，其特征在于：所述基于光伏应用的VDMOS旁路开关的制造方法的步骤流程主要包括以下步骤：硅片制备—外延层生长—有源区光刻—栅氧化层生长—多晶刻蚀—JFET区注入—p型注入—p+型注入—n+型注入—接触孔刻蚀—金属淀积、刻蚀—制成合金—钝化—退火工艺步骤制备；
VDMOS的栅介质为SiO2、Si3N4、Al2O3、La2O3、HfO2或ZrO2；
VDMOS旁路开关采用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟以及锗硅半导体材料中任一材料制作而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |