CN105703756B - 一种基于光伏应用的nexfet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NEXFET旁路开关，由N沟道的具有超低导通压降的NEXFET、驱动控制模块和电容组成，NEXFET为核心部分，C+接电容正端，C‑接电容负端，G接NEXFET栅级，D‑接NEXFET阳极，D+接NEXFET阴级，该电路具有旁路开关能力。其基本工作原理类似于肖特基二极管，电容和驱动控制模块用于NEXFET的驱动控制，而功率NEXFET器件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，在一切都正常的情况下旁路开关不会起作用的。本发明旁路二极管具有极低的导通压降，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

一种基于光伏应用的NEXFET旁路开关
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，尤其设计一种基于光伏应用的NEXFET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NEXFET旁路开关。
为实现上述目的，本发明提供了一个由1只N沟道的NEXFET、一个驱动控制模块和一个电容C1构成的电路结构，电容C1和驱动电路控制NEXFET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。NEXFET作为核心部分，其阳极与阴极之间寄生并联一个二极管；所述驱动控制模块的C+端接电容C1正端，C-端接电容C1负端，G接NEXFET栅级，D-接NEXFET阳极，D+接NEXFET阴级，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NEXFET的特点来代替肖特基二极管实现旁路开关。NEXFET不仅可以将品质因数(Qg*Ron)与trench-MOS相比提高两倍以上，其寄生的二极管还可以将LDMOS的漏源压降钳位到二极管的击穿电压，这样LDMOS就不会出现雪崩击穿事件。
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。在电流流经旁路开关时，首先NEXFET处于关断状态，电流流经寄生的二极管，振荡器开始工作，配合电荷泵将寄生的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NEXFET直到电容C1上电压达到比较器预设的低电平值，NEXFET导通形成低阻抗路径，电流绝大部分流过NEXFET。此阶段旁路开关的压降约为NEXFET的导通压降，由于充电阶段的占空比小，平均导通压降很低。
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C3，两个电容C2和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两个电容分别交替完成两个工作过程：1、电容C2和C3负端接地，电容C2和C3正端充电至输入电压Vin；2、电容C2和C3负端接高电平，由于电容C2和C3两端压差不变，电容C2和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使得该振荡器能工作在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充电，电容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。
进一步NEXFET旁路开关的制造方法：主要包括硅片制备-P型外延层生长—有源区光刻—n+深结扩散—n-区注入—栅氧化层生长—多晶刻蚀—p型注入—p+型注入—n+型注入—接触孔刻蚀—金属淀积、刻蚀—合金—钝化—退火工艺步骤制备。所述NEXFET的栅介质选自SiO2、Si3N4、Al2O3、La2O3、HfO2或ZrO2高k介质中的其中一种介质。所述NEXFET旁路开关可以采用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟以及锗硅等半导体材料其中之一制作。
本发明的优点：NEXFET不仅可以将品质因数(Qg*Ron)与trench-MOS相比提高两倍以上，其寄生的二极管还可以将LDMOS的漏源压降钳位到二极管的击穿电压，这样LDMOS就不会出现雪崩击穿事件，使其具有极低导通压降，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NEXFET旁路开关的光伏应用；
图2为本发明的NEXFET基本结构；
图3为本发明的NEXFET旁路开关的连接图；
图4为本发明的NEXFET驱动模块原理图；
图5为本发明的应用原理图；
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
下面结合附图和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。
下面通过工艺对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一个由1只N沟道的NEXFET、一个驱动控制模块和一个电容构成的电路结构，电容和驱动电路控制NEXFET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，电路连接参见图3。NEXFET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+端接电容正端，C-端接电容负端，G端接NEXFET栅级，D-端接NEXFET阳极，D+端接NEXFET阴级，构成了本发明的整个电路结构。
所述电路中N沟道的NEXFET元件主要通过n+硅片制备—P型外延层生长—有源区光刻—n+深结扩散—n-区注入—栅氧化层生长—多晶刻蚀—p型注入—p+型注入—n+型注入—接触孔刻蚀—金属淀积、刻蚀—合金—钝化—退火等工艺步骤制备。制备好后的N沟道的NEXFET元件结构参见图2。
本实施例中N沟道的NEXFET元件栅介质优选为SiO2高k介质，NEXFET旁路开关优选采用体硅。实施例中NEXFET旁路开关各电子器件优选将所有电子器件集成到同一硅片上，具体参见图3。
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C3，两个电容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两个电容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，漏电流很大，耐压也相对较小。当采用本发明的旁路开关时，在电流流经旁路开关时，首先NEXFET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NEXFET直到电容上电压达到比较器预设的低电平值，NEXFET导通形成低阻抗路径，电流绝大部分流过NEXFET。此阶段旁路开关的压降约为NEXFET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60mV，漏电流下降两个数量级。而且NEXFET不仅可以将品质因数(Qg*Ron)与trench-MOS相比提高两倍以上，其寄生的二极管还可以将LDMOS的漏源压降钳位到二极管的击穿电压，这样LDMOS就不会出现雪崩击穿事件。大大提高芯片稳定性及寿命。
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NEXFET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 (3)

1.一种基于光伏应用的NEXFET旁路开关，其特征在于：包括1只N沟道的具有超低导通压降的NEXFET、一个驱动控制模块和一个电容C1；所述NEXFET为核心部分，所述驱动控制模块的C+端接电容C1正端，C-端接电容C1负端，G端接NEXFET栅级，D-端接NEXFET阳极，D+端接NEXFET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电容C2和电容C3，其中电容C2及电容C3负端分别接两个反相的震荡器信号；
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。
2.根据权利要求1所述的一种基于光伏应用的NEXFET旁路开关，其特征在于：NEXFET旁路开关的NEXFET、驱动控制模块以及电容C1各电子器件是分立器件，或者NEXFET、驱动控制模块以及电容C1所有电子器件集成到同一片硅片上，或是NEXFET单独器件，驱动控制模块以及电容C1集成在一块芯片上。
3.根据权利要求1所述的一种基于光伏应用的NEXFET旁路开关，其特征在于：所述NEXFET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-P型外延层生长-有源区光刻-n+深结扩散-n-区注入-栅氧化层生长-多晶刻蚀-p型注入-p+型注入—n+型注入—接触孔刻蚀—金属淀积、刻蚀—合金—钝化—退火工艺步骤制备；所述NEXFET的栅介质选自SiO2、Si3N4、Al2O3、La2O3、HfO2或ZrO2高k介质中其中一种介质；所述NEXFET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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