CN106603050A - 一种集成式半导体功率开关器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式半导体功率开关器件，集成有功率开关和过流检测保护电路，所述功率开关电连接至所述过流检测保护电路。本发明解决了过流保护响应延时过长及过流保护电路寄生电感过大的问题，提高了过流保护的可靠性。

Description

一种集成式半导体功率开关器件

技术领域

本发明涉及功率开关器件技术领域，尤其涉及一种集成式半导体功率开关器件。

背景技术

集成式半导体功率器件构成的开关管是现代功率变换器的核心，稳定和可靠的集成式半导体功率器件对整个功率变换器系统的可靠性有至关重要的影响，因此，提高集成式半导体功率器件的可靠性具有重要意义。

过流损坏是半导体功率开关的一种常见失效模式，通常发生在短路和过载等异常情况下。比如升压变换器中，负载加重导致电感饱和，电感电流急剧增加，会导致功率半导体开关过流损坏；再比如桥式变换器中，同一桥臂的半导体功率开关由于直通导致的器件过流损坏。半导体功率开关的过流损坏常常会引起功率变换器系统中其它器件的损坏，甚至使整个系统不可恢复的失效。

目前，针对半导体功率开关的过流损坏问题，通常采用的应对措施主要是通过采样电阻合作电流互感器来采样半导体功率开关输出电流的大小，将电流采样值传递到控制电路，由控制电路判断是否需要关断驱动半导体功率开关的驱动信号，以关断半导体功率开关，避免过流损坏。

但采用这种方式来实现半导体功率开关的过流保护有以下缺点：首先，过流保护电路路径较长，会有很长且不可控的延时，对过流的响应不及时；其次，采样电路上(采样电阻、电流互感器及连接布线)存在不可忽略的寄生电感，该电感主要由电流互感器以及PCB走线电感构成，在半导体功率开关开通的瞬间，寄生电感会引起明显的电压尖峰干扰，需要前沿消隐电路，即在开通的瞬间，过流检测保护功能被禁止，但这会带来过流损坏的风险；最后，对于桥式变换器电路，这种保护机制很难避免对上下半导体功率开关直通导致的过流损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种集成式半导体功率开关器件，以解决过流保护响应延时过长及过流保护电路寄生电感过大的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种集成式半导体功率开关器件，集成有功率开关和过流检测保护电路，所述功率开关电连接至所述过流检测保护电路。

本发明的集成式半导体功率开关器件还包括：

采样单元，用于采样功率开关输出的电流信号；

信号处理单元，所述信号处理单元的输入端电连接所述采样单元，用于至少将所述采样单元采样的电信号与参考信号进行比较；

驱动关断单元，所述驱动关断单元的输入端电连接所述信号处理单元的输出端，用于根据所述信号处理单元的比较结果，在判定所述功率开关过流时关断提供给所述功率开关的驱动信号。

进一步地，所述采样单元包括电流采样电阻，电流采样电阻的第一端接所述功率开关的输出端，第二端接地。

进一步地，所述信号处理单元包括放大器和比较器；放大器的第一输入端电连接所述电流采样电阻的第一端，所述放大器的第二输入端电连接所述电流采样电阻的第二端；所述放大器的输出端电连接所述比较器的输入端。

进一步地，所述驱动关断单元包括PMOS管和NMOS管；

所述PMOS管和NMOS管的栅极电连接所述比较器的输出端，所述PMOS管和NMOS管的漏极电连接所述功率开关的驱动控制端，所述PMOS管的源极接驱动信号，所述NMOS管的源极接地。

进一步地，所述驱动关断单元还包括PNP型三极管和NPN型三极管；

所述PNP型三极管和NPN型三极管的基极电连接所述比较器的输出端，所述PNP型三极管和NPN型三极管的集电极电连接所述功率开关的驱动控制端，所述PNP型三极管的发射极接驱动信号，所述NPN型三极管的发射极接地。

进一步地，所述过流检测保护电路还包括供电单元；

所述供电单元电连接所述信号处理单元，用于为所述放大器和所述比较器提供供电电压，同时为所述比较器提供参考电压，作为所述参考信号。

进一步地，所述供电单元包括电源、整流电路和分压电路；

所述电源连接所述整流电路的输入端，所述整流电路的输出端电连接所述分压电路的输入端，所述分压电路用于产生所述供电电压和所述参考电压。

进一步地，所述电源还用于为所述功率开关提供高电平信号。

进一步地，所述功率开关、所述采样单元、所述信号处理单元、所述驱动关断单元和所述供电单元集成于一封装壳体内，或者集成一半导体芯片上。

综上所述，通过与半导体功率开关管源极串联的采样电阻来采样流过半导体功率开关管的电流大小，该采样值传递到信号处理电路，进行滤波、放大、比较、延时等处理后，将处理的结果传递到驱动关断电路。驱动关断电路根据前级信号处理电路的结果来决定是否关断栅极驱动路径，并打开栅极电荷泄放路径。供电电路通过整流二极管从半导体功率开关管的高电位端口(比如NMOSFET的漏极)取电，进行滤波储存后，为信号处理电路和驱动关断电路供电。

本发明的有益效果是：本发明提供的集成式半导体功率开关器件，通过将功率开关和过流检测保护电路集成于一体，大大缩短了过流检测保护电路内以及功率开关与过流检测保护电路之间连接布线的长度，从而缩短了过流检测保护电路的路径，明显减小了电路的寄生电感，省去了前沿消隐电路，降低了过流保护的响应延时，提高了过流保护的可靠性。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：

图1是本发明实施例提供的集成式半导体功率开关器件的结构框图；

图2是本发明实施例提供的过流检测保护电路的结构框图；

图3是本发明实施例提供的采样单元与信号处理单元的电路图；

图4是本发明实施例提供的驱动关断单元的电路图；

图5是本发明实施例提供的另一驱动关断单元的电路图；

图6是本发明实施例提供的另一过流检测保护电路的结构框图；

图7是本发明实施例提供的供电单元的电路图；

图8是本发明实施例提供的另一供电单元的电路图；

图9是本发明实施例提供的另一半集成式导体功率开关器件的结构框图；

图10是本发明实施例提供的集成式半导体功率开关器件的电路图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明一实施例提供的集成式半导体功率开关器件的结构框图。该集成式半导体功率开关器件适用于对半导体功率开关进行过流保护的情况。如图1所示，该集成式半导体功率开关器件100集成有功率开关1和过流检测保护电路2，功率开关1电连接至过流检测保护电路2。

如图2所示，上述集成式半导体功率开关器件100中，过流检测保护电路包括采样单元10、信号处理单元20和驱动关断单元30。

其中，采样单元10用于采样功率开关输出的电信号；

信号处理单元20的输入端电连接采样单元10，用于至少将采样单元10采样的电信号与参考信号进行比较；

驱动关断单元30的输入端电连接信号处理单元20的输出端，用于根据信号处理单元20的比较结果，在判定功率开关过流时关断提供给功率开关的驱动信号。

本实施例中，功率开关可以为三极管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、晶闸管、碳化硅晶体管、氮化镓晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的任一种。

如图3所示，上述采样单元10具体可包括电流采样电阻R1，该电流采样电阻R1的第一端接功率开关的输出端，第二端接地，即该电流采样电阻R1与功率开关串联，流过该电流采样电阻R1的电流与流过功率开关的电流相同，因此，通过采样电流采样电阻R1的电流即可判断功率开关是否过流。而且，与现有技术相比，本实施例省去了电流互感器，减小了电路的寄生电感。

参考图3，上述信号处理单元20可具体包括放大器21和比较器22。

其中，放大器21的第一输入端电连接电流采样电阻R1的第一端，放大器21的第二输入端电连接电流采样电阻R1的第二端；放大器21的输出端电连接比较器22的输入端。

具体的，放大器21的第一输入端可电连接一电阻R2，第一输入端和输出端之间可电连接一反馈电阻R3，由R3和R2的比值确定放大器21的放大倍数，由此，将采样到的电信号进行放大，有利于比较器22将放大后的电信号与参考信号(如参考电压Vref)进行比较，上述放大器21和比较器22的供电电压可均为VCC。为了避免过流保护在过流值附近不断启动和关闭，比较器22应为滞环比较器。

基于上述实施例，如图4所示，上述驱动关断单元30具体可包括P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(PMOS管)和N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(NMOS管)。

其中，PMOS管和NMOS管的栅极电连接比较器的输出端，PMOS管和NMOS管的漏极电连接功率开关的驱动控制端Driver_g(当功率开关为MOS管时，PMOS管和NMOS管的漏极电连接MOS管的栅极)，PMOS管的源极接驱动信号DRIVER，该驱动信号DRIVER可由外界驱动单元提供，也可将驱动单元集成于本实施例中的过流检测保护电路；上述NMOS管的源极接地。

结合图3和图4，本实施例的过流检测保护电路的工作原理为：当功率开关导通时，流过功率开关的电流同时流过电流采样电阻R1。由于采用了集成式的电路结构，功率开关和电流采样电阻R1之间布线的寄生电感非常小，可以忽略，所以电流采样电阻R1上的电压值可以准确反映流过功率开关的电流大小，该电压值传递到放大器21的输入端，放大器21的放大倍数为R3/R2，即电流采样电阻R1上的电压值被放大R3/R2倍后传递到比较器22，比较器22再将放大后的电压值与参考电压Vref进行比较。如果放大后的电压值大于参考电压Vref，且流过功率开关的电流为I_S，则放大后的电压值和参考电压Vref的关系式可表述如下：

其中，参考电压Vref的选取可由功率开关的额定电流确定，即其中I_额为功率开关的额定电流。

此时，比较器22输出高电平，驱动关断单元30中的PMOS管关断，NMOS管导通，驱动信号DRIVER被PMOS管断开，功率开关的驱动控制端被NMOS管连接到地，使得功率开关被迅速断开，从而避免了功率开关因为过电流被损坏。

如果流过功率开关的电流相对小，且满足以下关系式：

则比较器22输出低电平，驱动关断单元30中的PMOS管导通，NMOS管断开，功率开关的驱动控制端被PMOS管连接到驱动信号DRIVER，功率开关继续处于导通工作状态。

可选的，如图5所示，上述驱动关断单元可包括PNP型三极管和NPN型三极管，即将上述PMOS管替换为PNP型三极管，将上述NMOS管替换为NPN型三极管。

具体的，PNP型三极管和NPN型三极管的基极电连接比较器的输出端，PNP型三极管和NPN型三极管的集电极电连接功率开关的驱动控制端Driver_g，PNP型三极管的发射极接驱动信号DRIVER，NPN型三极管的发射极接地。

本实施例提供的集成式半导体功率开关器件，通过将功率开关和过流检测保护电路集成于一体，大大缩短了过流检测保护电路内以及功率开关与过流检测保护电路之间连接布线的长度，从而缩短了过流检测保护电路的路径，明显减小了电路的寄生电感，省去了前沿消隐电路，降低了过流保护的响应延时，提高了过流保护的可靠性。

图6是本发明一实施例提供的过流检测保护电路的结构框图。本实施例与上述实施例的区别在于：本实施例的过流检测保护电路还包括供电单元。如图6所示，该供电单元40电连接信号处理单元20，用于为放大器和比较器提供供电电压，同时为比较器提供参考电压，作为参考信号。

示例性的，上述供电单元40可包括电源、整流电路和分压电路。其中，电源连接整流电路的输入端，整流电路的输出端电连接分压电路的输入端，分压电路用于产生供电电压和参考电压。

具体的，如图7所示，电源提供一高压HV，整流电路采用一整流二极管D1，整流二极管D1的阳极接电源，通过整流二极管D1输入的高压HV，经过电阻R4和R5分压，分得的电压再通过电容C1滤波后，作为信号处理单元和驱动关断单元的供电电压VCC。供电电压VCC进一步通过分压电阻R6和R7，以及稳压二极管Z1产生参考电压Vref，该参考电压Vref作为信号处理单元的参考信号。

可选的，如图8所示，电源提供一高压HV，整流电路采用一整流二极管D1，整流二极管D1的阳极接电源，通过整流二极管D1输入的高压HV，经过电阻R4和R5分压，分得的电压通过电容C1滤波后，再通过由三极管Q1、稳压管Z1、电阻R6和R7、电容C2和C3构成的线性稳压结构，产生稳定的供电电压VCC，用于提供给信号处理单元和驱动关断单元，供电电压VCC再次经过分压电阻R8和R9以及滤波电容C4后产生参考电压Vref，该参考电压Vref作为信号处理单元的参考信号。

另外，上述电源还用于为功率开关提供高电平信号。例如，当功率开关为MOS管时，电源接MOS管的高电位端(如NMOS管的漏极)。电容C1的容值较大，使得供电电压VCC和参考电压Vref保持相对稳定。

图9是本发明一实施例提供的集成式半导体功率开关器件的结构框图。该集成式半导体功率开关器件集成有功率开关和本发明上述实施例提供的过流检测保护电路，功率开关为上述实施例中的功率开关。其中，功率开关包括三极管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、晶闸管、碳化硅晶体管、氮化镓晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的任一种。

示例性的，如图9所示，该集成式半导体功率开关器件包括采样单元10、信号处理单元20、驱动关断单元30、供电单元40和功率开关50。

其中，采样单元10电连接至功率开关50的低电位端，用于采样功率开关50输出的电流，本实施例的采样单元10可以为电流采样电阻，电流采样电阻的第一端电连接至功率开关50的低电位端，第二端接地，可通过采样电流采样电阻上的电压确定流过功率开关的电流；

信号处理单元20的输入端电连接采样单元10，用于至少将采样单元10采样的电压与参考电压进行比较，本实施例中，信号处理单元可包括放大器和比较器，放大器的第一输入端电连接电流采样电阻的第一端，放大器的第二输入端电连接电流采样电阻的第二端；放大器的输出端电连接比较器的输入端；

驱动关断单元30的输入端电连接信号处理单元20的输出端，用于根据信号处理单元20的比较结果，在判定功率开关50过流时关断提供给功率开关50的驱动信号；

供电单元40电连接信号处理单元20以及功率开关50的高电位端，用于为放大器和比较器提供供电电压，同时为比较器提供参考电压，为功率开关50的高电位端提供高电平信号。

具体的，如图10所示，采样单元10具体可包括电流采样电阻R1，该电流采样电阻R1的第一端接功率开关50的低电位端，第二端接地；信号处理单元20可具体包括放大器21和比较器22，其中，放大器21的第一输入端通过电阻R2电连接电流采样电阻R1的第一端，放大器21的第二输入端电连接电流采样电阻R1的第二端，放大器21的输出端电连接比较器22的输入端，第一输入端和输出端之间可电连接一反馈电阻R3；驱动关断单元30具体可包括PMOS管和NMOS管，其中，PMOS管和NMOS管的栅极电连接比较器的输出端，PMOS管和NMOS管的漏极电连接功率开关50的驱动控制端Driver_g，PMOS管的源极接驱动信号DRIVER，NMOS管的源极接地；供电单元40可包括电源、整流电路和分压电路，电源提供一高压HV，整流电路采用一整流二极管D1，整流二极管D1的阳极接电源，通过整流二极管D1输入的高压HV，经过电阻R4和R5分压，分得的电压再通过电容C1滤波后，作为信号处理单元和驱动关断单元的供电电压VCC。供电电压VCC进一步通过分压电阻R6和R7，以及稳压二极管Z1产生参考电压Vref，该参考电压Vref作为信号处理单元的参考信号。

基于上述实施例，功率开关、采样单元、信号处理单元、驱动关断单元和供电单元可集成于一封装壳体内，或者集成一半导体芯片上。示例性的，功率开关、采样单元、信号处理单元、驱动关断单元和供电单元为相互独立的器件，各器件通过短连接线电连接在一起，所有器件都封装在同一封装壳体内；或者，各器件在同一半导体芯片上制备，进一步省去了各器件单元之间的连接线，进一步减小了寄生电感，降低了过流保护的响应延时。其中，半导体芯片可以为硅芯片或氮化镓芯片。

本实施的集成式半导体功率开关器件的工作原理可参考上述实施例，此处不再赘述。

本实施例所提供的集成式半导体功率开关器件，包括本发明实施例所提供的过流检测保护电路，具备相应的功能和有益效果；且本实施例的集成式半导体功率开关器件自身集成有过流检测保护电路，减低了外围电路的复杂度和成本。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种集成式半导体功率开关器件，其特征在于，集成有功率开关和过流检测保护电路，所述功率开关电连接至所述过流检测保护电路。

2.根据权利要求1所述的集成式半导体功率开关器件，其特征在于，包括：

采样单元，用于采样功率开关输出的电流信号；

信号处理单元，所述信号处理单元的输入端电连接所述采样单元，用于至少将所述采样单元采样的电信号与参考信号进行比较；

驱动关断单元，所述驱动关断单元的输入端电连接所述信号处理单元的输出端，用于根据所述信号处理单元的比较结果，在判定所述功率开关过流时关断提供给所述功率开关的驱动信号。

3.根据权利要求2所述的集成式半导体功率开关器件，其特征在于，所述采样单元包括电流采样电阻；

所述电流采样电阻的第一端接所述功率开关的输出端，第二端接地。

4.根据权利要求3所述的集成式半导体功率开关器件，其特征在于，所述信号处理单元包括放大器和比较器；

所述放大器的第一输入端电连接所述电流采样电阻的第一端，所述放大器的第二输入端电连接所述电流采样电阻的第二端；

所述放大器的输出端电连接所述比较器的输入端。

5.根据权利要求4所述的集成式半导体功率开关器件，其特征在于，所述驱动关断单元包括PMOS管和NMOS管；

所述PMOS管和NMOS管的栅极电连接所述比较器的输出端，所述PMOS管和NMOS管的漏极电连接所述功率开关的驱动控制端，所述PMOS管的源极接驱动信号，所述NMOS管的源极接地。

6.根据权利要求4所述的集成式半导体功率开关器件，其特征在于，所述驱动关断单元包括PNP型三极管和NPN型三极管；

所述PNP型三极管和NPN型三极管的基极电连接所述比较器的输出端，所述PNP型三极管和NPN型三极管的集电极电连接所述功率开关的驱动控制端，所述PNP型三极管的发射极接驱动信号，所述NPN型三极管的发射极接地。

7.根据权利要求4-6任一项所述的集成式半导体功率开关器件，其特征在于，所述过流检测保护电路还包括供电单元；

所述供电单元电连接所述信号处理单元，用于为所述放大器和所述比较器提供供电电压，同时为所述比较器提供参考电压，作为所述参考信号。

8.根据权利要求7所述的集成式半导体功率开关器件，其特征在于，所述供电单元包括电源、整流电路和分压电路；

所述电源连接所述整流电路的输入端，所述整流电路的输出端电连接所述分压电路的输入端，所述分压电路用于产生所述供电电压和所述参考电压。

9.根据权利要求8所述的集成式半导体功率开关器件，其特征在于，所述电源还用于为所述功率开关提供高电平信号。

10.根据权利要求7所述的集成式半导体功率开关器件，其特征在于，所述功率开关、所述采样单元、所述信号处理单元、所述驱动关断单元和所述供电单元集成于一封装壳体内，或者集成一半导体芯片上。