CN108809284A - 集成式功率开关器件和电子设备 - Google Patents

集成式功率开关器件和电子设备 Download PDF

Info

Publication number
CN108809284A
CN108809284A CN201711023522.3A CN201711023522A CN108809284A CN 108809284 A CN108809284 A CN 108809284A CN 201711023522 A CN201711023522 A CN 201711023522A CN 108809284 A CN108809284 A CN 108809284A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switching device
diode
integrated
switch pipe
semiconducter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711023522.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108809284B (zh
Inventor
朱永生
裴轶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SUZHOU JIEXINWEI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd
Original Assignee
SUZHOU JIEXINWEI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SUZHOU JIEXINWEI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd filed Critical SUZHOU JIEXINWEI SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co Ltd
Priority to CN201711023522.3A priority Critical patent/CN108809284B/zh
Publication of CN108809284A publication Critical patent/CN108809284A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108809284B publication Critical patent/CN108809284B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

本发明实施例提供一种集成式功率开关器件和电子设备，该集成式功率开关器件包括半导体功率开关管、半导体功率二极管、高电位引脚和低电位引脚。其中，所述半导体功率开关管包括高电位端、低电位端和控制端；所述半导体功率二极管包括阳极和阴极；所述半导体功率开关管的高电位端与所述高电位引脚、所述半导体功率二极管的阳极连接，低电位端与所述半导体功率二极管的阴极、所述低电位引脚连接，所述控制端与所述高电位端连接。本发明能够在不需要额外的控制电路的条件下，控制内部半导体功率开关管的导通与关断。同时，相较于现有技术，本发明的电路结构复杂度和电路导通损耗均得到明显降低。

Description

集成式功率开关器件和电子设备
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种集成式功率开关器件和电子设备。
背景技术
半导体功率器件构成的开关管是现代功率变换器的核心，半导体功率器件的性能对整个功率变换器系统的性能有至关重要的影响，因此，提高半导体器件的性能有重要意义。
其中，导通损耗是半导体整流二极管的主要损耗来源，通常整流二极管的导通损耗可以用正向导通电压VF和流过整流二极管的电流ID的乘积来表示整流二极管的导通损耗。整流二极管的正向导通电压降VF与流过二极管的电流ID的大小有关，电流ID越大，正向导通电压降VF越大，所以在大电流应用场合，整流二极管的导通损耗非常大，发热严重，需要添加较大的散热设备。
目前，针对大电流应用时整流二极管的损耗和发热严重问题，通常采用并联多个整流二极管使用的应对措施，使得流过每个整流管的电流减小，从而降低VF，降低导通损耗，同时分散发热能量，但采用多个整流二极管并联来降低整体的导通电压VF和分散散热的方式存在成本高、电路复杂且体积大的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种集成式功率开关器件和电子设备，能够有效解决上述问题。
本发明较佳实施例提供一种集成式功率开关器件，包括半导体功率开关管、半导体功率二极管、高电位引脚和低电位引脚；其中：
所述半导体功率开关管包括高电位端、低电位端和控制端；
所述半导体功率二极管包括阳极和阴极；
所述半导体功率开关管的高电位端与所述高电位引脚、所述半导体功率二极管的阳极连接，低电位端与所述半导体功率二极管的阴极、所述低电位引脚连接，所述控制端与所述高电位端连接。
在本发明较佳实施例的选择中，所述半导体功率开关管的导通阈值电压高于所述半导体功率二极管的导通电压。
在本发明较佳实施例的选择中，所述集成式功率开关器件包括壳体，所述半导体功率开关管以及半导体功率二极管封装集成于所述壳体内。
在本发明较佳实施例的选择中，所述半导体功率开关管以及半导体功率二极管分别集成于所述壳体内封装的不同的芯片，各所述芯片封装于所述壳体。
在本发明较佳实施例的选择中，所述半导体功率开关管以及半导体功率二极管集成于同一芯片，所述芯片封装于所述壳体内。
在本发明较佳实施例的选择中，所述芯片为氮化镓芯片。
在本发明较佳实施例的选择中，所述半导体功率开关管为氮化镓晶体管或碳化硅晶体管中的一种，且半导体功率开关管内部不存在寄生体二极管。
在本发明较佳实施例的选择中，所述半导体功率开关管为增强型氮化镓高电子迁移率晶体管。
在本发明较佳实施例的选择中，所述半导体功率二极管为硅二极管、氮化镓二极管或碳化硅二极管中的一种。
本发明较佳实施例还提供一种电子设备，包括驱动单元、受控单元以及上述的集成式功率开关器件，所述驱动单元的输出端与所述集成式功率开关器件的高电位引脚连接，所述集成式功率开关器件的低电位引脚与所述受控单元的输入端连接，所述驱动单元输出驱动信号控制所述集成式功率开关器件导通或关断，以对所述受控单元进行控制。
与现有技术相比，本发明提供一种集成式功率开关器件和电子设备。其中，通过对该集成式功率开关器件的巧妙设计，使得在实际应用中，不需要额外的控制电路即可控制内部半导体功率开关管的导通与关断。同时，相对于现有技术，本发明中的电路结构复杂度和电路导通损耗均得到明显降低。
此外，本发明提供的集成式功率开关器件可靠性高，制造成本低，适用于大规模推广及应用。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的集成式功率开关器件的电路结构示意图。
图2为功率二极管的等效电路结构示意图。
图3为本发明实施例提供的集成式功率开关器件的电流流向示意图。
图4为本发明实施例提供的集成式功率开关器件的另一电流流向示意图。
图5为图3中所示的集成式功率开关器件的等效电路结构示意图。
图6为本发明实施例提供的集成式功率开关器件中的正向电压VF和正向电流IF的关系示意图。
图标：100-集成式功率开关器件；S1-半导体功率开关管；S10-高电位端；S11-低电位端；S12-控制端；D1-半导体功率二极管；D10-阳极；D11-阴极；A-高电位引脚；K-低电位引脚。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一、第二、第三、第四等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种集成式功率开关器件100的电路结构示意图，其中，该半导体集成式功率开关器件100包括半导体功率开关管S1、半导体功率二极管D1、高电位引脚A和低电位引脚K。
所述高电位引脚A用于与外部的驱动单元连接，并将外部驱动单元的电流等驱动信号输入到所述半导体集成式功率开关器件100，以控制所述半导体功率开关管S1以及半导体功率二极管D1导通和关断，所述低电位引脚K可以与外部的受控单元连接，用于通过该半导体集成式功率开关器件100实现对所述受控单元的控制。
其中，在本实施例中，所述半导体功率开关管S1包括高电位端S10、低电位端S11和控制端S12。所述半导体功率二极管D1包括阳极D10和阴极D11。所述半导体功率开关管S1的高电位端S10与所述高电位引脚A、所述半导体功率二极管D1的阳极D10连接。低电位端S11与所述半导体功率二极管D1的阴极D11、所述低电位引脚K连接，所述控制端S12与所述高电位端S10连接。
可选地，所述半导体功率二极管D1的具体类型在此不受限制，可以采用硅(S i)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GAN)中的任意一种材料制造而成，换言之，所述半导体功率二极管D1可以是，但不限于硅二极管、氮化镓二极管或碳化硅二极管。
另外，所述半导体功率开关管S1可以由氮化镓(GAN)材料制成，内部不存在寄生体二极管。实际实施时，所述半导体功率开关管S1可以是氮化镓晶体管或者碳化硅晶体管中的一种。在本实施例中，所述半导体功率开关为增强型氮化镓高电子迁移率晶体管(GANHEMT)，并将该增强型GANHEMT的漏极和栅极连接在一起，再与所述半导体功率二极管D1并联实现所述集成式功率开关器件100。
进一步地，所述集成式功率开关器件100还包括壳体，且所述半导体功率开关管S1、半导体功率二极管D1、高电位引脚A和低电位引脚K集成于该壳体。其中，所述述集成式功率开关器件100可以采用封装集成的方式，也可以是采用单片芯片集成的方式。
例如，所述半导体功率开关管S1以及半导体功率二极管D1可封装集成于所述壳体内。其中，所述半导体功率开关管S1以及半导体功率二极管D1分别集成于所述壳体内封装的不同的芯片，各所述芯片封装于所述壳体。又如，所述半导体功率开关管S1以及半导体功率二极管D1也可以集成于同一芯片，所述芯片封装于所述壳体内。因此，本实施例中，所述集成式功率开关器件100的实际集成封装方式可根据实际需求进行灵活设计。另外，所述芯片可以是，但不限于氮化镓芯片。
通过对上述集成式功率开关器件100的设置，可以实现：外部驱动单元通过所述高电位引脚A与所述集成式功率开关器件100中的半导体功率开关管S1和半导体功率二极管D1连接，外部受控单元通过所述低电位引脚K与所述集成式功率开关器件100中的半导体功率开关管S1和半导体功率二极管D1连接。其中，所述集成式功率开关器件100在所述外部驱动单元输入的驱动信号的控制下导通或关断，以实现对所述受控单元的控制。下面将结合图2-图6对所述集成式功率开关器件100的工作原理进行介绍，具体如下。
如图2所示，是传统功率二极管的等效电路结构，该传统功率二极管可以等效为理想二极管D与电阻R的串联。其中，理想二极管D的正向导通阈值电压为VK，且不随正向电流IF的大小变化而改变；电阻R为功率二极管的导通电阻，在忽略温度影响的条件下，电阻R上的电压V_R正比于流过电阻R的正向电流IF的大小，功率二极管的正向电压表达式为：
VF＝IF·R+VK (表达式1)
因此，可有功率二极管的正向电压VF随正向电流IF线性增加，在IF较大时，VF也较大，功率二极管的损耗P_D＝VF*IF将急剧增加。
如图3所示，在本发明的一种实施案例中，在正向电流IF较小时，正向电流IF在本发明集成式低正向电压二极管内部的传输路径。显然，正向电流IF主要从内部半导体功率二极管D1流过；所述半导体功率开关管S1没有电流流过，处于断开状态。此种情形需要满足条件1：
VF<Vth_S1 (条件1)
其中，Vth_S1为所述半导体功率开关管S1的阈值电压。
进一步的，如图4所示，在本发明的一种实施案例中，在正向电流IF较大时，正向电流IF在本发明集成式低正向电压二极管内部的传输路径。显然，正向电流IF由两个部分构成，分别为IFD1和IFS1，IF＝IFD1+IFS1。其中IFD1从内部半导体功率二极管D1流过，IFS1从所述内部半导体功率开关管S1流过。所述半导体功率开关管S1和所述半导体功率二极管D1都处于导通状态。此种情形需要满足条件2：
VF>Vth_S1 (条件2)
此外，请参阅图5，在本发明的一种实施案例中，RS1为所述为半导体功率开关管S1的等效电阻，RD1为所述为半导体功率二极管D1的等效电阻。当所述集成式功率开关器件100的正向电流IF较大，满足条件2的表达式，半导体功率开关管S1导通，且电流IF继续增加的情况下，所述半导体功率开关管S1的等效电阻RS1会进一步减小，促使正向电流IF的主要部分流过所述半导体功率开关管S1的沟道，使得流过内部所述半导体功率二极管D1的电流IFD1基本保持不变，从而保证所述集成式功率开关器件100的正向电压VF保持在一个相对较低的值。因此，当所述半导体功率开关管S1与所述半导体功率二极管D1同时处于导通状态时，所述集成式功率开关器件100的损耗P＝VF*IF将只随电流IF增加，且该导通损耗明显小于同时随正向电压VF和正向电流IF增加的传统功率二极管的导通损耗。
进一步地，如图6所示，为本发明集成式功率开关器件100的正向电压VF和正向电流IF的关系示意图，从图6中可以看出，所述集成式功率开关器件100的正向电压VF在高于半导体功率二极管D1的导通阈值电压VK以后，正向电流IF才从0开始逐渐增加，VF也逐渐增加到所述半导体功率开关管S1的导通电压Vth_S1，然后正向电压VF保持在略高于导通电压Vth_S1的值附近。
应注意，本实施例中，所述半导体功率开关管S1必须无寄生体二极管，否则，所述集成式功率开关器件100将失去单向导通性功能。
进一步地，本发明实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括驱动单元、受控单元以及上述的集成式功率开关器件100，所述驱动单元的输出端与所述集成式功率开关器件100的高电位引脚A连接，所述集成式功率开关器件100的低电位引脚K与所述受控单元的输入端连接，所述驱动单元输出驱动信号控制所述集成式功率开关器件100导通或关断，以对所述受控单元进行控制。
由于所述电子设备包括所述集成式功率开关器件100，因此具有与所述集成式功率开关器件100相同的技术特征，在此不再一一赘述，请参考对所述集成式功率开关器件100的解释说明。
综上所述，本发明提供一种集成式功率开关器件100和电子设备。其中，通过对该集成式功率开关器件100的巧妙设计，使得该集成式功率开关器件100在实际应用中，不需要额外的控制电路即可控制内部半导体功率开关管S1的导通与关断。同时，相对于现有技术，本发明中的电路结构复杂度和电路导通损耗均得到明显降低。
此外，本发明提供的集成式功率开关器件100可靠性高，制造成本低，适用于大规模推广及应用。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的功能可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的现有程序代码或算法来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明的功能实现不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成式功率开关器件，其特征在于，包括半导体功率开关管、半导体功率二极管、高电位引脚和低电位引脚；其中：
所述半导体功率开关管包括高电位端、低电位端和控制端；
所述半导体功率二极管包括阳极和阴极；
所述半导体功率开关管的高电位端与所述高电位引脚、所述半导体功率二极管的阳极连接，低电位端与所述半导体功率二极管的阴极、所述低电位引脚连接，所述控制端与所述高电位端连接。
2.根据权利要求1所述的集成式功率开关器件，其特征在于，所述半导体功率开关管的导通阈值电压高于所述半导体功率二极管的导通电压。
3.根据权利要求1所述的集成式功率开关器件，其特征在于，所述集成式功率开关器件包括壳体，所述半导体功率开关管以及半导体功率二极管封装集成于所述壳体内。
4.根据权利要求3所述的集成式功率开关器件，其特征在于，所述半导体功率开关管以及半导体功率二极管分别集成于所述壳体内封装的不同的芯片，各所述芯片封装于所述壳体。
5.根据权利要求3所述的集成式功率开关器件，其特征在于，所述半导体功率开关管以及半导体功率二极管集成于同一芯片，所述芯片封装于所述壳体内。
6.根据权利要求4或5所述的集成式功率开关器件，其特征在于，所述芯片为氮化镓芯片。
7.根据权利要求1或2所述的集成式功率开关器件，其特征在于，所述半导体功率开关管为氮化镓晶体管、碳化硅晶体管中的一种，且半导体功率开关管内部不存在寄生体二极管。
8.根据权利要求7所述的集成式功率开关器件，其特征在于，所述半导体功率开关管为增强型氮化镓高电子迁移率晶体管。
9.根据权利要求1所述的集成式功率开关器件，其特征在于，所述半导体功率二极管为硅二极管、氮化镓二极管或碳化硅二极管中的一种。
10.一种电子设备，其特征在于，包括驱动单元、受控单元以及上述权利要求1-9任意一项所述的集成式功率开关器件，所述驱动单元的输出端与所述集成式功率开关器件的高电位引脚连接，所述集成式功率开关器件的低电位引脚与所述受控单元的输入端连接，所述驱动单元输出驱动信号控制所述集成式功率开关器件导通或关断，以对所述受控单元进行控制。
CN201711023522.3A 2017-10-27 2017-10-27 集成式功率开关器件和电子设备 Active CN108809284B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711023522.3A CN108809284B (zh) 2017-10-27 2017-10-27 集成式功率开关器件和电子设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711023522.3A CN108809284B (zh) 2017-10-27 2017-10-27 集成式功率开关器件和电子设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108809284A true CN108809284A (zh) 2018-11-13
CN108809284B CN108809284B (zh) 2022-02-01

Family

ID=64095119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711023522.3A Active CN108809284B (zh) 2017-10-27 2017-10-27 集成式功率开关器件和电子设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108809284B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6476442B1 (en) * 1996-05-15 2002-11-05 Siliconix Incorporated Pseudo-Schottky diode
US20120085892A1 (en) * 2010-10-08 2012-04-12 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Photoelectric conversion device and method for operating the same
CN202205747U (zh) * 2010-12-28 2012-04-25 成都芯源系统有限公司 半导体器件
US20120175700A1 (en) * 2011-01-06 2012-07-12 Force Mos Technology Co., Ltd. Trench mos rectifier
CN102970017A (zh) * 2012-11-23 2013-03-13 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种单向导通电路
CN106936298A (zh) * 2017-03-15 2017-07-07 华为技术有限公司 一种半导体器件、控制方法以及变流器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6476442B1 (en) * 1996-05-15 2002-11-05 Siliconix Incorporated Pseudo-Schottky diode
US20120085892A1 (en) * 2010-10-08 2012-04-12 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Photoelectric conversion device and method for operating the same
CN202205747U (zh) * 2010-12-28 2012-04-25 成都芯源系统有限公司 半导体器件
US20120175700A1 (en) * 2011-01-06 2012-07-12 Force Mos Technology Co., Ltd. Trench mos rectifier
CN102970017A (zh) * 2012-11-23 2013-03-13 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种单向导通电路
CN106936298A (zh) * 2017-03-15 2017-07-07 华为技术有限公司 一种半导体器件、控制方法以及变流器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HIROKI NIWA等: ""Ultrahigh-Voltage SiC MPS Diodes With Hybrid Unipolar/Bipolar Operation"", 《IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES》 *
苗志坤: ""4H-SiC结势垒肖特基二极管静态特性研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108809284B (zh) 2022-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10141302B2 (en) High current, low switching loss SiC power module
US11355477B2 (en) Power semiconductor module and power conversion device
CN106537586B (zh) 高电流、低切换损耗SiC功率模块
CN101853847B (zh) 组合半导体整流器件和使用该组合半导体整流器件的电功率转换器
US8970261B2 (en) Power module
KR100877622B1 (ko) 캐스코드 정류기
US10187056B2 (en) Device and method to break the current in power transmission or distribution system
US8824177B2 (en) Semiconductor device and snubber device having a SiC-MOSFET and a Zener diode
Passmore et al. A 650 V/150 A enhancement mode GaN-based half-bridge power module for high frequency power conversion systems
US9172301B2 (en) Synchronous rectification in the three-level inverter-converter topologies
CN109768787B (zh) 半导体装置及其驱动方法
CN104518648A (zh) 用于操作氮化镓电子器件的方法和系统
US20230253891A1 (en) Switching components
CN103325759A (zh) 半导体模块
Lorenz Power semiconductor devices-development trends and system interactions
Shenai Power electronic module: Enabling the 21st-century energy economy
US20220199585A1 (en) Diode discrete device, circuit with bypass function, and converter
CN108809284A (zh) 集成式功率开关器件和电子设备
CN219938209U (zh) 开关电路、功率变换器及电源设备
JP2019068661A (ja) 半導体装置
CN109194172B (zh) 一种三电平电路和三相电路
CN111341749B (zh) 半导体模块
US20190273492A1 (en) Gate driving circuit
CN109075781A (zh) 电力用半导体元件的驱动电路以及电动机驱动装置
WO2023139720A1 (ja) 半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant