CN111316546A - 具有集成下拉晶体管的功率单元 - Google Patents
具有集成下拉晶体管的功率单元 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111316546A CN111316546A CN201880071620.0A CN201880071620A CN111316546A CN 111316546 A CN111316546 A CN 111316546A CN 201880071620 A CN201880071620 A CN 201880071620A CN 111316546 A CN111316546 A CN 111316546A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fet
- pull
- power
- low
- coupled
- 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
Links
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 11
- 108090000699 N-Type Calcium Channels Proteins 0.000 description 6
- 102000004129 N-Type Calcium Channels Human genes 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 108091006146 Channels Proteins 0.000 description 3
- 108010075750 P-Type Calcium Channels Proteins 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
Images
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
- H03K17/687—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 the devices being field-effect transistors
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/04—Modifications for accelerating switching
- H03K17/041—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit
- H03K17/0412—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
- H03K17/04123—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit in field-effect transistor switches
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1582—Buck-boost converters
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/06—Modifications for ensuring a fully conducting state
- H03K17/063—Modifications for ensuring a fully conducting state in field-effect transistor switches
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
- H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
- H03K17/165—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches by feedback from the output circuit to the control circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
- H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
- H03K17/162—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches without feedback from the output circuit to the control circuit
- H03K17/163—Soft switching
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/06—Modifications for ensuring a fully conducting state
- H03K2017/066—Maximizing the OFF-resistance instead of minimizing the ON-resistance
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
电路(100)包括第一集成电路管芯和第二集成电路管芯。第一集成电路管芯具有功率场效应晶体管(FET)(142)和耦合到功率FET(142)的下拉FET(120)。第二集成电路管芯具有耦合到功率FET(142)的上拉FET(150)。
Description
技术领域
本发明总体上涉及功率电子器件，并且更具体地涉及具有集成下拉晶体管的功率单元。
背景技术
随着计算机和其他装置被制造为具有高功率需求部件，功率密度和高效率成为越来越重要的设计考虑因素。这些设计考虑进一步适用于电源电路系统，诸如DC-DC转换器等。在这种电源电路中，期望在较高切换频率下最小化功率损耗。例如，在停滞期间，功率损耗可由高侧开关的切换损耗、高侧和低侧开关的导通损耗以及低侧开关的二极管导通损耗引起。另一方面，在一些功率转换电路系统中，寄生电感和电阻已经成为实际设计考虑因素。例如，接合线感应的寄生栅极电感将增加开关的关断时间，这又将增加切换损耗或二极管传导损耗。此外，由于寄生电感，较快的切换可能导致在降压转换器的相位节点上出现的更高的电压振铃，并且可能引入一种被称为击穿的电路故障、电磁干扰(EMI)相关问题和/或对电源开关的不期望的功率应力。
发明内容
一个示例涉及包括第一集成电路(IC)管芯和第二IC管芯的电路。所述第一IC管芯具有功率场效应晶体管(FET)和耦合到所述功率FET的下拉FET。第二IC管芯具有耦合到所述功率FET的上拉FET。
另一个示例涉及包括第一IC管芯、第二IC管芯和第三IC管芯的另一个电路。所述第一IC管芯具有低侧功率场效应晶体管(FET)和耦合到所述低侧功率FET的低侧下拉FET。所述第二IC管芯具有高侧功率FET和耦合到所述高侧功率FET的高侧下拉FET。所述第三IC管芯具有耦合到所述低侧功率FET的低侧上拉FET和耦合到所述高侧功率FET的高侧上拉FET。
又一个示例涉及包括第一IC管芯和第二IC管芯的又一电路。第一IC管芯具有低侧功率场效应晶体管(FET)、高侧功率FET、耦合到低侧功率FET的低侧下拉FET，以及耦合到高侧功率FET的高侧下拉FET。所述第二IC管芯具有耦合到所述低侧功率FET的低侧上拉FET和耦合到所述高侧功率FET的高侧上拉FET。
附图说明
图1示出了用于切换功率应用的示例性电路。
图2示出了DC-DC降压转换器的示例性电路，其包括集成到与功率MOSFET相同的管芯上的下拉FET。
图3示出了DC-DC降压转换器的另一个示例性电路，其包括集成到与功率MOSFET相同的管芯上的下拉FET。
图4示出了示例性集成电路封装。
图5示出了低侧功率FET的电容感应栅极反弹的示例性曲线图。
图6示出了低侧功率FET的栅极放电的示例性曲线图。
图7示出了高侧功率FET的栅极到源极电压的示例性曲线图。
具体实施方式
本说明书涉及一种功率切换电路，其包括驱动器集成电路(IC)管芯和具有集成下拉场效应晶体管(FET)的功率场效应晶体管(FET)管芯，用于切换功率应用，诸如DC-DC(例如，降压或升压)转换器。作为一个示例，电路包括在第一管芯上实施的驱动器IC和在第二管芯上实施的功率FET，下拉FET与所述功率MOSFET一起集成在所述功率FET上。通过将下拉FET集成到与功率FET相同的管芯上，最小化耦合下拉FET和功率FET的电连接的长度。这种最小化减轻了在功率FET的关断周期期间来自功率FET的栅极线的寄生电感。通过减轻来自功率FET的栅极线的寄生电感，功率FET的切换速度增加，同时减少关断周期期间的切换损耗。这一功率切换电路可用作多个切换功率应用的构建块。
这些应用之一是DC-DC降压转换器。作为一个示例，电路包括第一集成电路管芯和第二集成电路管芯。第一集成电路管芯具有功率场效应晶体管(FET)和耦合到功率FET的下拉FET。第二集成电路管芯具有耦合到功率FET的上拉FET。在示例中，这些管芯被组装在相同的封装中并且被布置在引线框上。在示例中，具有集成高侧下拉FET的高侧功率FET管芯堆叠在低侧功率FET上。低侧功率FET的源极布置在低侧功率FET管芯的底侧上并且电连接到封装的接地引脚。第一夹置于高侧功率FET的源极与低侧功率FET的漏极之间。第一夹将高侧功率FET的源极和低侧功率FET的漏极电连接到封装的相节点引脚。第二夹置于高侧功率FET管芯的顶侧上。第二夹将高侧功率FET的漏极电连接到封装的功率输入引脚。接合线用于将驱动IC管芯连同其相关联的下拉FET一起电连接到低侧和高侧功率FET两者。接合线还用于将包括上拉FET的驱动器IC管芯电连接到用于接收和输出信号的控制电路系统的若干封装引脚。
图1示出了用于切换功率应用的示例性电路100，例如，用作切换功率应用(诸如DC-DC功率转换器)的构建块的电源开关。示例性电路100包括功率单元110和耦合到功率单元110的驱动电路115。可以在第一IC管芯(例如，功率管芯)上实施功率单元110，并且可以在第二IC管芯(例如，驱动器管芯)上实施驱动电路115，所述管芯是小块的半导体材料，在所述管芯上制造给定的功能电路。通常，通过诸如光刻的工艺在电子级硅(EGS)或其他半导体(诸如GaAs和GaN)的单个晶片上大批量生产集成电路。将晶片切割(切块)为多个片，每片晶片包含一份电路拷贝。每一片称为管芯。功率单元110包括功率FET 142(例如，n型沟道功率FET)。功率单元110还包括下拉FET 120(例如，n型沟道下拉FET)，所述下拉FET在功率管芯上实施并且耦合到功率FET 142。当下拉FET 120接通时，它将使功率FET 142的栅极放电并关断功率FET 142。
功率FET 142可以是金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)或任何其他类型的FET。例如，功率FET 142可以处理显著的功率电平，通常，这种装置经受比典型的FET更高的电流和更高的电压。例如，功率FET 142可以包括与沟道相邻的漂移区以支持较高的电压，和较高的沟道密度以处理高电流。由于典型的功率FET处理高电流，因此其通常是在硅管芯的不同侧上具有分离的漏极和源极的分立装置。例如，功率FET 142的漏极在管芯的顶表面上并且其源极在管芯的底表面上。在这种配置中，电流将从漏极(顶表面)流过漂移轻掺杂漏极(LDD)区和栅极控制沟道，到达源极(底表面)。对于典型的漏极底置FET，这是相反的。根据示例性电路100，下拉FET 120与功率FET 142集成在相同的管芯上以改善性能。将功率FET142实施为源极底置装置，可将漏极到源极电压(VDS)额定为12V到30V。栅极到源极电压(VGS)可以额定为8到20V。在一些应用中，功率FET 142可以具有高得多的VDS额定值，例如，对于中压产品为60到100V，对于高压应用为200到100V，或者甚至更高。取决于功率FET 142的管芯尺寸、封装和热设计，功率FET 142可以具有数十安培，高达100A或甚至更高的最大连续电流，其中当处理这样的大电流时，完全接通功率FET 142。功率FET 142的极低接通电阻可具有高达10到15W的功率耗散。
除了功率单元110在其上实施的管芯之外，驱动电路115还在至少一个其他管芯上实施。驱动电路115包括电耦合到功率FET 142的上拉FET 150。上拉FET 150在接通时将允许驱动信号对功率FET 142的栅极充电并接通功率FET 142。在一个示例中，驱动电路115还包括任选的下拉FET 160。任选的下拉FET 160任选地用于提供附加的下拉能力。在示例中，上拉FET 150也集成到与下拉FET 160和功率FET 142相同的管芯上，产生与将下拉FET 160和功率FET 142集成到相同的管芯上类似的益处。在上拉FET 150是p型沟道FET且功率FET142是n型沟道FET的这种示例中，将利用额外的工艺步骤来在相同的管芯上形成这种FET。例如，上拉FET和下拉FET 150/120可以是典型的CMOS FET。用于这些FET的VGS和VDS都可以<10V。例如，用于这种装置的VDS和VGS将都在5V左右，从而在用于对功率FET 142的栅极进行充电和放电的同时经历动态电流。
图2示出了用于DC-DC降压转换器的示例性电路200，所述DC-DC降压转换器包括集成到与功率MOSFET相同的管芯上的下拉FET。在该示例中，功率单元210包括高侧功率FET242(例如，n型沟道金属氧化物半导体(MOS)FET)，其耦合到低侧功率FET 244(例如，n型沟道MOSFET)。功率单元210还包括耦合到高侧功率FET 242的高侧下拉FET 220(例如，n型沟道MOSFET)。同样，低侧下拉FET 230(例如，n型沟道MOSFET)耦合到低侧功率FET 244。高侧下拉FET 220、低侧下拉FET 230、高侧功率FET 242和低侧功率FET 144集成到第一管芯(例如，相同的功率管芯)上。电路200的这一配置基于图1所示的电路配置，功率FET 242/244可以通过局部化下拉FET 220/230进行放电，并且因此避免了来自接合线的寄生电感的影响，如果这些接合线没有位于驱动器IC和功率FET 242/244的栅极上，则这些接合线将是连接下拉FET的漏极所需要的。
作为进一步的示例，高侧功率FET 242包括耦合到输入电压Vin的漏极端子。高侧功率FET 242进一步包括均耦合到BOOTR和SW端子的主体端子和源极端子，其中BOOTR端子为高侧驱动器提供返回路径并且SW端子提供耦合高侧功率FET 242和低侧功率FET 244的相位节点。高侧下拉FET 220耦合到高侧功率FET 242。高侧下拉FET 220的漏极耦合到高侧功率FET 242的栅极。高侧下拉FET 220的栅极耦合到控制电路系统270。高侧下拉FET 220的源极还耦合到BOOTR和SW端子。控制电路系统270产生激活电压以激活上拉FET 250/260(例如，p型沟道MOSFET)和下拉FET 220/230，其又驱动功率FET 242/244。控制电路系统270耦合到上拉FET 250/260的栅极和下拉FET 220/240的栅极。控制电路系统270接收控制信号，所述控制信号控制到这种栅极的各种激活电压的输出。
低侧功率FET 244包括耦合到BOOTR和SW端子的漏极端子。低侧功率FET 244进一步包括均耦合到功率接地PGND端子的主体端子和源极端子。低侧下拉FET 230耦合到低侧功率FET 244。低侧下拉FET 230的漏极耦合到低侧功率FET 244的栅极。低侧下拉FET 230的栅极耦合到控制电路系统270。功率单元210中的所有FET可集成在单个功率管芯中，或分离成两个管芯，包括FET 242/220的高侧功率管芯和包括FET 244/230的低侧功率管芯。
电路200还包括驱动电路215。在不同于功率管芯的第二管芯上实施驱动电路215。驱动电路215包括高侧上拉FET 250。高侧上拉FET 250的漏极和主体端子均耦合到自举二极管205的BOOT端子和阴极。BOOT端子通常耦合到提供电荷以接通高侧上拉FET 250的电容器(未示出)。高侧上拉FET 250的源极耦合到高侧下拉FET 220的漏极。高侧上拉FET 250的栅极耦合到控制电路系统270。驱动电路215中的所有FET可以集成在单个驱动器管芯中，或者分离成两个管芯，包括FET 250的高侧驱动器管芯和包括FET 260的低侧驱动器管芯。
驱动电路215还包括低侧上拉FET 260。低侧上拉FET 260的漏极和主体端子均耦合到正漏极电压VDD端子。自举二极管205的阳极耦合到VDD端子和低侧上拉FET 260的漏极。低侧上拉FET 260的源极耦合到低侧功率FET 244的漏极。低侧上拉FET 260的栅极耦合到控制电路系统270。
图3示出了包括与功率MOSFET集成的下拉FET的DC-DC降压转换器的另一个示例性电路300。电路300包括以与电路100/200类似的配置实施的类似部件，并实现与电路100/200类似的优点。在该示例中，电路300包括第一管芯，所述第一管芯包括驱动电路315、高侧功率单元管芯312以及耦合到高侧功率单元管芯312的低侧功率单元管芯310。高侧功率单元管芯312和低侧功率单元管芯310两者均包括功率FET和相关联的下拉FET，所述下拉FET与功率FET集成且耦合到功率FET。因此，高侧功率单元管芯312包括高侧功率FET 341和高侧下拉FET 321，并且低侧功率单元管芯310同样包括低侧功率FET 340和低侧下拉FET320。
驱动电路315耦合到高侧和低侧功率单元管芯312/310两者。驱动电路315还包括控制电路系统370、高侧上拉FET 351、高侧下拉FET 323、低侧上拉FET 350、低侧下拉FET322。控制电路系统370产生控制信号以控制上拉FET 350/351和下拉FET 320/322/321/323的激活，而其又驱动功率FET 340/341。通过这一配置，在功率FET 340/341的关断周期期间，低侧和高侧功率单元管芯310/312减轻来自功率FET 340/341的栅极连接的寄生电感和电阻，这增加了功率FET 340/341的关断切换速度。在下拉FET 320与功率FET 340集成或下拉FET 321与功率FET 341集成的实施方式中，下拉FET 322或323变得冗余，因此是任选的。然而，利用下拉FET 322/323实现的优点在于这些附加的下拉FET提供附加的放电路径以进一步改善功率FET 340/341的关断速度。在示例中，下拉FET 322/323以图3所示的配置集成在驱动电路215上。
FET 351的漏极连接到BOOT端子和自举二极管360的阴极。FET 350的漏极连接到VDD端子和自举二极管360的阳极。FET 351、323、350和322的栅极分别电连接到控制电路系统370。FET 340/320/322的源极电连接到封装接地PGND端子。作为进一步的示例，高侧功率FET 341包括耦合到DC输入电压Vin的漏极端子。FET 321/341/323的源极电连接到FET 340的漏极、SW端子和BOOTR端子，其中BOOTR端子为高侧驱动器提供返回路径且SW端子提供相位节点。
在一些示例中，参考图1至3，功率FET 142/242/244/341/340是源极底置n型沟道功率FET。下拉FET 120/220/230/321/320也是具有与源极底置功率FET类似的装置结构的源极底置n型沟道FET。下拉FET 323/322是n型沟道FET，而上拉FET 351/350是p型沟道FET。与典型功率单元相比，在向功率FET 142/242/244/341/340添加集成的下拉FET 220/230/321/320的情况下，电路300不包括要实施的额外工艺步骤改变、要实施的无掩模层添加，以及要实施的无封装改变。电路100/200/300还包括对驱动电路的微小的设计修改，以基于各种部件的位置来实施，和用于添加接合线的微小的装配调整(例如，如图4所示)。电路100/200/300包括微小的管芯尺寸增加，以将下拉FET 220/230/321/320包括到已经包括功率FET 142/242/244/341/340的电路。
在一个示例中，功率FET 142/242/244/341/340是源极底置功率FET。源极底置功率FET简化了堆叠管芯封装，具有封装密度高、热性能改善、寄生电感低等优点。多个堆叠管芯封装利用漏极底置FET。在这种情况下，高侧功率FET和低侧功率FET均被翻转。源极底置FET的使用防止此类FET必须翻转，从而允许更容易地存取用于功率FET和下拉FET两者的栅极垫。另外，这一配置简化了驱动电路215到具有接合线的栅极垫的连接。此外，在下拉FET220/230/321/320与功率FET 142/242/244/341/340集成的情况下，下拉FET 220/230/321/320与功率FET 142/242/244/341/340共用源极并具有隔离的漏极，使得下拉FET 220/230/321/320的漏极连接到功率FET 142/242/244/341/340的栅极。通过使用源极底置功率FET来简化这种配置。使用漏极底置功率FET的典型装置由于其装置结构而不提供将漏极与高栅极电荷隔离的简化方式。这种高栅极电荷是追求高频切换应用的障碍。结果是，功率FET142/242/244/341/340的关断时间不是这种典型装置所关心的。实施为源极底置功率FET的功率FET 142/242/244/341/340由于其横向结构而具有改善的栅极电荷，并因此允许应用于考虑了功率FET 142/242/244/341/340的关断时间的高频切换应用。
控制电路系统370产生控制信号以控制上拉FET 350/351和下拉FET 320/321，而其又依次驱动功率FET 341/340。作为示例，控制电路系统370将生成用于接通上拉FET 351的信号，和同时保持两个下拉FET 323/321关断的另一信号。当上拉FET 351接通时，连接到上拉FET 351的漏极的电压源(VDD)将对功率FET 341的栅极充电，并最终接通功率FET341。当控制电路系统370产生用于关断上拉FET 351的信号和用于之后接通下拉FET 323和321两者的另一信号时，功率FET 341的栅极上存储的电荷将通过下拉FET 323和321两者放电。结果是，功率FET 341将被关断。电路300的低侧以与刚才描述的电路300的高侧类似的方式操作。
在典型的电路中，没有下拉FET 321/320被集成到与功率FET 341/340相同的管芯上。在典型的配置中，功率FET 341/340的栅极上存储的电荷通过与接合线耦合的下拉FET323/322放电。接合线引入寄生电感(未示出)。与这些接合线相关联的寄生电感减慢了放电过程。通过将下拉FET 321/320添加到与功率FET 341/340相同的管芯上，存储的电荷可以通过下拉FET 321/320放电。下拉FET 321/320为存储在功率FET 341/340的栅极上的电荷提供低阻抗放电路径，从而避免了功率FET 341/340的关断周期期间的寄生电感，并因此提高了关断切换速度。在较高的切换速度下，实现了较低的切换功率损耗，这有利于切换应用。
通过将下拉FET 321集成到与高侧功率FET 341相同的管芯上，高侧功率FET 341的关断时间随着切换功率损耗的减少而减少。同样，通过将下拉FET 320集成到与低侧功率FET 340相同的管芯上，减少了低侧FET 340的关断时间。低侧功率FET 340可在所谓的软切换模式下操作，在软切换模式下功率切换损耗可忽略不计。然而，这一关断时间的减少允许更严格的停滞时间控制，以及更好的环控制和更低的二极管导通损耗。低侧下拉FET 320还防止低侧功率FET 340的电容感应电压变化(CdV/dt)击穿。这允许使用低侧功率FET 340的较低阈值电压(Vt)，同时改进漏极到源极电阻(Rdson)和热载流子注入(HCI)。电路100/200/300降低阈值电压以改进比电阻。为了实现低阈值电压，电路100/200/300减轻了CdV/dT诱导的FET接通问题。为了避免这一问题，电路100/200/300将下拉FET 321/320分别与提供低电感放电路径的功率FET 341/340集成。
尽管未示出，电路100/200/300还包括控制驱动电路系统270/370的操作的集成电路(IC)控制器和抑制输出信号中的噪声的电感器/电容器(LC)滤波器。功率FET和相关联的下拉FET 341/321/340/320可以集成在单个功率管芯中，或者分离成两个管芯，包括FET341/321的高侧功率管芯和包括FET 340/320的低侧功率管芯。驱动电路315中的所有FET可以集成在单个驱动器管芯中，或者分离成两个管芯，包括FET 351/323的高侧驱动器管芯和包括FET 350/322的低侧驱动器管芯。
图4示出了包括高侧功率单元管芯420、低侧功率单元管芯430和集成驱动电路管芯410的示例性集成电路封装400，各自在相应的IC芯片上实施，IC芯片是在一个小的半导体材料(通常为硅)平片(或“芯片”)上的集成电路或一组电子电路的单片集成电路(也称为IC、芯片或微芯片)。集成电路封装400包括其上安装有集成驱动电路管芯410、高侧功率单元管芯420和低侧功率单元管芯430的接地引线框405。在图4的示例中，集成驱动电路管芯410被布置在接地引线框405的拐角中。集成驱动电路管芯410可以根据关于图1至3所公开的示例来配置或者以其他方式与本说明书一致。高侧功率单元管芯420包括FET 242/220或FET 341/321。高侧功率单元管芯420包括是FET 341/242的栅极焊盘的接合焊盘422，和是FET 321/220的栅极焊盘的接合焊盘424。例如，接合线将接合焊盘422/424耦合到集成驱动电路管芯410。
低侧功率单元管芯430包括FET 244/230或FET 340/320。低侧功率单元管芯430还包括耦合到集成驱动电路管芯410的两个接合焊盘432和434。例如，接合线将接合焊盘432和434电耦合到集成驱动电路管芯410上的相应接合焊盘。低侧功率单元管芯430沿着与设置集成驱动电路管芯410相同的接地引线框405的外边缘设置。在低侧功率单元管芯430的顶部设置低侧夹(例如，铜夹)425。高侧功率单元管芯420将位于低侧夹425上。高侧夹(例如，铜夹)415设置在高侧功率单元管芯420的顶部。夹425将电连接FET 340的漏极、FET 341的源极和输出引脚(图3中的SW)。夹415将连接FET 341的漏极和输入引脚(图3中的Vin)。在示例中，整个集成电路封装400可用模制化合物(未示出)，例如，环氧树脂或其他绝缘化合物包覆模制。
图5示出了低侧功率FET(例如，FET 244/340)的电容感应栅极反弹的示例性曲线图500。例如，曲线图500包括两条曲线，曲线510表示与其中下拉FET被集成到与上拉FET相同的管芯上的典型电路的实施方式相关联的值，而曲线530表示与没有任选的FET 323/322的电路100/200/300的实施方式相关联的值。
曲线510表示来自典型的下拉实施方式的结果，其中下拉FET在与功率单元(未示出)不同的驱动电路上实施，这导致最高的栅极反弹。例如，曲线510在约0.4的低侧栅极电压和约2.062-06秒时开始偏离曲线530。曲线510与曲线530的最大偏差在约0.72低侧电压和约2.0627-06秒时。
曲线530表示由示例性电路100/200/300提供低侧功率FET 340的栅极反弹的下拉实施方式的结果。例如，曲线530在约0.4的低侧栅极电压和约2.062-06秒时开始偏离曲线510。曲线530与曲线510的最大偏差在约0.52的低侧栅极电压和约2.065-06秒时为其最大值。因此，如从曲线510和530可见，与其中在驱动电路上实施下拉FET的典型下拉实施方式相比，实施本文所公开的示例性电路100/200/300导致约0.2伏的栅极反弹减小。
图6示出了低侧功率FET(例如，低侧功率FET 244/340)的栅极放电的示例性曲线图600。例如，曲线图600包括两条曲线，曲线610表示与上述典型下拉实施方式相关联的值，而曲线630表示与没有任选的FET 323/322的本文所公开的电路100/200/300的实施方式相关联的值。曲线610/630都从低侧功率FET 220/340的约5V的栅极电压开始。两条曲线的切换发生在约2.002-06秒时。
曲线610在约2.03-06秒时从其约5V的峰值转换到其约0.25V的最小电压。相比之下，曲线630在约1.96-06秒时从其约5V的峰值转换到其约0.25V的最小电压。因此，曲线图600示出了与典型的下拉实施方式相比，电路系统100/200/300将放电减少了约7ns，从而导致低侧功率FET 244/340更快地切换到关断状态。此外，电路100/200/300包括用于低侧功率FET 244/340的局部放电路径，并且在低侧功率FET 244/340的关断周期期间引起栅极电压的最短转换时间。转换时间短允许严格控制停滞时间，这又将减小二极管传导损耗。对于高侧功率FET 242/341实现同样的优点。
图7示出了电路系统200/300的高侧功率FET(例如，高侧功率FET 242/341)的栅极到源极电压的示例性曲线图700。曲线710表示与上述典型下拉实施方式相关联的值，而曲线730表示与没有任选的FET 323/322的电路系统100/200/300的实施方式相关联的值。曲线710/730从其在2.17-06秒时的约5V的峰值转换到其在2.184-06秒时的0V的最小值。然而，在2.178-06秒与2.184-06秒之间过冲0V之后，曲线710稳定在0V。相反，曲线730稳定在0V而没有这样的过冲。另外，在2.17-06秒与2.178-06秒之间，曲线630的斜率大于曲线710，曲线730示出了在实施电路200/300的情况下高侧功率FET(例如，FET 221/341)更快速地关断。电路100/200/300的高侧功率FET 242/341是硬切换开关，其切换损耗是电路100/200/300内的功率损耗的大部分。如图所示，电路200/300的高侧功率FET 242/341的栅极到源极电压下降时间减少约2.28ns。因此，本文公开的电路200/300减轻了高侧功率FET 242/341的关断周期中的高侧切换损耗。
在权利要求的范围内，在所描述的实施例中修改是可能的，并且其他实施例是可能的。
Claims (24)
1.一种电路，包含：
第一集成电路管芯，包括：功率场效应晶体管FET；和耦合到所述功率FET的下拉FET；和
第二集成电路管芯，具有耦合到所述功率FET的上拉FET。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第二集成电路管芯包括耦合到所述功率FET的第二下拉FET。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述第二集成电路管芯还包括接收控制信号并输出第一激活电压和第二激活电压以分别激活所述上拉FET和所述下拉FET的控制电路。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述功率FET是低侧功率FET，所述下拉FET是低侧下拉FET，所述功率管芯是低侧功率管芯，所述第一集成电路管芯还包括高侧功率FET和高侧下拉FET，并且所述第二集成电路管芯还包括：被耦合以驱动所述高侧功率FET的高侧上拉FET；和被耦合以驱动所述低侧功率FET的低侧上拉FET。
5.根据权利要求4所述的电路，进一步包含接合线，所述接合线将所述高侧上拉FET和所述低侧上拉FET分别耦合到所述高侧功率FET和所述低侧功率FET。
6.根据权利要求1所述的电路，进一步包含集成电路封装，所述集成电路封装包含所述第一集成电路管芯和所述第二集成电路管芯。
7.根据权利要求4所述的电路，其中所述高侧功率FET的栅极耦合到所述高侧下拉FET的漏极。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述高侧下拉FET的所述漏极耦合到高侧上拉FET的源极，并且所述低侧下拉FET的所述漏极耦合到低侧上拉FET的源极。
9.根据权利要求7所述的电路，其中所述电连接还将所述低侧功率FET的所述栅极耦合到所述低侧下拉FET的漏极。
10.根据权利要求4所述的电路，进一步包含自举二极管，所述高侧上拉FET的漏极耦合到所述自举二极管的阴极，并且所述自举二极管的阳极耦合到所述低侧上拉FET的漏极。
11.根据权利要求1所述的电路，其中所述功率FET是源极底置装置。
12.一种电路，包含：
第一集成电路管芯，包括：低侧功率场效应晶体管FET；和耦合到所述低侧功率FET的低侧下拉FET；
第二集成电路管芯，包括：高侧功率FET；和耦合到所述高侧功率FET的高侧下拉FET；以及
第三集成电路管芯，包括：耦合到所述低侧功率FET的低侧上拉FET；和耦合到所述高侧功率FET的高侧上拉FET。
13.根据权利要求12所述的电路，其中所述低侧下拉FET是第一低侧下拉FET，所述高侧下拉FET是第一高侧下拉FET，并且所述第三集成电路管芯还包括：
耦合到所述低侧功率FET的第二低侧下拉FET；和
耦合到所述高侧功率FET的第二高侧下拉FET。
14.根据权利要求12所述的电路，进一步包含接收控制信号并输出激活电压以分别激活所述上拉FET和所述下拉FET的控制电路系统。
15.根据权利要求12所述的电路，进一步包含接合线，所述接合线将所述高侧上拉FET和所述低侧上拉FET分别耦合到所述高侧功率FET和所述低侧功率FET。
16.根据权利要求12所述的电路，其中每个所述功率FET是源极底置装置。
17.根据权利要求12所述的电路，其中所述低侧功率FET的所述栅极耦合到所述低侧上拉FET的源极。
18.根据权利要求12所述的电路，其中所述低侧功率FET的所述栅极耦合到所述低侧下拉FET的漏极。
19.根据权利要求12所述的电路，进一步包含自举二极管，所述高侧上拉FET的漏极耦合到所述自举二极管的阴极。
20.根据权利要求19所述的电路，其中所述自举二极管的阳极耦合到所述低侧上拉FET的漏极。
21.一种电路，包含：
第一集成电路管芯，包括：低侧功率场效应晶体管FET；高侧功率FET；耦合到所述低侧功率FET的低侧下拉FET；以及耦合到所述高侧功率FET的高侧下拉FET；和
第二集成电路管芯，包括：耦合到所述低侧功率FET的低侧上拉FET；和耦合到所述高侧功率FET的高侧上拉FET。
22.根据权利要求21所述的电路，其中所述低侧下拉FET是第一低侧下拉FET，所述高侧下拉FET是第一高侧下拉FET，并且所述第二集成电路管芯还包括：
耦合到所述低侧功率FET的第二低侧下拉FET；和
耦合到所述高侧功率FET的第二高侧下拉FET。
23.根据权利要求21所述的电路，其中每个所述功率FET是源极底置装置。
24.根据权利要求21所述的电路，其中所述第二集成电路管芯还包括控制电路系统，用于：接收控制信号；和输出多个激活电压以分别激活所述上拉FET和所述下拉FET。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US15/831,623 US10826487B2 (en) | 2017-12-05 | 2017-12-05 | Power unit with an integrated pull-down transistor |
| US15/831,623 | 2017-12-05 | ||
| PCT/US2018/064084 WO2019113220A1 (en) | 2017-12-05 | 2018-12-05 | Power unit with an integrated pull-down transistor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111316546A true CN111316546A (zh) | 2020-06-19 |
| CN111316546B CN111316546B (zh) | 2024-05-03 |
Family
ID=66659579
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201880071620.0A Active CN111316546B (zh) | 2017-12-05 | 2018-12-05 | 具有集成下拉晶体管的功率单元 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10826487B2 (zh) |
| CN (1) | CN111316546B (zh) |
| WO (1) | WO2019113220A1 (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10613607B2 (en) | 2017-12-12 | 2020-04-07 | Texas Instruments Incorporated | Signal powered energy detect and wakeup system |
| US10666146B2 (en) * | 2018-03-05 | 2020-05-26 | Texas Instruments Incorporated | Bidirectional inverting buck-boost converter converting dissipation current into recycling current |
| JP7144677B2 (ja) * | 2018-06-26 | 2022-09-30 | ミツミ電機株式会社 | 電源システム |
| US11942860B2 (en) | 2021-05-26 | 2024-03-26 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Dynamic division ratio charge pump switching |
| US20230095105A1 (en) * | 2021-09-30 | 2023-03-30 | Texas Instruments Incorporated | High-side fet two-stage adaptive turn-off |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1487570A (zh) * | 2002-08-27 | 2004-04-07 | �뵼��Ԫ����ҵ�������ι�˾ | 形成功率器件的方法及其结构 |
| US20060017466A1 (en) * | 2004-07-21 | 2006-01-26 | Bryson Stephen W | High voltage integrated circuit driver with a high voltage PMOS bootstrap diode emulator |
| US20060250188A1 (en) * | 2005-05-06 | 2006-11-09 | Texas Instruments Incorporated | System and method for testing gate oxide of an amplifier |
| CN101990709A (zh) * | 2008-12-23 | 2011-03-23 | 英特赛尔美国股份有限公司 | 层叠的功率转换器结构和方法 |
| US20110187439A1 (en) * | 2009-07-13 | 2011-08-04 | Rohm Co., Ltd. | Output circuit |
| CN102668381A (zh) * | 2009-12-23 | 2012-09-12 | 德克萨斯仪器股份有限公司 | 栅极下拉的mosfet |
| US20170019095A1 (en) * | 2015-07-14 | 2017-01-19 | Infineon Technologies Austria Ag | System and Method for Operating a Switching Transistor |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01154620A (ja) | 1987-12-10 | 1989-06-16 | Nec Corp | 半導体集積回路 |
| DE19933161A1 (de) * | 1999-07-20 | 2001-01-25 | Patent Treuhand Ges Fuer Elektrische Gluehlampen Mbh | Schaltungsanordnung |
| US7342447B2 (en) | 2005-05-09 | 2008-03-11 | Texas Instruments Incorporated | Systems and methods for driving an output transistor |
| US7088131B1 (en) | 2005-07-29 | 2006-08-08 | International Business Machines Corporation | System and method for power gating |
| US7420247B2 (en) | 2005-08-12 | 2008-09-02 | Cicion Semiconductor Device Corp. | Power LDMOS transistor |
| US20110210708A1 (en) * | 2010-03-01 | 2011-09-01 | Texas Instruments Incorporated | High Frequency Power Supply Module Having High Efficiency and High Current |
| US9111764B2 (en) * | 2012-07-13 | 2015-08-18 | Infineon Technologies Ag | Integrated semiconductor device and a bridge circuit with the integrated semiconductor device |
| US10256812B2 (en) * | 2016-07-08 | 2019-04-09 | Infineon Technologies Austria Ag | Half bridge coupled resonant gate drivers |
-
2017
- 2017-12-05 US US15/831,623 patent/US10826487B2/en active Active
-
2018
- 2018-12-05 WO PCT/US2018/064084 patent/WO2019113220A1/en active Application Filing
- 2018-12-05 CN CN201880071620.0A patent/CN111316546B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1487570A (zh) * | 2002-08-27 | 2004-04-07 | �뵼��Ԫ����ҵ�������ι�˾ | 形成功率器件的方法及其结构 |
| US20060017466A1 (en) * | 2004-07-21 | 2006-01-26 | Bryson Stephen W | High voltage integrated circuit driver with a high voltage PMOS bootstrap diode emulator |
| US20060250188A1 (en) * | 2005-05-06 | 2006-11-09 | Texas Instruments Incorporated | System and method for testing gate oxide of an amplifier |
| CN101990709A (zh) * | 2008-12-23 | 2011-03-23 | 英特赛尔美国股份有限公司 | 层叠的功率转换器结构和方法 |
| US20110187439A1 (en) * | 2009-07-13 | 2011-08-04 | Rohm Co., Ltd. | Output circuit |
| CN102668381A (zh) * | 2009-12-23 | 2012-09-12 | 德克萨斯仪器股份有限公司 | 栅极下拉的mosfet |
| US20170019095A1 (en) * | 2015-07-14 | 2017-01-19 | Infineon Technologies Austria Ag | System and Method for Operating a Switching Transistor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US10826487B2 (en) | 2020-11-03 |
| CN111316546B (zh) | 2024-05-03 |
| WO2019113220A1 (en) | 2019-06-13 |
| US20190173464A1 (en) | 2019-06-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111316546B (zh) | 具有集成下拉晶体管的功率单元 | |
| US9741702B2 (en) | Semiconductor power modules and devices | |
| US9818686B2 (en) | Semiconductor modules and methods of forming the same | |
| US9041456B2 (en) | Power semiconductor device | |
| KR101428527B1 (ko) | 전력용 반도체장치 | |
| US7821243B2 (en) | DC/DC converter | |
| TWI362169B (zh) | ||
| US8547162B2 (en) | Integration of MOSFETs in a source-down configuration | |
| US20120268091A1 (en) | Switching circuit device and power supply device having same | |
| US10326441B2 (en) | Active gate-source capacitance clamp for normally-off HEMT | |
| US20160099647A1 (en) | Zero Voltage Soft Switching Scheme for Power Converters | |
| US7948220B2 (en) | Method and apparatus to reduce dynamic Rdson in a power switching circuit having a III-nitride device | |
| US20080265851A1 (en) | Power switch-mode circuit with devices of different threshold voltages | |
| US7764105B2 (en) | MOSFET for synchronous rectification | |
| US20140167060A1 (en) | Normally off power electronic component | |
| CN114172123B (zh) | 半导体装置 | |
| US9978862B2 (en) | Power transistor with at least partially integrated driver stage | |
| EP3872990A1 (en) | Semiconductor switching assembly and gate driver circuit | |
| US20230208301A1 (en) | Electronic circuit and buck converter including the electronic circuit |
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 |