CN114825879A - 一种半导体开关组件及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，具体公开了一种半导体开关组件，包括高压无拖尾电流开关器件、低压无拖尾电流开关器件和有拖尾电流开关器件；有拖尾电流开关器件与低压无拖尾电流开关器件串联，高压无拖尾电流开关器件与串联后的有拖尾电流开关器件与低压无拖尾电流开关器件并联。采用本发明的技术方案能够允许在开关损耗、导通损耗与可靠性互相制约的前提下实现更小的开关损耗、更小的导通损耗与更高的可靠性。

Description

一种半导体开关组件及其控制方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体开关组件及其控制方法。

背景技术

IGBT器件因在高压大电流应用下导通损耗低而广泛应用于电力电子转换器中。从工作原理上看，IGBT可近似理解为一个双极型晶体管(BJT)和一个绝缘栅场效应管(MOSFET)的复合体，外部电路驱动MOSFET，MOSFET驱动BJT，由BJT输出大电流。因为BJT的载流子浓度调制效应，IGBT器件漂移区的内阻随流过IGBT的电流的增大而减小，从而维持IGBT的导通压降随电流变化很小，通常远小于一次方。相比而言，普通MOSFET的导通压降随电流约成一次方关系，且高压低内阻MOSFET芯片面积较大，因此在高压大电流应用下IGBT往往拥有远低于同面积MOSFET的导通损耗。

然而，因为上述载流子浓度调制效应，对一IGBT而言，在其输入级MOSFET关断后，其输出级BJT的残余载流子需要一定时间才能复合，因此在关断期间存在电流拖尾效应。在此期间，拖尾电流会导致额外的载流子注入，因此在大关断电流下该过程往往较长，因此减小IGBT器件的关断电流可以大幅度降低关断损耗。

同时，在IGBT开通期间，其输出级BJT需要短路其自身的结电容以及交流等效并联的其他器件的电容和反向恢复电荷，因此在开通过程中IGBT的输出BJT需要同时承受高压和大电流，该过程容易造成输出BJT的失控，从而导致器件失效。为预防开通失效，通常IGBT器件的导通速度会被人为限制，从而限制了使用IGBT的电力电子转换器的开关频率和效率。减小IGBT器件的开通电压至接近零伏可以几乎完全消除开通瞬态大电流，从而消除此失效机理，从而允许更快的开通速度，更低的开通损耗和更高的开关频率。

现有方案多使用高压MOSFET与IGBT并联构成开关组件，并通过控制栅极时序实现IGBT/高压MOSFET的开通和关断延时，从而实现高压MOSFET先开通，IGBT后开通(下文中，该时间差称为开通死区)，IGBT先关断，高压MOSFET后关断(下文中，该时间差称为关断死区)，进而增加开通可靠性并减小关断损耗。在IGBT导通时，高压MOSFET与IGBT共同承担电流，从而允许使用开关容量更小的IGBT从而降低成本和寄生电容。

为降低寄生电容及成本，上述方案通常选用内阻较大的高压MOSFET，因此在关断死区内高压MOSFET的导通压降较大，该电压足以维持IGBT的拖尾电流。虽然该拖尾电流比不采用并联高压MOSFET的IGBT拖尾电流小得多，其仍旧存在，且仍旧需要较长时间消散。因此，关断死区必须足够长才能确保IGBT没有显著的由拖尾电流带来的损耗。在关断死区内，流过开关组件的电流完全由高压MOSFET承担，因此关断死区越长，电路的导通损耗越大。为补偿额外的关断死区带来的导通损耗，往往需要减小甚至消除开通死区，该取舍在减小导通损耗的同时增加了IGBT的开通电压变化率和电流变化率以及瞬态电流，从而降低了开关组件的可靠性。因此该方案需要在开关损耗、导通损耗与可靠性中做一取舍。该取舍严重限制了上述开关组件能可靠实现的最高开关频率，进而限制了使用上述开关组件的功率转换器的功率密度和效率。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种半导体开关组件，能够允许在开关损耗、导通损耗与可靠性互相制约的前提下实现更小的开关损耗、更小的导通损耗与更高的可靠性。

为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种半导体开关组件，包括高压无拖尾电流开关器件、低压无拖尾电流开关器件和有拖尾电流开关器件；有拖尾电流开关器件与低压无拖尾电流开关器件串联，高压无拖尾电流开关器件与串联后的有拖尾电流开关器件与低压无拖尾电流开关器件并联。

进一步，所述高压无拖尾电流开关器件和低压无拖尾电流开关器件采用JFET器件或HEMT器件；有拖尾电流开关器件采用BJT开关器件。

进一步，所述高压无拖尾电流开关器件采用高压MOSFET器件，低压无拖尾电流开关器件采用低压MOSFET器件，有拖尾电流开关器件采用IGBT器件。

进一步，还包括时序发生电路、高压MOSFET驱动电路和低压MOSFET驱动电路；时序发生电路的输出端分别与低压MOSFET驱动电路和高压MOSFET驱动电路的输入端连接；

低压MOSFET驱动电路的输出端与低压MOSFET器件的栅极和源极连接，高压MOSFET驱动电路的输出端与高压MOSFET器件的栅极和源极连接。

进一步，还包括IGBT驱动电路，IGBT驱动电路为主动驱动电路，IGBT驱动电路的输出端与IGBT器件的栅极和发射极连接。

进一步，所述IGBT器件的发射极和集电极之间并联有反并联二极管。

进一步，还包括IGBT驱动电路，IGBT驱动电路为偏置电压供电电路，IGBT器件的栅极与IGBT驱动电路连接，IGBT器件的发射极与低压MOSFET器件的漏极连接。

进一步，所述高压MOSFET驱动电路包括驱动电阻R2、驱动电阻R3、巴伦L1，以及低压的P MOSFET Q1和N MOSFET Q2；

低压MOSFET驱动电路包括驱动电阻R5、驱动电阻R6、巴伦L2，以及低压的P MOSFETQ3和N MOSFET Q4；

P MOSFET Q1的源极连接驱动供电，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R2的一端；N MOSFET Q2的源极接地，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R3的一端；驱动电阻R2与驱动电阻R3的另一端均与巴伦L1的一正输入侧连接；巴伦L1的另一正输入侧与高压MOSFET器件的栅极连接，巴伦L1的一负输入侧接地；

P MOSFET Q3的源极连接驱动供电，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R5的一端；N MOSFET Q4的源极接地，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R6的一端；驱动电阻R5与驱动电阻R6的另一端均与巴伦L2的一正输入侧连接；巴伦L2的另一正输入侧与低压MOSFET器件的栅极连接，巴伦L2的一负输入侧接地；

巴伦L1的另一负输入侧、巴伦L2的另一负输入侧、高压MOSFET器件的源极以及低压MOSFET器件的源极均与负输出端连接；

IGBT器件的集电极以及高压MOSFET器件的漏极均与正输出端连接。

本发明的目的之二在于，提供一种半导体开关组件控制方法，包括如下内容：

需要开通开关组件时，时序发生电路输出高压MOSFET开通信号，高压MOSFET驱动电路拉高高压MOSFET器件栅极-源极电平，从而开通高压MOSFET器件；

在开通死区后，时序发生电路输出IGBT及低压MOSFET开通信号，IGBT驱动电路拉高IGBT器件栅极-发射极电平，低压MOSFET驱动电路拉高低压MOSFET器件栅极-源极电平，从而开通IGBT器件及低压MOSFET器件；

需要关断开关组件时，提前关断死区的时间，时序发生电路输出IGBT及低压MOSFET关断信号，IGBT驱动电路拉低IGBT器件栅极-发射极电平，低压MOSFET驱动电路拉低低压MOSFET器件栅极-源极电平，从而关断IGBT器件及低压MOSFET器件；

关断死区之后，时序发生电路输出高压MOSFET关断信号，高压MOSFET驱动电路拉低高压MOSFET器件栅极-源极电平，从而关断高压MOSFET器件。

进一步，还包括将开通时间、关断时间统一延迟预设时间。

与现有技术相比，本发明优点在于：

1、本方案能够大幅减小IGBT器件实现无拖尾电流关断所需的关断死区时间，而IGBT器件的拖尾电流一直都是电力电子行业在应用这种器件时的痛点，为了解决拖尾电流甚至还增加了驱动电路的复杂程度(需要加负压供电以加速关断拖尾电流)，本发明将让IGBT器件的驱动不再需要负压驱动，大幅简化供电电路和驱动电路的复杂度；

2.本方案在实现IGBT软关断的同时不显著影响导通损耗和开通可靠性，开关过程主要由并联的高压MOSFET器件承担；

3.综上，本方案可提升电力电子转换器的开关频率和转换效率，从而实现更高的功率密度，同时还能提升IGBT器件的工作可靠性。

附图说明

图1为实施例一种半导体开关组件的逻辑框图；

图2为实施例一种半导体开关组件中时序发生电路和驱动电路的示意图；

图3为实施例一种半导体开关组件中时序发生电路的示意图；

图4为实施例一种半导体开关组件的电路图；

图5为实施例一种半导体开关组件控制方法的时序图；

图6为实施例一种半导体开关组件控制方法的时序图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

本实施例的一种半导体开关组件，包括：时序发生电路、高压无拖尾电流开关器件、低压无拖尾电流开关器件、有拖尾电流开关器件，以及高压无拖尾电流开关器件、低压无拖尾电流开关器件和有拖尾电流开关器件对应的驱动电路。

其中高、低压无拖尾电流开关器件可以采用对应的MOSFET器件、JFET器件或HEMT器件等，本实施例中，高压无拖尾电流开关器件采用高压MOSFET器件，低压无拖尾电流开关器件采用低压MOSFET器件；在其他实施例中，高压MOSFET器件还可替换为高压MESFET、JFET等高压耗尽型器件和另一低压MOSFET的串联组合，在功能上等效为一无拖尾电流的开关器件。

有拖尾电流开关器件可以采用IGBT器件或BJT等其他有拖尾电流的开关器件。本实施例中采用IGBT器件，在其他实施例中，IGBT器件还可替换为JFET输入的耗尽型类IGBT器件，其栅极接低压MOSFET源极或一低偏置电压。

本实施例中，驱动电路具体采用IGBT驱动电路、高压MOSFET驱动电路和低压MOSFET驱动电路。

IGBT器件与低压MOSFET器件串联，高压MOSFET器件与串联后的IGBT器件与低压MOSFET器件并联。

如图1所示，时序发生电路的输出端分别与IGBT驱动电路、低压MOSFET驱动电路和高压MOSFET驱动电路的输入端连接。使高压MOSFET驱动信号接到高压MOSFET驱动电路，IGBT及低压MOSFET驱动信号分别接到IGBT驱动电路和低压MOSFET驱动电路。

驱动电路的输出端分别连接对应的功率器件的栅极和源极(发射极)，具体的，IGBT驱动电路为主动驱动电路时，输出端与IGBT器件的栅极和发射极连接，低压MOSFET驱动电路的输出端与低压MOSFET器件的栅极和源极连接，高压MOSFET驱动电路的输出端与高压MOSFET器件的栅极和源极连接。具体驱动电路设计和功率器件选型视系统需求而定。

可选的，可以在IGBT器件的发射极和集电极之间并联一反并联二极管或等效电路，用以防止关断状态下低压MOSFET器件漏极-源极两端存储的电荷在开通瞬间通过高压MOSFET器件被施加到IGBT器件的发射极-集电极两端，从而避免造成IGBT器件反向击穿，导致损坏。

上述时序发生电路和驱动电路(IGBT驱动电路、高压MOSFET驱动电路、低压MOSFET驱动电路)有多种实现方式，本实施例提供一种参考实现：

如图2所示，集成电路IC1集成有时序发生电路和驱动电路。输入PWM信号进入集成电路IC1，IC1内部通过时序发生电路的延时单元产生以下两路经过延迟的信号：输入信号经过关断死区延迟后的信号，输入信号经过关断死区加开通死区延迟后的信号。

其中经过关断死区延迟后的信号输出至高压MOSFET驱动电路，经过关断死区加开通死区延迟后的信号和输入信号进行逻辑与操作，结果输出至IGBT驱动电路和低压MOSFET驱动电路。

如图3所示，时序发生电路接受一驱动信号输入，内部的查找表和延时单元产生NMOSFET和P MOSFET互补驱动信号。该电路对输入信号进行反向，并加入死区；

并可选的，对连续高、连续低等特殊工况进行处理，间歇性加入跳变，保证内部的电平移位电路正常工作。

时序发生电路的P MOSFET和N MOSFET互补驱动信号进入下述驱动电路。

高压MOSFET驱动电路和低压MOSFET驱动电路共地，均由低压P MOSFET和N MOSFET构成反向器结构，其中P MOSFET源极连接驱动供电，P MOSFET栅极连接时序发生电路，PMOSFET漏极通过驱动电阻连接巴伦的正输入侧。

其中N MOSFET源极接地，N MOSFET栅极连接时序发生电路，N MOSFET漏极通过驱动电阻连接巴伦的正输入侧。

其中巴伦的负输入侧接地，正负输出侧分别连接高、低压MOSFET的栅极和源极。巴伦用于实现单端转差分的功能，从而实现共地系统的开尔文连接。

具体的，如图4所示，高压MOSFET驱动电路包括驱动电阻R2、驱动电阻R3、巴伦L1，以及低压的P MOSFET Q1和N MOSFET Q2；

低压MOSFET驱动电路包括驱动电阻R5、驱动电阻R6、巴伦L2，以及低压的P MOSFETQ3和N MOSFET Q4；

P MOSFET Q1的源极连接驱动供电，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R2的一端；N MOSFET Q2的源极接地，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R3的一端；驱动电阻R2与驱动电阻R3的另一端均与巴伦L1的一正输入侧连接；巴伦L1的另一正输入侧与高压MOSFET器件的栅极连接，巴伦L1的一负输入侧接地；

P MOSFET Q3的源极连接驱动供电，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R5的一端；N MOSFET Q4的源极接地，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R6的一端；驱动电阻R5与驱动电阻R6的另一端均与巴伦L2的一正输入侧连接；巴伦L2的另一正输入侧与低压MOSFET器件的栅极连接，巴伦L2的一负输入侧接地；

巴伦L1的另一负输入侧、巴伦L2的另一负输入侧、高压MOSFET器件的源极以及低压MOSFET器件的源极均与负输出端连接；

IGBT器件的栅极与IGBT驱动电路连接，IGBT驱动电路为偏置电压供电电路，IGBT器件的发射极与低压MOSFET器件的漏极连接，IGBT器件的集电极以及高压MOSFET器件的漏极均与正输出端连接。

IGBT器件栅极接固定偏置电压，当低压MOSFET器件Q6开通时，低压MOSFET器件将IGBT器件的发射极拉低，IGBT器件栅极-发射极之间看到接近偏置电压的电压，IGBT器件开通。当低压MOSFET器件关断时，流过IGBT器件的电流对低压MOSFET器件的漏极-源极充电，抬升低压MOSFET器件漏极，即IGBT器件发射极电压，直至IGBT器件低压关断。IGBT器件低压栅极仅需外部提供固定偏置电压，由低压MOSFET器件驱动，不需要使用主动驱动电路驱动，在其他实现方式中，IGBT器件可以由独立的主动驱动电路驱动。

本方案经过双脉冲测试，在相同测试条件下相较于仅使用同型号IGBT的被测器件实现了约99.5％的关断损耗下降(～600uJ->～3uJ)，在相同测试条件下相较于使用高压MOSFET与IGBT并联构成开关组件的方案实现了约90％的关断损耗下降(～30uJ->～3uJ)，同时减小关断死区约80％(200ns->40ns)，如果想在不使用本方案的前提下达到上述性能指标，只能通过使用价格和参数都数倍于此方案的功率导体器件。

基于一种半导体开关组件，本实施例还提供一种半导体开关组件控制方法，包括如下内容：

需要开通开关组件时，时序发生电路输出高压MOSFET开通信号，高压MOSFET驱动电路拉高高压MOSFET器件栅极-源极电平，从而开通高压MOSFET器件；

在开通死区后，时序发生电路输出IGBT及低压MOSFET开通信号，IGBT驱动电路及低压MOSFET驱动电路拉高IGBT器件及低压MOSFET器件栅极-发射极/栅极-源极电平，从而开通IGBT器件及低压MOSFET器件。因高压MOSFET器件先于IGBT器件导通，IGBT器件开通过程应力较小，因此得以提升系统可靠性。

需要关断开关组件时，提前关断死区的时间，时序发生电路输出IGBT及低压MOSFET关断信号，IGBT驱动电路及低压MOSFET驱动电路拉低IGBT器件及低压MOSFET器件栅极-发射极/栅极-源极电平，从而关断IGBT器件及低压MOSFET器件。此时开关组件输出侧电压被高压MOSFET器件钳位，不超过低压MOSFET器件耐压，因此低压MOSFET器件得以完全截断IGBT器件的拖尾电流，IGBT器件内的注入载流子得以快速复合。关断死区之后，时序发生电路输出高压MOSFET关断信号，高压MOSFET驱动电路拉低高压MOSFET器件栅极-源极电平，从而关断高压MOSFET器件。具体时序图，如图5所示(未包含非人为加入的控制、驱动延迟)。

如图6所示，在某些系统中可能无法预知关断时间，因此可选的，可将开通时间、关断时间统一延迟预设时间，从而保证系统的输出永远迟于输入。预设时间可以根据实际情况进行设置。

在开关组件开通时，高压MOSFET器件先导通，IGBT器件和低压MOSFET器件后导通，从而实现IGBT器件的零电压开通，提升系统可靠性。在开关组件关断时，高压IGBT器件和低压MOSFET器件先关断。因低压MOSFET器件耐压大于高压MOSFET器件在此时的导通压降，低压MOSFET器件彻底切断IGBT器件的拖尾电流路径，IGBT器件漂移区内不再有载流子注入。此时，之前注入的载流子快速复合。之后，高压MOSFET器件关断，IGBT器件集电极-发射极间电压上升。此时IGBT器件漂移区内注入的载流子已几乎完全复合，IGBT器件可以实现无拖尾电流关断，从而消除拖尾电流带来的损耗。

由于串联低压MOSFET器件彻底截断了IGBT器件拖尾电流的路径，本发明得以大幅缩短IGBT漂移区内载流子复合所需的时间，从而允许使用更短的关断死区，从而允许在开关损耗、导通损耗与可靠性互相制约的前提下实现更小的开关损耗、更小的导通损耗与更高的可靠性。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种半导体开关组件，其特征在于，包括高压无拖尾电流开关器件、低压无拖尾电流开关器件和有拖尾电流开关器件；有拖尾电流开关器件与低压无拖尾电流开关器件串联，高压无拖尾电流开关器件与串联后的有拖尾电流开关器件与低压无拖尾电流开关器件并联。

2.根据权利要求1所述的半导体开关组件，其特征在于：所述高压无拖尾电流开关器件和低压无拖尾电流开关器件采用JFET器件或HEMT器件；有拖尾电流开关器件采用BJT开关器件。

3.根据权利要求1所述的半导体开关组件，其特征在于：所述高压无拖尾电流开关器件采用高压MOSFET器件，低压无拖尾电流开关器件采用低压MOSFET器件，有拖尾电流开关器件采用IGBT器件。

4.根据权利要求3所述的半导体开关组件，其特征在于：还包括时序发生电路、高压MOSFET驱动电路和低压MOSFET驱动电路；时序发生电路的输出端分别与低压MOSFET驱动电路和高压MOSFET驱动电路的输入端连接；

低压MOSFET驱动电路的输出端与低压MOSFET器件的栅极和源极连接，高压MOSFET驱动电路的输出端与高压MOSFET器件的栅极和源极连接。

5.根据权利要求4所述的半导体开关组件，其特征在于：还包括IGBT驱动电路，IGBT驱动电路为主动驱动电路，IGBT驱动电路的输出端与IGBT器件的栅极和发射极连接。

6.根据权利要求5所述的半导体开关组件，其特征在于：所述IGBT器件的发射极和集电极之间并联有反并联二极管。

7.根据权利要求4所述的半导体开关组件，其特征在于：还包括IGBT驱动电路，IGBT驱动电路为偏置电压供电电路，IGBT器件的栅极与IGBT驱动电路连接，IGBT器件的发射极与低压MOSFET器件的漏极连接。

8.根据权利要求7所述的半导体开关组件，其特征在于：所述高压MOSFET驱动电路包括驱动电阻R2、驱动电阻R3、巴伦L1，以及低压的P MOSFET Q1和N MOSFET Q2；

低压MOSFET驱动电路包括驱动电阻R5、驱动电阻R6、巴伦L2，以及低压的P MOSFET Q3和N MOSFET Q4；

P MOSFET Q1的源极连接驱动供电，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R2的一端；N MOSFET Q2的源极接地，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R3的一端；驱动电阻R2与驱动电阻R3的另一端均与巴伦L1的一正输入侧连接；巴伦L1的另一正输入侧与高压MOSFET器件的栅极连接，巴伦L1的一负输入侧接地；

P MOSFET Q3的源极连接驱动供电，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R5的一端；N MOSFET Q4的源极接地，栅极连接时序发生电路，漏极连接驱动电阻R6的一端；驱动电阻R5与驱动电阻R6的另一端均与巴伦L2的一正输入侧连接；巴伦L2的另一正输入侧与低压MOSFET器件的栅极连接，巴伦L2的一负输入侧接地；

巴伦L1的另一负输入侧、巴伦L2的另一负输入侧、高压MOSFET器件的源极以及低压MOSFET器件的源极均与负输出端连接；

IGBT器件的集电极以及高压MOSFET器件的漏极均与正输出端连接。

9.一种半导体开关组件控制方法，其特征在于，包括如下内容：

需要开通开关组件时，时序发生电路输出高压MOSFET开通信号，高压MOSFET驱动电路拉高高压MOSFET器件栅极-源极电平，从而开通高压MOSFET器件；

在开通死区后，时序发生电路输出IGBT及低压MOSFET开通信号，IGBT驱动电路拉高IGBT器件栅极-发射极电平，低压MOSFET驱动电路拉高低压MOSFET器件栅极-源极电平，从而开通IGBT器件及低压MOSFET器件；

需要关断开关组件时，提前关断死区的时间，时序发生电路输出IGBT及低压MOSFET关断信号，IGBT驱动电路拉低IGBT器件栅极-发射极电平，低压MOSFET驱动电路拉低低压MOSFET器件栅极-源极电平，从而关断IGBT器件及低压MOSFET器件；

关断死区之后，时序发生电路输出高压MOSFET关断信号，高压MOSFET驱动电路拉低高压MOSFET器件栅极-源极电平，从而关断高压MOSFET器件。

10.根据权利要求9所述的半导体开关组件其控制方法，其特征在于：还包括将开通时间、关断时间统一延迟预设时间。

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