CN116438657A - 包括栅极-源极控制单元的功率电子模块 - Google Patents
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Abstract
披露了一种功率电子模块(2)，该功率电子模块包括至少一个半导体开关(4)和栅极一源极控制单元。该栅极‑源极控制单元包括布置在该半导体开关(4)的栅极端子(G)与源极端子(S)之间的不对称瞬态电压抑制(TVS)二极管(8)或两个齐纳二极管(10，10′)或一个或多个雪崩二极管。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于包括至少一个半导体开关的功率电子模块的栅极驱动器。
背景技术
如碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等半导体开关被广泛使用，并且因为与传统的硅MOSFET相比，它们具有更高的阻断电压、更低的导通电阻和更高的导热性等优点，它们变得越来越受欢迎。因此，SiC MOSFET可以在许多应用中取代硅MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
然而，为了能够维持SiC MOSFET的可靠操作，栅极-源极电压(VGS)不允许例如降到-4V以下。因此，静态栅极电压必须在-4V之上，然而，这将导致功率MOSFET的寄生的或不想要的导通。功率MOSFET的寄生导通这种现象在现实中更经常发生、并且会造成比通常所知更多的损坏。功率MOSFET的寄生导通可能会导致功率MOSFET的破坏或损坏，而且往往事后很难、并且有时不可能确定故障的真正原因。另外，它会造成超过必要的能量损失。
因此，期望提供一种包括改进的栅极驱动器的功率电子模块。
本发明的目的在于提供一种简单、快速并显示出高电流能力的栅极驱动器。
本发明的目的还在于提供一种不需要控制额外端子的栅极驱动器。
发明内容
本发明的目的可以由如权利要求1所述的功率电子模块实现。优选实施例在从属权利要求中定义、在以下描述中解释、并且在附图中展示。
根据本发明的功率电子模块是一种包括至少一个半导体开关和栅极-源极控制单元的功率电子模块，其中，该栅极-源极控制单元包括布置在该半导体开关的裸片或端子的栅极端子与源极之间的不对称瞬态电压抑制(TVS)二极管或两个齐纳二极管或一个或多个雪崩二极管。由此，可以提供一种简单、快速并显示出高电流能力的改进的栅极驱动器。此外，栅极驱动器不需要控制额外的端子。
术语“半导体开关”意指作为电子部件形成的电子开关，其被配置为以受控方式交替地让电力流动和阻止电力流动。
“半导体开关”可以是集成电路中的部件，其形状为构成裸片的一小块半导体材料。
在半导体开关被提供为裸片的情况下，术语“布置在裸片或半导体开关的栅极端子与源极端子之间”包括“布置在裸片的栅极端子与源极端子之间”。
栅极-源极控制单元被布置在功率电子模块的内部。
在一个实施例中，栅极-源极控制单元布置在功率电子模块的内部，该功率电子模块包括电路载体基板，比如直接敷铜基板(DCB-基板)、直接敷铝基板(DAB-基板)、活性金属钎焊基板(AMB-基板)、印刷电路板基板(PCB-基板)或其他已知形式的电路载体基板。
在一个实施例中，不对称TVS二极管被放置在电路载体基板上。
在一个实施例中，齐纳二极管被放置在电路载体基板上。
在一个实施例中，一个或多个雪崩二极管被放置在电路载体基板上。
应该注意的是，雪崩二极管通常作为高压齐纳二极管。
在一个实施例中，栅极-源极控制单元被布置在功率电子模块的内部，该功率电子模块包括电路载体基板，其中，除了TVS二极管或两个齐纳二极管或一个或多个雪崩二极管之外，没有附加的电气部件被布置在半导体开关的栅极端子与源极端子之间。
栅极驱动器是放置在功率电子模块内部的半导体开关的栅极端子旁边的电压源。优选的是，半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离很短。
在一个实施例中，半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离小于10mm。
在一个实施例中，半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离小于8mm。
在一个实施例中，半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离小于6mm。
在一个实施例中，半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离小于4mm。
在一个实施例中，半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离小于2mm。
在一个实施例中，半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离小于1mm。
在一个实施例中，不对称瞬态电压抑制二极管TVS二极管。
在一个实施例中，两个齐纳二极管被布置在功率电子模块的内部，其方式为使得该功率电子模块被配置为用静态电流驱动这两个齐纳二极管中的每一个。
内部齐纳二极管是反向连接的，并且能够将栅极驱动器电压稳定在例如-7V至-4V。相应地，有电流流过端子和端子电感，从而补偿了电感。
在一个实施例中，该半导体开关是MOSFET。使用MOSFET是有利的，因为它是非常紧凑的晶体管，已被小型化和大规模生产以进行广泛应用。与双极结型晶体管(BJT)相比，MOSFET几乎不需要输入电流来控制负载电流。此外，与BJT相比，MOSFET还具有更快的开关速度、更小的尺寸、消耗更少的电力并实现更高的密度。此外，MOSFET也更便宜。
在一个实施例中，该半导体开关是结栅场效应晶体管(JFET)。
在一个实施例中，该半导体开关是双极型晶体管。
在一个实施例中，该半导体开关是基于SiC的半导体开关。
在一个实施例中，该半导体开关是基于氮化镓(GaN)的半导体开关。
在一个实施例中，该半导体开关是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
在一个实施例中，该半导体开关是N沟道增强型MOSFET。
在优选实施例中，该半导体开关是SiC MOSFET。
在一个实施例中，该功率电子模块包括：
-电连接到该端子半导体开关的栅极的第一端子；
-电连接到该半导体开关的源极端子的第二端子，以及
-电连接到该半导体开关的漏极端子的第三端子，
其中，没有齐纳二极管布置在该源极端子与该漏极端子之间。
在一个实施例中，该栅极-源极控制单元包括击穿电压范围为1.8至5.6V的第一齐纳二极管和击穿电压为1.8至5.6V的第二雪崩二极管。
在一个实施例中，该栅极*源极控制单元包括击穿电压范围为5至35V的第一雪崩二极管和击穿电压为5至35V的第二雪崩二极管。
在一个实施例中，该栅极-源极控制单元包括击穿电压范围为10至30V的第一雪崩二极管和击穿电压为10至30V的第二雪崩二极管。
在一个实施例中，该栅极-源极控制单元包括击穿电压范围为15至25V的第一雪崩二极管和击穿电压为15至25V的第二雪崩二极管。
在一个实施例中，该栅极-源极控制单元包括击穿电压范围为18至22V的第一雪崩二极管和击穿电压为18至22V的第二雪崩二极管。
在一个实施例中，该半导体开关是MOSFET，其具有的最大动态栅极-源极电压范围为-8V至19V。
在一个实施例中，该半导体开关是MOSFET，其具有的最大动态栅极-源极电压范围为-4V至15V。
在一个实施例中，该功率电子模块被配置为以静态电流驱动不对称TVS二极管或这两个齐纳二极管或该一个或多个雪崩二极管。
在一个实施例中，该栅极-源极控制单元被布置在该功率电子模块的内部，并且该功率电子模块包括电路载体基板。
“内部(internally)”意指本文所述的栅极-源极控制单元被包含在构成功率电子模块的封装件内。这种封装件可以采取本领域内众所周知的且由功率电子模块的应用环境或者制造或使用的具体要求所规定的多种形式。一种已知的封装件是模制模块的封装件，其中，控制和开关电路系统被完全封装在绝缘的模制材料中，并且导电引线从模制材料中伸出。另一种已知的封装件是框架模块的封装件，其中，电子部件(比如半导体开关和/或栅极-源极控制单元)所在的基板被开放式框架包围，该开放式框架由盖件封闭。封装件的共同特性在于，它可以保护如半导体开关和/或栅极-源极控制单元等电子部件以及连接电路系统免受环境灰尘或湿度的影响，并保护这些部件免受冲击负载。
在一个实施例中，除了TVS二极管或两个齐纳二极管或一个或多个雪崩二极管之外，没有附加的电气部件布置在该半导体开关的栅极端子与源极端子之间。
优选的是，半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离很短。
在一个实施例中，该栅极-源极控制单元与该半导体开关安装在相同的基板上。
这样的配置可能是优点，因为它允许半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离保持在最小。
在一个实施例中，该栅极-源极控制单元安装在与安装有该半导体开关的基板不同的基板上。
这样的配置是优点，这是由于这两个基板之一可以安装在另一个基板的正上方，因此它允许半导体开关的栅极端子与栅极驱动器之间的距离保持在最小。
附图说明
从下文中给出的详细描述中，本发明将被更充分地理解。附图仅通过图示的方式给出，因此，它们不是对本发明的限制。在附图中：
图1示出了根据本发明的第一实施例的电路图；
图2示出了用于SiC MOSFET可靠操作的推荐最大电压；
图3示出了根据本发明的功率电子器件以及现有技术的功率电子器件的电流和电压随时间的变化，以及
图3A示出了描绘根据本发明的功率电子器件以及现有技术的功率电子器件的电流随时间变化的曲线图；
图3B示出了描绘根据本发明的功率电子器件以及现有技术的功率电子器件的电压随时间变化的曲线图；
图4示出了根据本发明的根据本发明的第二实施例的电路图；
图5A示出了根据本发明的一个实施例的电路图，以及
图5B示出了如图5A所示的相同电路图的另一个视图。
具体实施方式
现在出于展示本发明的优选实施例的目的而详细参考附图，在图1中展示了根据本发明的第一实施例的电路图。
图1展示了根据本发明的功率电子模块2的第一实施例的电路图。功率电子模块2包括布置在功率电子模块2内部的栅极-源极控制单元(也被称为栅极驱动器)。在优选实施例中，功率电子模块2包括电路载体基板，比如直接敷铜基板(DCB-基板)、直接敷铝基板(DAB-基板)、活性金属钎焊基板(AMB-基板)、印刷电路板基板(PCB-基板)或其他已知形式的电路载体基板。指示了电位为V1和-7V的DC电压源。
“内部(internally)”意指本文所述的栅极-源极控制单元被包含在构成功率电子模块2的封装件内。这种封装件可以采取本领域内众所周知的且由功率电子模块的应用环境或者制造或使用的具体要求所规定的多种形式。一种已知的封装件是模制模块的封装件，其中，控制和开关电路系统被完全封装在绝缘的模制材料中，并且导电引线从模制材料中伸出。另一种已知的封装件是框架模块的封装件，其中，电子部件(比如半导体开关2和/或栅极-源极控制单元)所在的基板被开放式框架包围，该开放式框架由盖件封闭。封装件的共同特性在于，它可以保护如半导体开关2和/或栅极-源极控制单元等电子部件以及连接电路系统免受环境灰尘或湿度的影响，并保护这些部件免受冲击负载。
功率电子模块2包括第一端子T1和第二端子T2。功率电子模块2包括形状为SiCMOSFET 4的半导体开关，该半导体开关具有栅极端子G、源极端子S以及漏极端子D。两个齐纳二极管10、10’反向连接并布置在SiC MOSFET 4的栅极端子G与源极端子S之间。两个齐纳二极管10、10’能够稳定栅极驱动器电压。
可以看出除了两个齐纳二极管10、10’之外，没有附加的电气部件布置在SiCMOSFET 4的栅极端子G与源极端子S之间。此外，电阻和电感由电阻器R1、R4和电感器L3、L5、L8、L9指示。
如前所解释的，SiC MOSFET 4可以被另一种类型的半导体开关所取代。SiCMOSFET 4可以被另一种类型的半导体开关所取代，比如以下之一：MOSFET(并非SiCMOSFET)、JFET、双极型晶体管、基于GaN的开关或IGBT。也可以布置内部栅极电阻器。这也由R4表示。
图2展示了用于执行SiC MOSFET的可靠操作的推荐最大电压。可以看出发生了寄生的且不想要的导通P。为了维持SiC MOSFET(类似于图1所展示的功率电子模块中示出的那个)的可靠操作，栅极-源极电压VGS不允许降到-4V以下。因此，静态栅极电压V2必须在-4V之上，然而，这导致了图2中所展示的寄生导通P。
图3A展示了描绘根据本发明的功率电子器件的通过端子电感(图1中展示为L8)的电流I1随时间变化的第一曲线图，以及描绘现有技术的功率电子器件的对应电流I2随时间变化的第二曲线图。电流I1用实线指示，其中，电流I2用虚线指示。
图3B展示了描绘现有技术的功率电子器件(具有不含Z型二极管的参考电路)的栅极-源极电压V’gs随时间变化的第一曲线图。此外，图3B展示了描绘根据本发明的功率电子器件的参考电路(与图1中展示并参考其进行解释的电路相对应)的栅极-源极电压Vgs的第二曲线图。可以看出，现有技术的功率电子器件的栅极-源极电压V’gs的振幅比根据本发明的功率电子器件的参考电路的栅极一源极电压Vgs的振幅大得多。
图3B展示了描绘现有技术的功率电子器件(具有不含Z型二极管的参考电路)的反向恢复电流I4随时间变化的第三曲线图。图3B还展示了描绘根据本发明的功率电子器件的参考电路(与图1中展示并参考其进行解释的电路相对应)的反向恢复电流I3的第四曲线图。当比较I3与I4时，可以看出存在与使用现有技术的功率电子器件(具有不含Z型二极管的参考电路)相关联的大的寄生导通。
当应用参考图1解释的内部Z型二极管时，这些Z型二极管将使驱动器电压稳定在例如一7V至-4V。相应地，有电流流过端子和端子电感，这将有利地影响电感。
当Z型二极管被省略时，反向恢复期间的电流I4增加到更高的水平(参见较大导通时的反向恢复电流I3和I4)。
图4展示了根据本发明的功率电子模块2的第二实施例的电路图。功率电子模块2包括布置在功率电子模块2内部的栅极-源极控制单元(也被称为栅极驱动器)。在优选实施例中，功率电子模块2包括电路载体基板，比如DCB-基板。指示了电位为V1和-7V的DC电压源。
功率电子模块2包括第一端子T1和第二端子T2。功率电子模块2包括形状为SiCMOSFET 4的半导体开关，该半导体开关具有栅极端子G、源极端子S以及漏极端子D。TVS二极管8被布置在SiC MOSFET 4的栅极端子G与源极端子S之间。TVS二极管8能够稳定栅极驱动器电压。
除了TVS二极管8之外，没有附加的电气部件布置在SiC MOSFET 4的栅极端子G与源极端子S之间。此外，电阻和电感由电阻器R1、R4和电感器L3、L5、L8、L9指示。也可以布置内部栅极电阻器。这也由R4表示。
图5A展示了根据本发明的功率电子模块的栅极-源极控制单元的电路图。该电路图是图1所示的图的简化版本，并且因此基本上与其相对应。当栅极-源极控制单元包括第一齐纳二极管和第二齐纳二极管时，应以适当的方式选择击穿电压。在一个实施例中，栅极-源极控制单元包括击穿电压范围为15至25V的第一雪崩二极管。第二雪崩二极管可以具有15至25V的击穿电压。
参考图5A，可以发现满足以下不等式：
(1)(VGDS(max)-VRG)>(VC1(I)+VC2(I))>VGS(max)
在正常操作(静态)中，满足以下：
(2)VC1(I)＝VGS(max)
在开关期间，栅极可能会由于电感而过载。因此，非零(例如0.5A)的电流I在流动，并且可以发现：
(3)VC1(I)＝VGS(max)-VC2(I)
在短路期间，上述等式(3)是有效的，并且米勒电流是相当大的(例如，在VGDS(max)约为20V的情况下，大约为1A)。
图5B展示了如图5A所示的相同电路图的另一个视图。参考图5B，可以发现得出
(4)VGS(min)＝VC1(I)+VC2(I)
因此，可以得出：
(5)VC2(I)＝VGS(min)-VC1(I)
在静态情况下，发现：
(6)I＝IGDS
可以使用对米勒电流的补偿(例如范围为1至2A)。
由于反向恢复，VGS以非常陡峭的方式上升。VGS和VGD的上升(dV/dt)导致了通过米勒电容的电流。这个电流必须通过栅极驱动单元(GDU)排出。栅极电阻器和导线的电感会降低电流导数(dI/dt)和突然排出通过米勒电容的电流的能力。如果有静态电流(从齐纳二极管进入GDU)通过电感，那么不需要增加这个电流。偏置电流可以补偿通过米勒电容的电流。偏置电流受GDU的功率能力、二极管(Z型、TVS型或雪崩型)和栅极电阻器的限制。
附图标记清单
2 功率电子模块
4 半导体开关(例如，MOSFET)
8 TVS二极管
10，10’ 齐纳二极管
G 栅极端子
S 源极端子
D 漏极端子
T1，T2，T3 端子
P 寄生导通
R1，R4 电阻器
L3，L5，L8，L9 电感器
I1，I2 电流
I3，I4 反向恢复电流
V1，V2 电压
VGS，V’GS 栅极-源极电压。
Claims (17)
1.一种功率电子模块(2)，该功率电子模块包括至少一个半导体开关(4)和栅极-源极控制单元，其特征在于，该栅极-源极控制单元包括布置在该半导体开关(4)的栅极端子(G)与源极端子(S)之间的不对称瞬态电压抑制(TVS)二极管(8)或两个齐纳二极管(10，10′)或一个或多个雪崩二极管。
2.根据权利要求1所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该半导体开关(4)是功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(4)。
3.根据权利要求1所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该半导体开关(4)是结栅场效应晶体管(JFET)(4)。
4.根据权利要求1所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该半导体开关(4)是双极型晶体管(4)。
5.根据权利要求1所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该半导体开关(4)是基于SiC的半导体开关。
6.根据权利要求1所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该半导体开关(4)是基于氮化镓(GaN)的半导体开关。
7.根据权利要求1所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该半导体开关(4)是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
8.根据权利要求2所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该半导体开关(4)是N沟道增强型MOSFET(4)。
9.根据权利要求2或8所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该半导体开关(4)是碳化硅(SiC)MOSFET(4)。
10.根据前述权利要求之一所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该功率电子模块(2)包括：
-电连接到该栅极端子(G)的第一端子(T1)；
-电连接到该源极端子(S)的第二端子(T2)；以及
-电连接到该半导体开关(4)的漏极端子(D)的第三端子(T3)，
其中，没有齐纳二极管布置在该源极端子(S)与该漏极端子(D)之间。
11.根据前述权利要求之一所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该栅极-源极控制单元包括击穿电压范围为5至35V的第一雪崩二极管和击穿电压为5至35V的第二雪崩二极管。
12.根据前述权利要求2、8、9、10或11之一所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该半导体开关(4)是MOSFET(4)，其具有的最大动态栅极-源极电压范围为-8V至19V。
13.根据前述权利要求之一所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该功率电子模块(2)被配置为以静态电流驱动该不对称TVS二极管(8)或这两个齐纳二极管(10，10′)或该一个或多个雪崩二极管。
14.根据前述权利要求之一所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该栅极-源极控制单元被布置在该功率电子模块(2)的内部，并且该功率电子模块(2)包括电路载体基板。
15.根据前述权利要求之一所述的功率电子模块(2)，其特征在于，除了该TVS极管(8)或这两个齐纳二极管(10，10′)或该一个或多个雪崩二极管之外，没有附加的电气部件布置在该半导体开关(4)的栅极端子(G)与源极端子(S)之间。
16.根据前述权利要求之一所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该栅极-源极控制单元与该半导体开关(4)安装在相同的基板上。
17.根据权利要求1至15之一所述的功率电子模块(2)，其特征在于，该栅极-源极控制单元安装在与安装有该半导体开关(4)的基板不同的基板上。
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