CN116614121B - 一种改善电磁兼容的功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改善电磁兼容的功率器件，涉及半导体功率器件领域；该功率器件包括：GaN器件、开关器件和开关驱动模块；开关器件包括硅基场效晶体管；硅基场效晶体管的栅极作为功率器件的栅极；硅基场效晶体管的源极作为功率器件的源极；硅基场效晶体管的漏极与GaN器件的源极连接；GaN器件的漏极作为功率器件的漏极；开关驱动模块的一端与GaN器件的栅极连接；开关驱动模块的另一端与硅基场效晶体管的源极连接；本发明能够降低电压应力，改善电磁兼容。

Description

一种改善电磁兼容的功率器件
技术领域
本发明涉及半导体功率器件领域，特别是涉及一种改善电磁兼容的功率器件。
背景技术
GaN(氮化镓)作为第三代半导体的标志性产物，其禁带宽度为硅(Si)的3倍，击穿电场为Si的10倍。GaN一般分为增强型(E mode)和耗尽型(D mode)，耗尽型为常开型，过电流能力强，是增强型的3倍，但是，其需要负压关断，因此，一般需要级联低压场效晶体管，如Si MOSFET器件。
级联型器件的驱动是直接驱动低压Si MOSFET，低压Si MOSFET的开通快慢可以通过栅极的驱动电阻来控制，而耗尽型的栅极是直接和低压Si MOSFET的源极（Source）连接的，栅极没有驱动电阻，而其驱动开关速度仅受级联寄生电阻影响。由于寄生电阻很小，其开通和关断速度很快，外部驱动电路无法调节耗尽型GaN驱动的快慢。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善电磁兼容的功率器件，能够降低电压应力，改善电磁兼容。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种改善电磁兼容的功率器件，所述功率器件包括：GaN器件、开关器件和开关驱动模块；所述开关器件包括硅基场效晶体管；
所述硅基场效晶体管的栅极作为所述功率器件的栅极；所述硅基场效晶体管的源极作为所述功率器件的源极；所述硅基场效晶体管的漏极与所述GaN器件的源极连接；所述GaN器件的漏极作为所述功率器件的漏极；
所述开关驱动模块的一端与所述GaN器件的栅极连接；所述开关驱动模块的另一端与所述硅基场效晶体管的源极连接。
可选地，所述开关驱动模块包括：驱动电路模块；
所述驱动模块的一端与所述GaN器件的栅极连接；所述驱动模块的另一端与所述硅基场效晶体管的源极连接。
可选地，所述开关驱动模块还包括：等效线电阻；
所述等效线电阻的一端与所述GaN器件的栅极连接；所述等效线电阻的另一端与所述驱动电路模块连接。
可选地，所述驱动电路模块包括：并联的驱动电阻和二极管；所述二极管包括肖特基二极管。
可选地，所述GaN器件为耗尽型氮化镓器件。
可选地，所述硅基场效晶体管为硅基N型场效晶体管。
可选地，所述GaN器件、所述开关器件和所述开关驱动模块设置在同一块基板上。
可选地，所述开关器件和所述驱动电路模块设置在第一基板上；所述GaN器件设置在第二基板上。
可选地，所述开关器件设置在第一基板上；所述驱动电路模块和所述GaN器件设置在第二基板上。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种改善电磁兼容的功率器件，通过在GaN器件和开关器件之间增加开关驱动模块，以实现GaN器件的驱动慢开快关的功能，能够保持GaN器件的漏极和源极之间高电压变化率的同时，降低开关器件的漏极和源极之间电压尖峰，降低功率器件的电压应力，并且能够调节电磁兼容。因此，本发明能够降低电压应力，改善电磁兼容。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有功率器件第一种级联电路结构图；
图2为现有功率器件第二种级联电路结构图；
图3为本发明实施例提供的功率器件的电路结构图；
图4为本发明实施例提供的第一种封装示意图；
图5为本发明实施例提供的第二种封装示意图。
符号说明：
GaN器件-1、开关器件-2、驱动电路模块-3、功率器件-4、第一基板-5；第二基板-6；寄生电阻-R、等效线电阻-R1、驱动电阻-R2、二极管-VD、功率器件的漏极-D；功率器件的源极-S；功率器件的栅极-G；GaN器件的漏极-D1；GaN器件的源极-S1；GaN器件的栅极-G1；硅基场效晶体管的漏极-D2；硅基场效晶体管的源极-S2；硅基场效晶体管的栅极-G2。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种改善电磁兼容的功率器件，能够降低电压应力，改善电磁兼容。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
现有技术中，如图1所示，功率器件4使用GaN器件1直接级联开关器件2，GaN器件的栅极G1是直接和硅基场效晶体管的源极S2连接的。或者，如图2所示，功率器件4中，通过级联寄生电阻R，但是寄生电阻R的阻值很小，其开通和关断速度很快，外部驱动电路无法调节耗尽型GaN驱动的快慢。
图1中GaN器件的栅极G1，其开关速度过快，过快的开关速度会对电源系统的电磁兼容(EMC)造成恶化，在硬开通下过快的开通速度会加大副边同步整流电压的尖峰电压。图2中寄生电阻R过小，一般在1OHM以内，甚至更低，不足以影响开关速度；同时寄生电阻R也不能过大，过大会导致大的关断延迟，从而导致低压SI MOSFET即开关器件2的应力过大而失效。
为解决上述问题，本发明提供了一种改善电磁兼容的功率器件。
如图3所示，功率器件4包括：GaN器件1、开关器件2和开关驱动模块。开关器件2包括硅基场效晶体管。其中，可以选择GaN器件1为耗尽型氮化镓器件。硅基场效晶体管可以为硅基N型场效晶体管。
硅基场效晶体管的栅极G2作为功率器件的栅极G；硅基场效晶体管的源极作为功率器件的源极S；硅基场效晶体管的漏极与GaN器件的源极S1连接；GaN器件的漏极D1作为功率器件的漏极D。
开关驱动模块的一端与GaN器件的栅极G1连接；开关驱动模块的另一端与硅基场效晶体管的源极连接。
具体地，开关驱动模块包括：驱动电路模块3；驱动模块的一端与GaN器件的栅极G1连接；驱动模块的另一端与硅基场效晶体管的源极连接。驱动电路模块3包括：并联的驱动电阻R2和二极管VD；所述二极管VD包括肖特基二极管。二极管VD可以选择低压二极管，也可以选择低压肖特基二极管。驱动电阻R2为慢开驱动电阻。
开关驱动模块还包括：等效线电阻R1；等效线电阻R1的一端与GaN器件的栅极G1连接；等效线电阻R1的另一端与驱动电路模块3连接。
在图3中，GaN器件1是耗尽型器件，为常开型氮化镓。开关器件2是低压的Si基N型MOSFET，即硅基场效晶体管。
GaN器件1关断需要负压关断，当外部驱动信号为高电平时，开关器件2开通，硅基场效晶体管的漏极D2和硅基场效晶体管的源极S2之间电压为0V，此时，耗尽型器件，即GaN器件的栅极G1与GaN器件的源极S1之间通过驱动电阻R2和等效线电阻R1连接，GaN器件1的驱动电流经过驱动电阻R2和等效线电阻R1，实现GaN器件1的慢开功能；当外部驱动信号为0V时，开关器件2关断，硅基场效晶体管的漏极D2和硅基场效晶体管的源极S2之间电压迅速上升至20V左右，此时，硅基场效晶体管的源极S2相对于GaN器件的源极S1的等效电压为-20V，达到GaN器件1的关断电压，GaN器件1的驱动电流经过等效线电阻R1和二极管VD，实现GaN器件1的快关功能。
GaN器件1的开通驱动信号，通过驱动电阻R2和等效线电阻R1，流向为由驱动电阻R2通过等效线电阻R1到达GaN器件的栅极G1，此时，驱动电阻R2与硅基场效晶体管的源极S2相连端的电位高于驱动电阻R2与等效线电阻R1相连端的电位，二极管VD处于反向截止状态，驱动信号仅能通过驱动电阻R2和等效线电阻R1到达GaN器件的栅极G1，实现GaN器件1慢开的功能；GaN器件1的关断驱动信号，通过等效线电阻R1和二极管VD，流向为由等效线电阻R1通过二极管VD到达硅基场效晶体管的源极S2，此时，二极管VD与等效线电阻R1相连端的电位高于二极管VD与硅基场效晶体管的源极S2相连端的电位，二极管VD处于正向导通状态，驱动信号仅能通过等效线电阻R1和二极管VD到达硅基场效晶体管的源极S2，实现GaN器件1快关的功能。
在一种实施例中，GaN器件1、开关器件2和开关驱动模块设置在同一块基板上。
作为一种可选的实施方式，开关器件2和驱动电路模块3设置在第一基板5上；GaN器件1设置在第二基板6上。将驱动电阻R2和二极管VD与开关器件2集成封装在一起。封装的示意图见图4。将驱动电阻R2、低压二极管VD与开关器件2集成在一起，减少封装打线，提高集成度，同时，也可以调节驱动电阻R2的阻值，而二极管VD与开关器件2的耐压值均为30-40V，相同耐压值器件更易于封装在一起。
在一种实施例中，驱动电路模块3和等效线电阻R1的位置可以更换。即，驱动电路模块3的一端与GaN器件的栅极G1连接；驱动电路模块3的另一端与等效线电阻R1的一端连接；等效线电阻R1的另一端与硅基场效晶体管的源极S2连接。
此时，开关器件2设置在第一基板5上；驱动电路模块3和GaN器件1设置在第二基板6上。将驱动电阻R2和二极管VD与GaN器件1集成封装在一起。封装的示意图见图5。将驱动电阻R2、二极管VD与GaN器件1集成在一起，减少封装打线，提高集成度，同时，也可以调节驱动电阻R2的阻值，而二极管VD封装在GaN器件的栅极G1附近，易于驱动放电。
本发明通过在GaN器件的栅极G1和硅基场效晶体管的源极S2之间增加驱动电阻R2和二极管VD组成的结构，来实现GaN器件1的驱动慢开快关的功能，这种结构可以实现在保持GaN器件的漏极D1和GaN器件的源极S1之间高电压变化率的同时，降低副边器件即硅基场效晶体管的漏极D2和硅基场效晶体管的源极S2之间电压尖峰的功能，降低功率器件的电压应力。同时，低的电压尖峰，也表示瞬时能量的降低，对于因高瞬时能量引起的电磁兼容(EMC)以及电磁干扰(EMI)中传导和辐射超标问题，本发明对解决部分电磁兼容(EMC)以及电磁干扰(EMI)中传导和辐射有着很大帮助调节作用，同时，在电源系统应用中，降低峰值电压的尖峰还有利于帮助工作人员进行器件选型工作。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种改善电磁兼容的功率器件，其特征在于，所述功率器件包括：GaN器件、开关器件和开关驱动模块；所述开关器件包括硅基场效晶体管；
所述硅基场效晶体管的栅极作为所述功率器件的栅极；所述硅基场效晶体管的源极作为所述功率器件的源极；所述硅基场效晶体管的漏极与所述GaN器件的源极连接；所述GaN器件的漏极作为所述功率器件的漏极；
所述开关驱动模块的一端与所述GaN器件的栅极连接；所述开关驱动模块的另一端与所述硅基场效晶体管的源极连接；
所述开关驱动模块包括：驱动电路模块；
所述驱动模块的一端与所述GaN器件的栅极连接；所述驱动模块的另一端与所述硅基场效晶体管的源极连接；
所述开关驱动模块还包括：等效线电阻；
所述等效线电阻的一端与所述GaN器件的栅极连接；所述等效线电阻的另一端与所述驱动电路模块连接；
所述驱动电路模块包括：并联的驱动电阻和二极管；所述二极管包括肖特基二极管。
2.根据权利要求1所述的改善电磁兼容的功率器件，其特征在于，所述GaN器件为耗尽型氮化镓器件。
3.根据权利要求1所述的改善电磁兼容的功率器件，其特征在于，所述硅基场效晶体管为硅基N型场效晶体管。
4.根据权利要求1所述的改善电磁兼容的功率器件，其特征在于，所述GaN器件、所述开关器件和所述开关驱动模块设置在同一块基板上。
5.根据权利要求1所述的改善电磁兼容的功率器件，其特征在于，所述开关器件和所述驱动电路模块设置在第一基板上；所述GaN器件设置在第二基板上。
6.根据权利要求1所述的改善电磁兼容的功率器件，其特征在于，所述开关器件设置在第一基板上；所述驱动电路模块和所述GaN器件设置在第二基板上。
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