CN117155364A - 共源共栅级联功率器件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开共源共栅级联功率器件，具有栅极G、源极S和漏极D，功率器件包括第一场效应管、第二场效应管和三端电路，第一场效应管以共源方式与第二场效应管以共栅方式相级联，第一场效应管的漏极连接第二场效应管的源极，第一场效应管的栅极连接三端电路的输入端，第一场效应管的源极连接三端电路的地端，第二场效应管的栅极连接三端电路的输出端，第一场效应管的栅极和源极分别构成栅极G和源极S，第二场效应管的漏极构成漏极D，第二场效应管的源漏间的击穿电压大于第一场效应管的源漏间的击穿电压一个数量级以上，第二场效应管栅源之间的最大允许负电压的绝对值大于第一场效应管的源漏间的击穿电压，使得该功率器件具有良好的导通性能。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体设备技术领域，尤其涉及共源共栅级联功率器件。
背景技术
电力电子设备的核心部件是电子变换器，其发展依赖于功率开关器件的进步。目前，宽禁带功率器件，特别是氮化镓基和碳化硅基的功率器件正在部分取代硅基的功率器件。
基础的氮化镓功率开关器件的结构采取了利用材料极化特性而设计制作的横向二维电子气的场效应管，为耗尽型的，其工作模式是常通模式，即在栅源电压为零时，漏源之间处于常通状态。此外，也开发了增强型的氮化镓场效应管，其工作模式是常断模式，即在栅源电压为零时，漏源之间处于常断状态，但是其栅源电压的范围比较窄，导致了导通性能、可靠性和鲁棒性等方面尚有差距。
而常见的硅功率开关器件采用的也是增强型的场效应管，为常断的工作模式。由于采用了可靠的栅氧结构，栅源电压的范围宽。而氮化镓的增强型结构相比硅的栅压范围较小，其原因是氮化镓利用HEMT结构AlGaN/GaN异质界面2DEG来实现高电子迁移率之优点。反而此结构为实现增强型结构，需使用具有低Al浓度的薄AlGaN势垒层来耗尽2DEG来实现。然而，这种采用薄势垒的方法会增大导通电阻，进而降低电流密度，所以为了提高器件性能，2DEG沟道的耗尽必须仅设置在栅极下方。因此，既要保证器件的低导通电阻特性的同时也就限制了栅压范围。
如图1，显示了经典的共源共栅级联的功率开关器件，将增强型的硅的第一场效应管以共源方式与耗尽型的氮化镓的第二场效应管以共栅方式相级联：Q1的漏极与Q2的源极相连，Q1的源极与Q2的栅极相连，构成的复合的功率开关管具备增强型的模式，即便在失去驱动控制时，也具备电流自限的功能。但是，这种准耗尽型的模式本质上源于栅介质层内外的极化和自由电荷对于二维电子气浓度的削弱和可能的迁移率的降低，所以需要借助一定的正的栅源电压的补偿。氮化镓器件的栅极介质的材料特性、结构和工艺与硅或者碳化硅场效应管器件的不同，导致了安全栅压的范围的缩小；此外，Q2的栅极连接在Q1的源极，导致Q2的栅源之间的电压是被动施加的，而且只能是负电压。这对于常通模式的Q2并没有明显问题，但是对于准常通模式的Q2，因为无法在Q2的栅极和Q1的源极之间引入一个正电压，其正是通态时进入最优工作状态的必要条件，“通到断”的过程是先关闭Q1，由于Q1漏极和Q2源极的连接点电压上升，之后Q2才能被动地关闭；过程中，该连接点的电压会升至Q1的漏源击穿电压以上，致使Q1遭受过多的雪崩击穿，降低器件的鲁棒性和可靠性。
专利号为8847235B2的美国专利《Cascoded Semiconductor Devices》提出了，采用一种自举电路产生负压。当Q1场效应管的栅极驱动信号为正时，通过一个快恢复二极管，对一个电容器充电。当驱动信号为零伏或者负压时，后续的电容器放电，将负电压引入到Q2的栅级，这有利于Q2在“通到断”的过程中的快速截断。但是这个办法需要外接一个电容器，需要额外增加一个封装的端口，也无法在Q2的栅极产生一个正电压，不能解决准耗尽型的Q2对于通态的要求；
另外，2014年TI公司公布了一种适用于耗尽型的场效应管的direct-Drive的控制方案方案(M.Seeman et al.,“Advantages of GaN in a High-Voltage Resonant LLCConverter,”IEEE APEC,pp.476-483,March2014；https://ieeexplore.ieee.org/document/6803351/)，采用了借助于一个负电压发生器将外部的驱动信号反转电平后施加于耗尽型的Q2的栅源极从而控制Q2，这时Q2不是共栅电路。只是，当起始的供电电压尚未提供或者提供不足时，Q2的栅极瞬间被自动连到Q1的源极，借用传统的共源共栅级联的方式可以实现电流自限。虽然对于准耗尽型场效应管，对Q2栅极施加所需的正负电压的驱动信号可以实现，但是整个方案涉及到片上负电压发生器，双栅极的各自驱动和联动，需要专门的集成电路芯片设计制作以及合封，方案的实用性和经济性受到了限制。
发明内容
本发明的一个优势在于提供一种共源共栅级联功率器件，适合于耗尽型的，特别是准耗尽型的场效应管，为准耗尽模式器件打开了应用路径。过去，单独的准耗尽模式的场效应管因为缺乏电流自限的机制而无法使用，虽然可以借助于采用传统的共源共栅级联实现电流自限，但是器件的导通性能受限。本发明使得准耗尽模式器件在共源共栅级联结构下不但实现了电流自限，更是达到自身导通性能的最优化；
此外，本发明允许器件在材料、结构和工艺的设计中，偏重导通性能、高压性能、可靠性、安全性、经济性的改进和提高，放弃对栅源电压的前置性约束要求，采取准耗尽模式，以产生更优的综合性能的器件；
另外，采用本发明的方案，还可以扩大有效可用器件的范围，对于原本在耗尽模式下非最优的性能的器件，甚至是要淘汰的器件，施加合适的正、负的Q2栅极电压，具有显著的经济效果。
为达到本发明以上至少一个优势，本发明提供一种共源共栅级联功率器件，具有栅极G、源极S和漏极D，其中所述功率器件包括第一场效应管、第二场效应管和三端电路，其中所述第一场效应管以共源方式与所述第二场效应管以共栅方式相级联，其中所述第一场效应管的漏极连接所述第二场效应管的源极，所述第一场效应管的栅极连接所述三端电路的输入端，所述第一场效应管的源极连接所述三端电路的地端，所述第二场效应管的栅极连接所述三端电路的输出端，所述第一场效应管的栅极和源极分别构成所述栅极G和所述源极S，所述第二场效应管的漏极构成所述漏极D，其中所述第二场效应管的源漏间的击穿电压大于所述第一场效应管的源漏间的击穿电压一个数量级以上，其中所述第二场效应管栅源之间的最大允许负电压的绝对值大于所述第一场效应管的源漏间的击穿电压。
根据本发明一实施例，所述第一场效应管为增强型场效应管，并具有正的栅极阈值电压。
根据本发明一实施例，所述第二场效应管为耗尽型或者准耗尽型场效应管，并具有负的栅极阈值电压。
根据本发明一实施例，在所述功率器件具有单独的开尔文源极时，所述功率器件还设置有具有所述开尔文源极的第四端口。
根据本发明一实施例，所述三端电路的输入端通过串联的第一电阻器和第一齐纳二极管连接所述地端，所述三端电路的输入端通过所述第一电阻器连接所述输出端，所述地端通过所述第一齐纳二极管连接所述输出端，其中所述第一齐纳二极管的电容量小于所述第二场效应管的输入电容量。
根据本发明一实施例，所述第一电阻器的阻值为200欧姆-10k欧姆。
根据本发明一实施例，所述三端电路的输入端通过串联的第二电阻器、第二齐纳二极管和快恢复二极管连接所述地端，所述三端电路的输入端通过所述第二电阻器连接所述输出端，所述地端通过串联的所述第二齐纳二极管和所述快恢复二极管连接所述输出端，其中所述第二齐纳二极管或所述快恢复二极管靠近所述地端，其中所述第二齐纳二极管和所述快恢复二极管的电容量均小于所述第二场效应管的输入电容量。
根据本发明一实施例，所述第二电阻器的阻值为200欧姆-10k欧姆。
根据本发明一实施例，所述三端电路采用分立元器件的裸片与所述第一场效应管和所述第二场效应管的芯片合封于所述功率器件内。
根据本发明一实施例，所述三端电路与所述第一场效应管和所述第二场效应管制作在同一集成电路的芯片上。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，得以充分体现。
附图说明
图1示出了本申请现有技术中共源共栅级联的功率开关器件的结构示意图。
图2示出了本申请一较佳实施例共源共栅级联功率器件的结构示意图。
图3示出了本申请中三端电路的结构示意图。
图4示出了本申请共源共栅级联功率器件的测试原理示意图。
图5示出了本申请中Q1栅极的驱动电压波形(黄色)和本发明功率器件的漏源之间的电压波形(蓝色)图。
图6示出了本申请中Q1栅极的驱动电压波形(黄色)和本发明功率器件的栅源之间的电压波形(蓝色)图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在说明书的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参考图1至图3，依本发明一较佳实施例的一种共源共栅级联功率器件将在以下被详细地阐述，其中所述共源共栅级联功率器件，具有栅极G、源极S和漏极D，其中所述功率器件包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2和三端电路T1；其中在一个实施例中，所述第一场效应管Q1为增强型场效应管，并具有正的栅极阈值电压；其中在一个实施例中，所述第二场效应管Q2为耗尽型或者准耗尽型场效应管，并具有负的栅极阈值电压，其中耗尽型场效应管是指在零伏栅源电压下的源漏之间具有最佳的导通和安全的综合性能，其中准耗尽型场效应管是指在一个确定值的正栅源电压下的源漏之间具有最优的导通和安全的综合性能，而在零伏栅源电压下的源漏之间具有非最优的导通和安全的综合性能；
具体的，所述第一场效应管Q1以共源方式与所述第二场效应管Q2以共栅方式相级联，其中所述第一场效应管Q1的漏极连接所述第二场效应管Q2的源极，同时所述第一场效应管Q1的栅极连接所述三端电路T1的输入端，同时所述第一场效应管Q1的源极连接所述三端电路T1的地端，同时所述第二场效应管Q2的栅极连接所述三端电路T1的输出端，且所述第一场效应管Q1的栅极和源极分别构成所述栅极G和所述源极S，而所述第二场效应管Q2的漏极构成所述漏极D，其中所述第二场效应管Q2的源漏间的击穿电压大于所述第一场效应管Q1的源漏间的击穿电压一个数量级以上，其中所述第二场效应管Q2栅源之间的最大允许负电压的绝对值大于所述第一场效应管Q1的源漏间的击穿电压；
Q1采用硅的n-通道的增强型的MOSFET场效应管，源漏击穿电压值BVds在15-35V之间，对应零栅源电压下的Id低于微安，显示具有硬击穿的电流电压曲线特性，比如选择BVds＝23V，导通电阻8毫欧，最大连续电流45A，栅源阈值电压Vgs(th)＝2V，当栅源阈值电压Vgs＝+/-20V时对应的Igs分别小于100纳安；
Q2采用氮化镓的耗尽型和准耗尽型的二维电子气场效应管(HEMT)，源漏击穿电压值大于650V，最大连续电流15A，栅源阈值电压Vgs(th)＝-18V，栅源的极限电压范围为-35V至+10V；
T1是一个三端电路部件，其中包含串联的电阻器、钳位二极管和二极管。输入端和地端是与Q1的栅极和源极相联，接收来自外部驱动器的驱动信号，该驱动信号的正负电压的幅度原本是为Q1的驱动需求而设置的。在本发明中，根据Q2的栅极驱动需要，三端电路T1同时将这个正负驱动信号分压到Q2的栅源上，根据分压的数值以及是否需要负电压，设计不同的电路构成。
此外，在所述功率器件具有单独的开尔文源极时，所述功率器件还设置有具有所述开尔文源极的第四端口。
结合图3，示出了三端电路T1的三种构成结构；
其中图3中(a)，所述三端电路T1的输入端通过串联的第一电阻器R1和第一齐纳二极管Z1连接所述地端，同时所述三端电路T1的输入端通过所述第一电阻器R1连接所述输出端，且所述地端通过所述第一齐纳二极管Z1连接所述输出端，其中所述第一齐纳二极管Z1的电容量小于所述第二场效应管Q2的输入电容量。
在图3(a)中，三端电路T1的输出端和地端在驱动信号的正周期时输出一个正电压，其值稳定在所选的齐纳二极管Z1的击穿电压值，用以优化准耗尽型所需要的一个确定的正电压值，在驱动信号零电压或者负电压周期时输出0V或者Z1的正向压降值；此外，第一电阻器R1的阻值与Q2栅流的分流需求有关，一般是在200欧姆到10K欧姆的范围；
其中图3(b)和(c)的作用相同，所述三端电路T1的输入端通过串联的第二电阻器R2、第二齐纳二极管Z2，Z3和快恢复二极管D2，D3连接所述地端，同时所述三端电路T1的输入端通过所述第二电阻器R2连接所述输出端，且所述地端通过串联的所述第二齐纳二极管Z2，Z3和所述快恢复二极管D2，D3连接所述输出端，其中所述第二齐纳二极管Z2靠近所述地端(如图3(b))，或者所述快恢复二极管D3靠近所述地端(如图3(c))，其中所述第二齐纳二极管Z2和所述快恢复二极管D2，D3的电容量均小于所述第二场效应管Q2的输入电容量；此外，第二电阻器R2的阻值与Q2栅流的分流需求有关，一般是在200欧姆到10K欧姆的范围；
在图3(b)，三端电路T1在驱动信号的正周期时输出的正电压是所选的齐纳二极管Z2的反向击穿电压值加上快恢复二极管D2的正向压降值，用以优化准耗尽型所需要的一个确定的正电压值，在驱动信号的零电压或者负电压周期时输出等幅的零电压或者负电压。
另外，所述三端电路T1采用分立元器件的裸片与所述第一场效应管Q1和所述第二场效应管Q2的芯片合封于所述功率器件内；也可以是：所述三端电路T1与所述第一场效应管Q1和所述第二场效应管Q2制作在同一集成电路的芯片上。
图4为本发明的共源共栅级联功率器件的测试原理示意图，虚线内为本发明共源共栅级联功率器件。栅极驱动器采有正负电源用于产生正负驱动信号，驱动器芯片采用IXD604或者Si827x，V+和V-电压值根据Q2的需要设定，本实施例中选用+10V和-5V。E1是电压可调直流电源，电压范围为0-650V。负载RL是大功率限流电阻，本实例中采用960欧姆。示波器同步记录Q1的栅极输入驱动信号和被测的功率管的漏源电压，也用于同步记录Q1的漏源的输出电压，特别是观察Q1的雪崩击穿的情况。
实施例一：Q2栅极串联一个-2.84V的电池(将一个耗尽型的Dmode模拟成准耗尽型，未在图中绘出)到1K阻值的R1和雪崩电压2.4V的Z1的三端电路T1的输出端(如图3(a))。Rload＝0.96K。驱动器输出电压在+7.5V和-5V之间切换。
图5(a、b)所示Q1栅极的驱动电压波形(黄色)和本发明的功率器件的漏源之间的电压波形(蓝色)。E1＝25V，Vds在25V和0V之间切换；E1＝158V，Vds在158V和0V之间切换。
图6(c、d)所示Q1栅极的驱动电压波形(黄色)和本发明功率器件的栅源之间的电压波形(蓝色)。E1＝77V，Q1的Vds在(8V，7.5V)变化；E1＝191V，Q1的Vds在(19V，16.5V)变化。
需要说明的是，本发明中用语“第一、第二”仅用于描述目的，不表示任何顺序，不能理解为指示或者暗示相对重要性，可将这些用语解释为名称。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的优势已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (10)
1.共源共栅级联功率器件，具有栅极G、源极S和漏极D，其特征在于，其中所述功率器件包括第一场效应管、第二场效应管和三端电路，其中所述第一场效应管以共源方式与所述第二场效应管以共栅方式相级联，其中所述第一场效应管的漏极连接所述第二场效应管的源极，所述第一场效应管的栅极连接所述三端电路的输入端，所述第一场效应管的源极连接所述三端电路的地端，所述第二场效应管的栅极连接所述三端电路的输出端，所述第一场效应管的栅极和源极分别构成所述栅极G和所述源极S，所述第二场效应管的漏极构成所述漏极D，其中所述第二场效应管的源漏间的击穿电压大于所述第一场效应管的源漏间的击穿电压一个数量级以上，其中所述第二场效应管栅源之间的最大允许负电压的绝对值大于所述第一场效应管的源漏间的击穿电压。
2.如权利要求1所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述第一场效应管为增强型场效应管，并具有正的栅极阈值电压。
3.如权利要求2所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述第二场效应管为耗尽型或者准耗尽型场效应管，并具有负的栅极阈值电压。
4.如权利要求1所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，在所述功率器件具有单独的开尔文源极时，所述功率器件还设置有具有所述开尔文源极的第四端口。
5.如权利要求1所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述三端电路的输入端通过串联的第一电阻器和第一齐纳二极管连接所述地端，所述三端电路的输入端通过所述第一电阻器连接所述输出端，所述地端通过所述第一齐纳二极管连接所述输出端，其中所述第一齐纳二极管的电容量小于所述第二场效应管的输入电容量。
6.如权利要求5所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述第一电阻器的阻值为200欧姆-10k欧姆。
7.如权利要求1所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述三端电路的输入端通过串联的第二电阻器、第二齐纳二极管和快恢复二极管连接所述地端，所述三端电路的输入端通过所述第二电阻器连接所述输出端，所述地端通过串联的所述第二齐纳二极管和所述快恢复二极管连接所述输出端，其中所述第二齐纳二极管或所述快恢复二极管靠近所述地端，其中所述第二齐纳二极管和所述快恢复二极管的电容量均小于所述第二场效应管的输入电容量。
8.如权利要求7所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述第二电阻器的阻值为200欧姆-10k欧姆。
9.如权利要求5至8任一所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述三端电路采用分立元器件的裸片与所述第一场效应管和所述第二场效应管的芯片合封于所述功率器件内。
10.如权利要求5至8任一所述共源共栅级联功率器件，其特征在于，所述三端电路与所述第一场效应管和所述第二场效应管制作在同一集成电路的芯片上。
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2023
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