CN117558725A - 集成式功率器件级联结构、电源模块及电子系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成式功率器件级联结构、电源模块及电子系统，集成式功率器件级联结构包括封装体及设置于封装体内的氮化镓功率器件、硅基功率器件、驱动器；氮化镓功率器件的栅极与硅基功率器件的源极相连，源极与硅基功率器件的漏极相连，漏极作为功率器件级联结构的漏极；硅基功率器件的栅极作为功率器件级联结构的栅极，源极作为功率器件级联结构的源极；驱动器与功率器件级联结构的栅极相连，用于根据接收的输入信号控制功率器件级联结构的开通或关断；其中，氮化镓功率器件包括常通型氮化镓功率器件。通过本发明解决了现有技术中氮化镓功率器件驱动困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及功率器件设计技术领域，特别是涉及一种集成式功率器件级联结构、电源模块及电子系统。
背景技术
近年来，随着半导体行业的快速发展，对于开关功率器件的可靠性、功率密度、效率等电气性能提出了更高的要求。
相比于传统采用硅（Si）材料制作的功率器件，基于氮化镓（GaN）材料制作的第三代半导体功率器件具有更加优良的电气性能，如高效率、高功率密度、低能耗、高频、高耐温、高耐压能力等，尤其具有优越的辐射耐受性，可以将其应用于卫星、空间站等具有抗辐射需求的相关航空航天领域。
但是，相比于传统硅基功率器件，氮化镓功率器件的驱动更加困难；因此，对氮化镓功率器件的研究显得尤为重要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种集成式功率器件级联结构、电源模块及电子系统，用于解决现有技术中氮化镓功率器件驱动困难的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成式功率器件级联结构，包括：
封装体及设置于所述封装体内的氮化镓功率器件、硅基功率器件、驱动器；
所述氮化镓功率器件的栅极与所述硅基功率器件的源极相连，源极与所述硅基功率器件的漏极相连，漏极作为所述功率器件级联结构的漏极；所述硅基功率器件的栅极作为所述功率器件级联结构的栅极，源极作为所述功率器件级联结构的源极；
所述驱动器与所述功率器件级联结构的栅极相连，用于根据接收的输入信号控制所述功率器件级联结构的开通或关断；
其中，所述氮化镓功率器件包括常通型氮化镓功率器件。
可选地，所述氮化镓功率器件包括AlGaN/GaN HEMT结构，所述硅基功率器件包括N沟道增强型MOSFET结构。
可选地，所述氮化镓功率器件包括AlGaN/GaN MIS-HEMT结构，所述硅基功率器件包括LDMOS结构或VDMOS结构。
可选地，所述驱动器包括稳压电路、控制电路及驱动电路；
所述稳压电路用于将电源电压转换成工作电压给所述控制电路供电；
所述控制电路用于将所述输入信号转换成控制信号输出；
所述驱动电路与所述控制电路相连，用于根据所述控制信号对所述硅基功率器件进行通断控制。
可选地，所述控制电路包括输入缓冲单元及电平转换单元；
所述输入缓冲单元用于将所述输入信号转换成方波信号输出；
所述电平转换单元与所述输入缓冲单元相连，用于对所述方波信号的高电平数值进行调节生成所述控制信号输出。
可选地，所述驱动电路包括中间级驱动单元及输出级驱动单元；
所述中间级驱动单元与所述控制电路相连，用于提高所述控制信号的驱动能力；
所述输出级驱动单元包括高边PMOS管及低边NMOS管，所述高边PMOS管的栅极与所述低边NMOS管的栅极相连并接收所述控制信号，源极连接电源电压，漏极与所述低边NMOS管的漏极及所述硅基功率器件的栅极相连，所述低边NMOS管的源极接地。
可选地，所述集成式功率器件级联结构还包括抗辐照加固层，设置于所述封装体的外围。
本发明还提供一种电源模块，包括如上所述的集成式功率器件级联结构。
本发明还提供一种电子系统，包括如上所述的电源模块。
如上所述，本发明的集成式功率器件级联结构、电源模块及电子系统，提出一种氮化镓功率器件与硅基功率器件级联并集成驱动器的新型拓扑结构，具有优良的电气性能，如耐高温、耐高压、低功耗、高可靠性、驱动速度快等；通过抗辐照加固层的设计，提高其耐辐射性（抗辐照能力），使其适用于宇航高压环境。
附图说明
图1显示为本发明集成式功率器件级联结构的一种结构示意图。
图2显示为本发明集成式功率器件级联结构的部分打线示意图。
图3显示为本发明集成式功率器件级联结构的电路示意图。
图4显示为本发明氮化镓功率器件的AlGaN/GaN MIS-HEMT结构示意图。
图5显示为本发明硅基功率器件的LDMOS结构示意图。
图6显示为本发明硅基功率器件的VDMOS结构示意图。
图7显示为本发明驱动器的电路示意图。
图8显示为本发明集成式功率器件级联结构的另一种结构示意图。
图9显示为本发明功率器件级联结构和对照组中各功率器件的相关参数对比示意图。
图10显示为本发明功率器件级联结构在伽马辐射下击穿电压的测试结果示意图。
图11显示为本发明功率器件级联结构在伽马辐射下栅极阈值电压的测试结果示意图。
图12显示为本发明功率器件级联结构在伽马辐射下漏电流的测试结果示意图。
图13显示为本发明功率器件级联结构在伽马辐射下导通电阻的测试结果示意图。
图14显示为常通型氮化镓功率器件的单粒子实验结果示意图。
图15显示为本发明功率器件级联结构的单粒子实验结果示意图。
元件标号说明：10集成式功率器件级联结构，100封装体，110封装电路板，120封装层，200氮化镓功率器件，300硅基功率器件，400驱动器，410稳压电路，420控制电路，421输入缓冲单元，422电平转换单元，430驱动电路，431中间级驱动单元，432输出级驱动单元，500抗辐照加固层，510上加固层，520下加固层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图15。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1至图3所示，本实施例提供一种集成式功率器件级联结构10，包括封装体100、氮化镓功率器件200、硅基功率器件300和驱动器400；其中，氮化镓功率器件200、硅基功率器件300和驱动器400设置于封装体100内，且氮化镓功率器件200和硅基功率器件300构成功率器件级联结构。
如图1和图2所示，采用COB（板上芯片封装）技术对氮化镓功率器件200、硅基功率器件300和驱动器400进行封装集成；封装体100包括封装电路板110和封装层120，封装层120的材料包括环氧树脂。
氮化镓功率器件200、硅基功率器件300和驱动器400均为测试完成的裸芯片，封装集成时，将各裸芯片植入到封装电路板110上，再通过金线对各裸芯片和封装电路板110上的封装管脚进行电性连接，最后覆盖如环氧树脂等封装材料完成封装；其中，封装管脚包括电源管脚、接地管脚、输入管脚、源极管脚和漏极管脚。
需要注意的是，图1和图2仅是示出各裸芯片在封装电路板110上的一种可能排布方式，当然，其他排布方式也是可行的，本实施例对此不做限制。
如图3所示，氮化镓功率器件200的栅极与硅基功率器件300的源极相连，源极与硅基功率器件300的漏极相连，漏极作为功率器件级联结构的漏极；硅基功率器件300的栅极作为功率器件级联结构的栅极，源极作为功率器件级联结构的源极；其中，氮化镓功率器件200包括常通型（d-mode）氮化镓功率器件。
采用氮化镓功率器件与硅基功率器件级联的方式，使该功率器件级联结构同时具有氮化镓功率器件和硅基功率器件的优点，如耐高温、耐高压、驱动容易等；另外，该功率器件级联结构还具有较低的优值系数，有利于降低损耗，提高效率。
作为示例，氮化镓功率器件200包括AlGaN/GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）结构。在一种可能的实现方式中，氮化镓功率器件200包括AlGaN/GaN MIS-HEMT（金属-绝缘体-半导体的高电子迁移率晶体管）结构。
如图4所示，AlGaN/GaN MIS-HEMT结构的氮化镓功率器件200包括衬底层、缓冲层、势垒层、电介质层、栅极、源极和漏极。
缓冲层形成于衬底层的上表面，势垒层形成于缓冲层的上表面，电介质层形成于势垒层的部分上表面，源极形成于电介质层一侧的势垒层的部分上表面，漏极形成于电介质层另一侧的势垒层的部分上表面，栅极形成于电介质层的部分上表面。
其中，衬底层的材料包括碳化硅（SiC），采用SiC材料制作衬底层，相比于传统的硅衬底，SiC材料的散热系数更高，更适合应用于宇航高压环境；缓冲层的材料包括氮化镓（GaN），势垒层的材料包括铝镓氮（AlGaN），电介质层的材料包括氮化硅（SiN）或二氧化硅（SiO2）等，栅极、源极和漏极的材料包括金属材料，如金属钛（Ti）、金属铝（Al）、金属镍（Ni）、金属金（Au）中的至少一种。
缓冲层为外延生长的N型GaN层，势垒层为外延生长的P型AlGaN层，如此形成AlGaN/GaN异质结，宽带隙AlGaN层一侧的高势垒使得电子很难逾越至势阱外，电子被限制横向运动于界面的薄层中，这个薄层被称之为二维电子气（2DEG）；源极和漏极与沟道中的二维电子气（2DEG）通过高浓度掺杂形成欧姆接触，2DEG在GaN层的漏极和源极之间形成通道。
AlGaN/GaN MIS-HEMT结构的氮化镓功率器件200为常通型器件；当栅源电压为零时，漏源极之间已存在二维电子气（2DEG）通道，器件导通；当栅源电压小于零时，漏源极之间的二维电子气（2DEG）通道断开，器件截止；因此，只需要控制硅基功率器件300的通断即可控制该功率器件级联结构的通断。
作为示例，硅基功率器件300包括N沟道增强型MOSFET结构。在一种可能的实现方式中，硅基功率器件300包括LDMOS（水平扩散型MOSFET）结构或VDMOS（垂直扩散型MOSFET）结构；LDMOS结构相比于VDMOS结构，去掉了背部的漏极引出，更容易与主流集成电路工艺兼容，适合进一步集成化且性能稳定。
如图5所示，LDMOS结构的硅基功率器件300包括P型衬底层、源区、漏区、绝缘层、金属层、栅极、源极和漏极。
源区通过对P型衬底层的一端侧表面进行N+注入得到，漏区通过对P型衬底层的另一端侧表面进行N+注入得到，且源区和漏区之间形成有导电沟道；绝缘层形成于P型衬底层的上表面且位于导电沟道的上方，金属层形成于绝缘层的上表面，栅极形成于金属层的部分上表面，源极形成于源区的部分上表面，漏极形成于漏区的部分上表面。
其中，P型衬底层的材料包括硅（Si），绝缘层的材料包括二氧化硅（SiO2），金属层的材料包括金属铝（Al），栅极、源极和漏极的材料包括金属材料，如金属钛（Ti）、金属铝（Al）、金属镍（Ni）、金属金（Au）中的至少一种。
如图6所示，VDMOS结构的硅基功率器件300包括N+衬底层、N-外延层、第一体区、第二体区、绝缘层、多晶硅层、栅极、源极和漏极。
N-外延层形成于N+衬底层的上表面，第一体区通过对N-外延层的一端侧表面进行P+注入得到，第二体区通过对N-外延层的另一端侧表面进行P+注入得到，且第一体区和第二体区之间形成有导电沟道；绝缘层形成于N-外延层的上表面且位于导电沟道的上方，多晶硅层形成于绝缘层的上表面，栅极形成于多晶硅层的部分上表面，源极形成于第一体区的部分上表面，漏极形成于N+衬底层的下表面。
其中，N+衬底层的材料包括硅（Si），绝缘层的材料包括二氧化硅（SiO2），栅极、源极和漏极的材料包括金属材料，如金属钛（Ti）、金属铝（Al）、金属镍（Ni）、金属金（Au）中的至少一种。
N沟道增强型MOSFET结构的硅基功率器件300，通过给栅极和隔着SiO2层的源极施加电压产生电场效应来控制导电沟道的开关；当栅源电压等于零时，漏源极之间没有导电沟道，器件关断；当栅源电压大于零且达到阈值电压时，漏源极之间形成导电沟道，器件开通。
驱动器400与功率器件级联结构的栅极相连，用于根据接收的输入信号控制功率器件级联结构的开通或关断。将驱动器400与氮化镓功率器件200和硅基功率器件300一起封装集成，可以缩短信号传输路径，有利于提高驱动速度。
作为示例，如图7所示，驱动器400包括稳压电路410、控制电路420及驱动电路430。
稳压电路410用于将电源电压转换成工作电压给控制电路420供电。其中，该工作电压的数量可以是一个，也可以是大于一个的多个，这由控制电路420的需求决定。
控制电路420用于将输入信号转换成控制信号输出。
在一种可能的实现方式中，控制电路420包括输入缓冲单元421及电平转换单元422；其中，输入缓冲单元421用于将输入信号转换成方波信号输出，实现对输入信号的波形整形；电平转换单元422与输入缓冲单元421相连，用于对方波信号的高电平数值进行调节生成控制信号输出。
实际应用中，输入缓冲单元421和电平转换单元422的工作电压可以相同，也可以不同，这由电路设计需求决定；若两者工作电压相同，则稳压电路410将电源电压转换成相应电压值的一个工作电压并分别给输入缓冲单元421和电平转换单元422供电；若二者工作电压不同，则稳压电路410将电源电压转换成相应电压值的两个工作电压并分别给输入缓冲单元421和电平转换单元422供电。
驱动电路430与控制电路420相连，用于根据控制信号对硅基功率器件300进行通断控制，以此对功率器件级联结构进行通断控制。
在一种可能的实现方式中，驱动电路430包括中间级驱动单元431及输出级驱动单元432；其中，中间级驱动单元431与控制电路420相连，用于提高控制信号的驱动能力；输出级驱动单元432包括高边PMOS管PM1及低边NMOS管NM1，高边PMOS管PM1的栅极与低边NMOS管NM1的栅极相连并接收控制信号，源极连接电源电压，漏极与低边NMOS管NM1的漏极及硅基功率器件300的栅极相连，低边NMOS管NM1的源极接地。
在控制信号为低电平时，高边PMOS管PM1开通，低边NMOS管NM1关断，经由高边PMOS管PM1对硅基功率器件300灌电流，以此控制硅基功率器件300开通，从而实现控制功率器件级联结构开通；在控制信号为高电平时，高边PMOS管PM1关断，低边NMOS管NM1开通，经由低边NMOS管NM1对硅基功率器件300拉电流，以此控制硅基功率器件300关断，从而实现控制功率器件级联结构关断。
进一步的，若想要提高集成式功率器件级联结构10的抗辐照能力，使其适用于宇航高压环境，还应包括抗辐照加固层500，设置于封装体100的外围，通过将封装体100包覆于抗辐照加固层500内来提高抗辐照能力，如图8所示。
作为示例，抗辐照加固层500包括上加固层510和下加固层520，下加固层520上设置有引出管脚，通过打线工艺将封装电路板110上的封装管脚引出。其中，上加固层510和下加固层520的材料相同，均为抗辐照材料，如，氮化铝（AlN）或掺杂其他材料的氮化铝（AlN），当然，其他抗辐照材料也是可行的。
下面，请结合图9至图15，对本实施例集成式功率器件级联结构10的性能进行分析说明；其中，为了便于测试，驱动器未与氮化镓功率器件和硅基功率器件一起进行抗辐照集成封装。
功率器件的优值系数（FOM=Rdson*Qg）可以有效反应功耗情况；其中，导通电阻Rdson与功率器件的导通损耗相关，相同条件下，导通电阻Rdson越大，器件导通损耗越大，反之，导通电阻Rdson越小，器件导通损耗越小；栅极电荷Qg则与功率器件的开关损耗相关，相同条件下，栅极电荷Qg越大，器件开关损耗越大，反之，栅极电荷Qg越小，器件开关损耗越小。因此，降低功率器件的优值系数FOM，便可以降低功率器件的损耗，提高功率器件的效率，实现高效率、低功耗、高功率密度。
以行业内100V抗辐照功率器件（如，型号为IRHNA57160和IRHNA67160的功率器件）作为对照组，本实施例的功率器件级联结构与上述两个功率器件的导通电阻Rdson、栅极电荷Qg、优值系数FOM的测试结果如图9所示。由图9可知，本实施例的功率器件级联结构充分利用了氮化镓功率器件低栅极电荷和硅基功率器件低导通电阻的优点，相比于对照组的两个功率器件，本实施例的功率器件级联结构具有更低的优值系数FOM，这意味着其功率损耗更低，可以显著提升其效率和功率密度。
在宇航环境中，功率器件主要遭受三种类型的辐射，分别是伽马辐射、中子辐射和重离子轰击；其中，高能粒子对功率器件的破坏主要有三种方式，一种是在非导电层中造成陷阱，另一种是对晶体造成物理损伤，也称为位移损伤，第三种是产生电子-空穴对，这将导致设备暂时停电，并可能在此过程中烧毁。
氮化镓功率器件中，高能粒子不能产生瞬时短路条件，故无法产生可移动的空穴-电子对；因此，下文侧重说明前两种失效机制，即陷阱和物理损伤。
伽马辐射由与电子相互作用的高能光子组成，氮化镓功率器件中的栅极与导电通道被AlGaN层隔开，在受到伽马辐射时，这一层并不积累电荷，因此并不会在非导电层中造成陷阱，这也就意味着氮化镓功率器件具有天然抗伽马辐射的优越性能。为了证明其优越性能，使本实施例的功率器件级联结构承受0~500kRads的伽马辐射进行总剂量实验，相关测试结果如图10至图13所示；由图10至图13可知，测试过程中击穿电压和导通电阻均无明显变化，反偏方案辐照后漏源极和栅源极间的漏电流略微变大，栅极阈值电压变小（变化程度为-20mV/100krad），但以上两项变化范围均很小，仍符合应用要求。
中子轰击下功率器件的主要失效机制是物理损伤，氮化镓材料在中子辐射下表现优异的原因是其位移阈值能量要比硅高得多。利用单粒子实验来评估本实施例的功率器件级联结构相对于常通型氮化镓功率器件的中子辐射耐受性；其中，常通型氮化镓功率器件的单粒子实验的测试条件为Vgs=-5V，Vds=0~120V；本实施例的功率器件级联结构的单粒子实验的测试条件为Vgs=0V，Vds=0~130V。由图14和图15可知，常通型氮化镓功率器件在单粒子环境下其击穿电压为110V，本实施例的功率器件级联结构在单粒子环境下其击穿电压为130V；另外，常通型氮化镓功率器件在非单粒子环境下其击穿电压为117V，本实施例的功率器件级联结构在非单粒子环境下其击穿电压为137V。通过单粒子实验可知，本实施例的功率器件级联结构可满足行业内相关试验指标且击穿电压更高，具有优秀的抗辐射性能，适用于宇航高压环境。
相应的，本实施例还提供一种电源模块，包括如上记载的集成式功率器件级联结构10。当然，该电源模块还可以包括其他电路结构，本实施例对此不做限制。
相应的，本实施例还提供一种电子系统，包括如上记载的电源模块；当然，该电子系统还包括其他功能模块，这由具体应用需求决定。
综上所述，本发明的一种集成式功率器件级联结构、电源模块及电子系统，提出一种氮化镓功率器件与硅基功率器件级联并集成驱动器的新型拓扑结构，具有优良的电气性能，如耐高温、耐高压、低功耗、高可靠性、驱动速度快等；通过抗辐照加固层的设计，提高其耐辐射性（抗辐照能力），使其适用于宇航高压环境。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种集成式功率器件级联结构，其特征在于，包括：
封装体及设置于所述封装体内的氮化镓功率器件、硅基功率器件、驱动器；
所述氮化镓功率器件的栅极与所述硅基功率器件的源极相连，源极与所述硅基功率器件的漏极相连，漏极作为所述功率器件级联结构的漏极；所述硅基功率器件的栅极作为所述功率器件级联结构的栅极，源极作为所述功率器件级联结构的源极；
所述驱动器与所述功率器件级联结构的栅极相连，用于根据接收的输入信号控制所述功率器件级联结构的开通或关断；
其中，所述氮化镓功率器件包括常通型氮化镓功率器件。
2.根据权利要求1所述的集成式功率器件级联结构，其特征在于，所述氮化镓功率器件包括AlGaN/GaN HEMT结构，所述硅基功率器件包括N沟道增强型MOSFET结构。
3.根据权利要求2所述的集成式功率器件级联结构，其特征在于，所述氮化镓功率器件包括AlGaN/GaN MIS-HEMT结构，所述硅基功率器件包括LDMOS结构或VDMOS结构。
4.根据权利要求1所述的集成式功率器件级联结构，其特征在于，所述驱动器包括稳压电路、控制电路及驱动电路；
所述稳压电路用于将电源电压转换成工作电压给所述控制电路供电；
所述控制电路用于将所述输入信号转换成控制信号输出；
所述驱动电路与所述控制电路相连，用于根据所述控制信号对所述硅基功率器件进行通断控制。
5.根据权利要求4所述的集成式功率器件级联结构，其特征在于，所述控制电路包括输入缓冲单元及电平转换单元；
所述输入缓冲单元用于将所述输入信号转换成方波信号输出；
所述电平转换单元与所述输入缓冲单元相连，用于对所述方波信号的高电平数值进行调节生成所述控制信号输出。
6.根据权利要求4所述的集成式功率器件级联结构，其特征在于，所述驱动电路包括中间级驱动单元及输出级驱动单元；
所述中间级驱动单元与所述控制电路相连，用于提高所述控制信号的驱动能力；
所述输出级驱动单元包括高边PMOS管及低边NMOS管，所述高边PMOS管的栅极与所述低边NMOS管的栅极相连并接收所述控制信号，源极连接电源电压，漏极与所述低边NMOS管的漏极及所述硅基功率器件的栅极相连，所述低边NMOS管的源极接地。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的集成式功率器件级联结构，其特征在于，所述集成式功率器件级联结构还包括抗辐照加固层，设置于所述封装体的外围。
8.一种电源模块，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的集成式功率器件级联结构。
9.一种电子系统，其特征在于，包括如权利要求8所述的电源模块。
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