CN1378285A - 半导体器件 - Google Patents

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Abstract

提出一种能够以低阻抗将作为主开关器件的FET(场效应晶体管)的栅源电容短路的半导体器件。上述半导体器件包括第一FET、第二FET以及一个封壳。第一FET和第二FET都装在封壳内。第一FET构成主开关器件。第二FET的漏极和源极连接到第一FET的栅极和源极。封壳的外表面具有第一和第二FET的外部端子。

Description

半导体器件
技术领域
本发明涉及使用多个场效应晶体管(下面称为FET)的半导体器件以及在同步整流器电路中使用该半导体器件的DC-DC(直流-直流)变换器。
背景技术
在DC-DC变换器的整流器件中一直使用高速输出整流二极管。由于其输出电压更低、电流更大，所以不能再忽略二极管的前向压降。作为防备这个问题的对策，已经提出所谓同步整流器电路系统并付诸实践，它利用FET这样的开关器件在导通状态下提供较小压降。
在同步整流器电路的整流器件中使用FET的时候，由于是通过栅极和源极间的电压实现控制，因此可能会发生误动作，尤其在非导通(OFF)状态时，干扰使这些端子间产生一个电压从而变为导通(ON)状态。JP-A-08-289538中公开了一种电路，其中为了防止外部噪声引起的误动作，在整流器件断开期间用另一个开关器件将该端子短路。
图8表示一个相关技术的DC-DC变换器的同步整流器电路的一部分。同步整流器电路用FET作为整流器件Q10，并且在整流器件Q10关断期间利用开关器件Q20通过FET将栅极G1和源极S1短路。
整流器件Q10的漏极D1和源极S1之间反极性连接了二极管3(例如肖特基二极管)。按预定的时序向整流器件Q10的栅极G1和开关器件Q20的栅极G2提供驱动信号SG1、SG2。
假定图8所示电路工作时不用开关器件Q20，在整流器件Q10关断时，如果输入电压Vin加到整流器件Q10上，整流器件Q10漏极D1上的电压Vds突然从0上升到输入电压Vin。随着该电压的变化(dVds/dt)，通过栅极G1和漏极D1间的反馈电容Cdg，再充电的电流流入栅源电容Cgs中，因而使栅极电压Vg增大。通过该再充电作用使栅极电压到达阈电压时，应关断的整流器件Q10就会进入接通状态(自导通状态)。
如图8所示，如果用开关器件Q20将栅极G1和源极S1短路，栅极电压Vg就可保持低于阈电压(实际为零)。这样，好像防止了应断开的整流器件Q10进入接通状态(自导通状态)。
但是，实际上在为了将栅极和源极短路而将开关器件Q20的漏极D2和源极S2连接到整流器件Q10的栅极G1和源极S1的电路中，存在着布线阻抗、更具体地说，布线电阻Rg1、布线电感Lg1、和器件内部的阻抗(电阻Rg、电感Lg)，并且相当于与栅源电容Cgs并联。这样就不可能使栅源电压Vgs减小到充分低于阈值。
因此就不能完全防止应关断的整流器件Q10进入接通状态(自导通状态)。
发明内容
本发明的目的是提供一种以低阻抗短路作为主开关器件的FET的栅源电容的半导体器件，并提供一种使用该半导体器件的DC-DC变换器。
本发明的另一个目的是提供一种有助于减少外型尺寸和元件数量并降低造价的半导体器件以及DC-DC变换器。
为了解决上述问题，依据本发明的半导体器件包括第一场效应晶体管(FET)、第二FET及封壳。第一FET和第二FET设置在封壳中。第一FET构成主开关。第二FET的漏极和源极连接到第一FET的栅极和源极。封壳的外表面有一些外部端子。外部端子与第一和第二FET的漏极、源极和栅极连接。
如上所述，第一FET构成主开关，第二FET的漏极和源极连接到作为主开关的第一FET的栅极和源极。这样就可用第二FET将构成主开关的第一FET的栅极和源极短路。假如在第一FET应关断期间有一个电压加到第一FET上，可与该电压的施加同步地驱动第二FET的栅极并用低阻抗短路第一FET的栅源电容。
另外，第一和第二FET装在同一个封壳中，而且第二FET的布线阻抗非常低，因此可以将栅源电压降低到充分地低于阈电压。
此外，封壳外表面有一些端子，用于连接第一和第二FET的漏极、源极或栅极。因此依据本发明的半导体器件可以作为单一元件直接安装到电路板上，这有助于减小尺寸和元件数量并降低造价。
附图说明
图1表示按照本发明的半导体器件的等效电路和一般配置；
图2是按照本发明的半导体器件典型外观的透视图；
图3表示图1和图2中所示按照本发明的半导体器件的电路操作；
图4是按照本发明的半导体器件的另一个实施例；
图5是按照本发明的半导体器件的又一个实施例；
图6按照本发明的半导体器件的再一个实施例；
图7表示一个同步整流器系统降压DC-DC变换器，它利用图1至图4中所示的半导体器件作为换向开关器件。
图8是相关技术的DC-DC变换器的同步整流器电路的部分电路图。
具体实施方式
图1表示按照本发明的半导体器件的等效电路和一般配置。图示的半导体器件包括第一FET Q10、第二FET Q20、以及封壳1。第一FET Q10和第二FET Q20处在封壳1中。第一FET Q10构成主开关。第二FET Q20的漏极D2和源极S2连接到第一FET Q10的栅极G1和源极S1。封壳1的外表面有第一和第二FET Q10和Q20的端子。图示的实施例中，第一FET Q10和第二FET Q20包括单一芯片。即，第一FET Q10和第二FET Q20做在同一个硅衬底上。
在第一FET Q10中，栅极G1连接到外部端子23、漏极D1连接到外部端子21、源极S1连接到外部端子22。第二FET Q20的栅极G2连接到外部端子24。FET Q10的漏极D1和源极S1之间连接二极管3(例如肖特基二极管)。可用第一FET Q10的内部二极管代替二极管3。
图2是表示按照本发明的半导体器件的典型外观的透视图。封壳1的外表面设置有上面提到的互相独立的外部端子。
图3表示图1和图2中所示的按照本发明的半导体器件的电路操作。如图3所示，第一FET Q10有栅源电容Cgs、漏栅电容Cdg和漏源电容Cds。按预定的时序向第一FET Q10的栅极G1和开关器件Q20的栅极G2提供驱动信号SG1和SG2。
假设在由外部端子23提供的驱动信号SG1驱动的第一FET Q10关断期间，在第一FET Q10的漏极D1和源极S1之间加上电压Vin，第一FET Q10的漏极D1上的电压Vds突然从0上升到输入电压Vin
与施加输入电压Vin的时序同步，将驱动信号SG2加到外部端子24上使第二FET Q20接通。这就使得第二FET Q20将第一FET Q10的栅极G1和源极S1短路，从而以低阻抗将第一FET Q10的栅源电容短路。
另外，第一FET Q10和第二FET Q20装在同一个封壳中，并且第二FET Q20和第一FET Q10之间的布线阻抗非常低，因此可将栅源电压Vgs降到充分地低于阈电压。这就可靠地避免了应关断的第一FET Q10进入接通状态(自导通状态)。
此外，在封壳1的外表面有外部端子21至24。第一和第二FET的漏极D1、D2、源极S1、S2和栅极G1、G2连接到所述端子21至24。这样就可将封壳1作为单一部件直接安装到电路板上。
图4显示按照本发明的半导体器件的另一个实施例。图中与图1相同的部分用了相同的标号。本实施例中，第一FET Q10和第二FET Q20设置在两个芯片10、11上并组装在封壳1中。连接到第一FET Q10栅极G1的端子25和连接到第二FET Q20漏极D2的端子27要靠的很近，以便导电。第二FET Q20漏极D2和端子25、27都连接到端子23上。本实施例也可获得与上述图1实施例的相同的效果。
图5显示按照本发明的半导体器件的又一个实施例。图中与图1相同的部分用了相同的标号。本实施例中，第二FET Q20的源极S2与第一FET Q10的源极S1是隔离的，并且连接到与外部端子22分开设置的另一个外部端子29上。可在衬底的元件侧将源极S1和S2在电气上连通。第一FET Q10和第二FET Q20可设置在一个芯片上或做在分开的芯片上。本实施例也可提供与上述图1实施例同样的效果。
图6显示按照本发明的半导体器件的再一个实施例。图中与图1相同的部分用了相同的标号。在本实施例中，半导体器件包括第三FETQ30，用它来驱动第一FET Q10的栅极G1。本实施例中，第一FET Q10和第二FET Q20包括N沟道FET，第三FET Q30包括P沟道FET。第三FET Q30的漏极D3连接到外部端子23上。工作电压Vcc输送到外部端子23上。
第三FET Q30的栅极G3与第二FET Q20的栅极G2一起连接到外部端子24上。此外，第三FET Q30的源极S3连接到第一FET Q10的栅极G1上。第一FET Q10、第二FET Q20和第三FET Q30可以设置在同一个芯片上或做在不同的芯片上。
图7表示一个同步整流器系统降压DC-DC变换器，它利用图1至图4中所示的半导体器件作为换向开关器件5。
在本实施例中，利用控制开关器件Qm切换从DC(直流)电源41向T11、T12端子提供的直流电压或电压Vin。标号42表示输入电容
控制电路43对控制开关器件Qm进行控制。在控制操作中，控制电路43通过调节控制开关器件Qm的接通时间(占空比)来控制输出电压Vo。通过连接在电容42两端的输出端子T21和T22向负载输出电压Vo。
在控制开关器件Qm断开时间内，换向开关器件5接通，以便连续地向电感线圈45馈送电流。为了防止出现直通电流，设置空周期(空载时间)，在该周期中，控制开关器件Qm和换向开关器件5都不接通。在该空周期内流过电感线圈45的电流流入与换向开关器件5并联的二极管3。控制开关器件Qm和换向开关器件5的接通和关断时序由控制电路43控制。
假如在换向开关器件5已经关断之后、当空周期结束后控制开关Qm接通，则第一FET Q10的漏源电压Vds突然从0上升到输入电压Vin。
换向开关器件5是图1至图4中所示的按照本发明的半导体器件，并且第二FET Q20的漏极D2和源极S2连接到第一FET Q10的栅极G1和源极S1上。
这样，在第一FET Q10接通后、空周期结束而控制开关Q1接通时输入电压Vin加到第一FET Q10上，驱动信号SG2与该时序同步地输送到外部端子24以便接通第二FET Q20。这就使第二FET Q20将第一FET Q10的栅极G1和源极S1短路，从而以低阻抗将第一FET Q10的栅源电容短路。
此外，第一FET Q10和第二FET Q20是装在同一个封壳内的，并且第二FET Q20和第一FET Q10间的布线阻抗非常低，因此可使栅源电压Vgs降到充分地低于阈电压。这就可靠的避免了应关断的第一FET Q10进入接通状态(自导通状态)的危险。
另外，封壳1的外表面有外部端子21至24。第一和第二FET的漏极D1、D2、源极S1、S2和栅极G1、G2连接到这些端子。因此封壳1可单独作为一个部件直接安装到电路板上。
虽然未示出，图4至6中所示的半导体器件也可作为换向开关器件5。按照本发明的半导体器件可用作带有电源转换变压器的隔离型DC-DC变换器中的输出整流电路的同步整流器件。
如上所述，按照本发明，可获得如下优点：
(a)提供一种以低阻抗将作为主开关器件的FET的栅源电容短路的半导体器件，以及使用该半导体器件的DC-DC变换器。
(b)提供一种有助于减小尺寸和元件数量并降低造价的半导体器件和DC-DC变换器。

Claims (10)

1.一种半导体器件，它包括：
包括主开关的第一场效应晶体管；
第二场效应晶体管，其漏极和源极连接到所述第一场效应晶体管的栅极和源极；以及
其外表面带有外部端子的封壳，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管设置在该封壳里面。
其中，所述外部端子与所述第一和第二场效应晶体管的漏极、源极或栅极连接。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一和所述第二场效应晶体管形成在单一芯片上。
3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一和所述第二场效应晶体管形成在分开的芯片上。
4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述半导体器件还包括形成在所述封壳中的第三场效应晶体管，其源极连接到所述第一场效应晶体管的栅极、其栅极连接到所述第二场效应晶体管的栅极、而其漏极连接到所述外部端子。
5.如权利要求1至4中任一项所述的半导体器件，其特征在于：所述半导体器件用作开关器件和整流器件中的一种器件。
6.一种具有同步整流器电路的DC-DC变换器，其中，所述同步整流器电路包括含有半导体器件的整流器件，所述半导体器件包括：
包括主开关的第一场效应晶体管；
第二场效应晶体管，其漏极和源极连接到所述第一场效应晶体管的栅极和源极；以及
其外表面带有外部端子的封壳，所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管设置在所述封壳里面；
其中，所述外部端子与所述第一和第二场效应晶体管的漏极、源极或栅极连接。
7.如权利要求6所述的DC-DC变换器，其特征在于：所述第一和所述第二场效应晶体管形成在单一芯片上。
8.如权利要求6所述的DC-DC变换器，其特征在于：所述第一和所述第二场效应晶体管形成在分开的芯片上。
9.如权利要求6所述的DC-DC变换器，其特征在于：所述半导体器件还包括形成在所述封壳中的第三场效应晶体管，其源极连接到所述第一场效应晶体管的栅极、其栅极连接到所述第二场效应晶体管的栅极、而其漏极连接到所述外部端子。
10.如权利要求6至9中任一项所述的DC-DC变换器，其特征在于：所述半导体器件用作开关器件和整流器件中的一种器件。
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