CN1455957A - di/dt控制的电源开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配置于一块半导体芯片之上的一个垂直型电源开关，它包括位于所述芯片的至少一个表面的外周之上的一个绕组(30)，所述绕组包括两个接线柱(31，32)，它提供与在所述开关中的电流起伏成正比的信号。

Description

di/dt控制的电源开关

技术领域

本发明涉及一个负载的切换，该负载通过一个双投开关被连接到一个交流电网，或者通过一个单投开关被连接到一个经过整流电桥进行整流的交流电网。本发明在例如中功率负载的控制中找到了它的应用场合，例如真空吸尘器电动机，温控加热电路，调光系统，等等。

背景技术

图1示意性地表示这样一种开关电路。负载1跟电源开关SW串联，被安置在一个交流电压或者一个整流后的交流电压的两端A和B之间。虽然在给定的实例中，它是被打算用于切换与电源相连接的各负载的一个中功率开关，但是开关SW仍被称为电源开关。开关SW受控于控制电路2，后者周期性地或非周期性地接收来自端子3的一个控制命令。例如，该控制电路打算仅在跨在端子A和B上的交流电压的一个半波部分上使开关接通，这对应于所谓的相位角控制。随后，当开关接通时，在负载中将出现强大的电流浪涌。换句话说，电流对时间的变化(di/dt)是突然的，并且在开关的每一次接通时都会出现强大的电流峰值。

这些电流峰值能通过端子A和B返送到交流电网，并对该电网以及被连接到这个电网的其他电路产生干扰。

通常，为了衰减这些干扰，提供一个高值电感L与开关电路串联，暂且不考虑这个电感的成本，它是一个相对地较大尺寸的分离元件，足以使电路设计复杂化。

美国专利第6 127 746号公开了一个相对地复杂的电路，用以检测电流峰值并控制一个MOS型晶体三极管，以便阻尼这些电流峰值。

日本专利申请第07/131316号通过将一个绕组环绕在衬垫四周，从一个MOS型晶体三极管的输出衬垫处检出过电流，由此实质上增加了含有该晶体三极管的半导体芯片的表面积。

发明内容

因此，本发明的目标在于，在不增加诸如高价值电感之类的任何分离元件，不使电路复杂化，以及不增加芯片的表面积的前提下，解决向电网以及与电网相连接的各部件返送噪声的问题。

为了解决这个问题，本发明提供了形成于半导体芯片之上的一个垂直型的电源开关，包括形成于所述芯片的至少一个表面的外周之上的一个绕组，该绕组含有两个连接端子，它提供与在所述开关中的电流的变化率成正比的信号。

根据本发明的一个实施例，该开关还包括一个被安置在半导体芯片里面或上面的一个高值电阻。

根据本发明的一个实施例，该开关属于双极型晶体三极管，MOS型晶体三极管，或者绝缘栅极双极型晶体三极管等类型。

根据本发明的一个实施例，该开关跟一个电路相连接，用于根据跨在所述绕组两端的信号来控制这个开关的控制信号。

附图说明

在以下的特定实施例的非限定性的说明中，将结合诸附图，对本发明的上述各项目标、特征和优点进行详细的讨论，在诸附图中：

图1示意性地表示根据现有技术的一个负载的开关电路；

图2示意性地表示一个负载的开关电路连同一个电流变化率检测器；

图3A是根据本发明的一个开关的实例的一份部分剖面图；

图3B是根据本发明的一个开关的实例的一份简化的俯视图；

图4表示在根据本发明的一个负载中，用于切换电流的电路。

具体实施方式

在不同的附图中，用相同的参考数字来表示相同的元件。还有，像平常那样，半导体器件的剖面图和俯视图是不按比例来绘制的。

本发明的目标是以一种简单的方式来形成如图2所示的那样类型的电路。在这个电路中，负载1经过开关SW被连接在交流电源端子A和B之间。开关SW由控制电路12进行控制，后者在每一个半波中的一个选定的时间接收一个接通信号3。当开关闭合时，在被接通的电路中的电流变化率被检测，并且一个联系于di/dt的变化率的数值的校正信号被施加到控制电路12，使得这个di/dt的数值不会超过一个预定的阈值。本发明提供了跟电源开关SW形成一体的电流变化率检测电路。

图3A以垂直配置的功率器件是一个MOS型晶体三极管为例，以部分剖面图的形式来说明本发明的一个实施例。

垂直配置的MOS型晶体三极管是在一块N型的基底21上形成的，在基底的下表面上有一个更重地掺杂的N型层22，其上覆盖着金属化的漏极D。在其上表面形成了P型井23。在每一个井中形成了一个N型环24，其外周延伸到靠近井23的外周。在井23中，介于井的外周以及P型区24的外周之间的区域被形成于绝缘层27之上的一个金属化栅极26所覆盖。金属化的源极固化于井23和环24的中心部分。因此，当不向栅极G施加电压时，该器件处于断开状态。当向电极G施加一个电压时，电流就从金属化源极S经过区域24流向金属化的漏极D(上述区域24是形成于井23的外上部的一个沟道区域)，然后垂直地通过基底21流向N⁺区22。

图中还示出了位于器件外周的比井23更深的一个外周P型区域28。专业人士都熟知，区域28或其他外周装置是为了保证垂直配置的MOS型晶体三极管不至于在外周部位被击穿，并且它们可能具有多种可供选择的形式。这样一种外周是必需的，并且对应于该器件的一种已失去的、非活动的表面区域。

在上文中已经示出了一个垂直配置的MOS型晶体三极管作为实例。还可以用其他的垂直配置的电源开关来实施本发明，使得流过那里的电流联系于被施加在它们的控制电极上的电压。这样的器件的实例就是双极型晶体三极管，或者绝缘栅极双极型晶体三极管(IGBT)(应当指出，IGBT晶体三极管的结构不同于图3A示意性地表示的结构之处仅在于这样的事实，即，取代作为基底的重掺杂的相同导电类型的材料，层22是被重掺杂的相反的导电类型的材料)。这样的其他器件也含有具有足够高的击穿电压的外周区域。

根据本发明，器件的外周被环绕在功率器件四周的、采取连续的螺线形式的金属化线圈30所覆盖。通过例如由氧化硅制成的绝缘层29使金属化线圈30跟基底21绝缘。

在图3B的俯视图中，可以更好地看到金属化线圈30，在该图中，它延伸于衬垫31和32之间。在图3B中，也用虚线来表示金属化源极S的轮廓以及栅极接触还原区G的轮廓。

当一个垂直的电流流过该器件时，电流的变化将在电感30的两端31和32产生一个与电流的变化率成正比的信号。应当顺便指出的是，即使该电流不是严格地垂直的，只要它在螺线平面内不是保持不变的，那么这个信号仍然是可检测的。在图中示出了一个4圈的螺线绕组。当然可以根据所需的检测阈值，提供具有更多或更少螺线圈数的绕组。

为了检测介于端子31和32之间的信号，可以例如在端子31和32之间连接一个阻值很高的电阻。这个电阻可以从外面设置，也可以采取多晶硅电阻的形式，或者采取为专业人士所熟知的任何其他方式，被整体地集成到半导体芯片之上。

图4表示根据本发明的的一个器件在电路中的使用实例。在图4中，这个器件一般地用参考数字40来表示，并且例如包括一个功率晶体三极管T，一个绕组30，以及一个被整体地集成的电阻R。绕组30以及电阻R的一端32接地。端子31经由一个乘法器41乘以系数K后，被连接到一个加法器42的减法输入端，加法器42的加法输入端接收来自端子12的控制信号。因此，当向电路12的端子3施加一个命令时，该命令就趋向于使晶体三极管T导通。这时，在电路中就出现电流变化，信号di/dt被放大器41进行放大/衰减，并且跟控制命令相组合，以限制晶体三极管T的导通速率。

应当理解，对专业人士来说，可以对晶体三极管T或者另一种电源开关的控制电路作出各种变动，修改和改进。例如，为了符合向电网返送噪声的标准，可以提供一个根据信号di/dt的频率进行不同补偿的控制电路。

还有，可以将控制电路以及用于处理信号di/dt的电路一起集成到含有功率器件的相同的半导体芯片上。专业人士可以作出许多其他的替代方案，尤其是在器件的尺寸方面。

根据本发明的一个优点，由于绕组30被配置于芯片的外周上通常对应于一个必需的、但不是活动的区域的上方，所以它的形成不会导致半导体芯片表面区域的损失。

Claims (4)

1.形成于一块半导体芯片之上的一个垂直配置的电源开关，其特征在于它包括形成于所述芯片的至少一个表面的外周之上的一个绕组(30)，所述绕组包括两个连接端子(31，32)，它提供与在所述开关中的电流变化率成正比的信号。

2.如权利要求1所述开关，其特征在于它还包括一个被安排在半导体芯片里面或上面的一个高值电阻(R)。

3.如权利要求1所述开关，其特征在于它属于双极型晶体三极管，MOS型晶体三极管，或者绝缘栅极双极型晶体三极管等类型。

4.如权利要求1所述开关，其特征在于它跟一个电路(41，42)相连接，用于根据跨在所述绕组两端的信号来控制这个开关的控制信号。

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