CN1864311A - 功率开关结构和方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方案中，功率开关器件(33)包括第一MOSFET器件(41)和第二MOSFET器件(42)。包括第一栅极电极(48、87)的分开栅极结构(84)控制第一MOSFET器件(41)。第二栅极电极(49、92)控制第二MOSFET器件(42)。电流限制器件(38)与第一栅极电极(48、97)相耦连以在电流限制模式过程中开启第一MOSFET器件。比较器件(36)与第二栅极电极(49、92)相耦连以在功率开关器件(33)不在在电流限制模式中时开启第二MOSFET器件(42)。

Description

功率开关结构和方法
技术领域
本发明一般涉及功率半导体系统，更具体地，涉及用于限制功率总线线路上的电流浪涌的功率半导体器件。
背景技术
在电信、网络和计算机系统中，经常需要将电子电路卡在不断电的情况下从它们的电源上插上或拔下。这通常称作“热交换”或“热插拔”。在热交换过程中，需要使功率总线瞬变电流最小化，同时，要保护卡和系统不受即使在有所预防的情况下也可能会发生的瞬变电流的影响。
为了保护卡和系统不受瞬变电流和错误的影响，通常将其它电路插入到功率线路中来探测错误并防止错误操作或损坏。在典型的结构中，将功率半导体器件——例如功率MOSFET——连接到功率线路中，和负载电容以及电路卡上的电路串连。控制电路也包括在内，用于检测电压和电流以探测系统中的错误。控制电路能够响应于所检测到的信号开启或关闭功率半导体器件，保护系统。这样的电路一般称为“热交换”或“热插拔”电路或器件。
一旦卡被插入到系统中并且它的功率MOSFET器件完全开启，则功率总线电流流过该功率MOSFET并流进负载器件。如果没有发生错误，那么功率MOSFET可以在开状态保持更长的一段时间。在这一情形中，重要的是功率MOSFET器件具有低的漏-源电阻(即，开电阻(RDSon))以使功耗和功率总线上的电压降最小化。
另外，重要的是保护电路提供非常低的电流限制来防止大的在将卡插入系统中时会发生的突入电流。电流限制在首次插入卡时用于更慢充电的负载电容，来防止卡在插入后短路负载情况中的大突入电流。
现有的功率MOSFET设计使用密集单元几何形状来实现低的RDSon，实现了具有超大增益(Gm)的器件。为了限制超大增益器件上的电流，栅极电压(Vgs)必须降低到非常接近阈值电压的水平(Vth)。当Vgs接近Vth时，漏极饱和电流(IDSAT)随温度增大(即，IDSAT具有正温度系数)。这一效应可导致“热点”的形成和热逸出，可造成器件和最终系统的失效。
因此，需要具有低导通电阻和低电流限制能力(即，低IDSAT)，且更能抑制热点形成和热逸出效应的功率开关器件。
附图说明
图1示出现有技术的具有热交换保护器件的电路卡的简化电路图；
图2示出根据本发明的热交换结构的电路图；
图3-5示出图2的实施方案在不同工作条件下的时序图；
图6示出具有根据本发明的分开控制电极结构的功率开关器件的放大部分俯视图；
图7示出图6的功率开关沿参考线6-6的一部分的放大剖视图；以及
图8示出图2的实施方案的优选电流限制电路的电路图。
具体实施方式
一般地，本发明适用于需要在不断电的情况下插入和/或拔出印刷电路卡的电子系统。具体地，本发明包括具有多于一个分别受控栅极电极的功率开关器件。在突入电流条件下，一个栅极电极用于开启功率MOSFET器件的一部分来提供更优化的电流限制器件。在稳态条件下，另一单独的栅极电极用于开启功率MOSFET器件的平衡来提供低的导通电阻特性。
图1示出现有技术的电路卡10的简化图，包括热交换保护器件或突入电流限制器件11。卡10要在分布功率总线12和接地节点13之间加有功率时插入和/或拔出电子系统(未示出)。功率总线12和接地节点13可以同时向电子系统中的其它元件(未示出)供电。
保护器件11包含功率MOSFET 18，具有与负载电容19相耦连的漏极和与接地节点13相耦连的源极。功率MOSFET 18还包括栅极或控制电极，与控制电路21相耦连。功率MOSFET 18响应于来自控制电路21的控制信号工作，将来自供电电压的负载电流作为受保护信号引导至接地节点13。
当卡10连到功率总线12上时，热交换器件11缓慢开启功率MOSFET 18，随着输入电容16被充电，电流升高。随后电流被限制为预定最大值，直到输入电容16被完全充电以防止翻转功率总线13引起的大突入电流。此时，功率MOSFET 18完全开启并作为低电阻旁路元件向负载——例如DC/CD转换器23——供电。
如果在卡10上发生短路，那么电流将会升高至预定电流限制，但是输入电容16将不能完全充电。电路将如热交换器件11的电流限制所确定的那样持续拉高电流。在这一条件下，功率MOSFET 18中的功耗将会导致结温升高直到达到控制电路21所监控的热限制。控制电路21随后关闭功率MOSFET 18以保护卡10和电子系统。
功率MOSFET 18的一个问题是它在不冒热逸出情况的风险下无法提供低的RDSon和低的电流限制。为了获得低的RDSon，功率MOSFET18通常具有密集单元几何形状。这是一个缺点，因为它导致具有超大增益或跨导(Gm)的MOSFET。为了将具有超大增益的MOSFET的电流限制在一个低的值，栅极电压必须降低至非常接近晶体管的阈值电压(Vth)。例如，在典型的具有35mOhm的RDSon的现有技术的100伏特热交换器件上，栅极电压(Vgs)必须降低到大约2.0伏特以将电流限制到所需的6安培水平。在典型的先有的100伏特器件中，Vth为1.7伏特，而在电流限制情形中Vgs只比Vth高大约0.3伏特。
当功率MOSFET 18工作在漏极电流受Vgs限制的饱和区时，IDSAT的温度系数可以是正值、零或负值。竞争作用有：迁移率，随温度下降；和Vth，也随温度下降。降低迁移率降低了IDSAT，但是降低Vth增大了IDSAT。当Vgs远大于Vth时，迁移率作用占主导，IDSAT随温度下降。然而，当Vgs接近Vth时，Vth作用占主导，IDSAT随温度增大。
当现有技术的功率MOSFET(例如功率MOSFET 18)被限制在低电流水平上时，这样的器件工作在IDSAT随温度增大，且Vgs非常接近Vth的区域中。这会导致热逸出状况。如果功率器件的一个区域中的温度升高，则该区域中的电流也会增大。这导致进一步的温度升高，且电流进一步增大，引起“热点”的产生。这一热点可导致功率MOSFET 18失效及最终导致系统失效。
现在看图2-8，现在结合下面的详细描述给出本发明。为了易于理解，类似的元件和区域在整个详细描述和附图中合适的地方同样标出。
图2示出根据本发明的热交换结构或器件31——电路卡29的一部分——的电路示意图。结构31给出低的RDSon和低的电流限制，同时降低热点和热逸出作用。根据本发明，结构31包括分开或多个栅极或控制电极开关器件、结构或功率MOSFET器件33。优选地，开关器件33包括：第一开关41，用于在电流限制模式中传导电流；以及第二开关42，在满足预定条件(由，例如，控制电路37设定)、后电流限制模式或无电流限制模式之后开启，与第一开关41一起传导电流来提供低导通电阻。也就是，第二开关42在第一开关41完全开启(即，不在饱和区)滞后开启，这由Vgs＞VREF确定或设定。在预定实施方案中，第一和第二开关41和42包含功率MOSFET器件。
根据本发明，第一栅极和控制电极48控制第一开关41中的电流传导，另一或第二栅极或控制电极49控制第二开关42中的电流传导。更具体地，第一控制电极48控制第一对载流电极或区域(例如源极52和漏极53)，而第二控制电极49控制第二对载流电极或区域(例如源极56和漏极54)。
第一开关41和第二开关42都具有公共漏极53和54，分别与负载44和滤波电容46相耦连。滤波电容46用于消除功率总线51上的噪声尖峰以提供更稳定的偏置。负载44包含，例如，DC/DC转换器，引起流经电容46和负载44的峰值大约为5安培的负载电流ILOAD。ILOAD的典型平均值为大约3安培。例如，电容46具有大约1000微法拉的值。
热交换结构31进一步包括电流限制器件或电路38，与控制电路37、开关器件42的控制电极48以及开关器件41的控制电极49相耦连。包括电压比较器39和反相器41的比较器件36与控制电极48和49相耦连。比较器件36用于在Vgs一旦达到相应于无电流限制模式的特定或预定值(例如5伏特)时开启控制电极49。控制电路37与分开栅极器件33相耦连以响应于检测到的信号开启或关闭分开栅极器件33，并包含，例如，比较器和电压参考电路。
优选地，热交换器件31集成或形成在统一半导体芯片或一半导体材料块上(如图7所示)。作为替代，热交换器件31的某些部分形成在某一芯片上，而其它部分形成在单独芯片上，单独芯片一起集成在，例如，多芯片模块中。
根据本发明，第一开关或MOSFET器件41形成突入电流限制器件的一部分。例如，当电路卡被热交换时，电流ILOAD流进电容46，将其充电至VSUFF。第一开关41与控制电路37和电流限制电路38一起将ILOAD的峰值限制在大约十安培，如果不是的话ILOAD会达到一百安培甚至更大。更具体地，在电流限制模式中，第一开关或MOSFET器件41的沟道区域处在电流传导模式，而第二开关或MOSFET器件42的沟道区域关闭。结果，对于给定的IDSAT，Vgs更大，使分开栅极器件33处于Vgs＞＞Vth的工作区域中，且IDSAT随温度下降。随后分开栅极器件或功率开关器件33更耐用且可靠地工作，而避免了热点和热逸出。
在电容46完全充电和热交换器件31不在处于电流限制模式(即，无电流限制模式)中之后，比较器件36用于开启第二MOSFET器件42，且整个沟道或载流层或分开栅极器件33用于传导电流以提供低的RDSon。当，例如，第一开关41的Vgs为大约5伏特时，比较器39设于开启。根据本发明，这保证了在第二开关或MOSFET器件42开启之前，第一开关或MOSFET器件41完全开启且不在电流限制模式中。
图3-5示出热交换器件31在各种工作条件下的模拟结果。图3示出热交换器件31开启进入2.5安培的额定负载。在这些条件下，电流由负载44，而不是IDSAT来限制。根据本发明，曲线61(器件41的Vgs)示出MOSFET器件41的栅极48通过大的Rg(例如10MOhm)缓慢充电，而曲线62(器件41的Ids)示出整个2.5安培首先完全由第一开关或MOSFET器件41传导。当栅极或控制电极48的栅极电压达到大约5伏特时，比较电路36开启第二开关或MOSFET器件42(曲线63，示出器件42的Vgs)，大约1.25安培的电流通过MOSFET器件41(Ids曲线62)和42(Ids曲线64)传导。最后栅极48和49都完全充电至大约11伏特，且根据本发明的热交换器件31以超低RDSon(例如小于大约35Mohm)工作。
图4示出热交换器件31在短路负载条件下开启。在这些条件下且根据本发明，第一开关或MOSFET器件41开启来传导电流，电流限制在大约4安培(Ids曲线67)。如Vgs曲线68所示，当第一开关41处于电流限制模式中时，第一开关41的栅极电压充电至大约2.4伏特。根据本发明，第二开关或MOSFET器件42在短路负载条件器件不开启。
图5示出热交换器件31开启进入1000μF的大电容性负载46，并联2.5安培的负载44。开始时，这些条件作为短路负载出现直到电容46被充电，负载然后回到正常的2.5安培。如Ids曲线71所示，第一开关41中的电流首先增大至4安培，相应于根据本发明的电流限制模式。在大约27毫秒时，电容46被充电，电流下降至2.5安培，如曲线71所示。此时，只有第一开关41开启。在大约35毫秒时，第一开关41的Vgs超过5伏特，如Vgs曲线72所示。在这一点，根据本发明，第二开关42开启(Vgs曲线73)，然后电流分流到器件41和42之间，每处1.25安培，如Ids曲线71和74所示。
现在看图6，现在描述器件33的优选分开栅极或控制电极结构。图6示出根据本发明形成在一半导体材料块84上的分开、多重、分隔或分离栅极结构81的高度放大部分俯视图。分开栅极结构81以第一实施方案82和替代实施方案83示出。
在实施方案82中，第一栅极馈电86与许多第一控制或栅极电极87相连，而第二栅极馈电91与许多第二控制或栅极电极92相耦连。根据本发明，至少一个第二栅极电极92与某一第一栅极电极并列、邻接或相邻。优选地如实施方案82所示，至少一个第二栅极电极92交叉在一对第一栅极电极87之间。通过以这种方式构成栅极电极，分开栅极器件33的载流负载更均匀地分布在整个器件上。这进一步降低了热点形成和热逸出的任何潜在可能。
在实施方案83中，超过一个第二栅极电极92交叉在一对第一栅极电极87之间。尽管在图6中示出在一对第一栅极电极87之间有两个栅极电极92，但是应当理解，取决于系统要求，超过两个第二栅极电极92可以交叉在一对第一栅极电极87之间。
图7示出包括分开栅极结构81的热交换器件31沿图1中的参考线6-6的放大剖视图。热交换器件31优选地形成在一半导体材料块84上，且包括分开栅极器件33、比较器件36和电流限制器件38。分开栅极器件33包括第一对载流电极或区域52和53，以及第二对载流电极或区域54和56。第一栅极或控制电极87形成在一半导体材料块84上，控制第一对载流电极52和53。第二电极或控制电极92形成在一半导体材料块84上，控制第二对载流电极54和56。在示出的实施方案中，载流电极52和56形成器件33的源极区域，电流电极53和54形成漏极区域。优选地，载流电极53和54形成在一半导体材料块84的相同区域中以给出公共漏极区域96。优选地，载流电极52、53、54和56形成在同一块半导体材料中以给出集成器件。优选地，载流电极或区域52和56都与公共电极或接触151相耦连，载流电极或区域53和54都与公共电极或接触152相耦连。比较器件36形成在一半导体材料块84的区域361中，而电流限制器件38形成在区域381中。
图8示出与第一开关41相耦连的优选电流限制器件或电路38的电路图。电阻106和二极管107将节点Vz优选地设为大约5.5伏特。电阻101、102和103以及开关器件109通过选择特定值将节点Vref设为(1+R102/R103)*Vth(器件109的)，从而节点Vref比开关器件109的Vth小几十伏特。
流经传感单元(即开关43)的电流经过Rsense产生电压Vsense。随着Vsense增大，开关器件41的栅极上的电压增大，最后开关器件41通过开关111开启。电阻112和113用作设置开关11的栅极电压的电平移动。器件41使电流流经电阻RG1，降低栅极电压从而限制第一开关41中的电流。
从而，根据本发明，显然已经给出了具有低RDSon和低电流限制的半导体开关器件。具体地，该器件包括分开栅极结构，在电流限制模式过程中开启开关器件的一部分，并且档满足无电流限制条件时开启开关器件的另一部分。本发明给出克服了与现有技术的开关器件相关的热逸出问题。
尽管参考其具体实施方案描述并说明了本发明，但并非本发明就限制于这些说明性实施方案。本领域技术人员将认可，只要不偏离本发明的精神，可以有调整和变化。因此，本发明应包括所有这些落于所附权利要求的范围内的变化和调整。

Claims (10)

1.一种半导体开关器件，包括：
一半导体材料块，包括第一主表面；
第一对载流电极，形成在第一主表面中；
第二对载流电极，形成在第一主表面中；以及
分开控制电极结构，包括形成在该半导体材料块上的用于控制第一对载流电极的第一控制电极，以及形成在该半导体材料块上的用于控制第二对载流电极的第二控制电极。
2.根据权利要求1的器件，其中分开控制电极结构包括多个第一控制电极和多个第二控制电极，并且其中至少一个第二控制电极交叉在一对第一控制电极之间。
3.根据权利要求1的器件，进一步包括与第一和第二控制电极相耦连的电流限制器件。
4.根据权利要求1的器件，进一步包括用于开启第二控制电极的比较器件。
5.根据权利要求1的器件，其中第一对载流电极包括第一漏极区域和第一源极区域，并且其中第二对载流电极包括第二漏极区域和第二源极区域。
6.根据权利要求5的器件，其中第一漏极区域和第二漏极区域在该半导体材料块中形成公共区域。
7.一种热交换保护器件，包括：
分离栅极开关器件，包括具有第一栅极电极的第一MOSFET器件和具有第二栅极电极的第二MOSFET器件；
电流限制器件，与第一栅极电极相耦连用于在工作的电流限制模式期间控制第一MOSFET器件；以及
比较器件，与第一和第二控制电极相耦连用于在工作的无电流限制模式期间开启第二MOSFET器件。
8.根据权利要求7的器件，其中分开栅极开关包括：
多个第一栅极电极，用于控制多个第一MOSFET器件；以及
多个第二栅极电极，用于控制多个第二MOSFET器件，其中至少一个第二栅极电极交叉在一对第一栅极电极之间。
9.根据权利要求8的器件，其中第一和第二MOSFET器件、电流限制器件以及比较器件形成在一半导体材料块上。
10.一种形成半导体开关器件的方法，包括下列步骤：
提供一半导体材料块，包括第一主表面；
在第一主表面中形成第一对载流电极；
在第一主表面中形成第二对载流电极；以及
形成分开控制电极结构，包括在该半导体材料块上的用于控制第一对载流电极的第一控制电极，以及在该半导体材料块上的用于控制第二对载流电极的第二控制电极。
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