CN213027983U - 硅ic-氮化镓混合驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种硅IC‑氮化镓混合驱动系统，包括驱动模块和氮化镓功率器件；所述驱动模块包括用于输出预设电压的硅IC式线性降压组件和氮化镓单片集成式驱动半桥组件；所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件的输出端与所述氮化镓功率器件的门极电路信号连接，以通过充放电的方式实现对所述氮化镓功率器件的导电性进行调制；所述硅IC式线性降压组件与所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件采用打线连接；所述驱动模块与所述氮化镓功率器件之间采用共同封装的方式进行配合。本实用新型至少包括以下优点：结合了硅IC集成电路灵活，低成本，成熟的优势以及氮化镓单片集成半桥组件以消除驱动回路寄生参数的好处。
Description
技术领域
本实用新型涉及了电力电子及功率半导体技术领域，具体的是一种硅IC-氮化镓混合驱动系统。
背景技术
本部分的描述仅提供与本实用新型公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
氮化镓被称为第三代半导体代表性材料，在中小功率的适配器领域已经实现大规模量产，预计在不久的将来将在部分领域全面代替硅。但氮化镓功率器件的应用需要相应的栅驱动芯片，普通的硅功率器件驱动芯片不能直接适用于氮化镓功率器件，原因是驱动电压和驱动能力等性能的要求不同。
目前氮化镓功率器件主要是以分立元器件和带驱动集成IC两种形式。分立元器件在设计方面灵活性好，但由于外加的驱动回路的寄生参数不可避免的引起驱动环路震荡，转换效率下降甚至会炸管的现象。带驱动的集成IC有两种实现方式：第一种方式是氮化镓单片集成，这种方式使用氮化镓单片集成驱动和功率器件(如图1)；另一种方式是使用相对成熟的硅驱动IC与氮化镓功率器件合封在一起(如图2)。
现有的单片集成氮化镓IC，因为氮化镓工艺技术本身成熟度不高，缺少像硅模拟电路里面常用的CMOS逻辑(目前氮化镓工艺没有p型高电子迁移率管(P-type HEMT)，只能使用耗尽型HEMT和增强型HEMT相配合的方式)，这个缺点导致氮化镓单片集成的模拟电路功能有限，缺少一些必要的功能单元，无法实现一些较为复杂的保护和控制电路。同时因为目前就单位晶片面积而言，氮化镓的价格远超过硅的价格，并且氮化镓目前的工艺节点(最小线宽尺寸)远远大过硅，造成氮化镓单片集成成本较高。
现有的共封装方式虽然利用了成熟硅基模拟电路的优点，但因为硅IC芯片和氮化镓芯片之间需要使用打线连接，尽管线径很短，还是不可避免的存在寄生电感。尤其是当硅IC芯片输出端焊盘或者氮化镓器件的门极焊盘不够大，无法打较粗的铜线/金线的时候，所带来的寄生电感无法忽略不计。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本实用新型的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
实用新型内容
为了克服现有技术中的缺陷，本实用新型实施例提供了一种硅IC-氮化镓混合驱动系统，其结合了硅IC集成电路灵活，低成本，成熟的优势以及氮化镓单片集成半桥组件以消除驱动回路寄生参数的好处。
本申请实施例公开了：一种硅IC-氮化镓混合驱动系统，包括驱动模块和氮化镓功率器件；
所述驱动模块包括用于输出预设电压的硅IC式线性降压组件和氮化镓单片集成式驱动半桥组件；
所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件的输出端与所述氮化镓功率器件的门极电路信号连接，以通过充放电的方式实现对所述氮化镓功率器件的导电性进行调制；
所述硅IC式线性降压组件与所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件采用打线连接；
所述驱动模块与所述氮化镓功率器件之间采用共同封装的方式进行配合。
进一步地，所述硅IC式线性降压组件与所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件之间打线所使用的连接线的长度小于2mm。
进一步地，所述驱动模块还包括与所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件信号连接的硅IC式欠压锁死组件。
进一步地，当所述氮化镓功率器件的门极电压低于其阈值电压时，所述氮化镓功率器件处于断开状态；其中，所述阈值电压在1-2V之间。
进一步地，当所述氮化镓功率器件的门极电压高于其阈值电压且达到其工作的预设电压时，所述氮化镓功率器件处于导通状态；其中，所述预设电压在5-7V之间。
进一步地，所述氮化镓集成式半桥组件包括两个半桥设置的半导体晶体管。
进一步地，所述氮化镓功率器件的衬底采用硅材料制成。
进一步地，所述氮化镓集成式驱动半桥和所述氮化镓功率器件的晶圆尺寸均为6寸或8寸。
进一步地，所述硅IC式线性降压组件集成在一个芯片上，所述氮化镓功率器件和所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件集成在另一个芯片上。
借由以上的技术方案，本实用新型的有益效果如下：本混合驱动结合了硅IC集成电路灵活，低成本，成熟的优势以及氮化镓单片集成半桥组件以消除驱动回路寄生参数的好处；这样做的好处在于，使用氮化镓单片集成做最后一级驱动半桥，消除驱动模块与氮化镓功率器件之间的驱动回路的寄生参数；且使用打线方式使得两个芯片的共封，前级的硅IC因为没有了最后一级驱动半桥，可以大幅减小硅IC的面积和成本，同时因为氮化镓单片集成式作为最后一级驱动半桥，比较硅工艺而言，同样的驱动能力需要的上下管面积很小，不会影响氮化镓功率器件的总成本。
为让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型背景技术中的氮化镓单片集成驱动和功率器件的结构示意图；
图2是本实用新型背景技术中的硅驱动IC与氮化镓功率器件的结构示意图；
图3是本实用新型实施例中的硅IC-氮化镓混合驱动系统的结构示意图。
以上附图的附图标记：1、硅IC式线性降压组件；2、氮化镓单片集成式驱动半桥组件；3、氮化镓功率器件；4、MOS管；5、电阻；6、运算放大器；7、上管；8、下管。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
结合图3所示，本实施例中公开了一种硅IC-氮化镓混合驱动系统，包括位于左侧的驱动模块和位于右侧的氮化镓功率器件3。其中，所述驱动模块包括用于输出预设电压的硅IC式线性降压组件1、多个驱动保护功能组件以及氮化镓单片集成式驱动半桥组件2。值得注意的是：所述硅IC式线性降压组件1集成在一个芯片上，所述氮化镓功率器件3和所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件集成在另一个芯片上。
本实施方式中，所述硅IC式线性降压组件1由MOS管4、运算放大器6和两个串联的电阻5组成；其中注意的是，该系统包括能够与所述硅IC式线性降压组件1配合的多个其它驱动保护电路。由于所述硅IC式线性降压组件1正常工作所需要输入的电压在12V左右，而所述氮化镓功率器件3的门极所需的工作电压在5-7V左右，本方式中，该处的工作电压为6V。通过上述的硅IC式线性降压组件1(LDO)设置，则能够较稳定地将较高的输入电压调整为所述氮化镓功率器件3可以用的电压范围。
上述的所述硅IC式线性降压组件1的基本原理在于输入输出电压降在了MOS管4的漏极和源极之间，为了使得输出电压的稳定，所述硅IC式线性降压组件1还具有反馈检测功能。具体地，串联的两个电阻5可以实现输出电压分压的功能；优选地，通过调节电阻5的阻值，能够得到理想的输出电压值和带隙基准对应的电压值，通过比较两者的差异，使用运算放大器6实现自动调节，从而实现稳定输出电压的目的。
本实施方式中，所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件2采用氮化镓单片集成方式实现，其相对于图2中现有的硅IC驱动，替换了硅IC驱动最后一级驱动半桥(由两个N-LDMOS组成)，一方面能够消除所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件2与所述氮化镓功率器件3之间的驱动回路产生的寄生参数，另一方面可以大幅度减小硅IC式线性降压组件1以及多个驱动保护功能组件所在芯片的面积和成本。且值得注意的是，所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件2相对于硅IC式驱动半桥，在同样的驱动能力下，所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件2所需要的上下管8面积很小，不会影响所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件2所在的芯片的面积和总成本。
上述实施方式中，所述氮化镓集成式半桥组件包括两个半桥设置的半导体晶体管，结合图3所示，位于上部的简称上管7、位于下部的简称下管8。
本实施方式中，离线式电源应用中，所述氮化镓功率器件3在系统中主要作为主开关使用，具有较好的高击穿电场和更低的导通电阻，更低的寄生电容等优点。其中，所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件2的输出端与所述氮化镓功率器件3的门极电路信号连接，以通过充放电的方式实现对所述氮化镓功率器件3的导电性进行调制。
上述的实施方式具体为，当所述氮化镓功率器件3的门极电压为零，或者低于其阈值电压时(一般为1.5V左右)，所述氮化镓功率器件3的漏极到源极之间导电沟道为断开状态，电阻非常大，并可以承受超过650V的高电压。
当外部控制信号为高，使得所述驱动模块的输出端为高电位，该所述驱动模块对所述氮化镓功率器件3的门极进行充电。具体地，电流从所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件2的上管7流到所述氮化镓功率器件3的门极，使得所述氮化镓功率器件3的门极电压超过阈值电压，并达到正常工作所需的门极电压(通常为6V左右)，所述氮化镓功率器件3开通，漏极到源极之间的电阻变得很小。
当外部控制信号为低，使得所述驱动模块的输出端为低电位，所述驱动电路的氮化镓单片集成式驱动半桥组件2的下管8打开，上管7关闭，电流从所述氮化镓功率器件3的门极快速抽出电荷，使得所述氮化镓功率器件3的门极电压下降；当所述氮化镓功率器件3的门极电压降低到低于阈值电压时，所述氮化镓功率器件3关断，漏极到门极保持高阻抗状态，可以承受高压。
本实施方式中，所述驱动模块与所述氮化镓功率器件3之间采用共同封装的方式进行配合，也就是说，所述驱动模块和所述氮化镓功率器件3共同封装在一个塑料封装里面。此时，本申请的混合驱动系统的两个所述芯片之间采用打线连接。上述的打线所使用的连接线的长度非常短，通常是小于2mm，所产生的寄生电感非常小(～1nH)，大大降低了走线带来的寄生参数，同时方便了系统设计。
上述的设置方式，结合了硅IC式驱动电路灵活，成熟，低成本的优势以及氮化镓单片驱动集成低寄生参数的优势，其中后者为将所述驱动模块的最后一级由氮化镓单片集成设计实现。
本实施方式中，所述驱动模块还包括与所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件2信号连接的硅IC式欠压锁死组件。该所述硅IC式欠压锁死组件的作用在于当供电电源电压低于一定的电压值时，为了保护系统，将对应的芯片关闭。当供电电源高于预设电压值时，重新开始工作。所述驱动模块还包括有源钳位组件，该有源钳位组件的作用在于保护后续所述氮化镓功率器件3的门极不受高电压尖峰的影响；原因是增强型氮化镓功率器件3件的门极电压范围比硅或者碳化硅更窄，超过8V的门极电压会减少器件寿命，甚至会永久损坏芯片。
本实施方式中，所述氮化镓功率器件3的衬底采用硅材料制成，其中优选地，所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件和所述氮化镓功率器件3的晶圆尺寸均为6寸或8寸。
关于本申请的混合驱动系统，其应用领域可以包括：
1、消费类电源产品，例如手机快充，适配器，PC电源，白色家电等；
2、工业电源、例如服务器电源，通信电源等；
3、电动汽车车载充电器，车载DC-DC变换器等。
在这些应用领域里，可以提高系统的效率，较小系统体积，同时因为使用混合驱动系统，进一步简化电路板设计，减少寄生参数。
本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (9)
1.一种硅IC-氮化镓混合驱动系统，其特征在于，包括驱动模块和氮化镓功率器件；
所述驱动模块包括用于输出预设电压的硅IC式线性降压组件和氮化镓单片集成式驱动半桥组件；
所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件的输出端与所述氮化镓功率器件的门极电路信号连接，以通过充放电的方式实现对所述氮化镓功率器件的导电性进行调制；
所述硅IC式线性降压组件与所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件采用打线连接；
所述驱动模块与所述氮化镓功率器件之间采用共同封装的方式进行配合。
2.如权利要求1所述的硅IC-氮化镓混合驱动系统，其特征在于，所述硅IC式线性降压组件与所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件之间打线所使用的连接线的长度小于2mm。
3.如权利要求1所述的硅IC-氮化镓混合驱动系统，其特征在于，所述驱动模块还包括与所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件信号连接的硅IC式欠压锁死组件。
4.如权利要求1所述的硅IC-氮化镓混合驱动系统，其特征在于，当所述氮化镓功率器件的门极电压低于其阈值电压时，所述氮化镓功率器件处于断开状态；其中，所述阈值电压在1-2V之间。
5.如权利要求1所述的硅IC-氮化镓混合驱动系统，其特征在于，当所述氮化镓功率器件的门极电压高于其阈值电压且达到其工作的预设电压时，所述氮化镓功率器件处于导通状态；其中，所述预设电压在5-7V之间。
6.如权利要求1所述的硅IC-氮化镓混合驱动系统，其特征在于，所述氮化镓集成式半桥组件包括两个半桥设置的氮化镓半导体晶体管。
7.如权利要求1所述的硅IC-氮化镓混合驱动系统，其特征在于，所述氮化镓功率器件的衬底采用硅材料制成。
8.如权利要求1所述的硅IC-氮化镓混合驱动系统，其特征在于，所述氮化镓集成式驱动半桥和所述氮化镓功率器件的晶圆尺寸均为6寸或8寸。
9.如权利要求1所述的硅IC-氮化镓混合驱动系统，其特征在于，所述硅IC式线性降压组件集成在一个芯片上，所述氮化镓功率器件和所述氮化镓单片集成式驱动半桥组件集成在另一个芯片上。
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