DE102016015712A1 - Half bridge circuit and clip wire pack - Google Patents
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Abstract
Halbbrückenschaltung (100), umfassend einen Eingangsanschluss (102) zum Liefern einer elektrischen Eingabe, einen Ausgangsanschluss (104) zum Liefern einer elektrischen Ausgabe an eine mit dem Ausgangsanschluss (104) zu verbindende Last, einen Schalter (106) und eine Diode (108) zwischen dem Eingangsanschluss (102) und dem Ausgangsanschluss (104) sowie eine Spannungsbegrenzungsinduktivität (110), die zwischen dem Schalter (106) und der Diode (108) angeordnet und zum Begrenzen einer Spannung bei Schalten des Schalters konfiguriert ist.A half-bridge circuit (100) comprising an input terminal (102) for providing an electrical input, an output terminal (104) for providing an electrical output to a load to be connected to the output terminal (104), a switch (106), and a diode (108) between the input terminal (102) and the output terminal (104); and a voltage limiting inductor (110) disposed between the switch (106) and the diode (108) and configured to limit a voltage upon switching of the switch.
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbbrückenschaltung, ein Verfahren zum Betreiben einer Halbbrückenschaltung und eine Packung.The present invention relates to a half-bridge circuit, a method of operating a half-bridge circuit and a package.
Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the Prior Art
Bei einem Abwärtswandler (Abspannungswandler) handelt es sich um einen DC/DC-Leistungswandler, der eine Spannung von seinem Eingang (Versorgung) zu seinem Ausgang (Last) abspannt (während der Strom heraufgesetzt wird). Er enthält typischerweise mindestens zwei Halbleiter (eine Diode und einen Transistor, obwohl moderne Abwärtswandler häufig die Diode durch einen zweiten Transistor ersetzen, der für eine synchrone Gleichrichtung verwendet wird) und mindestens ein Energiespeicherelement (wie beispielsweise einen Kondensator, eine Spule oder die zwei in Kombination). Um eine Spannungswelligkeit zu verringern, können aus Kondensatoren (manchmal in Kombination mit Spulen) aufgebaute Filter einem Ausgang (lastseitiges Filter) und Eingang (versorgungsseitiges Filter) solch eines Wandlers hinzugefügt werden.A buck converter is a DC / DC power converter that decouples a voltage from its input (supply) to its output (load) while the current is being boosted. It typically includes at least two semiconductors (one diode and one transistor, although modern down-converters often replace the diode with a second transistor used for synchronous rectification) and at least one energy storage element (such as a capacitor, coil, or the two in combination ). To reduce voltage ripple, capacitors constructed from capacitors (sometimes in combination with coils) may be added to an output (load side filter) and input (supply side filter) of such a converter.
Das Anforderungsprofil von synchronen Hochleistungsabwärtswandlern verlangt einen hohen Wandlungswirkungsgrad über den gesamten Lastbereich. Um dies zu erzielen, müssen verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um ein ordnungsgemäßes Verhalten zu erreichen. Als eine der Anforderungen für einen angemessenen Wirkungsgrad müssen die FETs so schnell wie möglich geschaltet werden. Ein äußerst schnelles Schalten kann jedoch zu Spannungsüberschwingen führen, die außerhalb des sicheren Betriebsbereichs der Vorrichtung liegen können, d. h. die Vorrichtung kann in eine Lawine eintreten.The requirement profile of high performance synchronous buck converters requires high conversion efficiency over the entire load range. To achieve this, various measures must be taken to achieve proper behavior. As one of the requirements for adequate efficiency, the FETs must be switched as fast as possible. However, extremely fast switching can lead to voltage overshoot that may be outside the safe operating range of the device, i. H. the device can enter an avalanche.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Es kann ein Bedarf an einer Halbbrückenschaltung und einer Packung mit einer angemessenen Leistung und einer hohen Zuverlässigkeit während des Betriebs bestehen.There may be a need for a half-bridge circuit and package with adequate performance and high reliability during operation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Halbbrückenschaltung bereitgestellt, die einen Eingangsanschluss zum Liefern einer elektrischen Eingabe (wie beispielsweise einer Eingangsspannung), einen Ausgangsanschluss zum Liefern einer elektrischen Ausgabe (wie beispielsweise eines Ausgangsstroms) (zum Beispiel für eine mit dem Ausgangsanschluss zu verbindenden Last), einen Schalter und eine Diode zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss sowie eine Spannungsbegrenzungsinduktivität umfasst, die zwischen dem Schalter und der Diode gestaltet (insbesondere dimensioniert) und angeordnet ist, und zum Begrenzen einer Spannung bei Schalten des Schalters konfiguriert ist (insbesondere bei Schalten des Schalters von einen „Ein”-Zustand in einen „Aus”-Zustand).According to an embodiment, there is provided a half-bridge circuit having an input terminal for providing an electrical input (such as an input voltage), an output terminal for providing an electrical output (such as an output current) (for example, a load to be connected to the output terminal) Switch and a diode between the input terminal and the output terminal and a Spannungsbegrenzungsinduktivität that between the switch and the diode designed (in particular dimensioned) and arranged, and is configured to limit a voltage when switching the switch (in particular when switching the switch of a "On" state to an "off" state).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Betreiben einer Halbbrückenschaltung bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Liefern einer elektrischen Eingabe an einen Eingangsanschluss, Erzeugen einer elektrischen Ausgabe durch einen Schalter und eine Diode zwischen dem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss, an den eine Last angeschlossen ist, und Begrenzen einer bei Schalten des Schalters auftretenden Spannung durch eine Spannungsbegrenzungsinduktivität, die zwischen dem Schalter und der Diode angeordnet ist, umfasst.According to another embodiment, there is provided a method of operating a half-bridge circuit, the method comprising providing an electrical input to an input terminal, generating an electrical output by a switch and a diode between the input terminal and an output terminal to which a load is connected, and Limiting a voltage occurring when the switch is switched by a voltage limiting inductance, which is arranged between the switch and the diode.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Packung bereitgestellt, die einen packenden Clip und einen Draht umfasst, wobei der Draht mit dem Clip verbunden ist (insbesondere mit einer oberen Hauptoberfläche des Clips verbunden ist).According to yet another embodiment, a package is provided that includes a gripping clip and a wire, wherein the wire is connected to the clip (in particular, connected to an upper major surface of the clip).
Gemäß einem bestimmten Aspekt von Ausführungsbeispielen ist eine Spannungsbegrenzungsinduktivität zwischen einem Schalter und einer Diode einer Halbbrückenschaltung so gestaltet, dass im Falle dessen, dass der Schalter während des Betriebs der Halbbrückenschaltung (insbesondere wenn der Schalter ausgeschaltet ist) schnell geschaltet wird, ein Spannungsüberschwingen, das beim Stand der Technik den Schalter bis zu seiner oder sogar über seine Durchbruchspannung bringt, ausreichend klein gehalten werden kann, sodass die Funktionalität der Halbbrückenschaltung nicht gestört wird. Insbesondere kann die Gestaltung derart sein, dass das Spannungsüberschwingen bei Schalten des Schalters so klein gehalten werden kann, dass es immer zuverlässig unter der Durchbruchspannung bleibt. Spezifischer kann die Gestaltung der Spannungsbegrenzungsinduktivität derart sein, dass die Überschwingspannung zuverlässig unter der Durchbruchspannung begrenzt wird und gleichzeitig eine Leistung der Halbbrückenschaltung nicht übermäßig begrenzt.According to a particular aspect of embodiments, a voltage limiting inductance between a switch and a diode of a half-bridge circuit is designed such that in the event that the switch is rapidly switched during operation of the half-bridge circuit (particularly when the switch is turned off) a voltage overshoot occurs State of the art brings the switch to its or even about its breakdown voltage can be kept sufficiently small, so that the functionality of the half-bridge circuit is not disturbed. In particular, the design may be such that the voltage overshoot when switching the switch can be kept so small that it always remains reliably below the breakdown voltage. More specifically, the design of the voltage limiting inductance may be such that the overshoot voltage is reliably limited below the breakdown voltage and at the same time does not unduly limit a performance of the half-bridge circuit.
Gemäß einem weiteren Aspekt von Ausführungsbeispielen kann ein elektrisch leitfähiger Clip, der beim Stand der Technik verwendet wird, um einen Halbleiterchip auf einer Montagebasis, wie beispielsweise einem Leadframe, direkt elektrisch zu kontaktieren, direkt mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Drähten verbunden sein, die einen zugeordneten Oberflächenabschnitt des Clips innerhalb eines elektronischen Elements, zum Beispiel mit einem Halbleiterchip einer entsprechenden Packung, elektrisch koppeln können. Somit kann die Funktionalität eines Clips so erweitert werden, dass sie zusätzlich zur direkten, elektrischen Kopplungsfunktion des Clips zu einem bonddrahtgestützten, elektrischen Koppeln beitragen kann. Solch eine Architektur erlaubt es, Platz zu sparen, und stellt für einen Schaltungsgestalter ein hohes Maß an Flexibilität bereit.In accordance with another aspect of embodiments, an electrically conductive clip used in the prior art to directly electrically contact a semiconductor die on a submount, such as a leadframe, may be directly connected to one or more electrically conductive wires, which may be one associated surface portion of the clip within an electronic element, for example with a semiconductor chip of a corresponding package, can electrically couple. Thus, the functionality of a clip may be extended to contribute to bond wire-based electrical coupling in addition to the direct, electrical coupling function of the clip. Such an architecture allows space to be saved and provides a high degree of flexibility for a circuit designer.
Beschreibung weiterer AusführungsbeispieleDescription of further embodiments
Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Spannungsbegrenzungsinduktivität” insbesondere eine Induktivität bezeichnen, die räumlich direkt zwischen dem Schalter und der Diode angeordnet ist. Bei solch einer Spannungsbegrenzungsinduktivität kann es sich um ein konzentriertes Element oder eine entsprechend und absichtlich definierte und gestaltete, parasitäre Induktivität in dem erwähnten räumlichen Bereich handeln.In the context of the present application, the term "voltage limiting inductance" may refer in particular to an inductance which is spatially arranged directly between the switch and the diode. Such a voltage-limiting inductance may be a lumped element or a correspondingly and intentionally defined and designed parasitic inductance in the mentioned spatial region.
Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Clip” insbesondere eine feste, elektrisch leitfähige Struktur (insbesondere aus Kupfer aufgebaut) bezeichnen, die als ein (zum Beispiel gebogenes und/oder strukturiertes) Blech ausgeführt sein kann, und die zum Kontaktieren einer Oberfläche eines Halbleiterchips von oben konfiguriert sein kann. Eine Clipbondtechnologie stellt eine Alternative zu einer Drahtbondverbindung zwischen einem Halbleiterchip und einem Anschluss durch eine feste Metallbrücke (insbesondere eine Kupferbrücke) dar. Solch ein Clip kann durch Löten unter Verwendung von Lötpaste mit dem Halbleiterchip verbunden werden. Bei einem Clip kann es sich um eine dreidimensional gebogene Struktur handeln, die fähig ist, eine obere Hauptoberfläche eines Halbleiterchips mit einem ersten Oberflächenabschnitt des Clips zu bedecken und einen Oberflächenabschnitt eines Trägers (zum Beispiel eines Chipträgers, wie beispielsweise eines Leadframe, auf dem der Halbleiterchip montiert ist) zu bedecken, auf dem der Clip gleichzeitig gestützt wird. Mit dem Träger und dem Halbleiterchip zusammengebaut, drückt der Clip von oben auf den Halbleiterchip. Ein Clip kann einen oberen Plattenabschnitt, einen unteren Verbindungsabschnitt und einen vertikalen Übergangsabschnitt dazwischen umfassen.In the context of the present application, the term "clip" may in particular denote a solid, electrically conductive structure (in particular constructed of copper), which may be embodied as a sheet (for example bent and / or structured) and for contacting a surface of a sheet Semiconductor chips can be configured from above. A clip-bonding technology is an alternative to a wire bond between a semiconductor chip and a terminal through a solid metal bridge (especially a copper bridge). Such a clip may be connected to the semiconductor chip by soldering using solder paste. A clip may be a three-dimensional curved structure capable of covering an upper major surface of a semiconductor chip with a first surface portion of the clip and a surface portion of a carrier (eg, a chip carrier such as a leadframe on which the semiconductor chip mounted) on which the clip is simultaneously supported. Assembled with the carrier and the semiconductor chip, the clip presses from above onto the semiconductor chip. A clip may include an upper plate portion, a lower connecting portion, and a vertical transition portion therebetween.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele der Halbbrückenschaltung, das Verfahren und die Packung erklärt.In the following, further embodiments of the half-bridge circuit, the method and the pack will be explained.
In einer Ausführungsform ist der Schalter als Transistorschalter, insbesondere als Feldeffekttransistor-Schalter, konfiguriert. Solch ein Transistorschalter kann einen High-Side-Schalter ausbilden.In one embodiment, the switch is configured as a transistor switch, in particular as a field effect transistor switch. Such a transistor switch can form a high-side switch.
In einer Ausführungsform ist die Diode als Transistordiode, insbesondere als Feldeffekttransistor-Diode, konfiguriert. Solch eine Transistordiode kann einen Low-Side-Schalter ausbilden.In one embodiment, the diode is configured as a transistor diode, in particular as a field effect transistor diode. Such a transistor diode can form a low-side switch.
In einer Ausführungsform ist die Spannungsbegrenzungsinduktivität zwischen einem Source-Anschluss des Transistorschalters und einem Drain-Anschluss der Transistordiode angeordnet. Diese Position der Spannungsbegrenzungsinduktivität hat sich als hochwirksam zum Verringern von Überschwingen in Abwärtswandlergestaltungen auf Grundlage einer Halbbrücke erwiesen. Mit einer entsprechend positionierten Spannungsbegrenzungsinduktivität ist es möglich, unter Verwendung einer Source-Induktivität eine Rückkopplung zu erzeugen, um einen Gate-Strom zu verringern.In one embodiment, the voltage limiting inductance is arranged between a source terminal of the transistor switch and a drain terminal of the transistor diode. This position of the voltage limiting inductance has been found to be highly effective in reducing overshoot in half-bridge down converter designs. With a properly positioned voltage limiting inductance, it is possible to generate feedback using a source inductance to reduce gate current.
In einer Ausführungsform weist die Spannungsbegrenzungsinduktivität einen Induktivitätswert auf, der groß genug ist, dass die Spannung bei Schalten des Schalters unter einer Durchbruchspannung des Schalters bleibt. In einer Ausführungsform kann diese Spannung auf weniger als 30 V begrenzt sein, insbesondere ist sie auf nicht mehr als 25 V begrenzt. Durch Vornehmen dieser Maßnahme kann es verhindert werden, dass die Spannung am Schalter die Durchbruchspannung erreicht oder sogar überschreitet, was die Halbbrückenschaltung verschlechtern könnte.In one embodiment, the voltage limiting inductance has an inductance value that is large enough that the voltage when the switch is switched remains below a breakdown voltage of the switch. In one embodiment, this voltage may be limited to less than 30V, in particular it is limited to not more than 25V. By doing this, it can be prevented that the voltage at the switch reaches or even exceeds the breakdown voltage, which may deteriorate the half-bridge circuit.
In einer Ausführungsform weist die Spannungsbegrenzungsinduktivität einen Induktivitätswert von mindestens 50 pH, insbesondere von mindestens 80 pH, weiter insbesondere von mindestens 100 pH. Wenn es sich bei der Spannungsbegrenzungsinduktivität um eine parasitäre Induktivität anstatt eines konzentrierten Elements handelt, kann eine Verbindung zwischen dem Source-Anschluss des Schalters und dem Drain-Anschluss der Diode so definiert sein, dass die erwähnten Werte der Induktivität erreicht werden. Zum Beispiel kann dies erreicht werden, indem die Verbindung zwischen dem Source-Anschluss des Schalters und dem Drain-Anschluss der Diode durch eine Clip konfiguriert ist.In one embodiment, the voltage-limiting inductance has an inductance value of at least 50 pH, in particular of at least 80 pH, more particularly of at least 100 pH. When the voltage limiting inductance is a parasitic inductance rather than a lumped element, a connection between the source terminal of the switch and the drain terminal of the diode may be defined to achieve the mentioned values of inductance. For example, this can be achieved by configuring the connection between the source terminal of the switch and the drain terminal of the diode through a clip.
In einer Ausführungsform umfasst die Halbbrücke eine Schleife zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss und sowohl den Schalter als auch die Diode einschließend. Eine angemessene Gestaltung dieser Schleife hat sich als eine wirksame Maßnahme zum Unterdrücken von Spannungsüberschwingen während des Schaltens der Halbbrücke erwiesen.In one embodiment, the half-bridge includes a loop between the input terminal and the output terminal and including both the switch and the diode. Proper design of this loop has proven to be an effective measure for suppressing voltage overshoot during switching of the half-bridge.
In einer Ausführungsform beträgt ein Induktivitätswert der Spannungsbegrenzungsinduktivität mindestens 20%, insbesondere liegt er in einem Bereich zwischen 20% und 70%, von einer Schleifeninduktivität der Schleife. Ein Prozentsatz von ungefähr 20% hat sich als besonders wirksam für eine ausreichende Verringerung von Spannungsüberschwingen während des Schaltens erwiesen. Ein Prozentsatz von unter 70% hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da dann eine durch die Spannungsbegrenzungsinduktivität verursachte, leichte Verringerung des Wandlungswirkungsgrades der Halbbrücke sehr klein gehalten werden kann.In one embodiment, an inductance value of the voltage limiting inductance is at least 20%, in particular in a range between 20% and 70%, of a loop inductance of the loop. A percentage of approximately 20% has been found to be particularly effective for sufficiently reducing voltage overshoot during switching. A percentage of below 70% has been found to be particularly advantageous because then a slight reduction in the conversion efficiency of the half-bridge caused by the voltage limiting inductance can be kept very small.
In einer Ausführungsform liegt ein Induktivitätswert einer Gate-Induktivität des Transistorschalters unter 1 nH, insbesondere beträgt er nicht mehr als 500 pH. Während sich eine relativ hohe Spannungsbegrenzungsinduktivität als vorteilhaft erwiesen hat, um ein Überschwingen zu unterdrücken, kann dieser Effekt weiter verstärkt werden, indem gleichzeitig die Gate-Induktivität des Schalters ausreichend niedrig gehalten wird.In one embodiment, an inductance value of a gate inductance of the transistor switch is below 1 nH, in particular it is not more than 500 pH. While a relatively high voltage limiting inductance has been found to be beneficial in suppressing overshoot, this effect can be further enhanced by simultaneously keeping the gate inductance of the switch sufficiently low.
In einer Ausführungsform ist die Halbbrückenschaltung zum Bypassen der Spannungsbegrenzungsinduktivität unter einer bestimmten Bedingung oder in einem bestimmten Betriebszustand der Halbbrückenschaltung konfiguriert. Zum Beispiel kann solch ein Bypassen erfolgen, wenn der Schalter von einem „Aus”-Zustand in einen „Ein”-Zustand geschaltet wird, wobei in einem solchen Fall Überschwingprobleme verglichen mit einem Schalten des Schalters von einen „Ein”-Zustand in einen „Aus”-Zustand weniger schwerwiegend sind. Eine weitere Gelegenheit zum Aktivieren des Bypassens stellt das Ereignis eines Feststellens dar, dass ein Wert eines elektrischen Stroms in der Halbbrückenschaltung unter einem vordefinierten Schwellenwert liegt, insbesondere unter 20 A liegt. Wie vorstehend erwähnt, kann das Einfügen der Spannungsbegrenzungsinduktivität den Wandlungswirkungsgrad der Halbbrücke etwas verschlechtern. Um diese leichte Verringerung des Wirkungsgrades auf Fälle zu beschränken, in denen das Vorhandensein einer ausreichend hohen Spannungsbegrenzungsinduktivität notwendig ist (insbesondere in einem Bereich eines hohen Stroms), kann die Spannungsbegrenzungsinduktivität aus dem Stromfließpfad entfernt werden, wenn ein Überschwingschutz nicht notwendig oder nicht gewünscht ist (insbesondere in einem Bereich eines niedrigen Stroms).In one embodiment, the half-bridge circuit is configured to bypass the voltage-limiting inductance under a particular condition or operating state of the half-bridge circuit. For example, such a bypass may occur when the switch is switched from an "off" state to an "on" state, in which case overshoot problems as compared to switching the switch from an "on" state to a "on" state. Out of "condition are less severe. Another opportunity for enabling bypass is the event of detecting that a value of electrical current in the half-bridge circuit is below a predefined threshold, in particular below 20A. As mentioned above, the insertion of the voltage limiting inductance may slightly degrade the conversion efficiency of the half-bridge. In order to limit this slight reduction in efficiency to cases where the presence of a sufficiently high voltage limiting inductance is necessary (especially in a high current range), the voltage limiting inductance can be removed from the current flow path if overshoot protection is not necessary or not desired ( especially in a region of low current).
In einer Ausführungsform ist die Halbbrückenschaltung als eine Halbleiterpackung konfiguriert. Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Packung” insbesondere mindestens einen mindestens teilweise gekapselten oder oberflächenmontierten Halbleiterchip mit mindestens einem externen, elektrischen Kontakt (wie beispielsweise einem Pad) bezeichnen. Der Halbleiterchip kann mindestens ein integriertes Schaltungselement (beispielsweise eine Diode oder einen Transistor) in einem Oberflächenabschnitt davon umfassen. Bei dem Halbleiterchip kann es sich um ein nacktes Die handeln, oder er kann bereits gepackt oder gekapselt sein. Solch ein Halbleiterchip kann in das Innere des Kapselungsmittels eingebettet oder darauf oberflächenmontiert sein.In one embodiment, the half-bridge circuit is configured as a semiconductor package. In the context of the present application, the term "package" may in particular designate at least one at least partially encapsulated or surface-mounted semiconductor chip having at least one external, electrical contact (such as a pad, for example). The semiconductor chip may include at least one integrated circuit element (eg, a diode or a transistor) in a surface portion thereof. The semiconductor chip may be a bare die, or it may already be packed or encapsulated. Such a semiconductor chip may be embedded in or surface-mounted on the interior of the encapsulant.
In einer Ausführungsform gehören der Schalter und die Diode zu einer gemeinsamen Packung. Insbesondere können der Schalter und die Diode auf derselben Montagebasis, insbesondere auf demselben Leadframe, montiert sein. Es ist auch möglich, dass der Schalter und die Diode durch einen überbrückenden Clip elektrisch miteinander verbunden sind.In one embodiment, the switch and diode belong to a common package. In particular, the switch and the diode can be mounted on the same mounting base, in particular on the same leadframe. It is also possible that the switch and the diode are electrically connected to each other by a bridging clip.
In einer Ausführungsform ist die Halbbrückenschaltung als Abwärtswandlerschaltung konfiguriert. Zusätzlich zu einer Halbbrückenschaltung (die abwechselnd geschaltete Transistoren aufweisen kann) kann eine Wandlerschaltung zudem ein oder mehrere weitere, elektronische Elemente aufweisen (insbesondere mindestens ein zusätzliches passives, elektronisches Element).In one embodiment, the half-bridge circuit is configured as a buck converter circuit. In addition to a half-bridge circuit (which may have alternately connected transistors), a converter circuit may additionally have one or more further electronic elements (in particular at least one additional passive electronic element).
In einer Ausführungsform umfasst die Halbbrückenschaltung ferner einen Clip, die zum Koppeln des Schalters mit der Diode konfiguriert ist. Solch ein Clip kann aus einem metallischen Blech, wie beispielsweise einem Kupferblech, aufgebaut sein. Clipkoppeln anstelle von Koppeln nur durch Bonddrähte hat sich als ein leistungsstarker Mechanismus zum Anpassen der Spannungsbegrenzungsinduktivität erwiesen, um einen Überschwingschutz bereitzustellen.In one embodiment, the half-bridge circuit further includes a clip configured to couple the switch to the diode. Such a clip may be constructed from a metallic sheet such as a copper sheet. Clip coupling rather than just bond wires coupling has proven to be a powerful mechanism for adjusting the voltage limiting inductance to provide overshoot protection.
In einer Ausführungsform bildet mindestens ein Teil der Spannungsbegrenzungsinduktivität mindestens einen Teil des Clips aus. Die Clip kann weitere Abschnitte aufweisen, ein bestimmter Clipabschnitt kann jedoch den Wert der Spannungsbegrenzungsinduktivität durch Bilden einer Brücke von dem Source-Anschluss des Schalters zu dem Drain-Anschluss der Diode definieren. Als Alternative zu einer Clipsektion oder zum gesamten Clip ist es möglich, dass die Spannungsbegrenzungsinduktivität durch einen oder mehrere Drähte ausgebildet wird.In one embodiment, at least a portion of the voltage limiting inductor forms at least a portion of the clip. The clip may have further sections, however, a particular clip section may define the value of the voltage limiting inductance by forming a bridge from the source terminal of the switch to the drain terminal of the diode. As an alternative to a clip section or to the entire clip, it is possible for the voltage limiting inductance to be formed by one or more wires.
In einer Ausführungsform ist der Schalter als ein erster Halbleiterchip konfiguriert, die Diode ist als ein zweiter Halbleiterchip konfiguriert, und der Clip bedeckt mindestens einen Teil des ersten Halbleiterchips und des zweiten Halbleiterchips. Bei einem Halbleiterchip kann es sich um ein Halbleiterstück (wie beispielsweise ein Siliziumstück) mit einer aktiven Region handeln, in der ein oder mehrere integrierte Schaltungselemente (wie beispielsweise ein Transistor oder eine Diode) monolithisch ausgebildet sein können.In one embodiment, the switch is configured as a first semiconductor chip, the diode is configured as a second semiconductor chip, and the clip covers at least a portion of the first semiconductor chip and the second semiconductor chip. A semiconductor die may be a die (such as a piece of silicon) having an active region in which one or more integrated circuit elements (such as a transistor or a diode) may be monolithic.
In einer Ausführungsform umfasst die Halbbrückenschaltung ferner mindestens einen Draht, der eine Lücke zwischen dem Clip und einem Halbleiterchip, insbesondere einem Treiber der Halbbrückenschaltung, überbrückt. Somit stellt die Kombination von einem oder mehreren Bonddrähten und einem oder mehreren Clips einem Schaltungsgestalter leistungsstarke Werkzeuge zum Gestalten der Spannungsbegrenzungsinduktivität und weiterer Schaltungseigenschaften bereit.In one embodiment, the half-bridge circuit further comprises at least one wire having a gap between the clip and a Semiconductor chip, in particular a driver of the half-bridge circuit, bridged. Thus, the combination of one or more bond wires and one or more clips provides powerful circuitry to a circuit designer for shaping the voltage limiting inductance and other circuit characteristics.
In einer Ausführungsform umfasst der Clip eine erste Sektion, insbesondere eine plattenartige Sektion, die einen Laststrom führt, und umfasst eine zweite Sektion, insbesondere eine fingerartige Sektion, die elektrisch mit der ersten Sektion verbunden ist, aber während des Betriebs der Halbbrückenschaltung den Laststrom nicht führt. In anderen Worten kann ein Hauptbereich des Clips so angeordnet sein, dass der Hauptstrom über den Hauptbereich fließen kann. Abgesehen davon kann ein Finger des Clips so angeordnet und dimensioniert sein, dass verhindert wird, dass er eine signifikante Menge des Laststroms führt. Zum Beispiel kann es nur einem Gate-Ladestrom möglich sein, über den Fingerabschnitt zu fließen. Es ist möglich, dass sich solch ein Fingerabschnitt nicht auf einem Source-Potenzial des Schalters befindet.In one embodiment, the clip comprises a first section, in particular a plate-like section, which carries a load current, and comprises a second section, in particular a finger-like section, which is electrically connected to the first section but does not conduct the load current during operation of the half-bridge circuit , In other words, a main area of the clip may be arranged so that the main flow can flow over the main area. Apart from that, a finger of the clip may be arranged and dimensioned to prevent it from carrying a significant amount of the load current. For example, only one gate charge current may be allowed to flow across the finger portion. It is possible that such a finger portion is not at a source potential of the switch.
In einer Ausführungsform umfasst die Halbbrückenschaltung des Weiteren einen energiedissipierenden Ohm'schen Widerstand in Serie mit dem Schalter. Solch ein energiedissipierender Ohm'scher Widerstand kann mit dem Schalter und mit der Diode, wie in
In einer Ausführungsform umfasst die Halbbrückenschaltung des Weiteren einen ladeunterdrückenden Ohm'schen Widerstand parallel zum Schalter. Solch ein ladeunterdrückender Ohm'scher Widerstand kann mit dem Schalter und mit der Diode, wie in
In einer Ausführungsform ist die Halbbrückenschaltung so konfiguriert, dass sich bei „Ein”-Schalten des Schalters und bei „Aus”-Schalten des Schalters die Spannungsbegrenzungsinduktivität immer innerhalb eines Stromfließpfades befindet. Solch eine Ausführungsform ist in
In einer weiteren Ausführungsform ist die Halbbrückenschaltung so konfiguriert, dass sich bei „Ein”-Schalten des Schalters die Spannungsbegrenzungsinduktivität außerhalb eines Stromfließpfades befindet und sich bei „Aus”-Schalten des Schalters die Spannungsbegrenzungsinduktivität innerhalb des Stromfließpfades befindet. Solch eine Ausführungsform ist in
In einer Ausführungsform ist die Spannungsbegrenzungsinduktivität als ein induktives Rückkopplungselement konfiguriert, das zum Begrenzen eines Gate-Stroms des Schalters im Falle eines sich schnell ändernden elektrischen Stroms in der Halbbrückenschaltung konfiguriert ist. Auf Grundlage dieses Prinzips kann ein Spannungsüberschwingen insbesondere bei Ausschalten des Schalters wirksam unterdrückt werden. Dies kann zu einer zuverlässiger arbeitenden Halbbrückenschaltung führen.In one embodiment, the voltage limiting inductor is configured as an inductive feedback element configured to limit a gate current of the switch in the event of a rapidly changing electrical current in the half-bridge circuit. Based on this principle, a voltage overshoot can be effectively suppressed, particularly when the switch is turned off. This can lead to a more reliable half-bridge circuit.
In einer Ausführungsform umfasst die Packung mit der Draht-auf-Clip-Konfiguration ferner mindestens einen Halbleiterchip. Letzterer Halbleiterchip kann über den Draht elektrisch mit der Clip gekoppelt sein. Ein bestimmtes Ende des Drahtes kann auf einer oberen Hauptoberfläche des Clips festgesetzt sein, wohingegen das andere Ende des Drahtes auf einem Pad des Halbleiterchips festgesetzt sein kann.In an embodiment, the package with the wire-on-clip configuration further comprises at least one semiconductor chip. The latter semiconductor chip can be electrically coupled to the clip via the wire. A certain end of the wire may be set on an upper major surface of the clip, whereas the other end of the wire may be fixed on a pad of the semiconductor chip.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein weiterer Halbleiterchip direkt (d. h. ohne Draht) mit dem Clip elektrisch gekoppelt. Somit kann die Packung mehrere Halbleiterchips umfassen, wobei ein bestimmter Teil davon direkt mit dem Clip gekoppelt sein kann, wohingegen ein anderer Teil davon über den Draht indirekt mit dem Clip gekoppelt sein kann. Ein direktes Koppeln zwischen dem Clip und dem Halbleiterchip kann durch Löten erreicht werden.In one embodiment, at least one further semiconductor die is electrically coupled (i.e., without wire) to the clip. Thus, the package may include a plurality of semiconductor chips, a certain portion of which may be coupled directly to the clip, while another portion thereof may be indirectly coupled to the clip via the wire. Direct coupling between the clip and the semiconductor chip can be achieved by soldering.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Draht um einen Bonddraht. Somit kann eine Drahtbond-Clip-Hybridkopplung in einer Halbleiterpackung erreicht werden. Dies erhöht die Gestaltungsfreiheit eines Schaltungsgestalters.In one embodiment, the wire is a bonding wire. Thus, wirebond clip hybrid coupling in a semiconductor package can be achieved. This increases the freedom of design of a circuit designer.
In einer Ausführungsform umfasst der Clip eine plattenartige Sektion und mindestens eine Fingersektion, die mit der plattenartigen Sektion einstückig ausgebildet ist. Daher können durch eine rein geometrische Gestaltung unterschiedlichen Clipsektionen unterschiedliche Funktionen zugewiesen werden. Zum Beispiel kann die Tatsache, dass ein elektrischer Strom vorzugsweise entlang eines Pfades mit geringen Ohm'schen Widerstand fließt, zum Definieren von stromreichen und stromarmen Abschnitten des Clips verwendet werden.In one embodiment, the clip comprises a plate-like section and at least one finger section formed integrally with the plate-like section. Therefore, a purely geometric design can be different Clip sections are assigned different functions. For example, the fact that an electrical current preferably flows along a path of low ohmic resistance may be used to define low-current and low-current portions of the clip.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei der mindestens einen Fingersektion um eine überhängende Struktur. Solch eine überhängende Struktur kann entweder in Hinsicht auf eine Montagebasis (wie beispielsweise einen Leadframe) in einer Kragträgerweise frei beabstandet hängen oder kann durch ein Stützelement (wie beispielsweise einen Stützständer) zum Verhindern unerwünschten Durchbiegens des überhängenden Fingers gestützt sein (zum Beispiel, wenn während eines Verbindens eines Bonddrahtes mit dem Finger eine Kraft ausgeübt wird).In one embodiment, the at least one finger section is an overhanging structure. Such an overhanging structure may either hang freely in a cantilever manner with respect to a mounting base (such as a leadframe) or may be supported by a support member (such as a support post) to prevent unwanted flexing of the overhanging finger (e.g. Connecting a bonding wire with the finger a force is applied).
In einer Ausführungsform umfasst die Packung einen Träger, insbesondere einen Leadframe, auf dem der Clip montiert ist. Der Träger kann eine Montagebasis ausbilden, auf welcher der eine oder die mehreren Halbleiterchips montiert sind. Der Clip und der mindestens eine Draht sind auf den Halbleiterchips angeordnet und stellen das elektrische Kontaktieren von einer oberen Oberflächenseite aus bereit.In one embodiment, the package comprises a carrier, in particular a leadframe, on which the clip is mounted. The carrier may form a mounting base on which the one or more semiconductor chips are mounted. The clip and the at least one wire are disposed on the semiconductor chips and provide electrical contact from an upper surface side.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein Teil des Clips mit einem Überzug bedeckt, insbesondere einem Überzug, der mindestens eines aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Palladium, Nickel und Nickel-Phosphor umfasst. Üblicherweise kann ein Clip aus Kupfer aufgebaut sein. Kupfer neigt jedoch dazu, auf einer Oberfläche zu oxidieren. Um eine zuverlässige elektrische Verbindung mit einem Draht herzustellen, kann es daher notwendig sein, eine oxidierte, obere Oberfläche des Clips vor einem Drahtbonden zu reinigen oder chemisch zu behandeln, um die Oberflächenschicht aus Kupferoxid zu entfernen. Wenn der Kupferclip jedoch mit einem Überzug (oder irgendeiner anderen Beschichtung) bedeckt ist, die nicht dazu neigt, zu oxidieren (eine Bedingung, die für die vorstehend gegebenen Beispiele von Überzugmaterialien erfüllt ist), kann ein Drahtbonden auf solch einem Überzug direkt und ohne Vorbehandlung ausgeführt werden.In one embodiment, at least a portion of the clip is covered with a coating, particularly a coating comprising at least one of the group consisting of silver, gold, palladium, nickel and nickel-phosphorus. Usually, a clip can be made of copper. Copper, however, tends to oxidize on a surface. Therefore, to make a reliable electrical connection to a wire, it may be necessary to clean or chemically treat an oxidized top surface of the clip prior to wire bonding to remove the surface layer of copper oxide. However, when the copper clip is covered with a coating (or any other coating) that does not tend to oxidize (a condition that is met for the examples of coating materials given above), wire bonding may be applied to such a coating directly and without pretreatment be executed.
In einer Ausführungsform umfasst der Draht mindestens ein Material aus der Gruppe bestehend aus Silber, Aluminium, Gold und Kupfer. Allerdings sind auch andere Materialien möglich.In an embodiment, the wire comprises at least one of the group consisting of silver, aluminum, gold, and copper. However, other materials are possible.
In einer Ausführungsform umfasst der Draht mindestens eines aus der Gruppe bestehend aus einer Kugel, einem Keil und einem Band. Eine Kugel und ein Keil können Endabschnitte eines Bonddrahtes definieren. Abgesehen von einem fadenartigen Bonddraht, der wie ein Garn geformt ist, ist es auch möglich, einen bandartigen Bonddraht zu implementieren, der aus einem flachen Streifen elektrisch leitfähigen Materials aufgebaut ist.In one embodiment, the wire comprises at least one of the group consisting of a ball, a wedge and a band. A ball and a wedge may define end portions of a bonding wire. Apart from a thread-like bonding wire shaped like a yarn, it is also possible to implement a ribbon-type bonding wire constructed of a flat strip of electrically conductive material.
In einer Ausführungsform ist die Packung als eines konfiguriert aus der Gruppe bestehend aus einer DC/DC-Wandlungspackung (wie beispielsweise einem Abwärtswandler) und einer Motorantriebspackung. Zum Beispiel kann eine Halbbrücke mit einem Treiber für eine Motorsteuerung bereitgestellt werden.In one embodiment, the package is configured as one of the group consisting of a DC / DC conversion package (such as a buck converter) and a motor drive package. For example, a half-bridge may be provided with a driver for motor control.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der angehängten Ansprüche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following description and the appended claims, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which like parts or elements are denoted by like reference characters.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die begleitenden Zeichnungen, die eingeschlossen sind, um ein tiefergehendes Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung bereitzustellen, und die einen Teil der Patentschrift darstellen, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung.The accompanying drawings, which are included to provide a more thorough understanding of embodiments of the invention and which form a part of the specification, illustrate embodiments of the invention.
In den Zeichnungen:In the drawings:
veranschaulichen
Detaillierte Beschreibung von AusführungsbeispielenDetailed description of embodiments
Die Veranschaulichung in der Zeichnung ist schematisch und nicht maßstabsgetreu.The illustration in the drawing is schematic and not to scale.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung implementiert ein induktives Rückkopplungselement in einer integrierten Leistungsstufe, das den Gate-Strom im Falle einer schnellen Änderung eines Stroms im Zeitverlauf verringern kann. Insbesondere in Kombination mit einer niedrig induktiven Gate-Schaltung kann dies die maximale Source-Drain-Spannung (VDS) über dem Schalter auf einen gewünschten Wert begrenzen. Somit stellt es einen Hauptpunkt eines Ausführungsbeispiels dar, eine Source-Induktivität aktiv zu gestalten, zum Beispiel durch eine oder mehrere zusätzliche Anschlüsse (z. B. einen zusätzlichen Finger eines Clips, entsprechend angepasste Bonddrähte im Falle von Drahtbonden usw.). Ein Erzeugen einer geeigneten Source-Induktivität kann auch auf dem Clip selbst erfolgen, um den notwendigen Spannungsabfall zu erzeugen. Auch Drahtbonden von Gate- zu Source-Pad oder zu einem Leadframe kann möglich sein, um die beschriebenen technischen Funktionen zu verwirklichen.An embodiment of the invention implements an inductive feedback element in an integrated power stage that can reduce gate current in the event of a rapid change in current over time. In particular, in combination with a low-inductance gate circuit, this can limit the maximum source-drain voltage (VDS) across the switch to a desired value. Thus, a major point of an embodiment is to actively make a source inductance, for example, by one or more additional terminals (eg, an additional finger of a clip, correspondingly adapted bond wires in the case of wire bonding, etc.). Generating a suitable source inductance can also be done on the clip itself to generate the necessary voltage drop. Also wire bonding from gate to source pad or to a leadframe may be possible to realize the described technical functions.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist eine Mehrfachfinger-Clipgestaltung implementiert, um das Potenzial vom Drain-Anschluss der Diode zur Oberfläche des Schalters zu bringen (wobei die Länge eines entsprechenden Einschnitts den Induktivitätswert der Spannungsbegrenzungsinduktivität definiert). Solch ein zusätzlicher Clipfinger kann in mechanischem Kontakt mit einer passivierten Oberfläche stehen (um ein Drahtbonden auf dem Clip zu ermöglichen). Der Clipfinger kann in einem zugeordneten Landebereich (vom Source-Anschluss des FET isoliert) an das Die gelötet werden, und eine Verbindung mit dem Gate-Treiber (Phasendraht) kann durch Drahtbonden auf der Chipoberfläche hergestellt werden. Insbesondere kann die Source-Induktivität durch den Clip verwirklicht werden, die Verbindung vom Drain-Anschluss des umgekehrten Low-Side-FET kann jedoch durch Drahtbonden hergestellt werden.According to embodiments, a multiple finger clip design is implemented to bring the potential from the drain terminal of the diode to the surface of the switch (the length of a corresponding cut defines the inductance value of the voltage limiting inductance). Such an additional clip finger may be in mechanical contact with a passivated surface (to allow wire bonding on the clip). The clip finger may be soldered to the die in an associated land area (isolated from the source terminal of the FET), and a connection to the gate driver (phase wire) may be made by wire bonding on the chip surface. In particular, the source inductance can be realized by the clip, but the connection from the drain of the inverted low-side FET can be made by wire bonding.
Besonders vorteilhaft ist eine Gestaltung, bei der die Source-Induktivität ein Viertel oder mehr der Gesamtschleifeninduktivität beträgt.Particularly advantageous is a design in which the source inductance is a quarter or more of the Gesamtschleifeninduktivität.
In einer Ausführungsform kann die Auswirkung bei Einschalten und Ausschalten getrennt werden, falls ein Bootstrap-Kondensator mit dem Schalter verbunden ist. Es ist möglich, für das Einschalten und Ausschalten unterschiedliche Source-Induktivitätswerte zu gestalten.In one embodiment, the effect on power up and power off may be disconnected if a bootstrap capacitor is connected to the switch. It is possible to design different source inductance values for turn-on and turn-off.
In einer Ausführungsform ist es möglich, eine Source-Rückkopplung für beide Übergänge bereitzustellen, wobei sowohl der Kondensator als auch der Gate-Treiber derart miteinander verbunden sind, dass der induktive Effekt erzeugt wird. In einer weiteren Ausführungsform ist solch eine Rückkopplung nur für die Ausschaltphase bereitgestellt. In noch einer weiteren Konfiguration ist eine Rückkopplung nur für das Einschalten aktiviert (in solch einer Ausführungsform kann ein Treiber direkt mit dem FET verbunden sein).In one embodiment, it is possible to provide source feedback for both junctions, where both the capacitor and the gate driver are interconnected to produce the inductive effect. In another embodiment, such feedback is provided only for the turn-off phase. In yet another configuration, feedback is enabled only for power up (in such an embodiment, a driver may be directly connected to the FET).
Es kann vorteilhaft sein, eine schnelle Gate-Schleife zu besitzen, d. h. eine niedrige Gate-Schleifen-Induktivität für eine schnellere Antwort zu besitzen. In diesem Kontext ist es möglich, dass ein NMOS der Ausgangsstufe des High-Side-Treibers in den Schalter integriert sein kann. Es kann zudem vorteilhaft sein, eine Leistungsstufe mit integriertem NMOS im High-Side-Schalter zusammen mit der vorstehend beschriebenen Source-Rückkopplungsschleifen-Gestaltung bereitzustellen.It may be advantageous to have a fast gate loop, i. H. to have a low gate loop inductance for a faster response. In this context, it is possible that an NMOS of the output stage of the high-side driver may be integrated into the switch. It may also be advantageous to provide a power stage with integrated NMOS in the high-side switch together with the source feedback loop design described above.
Da die Rückkopplung nur für höhere Ströme (zum Beispiel bei I ≥ 20 A) benötigt wird, kann sie in einer bestimmten Ausführungsform bei niedrigeren Strömen umgangen werden, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen.Since the feedback is only needed for higher currents (for example, at I ≥ 20 A), in a particular embodiment, it can be bypassed at lower currents to achieve optimum efficiency.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Leistungsstufe mit zwei Anschlüssen bereitgestellt werden, wobei der Treiber den Strom ermittelt und auf Grundlage des Ergebnisses den geeigneten Anschluss verwendet, um einen Niedriglast- und Spitzenwirkungsgrad zu optimieren. According to one embodiment, a dual port power stage may be provided, wherein the driver determines the current and uses the appropriate port based on the result to optimize low load and peak efficiency.
Vor dem Beschreiben von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die auf
Eine Schwierigkeit bei Abwärtswandlern auf Grundlage von Halbbrücken liegt darin, dass ein schnelles Schalten zu Spannungsüberschwingen führen kann. Dies ist besonders für den High-Side-Schalter kritisch: Wenn der Feldeffekttransistor (FET) eingeschaltet wird, wird die im Magnetfeld der Leistungsschleife gespeicherte Energie den Strom am Fließen halten, was die Ausgangskapazität des FET aufladen wird. In einer Schaltung des Standes der Technik gibt es kein wirksames Umgehungselement, das die Energie aufnehmen könnte. Wenn die magnetische Energie EM (grob als EM = L·I2/2 gegeben, wobei L die Induktivität und I der Strom ist) größer ist als die Energie EC, die der Ausgangskondensator speichern kann (EC = C·VDS2/2, wobei C die Kapazität ist), kann die Spannung die Durchbruchspannung erreichen. Da die Induktivität nicht auf null verringert werden kann und Laststromwerte dazu neigen, nach oben zu gehen, können Lawinenfälle für hoch effiziente Abwärtswandler unvermeidbar sein.One difficulty with half-bridge downconverters is that fast switching can cause voltage overshoots. This is especially critical for the high side switch: when the field effect transistor (FET) is turned on, the energy stored in the magnetic field of the power loop will keep the current flowing, which will charge the output capacitance of the FET. In a circuit of the prior art, there is no effective bypass element that could absorb the energy. When the magnetic energy (roughly given as EM = L · I 2/2, where L is the inductance and I is current) EM is greater than the energy Ec of the output capacitor can store (EC = C · V DS 2/2, where C is the capacitance), the voltage can reach the breakdown voltage. Since the inductance can not be reduced to zero and load current values tend to go up, avalanche cases may be unavoidable for highly efficient down-converters.
Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen eine Lösung bereit, welche die Spannungsspitzen von integrierten Abwärtswandlern (Leistungsstufen) wirksam verringert, während der Wandlungswirkungsgrad auf einem hohen Niveau gehalten wird.Embodiments of the invention provide a solution that effectively reduces the voltage spikes of integrated buck converters (power stages) while maintaining the conversion efficiency at a high level.
Zwischen einem Einlass
Es kann angenommen werden, dass der Ausgangsstromwert Iout positiv ist, Q1 ein idealer Schalter ist (d. h. die Schaltzeit null beträgt), und dass die Kapazität Coss_Q1 von Q1 aus der Schleifeninduktivität L_loop, d. h. einer Stromquelle, geladen wird.It can be assumed that the output current value Iout is positive, Q1 is an ideal switch (i.e., the switching time is zero), and that the capacitance Coss_Q1 of Q1 is derived from the loop inductance L_loop, i. H. a power source is charged.
Die in der Schleifeninduktivität L_loop gespeicherte Energie EL ist:
Sobald Q1 ausgeschaltet ist, bewegt sich das System zu seinem neuen Gleichgewicht. Es ist ein gedämpfter, nichtlinearer Schwingkreis, und die Energie wird in kapazitive Energie EC überführt, d. h. in die Kapazität Coss_Q1 von Q1:
In letzterer Gleichung handelt es sich bei U um die Spannung und bei Q um die Ladung. VDS,max wird erreicht, wenn EL vollständig in EC überführt ist, d. h. EC = EL. Wenn die Energie EL zu groß ist, wird in Q1 eine Lawine erzeugt. Wenn das System linear wäre, wäre das Überschwingen wie folgt:
Strategien, um eine wiederholte Lawine in dem im Schaltplan
Eine bestimmte Maßnahme, die zum Verringern des Überschwingens unternommen werden kann, stellt die Verringerung der Schleifeninduktivität L_loop dar. Dies ist aufgrund anderer Schaltungsgestaltungsbeschränkungen jedoch nur in einem begrenzten Ausmaß möglich. Eine sehr niedrige Induktivität kann zu einem großen Ladestrom führen, sodass der Strom im ersten Kondensator größer als 100 A sein kann. One particular measure that can be taken to reduce overshoot is the reduction in loop inductance L_loop. However, this is possible only to a limited extent due to other circuit design limitations. A very low inductance can lead to a large charging current, so that the current in the first capacitor can be greater than 100 A.
Eine weitere Maßnahme, die zum Verringern des Überschwingens unternommen werden kann, stellt die Erhöhung der Kapazität des Schalters C_oss_Q1 dar. Eine bestimmte Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Verwendung eines größeren Die. Wenn das Die jedoch zu groß wird, passt es unter Umständen nicht in die Packung. Darüber hinaus bringt dieser Ansatz zusätzliches Volumen mit sich. Darüber hinaus kann sich dies negativ auf den Spitzenwirkungsgrad auswirken, kann jedoch die Volllast verbessern.Another measure that can be taken to reduce the overshoot is to increase the capacity of the switch C_oss_Q1. One way to achieve this is to use a larger die. However, if the die gets too big, it may not fit in the pack. In addition, this approach brings with it extra volume. In addition, this can negatively impact peak efficiency, but can improve full load.
Noch ein weiterer Ansatz zum Verringern der Überschwingspannung ist das Einfügen eines Serienwiderstands Ross_Q1, um die Energie zu dissipieren.Yet another approach to reducing the overshoot voltage is to insert a series resistor Ross_Q1 to dissipate the energy.
Ein weiterer Ansatz zum Verringern der Überschwingspannung besteht darin, einen Parallelwiderstand R_chan (vorzugsweise als Kanalwiderstand ausgeführt) oder einen Strompfad einzufügen, um das Aufladen der Kapazität des Schalters Coss_Q1 zu verringern. Dies hält den Kanal offen oder öffnet ihn wieder. Es verringert die Gate-Treiber-Stärke für höhere Ströme und verringert die Schwellenwertspannung auf ein langsames Ausschalten. Es ist ebenfalls möglich, eine Zenerdiode zwischen Gate und Drain zu implementieren.Another approach for reducing the overshoot voltage is to insert a shunt resistor R_chan (preferably made as a channel resistor) or a current path to reduce the charging of the capacitance of the switch Coss_Q1. This keeps the channel open or opens again. It reduces the gate driver power for higher currents and reduces the threshold voltage to a slow turn off. It is also possible to implement a zener diode between gate and drain.
Während die vorstehend erwähnten Ansätze (insbesondere die Implementierung des vorstehend beschriebenen Serienwiderstandes und/oder des vorstehend beschriebenen Parallelwiderstandes) zum Begrenzen der Überschwingspannung vorteilhaft gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung implementiert werden können, sind diese Ansätze auf ein bestimmtes Ausmaß begrenzt, sodass noch Spielraum zur Verbesserung hinsichtlich einer Überschwingunterdrückung vorhanden ist.While the above-mentioned approaches (particularly, the implementation of the above-described series resistor and / or the above-described parallel resistor) for limiting the overshoot voltage can be advantageously implemented according to embodiments of the invention, these approaches are limited to a certain extent, so there is still room for improvement Overshoot suppression is present.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel und wie nachstehend in weiterem Detail beschrieben ist, ist es möglich, die Überschwingspannung wirksam zu verringern, indem unter Verwendung einer Source-Induktivität eine Rückkopplung erzeugt wird, um einen Gate-Strom zu verringern (insbesondere wenn eine kleine Gate-Schleifen-Induktivität implementiert ist).According to one embodiment, and as described in further detail below, it is possible to effectively reduce the overshoot voltage by providing feedback using a source inductance to reduce gate current (particularly, when a small gate loop is used). Inductance is implemented).
Das Verringern der Schleifeninduktivität ist durch die physischen Abmessungen und Bestückungseinschränkungen während des Zusammenbauprozesses begrenzt. Eine höhere Ausgangskapazität Coss_Q1 hilft zwar, um jedoch 60 A ohne Lawine in dem in
Ein Einfügen eines Widerstandes in Serie zu einem Teil der Ausgangskapazität verringert das Überschwingen, ist jedoch von begrenzter Wirkung. Im gegebenen Beispiel zeigt ein Wert von ungefähr 1 Ohm eine begrenzte Verbesserung (vergleiche nachstehend beschriebene
Der Nachteil für den Wirkungsgrad beträgt ungefähr 0,2%.The disadvantage for the efficiency is about 0.2%.
Ein paralleler Pfad zur Ausgangskapazität kann ausgebildet werden, indem der Kanal offen gehalten wird, um einen Teil der Energie vorbeizuleiten. In den meisten Fällen ist die Gate-Treiber-Stärke verringert, entweder im Treiber selbst oder durch Einfügen eines Gate-Widerstandes in Serie, der in den FET oder den Treiber integriert sein kann. Dies wird die Zeit verlängern, während derer der Kanal Strom leiten kann. Ein Nachteil dieses Ansatzes liegt darin, dass dies Verluste über dem gesamten Lastbereich signifikant erhöht (siehe
Die Integration einer Zenerdiode erhöht die Komplexität, verringert jedoch das Spannungsüberschwingen. Eine niedrigere Schwellenwertspannung wirkt ähnlich wie der schwächere Gate-Treiber.Integration of a Zener diode increases complexity, but reduces voltage overshoot. A lower threshold voltage acts much like the weaker gate driver.
Somit verbleibt Spielraum für eine Verbesserung hinsichtlich einer Zuverlässigkeit und eines Wirkungsgrades einer Halbbrückenschaltung. Im Folgenden werden entsprechende Verbesserungen beschrieben, die durch Ausführungsbeispiele der Erfindung bereitgestellt werden.Thus, there is room for improvement in reliability and efficiency of a half-bridge circuit. In the following, corresponding improvements will be described which are provided by embodiments of the invention.
Der Abwärtswandler schließt die in
Ein Schalter
Wie erwähnt, ist der Schalter
Als Alternative zu der in
Obwohl in
Die Eingangsspannung der Halbbrückenschaltung
Um ein Spannungsüberschwingen während des „Aus”-Schaltens des Schalters
In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Schleifeninduktivität
Im Falle eines Übergangs gibt es einen Spannungsabfall proportional zur Änderung des Stroms I im Zeitverlauf (d. h. dl/dt), der verringern oder gar stoppen kann, dass der Gate-Strom bis zum Ende der Kommutierungsphase fließt. Falls er entsprechend gestaltet ist, wird der Kanal bei einer ziemlich hohen VDS leitfähig bleiben, was nach wie vor ein schnelles Ausschalten garantiert.In the case of a transient there is a voltage drop proportional to the change in current I over time (i.e., dl / dt), which can reduce or even stop the gate current from flowing until the end of the commutation phase. If designed accordingly, the channel will remain conductive at a fairly high VDS, still guaranteeing fast turn off.
Für das gegebene Beispiel kann ein Wert der Spannungsbegrenzungsinduktivität
Wenn die Gate-Schaltung schnell genug ist, stellt sich die Spannung ein auf ungefähr:
In letzterer Gleichung ist Vin die am Eingangsanschluss
Für eine Wandlung eines Eingangs von 12 V auf eine niedrigere Ausgangsspannung unter Verwendung von Transistoren mit einer Nenndurchbruchspannung von 25 V oder 30 V kann die Source-Induktivität so angepasst werden, dass sie vorzugsweise etwa ein Viertel der Schleifeninduktivität beträgt. In einer bestimmten Implementierung entspricht dies einem Wert der Spannungsbegrenzungsinduktivität
Die Gate-Schleifen-Induktivität
Für einen weiter verbesserten Wirkungsgrad ist es sogar möglich, die Source-Induktivität (d. h. die Spannungsbegrenzungsinduktivität
Falls eine bestimmte Schaltungsgestaltung mit einem notwendigen Wert Ls der Source-Induktivität inkompatibel ist, kann eine niedrigere Plateauspannung V_plateau, d. h. eine niedrigere Schwellenwertspannung, verwendet werden.If a particular circuit design with a necessary value Ls of the source Inductance is incompatible, a lower plateau voltage V_plateau, ie a lower threshold voltage can be used.
Vor Beschreiben der Funktionalität der Packung
Die Halbleiterpackung
Des Weiteren umfasst die Halbleiterpackung
Die Halbleiterchips (siehe Bezugsziffer
Clips des Standes der Technik sind aus Kupfermaterial ausgebildet, das zu Oxidation neigt. Dies stellt im Stand der Technik kein Problem dar. Bei dem Clip
Der Bonddraht
Auf die Halbbrückenfunktionalität der Packung
Wie aus
Die Draht-auf-Clip-Architektur gemäß
Um eine 100 pH-Spannungsbegrenzungsinduktivität zu gestalten, ist eine zusätzliche Verbindung möglich, um das Drain-Potenzial des Diodentransistors Q2 (in
Für das „Ein”-Schalten führt der Strompfad vom Anschluss „Phase” über den verbundenen Bonddraht
Im Gegensatz zur Packung
Gemäß
Es sollte beachtet werden, dass der Begriff „umfassend” andere Elemente oder Merkmale nicht ausschließt und der/die/das „eine” sowie deren Deklinationen die Mehrzahl nicht ausschließt. Es können auch Elemente kombiniert werden, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben werden. Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass Bezugszeichen nicht als den Umfang der Ansprüche einschränkend zu betrachten sind. Darüber hinaus soll der Umfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die bestimmten, in der Patentschrift beschriebenen Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, Herstellungsweise, gegenständlichen Zusammensetzung, Mittel, Verfahren und Schritte beschränkt sein. Dementsprechend sollen die angehängten Ansprüche in ihrem Umfang solche Prozesse, Maschinen, Herstellungsweisen, gegenständliche Zusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte einschließen.It should be noted that the term "comprising" does not exclude other elements or features and that the "one" and its declinations do not preclude the plural. It is also possible to combine elements which are described in connection with different embodiments. It should also be noted that reference numbers are not to be considered as limiting the scope of the claims. Moreover, the scope of the present application should not be limited to the particular embodiments of the process, machine, method of manufacture, subject matter, means, methods, and steps described in the specification. Accordingly, the appended claims are intended to include within their scope such processes, machines, methods of manufacture, subject matter compositions, means, methods or steps.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016015712.7A DE102016015712A1 (en) | 2016-04-04 | 2016-04-04 | Half bridge circuit and clip wire pack |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016015712.7A DE102016015712A1 (en) | 2016-04-04 | 2016-04-04 | Half bridge circuit and clip wire pack |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102016015712A1 true DE102016015712A1 (en) | 2017-10-05 |
Family
ID=59885521
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102016015712.7A Withdrawn DE102016015712A1 (en) | 2016-04-04 | 2016-04-04 | Half bridge circuit and clip wire pack |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102016015712A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116913910A (en) * | 2022-11-25 | 2023-10-20 | 苏州悉智科技有限公司 | Power module packaging structure of laminated wiring |
-
2016
- 2016-04-04 DE DE102016015712.7A patent/DE102016015712A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116913910A (en) * | 2022-11-25 | 2023-10-20 | 苏州悉智科技有限公司 | Power module packaging structure of laminated wiring |
CN116913910B (en) * | 2022-11-25 | 2024-03-22 | 苏州悉智科技有限公司 | Power module packaging structure of laminated wiring |
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