TWI785469B - 功率電晶體模組及其控制方法 - Google Patents

功率電晶體模組及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI785469B
TWI785469B TW110101984A TW110101984A TWI785469B TW I785469 B TWI785469 B TW I785469B TW 110101984 A TW110101984 A TW 110101984A TW 110101984 A TW110101984 A TW 110101984A TW I785469 B TWI785469 B TW I785469B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
power transistor
power
gate voltage
voltage
gate
Prior art date
Application number
TW110101984A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202130121A (zh
Inventor
顏誠廷
許甫任
洪湘婷
Original Assignee
即思創意股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 即思創意股份有限公司 filed Critical 即思創意股份有限公司
Publication of TW202130121A publication Critical patent/TW202130121A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI785469B publication Critical patent/TWI785469B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
    • H03K17/165—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches by feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/166—Soft switching
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0036—Means reducing energy consumption

Abstract

一種功率電晶體模組，包括：一個功率電晶體元件以及一個與功率電晶體元件電性連接的控制電路。控制電路輸出至少一個閘極電壓以驅動功率電晶體元件，並響應由外部輸入或由功率電晶體元件回授的至少一個訊號來調節閘極電壓；其中閘極電壓大於功率電晶體元件的臨界電壓，且閘極電壓的擺幅與訊號呈單調遞增或單調遞減的函數關係。

Description

功率電晶體模組及其控制方法
本說明書是有關於一種電力電子模組及其控制方法，特別是有關於一種功率電晶體(power transistor)模組及其控制方法。
不同的電子設備的電力系統，在電力傳輸使用的過程中，必定經過數次的功率轉換，例如直流/交流互轉(AC/DC)或直流/直流轉換(DC/DC)。隨著電力需求的增加，以及節電意識的抬頭，用來降低每一次轉換時的功率損耗(power loss)的電力電子元件技術日漸受到重視。功率電晶體，例如金屬-氧化物-半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、絕緣閘極雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、接面場效電晶體(Junction Gate Field Effect Transistor，JFET)、高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor，HEMT)、異質結構場效電晶體(Heterostructure Field Effect Transistor，HFET)或調制摻雜場效電晶體(Modulation-Doped Field Effect Transistor， MODFET)等，由於具備單極性及電壓控制的特性，且具有較高輸入阻抗、較低的驅動功率、導通電阻值和切換損耗、較快的切換速度以及較大的安全操作區域等技術優勢，是最常被應用於功率轉換系統中的電力電子元件。
在一般操作中，使用較高的閘極電壓(gate voltage,Vgs)，可以增加功率電晶體元件導通狀態下的電流密度，降低功率電晶體元件導通損耗(conduction loss)。然而，施加較高的閘極電壓或是高電流密度可能會造成閘極和閘介電層介面的鍵結斷裂鍵，導致介面的陷阱電荷(dangling bond)和氧化層固定正電荷(fixed charge in oxide layer)等缺陷的產生，而產生電性的偏移；而施加較高的閘極電壓時，也會使閘極絕緣層所承受的電場提高，而閘極絕緣層的壽命(lifetime)與其所承受的電場成反比，因而影響元件的使用壽命。
碳化矽(SiC,Silicon Carbide)是一種寬能隙(wide band gap)半導體材料，具有比傳統的矽更高的介電崩潰強度(strength of dielectric breakdown，指材料所能承受的電場強度)，使以碳化矽所製作功率元件，例如SiC MOSFET與SiC IGBT能提供比Si MOSFET或Si IGBT更低的導通損耗以及切換損耗，進而提高電力電子系統的效率並節省能源的耗用。碳化矽MOSFET或IGBT與傳統的矽MOSFET或IGBT相比，由於其通道遷移率(channel mobility)較低，通道電阻佔元件整體導通電阻的比例較高，再加上其電子的飽和漂移速度(saturated drift velocity of electron)較高，因此其導通電阻可隨著閘極電壓的增加而持續下降。
一般的功率電晶體大多屬於N型通道(例如n-channel MOSFET或稱enhancement mode,e-mode MOSFET)，屬於常關型(normally-off)元件，即當閘極電壓Vgs=0V或負壓(Vgs<0)時，元件處於關閉狀態(turn-off)；而當施加於一高於臨界電壓(threshold voltage,Vth)的閘極電壓時(Vgs>Vth)，元件開啟(turn-on)，此時汲極(drain)與源極(source)導通。以閘極氧化層厚度為50nm的SiC MOSFET為例，其臨界電壓Vth常設計在2~3V之間，當施加一20V的閘極電壓使其開啟時(此時施加於閘極氧化層上的電場為4MV/cm)，其導通電阻大約可較閘極電壓為18V時下降10%，較閘極電壓為16V時下降20%。相對之下，一般的矽功率MOSFET，其閘極電壓大約在8~10V間即達到飽和，施加更高的閘極電壓例如15V或20V並無法使導通電阻進一步下降。
因此在使用像碳化矽MOSFET這樣的寬能矽半導體功率電晶體時，就面臨了兩難的狀況(trade-off)，亦即使用較高的閘極電壓來開啟MOSFET可獲得較高的性能(較低的導通電阻)但較高的電場會縮短閘極絕緣層壽命；若使用較低的閘極電壓來開啟MOSFET，較低的電場可延長閘極絕緣層的使用壽命，但必須犧牲一部分的性能(較高的導通電阻)。若使用較低的閘極電壓，但以增加晶片面積來降低導通電阻，除碳化矽為一相對昂貴之材料，將使得成本增加之外，元件的輸入電容(input capacitance,Ciss)、輸出電容(output capacitance,Coss)及輸出電荷(output charge,Qoss)等特性也會隨著 晶片面積增加而變大，進而使得元件的切換損耗(switching loss)增加而影響效率。
故而，有需要提供一種先進的功率電晶體模組及其控制方法，來解決習知技術所面臨的問題。
本說明書的一實施例揭露一種功率電晶體模組，包括：一個功率電晶體元件以及一個與功率電晶體元件電性連接的控制電路。控制電路輸出至少一個閘極電壓以驅動功率電晶體元件，並響應由外部輸入或由功率電晶體元件回授的至少一個訊號來調節閘極電壓；其中閘極電壓大於功率電晶體元件的臨界電壓，且閘極電壓的擺幅與此訊號呈單調遞增或單調遞減的函數關係。
本說明書的另一實施例揭露一種功率電晶體模組的控制方法。其中，功率電晶體模組包括一個功率電晶體元件。功率電晶體模組的控制方法包括下述步驟：首先，提供一個控制電路，使其與功率電晶體元件電性連接。然後，使用此控制電路，根據由外部輸入或由功率電晶體元件回授的至少一個訊號來調節輸出至功率電晶體元件的至少一個閘極電壓。其中閘極電壓大於功率電晶體元件的臨界電壓，且閘極電壓的擺幅與此訊號呈單調遞增或單調遞減的函數關係。
根據上述實施例，本說明書是在提供一種功率電晶體模組及其控制方法。其係在使用功率電晶體元件作為功率開關元件的狀況下，採用控制電路來控制施加於功率電晶體元件使其導通的閘 極電壓。控制電路對功率電晶體元件所施加的閘極電壓，是由輸入控制電路的訊號來決定。其中，此訊號可以是由電晶體元件所回授的訊號，也可以是由外部輸入的訊號。此訊號至少需有二或二以上種狀態。當控制電路之輸入訊號為狀態一時，控制電路對功率電晶體元件施加第一閘極電壓；當控制電路之輸入訊號為狀態二時，控制電路對功率電晶體元件施加第二閘極電壓；且第一閘極電壓和第二閘極電壓大於功率電晶體元件的臨界電壓(Vt)。
根據以上說明，進一步舉例如下：當功率電晶體模組的輸出功率較高時，對其施加較高的閘極電壓，藉以降低功率電晶體元件的導通電阻(Rdson)，降低功率電晶體元件導通損耗，以增進功率電晶體模組的效率。當功率電晶體模組的輸出功率較低時，對其施加較低的閘極電壓，降低施加於功率電晶體元件閘極絕緣層上的電場，以增加功率電晶體元件的使用壽命並減少驅動功率電晶體元件所需的功耗。
10:功率電晶體模組
100:功率電晶體元件
100a:閘極
100b:汲極
100c:源極
100d:閘介電層
102:磊晶層
103:P型重摻雜區
110:控制電路
110a:閘極驅動單元
110b:電壓調節單元
20:功率電晶體模組
210:控制電路
210a:閘極驅動單元
210b:電壓調節單元
210c:感測單元
30:功率電晶體模組
300:功率電晶體元件
310:控制電路
310a:閘極驅動單元
310b:電壓調節單元
S31:外部輸入的訊號
S32:由功率電晶體元件回授之訊號
S11:外部輸入的訊號
S12:由功率電晶體元件回授之訊號
S21:外部輸入的訊號
S22:由功率電晶體元件回授之訊號
IN:閘極控制訊號
Vds:汲極電壓
Vcc:初始電壓
Vgs:閘極電壓
Vdd:供電電壓
Vref:參考電壓
V11、V2b、V21:第一閘極電壓
V12、V2a、V22:第二閘極電壓
V13、V23:第三閘極電壓
RV:額定電壓
301:提供一個控制電路，使其與功率電晶體元件電性連接
302:當功率電晶體模組輸出第一輸出功率時，控制電路對功率電晶體元件施加第一閘極電壓
303:當功率電晶體模組輸出第二輸出功率時，控制電路對功率電晶體元件施加第二閘極電壓
為了對本說明書之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：第1A圖是根據本說明書的一實施例所繪示的功率電晶體模組的系統方塊示意圖；第1B圖係根據一實施例繪示第1A圖之功率電晶體元件的閘極電壓準位(擺幅)與功率電晶體模組輸出功率的函數關係圖； 第2A圖是根據本說明書的另一實施例所繪示的功率電晶體模組的系統方塊示意圖；第2B圖係根據另一實施例繪示第2A圖之功率電晶體元件的閘極電壓準位(擺幅)與功率電晶體模組輸出功率的函數關係圖；第2C圖係根據又一實施例繪示第2A圖之功率電晶體元件的閘極電壓準位(擺幅)與功率電晶體模組輸出功率的函數關係圖；第3A圖係根據本說明書的又再一實施例所繪示的一種功率電晶體模組的系統方塊示意圖；以及第3B圖係繪示第3A圖之功率電晶體模組的控制方法。
本說明書是提供一種功率電晶體模組及其控制方法，可降低功率電晶體元件導通損耗，並且延長元件的使用壽命。為了對本說明書之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉複數個實施例，並配合所附圖式作詳細說明。
但必須注意的是，這些特定的實施案例與方法，並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參數來加以實施。較佳實施例的提出，僅係用以例示本發明的技術特徵，並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者，將可根據以下說明書的描述，在不脫離本發明的精神範圍內，作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中，相同的元件，將以相同的元件符號加以表示。請參照第1A圖，第 1A圖是根據本說明書的一實施例所繪示的功率電晶體模組10的系統方塊示意圖。功率電晶體模組10包括：一個功率電晶體元件100以及一個與功率電晶體元件100電性連接的控制電路110。在本說明書的一些實施例中，功率電晶體元件100可以是一種金屬-氧化物-半導體場效應電晶體，較佳是一種碳化矽金氧半場效應電晶體。
例如在本實施例中，功率電晶體元件100可以是一種垂直式N-通道功率金屬-氧化物-半導體場效應電晶體。功率電晶體元件100可以包括n型重摻雜之基材101、形成在基材101底面(bottom)的汲極100b、形成在基材101上方的n型輕摻雜磊晶層102、位於磊晶層102上方的閘介電層100d、位於閘介電層100d上方的閘極100a、形成於磊晶層102中的P型區(P_body)103、形成於P型摻雜區103中，且鄰接閘介電層100d的N型(N+)源極100c摻雜區。該基材之材料例如為碳化矽(SiC)，該碳化矽材料之結晶型態例如為4H、6H或3C。
其中構成閘極100a的材料例如是摻雜高濃度磷的n型多晶矽(poly-Si)或是摻雜高濃度硼的p型多晶矽。另外，功率電晶體元件100的結構也不以此為限，任何一種可用於功率轉換系統中的電晶體元件，皆未脫離本說明書所述功率電晶體元件100的精神範圍。例如，在本說明書的另一實施例中，功率電晶體元件可以是一種絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT，Insulated gate bipolar transistor)，較佳可以是一種使用碳化矽基板與磊晶層的碳化矽絕緣閘極雙極性電晶體(SiC IGBT)。
例如，在本說明書的另一實施例中，功率電晶體元件100可以是一種水平式(Lateral)碳化矽功率金屬-氧化物-半導體場效應電晶體或IGBT(未繪示)。在本說明書的再一實施例中，功率電晶體元件100也可以係一寬能隙(Wide band-Gap)功率電晶體元件。其中，寬能隙係指其能隙(Band-Gap)大於2.5eV之半導體材料，包含但不限於由碳化矽(Silicon Carbide，SiC)、氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)、氧化鎵(Gallium Oxide，Ga2O3)、氮化鋁(Aluminium nitride，AlN)、氧化鋁(Aluminium Oxide，Al2O3)與鑽石(Diamond)等材料製成之金屬-氧化物-半導體場效電晶體、絕緣閘極雙極性電晶體、接面場效電晶體或高電子遷移率電晶體、異質結構場效電晶體或調制摻雜場效電晶體。
控制電路110與功率電晶體元件100電性連接，並且可以根據功率電晶體元件100的輸出功率，控制施加於閘極100a的閘極電壓。例如在本說明書的一些實施例中，控制電路110包括：一個閘極驅動單元(Gate Driver Unit)110a以及一個電壓調節單元(voltage regulating unit)110b。閘極驅動單元110a與功率電晶體元件100電性連接，係用以輸出至少一個閘極電壓Vgs以驅動功率電晶體元件100。電壓調節單元110b與閘極驅動單元110a和功率電晶體元件100電性連接，可根據外部輸入的訊號S11或由功率電晶體元件100回授之訊號S12，提供一參考電壓 Vref至閘極驅動單元110a，使閘極驅動單元110a響應參考電壓Vref，以調變輸出至功率電晶體元件100的閘極電壓Vgs的準位。
在本說明書的一實施例中，由外部輸入的訊號S11可以包括由外部控制端所輸入的模組負載功率(power loading)高低值、總線電壓(bus-voltage)高低值或二者之組合。由功率電晶體元件100回授的訊號S12可以包括由功率電晶體元件100的汲極100b所回授的汲極電流Id及汲極電壓Vds。
詳言之，控制電路110提供閘極驅動單元110a一個閘極控制訊號IN，用以定義該功率電晶體之開啟(turn-on)、關閉(turn-off)，工作週期(duty-cycle)及切換頻率(switching frequency)。閘極驅動單元110a又例如包含一閘極驅動輸入級(gate driver input stage)、驅動電壓源(gate driver voltage supply)Vdd和驅動輸出級(gate driver output buffer)，其中驅動電壓源Vdd係根據外部電壓源Vcc以及參考電壓Vref所產生，並決定輸出閘極電壓Vgs的範圍。
在初始階段，提供一外部電壓源Vcc以開啟閘極驅動單元110a後，閘極驅動單元110a根據閘極控制訊號IN和驅動電壓源Vdd輸出閘極電壓Vgs以驅動功率電晶體元件100。後續，再響應參考電壓Vref來調變閘極驅動單元110a所輸出的閘極電壓Vgs準位，以驅動功率電晶體元件100。在一些實施例中，在啟動階段時，閘極驅動單元110a用以驅動功率電晶體元件100導通的Vgs，較佳是維持在準開啟(quasi-on)的較低準位， 以防止閘極驅動單元110a開啟時可能產生的閘極電壓瞬態突波損傷閘介電層100d。同時亦可降低閘極驅動單元110a在驅動功率電晶體元件100時產生的驅動損耗(driving loss)，因驅動損耗Edr=0.5xCissxVgs2與閘極電壓Vgs的平方呈正比(其中，Ciss為功率電晶體元件100的輸入電容(input capacitance))。
在本說明書的一些實施例中，功率電晶體模組10具有一個額定功率，其係指功率電晶體模組10在滿載(full load)下的輸出功率。功率電晶體模組10的額定功率例如可對應為一個汲極電流(drain current)值，此汲極電流值可為均方根電流值(RMS current)、平均電流值(average current)或峰值電流值(peak current)。藉由功率電晶體元件100回授的訊號S12(例如，汲極電流Id、汲極電壓Vds或切換時的時間延遲)，可以判斷功率電晶體模組10的輸出功率。電壓調節單元110b可以根據功率電晶體元件100所回授的訊號S12(例如，汲極電流Id、汲極電壓Vds或切換時的時間延遲)進行演算，以判斷功率電晶體模組10的輸出功率，或根據與負載功率有關的外部輸入訊號S11，對閘極驅動單元110a輸出參考電壓Vref。
例如，功率電晶體模組10的控制電路110包含一個演算法。其中，閘極電壓Vgs的擺幅與功率電晶體元件100回授的訊號S12(例如，汲極電流Id、汲極電壓Vds或切換時的時間延遲)呈單調遞增或單調遞減的函數關係。請參照第1B圖，第1B圖係根據一實施例繪示第1A圖之功率電晶體元件100的閘極 電壓Vgs準位(擺幅)與功率電晶體模組10輸出功率的函數關係圖。如第1B圖所繪示，用來驅動功率電晶體元件100開啟的閘極電壓Vgs隨著功率電晶體模組10輸出功率上升，從輕載時的較低的的閘極電壓Vgs,on1遞增到功率電晶體模組10滿載時的最大額定閘極電壓Vgs,on2。閘極電壓Vgs和功率電晶體模組10輸出功率二者呈現單調遞增或單調遞減的函數關係，閘極電壓的變化範圍(擺幅，swing)為Vgs,on1至Vgs,on1。而由於功率電晶體元件100回授的訊號S12(汲極電壓Vds)與功率電晶體模組10的輸出功率呈現正向關係。因此，閘極電壓Vgs和功率電晶體元件100回授的訊號S12(汲極電流Id、汲極電壓Vds或切換時的時間延遲)二者之間亦如第1B圖所示呈現單調遞增或單調遞減的函數關係。
在本實施例中，第1B圖的閘極電壓Vgs準位(擺幅)與輸出功率(或汲極電流Id、汲極電壓Vds或切換時的時間延遲等)的函數關係曲線為一連續曲線。當功率電晶體模組10的輸出功率大於當該輸出功率大於第一比例(例如，50%)的額定輸出功率K11時，控制電路110的閘極驅動單元110a輸出第一閘極電壓V11以驅動功率電晶體元件100；當功率電晶體模組10的輸出功率小於或等於第一比例(例如，50%)的額定輸出功率且大於第二比例(例如，30%)的額定輸出功率時，控制電路110的閘極驅動單元110a輸出第二閘極電壓V12以驅動功率電晶體元件100；當功率電晶體模組10的輸出功率小於或等於第二比例(例 如，30%)的額定輸出功率時，控制電路的閘極驅動單元110a輸出第三閘極電壓V13以驅動功率電晶體元件100；其中第一閘極電壓V11大於第二閘極電壓V12，第二閘極電壓V12大於第三閘極電壓V13。
請參照第2A圖，第2A圖是根據本說明書的另一實施例所繪示的功率電晶體模組20的系統方塊示意圖。功率電晶體模組20的系統大致與功率電晶體模組10，差別功率電晶體模組20的控制電路210更包括一個感測單元210c。在本實施例中，感測單元210c與功率電晶體元件100和控制電路210的電壓調節單元210b電性連接，用以感測由功率電晶體元件100回授的至少一個訊號S22。
當功率電晶體元件100受閘極驅動單元210a驅動而開啟時，汲極電流會迅速形成回授一個訊號S22至電壓調節單元210b，電壓調節單元210b再通過演算法，提供參考電壓Vref至閘極驅動單元210a，進一步形成決定閘極電壓擺幅範圍的驅動電壓源Vdd，以調變輸出至功率電晶體元件100的閘極電壓Vgs的準位。
功率電晶體模組20控制電路210的演算法可藉由外部輸入的訊號S21或功率電晶體元件100回授之訊號S22(汲極電壓Vds)以及閘極控制訊號IN來判斷功率電晶體模組20的輸出功率，當功率電晶體模組20的輸出功率大於一個特定比例的額定輸出功率時，控制電路210的閘極驅動單元210a會輸出第一 閘極電壓V21以驅動功率電晶體元件100；當功率電晶體模組20的輸出功率小於或等於此特定比例的額定輸出功率時，控制電路的閘極驅動單元210a會輸出第二閘極電壓V22以驅動功率電晶體元件100，其中第一閘極電壓V21大於第二閘極電壓V22。
例如請參照第2B圖，第2B圖係根據另一實施例繪示第2A圖之功率電晶體元件100的閘極電壓Vgs準位(擺幅)與功率電晶體模組20輸出功率(功率電晶體元件100回授之訊號S22)的函數關係圖。如第2B圖所繪示，當功率電晶體模組20的輸出功率小於第一比例(例如，50%)的額定輸出功率時，控制電路210的閘極驅動單元210a所輸出的閘極電壓會維持在第一閘極電壓V2b。當功率電晶體模組20的輸出功率大於第一比例(例如，50%)的額定輸出功率時，控制電路210的閘極驅動單元210a所輸出的閘極電壓會維持在第二閘極電壓V2a。其中，閘極電壓Vgs準位(擺幅)與功率電晶體模組20輸出功率二者之間呈現單調遞增或單調遞減的函數關係，且此一函數關係曲線為非連續曲線。
其中，閘極電壓Vgs準位(擺幅)與功率電晶體模組20輸出功率的函數關係曲線可以為多階段的非連續曲線。例如請參照第2C圖，第2C圖係根據又一實施例繪示第2A圖之功率電晶體元件100的閘極電壓Vgs準位(擺幅)與功率電晶體模組20輸出功率的函數關係圖。在本實施例中，功率電晶體模組20控制電路210的演算法可藉由外部輸入的訊號S21或功率電晶體元件 100回授之訊號S22(汲極電壓Vds)以及閘極控制訊號IN來判斷功率電晶體模組10閘極驅動單元210a的輸出功率。
當功率電晶體模組20的輸出功率大於第一比例(例如，50%)的額定輸出功率時，控制電路210的閘極驅動單元210a輸出第一閘極電壓V21(例如，為額定電壓RV)以驅動功率電晶體元件100；當功率電晶體模組20的輸出功率小於或等於第一比例(例如，50%)的額定輸出功率且大於第二比例(例如，30%)的額定輸出功率時，控制電路210的閘極驅動單元210a輸出第二閘極電壓V22以驅動功率電晶體元件100；當功率電晶體模組20的輸出功率小於或等於第二比例(例如，30%)的額定輸出功率時，控制電路210的閘極驅動單元210a輸出第三閘極電壓V23(例如，為初始電壓Vcc)以驅動功率電晶體元件100；其中第一閘極電壓V21大於第二閘極電壓V22，第二閘極電壓V22大於該第三閘極電壓V23。
請參照第3A圖，第3A圖係根據本說明書的又再一實施例所繪示的一種功率電晶體模組30的系統方塊示意圖。功率電晶體模組30至少包括一個功率電晶體元件300以及一個與功率電晶體元件300電性連接的控制電路310。控制電路310包括：一個閘極驅動單元310a以及一個電壓調節單元310b。閘極驅動單元310a與功率電晶體元件300電性連接，係用以輸出至少一個閘極電壓Vgs以驅動功率電晶體元件300。電壓調節單元310b與閘極驅動單元310a和功率電晶體元件300電性連接，可 根據外部輸入的訊號S31以及閘極控制訊號IN，或者根據由功率電晶體元件300回授之訊號S32，提供一參考電壓Vref至閘極驅動單元310a，使閘極驅動單元310a響應參考電壓Vrer，以調變輸出至功率電晶體元件300的閘極電壓Vgs的準位。
其中，功率電晶體模組30的控制電路310對於功率電晶體元件300的控制方式請參照第3B圖。第3B圖係繪示第3A圖之功率電晶體模組30的控制方法。此一控制方法包括下述步驟：首先，提供一個控制電路310，使其與功率電晶體元件300電性連接(參照步驟301)。
接著，當功率電晶體模組30輸出第一輸出功率時，控制電路310對功率電晶體元件施加第一閘極電壓(參照步驟302)。當功率電晶體模組30輸出第二輸出功率時，控制電路對功率電晶體元件施加第二閘極電壓(參照步驟303)。其中，第一閘極電壓和第二閘極電壓大於功率電晶體元件300的臨界電壓Vth。
以下特舉出多個實際案例說明功率電晶體模組10(20)的技術特點與優勢：
例如，在本說明書的一些實施例中，功率電晶體元件100係為一額定耐壓(blocking voltage，BVdss)1200伏特(V)之碳化矽MOSFET，其臨界電壓(Threshold,voltage，Vth)例如為2.5V，當控制電路提供之閘極電壓為20V時，其導通電阻(drain-source on-resistance，Rdson)為80毫歐姆(mΩ)，當控制電路提供之閘極電壓為18V時，其導通電阻為100毫歐姆(m Ω)。功率電晶體與其控制電路組成之功率電晶體模組額定功率例如為16千瓦(KW)，直流輸出汲極電壓(drain to source voltage，Vds)為800V，滿載下的平均汲極電流(drain current，Id)為20安培(A)。在滿載時，若閘極電壓20V，其導通損耗P(Vgs=20V)=Id2xRdson=400x0.08=32(瓦)W，若閘極電壓為18V，則其導通損耗P(Vgs=18)=Id2xRdson=400x0.1=40W，較Vgs=20V時增加了8W。使用Vgs=20V可在滿載時獲得較低的導通損耗，而提升效率。然而在Vgs=20V下，閘極氧化層的理論使用壽命(TDDB lifetime，time dependent dielectric breakdown)可能例如會由Vgs=18V的5E7小時，縮短為1E7小時。
若是在中載(50%的額定負載)下，平均電流Id例如為10A，此時操作在Vgs=20V的導通損耗為8W，操作在Vgs=18V的導通損耗為10W，相差僅2W。由於一般系統不會經常操作於100%滿載的狀況下，例如考慮一簡化的系統，該系統的任務型態(mission profile)為10%的時間操作於滿載下，90%的時間操作於中載下，則配合此任務型態，於中載時使用Vgs=18V，滿載時使用Vgs=20V來驅動SiC MOSFET，平均的導通損耗為10Wx90%+32Wx10%=12.2W，相較於固定以Vgs=20V來驅動SiC MOSFET時的導通損耗：8Wx90%+32x10%=10.4W，只相差了0.8W；然而平均理論使 用壽命則可以由1E7小時增加為5E7x90%+1E7x10%=4.6E7小時，大幅提升系統整體的預期壽命及可靠度。
在另一個實施例中，控制電路110可以根據功率電晶體模組100的輸出功率的變化，相應地調整施加於功率電晶體元件100閘極100a的電壓。例如在驅動一SiC MOSFET時，當輸出功率為額定功率的70%以上時，藉由控制電路調變使閘極電壓為20V；當輸出功率在30%至70%的額定功率間時，調變閘極電壓為18V；當輸出功率在30%以下時，調變閘極電壓為16V。在再一實施例中，當輸出功率在10%以下時，例如調變閘極電壓為10V。
在又一個實施例中，控制電路可以根據功率電晶體模組的輸出功率變化，調變使閘極電壓隨輸出功率與額定功率的比例線性變化，例如驅動一SiC MOSFET時，使其時導通的閘極電壓的變化範圍在16V至20V之間，且隨負載比例而變，例如Vgs=(20-16)x(負載比例Load%)+16(V)，其中負載比例Load%為0%至100%。
根據上述實施例，本說明書是在提供一種功率電晶體模組及其控制電路。其係在功率電晶體元件導通的狀況下，根據功率電晶體模組的輸出功率，控制施加於功率電晶體元件的閘極電壓。當功率電晶體模組的輸出功率較高時，對其施加較高的閘極電壓，藉以降低功率電晶體元件的導通電阻(Rdson)，降低功率電晶體元件導通損耗，以增進功率電晶體模組的效率。當功率 電晶體模組的輸出功率較低時，對其施加較低的閘極電壓，藉以降低施加於功率電晶體元件之閘極絕緣層上的電場，以增加功率電晶體元件的使用壽命。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何該技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
30:功率電晶體模組
300:功率電晶體元件
310a:閘極驅動單元
310b:電壓調節單元
S31:外部輸入的訊號
S32:由功率電晶體元件回授之訊號
Vgs:閘極電壓
IN:閘極控制訊號
Vref:參考電壓

Claims (12)

  1. 一種功率電晶體模組，包括：一功率電晶體元件，具有一臨界電壓以及一額定功率，該額定功率係該功率電晶體模組在滿載(full load)下的該輸出功率，該額定功率對應一汲極電流(drain current)值，該汲極電流值為一均方根電流值(RMS current)、一平均電流值(average current)或一峰值電流值(peak current)；以及一控制電路，與該功率電晶體元件電性連接，並輸出至少一閘極電壓以驅動該功率電晶體元件；該控制電路響應由外部輸入或由該功率電晶體元件回授的至少一訊號來調節該至少一閘極電壓；其中該閘極電壓大於該臨界電壓，且該至少一閘極電壓的一擺幅與該至少一訊號以及與該功率電晶體模組的一輸出功率分別呈一單調遞增或單調遞減函數關係；且該控制電路包含一演算法當該輸出功率大於一比例的該額定輸出功率時，該控制電路輸出一第一閘極電壓以驅動該功率電晶體元件；當該輸出功率小於或等於該比例的該額定輸出功率時，該控制電路輸出一第二閘極電壓以驅動該功率電晶體元件，其中該第一閘極電壓大於該第二閘極電壓。
  2. 如請求項1所述之功率電晶體模組，其中該功率電晶體元件係一寬能隙(Wide band-Gap)功率電晶體元件。
  3. 如請求項1所述之功率電晶體模組，其中該控制電路更包括：一電壓調節單元(voltage regulating unit)，與該功率電晶體元件電性連接，響應由外部輸入或由該功率電晶體元件回授的該至少一訊號，提供一參考電壓；以及一閘極驅動單元(Gate Driver Unit)與該電壓調節單元和該功率電晶體元件電性連接，並響應該參考電壓，以決定輸出至該功率電晶體元件之該至少一閘極電壓的一準位。
  4. 如請求項3所述之功率電晶體模組，其中由外部輸入或由該功率電晶體元件回授的該至少一訊號係選自於由一汲極電流(drain current)、一汲極電壓(drain-to-source voltage)、一切換時間(switching time、一溫度以及上述之任意組合所組成的一族群。
  5. 如請求項3所述之功率電晶體模組，更包括一感測單元，與該功率電晶體元件和該電壓調節單元電性連接，用以感測由該功率電晶體元件回授的該至少一訊號。
  6. 如請求項3所述之功率電晶體模組，其中該至少一訊號包含由一外部控制端所輸入的一模組負載功率(load power)值、一總線電壓(bus-voltage)值或二者之組合。
  7. 如請求項1所述之功率電晶體模組，其中該控制電路更提供一閘極控制訊號(IN)，用以定義該功率電晶體元件之一開啟(turn-on)、一關閉(turn-off)，一工作週期(duty-cycle)及一切換頻率(switching frequency)。
  8. 一種功率電晶體模組，包括：一功率電晶體元件，具有一臨界電壓以及一額定功率，該額定功率係該功率電晶體模組在滿載下的該輸出功率，該額定功率對應一汲極電流值，該汲極電流值為一均方根電流值、一平均電流值或一峰值電流值；以及一控制電路，與該功率電晶體元件電性連接，並輸出至少一閘極電壓以驅動該功率電晶體元件；該控制電路響應由外部輸入或由該功率電晶體元件回授的至少一訊號來調節該至少一閘極電壓；其中該閘極電壓大於該臨界電壓，且該至少一閘極電壓的一擺幅與該至少一訊號以及與該功率電晶體模組的一輸出功率分別呈一單調遞增或單調遞減函數關係；且該控制電路包含一演算法，當該輸出功率大於一第一比例的該額定輸出功率時，該控制電路輸出一第一閘極電壓以驅動該功率電晶體元件；當該輸出功率小於或等於該第一比例的該額定輸出功率，且大於一第二比例的該額定輸出功 率時，該控制電路輸出一第二閘極電壓以驅動該功率電晶體元件；當該輸出功率小於或等於該第二比例的該額定輸出功率時，該控制電路輸出一第三閘極電壓以驅動該功率電晶體元件；其中該第一閘極電壓大於該第二閘極電壓，該第二閘極電壓大於該第三閘極電壓。
  9. 一種功率電晶體模組，包括：一功率電晶體元件，具有一臨界電壓以及一額定功率，該額定功率係該功率電晶體模組在滿載下的該輸出功率，該額定功率對應一汲極電流值，該汲極電流值為一均方根電流值、一平均電流值或一峰值電流值；以及一控制電路，與該功率電晶體元件電性連接，並輸出至少一閘極電壓以驅動該功率電晶體元件；該控制電路響應由外部輸入或由該功率電晶體元件回授的至少一訊號來調節該至少一閘極電壓；其中該閘極電壓大於該臨界電壓，且該至少一閘極電壓的一擺幅與該至少一訊號以及與該功率電晶體模組的一輸出功率分別呈一單調遞增或單調遞減函數關係；且該控制電路包含一演算法，依據該功率電晶體模組的該輸出功率與一比例的該額定功率，使該控制電路輸出之該至少一閘極電壓隨著該比例的該額定功率呈線性變化。
  10. 如請求項1所述之功率電晶體模組，其中該功率電晶體元件包括一半導體材料，該半導體材料係選自於由碳化矽(Silicon Carbide，SiC)、氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)、氧化鎵(Gallium Oxide，Ga2O3)、氮化鋁(Aluminium nitride，AlN)、氧化鋁(Aluminium Oxide，Al2O3)、鑽石(Diamond)以及上述之任意組合所組成的一族群。
  11. 如請求項1所述之功率電晶體模組，其中該功率電晶體元件係一金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、一絕緣閘極雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、一接面場效電晶體(Junction Gate Field Effect Transistor，JFET)、一高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor，HEMT)、一異質結構場效電晶體(Heterostructure Field Effect Transistor，HFET)或一調制摻雜場效電晶體(Modulation-Doped Field Effect Transistor，MODFET)。
  12. 一種功率電晶體模組的控制方法，該功率電晶體模組包括一功率電晶體元件以及一額定功率，該額定功率係該功率電晶體模組在滿載下的該輸出功率，該額定功率對應一汲極電流值，該汲極電流值為一均方根電流值、一平均電流值或一峰值電流值，該功率電晶體模組的控制方法包括：提供一控制電路，與該功率電晶體元件電性連接；以及 使用該控制電路，根據由外部輸入或由該功率電晶體元件回授的至少一訊號，來調節輸出至該功率電晶體元件的至少一閘極電壓；其中該閘極電壓大於該功率電晶體元件的一臨界電壓，且該至少一閘極電壓的一擺幅與該至少一訊號以及與該功率電晶體模組的一輸出功率分別呈一單調遞增或單調遞減函數關係；且該控制電路包含一演算法當該輸出功率大於一比例的該額定輸出功率時，該控制電路輸出一第一閘極電壓以驅動該功率電晶體元件；當該輸出功率小於或等於該比例的該額定輸出功率時，該控制電路輸出一第二閘極電壓以驅動該功率電晶體元件，其中該第一閘極電壓大於該第二閘極電壓。
TW110101984A 2020-01-20 2021-01-19 功率電晶體模組及其控制方法 TWI785469B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202062963187P 2020-01-20 2020-01-20
US62/963,187 2020-01-20
US202063093797P 2020-10-20 2020-10-20
US63/093,797 2020-10-20

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202130121A TW202130121A (zh) 2021-08-01
TWI785469B true TWI785469B (zh) 2022-12-01

Family

ID=76810798

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110101984A TWI785469B (zh) 2020-01-20 2021-01-19 功率電晶體模組及其控制方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11190181B2 (zh)
CN (1) CN113140555A (zh)
TW (1) TWI785469B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140300413A1 (en) * 2011-06-14 2014-10-09 Merus Audio Aps Power transistor gate driver

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6459324B1 (en) * 2000-10-23 2002-10-01 International Rectifier Corporation Gate drive circuit with feedback-controlled active resistance
ITMI20010075A1 (it) * 2001-01-17 2002-07-17 St Microelectronics Srl Circuito di pilotaggio per una accensione lenta di un elemento di potenza connesso ad un carico induttivo
US6917227B1 (en) * 2001-05-04 2005-07-12 Ixys Corporation Efficient gate driver for power device
JP4199706B2 (ja) * 2004-07-13 2008-12-17 富士通マイクロエレクトロニクス株式会社 降圧回路
US7705673B2 (en) * 2008-01-07 2010-04-27 Texas Instruments Incorporated Over-current sensing during narrow gate drive operation of class D output stages
CN101552598B (zh) * 2008-04-03 2011-08-03 晶豪科技股份有限公司 切换式功率晶体管的栅极驱动电路
US9438228B2 (en) * 2012-03-12 2016-09-06 Board Of Trustees Of Michigan State University High efficiency gate drive circuit for power transistors
US9106228B2 (en) * 2013-06-23 2015-08-11 Semiconductor Components Industries, Llc Adaptive MOS transistor gate driver and method therefor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140300413A1 (en) * 2011-06-14 2014-10-09 Merus Audio Aps Power transistor gate driver

Also Published As

Publication number Publication date
US11190181B2 (en) 2021-11-30
TW202130121A (zh) 2021-08-01
US20210242868A1 (en) 2021-08-05
CN113140555A (zh) 2021-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9595602B2 (en) Switching device for power conversion and power conversion device
US9362903B2 (en) Gate drivers for circuits based on semiconductor devices
US9130570B2 (en) Four quadrant bidirectional switch
CN108780816B (zh) 碳化硅装置及其制作方法
US6331794B1 (en) Phase leg with depletion-mode device
US7948220B2 (en) Method and apparatus to reduce dynamic Rdson in a power switching circuit having a III-nitride device
US9754937B1 (en) Hybrid structure with separate controls
US20180219533A1 (en) Driver for transistor
US10128829B2 (en) Composite semiconductor device
JP5151881B2 (ja) 接合型電界効果トランジスタの駆動装置および駆動方法
TWI785469B (zh) 功率電晶體模組及其控制方法
JP5407349B2 (ja) スイッチ回路
US11489521B2 (en) Power transistor module and controlling method thereof
CN101697356B (zh) 一种调制导通电阻umos晶体管
JP4853928B2 (ja) 炭化ケイ素静電誘導トランジスタの制御装置及び制御方法
JP2010088272A (ja) 接合型電界効果トランジスタの駆動装置および駆動方法
Oonishi et al. Superjunction MOSFET
US10027218B2 (en) Power semiconductor element driving circuit
US20240039523A1 (en) Nitride semiconductor module
CN116388742B (zh) 功率半导体器件栅极驱动电路及驱动方法
WO2022024472A1 (ja) 半導体装置および電力変換装置
CN116614121B (zh) 一种改善电磁兼容的功率器件
US11271547B2 (en) Gate drive circuit, drive device, semiconductor device, and gate drive method
WO2024057598A1 (ja) 半導体スイッチング素子のゲート駆動回路、電動機制御システムおよび半導体装置
JP2023166727A (ja) 半導体装置および半導体モジュール