約束功率半導(dǎo)體器件的安全工作區(qū)軌跡的控制電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及用于在位于電源和負(fù)載之間的功率半導(dǎo)體器件的工作期間約束該功率半導(dǎo)體器件的安全工作區(qū)(SOA)軌跡的方法和電路。本實(shí)用新型特別地但是非排他性地應(yīng)用于約束在電源和負(fù)載之間的以高邊配置的N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET的SOA軌跡，通過構(gòu)造用于控制功率MOSFET的控制電壓以約束該功率MOSFET的輸出電壓。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等功率半導(dǎo)體器件典型地用于對(duì)例如在自動(dòng)控制和脈寬調(diào)制電機(jī)控制應(yīng)用中的感應(yīng)負(fù)載切換電源開(ON)和關(guān)(OFF)。該功率MOSFET具有用于控制該功率MOSFET的柵電極、連接到該電源的漏電極以及連接到該負(fù)載的源電極。在工作期間，當(dāng)功率MOSFET被轉(zhuǎn)換到斷開(OFF)以切斷(OFF)該負(fù)載，存儲(chǔ)在該感應(yīng)負(fù)載中的感應(yīng)能量可導(dǎo)致該功率MOSFET的源電壓降到地電位之下。在某些情況下，該功率MOSFET的源漏電壓增加直到其超過源漏電子雪崩電壓，導(dǎo)致在功率MOSFET的內(nèi)部寄生的反并聯(lián)的二極管中的傳導(dǎo)，其可導(dǎo)致電子雪崩感應(yīng)的功率MOSFET失效。因此，在保護(hù)功率半導(dǎo)體器件免受電子雪崩感應(yīng)失效并且在約束的安全工作區(qū)(SOA)中運(yùn)行該功率MOSFET方面做出過努力。SOA表示最大的電壓和電流條件，在該條件下，任何這樣的功率半導(dǎo)體器件可以不對(duì)器件造成自損的情況下運(yùn)行。
[0003]對(duì)延長(zhǎng)功率MOSFET壽命所做努力的一個(gè)現(xiàn)有實(shí)例中，源漏電壓的變化率由次級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)電路通過MOSFET “米勒電容”控制。該次級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)通過選擇用于該功率MOSFET的高阻抗主柵極驅(qū)動(dòng)電路而獲得，其與MOSFET內(nèi)嵌的“米勒電容”相互作用。盡管如此，然而，在這個(gè)實(shí)例的“柵極成形”中，MOSFET安全工作區(qū)(SOA)軌跡僅僅在特定情形中被約束，并且這個(gè)技術(shù)對(duì)于參數(shù)波動(dòng)不堅(jiān)固。
[0004]在另一個(gè)實(shí)例中，次級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)電路源自源漏電壓并且該感應(yīng)負(fù)載由箝位控制電路箝位。然而，在這個(gè)實(shí)例中，當(dāng)與傳統(tǒng)負(fù)載使用時(shí)，“箝位”MOSFET SOA軌跡不產(chǎn)生最小峰值功率。實(shí)際上，該峰值功率僅僅在極端運(yùn)行情況下最小化。
[0005]圖1示出了用圖表示的約束功率半導(dǎo)體器件的SOA的這些上述的現(xiàn)有實(shí)例。圖1還以源漏電壓(Vds)在曲線圖1的X軸上和漏電流(Id)在曲線圖1的y軸上示出了諸如功率MOSFET的功率半導(dǎo)體器件的最大額定正向偏移安全工作區(qū)(SOA)軌跡12的曲線圖1。該SOA軌跡12表示該功率MOSFET在例如最大峰值結(jié)溫和案例溫度25°C下可安全地處理的最大同時(shí)源漏電壓和漏電流。
[0006]按照每一個(gè)上述的現(xiàn)有實(shí)例，功率半導(dǎo)體器件可被用于轉(zhuǎn)換箝位的和未箝位的感應(yīng)負(fù)載。對(duì)于未箝位的感應(yīng)負(fù)載，在電子雪崩期間在功率MOSFET中消耗的所存儲(chǔ)的感應(yīng)能量必須小于功率MOSFET的額定能量吸收限制。而且，必須調(diào)節(jié)功率MOSFET可處理的最大同時(shí)源漏電壓和漏電流以用于不同的工作條件，例如案例溫度。因而，可以看到使用上述現(xiàn)有方法的“柵極成形” SOA軌跡16約束了功率MOSFET的SOA軌跡12。對(duì)于箝位的負(fù)載，諸如上述現(xiàn)有實(shí)例，由圖1可以看到，“箝位” SOA軌跡14還約束了功率MOSFET的SOA軌跡12，但是峰值功率僅僅在極端工作情況下最小化，例如電池電壓向著MOSFET的最大源漏電壓增加。還可以看到，使用“柵極成形”的方法比“箝位”方法，在更大范圍的工作條件下約束功率。然而，當(dāng)漏電流和漏源電壓處于峰值水平時(shí)，峰值功率沒有被顯著約束。
[0007]還可以從圖1的“箝位”14和“柵極成形”16兩者軌跡看出漏電流(Id)被約束為初始的漏電流(Id(_； ))18,并且當(dāng)沒有漏電流穿過功率MOSFET時(shí)，源漏電壓是源電壓(例如電池電壓)(Vbat) 20。盡管如此，存在進(jìn)一步約束功率半導(dǎo)體器件的SOA在例如更大范圍的工作條件下以更好地保護(hù)其免受峰值負(fù)載和電子雪崩感應(yīng)失效。
[0008]對(duì)本實(shí)用新型背景的討論在此被包括用于解釋本實(shí)用新型。這不應(yīng)當(dāng)作是承認(rèn)所引用的現(xiàn)有實(shí)例在本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)日被公開、公知、或是公知常識(shí)部分。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供一種用于在功率半導(dǎo)體器件的工作期間約束所述功率半導(dǎo)體器件的安全工作區(qū)(SOA)軌跡的控制電路，所述功率半導(dǎo)體器件位于電源和負(fù)載之間，所述控制電路包括:
[0010]具有第一阻抗(R1)的第一電阻器，所述第一電阻器位于所述功率半導(dǎo)體器件的輸出端和所述功率半導(dǎo)體器件的控制電極之間；以及
[0011]具有第二阻抗(R2)的第二電阻器，所述第二電阻器位于所述負(fù)載的輸出端和所述功率半導(dǎo)體器件的所述控制電極之間，其中
[0012]所述第一阻抗和所述第二阻抗形成標(biāo)量，用于縮放在所述負(fù)載的兩端獲取的電壓測(cè)量值(v_)，并且其中
[0013]所述控制電路根據(jù)所述標(biāo)量與在所述負(fù)載的兩端獲取的電壓測(cè)量值(Vumd)的乘積來(lái)構(gòu)造用于控制所述功率半導(dǎo)體器件的控制電壓，從而約束所述功率半導(dǎo)體器件的輸出電壓。
[0014]在實(shí)施例中，通過將偏移量添加給所述控制電壓來(lái)偏移所述控制電壓。
[0015]在實(shí)施例中，該控制電路，進(jìn)一步包括位于所述負(fù)載和所述功率半導(dǎo)體器件的所述控制電極之間的非線性元件，其中，所述偏移量包括由所述標(biāo)量與在所述非線性元件的兩端獲取的電壓測(cè)量值的乘積。
[0016]優(yōu)選地，該標(biāo)量為:一 I/(R2ZR1+!)。
[0017]在實(shí)施例中，該控制電路進(jìn)一步包括位于所述負(fù)載和所述功率半導(dǎo)體器件的所述控制電極之間的非線性元件(Dl)，并且所述偏移量包括所述標(biāo)量與在所述非線性元件的兩端獲取的電壓測(cè)量值(Vdi)的乘積。
[0018]優(yōu)選地，該控制電壓為.— I/ (R 2/%+1) +Vm.— I/ (R 2/^+1)。
[0019]在實(shí)施例中，所述功率半導(dǎo)體器件是N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET。
[0020]根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，提供一種在功率半導(dǎo)體器件的工作期間約束功率半導(dǎo)體器件的安全工作區(qū)(SOA)軌跡的方法，所述功率半導(dǎo)體器件位于電源和負(fù)載之間，所述方法包括:
[0021]獲取負(fù)載兩端的電壓測(cè)量值(Vum);
[0022]選擇標(biāo)量用于縮放所獲取的負(fù)載兩端的電壓測(cè)量值(V麵);以及
[0023]根據(jù)該標(biāo)量與在負(fù)載的兩端獲取的電壓測(cè)量值(Vumd)的乘積來(lái)借助控制電路構(gòu)造用于控制該功率半導(dǎo)體器件控制電壓，從而約束該功率半導(dǎo)體的輸出電壓。
[0024]優(yōu)選地，該功率半導(dǎo)體器件是功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，用于切換例如在自動(dòng)起動(dòng)器電機(jī)控制應(yīng)用中的負(fù)載。實(shí)際上，該功率半導(dǎo)體器件優(yōu)選地是在電源和諸如起動(dòng)器電機(jī)之類的感應(yīng)負(fù)載之間以高邊配置的N溝道增強(qiáng)型功率M0SFET。該功率MOSFET的控制電壓進(jìn)而約束該功率MOSFET的輸出電壓以致約束該功率MOSFET的SOA以最大化其壽命。即在功率MOSFET發(fā)生顯著退化之前通過最小化功率MOSFET上的電子雪崩壓力的事件和最小化峰值功率產(chǎn)生和/或功率MOSFET的總能量吸收而最大化開關(guān)循環(huán)的數(shù)量。這樣，該SOA被約束以使得最低限度地利用功率MOSFET的S0A。
[0025]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，功率半導(dǎo)體器件包括諸如功率M0SFET、以及雙極結(jié)晶體管(BJT)、閘流晶體管和絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)之類的器件。
[0026]在實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括:選擇在控制電路中的位于功率半導(dǎo)體器件的輸出電極和功率半導(dǎo)體器件的控制電極之間的第一阻抗(R1)和選擇在控制電路中的位于負(fù)載的輸出端和功率半導(dǎo)體器件的控制電極之間的第二阻抗(R2)，以形成標(biāo)量。
[0027]優(yōu)選地，該標(biāo)量是:一 I/(R2ZR1+!)。
[0028]在另一個(gè)實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括:通過給該控制電壓添加偏移量來(lái)偏移該控制電路的控制電壓。在該實(shí)施例中，該控制電路進(jìn)一步包括位于負(fù)載和功率半導(dǎo)體器件的控制電極之間的非線性元件(Dl)，并且偏移量包括標(biāo)量與在非線性元件的兩端獲取的電壓測(cè)量值(Vdi)的乘積。
[0029]另外，在實(shí)施例中，控制電壓是:
[0030]Vload.— I/0VX+1) +Vdi.— I/0VX+1) ο
[0031 ] 參考功率MOSFET實(shí)施例，控制電壓是功率MOSFET的柵源電壓(Vgs)?？刂齐姌O是功率MOSFET的柵電極并且輸出電極是功率MOSFET的源電極。而且正如意識(shí)到的，連接到電源(例如電池)的功率半導(dǎo)體器件的輸入電極是功率MOSFET的漏電極。
[0032]再次參考功率MOSFET實(shí)施例，上面的控制電路具有對(duì)于由例如電源瞬變對(duì)功率MOSFET的錯(cuò)誤激活的高度魯棒性。這個(gè)通過具有缺少漏柵極耦合的控制電路獲得。而且，通過選擇第一和第二阻抗(RjPR2)選擇本實(shí)用新型實(shí)施例的約束的SOA軌跡，以使得最低的峰值功率可被獲得用于任意給定的電源輸入電壓。而且，正如意識(shí)到的，通過選擇札和R2，SOA軌跡被選擇作為介于峰值功率消耗和功率MOSFET的總能量吸收之間的平衡。峰值功率的降低導(dǎo)致半導(dǎo)體管芯和功率MOSFET的封裝材料的物理張力最小化。而且，總能量吸收中的降低導(dǎo)致由半導(dǎo)體管芯和封裝材料經(jīng)受的峰值溫度最小化并由此延長(zhǎng)功率MOSFET的壽命。
【附圖說明】
[0033]現(xiàn)將參考附圖來(lái)描述實(shí)用新型的實(shí)施例，其中:
[0034]圖1是用于功率半導(dǎo)體器件的最大比率的正向偏移量安全工作區(qū)(SOA)軌跡的圖，示出了現(xiàn)有技術(shù)中努力約束SOA軌跡以保護(hù)功率半導(dǎo)體器件的實(shí)例；
[0035]圖2是用于圖1的功率半導(dǎo)體器件的最大比率的正向偏移量安全工作區(qū)(SOA)軌跡的進(jìn)一步的圖，示出根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的約束的SOA軌跡；
[0036]圖3是描繪根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的用于功率MOSFET的至少一個(gè)控制電路的示意圖；
[0037]圖4是描繪根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的用于功率MOSFET的控制電路的進(jìn)一步的示意圖；
[0038]圖5是描繪根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的在功率MOSFET的開關(guān)期間的功率MOSFET的漏電流和柵源電壓的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]現(xiàn)在參考圖2，用于功率半導(dǎo)體器件的最大比率的