約束功率半導體器件的安全工作區軌跡的控制電路的製作方法

2023-06-04 11:42:41 1

專利名稱:約束功率半導體器件的安全工作區軌跡的控制電路的製作方法
【專利摘要】一種用於在功率半導體器件的工作期間約束所述功率半導體器件的安全工作區SOA軌跡的控制電路，所述功率半導體器件位於電源和負載之間，所述控制電路包括：具有第一阻抗R1的第一電阻器；以及具有第二阻抗R2的第二電阻器，其中，所述第一阻抗和所述第二阻抗形成標量，用於縮放在所述負載的兩端獲取的電壓測量值VLOAD，並且其中，所述控制電路根據所述標量與在所述負載的兩端獲取的電壓測量值VLOAD的乘積來構造用於控制所述功率半導體器件的控制電壓，從而約束所述功率半導體器件的輸出電壓。
【專利說明】約束功率半導體器件的安全工作區軌跡的控制電路

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及用於在位於電源和負載之間的功率半導體器件的工作期間約束該功率半導體器件的安全工作區(SOA)軌跡的方法和電路。本實用新型特別地但是非排他性地應用於約束在電源和負載之間的以高邊配置的N溝道增強型功率MOSFET的SOA軌跡，通過構造用於控制功率MOSFET的控制電壓以約束該功率MOSFET的輸出電壓。

【背景技術】
[0002]諸如功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)等功率半導體器件典型地用於對例如在自動控制和脈寬調製電機控制應用中的感應負載切換電源開(ON)和關(OFF)。該功率MOSFET具有用於控制該功率MOSFET的柵電極、連接到該電源的漏電極以及連接到該負載的源電極。在工作期間，當功率MOSFET被轉換到斷開(OFF)以切斷(OFF)該負載，存儲在該感應負載中的感應能量可導致該功率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，導致在功率MOSFET的內部寄生的反並聯的二極體中的傳導，其可導致電子雪崩感應的功率MOSFET失效。因此，在保護功率半導體器件免受電子雪崩感應失效並且在約束的安全工作區(SOA)中運行該功率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體器件可以不對器件造成自損的情況下運行。
[0003]對延長功率MOSFET壽命所做努力的一個現有實例中，源漏電壓的變化率由次級柵極驅動電路通過MOSFET 「米勒電容」控制。該次級柵極驅動通過選擇用於該功率MOSFET的高阻抗主柵極驅動電路而獲得，其與MOSFET內嵌的「米勒電容」相互作用。儘管如此，然而，在這個實例的「柵極成形」中，MOSFET安全工作區(SOA)軌跡僅僅在特定情形中被約束，並且這個技術對於參數波動不堅固。
[0004]在另一個實例中，次級柵極驅動電路源自源漏電壓並且該感應負載由箝位控制電路箝位。然而，在這個實例中，當與傳統負載使用時，「箝位」MOSFET SOA軌跡不產生最小峰值功率。實際上，該峰值功率僅僅在極端運行情況下最小化。
[0005]圖1示出了用圖表示的約束功率半導體器件的SOA的這些上述的現有實例。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的功率半導體器件的最大額定正向偏移安全工作區(SOA)軌跡12的曲線圖1。該SOA軌跡12表示該功率MOSFET在例如最大峰值結溫和案例溫度25°C下可安全地處理的最大同時源漏電壓和漏電流。
[0006]按照每一個上述的現有實例，功率半導體器件可被用於轉換箝位的和未箝位的感應負載。對於未箝位的感應負載，在電子雪崩期間在功率MOSFET中消耗的所存儲的感應能量必須小於功率MOSFET的額定能量吸收限制。而且，必須調節功率MOSFET可處理的最大同時源漏電壓和漏電流以用於不同的工作條件，例如案例溫度。因而，可以看到使用上述現有方法的「柵極成形」 SOA軌跡16約束了功率MOSFET的SOA軌跡12。對於箝位的負載，諸如上述現有實例，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，在更大範圍的工作條件下約束功率。然而，當漏電流和漏源電壓處於峰值水平時，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,並且當沒有漏電流穿過功率MOSFET時，源漏電壓是源電壓(例如電池電壓)(Vbat) 20。儘管如此，存在進一步約束功率半導體器件的SOA在例如更大範圍的工作條件下以更好地保護其免受峰值負載和電子雪崩感應失效。
[0008]對本實用新型背景的討論在此被包括用於解釋本實用新型。這不應當作是承認所引用的現有實例在本申請的 優先權日:被公開、公知、或是公知常識部分。
實用新型內容
[0009]根據本實用新型的一個方面，提供一種用於在功率半導體器件的工作期間約束所述功率半導體器件的安全工作區(SOA)軌跡的控制電路，所述功率半導體器件位於電源和負載之間，所述控制電路包括:
[0010]具有第一阻抗(R1)的第一電阻器，所述第一電阻器位於所述功率半導體器件的輸出端和所述功率半導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，所述第二電阻器位於所述負載的輸出端和所述功率半導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量，用於縮放在所述負載的兩端獲取的電壓測量值(v_)，並且其中
[0013]所述控制電路根據所述標量與在所述負載的兩端獲取的電壓測量值(Vumd)的乘積來構造用於控制所述功率半導體器件的控制電壓，從而約束所述功率半導體器件的輸出電壓。
[0014]在實施例中，通過將偏移量添加給所述控制電壓來偏移所述控制電壓。
[0015]在實施例中，該控制電路，進一步包括位於所述負載和所述功率半導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量與在所述非線性元件的兩端獲取的電壓測量值的乘積。
[0016]優選地，該標量為:一 I/(R2ZR1+!)。
[0017]在實施例中，該控制電路進一步包括位於所述負載和所述功率半導體器件的所述控制電極之間的非線性元件(Dl)，並且所述偏移量包括所述標量與在所述非線性元件的兩端獲取的電壓測量值(Vdi)的乘積。
[0018]優選地，該控制電壓為.— I/ (R 2/%+1) +Vm.— I/ (R 2/^+1)。
[0019]在實施例中，所述功率半導體器件是N溝道增強型功率MOSFET。
[0020]根據本實用新型的另一個方面，提供一種在功率半導體器件的工作期間約束功率半導體器件的安全工作區(SOA)軌跡的方法，所述功率半導體器件位於電源和負載之間，所述方法包括:
[0021]獲取負載兩端的電壓測量值(Vum);
[0022]選擇標量用於縮放所獲取的負載兩端的電壓測量值(V麵);以及
[0023]根據該標量與在負載的兩端獲取的電壓測量值(Vumd)的乘積來藉助控制電路構造用於控制該功率半導體器件控制電壓，從而約束該功率半導體的輸出電壓。
[0024]優選地，該功率半導體器件是功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，用於切換例如在自動起動器電機控制應用中的負載。實際上，該功率半導體器件優選地是在電源和諸如起動器電機之類的感應負載之間以高邊配置的N溝道增強型功率M0SFET。該功率MOSFET的控制電壓進而約束該功率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生和/或功率MOSFET的總能量吸收而最大化開關循環的數量。這樣，該SOA被約束以使得最低限度地利用功率MOSFET的S0A。
[0025]本領域技術人員應當意識到，功率半導體器件包括諸如功率M0SFET、以及雙極結電晶體(BJT)、閘流電晶體和絕緣柵極雙極型電晶體(IGBT)之類的器件。
[0026]在實施例中，該方法進一步包括:選擇在控制電路中的位於功率半導體器件的輸出電極和功率半導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於負載的輸出端和功率半導體器件的控制電極之間的第二阻抗(R2)，以形成標量。
[0027]優選地，該標量是:一 I/(R2ZR1+!)。
[0028]在另一個實施例中，該方法進一步包括:通過給該控制電壓添加偏移量來偏移該控制電路的控制電壓。在該實施例中，該控制電路進一步包括位於負載和功率半導體器件的控制電極之間的非線性元件(Dl)，並且偏移量包括標量與在非線性元件的兩端獲取的電壓測量值(Vdi)的乘積。
[0029]另外，在實施例中，控制電壓是:
[0030]Vload.— I/0VX+1) +Vdi.— I/0VX+1) ο
[0031 ] 參考功率MOSFET實施例，控制電壓是功率MOSFET的柵源電壓(Vgs)。控制電極是功率MOSFET的柵電極並且輸出電極是功率MOSFET的源電極。而且正如意識到的，連接到電源(例如電池)的功率半導體器件的輸入電極是功率MOSFET的漏電極。
[0032]再次參考功率MOSFET實施例，上面的控制電路具有對於由例如電源瞬變對功率MOSFET的錯誤激活的高度魯棒性。這個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)選擇本實用新型實施例的約束的SOA軌跡，以使得最低的峰值功率可被獲得用於任意給定的電源輸入電壓。而且，正如意識到的，通過選擇札和R2，SOA軌跡被選擇作為介於峰值功率消耗和功率MOSFET的總能量吸收之間的平衡。峰值功率的降低導致半導體管芯和功率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致由半導體管芯和封裝材料經受的峰值溫度最小化並由此延長功率MOSFET的壽命。

【附圖說明】

[0033]現將參考附圖來描述實用新型的實施例，其中:
[0034]圖1是用於功率半導體器件的最大比率的正向偏移量安全工作區(SOA)軌跡的圖，示出了現有技術中努力約束SOA軌跡以保護功率半導體器件的實例；
[0035]圖2是用於圖1的功率半導體器件的最大比率的正向偏移量安全工作區(SOA)軌跡的進一步的圖，示出根據本實用新型的實施例的約束的SOA軌跡；
[0036]圖3是描繪根據本實用新型的實施例的用於功率MOSFET的至少一個控制電路的示意圖；
[0037]圖4是描繪根據本實用新型的實施例的用於功率MOSFET的控制電路的進一步的示意圖；
[0038]圖5是描繪根據本實用新型的實施例的在功率MOSFET的開關期間的功率MOSFET的漏電流和柵源電壓的示意圖。

【具體實施方式】
[0039]現在參考圖2，用於功率半導體器件的最大比率的正向偏移量安全工作區(SOA)軌跡12被示出在曲線圖2。如上所述的，SOA軌跡12表示功率MOSFET可安全處理的最大同時源漏電壓和漏電流。在本實用新型的實施例中，SOA軌跡12是以高邊配置在電源和負載之間的N溝道增強型功率MOSFET被約束成受約束的SOA軌跡24。本領域技術人員將意識到曲線圖2可描繪用於諸如BJT的其它器件的SOA軌跡。儘管如此，可以看到功率MOSFET的源漏電壓被約束並且峰值功率產生以及功率MOSFET的總能量吸收被約束以最低限度地利用功率MOSFET的SOA。
[0040]根據上述方法產生約束的SOA軌跡24。即，在功率MOSFET工作期間，該方法包括:獲取負載兩端的電壓測量值(V_);選擇標量用於縮放該獲取的跨在負載上的電壓測量值(Vload);以及如圖3和4所示，根據由標量與在負載的兩端獲取的電壓測量值(Vumd)的乘積來藉助控制電路構造用於控制該功率半導體器件的控制電壓，從而約束該功率MOSFET的輸出電壓。在圖3中，提供了用於切換負載28的ON和OFF的開關電路26。如所描述的，負載是汽車的起動器電機，其藉助功率M0SFET30來開關。
[0041]功率M0SFET30的工作由控制電路34控制，控制電路34被配置為控制從電池32向負載28的電力供應並且將功率M0SFET30的SOA軌跡約束成如上所述的示出在圖2中的受約束的SOA軌跡。而且，在圖3中示出的實施例中，控制電路34包括用於在某種情況下使約束功率M0SFET30的SOA軌跡的功能失效的開關。儘管如此，在能夠約束時，在功率M0SFET30的工作期間跨過負載的電壓測量值(Vum)被標量為構造的用於功率M0SFET30的控制電壓。來自功率MOSFET的輸出電壓被減去跨在負載上的電壓(Vlom)並由此由如所述的標量為構造的控制電壓標量。因而，功率M0SFET30的輸出電壓由閉環控制電路約束。
[0042]圖4比圖3更詳細地示出了具有用於約束SOA軌跡的控制電路的開關電路36。圖4中示出的實施例的功率M0SFET1是以高邊在電壓源4和感應負載5之間的N溝道增強型功率M0SFET1。N溝道增強型功率M0SFET1具有包括用於提供電壓給開關M0SFET1開(ON)和關(OFF)的DC電源的主柵極驅動電路2。本領域技術人員將意識到當柵源電壓超過閾值電壓(Vth)時功率MOSFET開關為開(ON)和當柵源電壓小於閾值電壓時開關為關(OFF)。而且，當功率MOSFET開關為OFF時，存儲在負載5中的感應能量可導致功率M0SFET1的源電壓下降到地電位之下足夠遠從而不會誘發M0SFET電子雪崩模式，該電子雪崩模式在如果功率M0SFET1的SOA沒有最優的約束的情況下將導致功率M0SFET1電子雪崩感應失效。因此，開關電路26包括了用於約束功率M0SFET1的SOA的抗雪崩控制電路3。
[0043]現結合圖5來解釋圖4的功率M0SFET1的工作。主柵極驅動電路2在閉合(CLOSED)和斷開(OPEN)狀態38之間切換開(ON)和關(OFF)。例如，MOSFET可被在20Hz處被開關並且佔用I微秒以在狀態之間開關。在這個時間期間，由於MOSFET漏電流上升和下降會產生開關功率的損耗。相應地，從功率MOSFETI的漏電極流到源電極的MOSFET漏電流(Id) 40被切換為開(ON)並且在主柵極驅動電路2被閉合(CLOSED)之後經一段時間而上升到其最大值並且在主柵極驅動2被斷開(OPENED)之後經一段時間而下降到零。MOSFET柵源電壓(Vgs) 42示出了當主柵極驅動電路2被切換為開(ON)和關(OFF) 二者時控制功率MOSFET I的控制電壓。即，在主柵極驅動電路2開關為開(ON)時，功率MOSFET I處在飽和模式並且由主柵極驅動電路2控制。當主柵極驅動電路2開關為關(OFF)時，功率MOSFETI進入線性模式並且由電子雪崩控制電路3控制。
[0044]抗雪崩控制電路3包括具有第一阻抗並被放置在功率M0SFET1的源電極和功率M0SFET1的柵電極之間的第一電阻器(R1)。電路3還包括具有第二阻抗並被放置在負載5的輸出和功率M0SFET1的柵電極之間的第二電阻器(R2)。如所述的，第一阻抗和第二阻抗形成用於縮放負載兩端的電壓測量值(Vumd)的標量。這樣，根據負載5兩端的經縮放的電壓測量值，控制電路3可構造用於控制功率M0SFET1的控制電壓。而且，選擇阻抗以約束功率MOSFETI的輸出電壓。
[0045]此外，控制電路3包括二極體(Dl)的形式的非線性元件並且控制電壓通過添加偏移量給經縮放的控制電壓而被偏移。在實施例中，該偏移量包括標量與在二極體(Dl)兩端的電壓測量值的乘積，以使得控制電壓即介於功率MOSFET的柵電極和源電極之間的電壓是:
[0046]Vgs= V L0AD.— I/0VX+1) +Vm.— I/0VX+1) O
[0047]開關電路36的典型參數包括12V(Vbat= 12V)的電池電源電壓和20A(I d(initial)=20A)的功率M0SFET1的初始漏電流。對於功率M0SFET1，介於功率M0SFET1的源電極和漏電極之間的電阻器在其接通ON時是5m Ω (Rds= 5m Ω )，將其接通為ON的介於功率M0SFET1的柵電極和源電極之間所需的最小柵極閾值電壓是4V(Vth= 4V)，並且功率M0SFET1的跨導是 100A/V(gm= 100A/V) ο
[0048]對於功率M0SFET1，如圖4中所示，當其工作在線性區域時由抗雪崩控制電路3控制:
[0049]Vgs= V TH+Id.l/gm 等式 I
[0050]在實施例中:
[0051]I1=VgsA1
[0052]相應地，在具有主柵極驅動電路2的柵極驅動開關斷開(OPEN)的穩定狀態中-11=I2
[0053]Vg= OV-Vm-12.R2=OV-Vra-Vgs.R2ZR1
[0054]Vs= V g— V gs= — V D1— V gs.R2ZR1- Vgs=- Vm- Vgs.(R2ZR1+!)等式 2
[0055]因此代入等式I和2:
[0056]Vs= Vload=-Vd1-Vgs(R^+l)
[0057]Vgs= V _.— I/(嗔+1) +Vm.— I/(嗔+1)
[0058]因此，從等式可見，由控制電流所構造的用於功率M0SFET1的控制電壓(Vgs)是由負載電壓加上偏移量再乘以標量而形成的。
[0059]返回參考圖2，約束的SOA 24是在該處峰值功率由功率MOSFET I的初始漏電流(Id(initial) )和最大源漏電壓(Vds)約束的功率M0SFET1的工作軌跡。
[0060]功率MOSFETI在峰值Vds的峰值工作點是:
[0061]Vds=Vd-Vs Vd=Vbat
[0062]Vs=-Vm- (VTH+Id.l/gm).(RWl)
[0063]Vds= Vbat+VD1+(VTH+Id.l/gm).(R2ZVl)
[0064]因而，使用上述的典型參數:
[0065]Vds= 12V+VD1+(4.2V).(^/^+1)
[0066]雖然結合了有限數量的實施例描述了本實用新型，但是本領域技術人員應意識到根據前述說明許多替換、修改和變型是可能的。本實用新型旨在包含會落在所公開的本實用新型的精神和範圍內的所有那些替換、修改和變型。
【權利要求】
1.一種用於在功率半導體器件的工作期間約束所述功率半導體器件的安全工作區SOA軌跡的控制電路，所述功率半導體器件位於電源和負載之間，所述控制電路包括: 具有第一阻抗R1的第一電阻器，所述第一電阻器位於所述功率半導體器件的輸出端和所述功率半導體器件的控制電極之間；以及 具有第二阻抗R2的第二電阻器，所述第二電阻器位於所述負載的輸出端和所述功率半導體器件的所述控制電極之間，其中 所述第一阻抗和所述第二阻抗形成標量，用於縮放在所述負載的兩端獲取的電壓測量值Vumi，並且其中 所述控制電路根據所述標量與在所述負載的兩端獲取的電壓測量值Vum的乘積來構造用於控制所述功率半導體器件的控制電壓，從而約束所述功率半導體器件的輸出電壓。2.根據權利要求1所述的控制電路，其中，通過將偏移量添加給所述控制電壓來偏移所述控制電壓。3.根據權利要求2所述的控制電路，進一步包括位於所述負載和所述功率半導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量與在所述非線性元件的兩端獲取的電壓測量值的乘積。4.根據前述權利要求中的任意一項所述的控制電路，其中所述標量為:
—I/ (R2ZR1+!) ο5.根據權利要求2或3所述的控制電路，其中，所述控制電路進一步包括位於所述負載和所述功率半導體器件的所述控制電極之間的非線性元件D1，並且所述偏移量包括所述標量與在所述非線性元件的兩端獲取的電壓測量值Vdi的乘積。6.根據權利要求5所述的控制電路，其中，所述控制電壓為:
Vload.— I/ (R 2/Ri+1)+Vd1.— I/ (R 2/Ri+1)。7.根據前述權利要求1所述的控制電路，其中，所述功率半導體器件是N溝道增強型功率 MOSFET。
【文檔編號】G05F1-56GK204288036SQ201420339498
【發明者】T·羅科 [申請人]羅伯特·博世(澳大利亞)私人有限公司