集成式半導體功率開關器件的制作方法
本發明涉及微電子技術領域，具體而言，涉及一種集成式半導體功率開關器件。
背景技術：
半導體功率器件構成的開關管是現代功率變換器的核心，半導體功率器件的穩定性和可靠性對整個功率變換器系統的可靠性有至關重要的影響，因此提高半導體器件的穩定性和可靠性有重要意義。
過流損壞是半導體功率開關的一種常見失效模式，通常發生在短路、過載或者其它一些異常情況下。例如，BOOST變換器中，負載加重導致電感飽和，電感電流急劇增加，會導致半導體功率開關過流損壞。半導體功率開關的過流損壞常常會引起功率變換器系統中其它器件的損壞，甚至整個系統不可恢復的失效。例如，橋式變換器中，同一橋臂的半導體功率開關器件由于直通導致的橋式變換器過流損壞。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種集成式半導體功率開關器件，以解決上述問題。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種集成式半導體功率開關器件包括：半導體功率開關、檢測通過所述半導體功率開關的電流是否過流的電壓嵌位與采樣電路、及在所述電壓嵌位與采樣電路檢測到通過所述半導體功率開關的電流過流時使所述半導體功率開關斷開的驅動關斷電路，其中：
所述半導體功率開關包括高位端、低位端和控制端，所述電壓嵌位與采樣電路包括第一輸入端、第二輸入端和第一輸出端，所述驅動關斷電路包括第三輸入端、第四輸入端和第二輸出端；
所述半導體功率開關的高位端分別與高電位引腳和所述電壓嵌位與采樣電路的第一輸入端連接，低位端分別與接地引腳和所述電壓嵌位與采樣電路的第二輸入端連接；
所述電壓嵌位與采樣電路的第一輸出端與所述驅動關斷電路的第三輸入端連接；
所述驅動關斷電路的第四輸入端與控制引腳連接，第二輸出端與所述半導體功率開關的控制端連接。
優選地，所述電壓嵌位與采樣電路包括：電壓嵌位電路和電壓采樣電路，其中，電壓嵌位電路在所述半導體功率開關斷開時，確保所述電壓采樣電路不工作，電壓采樣電路在所述半導體功率開關導通時，檢測通過所述半導體功率開關的電流是否過流；
所述電壓嵌位電路的輸入端與所述半導體功率開關的高位端和所述高電位引腳分別連接，所述電壓嵌位電路的輸出端和所述電壓采樣電路的輸入端連接，所述電壓采樣電路的輸出端與所述驅動關斷電路的第三輸入端連接。
優選地，所述電壓采樣電路包括第二二極管和第二穩壓管，所述第二二極管的陰極與所述半導體功率開關的高位端連接、陽極與所述第二穩壓管的陰極連接，所述第二穩壓管的陽極為所述電壓嵌位與采樣電路的第一輸出端，與所述驅動關斷電路的第三輸入端連接；
在所述半導體功率開關導通時，所述第二二極管和所述半導體功率開關的電壓之和超過所述第二穩壓管的穩壓值時，所述第二穩壓管擊穿，從而檢測到通過所述半導體功率開關的電流過流。
優選地，所述電壓嵌位電路包括第一二極管、第一電阻、第二電阻、第一穩壓管、第一電容、第三電阻、第一三極管和第四電阻；
所述第一二極管的陽極和所述高電位引腳連接、陰極和所述第一電阻連接，所述第二電阻連接在所述第一穩壓管的陰極和所述第一電阻之間，所述第一穩壓管的陽極和所述接地引腳連接，所述第一電容與所述第一穩壓管并聯，所述第三電阻的一端連接在所述第一穩壓管的陰極和所述第一三極管的集電極之間，所述第一三極管的基極連接在所述第一電阻和第二電阻之間、發射極通過所述第四電阻與接地引腳連接；
在所述半導體功率開關斷開時，第一電容充電，所述第一三極管導通，所述第一三極管集電極的電位小于所述第二穩壓管的穩壓值，從而保證了在所述半導體功率開關斷開時電壓采樣電路不工作。
優選地，所述第一二極管由碳化硅或氮化鎵材料制成。
優選地，所述第一電阻由多個電阻串聯構成。
優選地，所述驅動關斷電路包括：第二三極管和第三三極管，所述第二三極管的基極和所述電壓嵌位與采樣電路的第一輸出端連接、集電極連接在所述半導體功率開關的控制端和所述控制引腳之間、發射極和所述第三三極管的集電極連接，所述第三三極管的基極和所述控制引腳連接、發射極和所述接地引腳連接；
所述控制引腳輸出電壓信號，所述半導體功率開關導通，所述第三三極管導通，當所述半導體功率開關過流時，所述第二三極管導通，從而使所述半導體功率開關斷開。
優選地，所述驅動關斷電路還包括：第五電阻和第六電阻，所述第五電阻串聯在所述第三三極管的基極和所述控制引腳之間，所述第六電阻連接在所述第三三極管的基極和所述接地引腳之間。
優選地，所述半導體功率開關為三極管、金屬氧化物半導體場效應晶體管、晶閘管、碳化硅晶體管、氮化鎵晶體管、高電子遷移率晶體管以及絕緣柵雙極型晶體管中的一種。
優選地，所述半導體功率開關、電壓嵌位與采樣電路及驅動關斷電路封裝集成于一體。
與現有技術相比，本發明提供的集成式半導體功率開關器件，采用了集成式的器件結構，縮短了過流保護的信號采樣-傳遞-處理-執行的路徑，減低過流保護的響應延時，實現了對每一個半導體功率開關的過流保護，適用于任何拓撲結構，消除了封裝的管腳電感和PCB走線電感，明顯減小了寄生電感，除去了前沿消隱電路，提高了過流保護的可靠性。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1為本發明實施例提供的一種集成式半導體功率開關器件的方框示意圖。
圖2為本發明實施例提供的一種電壓嵌位與采樣電路的電路連接圖。
圖3為本發明實施例提供的一種集成式半導體功率開關器件的電路連接圖。
圖4為本發明實施例提供的一種集成式半導體功率開關器件的過流仿真結果圖。
圖標：1-集成式半導體功率開關器件；S1-半導體功率開關；30-電壓嵌位與采樣電路；50-驅動關斷電路；101-高位端；103-低位端；105-控制端；301-第一輸入端；303-第二輸入端；305-第一輸出端；501-第三輸入端；503-第四輸入端；505-第二輸出端；HV-高電位引腳；Driver-控制引腳；GND-接地引腳；31-電壓嵌位電路；33-電壓采樣電路；D1-第一二極管；R1-第一電阻；R2-第二電阻；Z1-第一穩壓管；C1-第一電容；R3-第三電阻；Q1-第一三極管；R4-第四電阻；D2-第二二極管；Z2-第二穩壓管；Q2-第二三極管；Q3-第三三極管；R5-第五電阻；R6-第六電阻。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。
因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。在本發明的描述中，術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等僅用于區分描述，而不能理解為只是或暗示相對重要性。
請參閱圖1，本發明實施例提供一種集成式半導體功率開關器件1，包括半導體功率開關S1、電壓嵌位與采樣電路30和驅動關斷電路50。
半導體功率開關S1可以為三極管、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、晶閘管(SCR)、碳化硅晶體管(SIC)、氮化鎵晶體管(GaN)、高電子遷移率晶體管(HEMT)以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)中的一種。半導體功率開關S1包括高位端101、低位端103和控制端105。
電壓嵌位與采樣電路30用于檢測通過半導體功率開關S1的電流是否過流。電壓嵌位與采樣電路30包括第一輸入端301、第二輸入端303和第一輸出端305。
驅動關斷電路50用于在電壓嵌位與采樣電路30檢測到通過半導體功率開關S1的電流過流時，使半導體功率開關S1斷開，以保護半導體功率開關S1不被損壞，起過流保護的作用。驅動關斷電路50包括第三輸入端501、第四輸入端503和第二輸出端505。
半導體功率開關S1的高位端101分別與高電位引腳HV和電壓嵌位與采樣電路30的第一輸入端301連接，低位端103分別與所述接地引腳GND和電壓嵌位與采樣電路30的第二輸入端303連接。電壓嵌位與采樣電路30的第一輸出端305與驅動關斷電路50的第三輸入端501連接。驅動關斷電路50的第四輸入端503與控制引腳Driver連接，第二輸出端505與半導體功率開關S1的控制端105連接。其中，所述高電位引腳HV能夠輸出高電壓，例如3.3V、5V或12V的電壓。所述控制引腳Driver能夠輸出電壓信號以控制半導體功率開關S1導通。
所述半導體功率開關S1、電壓嵌位與采樣電路30和驅動關斷電路50可以封裝在同一個殼體內。在一種實現結構中，半導體功率開關S1、電壓嵌位與采樣電路30和驅動關斷電路50可以是相互獨立的模塊，通過連接線連接在一起。在另外一種實現結構中，半導體功率開關S1、電壓嵌位與采樣電路30和驅動關斷電路50可通過工藝集成在一塊半導體材料的芯片上。例如，將半導體功率開關S1、電壓嵌位與采樣電路30和驅動關斷電路50集成在一塊硅芯片或氮化鎵芯片上。
請參閱圖2，為一較佳實施例中電壓嵌位與采樣電路30的電路連接圖。該電壓嵌位與采樣電路30包括電壓嵌位電路31和電壓采樣電路33。
電壓嵌位電路31用于在半導體功率開關S1斷開時，確保電壓采樣電路33不工作。優選地，在本實施例中，電壓嵌位電路31包括第一二極管D1、第一電阻R1、第二電阻R2、第一穩壓管Z1、第一電容C1、第三電阻R3、第一三極管Q1和第四電阻R4。
所述第一二極管D1的陽極和所述高電位引腳HV連接、陰極和所述第一電阻R1連接。所述第二電阻R2連接在所述第一穩壓管Z1的陰極和所述第一電阻R1之間。所述第一穩壓管Z1的陽極和所述接地引腳GND連接。所述第一電容C1與所述第一穩壓管Z1并聯。所述第三電阻R3連接在所述第一穩壓管Z1的陰極和第一三極管Q1的集電極之間。所述第一三極管Q1的基極連接在所述第一電阻R1和第二電阻R2之間、發射極通過所述第四電阻R4與接地引腳GND連接。
其中，第一二極管D1可以選擇反向恢復小的材料，以減小開關損耗，同時避免第一二極管D1的反向恢復電流對過流保護的誤觸發。優選地，第一二極管D1由碳化硅或氮化鎵材料制成。第一電阻R1可以選擇阻值較大的電阻，以減小輸入的電流值，減小損耗。同時，基于耐壓方面的考慮，優選地，第一電阻R1由多個電阻串聯構成。第二電阻R2可以選擇阻值遠小于第一電阻R1的電阻。第一電容C1可以選擇容值相對較大的電容，使得第一電容C1上的電壓不會出現較大的變化。所述第一三極管Q1可以是NPN型三極管,在另外一種電路中第一三極管Q1還可以是NMOS管。
通過上述設置，在所述半導體功率開關S1斷開時，高電位引腳HV輸出的高電壓通過第一二極管D1對第一電容C1充電。同時，第一穩壓管Z1將第一電容C1上的電壓值限定在第一穩壓管Z1的穩壓值，以提供電壓采樣的精度。所述第一三極管Q1導通，使得第一三極管Q1集電極的電位小于所述第二穩壓管Z2的穩壓值，第二穩壓管Z2不擊穿，沒有電流流過第二穩壓管Z2，從而保證了在所述半導體功率開關S1斷開時電壓采樣電路33不工作。其中，第一三極管Q1的集電極的電位等于第二穩壓管Z2的陰極的電位。
電壓采樣電路33用于在半導體功率開關S1導通時，檢測通過所述半導體功率開關S1是否過流。優選地，在本實施例中，所述電壓采樣電路33包括第二二極管D2和第二穩壓管Z2。
第二二極管D2的陰極與所述半導體功率開關S1的高位端101連接、陽極與所述第二穩壓管Z2的陰極連接。所述第二穩壓管Z2的陽極為所述電壓嵌位與采樣電路30的輸出端，與驅動關斷電路50的第二輸入端303連接。
通過上述設置，在所述半導體功率開關S1導通時，第一電容C1、第三電阻R3、第二二極管D2以及導通的半導體功率開關S1構成放電回路。其中，第三電阻R3的阻值較大，使該放電回路產生的電流遠小于所述半導體功率開關S1導通時流過其溝道的功率回路電流值，以避免第二二極管D2的正向電壓有過大變化。
半導體功率開關S1的溝道電阻可以認為是一個定值，則半導體功率開關S1溝道電阻上的電壓值可以準確反映流過所述半導體功率開關S1的電流值的大小，而該電壓值通過正向導通的第二二極管D2傳遞到第二穩壓管Z2的陰極端，如圖示的A點，從而A點的電位可以反映流過所述半導體功率開關S1的電流大小。因此，給A點的電壓設定一個閾值，當所述電壓超過這個閾值時，則判斷通過半導體功率開關S1的電流發生了過流，并觸發驅動關斷電路50。使所述閾值等于第二穩壓管Z2的穩壓值。當滿足下述的條件1時，第二穩壓管Z2擊穿，電流流過第二穩壓管Z2，電壓采樣電路33通過第二穩壓管Z2輸出電流信號，觸發驅動關斷電路50。
Is*Rdson+VF2>VZ2(條件1)
其中，Is表示通過半導體功率開關S1的電流；Rdson表示半導體功率開關S1的溝道電阻；VF2表示第二二極管D2的正向電壓；VZ2表示第二穩壓管Z2的穩壓值。
如果流過所述半導體功率開關S1的電流IS較小，沒有發生過流，則條件1不滿足，第二穩壓管Z2則不會被擊穿，相應地，電壓采樣電路33不會輸出電流信號，則驅動關斷電路50不工作。
請參閱圖3，驅動關斷電路50用于在電壓嵌位與采樣電路30檢測到通過半導體功率開關S1的電流過流時，使半導體功率開關S1斷開，以保護半導體功率開關S1不被損壞，起過流保護的作用。優選地，驅動關斷電路50包括：第二三極管Q2、第三三極管Q3、第五電阻R5和第六電阻R6。
第二三極管Q2的基極和電壓嵌位與采樣電路30的第一輸出端305連接、集電極連接在半導體功率開關S1的控制端105和控制引腳Driver之間、發射極和第三三極管Q3的集電極連接。第三三極管Q3的基極通過第五電阻R5與所述控制引腳Driver連接并通過第六電阻R6與接地引腳GND連接、發射極與接地引腳GND連接。當控制引腳Driver輸出電壓信號，使半導體功率開關S1導通，第三三極管Q3導通。當半導體功率開關S1過流時，電壓采樣電路33輸出電流信號，當滿足下述的條件2時，第二三極管Q2導通，所述半導體功率開關S1的控制端105通過導通的第二三極管Q2和第三三極管Q3連接接地引腳GND，控制端105的電位被拉低，進而使得所述半導體功率開關S1迅速被斷開，從而避免了所述半導體功率開關S1因為過電流被損壞。
Is*Rdson+VF2-VZ2>VBE2+VCE3(條件2)
其中，VBE2為第二三極管Q2的閾值電壓，即第二三極管Q2導通電壓；VCE3為第三三極管Q3導通時集電極和發射極之間的壓降。
如果流過所述半導體功率開關S1的電流IS較小，沒有發生過流，則條件2不滿足，不會觸發驅動關斷電路50斷開半導體功率開關S1。
在驅動關斷電路50中，所述第二三極管Q2和第三三極管Q3可以是NPN型三極管,在另外一種電路中第二三極管Q2和第三三極管Q3還可以是NMOS管。第五電阻R5和第六電阻R6的阻值需要合理設置，保證控制引腳Driver輸出的電壓經過第五電阻R5和第六電阻R6分壓后提供給第三三極管Q3的偏置電壓能達到其閾值，使第三三極管Q3導通。通過對，第五電阻R5、第六電阻R6和第三三極管Q3的集成與設計，可以避免在所述半導體功率開關S1處于關斷狀態時，由于高電位引腳HV輸出的高電位導致第二穩壓管Z2擊穿，誤觸發驅動關斷電路50，使得所述半導體功率開關S1不能正常開啟。
請參閱圖4，圖4是本發明實施例提供的集成式半導體功率開關器件1的過流仿真結果圖。從圖中可以看出，通過集成式半導體功率開關器件1的電流被鉗位在一定值，不再繼續增加，從而保護了功率開關管不會過流損壞。
現有技術中，針對半導體功率開關S1的過流損壞問題，采用的應對措施主要是通過采樣電阻作為電流互感器來采樣電流的大小，將電流采樣值傳遞到控制IC或者DSP，由控制IC或者DSP來判斷是否需要關斷驅動輸出，從而關斷半導體功率開關S1，避免過流損壞。采用現有技術提供的方式來實現半導體功率開關S1的過流保護有以下缺點：首先，采樣-傳遞-處理-執行的回路路徑較長，會出現較長且不可控的延時，導致對過流的響應不及時。其次，采樣路徑上存在不可忽略的寄生電感，該電感主要由關鍵電感以及PCB走線電感構成，在半導體功率開關S1開通的瞬間，寄生電感會引起明顯的電壓尖峰干擾，需要前沿消隱電路，即在開通的瞬間，過流檢測保護功能被禁止，這會帶來很大的風險。再次，這種方案需要額外的電流采樣電阻，會帶來額外的導通損耗。最后，對于橋式變換器電路，這種保護機制很難有效避免上下半導體功率開關S1直通導致的過流損壞。
本發明提供的集成式半導體功率開關器件1，利用半導體功率開關S1的溝道電阻作為采樣電阻，利用第二穩壓管Z2的擊穿特性來檢測半導體功率開關S1是否過流，并使第二三極管Q2在第二穩壓管Z2擊穿時導通，以斷開半導體功率開關S1，從而實現電流檢測與過流保護功能。
與現有技術相比，本發明提供的集成式半導體功率開關器件1縮短了過流保護的信號采樣-傳遞-處理-執行的路徑，減低過流保護的響應延時，結構簡單，制造難度低。并且，由于利用半導體功率開關S1管自身的導通電阻作為采樣電阻，明顯減小了采樣損耗，提高了整體的效率。此外，本發明提供的集成式半導體功率開關器件1采用了集成式的器件結構，消除了封裝的管腳電感和PCB走線電感，明顯減小了寄生電感，除去了前沿消隱電路，提高了過流保護的可靠性。將電壓嵌位與采樣電路30和驅動關斷電路50與半導體功率開關S1集成于一體，實現了對每一個半導體功率開關S1的過流保護，適用于任何拓撲結構，并降低外圍電路的復雜度和成本。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接。可以是機械連接，也可以是電性連接。可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明的描述中，還需要說明的是，術語“上”、“下”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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