[發明專利]集成智能功率開關

有效

• 申請號: 200680010862.6
• 申請日: 2006-03-21
• 公開（公告）號: CN101167251A
• 公開（公告）日: 2008-04-23
• 發明（設計）人: B·S·雅各布森
• 申請（專利權）人: 雷聲公司
• 主分類號: H03K17/082
• 分類號: H03K17/082;G01K7/42;H01L23/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 王英

技術領域

本發明實施例主要涉及半導體和系統。更確切地說，本發明涉及用于操作、控制和監測功率半導體及系統的系統、方法和器件。

背景技術

功率半導體器件已為本領域技術人員所熟知，并且通常用于功率轉換、調節和控制。作為功率系統的結構單元，功率半導體器件在開關和線性兩種模式下工作。功率半導體滿足像小重量和體積、高電路級可靠性、故障隔離、及診斷能力這種矛盾的需求。

功率晶體管是一種功率半導體，用于功率范圍從瓦到兆瓦的多種應用中。雖然大多數應用使用開關模式的功率半導體，而另外一些應用需要器件在線性模式下工作。這種應用包括恒定電流電容器充電和放電、加載時電壓逐步增大(“軟啟動”)、及電感負載開關。

例如，在2003年10月24日提交、2004年5月20日公布為U.S.2004/0095023、序列號為10/692,580、案卷號為RTN183AUS、發明人為Boris?S.Jacobson等的“Intelligent?Power?System”中可以找到用于受控模式功率系統的應用。

例如，圖1示出了通過從電壓電源V_in對電容器組C₁-C_n充電而工作在線性模式下的晶體管Q，而圖2是示出了用于圖1中晶體管電路的參數的曲線圖。t₀之前，晶體管阻斷電源電壓。在t₀點晶體管逐漸導通而開始對電容器組充電。在t₀-t₁時間間隔期間，向傳導恒定電流的晶體管施加線性衰減的電壓。晶體管耗散的功率為P＝1/(t₁-t₀)∫IV(t)dt，其中V(t)是加在晶體管上的電壓，積分區間是從t₀到t₁，I是流過晶體管的恒定電流。

與公知為金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的一種功率晶體管相關的問題是，它們可優化為開關并且不能維持與以線性模式工作相關的連續功率耗散。這樣的一個原因是被稱為過熱點或電流隧穿的現象。對于理想的器件，整個管芯上的電流密度和溫度分布兩者通常都均勻。然而，管芯附著材料上的不均勻的摻雜和空隙可引起整個器件上的電流密度和溫度的變化。晶體管柵極閾值電壓V_th通常具有負溫度系數。從而，當管芯的某些區域(尤其接近管芯中心)開始在較高溫度下運行時，這些區域的V_th下降并且晶體管增益G_m迫使電流密度局部增大。較高的電流進一步使增益增大，最終導致器件的熱耗散和突變失效。因此，電流隧穿事實上阻礙了目前在線性應用中使用可用的MOSFET和IGBT。

例如，圖3是晶體管的晶體管柵極閾值電壓作為溫度的函數的曲線圖，其中晶體管例如為圖1中的晶體管Q。如圖3所示，晶體管柵極閾值電壓V_th具有負溫度系數。因而，當管芯的某些區域(尤其接近管芯中心)開始在較高溫度下運行時，這些區域的V_th下降并且晶體管增益G_m迫使電流密度局部增大。較高的電流進一步使增益增大，最終導致器件的熱耗散和突變失效。

作為另一個例子，圖4是晶體管的晶體管柵極-源極電壓對多種漏極電流的結溫曲線的曲線圖，其中晶體管為例如圖1中的晶體管Q。與圖4中零點斜率(zero-slope)曲線對應的I_d值被稱為交叉電流Icrc。提高線性模式下的晶體管性能的最有效的方法之一是降低其交叉電流。

與較早各代的器件相比，利用最新工藝技術制造的MOSFET器件往往有較低的柵極電荷、較低的柵極-漏極電荷、以及較低的導通電阻R_DSon。例如，表1示出了通過先進功率技術(APT)制得的三代APT5010MOSFET的交叉電流。與較早各代的器件相比，利用最新的MOS?VI^工藝制得的APT5010LLC具有較低的柵極電荷、較低的柵極-源極電荷、以及較低的導通電阻R_DSon。遺憾的是，當該器件的開關性能提高時，交叉電流增大而其線性工作惡化。因此，可以看出電流隧穿很大地阻礙了目前在線性應用中使用電流MOSFET和IGBT。

表1??多種工藝的晶體管交叉電流