[發明專利]低阻抗柵極控制方法和設備

有效

• 申請號: 201210386982.3
• 申請日: 2012-10-12
• 公開（公告）號: CN103051312A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 賴因霍爾德·巴耶爾埃爾;丹尼爾·多梅斯
• 申請（專利權）人: 英飛凌科技股份有限公司
• 主分類號: H03K17/567
• 分類號: H03K17/567
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;吳孟秋

技術領域

本申請涉及功率晶體管，具體涉及具有低柵極電路電感的功率晶體管。

背景技術

在功率電子電路中，例如反相器、轉換器等中，通過諸如MOSFET的柵電極、IGBT的柵電極、（雙極晶體管的基極電流電極）等來控制諸如MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）、IGBT（絕緣柵極雙極晶體管）和JFET（面結型場效應晶體管）的功率半導體開關。控制功率半導體開關的導通（turn-on）、斷開（turn-off）、阻斷（blocking）和導電狀態的命令在控制器中生成，并通過每個功率開關的柵極驅動器被傳送至控制端。柵極驅動器從控制器輸入電壓移動命令信號（如，經由變壓器、光耦合器、電平位移器等），并對用于預期的開關轉變（傾斜、上升和下降時間、延遲時間等）的驅動信號進行整形。

上述功率半導體器件也可用于例如通過檢測負載的短路來管理故障條件。負載短路可發生在兩相之間，所有三相之間或一相或多相與地之間。在這樣的短路條件下，使用功率半導體的輸出特性。例如，漏極（集電極）電流，即功率半導體器件的功率端子之間的電流，以額定電流的4到10倍飽和，而飽和水平由柵極電壓量和器件的傳送特性確定。功率半導體可以以高壓抵抗這樣的高電流條件僅幾個微秒。驅動器或控制器快速感測這樣的條件并斷開功率半導體器件。不同類型的短路條件都可產生。在每種情況下，功率電路的特征di/dt響應引起柵極過電壓條件，其出現是由于在器件的柵極輸入端看去的雜散電感引起的。該雜散電感在本文中通常稱為柵極電路電感，包括與柵極驅動器板（板布局）上的布線，從柵極驅動器到功率模塊控制端的布線，以及功率模塊內對功率晶體管柵極的端子、布線和導線路徑相關聯的電感。柵極過電壓的高度部分取決于柵極電路電感。換句話說，柵極處電荷可流入器件的電壓源的速度不僅受柵極電路的阻抗的限制，而且受電感的限制。柵極電路電感限制柵極電流可變化的速度。因此，對于典型的柵極電路，柵極過壓可超過20V，這通常為最大額定值。

同樣，在并聯在一起的用于較高功率芯片的模塊中，共用柵極要求更高的功率柵極驅動器。在柵極驅動器內，這通常通過利用具有較高電流額定值和較低柵極電阻的晶體管來實現。柵極驅動器（板布局）的板上布線、從柵極驅動器到功率模塊控制端的布線、以及功率模塊內的對并聯器件柵極的端子、布線和導線路徑與單個晶體管的情況相似。這產生基本上與單個晶體管情況中相同的柵極電路電感。流出共用柵極的電流隨并聯器件的數目而按比例提高。柵極電流的di/dt也相應按比例提高。柵極電路電感為驅動器電路中的幾何構型和對功率晶體管模塊的連接的函數。較低的柵極電路電感改善短路響應，這有助于快速將柵極電壓限制到由驅動器設定的值，并從而限制負載處的短路電流之后短路的快速斷開（柵極電路中高電感的主要問題在于短路條件下的柵極電壓的增加）。較低的柵極電路電感也改善功率晶體管器件的導通和斷開響應，提供了更快的器件響應時間。柵極電路電感通常被忽略，而偏向于電阻性阻抗。柵極電路電感已經通過直接將柵極驅動器板組裝到功率模塊端子上解決，而在其間無需布線。柵極驅動器板上和功率模塊或封裝內的電感通常沒有解決。

發明內容

功率半導體器件的柵極電路電感通過利用一個以上橫向電磁波（TEM）傳輸線介質將柵極驅動器電路的輸出端連接至功率半導體電路的柵極輸入端而減小。這些電路可集成在同一模塊中，或包含在不同模塊中。在任一情況下，柵極驅動器電路包括多個并聯耦接的柵極驅動器芯片，且功率半導體電路類似地包括多個并聯耦接的功率晶體管芯片。功率晶體管芯片彼此隔開，且具有在最外功率晶體管芯片的相對邊緣之間延伸的寬度。柵極驅動器芯片可具有類似的橫向隔開的結構。用于將功率晶體管芯片的共用柵極輸入端耦接至柵極驅動器芯片的共用輸出端的TEM傳輸線介質的每一個的電流方向垂直于功率晶體管芯片的組合寬度（和柵極驅動器芯片的組合寬度）。

根據模塊的一個實施方式，所述模塊包括多個柵極驅動器芯片，多個電容器和橫向電磁（TEM）傳輸線介質。多個柵極驅動器芯片并聯耦接并具有共用柵極輸入端、共用電源電壓和共用輸出端。多個芯片彼此隔開，并具有在第一外部芯片的邊緣和第二外部芯片的相對邊緣之間延伸的組合寬度。多個電容器并聯耦接在地和共用電源電壓之間。TEM傳輸線介質耦接至多個芯片的共用輸出端，且電流方向垂直于多個芯片的組合寬度。