[發明專利]高電壓半導體開關以及用于切換高電壓的方法

有效

• 申請號: 201410389868.5
• 申請日: 2014-08-08
• 公開（公告）號: CN104347619B
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: J·韋耶斯;F·希爾勒;A·毛德
• 申請（專利權）人: 英飛凌科技奧地利有限公司
• 主分類號: H01L27/02
• 分類號: H01L27/02;H03K17/567
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所11256
• 代理人: 王茂華

技術領域

本文所描述的實施例涉及高電壓半導體開關。此外，本文所描述的實施例涉及用于切換高電壓的方法。

背景技術

開關模式電源(SMPS)被廣泛用于向諸如計算機、電視機或具有市電電壓以外的適當電壓水平的任意其它電器供應電負載，上述市電電壓處于通常為例如90V至240V rms的范圍之中。如果針對大多數AC市電的50Hz至60Hz的頻率范圍以上的較高頻率進行設計，在許多情況下將負載從市電電流地去耦合并且在次級側提供適當電壓水平的變壓器占用較少的空間并且更為經濟。例如高電壓MOSFET或IGBT的電子開關通常被用于為變壓器的初級側提供直流(DC)鏈路之外的適當高頻電壓和電流波形，其能夠通過對市電電壓進行整流而生成。這里注意到的是，這樣的電子開關的使用并不被局限于以上所提到的應用。

在連接至變壓器初級側的電子開關中，當利用高電壓、高頻率和高電流信號對變壓器的初級側進行驅動時，出現歐姆損耗和開關損耗兩者。這些損耗在導通電子開關時且尤其在關斷電子開關時出現。為了減少開關損耗并同時提高整體效率，已經建立了用于驅動變壓器的多種配置和方法。這些方法包括諧振槽的操作，其中電子開關主要在電壓過零處或接近于過零處被導通和/或關斷。因此，開關損耗能夠有所減少。這樣的方法通常被稱作電子開關的軟切換。在正常操作中，在軟切換期間施加于負載端子的最大電壓是DC鏈路的電壓。然而，例如在SMPS啟動、負載跳躍等的期間可能出現沒有達到軟切換條件的情形。在這些情況下，電子開關無法必然在接近于零電壓或零電流處進行關斷，而是在電子開關的端子處的電流和/或電壓顯著時關斷。在這些情況下，會出現超過DC鏈路電壓的顯著電壓過沖。

因此，常規使用的電子開關提供了超過DC鏈路的電壓的阻斷能力。然而，存儲在高電壓電子開關的負載端子之間的電荷隨著器件阻斷要求的提高而增加。這能夠對高電壓電子開關的開關損耗和SMPS的控制穩定性造成不利影響。

具有給定芯片面積的高電壓電子開關的導通狀態損耗能夠隨著阻斷要求的提高而明顯增加。一方面，根據一階近似，維持跨負載端子的電壓的漂移區的寬度將隨著阻斷能力線性增加。此外，能夠提供漂移區的凈摻雜的減少以便提高阻斷能力。結果，高電壓電子開關的導通狀態損耗能夠隨著阻斷能力的增加而顯著增加，例如高電壓電子開關的導通狀態損耗能夠與阻斷能力的增加不成比例地高度增加。

鑒于上述內容，需要進行改進。

發明內容

根據一個實施例，提供了一種高電壓半導體開關。該高電壓半導體開關包括第一場效應晶體管，其具有源極、漏極和柵極，并被適配為以額定高電壓水平切換電壓，該第一場效應晶體管是常關斷型的增強模式晶體管；第二場效應晶體管，其有源極、漏極和柵極，其與該第一場效應晶體管串聯連接，其中該第二場效應晶體管是常導通型的耗盡模式晶體管；以及控制單元，其連接至該第一場效應晶體管的漏極和該第二場效應晶體管的柵極，并且可操作用于在跨第一場效應晶體管的漏極-源極電壓超過額定高電壓水平時阻斷該第二場效應晶體管。

根據一個實施例，提供了一種高電壓半導體開關。該高電壓半導體開關包括集成半導體器件，其具有單元區、外緣以及布置在該外緣和單元區之間的邊緣終止區，該半導體器件包括第一場效應晶體管，其具有源極、漏極和柵極，并且被適配為以額定高電壓水平切換電壓；以及串聯連接在該第一場效應晶體管的漏極和源極之間的齊納二極管和電阻器，其中該齊納二極管和電阻器單片集成在該集成半導體器件的邊緣終止區中；以及第二場效應晶體管，其有源極、漏極和柵極，其中該第二場效應晶體管利用其源極連接至第一場效應晶體管的漏極，并且其中該齊納二極管和電阻器的連接端子連接至第二場效應晶體管的柵極。

根據一個實施例，提供了一種針對過電壓保護高電壓增強模式開關晶體管的方法。該方法包括提供包括源極、漏極和柵極的增強模式場效應晶體管與包括源極、漏極和柵極的耗盡模式場效應晶體管的串聯連接，其中該耗盡模式場效應晶體管的源極連接至增強模式場效應晶體管的漏極，在該耗盡模式場效應晶體管的漏極和增強模式場效應晶體管的源極之間供應高電壓，通過向增強模式場效應晶體管的柵極應用開關信號而在正常操作模式中切換該高電壓；并且如果在該增強模式場效應晶體管的漏極處檢測到過電壓，則通過關斷該耗盡模式場效應晶體管而從正常操作模式切換至保護模式。

本領域技術人員在閱讀以下詳細描述時以及觀看附圖時將會認識到另外的特征和優勢。

附圖說明

附圖中的組件并非必然依照比例，而是附圖對本發明的實施例進行圖示。此外，在附圖中，同樣的附圖標記表示相對應的部分。