[發明專利]高壓半導體功率開關器件

有效

• 申請號: 201410584966.4
• 申請日: 2014-10-27
• 公開（公告）號: CN104660250B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 謝潮聲;陳安邦;鄧志強
• 申請（專利權）人: 科域半導體有限公司
• 主分類號: H03K19/0944
• 分類號: H03K19/0944;H01L27/06;H01L21/822
• 代理公司: 北京金信知識產權代理有限公司 11225
• 代理人: 黃威;鄧玉婷

本發明公開了一種三端子高壓達林頓雙極型晶體管功率開關器件，其包括:兩個高壓雙極型晶體管，兩者的集電極連接在一起作為集電極端子,第一高壓雙極型晶體管的基極作為基極端子,第一高壓雙極型晶體管的發射極連接到第二高壓雙極型晶體管的基極(內部基極),并且第二高壓雙極型晶體管的發射極作為發射極端子；二極管,其正極連接到所述內部基極(第一高壓雙極型晶體管的發射極,或第二高壓雙極型晶體管的基極)，并且其負極連接到所述基極端子。類似地，可以通過將前述的開關器件的第一高壓雙極型晶體管替換為高壓MOSFET來形成三端子MOSFET/雙極型晶體管混合高壓開關器件。

技術領域

本發明涉及高壓半導體開關器件。本發明具體但不排他地涉及應用于開關變換器的開關器件。

背景技術

圖1和圖2圖示了現有技術的開關變換器電路。圖1圖示了隔離恒壓輸出的開關變換器,而圖2圖示了用于驅動LED照明設備的非隔離恒流輸出的開關變換器。

在圖1和圖2中，關鍵的決定是對于功率開關器件(分別為115和215)的選擇。雙極型晶體管和MOSFET是用于功率開關器件的典型候選器件。在具有相同的額定功率的情況下，雙極型晶體管的成本比MOSFET更低。然而，通常MOSFET更為優選，特別是在高輸出功率的情況下，這是因為：

a.雙極型晶體管要求連續的基極電流以保持導通狀態，而MOSFET只要求對柵極電容充電來導通；

b.擊穿電壓較高(比如，600V或更高)的功率雙極型晶體管的電流增益一般并不高(比如，大致為10至20，或甚至低于10)。這導致了要用很大功率來驅動基極(尤其當功率變換器將高功率傳輸至其輸出端時)，從而降低了開關變換器電路的效率。

通過使用達林頓結構的雙極型晶體管，有效電流增益將變為單個晶體管的電流增益的乘積。因此，能夠易于獲得幾百的有效電流增益，并且能夠降低由于基極驅動而導致的功率損耗，從而在相同的輸出功率下能夠與MOSFET中對應的柵極驅動相近。然而，商用的達林頓晶體管通常為三管腳封裝件，如圖3所示，其中B是前一基極并且E是后一發射極，一較小的基極電流就能輕易地使其導通，但是由于內部基極(圖3中晶體管302和304的基極管腳)處的基極弛豫，其關斷會非常緩慢，這會使開關器件在關斷時產生大量的熱，從而導致效率下降，因此不適用于開關電源的應用。

IGBT是混合型功率開關器件，其嘗試將MOSFET和雙極型晶體管的優點結合到一起。對于IGBT，由于其對控制基極電容的充電與MOSFET的情況相似，因此其用于基極驅動的功率較小，同時由于傳導模式為雙極動作，IGBT的芯片尺寸與具有相同額定電流的雙極型晶體管相似。然而，由于實際的雙極型基極端子是在器件內部，其面臨與三端子達林頓雙極型晶體管相同的關斷緩慢的問題。

直到現在，對于功率開關器件，MOSFET仍然是最普遍的選擇。

發明內容

本發明提供了一種具有快速關斷時間的高壓三管腳達林頓雙極型功率開關器件。

本發明還提供了一種具有快速關斷時間的高壓MOSFET/雙極型晶體管混合功率開關器件。

上述每一個功率開關器件均可制造成單片器件。

本文中公開了一種三端子高壓達林頓雙極型晶體管功率開關器件，其包括以下組件：

兩個高壓雙極型晶體管，兩者的集電極連接在一起作為所述功率開關器件的所述集電極端子；所述第一高壓雙極型晶體管的基極作為所述功率開關器件的所述基極端子；所述第一高壓雙極型晶體管的發射極與所述第二高壓雙極型晶體管的基極(內部基極)連接，所述第二高壓雙極型晶體管的發射極作為所述功率開關器件的所述發射極端子；以及

二極管，其正極與所述內部基極(所述第一高壓雙極型晶體管的發射極或所述第二高壓雙極型晶體管的基極)相連接，并且所述負極與所述功率開關器件的所述基極端子相連。