[發明專利]一種集成電壓采樣功能的IGBT器件

有效

• 申請號: 201810550237.5
• 申請日: 2018-05-31
• 公開（公告）號: CN108767006B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 李澤宏;彭鑫;賈鵬飛;楊洋;張金平;高巍;任敏;張波
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/06;H01L23/544
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

本發明提供了一種集成電壓采樣功能的IGBT器件，屬于功率半導體器件技術領域。本發明在體區引入JFET結構的溝道處于常關狀態，器件正向導通狀態下，體區存儲載流子，增強電導調制作用，降低了器件的飽和導通壓降；器件關斷狀態下，體區起到浮空場限環作用，減弱了槽柵底部的電場聚集現象，提高器件的耐壓可靠性；本發明所引入JFET結構的柵極和源極分別與外圍控制電路和采樣端口相連，利用JFET結構源極電壓變化與IGBT耐壓之間的映射關系即可實現電壓采樣功能，在達到電氣隔離效果的同時也不會損害器件正向阻斷特性；通過改變JFET結構的柵極偏置電壓，實現電壓采樣比的調整，用以滿足不同應用條件對電壓采樣的要求。本發明采樣結構簡單，與現有工藝兼容。

技術領域

本發明屬于功率半導體器件技術領域，具體涉及一種集成電壓采樣功能的IGBT器件。

背景技術

隨著高速鐵路、新能源汽車等交通工具迅速發展，絕緣柵雙極晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)由于柵極控制簡單、電流密度大、導通壓降低等優點，已成為電力電子應用中的主流功率開關器件之一。為滿足實際應用中大功率或超大功率的要求，IGBT器件通常采用模塊封裝形式。而在實際應用中，芯片兩端通常發生過電壓情況，使得器件的阻斷能力受到雪崩擊穿的限制，而IGBT的雪崩耐量參數直接表征器件抗雪崩能力。發生過電壓情況時，外部電路電壓會高于器件的正向阻斷電壓，器件發生雪崩擊穿，若此時泄漏電流過大，則直接導致IGBT器件發生熱燒毀。而器件由于過電壓引發的損壞通常位于器件最高電場位置，比如器件元胞和終端之間的過渡區，因此，過壓保護技術已成為保證IGBT應用可靠性的重要技術。

電壓采樣技術是IGBT過壓保護技術的重要環節。對于低壓范圍內的電壓采樣技術，可通過傳輸門、電阻分壓等方案解決；而對于中、高壓功率器件的電壓采樣，則需要用到霍爾電壓傳感器等元件來實現被采樣高壓電路和低壓控制電路之間的電氣隔離，并將強電成比例的映射到弱電信號。現有的電壓采樣技術是在整個采樣系統通常結合數字信號處理算法及控制理論，用以提高采樣的精度和準確性。雖然該方案有較高的精度，但是在采樣過程有帶寬限制，同時還存在傳感器失真、接地回路干擾等難題尚未克服。現目前電壓采樣技術按照信號采集方式可分為共模信號采樣和差模信號采樣。共模信號采樣的精度較低，差模信號采樣諸如繼電器切換提取電壓、V/F轉換無觸點采樣提取電壓、浮動地技術測量電池端電壓等，存在著硬件復雜、成本高的缺點。同時現有的電壓采樣電路，需要在測量精度、參數匹配、采樣電路復雜程度、延遲時間、成本等方面做權衡，這就需要一種采樣結構簡單、精度高，采樣元件自身能實現電氣隔離，同時不對被采樣高壓器件基本參數造成影響的電壓采樣技術。

JFET結構作為功率半導體中的基本器件結構，其本質上是一種電壓控制電阻器，能夠避免MOS結構中氧化物-半導體界面有關的問題。對于更高擊穿電壓和功率容量的器件結構，JFET結構的魯棒性更強。同時，JFET結構因為工作時只有多數載流子參與，且載流子傳輸的溝道位于體內，沒有表面和界面散射，從而具有低噪聲的特點。基于以上特點，JFET結構已經在功率器件的電壓采樣技術中應用。圖1為傳統IGBT器件電壓采樣結構的示意圖，此種電壓采樣結構與IGBT元胞結構之間還需要“Gate Runner”做隔離，對IGBT電流傳導并不起作用，而且還需要額外占用芯片面積；同時隨著采樣電壓等級的提高，電壓采樣端口采集得到的電壓值會隨之快速上升，電壓采樣結構的電氣隔離作用相應減弱，而且采樣電壓與IGBT端電壓映射關系也隨之減弱，導致采樣精度大幅度下降。另外，傳統電壓采樣結構在器件尺寸確定的情況下，無法實現電壓采樣比的調節，受到高壓應用電路電壓等級的限制。

發明內容

鑒于上文所述，本發明針對IGBT電壓采樣技術中存在的問題，提供一種集成電壓采樣功能的IGBT器件，通過在體區中引入與器件內部三極管串聯的JFET結構，并且將JFET結構的柵極和JFET結構的源極分別與外圍控制電路和采樣端口相連，利用JFET結構源極電壓變化與IGBT耐壓之間的映射關系，實現電壓采樣功能。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：