[發(fā)明專利]包括故障安全下拉電路的功率器件和電子開關(guān)器件

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010424950.2
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN112019200A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 肯尼斯·金·梁;托馬斯·費里安茨
• 申請（專利權(quán)）人: 英飛凌科技奧地利有限公司
• 主分類號: H03K17/567
• 分類號: H03K17/567
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 康建峰;杜誠

提供了一種功率器件和電子開關(guān)器件以在功率晶體管的柵極未被有效(接通)控制信號驅(qū)動時將常關(guān)氮化鎵(GaN)功率晶體管(諸如柵極注入晶體管(GIT))可靠地保持在非導(dǎo)通狀態(tài)。這是通過在功率晶體管的柵極與源極之間耦接常通下拉晶體管來實現(xiàn)的，使得當(dāng)未將功率晶體管設(shè)定為其導(dǎo)通狀態(tài)時，下拉晶體管將柵極短路至源極。下拉晶體管優(yōu)選地與功率晶體管位于同一半導(dǎo)體管芯上，并且非常靠近功率晶體管，以避免在功率晶體管柵極處的會無意地接通功率晶體管的寄生噪聲。下拉控制電路耦接至下拉晶體管的柵極，并且在功率晶體管被設(shè)定為導(dǎo)通時自主關(guān)斷該下拉晶體管。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及電路拓?fù)浜图晒β书_關(guān)器件，其包括當(dāng)未用有效(接通)控制信號驅(qū)動氮化鎵(GaN，Gallium Nitride)晶體管的柵極時，將常關(guān)GaN晶體管等可靠地保持在非導(dǎo)通狀態(tài)的故障安全電路。

背景技術(shù)

氮化鎵(GaN)基開關(guān)和基于異質(zhì)結(jié)的其他類似的高電子遷移率晶體管(HEMT)提供了高電壓支持、低漏極-源極接通電阻、低柵極驅(qū)動電荷需求和快速開關(guān)。由于這些特性，GaN基開關(guān)越來越多地用于需要高效率和高頻支持的應(yīng)用中，尤其包括開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。然而，與常規(guī)金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極結(jié)型晶體管(BJT)相比，一些GaN基開關(guān)具有獨特的柵極驅(qū)動要求，并且通常需要復(fù)雜的柵極驅(qū)動電路。

處于其自然狀態(tài)的GaN基開關(guān)是常通(耗盡型)器件。當(dāng)相對于其源極沒有電壓施加至其柵極時，這樣的器件從其漏極向其源極傳導(dǎo)電流，并且需要將負(fù)電壓施加至其柵極以迫使該器件進(jìn)入非導(dǎo)通(阻斷)狀態(tài)。這樣的常通狀態(tài)不適合大多數(shù)應(yīng)用。因此，已經(jīng)開發(fā)了對GaN基開關(guān)的修改，以便將它們轉(zhuǎn)換成常關(guān)(增強(qiáng)型)器件。例如，在GaN基開關(guān)的柵極金屬與異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間引入的p摻雜GaN層具有將開關(guān)的接通/關(guān)斷電壓閾值提高到正值的效果，從而提供常關(guān)器件。基于這樣的柵極結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型開關(guān)被稱為柵極注入晶體管(GIT，Gate Injection Transistor)。

GaN基GIT具有用于在其導(dǎo)通(通)和阻斷(斷)狀態(tài)之間切換的相對低的閾值電壓。該閾值電壓通常在1.2V至3.5V的范圍內(nèi)，這明顯低于其他功率MOSFET的相應(yīng)閾值例如5V。此外，包括GaN基GIT的HEMT具有低的顯著小于其他功率MOSFET中的相應(yīng)電容的柵極-源極電容和柵極-漏極電容。雖然GaN基GIT的低閾值電壓和低柵極電容有利地提供了快速開關(guān)速度和低柵極電荷要求，但是這些特性也使得GaN基GIT在旨在將GIT保持在其不導(dǎo)通(阻斷)狀態(tài)時的間隔期間由于GIT的柵極處的電壓擾動而易于被不期望地導(dǎo)通。例如，盡管旨在將柵極保持在低電壓，但是柵極處的噪聲可能導(dǎo)致其電壓上升至GIT的閾值電壓以上。這樣的噪聲可能在旨在將GIT保持在其非導(dǎo)通狀態(tài)時的工作間隔期間以及在柵極可能尚未被提供有驅(qū)動控制信號的啟動間隔期間出現(xiàn)。另外，在控制電壓從高(接通)電壓水平轉(zhuǎn)變到低(關(guān)斷)電壓水平之后，柵極電壓可能易受振鈴的影響。振鈴的電壓水平可能超過GIT的閾值電壓，從而無意地接通GIT。

通常使用為驅(qū)動GaN基GIT或類似的增強(qiáng)型HEMT而定制的復(fù)雜電路來解決以上問題。這樣的電路通常將負(fù)電壓驅(qū)動到柵極上以關(guān)斷GIT，從而提供GIT的驅(qū)動?xùn)艠O電壓與接通閾值電壓之間的顯著的余量。該余量允許將GaN基GIT可靠地保持在其非導(dǎo)通(阻斷)狀態(tài)。電阻器-電容器(RC)電路通常包括在驅(qū)動電路中，以便在GaN基GIT初始轉(zhuǎn)變到導(dǎo)通狀態(tài)時提供高電流。隨后提供較低電流以維持GIT的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)GaN基GIT轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_時，RC電路還具有施加相對高幅值的負(fù)電壓的效果，并且該負(fù)電壓隨著斷開間隔的進(jìn)行而向零耗散。如上所述，典型的驅(qū)動電路包括至少兩個和多至四個的其中每個都必須被控制的驅(qū)動器開關(guān)，并且向柵極提供三個或四個電壓水平。