共源共栅切换电路制造技术

本文公开了包括常通型半导体器件、常断型半导体器件和栅极驱动器的共源共栅切换电路。所述常通型半导体器件和常断型半导体器件各自都具有栅极端、漏极端和源极端。栅极驱动器具有第一输出和第二输出，所述栅极驱动器的第一输出耦合到所述常通型半导体器件的所述栅极端，所述栅极驱动器的第二输出耦合到所述常断型半导体器件的所述栅极端，并且所述常断型半导体器件的漏极端耦合到所述常通型半导体器件的所述源极端，使得形成通过所述常通型半导体器件和所述常断型半导体器件的电流路径。还公开了制造和使用这种电路的方法以及这种电路的其他各个方面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2014年5月28日提交的序号为62/003,637的美国临时申请和于2014年10月28日提交的美国专利申请14/525,863的权益，其公开内容由此通过引用并入本文，如同其全部内容被阐述一样。
技术介绍
本专利技术总体上涉及半导体切换器件和栅极驱动方法，并且特别地涉及包括处于共源共栅布置的常断型半导体器件和常通型高电压宽带隙半导体器件的驱动开关。化合物半导体诸如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在价带的顶部与导带的底部之间具有通常大于2电子伏的带隙或能量差，因此这些半导体被称为宽带隙半导体。宽带隙半导体具有比硅高得多的击穿场；例如，碳化硅的击穿场为每厘米约3×106伏，这大约为硅的击穿场的10倍。宽带隙和高击穿场的特性允许由宽带隙半导体制成的功率器件以较低的导通电阻阻断较高的电压、以较高的频率更高效地进行切换、并且以较低的冷却要求在较高的温度下工作。这些器件特性对于实现高电压、高温、高频和高功率密度的功率转换系统是至关重要的。已经投入大量的努力来开发SiC结型场效应晶体管(JFET)、SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。与SiCMOSFET相比，SiCJFET不需要关键性的氧化物膜，因此在高电场和高结温工作条件下，不存在与氧化物相关的性能劣化和长期可靠性的问题。SiCJFET在高温下是可靠的，并且继续在比导通电阻和切换品质因子方面取得了巨大进步。通过控制沟道开口，可以使SiCJFET为常通型或常断型。常通型器件是当向其控制端或栅极施加零电压时具有高导电性或处于导通状态的器件。常断型器件是当向其控制端或栅极施加零电压时具有高电阻或处于断开状态的器件。常通型SiCJFET表现出非常低的比导通电阻。常断型SiCJFET的比导通电阻存在损失，并且它们需要适当地调整的栅极驱动器以获得最佳性能。对于GaNHEMT，它们几乎全部都是常通型器件。最佳性能的SiC和GaN器件是常通型器件。然而，常通型器件在系统启动或栅极驱动电源故障期间可能产生危险的短路状况，这使得常通型器件难以应用于许多功率转换应用中。克服使用常通型器件的挑战的方法利用Baliga等人在题为“CompositeCircuitforPowerSemiconductorSwitching”的第4,663,547号美国专利中公开的共源共栅构思，其包括与高压常通型JFET串联连接的低压常断型MOSFET并且当零电压施加到其控制端即MOSFET栅极时呈现常断型工作模式。共源共栅器件的优点包括常断型工作模式、具有低正向压降的内置体二极管、以及非常低的米勒电容。共源共栅器件作为复合电路，包含来自器件接合线、封装引线和PCB迹线的许多寄生电感。这些寄生电感与处于共源共栅的两个器件的电容一起可能在切换过程期间引起振荡，并且导致在某些条件下的不稳定性。为了确保共源共栅的可靠工作，必须有效地控制在切换过程期间电压随时间的瞬时变化率(dv/dt)和电流随时间的瞬时变化率(di/dt)。共源共栅的源极处的MOSFET栅极电阻和寄生电感可以用于有效地控制接通过程的di/dt和dv/dt。然而，与接通过程中的情况相比，更难以完全控制共源共栅的关断过程的di/dt和dv/dt。已经设计出各种方法来控制共源共栅的切换过程。Rose在题为“CascodedSemiconductorDevices”的第20140027785号美国专利申请中描述了一种使用连接在高电压常通型器件的栅极与低电压常断型器件的栅极之间的自举电容器以便使用单个栅极驱动器实现有效地控制共源共栅电路中的两个器件的方法。该方法会使自举电容器两端产生电压降，该电压降使常通型器件的栅源结的偏置反向，并且导致常通型器件的导通电阻的显著增加。Iwamura在题为“HybridPowerDevice”的第8,487,667号美国专利中描述了一种使用连接至常通型器件的栅极的电阻器电容器二极管(RCD)网络来控制共源共栅切换过程的方法。为了将切换过程期间的振荡衰减到可接受的水平，该方法显著地降低了切换速度并且增加了共源共栅电路的切换损耗。Friedrichs在题为“SimplifiedSwitchingCircuit”的第7,777,553号美国专利中以及Cilio在题为“Normally-offD-modeDrivenDirectDriveCascode”的第8,228,114号美国专利中描述了直接驱动方法。在该方法中，低电压常断型器件用作保护器件。在正常工作中，低电压常断型器件始终保持导通，并且高电压常通型器件独立地切换。在启动或故障状况期间，常断型器件将被关断，并且整个电路将像常规的共源共栅电路一样被关断。以这种方式，直接驱动共源共栅起到类似于独立的常通型器件的作用，并且避免了共源共栅电路的限制。然而，该方法需要复杂的栅极驱动器以确保共源共栅器件的适当安全工作。Kanazawa等人在题为“SemiconductorDeviceandSystemUsingtheSame”的第20130335134号美国专利申请中描述了一种控制共源共栅器件的方法。在该方法中，处于共源共栅的常通型器件和常断型器件两者在切换过程期间同时被有效地切换，并且在断开状态期间通过它们各自的栅极驱动信号有效地保持在断开状态。通过适当设计在常通型器件的栅极信号与常断型器件的栅极信号之间的延迟时间，共源共栅切换过程将非常接近于独立的常通型器件的切换过程。然而，该方法中常通型器件不适用于反向电流传导，因为其栅极端在断开状态期间相对于其源极保持在低电位。共源共栅器件的内置体二极管的特征没有被使用。共源共栅器件需要与共源共栅器件并联连接的附加的续流二极管来传导反向电流。因此，仍然需要具有简单的栅极驱动电路、可控切换过程和内置体二极管的共源共栅器件。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有简单的栅极驱动电路、可控切换过程和内置体二极管的共源共栅切换电路。本专利技术在此描述了一种共源共栅切换电路，其包括常通型半导体器件、常断型半导体器件和栅极驱动器电路。常通型半导体器件和常断型半导体器件各自都可以具有栅极端、漏极端和源极端。栅极驱动器可以设置有两个输出：第一输出和第二输出。通过将常断型半导体器件的漏极端耦合到常通型半导体器件的源极端，常通型半导体器件可以与常断型半导体器件串联连接，使得形成通过常通型半导体器件和常断型半导体器件两者的电流路径。栅极驱动器的第一输出可以耦合到常通型半导体器件的栅极端，并且栅极驱动器的第二输出可以耦合到常断型半导体器件的栅极端。在不同的变型中，常通型半导体器件可以由各种不同的元件和元件的组合制成。例如，常通型器件可以由化合物半导体如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)制成。在不同的变型中，常通型半导体器件可以包括若干个不同的特定器件。例如，碳化硅常通型半导体器件可以是碳化硅结型场效应晶体管(JFET)，并且氮化镓常通型半导体器件可以是氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)。常通型器件可以可替代地包括具有在约600伏至约4000伏的范围内的电压阻断能力的任何半导体器件。常通型器件还可以包括并联连接而使得其在一起具有在约600伏至约4000伏的范围内的电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种共源共栅切换电路，包括常通型半导体器件、常断型半导体器件和栅极驱动器，其中：所述常通型半导体器件和所述常断型半导体器件各自都具有栅极端、漏极端和源极端；所述栅极驱动器具有第一输出和第二输出；所述栅极驱动器的所述第一输出耦合到所述常通型半导体器件的所述栅极端；所述栅极驱动器的所述第二输出耦合到所述常断型半导体器件的所述栅极端；所述常断型半导体器件的所述漏极端耦合到所述常通型半导体器件的所述源极端，使得形成通过所述常通型半导体器件和所述常断型半导体器件的电流路径；所述栅极驱动器被配置为：通过控制所述常断型半导体器件来控制所述共源共栅切换电路的接通过程；通过控制所述常通型半导体器件来控制所述共源共栅切换电路的关断过程；以及在所述共源共栅切换电路的所述关断过程期间，所述栅极驱动器通过将所述栅极驱动器的所述第一输出从第一电压电平改变为第二电压电平来使所述常通型半导体器件关断，然后，在第一预定延迟时间之后，将所述栅极驱动器的所述第二输出从第三电压电平改变为第四电压电平来使所述常断型半导体器件关断，并且在第二预定延迟时间之后，将所述栅极驱动器的所述第一输出从所述第二电压电平改变为所述第一电压电平，从而使得所述共源共栅切换电路从导通状态转变为断开状态。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.28 US 62/003,637;2014.10.28 US 14/525,8631.一种共源共栅切换电路，包括常通型半导体器件、常断型半导体器件和栅极驱动器，其中：所述常通型半导体器件和所述常断型半导体器件各自都具有栅极端、漏极端和源极端；所述栅极驱动器具有第一输出和第二输出；所述栅极驱动器的所述第一输出耦合到所述常通型半导体器件的所述栅极端；所述栅极驱动器的所述第二输出耦合到所述常断型半导体器件的所述栅极端；所述常断型半导体器件的所述漏极端耦合到所述常通型半导体器件的所述源极端，使得形成通过所述常通型半导体器件和所述常断型半导体器件的电流路径；所述栅极驱动器被配置为：通过控制所述常断型半导体器件来控制所述共源共栅切换电路的接通过程；通过控制所述常通型半导体器件来控制所述共源共栅切换电路的关断过程；以及在所述共源共栅切换电路的所述关断过程期间，所述栅极驱动器通过将所述栅极驱动器的所述第一输出从第一电压电平改变为第二电压电平来使所述常通型半导体器件关断，然后，在第一预定延迟时间之后，将所述栅极驱动器的所述第二输出从第三电压电平改变为第四电压电平来使所述常断型半导体器件关断，并且在第二预定延迟时间之后，将所述栅极驱动器的所述第一输出从所述第二电压电平改变为所述第一电压电平，从而使得所述共源共栅切换电路从导通状态转变为断开状态。2.根据权利要求1所述的共源共栅切换电路，其中，所述常通型半导体器件包括化合物半导体器件。3.根据权利要求2所述的共源共栅切换电路，其中，所述化合物半导体器件包括碳化硅器件。4.根据权利要求3所述的共源共栅切换电路，其中，所述碳化硅器件包括碳化硅结型场效应晶体管。5.根据权利要求2所述的共源共栅切换电路，其中，所述化合物半导体器件包括氮化镓器件。6.根据权利要求5所述的共源共栅切换电路，其中，所述氮化镓器件包括氮化镓高电子迁移率晶体管。7.根据权利要求1所述的共源共栅切换电路，其中，所述常断型半导体器件包括硅金属氧化物半导体场效应晶体管。8.根据权利要求1所述的共源共栅切换电路，其中，在所述共源共栅切换电路的所述接通过程期间，所述栅极驱动器通过将所述栅极驱动器的所述第二输出从所述第四电压电平改变为所述第三电压电平来使所述常断型半导体器件接通，同时将所述栅极驱动器的所述第一输出保持在所述第一电压电平，从而使得所述共源共栅切换电路从断开状态转变为导通状态。9.根据权利要求1所述的共源共栅切换电路，其中，所述第一预定延迟时间具有在约1纳秒至约500纳秒的范围内的值，并且所述第二预定延迟时间具有在约10纳秒至约500纳秒的范围内的值。10.根据权利要求1所述的共源共栅切换电路，其中，以所述常断型半导体器件的所述源极端作为接地参考的情况下，所述第一电压电平具有在约-2伏至3伏的范围内的值，所述第二电压电平具有在约-8伏至-30伏的范围内的值，所述第三电压电平具有在约3伏至15伏的范围内的值，并且所述第四电压电平具有在约0伏至-15伏的范围内的值。11.根据权利要求1所述的共源共栅切换电路，其中，所述常通型半导体器件包括具有在约300伏至约10,000伏的范围内的电压阻断能力的一个半导体器件或并联连接的多于一个的半导体器件。12.根据权利要求11所述的共源共栅切换电路，其中，所述常断型半导体器件包括具有在约10伏至约100伏的范围内的电压阻断能力的一个半导体器件或并联连接的多于一个的半导体器件。13.根据权利要求1所述的共源共栅切换电路，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪青，阿努普·巴拉，
申请(专利权)人：美国联合碳化硅公司，
类型：发明
国别省市：美国;US