高电压半导体开关以及用于切换高电压的方法技术

提供一种高电压半导体开关以及用于切换高电压的方法。一种高电压半导体开关，包括第一场效应晶体管，其具有源极、漏极和栅极，并且适于以额定高电压水平切换电压，该第一场效应晶体管是常关断型增强模式晶体管；第二场效应晶体管，其有源极、漏极和栅极，其与该第一场效应晶体管串联连接，该第二场效应晶体管是常导通型耗尽模式晶体管；以及控制单元，其连接至该第一场效应晶体管的漏极和该第二场效应晶体管的栅极，并且可操作用于在跨第一场效应晶体管的漏极-源极电压超过额定高电压水平的情况下阻断该第二场效应晶体管。

【技术实现步骤摘要】

本文所描述的实施例涉及高电压半导体开关。此外，本文所描述的实施例涉及用于切换高电压的方法。
技术介绍
开关模式电源(SMPS)被广泛用于向诸如计算机、电视机或具有市电电压以外的适当电压水平的任意其它电器供应电负载，上述市电电压处于通常为例如90V至240V rms的范围之中。如果针对大多数AC市电的50Hz至60Hz的频率范围以上的较高频率进行设计，在许多情况下将负载从市电电流地去耦合并且在次级侧提供适当电压水平的变压器占用较少的空间并且更为经济。例如高电压MOSFET或IGBT的电子开关通常被用于为变压器的初级侧提供直流(DC)链路之外的适当高频电压和电流波形，其能够通过对市电电压进行整流而生成。这里注意到的是，这样的电子开关的使用并不被局限于以上所提到的应用。 在连接至变压器初级侧的电子开关中，当利用高电压、高频率和高电流信号对变压器的初级侧进行驱动时，出现欧姆损耗和开关损耗两者。这些损耗在导通电子开关时且尤其在关断电子开关时出现。为了减少开关损耗并同时提高整体效率，已经建立了用于驱动变压器的多种配置和方法。这些方法包括谐振槽的操作，其中电子开关主要在电压过零处或接近于过零处被导通和/或关断。因此，开关损耗能够有所减少。这样的方法通常被称作电子开关的软切换。在正常操作中，在软切换期间施加于负载端子的最大电压是DC链路的电压。然而，例如在SMPS启动、负载跳跃等的期间可能出现没有达到软切换条件的情形。在这些情况下，电子开关无法必然在接近于零电压或零电流处进行关断，而是在电子开关的端子处的电流和/或电压显著时关断。在这些情况下，会出现超过DC链路电压的显著电压过冲。 因此，常规使用的电子开关提供了超过DC链路的电压的阻断能力。然而，存储在高电压电子开关的负载端子之间的电荷随着器件阻断要求的提高而增加。这能够对高电压电子开关的开关损耗和SMPS的控制稳定性造成不利影响。 具有给定芯片面积的高电压电子开关的导通状态损耗能够随着阻断要求的提高而明显增加。一方面，根据一阶近似，维持跨负载端子的电压的漂移区的宽度将随着阻断能力线性增加。此外，能够提供漂移区的净掺杂的减少以便提高阻断能力。结果，高电压电子开关的导通状态损耗能够随着阻断能力的增加而显著增加，例如高电压电子开关的导通状态损耗能够与阻断能力的增加不成比例地高度增加。 鉴于上述内容，需要进行改进。
技术实现思路
根据一个实施例，提供了一种高电压半导体开关。该高电压半导体开关包括第一场效应晶体管，其具有源极、漏极和栅极，并被适配为以额定高电压水平切换电压，该第一场效应晶体管是常关断型的增强模式晶体管；第二场效应晶体管，其有源极、漏极和栅极，其与该第一场效应晶体管串联连接，其中该第二场效应晶体管是常导通型的耗尽模式晶体管；以及控制单元，其连接至该第一场效应晶体管的漏极和该第二场效应晶体管的栅极，并且可操作用于在跨第一场效应晶体管的漏极-源极电压超过额定高电压水平时阻断该第二场效应晶体管。 根据一个实施例，提供了一种高电压半导体开关。该高电压半导体开关包括集成半导体器件，其具有单元区、外缘以及布置在该外缘和单元区之间的边缘终止区，该半导体器件包括第一场效应晶体管，其具有源极、漏极和栅极，并且被适配为以额定高电压水平切换电压；以及串联连接在该第一场效应晶体管的漏极和源极之间的齐纳二极管和电阻器，其中该齐纳二极管和电阻器单片集成在该集成半导体器件的边缘终止区中；以及第二场效应晶体管，其有源极、漏极和栅极，其中该第二场效应晶体管利用其源极连接至第一场效应晶体管的漏极，并且其中该齐纳二极管和电阻器的连接端子连接至第二场效应晶体管的栅极。 根据一个实施例，提供了一种针对过电压保护高电压增强模式开关晶体管的方法。该方法包括提供包括源极、漏极和栅极的增强模式场效应晶体管与包括源极、漏极和栅极的耗尽模式场效应晶体管的串联连接，其中该耗尽模式场效应晶体管的源极连接至增强模式场效应晶体管的漏极，在该耗尽模式场效应晶体管的漏极和增强模式场效应晶体管的源极之间供应高电压，通过向增强模式场效应晶体管的栅极应用开关信号而在正常操作模式中切换该高电压；并且如果在该增强模式场效应晶体管的漏极处检测到过电压，则通过关断该耗尽模式场效应晶体管而从正常操作模式切换至保护模式。 本领域技术人员在阅读以下详细描述时以及观看附图时将会认识到另外的特征和优势。 【附图说明】 附图中的组件并非必然依照比例，而是附图对本专利技术的实施例进行图示。此外，在附图中，同样的附图标记表示相对应的部分。 图1图示了根据一个实施例的包括连接至控制单元的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的共源共栅电路。 图2图示了根据一个实施例的集成半导体器件的截面图。 图3图示了根据一个实施例的集成半导体器件的电压电位分布图。 图4图示了根据一个实施例的集成半导体器件的另一个电压电位分布图。 图5图示了根据一个实施例的示出高电压半导体开关处的压降的压降示图。 图6图示了根据一个实施例的高电压半导体开关的示意性框图。 【具体实施方式】 在以下详细描述中对附图进行参考，该附图形成这里的一部分并且其中通过图示而示出了能够在其中实践本专利技术的具体实施例。就此而言，诸如“顶部”、“底部”、“前方”、“后方”、“之前”、“之后”、横向、垂直等的方向性术语参考所描述的(多个)附图的方位而使用。由于实施例的组件能够以多种不同方位进行定位，所以方向性术语是出于说明的目的被使用而绝非进行限制。所要理解的是，能够利用其它实施例并且能够进行结构或逻辑的变化而并不背离本专利技术的范围。因此，以下详细描述并不以限制的含义进行理解，并且本专利技术的范围由所附权利要求所限定。所描述的实施例使用了具体的语言，这并不应当被理解为对所附权利要求的范围加以限制。 现在将详细参考各个实施例，其一个或多个实例在附图中进行了图示。每个示例通过解释来提供，而并非意在作为本专利技术的限制。例如，作为一个实施例的一部分进行图示或描述的特征能够在其它实施例上使用或者结合其它实施例使用而产生又另外的实施例。本专利技术意在包括这样的修改和变化。使用具体语言对示例进行描述，其并不应当被理解为对所附权利要求的范围进行限制。附图并非依照比例并且仅是处于说明的目的。为了清楚，如果没有以其它方式指出，则同样的部件或制造步骤已经在不同附图中被指定以相同的附图标记。 在图中，横向方向由附图标记X表示。此外，在图中，垂直方向由附图标记y表示。 在该说明书中，半导体衬底的第二表面被认为由较低或背面的表面所形成，而第一表面则被认为由半导体衬底的较高、前方或主要的表面所形成。因此，考虑到该方位，如该说明书中所使用的术语“高于”和“低于”描述了一个结构特征与另一结构特征的相对位置。 在该说明书的上下文中，术语“M0S”(金属氧化物半导体)应当被理解为包括更为一般化的术语“MIS” (金属绝缘体半导体)。例如，术语MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)应当被理解为包括具有并非氧化物的栅极绝缘体的FET，即术语MOSFET分别在IGFET (绝缘栅场效应晶体管)和MISFET (金属绝缘体半导体场效应晶体管)的更为一般的术语含义中使用。用于MOS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高电压半导体开关，包括：第一场效应晶体管，所述第一场效应晶体管具有源极、漏极和栅极，并且被适配为以额定高电压水平切换电压，其中所述第一场效应晶体管是常关断型的增强模式晶体管；第二场效应晶体管，所述第二场效应晶体管有源极、漏极和栅极，与所述第一场效应晶体管串联连接，其中所述第二场效应晶体管是常导通型的耗尽模式晶体管；以及控制单元，所述控制单元连接至所述第一场效应晶体管的所述漏极和所述第二场效应晶体管的所述栅极，并且可操作用于如果跨所述第一场效应晶体管的漏极‑源极电压超过所述额定高电压水平时阻断所述第二场效应晶体管。

【技术特征摘要】
2013.08.09 US 13/963,3831.一种高电压半导体开关，包括: 第一场效应晶体管，所述第一场效应晶体管具有源极、漏极和栅极，并且被适配为以额定高电压水平切换电压，其中所述第一场效应晶体管是常关断型的增强模式晶体管； 第二场效应晶体管，所述第二场效应晶体管有源极、漏极和栅极，与所述第一场效应晶体管串联连接，其中所述第二场效应晶体管是常导通型的耗尽模式晶体管；以及 控制单元，所述控制单元连接至所述第一场效应晶体管的所述漏极和所述第二场效应晶体管的所述栅极，并且可操作用于如果跨所述第一场效应晶体管的漏极-源极电压超过所述额定高电压水平时阻断所述第二场效应晶体管。2.根据权利要求1所述的高电压半导体开关，其中所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管形成共源共栅电路。3.根据权利要求1所述的高电压半导体开关，其中所述第一场效应晶体管从η沟道MOSFET、超结晶体管、MISFET、IGBT, JFET和HEMT所组成的群组中进行选择。4.根据权利要求1所述的高电压半导体开关，其中所述第二场效应晶体管从η沟道MOSFET、JFET和HEMT所组成的群组中进行选择。5.根据权利要求1所述的高电压半导体开关，其中第一电压限制元件与所述第一场效应晶体管的所述源极-漏极路径并联连接。6.根据权利要求1所述的高电压半导体开关，其中第二电压限制元件与所述第二场效应晶体管的所述源极-漏极路径并联连接。7.根据权利要求1所述的高电压半导体开关，其中所述控制单元包括串联连接在所述第一场效应晶体管的所述漏极和所述源极之间的齐纳二极管和电阻器，其中所述齐纳二极管和所述电阻器的共用连接端子连接至所述第二场效应晶体管的所述栅极。8.根据权利要求7所述的高电压半导体开关，其中所述齐纳二极管和所述电阻器是独立于所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管的离散电路元件。9.根据权利要求7所述的高电压半导体开关，其中所述第一场效应晶体管、所述第二场效应晶体管、所述齐纳二极管和所述电阻器被布置在共用的多芯片封装内。10.根据权利要求1所述的高电压半导体开关，其中所述第二场效应晶体管的所述源极和所述第一场效应晶体管的所述漏极电连接至共用节点，并且其中所述第一场效应晶体管的所述源极连接至第一端子并且所述第二场效应晶体管的所述漏极连接至第二端子以向所述第一场效应晶体管和所述第二场效应晶体管供应电压。11.根据权利要求1所述的高电压半导体开关，进一步包括连接在所述第一场效应晶体管的所述源极和所述漏极之间的第一电压限制元件。12.根据权利要求1所述的高电压半导体开关，进一步包括连接在所述第二场效应晶体...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·韦耶斯，F·希尔勒，A·毛德，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT