用于高压应用的感测设备制造技术

本发明专利技术题为“用于高压应用的感测设备”。在一般方面，集成电路(IC)可包括低压区域，该低压区域包括被配置为控制电源转换器的低侧开关的低侧驱动电路。该IC还可包括具有第一导电性的浮动区域的高压区域，以及设置在该浮动区域中的高压感测设备。该高压感测设备可包括结型场效应晶体管(JFET)和分压器。该分压器可包括耦接到该JFET的漏极的第一端子、耦接到该JFET的栅极的第二端子、以及感测端子，该分压器被配置为在该感测端子上提供。该IC还可包括与该感测端子耦接的高侧驱动电路。高侧驱动电路可被配置为基于感测端子上的电压来控制电源转换器的高侧开关。

【技术实现步骤摘要】
用于高压应用的感测设备
本公开涉及可感测高压域中的电压和/或电流的半导体器件，诸如用于功率转换。更具体地，本公开涉及可包括(例如，单片地包括)在(例如，电源转换器的)集成控制电路中的高压域感测设备。
技术介绍
电源转换器，诸如直流到直流(DC-DC)或交流到直流(AC-DC)电源转换器，用于广泛范围的应用中。例如，此类电源转换器可用于云计算服务器、汽车应用、工业应用等。在一些实施方式中，此类电源转换器使用高压电源。例如，此类高压电源可为400伏(V)、500V、600V、700V等。此类电源转换器的实施方式可包括电感电容(LC)谐振变压器电路和开关电路，该开关电路可控制由LC谐振变压器电路进行的充电和功率传递。此类开关电路可包括低侧开关(例如，在低压功率域或低压区域中操作的功率半导体开关)和高侧开关(例如，在高压功率域或高压区域中操作的功率半导体开关)，其中LC谐振变压器电路的开关节点被限定(定位等)在高侧开关与低侧开关之间。例如，在一些实施方式中，此类开关节点可位于低侧绝缘栅双极晶体管(IGBT)的漏极端子与高侧IGBT的源极端子之间，其中低侧IGBT的源极连接到电接地部并且高侧IGBT的漏极连接到高压(AC或DC)电源电压。在一些实施方式中，可使用除了IGBT之外的功率晶体管开关器件(诸如功率场效应晶体管)。使用此类电源转换器实现的应用，诸如以上示例，可具有使用当前电源转换器实施方式可能无法实现的性能和效率要求。为了实现此类要求，可期望实现零伏切换(ZVS)和/或基于电流的切换控制。例如，在一些实施方式中，ZVS可被实现为通过控制高侧开关和低侧开关的切换以在其漏极到源极电压为(或接近)零时在断开状态与导通状态之间切换来改善性能效率，这减少了切换电流(例如，切换损耗)。在一些实施方式中(例如，在脉冲宽度调制的AC-DC电源转换器中)，基于电流的切换控制可改善性能和/或效率。然而，至少部分地由于难以获得与给定电源转换器的开关操作相关联的电压和/或电流的准确测量(具有低延迟)，可能难以在电流电源转换器实施中实现此类性能和效率要求。例如，由于不存在高侧开关的固定接地基准(例如，高侧开关的源极端子可从0V变化到相关联高压电源的值)，可难以获得与高侧开关相关联的准确的电压和/或电流检测。当前方法，诸如开关节点信号上的边缘感测和/或外部(例如，远离相关联的切换控制电路)电压和/或电流测量的使用，可能不足以满足性能要求。例如，此类方法可能受到不准确(例如，由于软切换或不稳定切换)和/或向切换控制(例如，高侧)电路提供此类测量的延迟的影响。
技术实现思路
在一般方面，集成电路可包括半导体衬底中包括(设置)的低压区域和高压区域。低压区域可包括低侧驱动电路，该低侧驱动电路被配置为控制电源转换器的低侧开关。高压区域可包括第一导电类型的浮动区域以及设置在浮动区域中的高压感测设备。高压感测设备可包括结型场效应晶体管(JFET)和分压器。JFET可被配置为以夹断(pinch-off)模式操作。分压器可包括耦接到JFET的漏极的第一端子、耦接到JFET的栅极的第二端子、以及感测端子。分压器可被配置为在感测端子上提供指示JFET的漏极与JFET的栅极之间电压差的电压。高压区域还可包括与感测端子耦接的高侧驱动电路。高侧驱动电路可被配置为基于感测端子上的电压控制电源转换器的高侧开关。在另一个一般方面，集成电路可包括半导体衬底中包括(设置)的低压区域和高压区域。低压区域可包括低侧驱动电路，该低侧驱动电路被配置为控制电源转换器的低侧开关。高压区域可包括第一导电类型的浮动区域以及设置在浮动区域中的高压感测设备。高压感测设备可包括第一结型场效应晶体管(JFET)和分压器。第一JFET可被配置为以夹断模式操作。分压器可包括耦接到第一JFET的漏极的第一端子、耦接到第一JFET的栅极的第二端子、以及感测端子。分压器可被配置为在感测端子上提供指示第一JFET的漏极与第一JFET的栅极之间电压差的电压。高压区域还可包括与感测端子耦接的高侧驱动电路。高侧驱动电路可被配置为基于感测端子上的电压来控制电源转换器的高侧开关。集成电路还可包括围绕浮动区域的高压结终止区域。高压结终止区域可包括第二JFET。在另一个一般方面，集成电路可包括半导体衬底中包括(设置)的低压区域和高压区域。低压区域可包括低侧驱动电路，该低侧驱动电路被配置为控制电源转换器的低侧开关。高压区域可包括第一导电类型的浮动区域以及设置在浮动区域中的高压感测设备。高压感测设备可包括结型场效应晶体管(JFET)和电阻电容分压器。JFET可被配置为以夹断模式操作。电阻电容分压器可包括耦接到JFET的漏极的第一端子、耦接到JFET的栅极的第二端子、以及感测端子。电阻电容分压器可被配置为在感测端子上提供指示JFET的漏极与JFET的栅极之间电压差的电压。电阻电容分压器可包括耦接在JFET的漏极与感测端子之间的第一电容器、耦接在感测端子与JFET的栅极之间的第二电容器，以及螺旋电阻元件。感测端子可耦接到螺旋电阻元件以便限定电阻电容分压器的第一电阻器和第二电阻器，第一电阻器可耦接在JFET的漏极与感测端子之间，并且第二电阻器耦接在感测端子与JFET的栅极之间。高压区域还可包括与感测端子耦接的高侧驱动电路。高侧驱动电路可被配置为基于感测端子上的电压来控制电源转换器的高侧开关。附图说明图1是示出高压电源转换器的单片控制设备(例如，高压集成电路)的框图。图2是示意性地示出可在高压集成电路(HVIC，诸如图1的HVIC)中实现的高压感测设备的顶层视图(例如，布局平面图)的图。图3是示出图2的高压感测设备的实施方式的示意图。图4是示出图2和图3的高压感测设备的一部分的剖视图的图。图5是示意性地示出图2和图3的高压感测设备的一部分的剖视图的图。图6是示意性地示出图2和图3的高压感测设备的高压终止部分的剖视图的图。图7是示出其中可实现图2和图3的高压感测设备的电源转换器电路的示意性框图。图8是可在图7的电源转换器电路中实现的高压集成(控制)电路的示意性框图。图9是其中可实现图2和图3的高压感测设备的另一个电源转换器电路的示意性框图。图10是示出电源转换器(诸如图7所示的电源转换器)的自举电压、开关节点电压和集成电路电源电压之间关系的时序图。图11A和图11B是示出高压集成(控制)电路中(诸如图2和图3的高压感测设备中)的开关节点电压与感测端子电压之间关系的时序图。在未必按比例绘制的附图中，相似参考符号可指示不同视图中的相似和/或类似部件(元件、结构等)。附图大体上以举例而非限制的方式示出了本公开中所讨论的各种实施方式。在一个附图中示出的参考符号对于相关视图中的相同和/或相似元件可不重复。在多个图中重复的参考符号可不相对于这些图中的每个图具体地讨论，而是提供用于相关视图之间的上下文。另外，并非附图中的所有相似元件都在示出该元件的多个实例时用参考符号具体引用。在一些附图中，为了清楚起见，可省略来自相关视图的元件。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成电路，所述集成电路包括：/n半导体衬底；/n低压区域，所述低压区域被包括在所述半导体衬底中，所述低压区域包括：/n低侧驱动电路，所述低侧驱动电路被配置为控制电源转换器的低侧开关；/n高压区域，所述高压区域被包括在所述半导体衬底中，所述高压区域包括：/n第一导电类型的浮动区域；/n高压感测设备，所述高压感测设备设置在所述浮动区域中，所述高压感测设备包括：/n结型场效应晶体管(JFET)，所述结型场效应晶体管被配置为以夹断模式操作；和/n分压器，所述分压器包括：/n第一端子，所述第一端子耦接到所述结型场效应晶体管的漏极；/n第二端子，所述第二端子耦接到所述结型场效应晶体管的栅极；和/n感测端子，所述分压器被配置为在所述感测端子上提供指示所述结型场效应晶体管的所述漏极与所述结型场效应晶体管的所述栅极之间电压差的电压；以及/n高侧驱动电路，所述高侧驱动电路与所述感测端子耦接，所述高侧驱动电路被配置为基于所述感测端子上的所述电压来控制所述电源转换器的高侧开关。/n

【技术特征摘要】
20200204 US 16/781,4341.一种集成电路，所述集成电路包括：
半导体衬底；
低压区域，所述低压区域被包括在所述半导体衬底中，所述低压区域包括：
低侧驱动电路，所述低侧驱动电路被配置为控制电源转换器的低侧开关；
高压区域，所述高压区域被包括在所述半导体衬底中，所述高压区域包括：
第一导电类型的浮动区域；
高压感测设备，所述高压感测设备设置在所述浮动区域中，所述高压感测设备包括：
结型场效应晶体管(JFET)，所述结型场效应晶体管被配置为以夹断模式操作；和
分压器，所述分压器包括：
第一端子，所述第一端子耦接到所述结型场效应晶体管的漏极；
第二端子，所述第二端子耦接到所述结型场效应晶体管的栅极；和
感测端子，所述分压器被配置为在所述感测端子上提供指示所述结型场效应晶体管的所述漏极与所述结型场效应晶体管的所述栅极之间电压差的电压；以及
高侧驱动电路，所述高侧驱动电路与所述感测端子耦接，所述高侧驱动电路被配置为基于所述感测端子上的所述电压来控制所述电源转换器的高侧开关。


2.根据权利要求1所述的集成电路，其中：
所述结型场效应晶体管的源极被配置为与所述电源转换器的自举电压耦接，所述自举电压基于所述电源转换器的开关节点的电压在第一电压与第二电压之间变化；并且
所述结型场效应晶体管的所述栅极与所述电源转换器的所述开关节点耦接，
所述第一电压是所述集成电路的电源电压，并且
所述第二电压是所述电源转换器的高压电源电压加上所述集成电路的所述电源电压。


3.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电压差为高压电源与所述电源转换器的开关节点之间的电压差。


4.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电压差为所述电源转换器的高侧电流感测电阻器两端的电压差。


5.根据权利要求1所述的集成电路，其中分压器耦接在所述结型场效应晶体管的所述漏极与所述结型场效应晶体管的所述栅极之间，所述分压器包括：
第一电容器，所述第一电容器耦接在所述结型场效应晶体管的所述漏极与所述感测端子之间；和
第二电容器，所述第二电容器耦接在所述感测端子与所述结型场效应晶体管的所述栅极之间，
所述第一电容器包括设置在所述浮动区域内的电容网络，以及
所述第二电容器包括设置在所述低压区域中的金属氧化物金属电容器。


6.根据权利要求1所述的集成电路，其中分压器耦接在所述结型场效应晶体管的所述漏极与所述结型场效应晶体管的所述栅极之间，所述分压器包括：
螺旋电阻元件，所述螺旋电阻元件设置在所述浮动区域中，所述感测端子耦接到所述螺旋电阻元件以限定所述电阻电容分压器的第一电阻器和第二电阻器，
所述第一电阻器耦接在所述结型场效应晶体管的所述漏极与所述感测端子之间，并且
所述第二电阻器耦接在所述感测端子与所述结型场效应晶体管的所述栅极之间。


7.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述分压器包括以下项中的至少一者：
电阻分压器；或
电容分压器。


8.根据权利要求1所述的集成电路，所述集成电路还包括高压终止区域，所述高压终止区域设置在所述低压区域与所述高压区域之间，
所述高压终止区域围绕所述浮动区域，
所述结型场效应晶体管是第一n沟道结型场效应晶体管，所述高压结终止区域包括第二n沟道结型场效应晶体管，
所述第二n沟道结型场效应晶体管的栅极耦接到电接地部，并且
所述第二n沟道结型场效应晶体管的源极被配置为电浮动。


9.一种集成电路，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·埃拉米库拉萨尼，M·格瑞斯伍尔德，R·泰勒，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US