集成式半导体功率开关器件的制作方法

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种集成式半导体功率开关器件。

背景技术：

半导体功率器件构成的开关管是现代功率变换器的核心，半导体功率器件的稳定性和可靠性对整个功率变换器系统的可靠性有至关重要的影响，因此提高半导体器件的稳定性和可靠性有重要意义。

过流损坏是半导体功率开关的一种常见失效模式，通常发生在短路、过载或者其它一些异常情况下。例如，BOOST变换器中，负载加重导致电感饱和，电感电流急剧增加，会导致半导体功率开关过流损坏。半导体功率开关的过流损坏常常会引起功率变换器系统中其它器件的损坏，甚至整个系统不可恢复的失效。例如，桥式变换器中，同一桥臂的半导体功率开关器件由于直通导致的桥式变换器过流损坏。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成式半导体功率开关器件，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种集成式半导体功率开关器件包括：半导体功率开关、检测通过所述半导体功率开关的电流是否过流的电压嵌位与采样电路、及在所述电压嵌位与采样电路检测到通过所述半导体功率开关的电流过流时使所述半导体功率开关断开的驱动关断电路，其中：

所述半导体功率开关包括高位端、低位端和控制端，所述电压嵌位与采样电路包括第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述驱动关断电路包括第三输入端、第四输入端和第二输出端；

所述半导体功率开关的高位端分别与高电位引脚和所述电压嵌位与采样电路的第一输入端连接，低位端分别与接地引脚和所述电压嵌位与采样电路的第二输入端连接；

所述电压嵌位与采样电路的第一输出端与所述驱动关断电路的第三输入端连接；

所述驱动关断电路的第四输入端与控制引脚连接，第二输出端与所述半导体功率开关的控制端连接。

优选地，所述电压嵌位与采样电路包括：电压嵌位电路和电压采样电路，其中，电压嵌位电路在所述半导体功率开关断开时，确保所述电压采样电路不工作，电压采样电路在所述半导体功率开关导通时，检测通过所述半导体功率开关的电流是否过流；

所述电压嵌位电路的输入端与所述半导体功率开关的高位端和所述高电位引脚分别连接，所述电压嵌位电路的输出端和所述电压采样电路的输入端连接，所述电压采样电路的输出端与所述驱动关断电路的第三输入端连接。

优选地，所述电压采样电路包括第二二极管和第二稳压管，所述第二二极管的阴极与所述半导体功率开关的高位端连接、阳极与所述第二稳压管的阴极连接，所述第二稳压管的阳极为所述电压嵌位与采样电路的第一输出端，与所述驱动关断电路的第三输入端连接；

在所述半导体功率开关导通时，所述第二二极管和所述半导体功率开关的电压之和超过所述第二稳压管的稳压值时，所述第二稳压管击穿，从而检测到通过所述半导体功率开关的电流过流。

优选地，所述电压嵌位电路包括第一二极管、第一电阻、第二电阻、第一稳压管、第一电容、第三电阻、第一三极管和第四电阻；

所述第一二极管的阳极和所述高电位引脚连接、阴极和所述第一电阻连接，所述第二电阻连接在所述第一稳压管的阴极和所述第一电阻之间，所述第一稳压管的阳极和所述接地引脚连接，所述第一电容与所述第一稳压管并联，所述第三电阻的一端连接在所述第一稳压管的阴极和所述第一三极管的集电极之间，所述第一三极管的基极连接在所述第一电阻和第二电阻之间、发射极通过所述第四电阻与接地引脚连接；

在所述半导体功率开关断开时，第一电容充电，所述第一三极管导通，所述第一三极管集电极的电位小于所述第二稳压管的稳压值，从而保证了在所述半导体功率开关断开时电压采样电路不工作。

优选地，所述第一二极管由碳化硅或氮化镓材料制成。

优选地，所述第一电阻由多个电阻串联构成。

优选地，所述驱动关断电路包括：第二三极管和第三三极管，所述第二三极管的基极和所述电压嵌位与采样电路的第一输出端连接、集电极连接在所述半导体功率开关的控制端和所述控制引脚之间、发射极和所述第三三极管的集电极连接，所述第三三极管的基极和所述控制引脚连接、发射极和所述接地引脚连接；

所述控制引脚输出电压信号，所述半导体功率开关导通，所述第三三极管导通，当所述半导体功率开关过流时，所述第二三极管导通，从而使所述半导体功率开关断开。

优选地，所述驱动关断电路还包括：第五电阻和第六电阻，所述第五电阻串联在所述第三三极管的基极和所述控制引脚之间，所述第六电阻连接在所述第三三极管的基极和所述接地引脚之间。

优选地，所述半导体功率开关为三极管、金属氧化物半导体场效应晶体管、晶闸管、碳化硅晶体管、氮化镓晶体管、高电子迁移率晶体管以及绝缘栅双极型晶体管中的一种。

优选地，所述半导体功率开关、电压嵌位与采样电路及驱动关断电路封装集成于一体。

与现有技术相比，本发明提供的集成式半导体功率开关器件，采用了集成式的器件结构，缩短了过流保护的信号采样-传递-处理-执行的路径，减低过流保护的响应延时，实现了对每一个半导体功率开关的过流保护，适用于任何拓扑结构，消除了封装的管脚电感和PCB走线电感，明显减小了寄生电感，除去了前沿消隐电路，提高了过流保护的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种集成式半导体功率开关器件的方框示意图。

图2为本发明实施例提供的一种电压嵌位与采样电路的电路连接图。

图3为本发明实施例提供的一种集成式半导体功率开关器件的电路连接图。

图4为本发明实施例提供的一种集成式半导体功率开关器件的过流仿真结果图。

图标：1-集成式半导体功率开关器件；S1-半导体功率开关；30-电压嵌位与采样电路；50-驱动关断电路；101-高位端；103-低位端；105-控制端；301-第一输入端；303-第二输入端；305-第一输出端；501-第三输入端；503-第四输入端；505-第二输出端；HV-高电位引脚；Driver-控制引脚；GND-接地引脚；31-电压嵌位电路；33-电压采样电路；D1-第一二极管；R1-第一电阻；R2-第二电阻；Z1-第一稳压管；C1-第一电容；R3-第三电阻；Q1-第一三极管；R4-第四电阻；D2-第二二极管；Z2-第二稳压管；Q2-第二三极管；Q3-第三三极管；R5-第五电阻；R6-第六电阻。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

请参阅图1，本发明实施例提供一种集成式半导体功率开关器件1，包括半导体功率开关S1、电压嵌位与采样电路30和驱动关断电路50。

半导体功率开关S1可以为三极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、晶闸管(SCR)、碳化硅晶体管(SIC)、氮化镓晶体管(GaN)、高电子迁移率晶体管(HEMT)以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)中的一种。半导体功率开关S1包括高位端101、低位端103和控制端105。

电压嵌位与采样电路30用于检测通过半导体功率开关S1的电流是否过流。电压嵌位与采样电路30包括第一输入端301、第二输入端303和第一输出端305。

驱动关断电路50用于在电压嵌位与采样电路30检测到通过半导体功率开关S1的电流过流时，使半导体功率开关S1断开，以保护半导体功率开关S1不被损坏，起过流保护的作用。驱动关断电路50包括第三输入端501、第四输入端503和第二输出端505。

半导体功率开关S1的高位端101分别与高电位引脚HV和电压嵌位与采样电路30的第一输入端301连接，低位端103分别与所述接地引脚GND和电压嵌位与采样电路30的第二输入端303连接。电压嵌位与采样电路30的第一输出端305与驱动关断电路50的第三输入端501连接。驱动关断电路50的第四输入端503与控制引脚Driver连接，第二输出端505与半导体功率开关S1的控制端105连接。其中，所述高电位引脚HV能够输出高电压，例如3.3V、5V或12V的电压。所述控制引脚Driver能够输出电压信号以控制半导体功率开关S1导通。

所述半导体功率开关S1、电压嵌位与采样电路30和驱动关断电路50可以封装在同一个壳体内。在一种实现结构中，半导体功率开关S1、电压嵌位与采样电路30和驱动关断电路50可以是相互独立的模块，通过连接线连接在一起。在另外一种实现结构中，半导体功率开关S1、电压嵌位与采样电路30和驱动关断电路50可通过工艺集成在一块半导体材料的芯片上。例如，将半导体功率开关S1、电压嵌位与采样电路30和驱动关断电路50集成在一块硅芯片或氮化镓芯片上。

请参阅图2，为一较佳实施例中电压嵌位与采样电路30的电路连接图。该电压嵌位与采样电路30包括电压嵌位电路31和电压采样电路33。

电压嵌位电路31用于在半导体功率开关S1断开时，确保电压采样电路33不工作。优选地，在本实施例中，电压嵌位电路31包括第一二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一稳压管Z1、第一电容C1、第三电阻R3、第一三极管Q1和第四电阻R4。

所述第一二极管D1的阳极和所述高电位引脚HV连接、阴极和所述第一电阻R1连接。所述第二电阻R2连接在所述第一稳压管Z1的阴极和所述第一电阻R1之间。所述第一稳压管Z1的阳极和所述接地引脚GND连接。所述第一电容C1与所述第一稳压管Z1并联。所述第三电阻R3连接在所述第一稳压管Z1的阴极和第一三极管Q1的集电极之间。所述第一三极管Q1的基极连接在所述第一电阻R1和第二电阻R2之间、发射极通过所述第四电阻R4与接地引脚GND连接。

其中，第一二极管D1可以选择反向恢复小的材料，以减小开关损耗，同时避免第一二极管D1的反向恢复电流对过流保护的误触发。优选地，第一二极管D1由碳化硅或氮化镓材料制成。第一电阻R1可以选择阻值较大的电阻，以减小输入的电流值，减小损耗。同时，基于耐压方面的考虑，优选地，第一电阻R1由多个电阻串联构成。第二电阻R2可以选择阻值远小于第一电阻R1的电阻。第一电容C1可以选择容值相对较大的电容，使得第一电容C1上的电压不会出现较大的变化。所述第一三极管Q1可以是NPN型三极管,在另外一种电路中第一三极管Q1还可以是NMOS管。

通过上述设置，在所述半导体功率开关S1断开时，高电位引脚HV输出的高电压通过第一二极管D1对第一电容C1充电。同时，第一稳压管Z1将第一电容C1上的电压值限定在第一稳压管Z1的稳压值，以提供电压采样的精度。所述第一三极管Q1导通，使得第一三极管Q1集电极的电位小于所述第二稳压管Z2的稳压值，第二稳压管Z2不击穿，没有电流流过第二稳压管Z2，从而保证了在所述半导体功率开关S1断开时电压采样电路33不工作。其中，第一三极管Q1的集电极的电位等于第二稳压管Z2的阴极的电位。

电压采样电路33用于在半导体功率开关S1导通时，检测通过所述半导体功率开关S1是否过流。优选地，在本实施例中，所述电压采样电路33包括第二二极管D2和第二稳压管Z2。

第二二极管D2的阴极与所述半导体功率开关S1的高位端101连接、阳极与所述第二稳压管Z2的阴极连接。所述第二稳压管Z2的阳极为所述电压嵌位与采样电路30的输出端，与驱动关断电路50的第二输入端303连接。

通过上述设置，在所述半导体功率开关S1导通时，第一电容C1、第三电阻R3、第二二极管D2以及导通的半导体功率开关S1构成放电回路。其中，第三电阻R3的阻值较大，使该放电回路产生的电流远小于所述半导体功率开关S1导通时流过其沟道的功率回路电流值，以避免第二二极管D2的正向电压有过大变化。

半导体功率开关S1的沟道电阻可以认为是一个定值，则半导体功率开关S1沟道电阻上的电压值可以准确反映流过所述半导体功率开关S1的电流值的大小，而该电压值通过正向导通的第二二极管D2传递到第二稳压管Z2的阴极端，如图示的A点，从而A点的电位可以反映流过所述半导体功率开关S1的电流大小。因此，给A点的电压设定一个阈值，当所述电压超过这个阈值时，则判断通过半导体功率开关S1的电流发生了过流，并触发驱动关断电路50。使所述阈值等于第二稳压管Z2的稳压值。当满足下述的条件1时，第二稳压管Z2击穿，电流流过第二稳压管Z2，电压采样电路33通过第二稳压管Z2输出电流信号，触发驱动关断电路50。

I_s*R_dson+V_F2>V_Z2(条件1)

其中，I_s表示通过半导体功率开关S1的电流；R_dson表示半导体功率开关S1的沟道电阻；V_F2表示第二二极管D2的正向电压；V_Z2表示第二稳压管Z2的稳压值。

如果流过所述半导体功率开关S1的电流I_S较小，没有发生过流，则条件1不满足，第二稳压管Z2则不会被击穿，相应地，电压采样电路33不会输出电流信号，则驱动关断电路50不工作。

请参阅图3，驱动关断电路50用于在电压嵌位与采样电路30检测到通过半导体功率开关S1的电流过流时，使半导体功率开关S1断开，以保护半导体功率开关S1不被损坏，起过流保护的作用。优选地，驱动关断电路50包括：第二三极管Q2、第三三极管Q3、第五电阻R5和第六电阻R6。

第二三极管Q2的基极和电压嵌位与采样电路30的第一输出端305连接、集电极连接在半导体功率开关S1的控制端105和控制引脚Driver之间、发射极和第三三极管Q3的集电极连接。第三三极管Q3的基极通过第五电阻R5与所述控制引脚Driver连接并通过第六电阻R6与接地引脚GND连接、发射极与接地引脚GND连接。当控制引脚Driver输出电压信号，使半导体功率开关S1导通，第三三极管Q3导通。当半导体功率开关S1过流时，电压采样电路33输出电流信号，当满足下述的条件2时，第二三极管Q2导通，所述半导体功率开关S1的控制端105通过导通的第二三极管Q2和第三三极管Q3连接接地引脚GND，控制端105的电位被拉低，进而使得所述半导体功率开关S1迅速被断开，从而避免了所述半导体功率开关S1因为过电流被损坏。

I_s*R_dson+V_F2-V_Z2>V_BE2+V_CE3(条件2)

其中，V_BE2为第二三极管Q2的阈值电压，即第二三极管Q2导通电压；V_CE3为第三三极管Q3导通时集电极和发射极之间的压降。

如果流过所述半导体功率开关S1的电流I_S较小，没有发生过流，则条件2不满足，不会触发驱动关断电路50断开半导体功率开关S1。

在驱动关断电路50中，所述第二三极管Q2和第三三极管Q3可以是NPN型三极管,在另外一种电路中第二三极管Q2和第三三极管Q3还可以是NMOS管。第五电阻R5和第六电阻R6的阻值需要合理设置，保证控制引脚Driver输出的电压经过第五电阻R5和第六电阻R6分压后提供给第三三极管Q3的偏置电压能达到其阈值，使第三三极管Q3导通。通过对，第五电阻R5、第六电阻R6和第三三极管Q3的集成与设计，可以避免在所述半导体功率开关S1处于关断状态时，由于高电位引脚HV输出的高电位导致第二稳压管Z2击穿，误触发驱动关断电路50，使得所述半导体功率开关S1不能正常开启。

请参阅图4，图4是本发明实施例提供的集成式半导体功率开关器件1的过流仿真结果图。从图中可以看出，通过集成式半导体功率开关器件1的电流被钳位在一定值，不再继续增加，从而保护了功率开关管不会过流损坏。

现有技术中，针对半导体功率开关S1的过流损坏问题，采用的应对措施主要是通过采样电阻作为电流互感器来采样电流的大小，将电流采样值传递到控制IC或者DSP，由控制IC或者DSP来判断是否需要关断驱动输出，从而关断半导体功率开关S1，避免过流损坏。采用现有技术提供的方式来实现半导体功率开关S1的过流保护有以下缺点：首先，采样-传递-处理-执行的回路路径较长，会出现较长且不可控的延时，导致对过流的响应不及时。其次，采样路径上存在不可忽略的寄生电感，该电感主要由关键电感以及PCB走线电感构成，在半导体功率开关S1开通的瞬间，寄生电感会引起明显的电压尖峰干扰，需要前沿消隐电路，即在开通的瞬间，过流检测保护功能被禁止，这会带来很大的风险。再次，这种方案需要额外的电流采样电阻，会带来额外的导通损耗。最后，对于桥式变换器电路，这种保护机制很难有效避免上下半导体功率开关S1直通导致的过流损坏。

本发明提供的集成式半导体功率开关器件1，利用半导体功率开关S1的沟道电阻作为采样电阻，利用第二稳压管Z2的击穿特性来检测半导体功率开关S1是否过流，并使第二三极管Q2在第二稳压管Z2击穿时导通，以断开半导体功率开关S1，从而实现电流检测与过流保护功能。

与现有技术相比，本发明提供的集成式半导体功率开关器件1缩短了过流保护的信号采样-传递-处理-执行的路径，减低过流保护的响应延时，结构简单，制造难度低。并且，由于利用半导体功率开关S1管自身的导通电阻作为采样电阻，明显减小了采样损耗，提高了整体的效率。此外，本发明提供的集成式半导体功率开关器件1采用了集成式的器件结构，消除了封装的管脚电感和PCB走线电感，明显减小了寄生电感，除去了前沿消隐电路，提高了过流保护的可靠性。将电压嵌位与采样电路30和驱动关断电路50与半导体功率开关S1集成于一体，实现了对每一个半导体功率开关S1的过流保护，适用于任何拓扑结构，并降低外围电路的复杂度和成本。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。