级联晶体管电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种级联晶体管电路，具体地，涉及一种包括串联的常导通开关和常关断开关的级联晶体管电路。
【发明内容】
[0002]根据第一方面，提供了一种级联晶体管电路，包括:
[0003]漏极输出端子；
[0004]源极输出端子；
[0005]耗尽模式开关，包括常导通控制端子和常导通传导通道；
[0006]常关断开关，包括常关断控制端子和常关断传导通道，其中常关断控制端子被配置为接收常关断控制信号，其中常关断传导通道与常导通传导通道串联在漏极输出端子和源极输出端子之间；
[0007]控制器，包括控制器输出端子，所述控制器输出端子被配置为向耗尽模式开关的常导通控制端子提供常导通控制信号，其中常导通控制信号独立于常关断控制信号；
[0008]负电压源，被配置为向耗尽模式开关的常导通控制端子提供负电压；
[0009]反馈电容，位于漏极输出端子和控制节点之间，所述控制节点位于控制器输出端子和耗尽模式开关的常导通控制端子之间的电路路径中。
[0010]有利地，这种级联晶体管电路可以呈现总体常关断开关的性能，还使得级联开关两端的电压的电压改变速率(dV/dt)在开关操作期间能够被充分控制。这种控制对于满足电磁兼容(EMC)要求是特别有利的。
[0011]耗尽模式开关可以包括FET，其中FET可以是GaN或SiC FET。
[0012]常导通控制信号可以是电流信号。反馈电容和/或电流信号可被配置为根据常导通控制信号的电流控制漏极输出端子处的电压改变速率(dV/dt)。
[0013]常导通控制信号可以是用于接通耗尽模式开关的第一固定电流信号。常导通控制信号可以是用于断开耗尽模式开关的第二固定电流信号。第一固定电流信号可以与第二固定电流信号极性相反。
[0014]反馈电容可以在常导通传导通道两端的预期电压范围上或对于预期输出电压，是基本恒定的。
[0015]反馈电容可以包括控制器输出端子和漏极输出端子之间的电容。反馈电容可以包括常导通控制端子和漏极输出端子之间的电容。
[0016]电容可以包括独立于耗尽模式开关的组件。电容可以是分立元件。附加地或备选地，电容可以包括耗尽模式开关的寄生电容。
[0017]负电压源可以包括连接在控制器输出端子和耗尽模式开关的常导通控制端子之间的自举电路(bootstrap circuit)。自举电路可以包括自举电容器和自举整流器。自举电容器可以串联在控制器输出端子和耗尽模式开关的常导通控制端子之间。自举整流器可以串联在耗尽模式开关的常导通控制端子和源极输出端子之间。
[0018]级联晶体管电路还可以包括与自举电容器并联的电荷栗电容。电荷栗电容可被配置为当级联晶体管电路断开时在自举电容器两端保持负电压。
[0019]常关断控制信号可被配置为控制常关断开关，使得它在正常操作期间被接通。常关断开关可以是硅M0SFET。
[0020]级联晶体管电路还可以包括UVL0电路，被配置为提供常关断控制信号，使得常关断控制信号被布置为在启动之前和启动期间(可选地，在任何故障状态期间)断开常关断开关，并在级联晶体管电路内的一个或更多个电压满足一个或更多个相关阈值之后，接通常关断开关。
[0021]耗尽模式开关可以设置在第一管芯上。常关断开关可以设置在不同的第二管芯上。控制器和/或一个或更多个其它控制组块也可以设置在第二管芯上。
[0022]可以提供一种包括这里所公开的任意级联晶体管电路的功率转换器。
[0023]可以提供一种包括这里所公开的任意级联晶体管电路或功率转换器的集成电路。
【附图说明】
[0024]现将参考附图示例性的描述本发明的实施例，附图中:
[0025]图1示出了级联晶体管电路；
[0026]图2不出了另一级联晶体管电路；
[0027]图3示出了又一级联晶体管电路；
[0028]图4示出了图3的电路的仿真结果；
[0029]图5示出了图3的电路的多个仿真结果；以及
[0030]图6不出了级联晶体管电路的另一不例。
【具体实施方式】
[0031]这里所公开的一个或更多个示例涉及一种电子控制电路，用于使用漏极上的受控电压斜率来驱动级联功率半导体。新兴的基于SiC/CaN的功率开关可以具有耗尽模式(常导通的)性能。因此，由于这些开关在栅极未偏压的状态下是接通的并从而在相关应用中引起不希望的故障情况，所以这些开关不能用于大多数的功率转换器应用。实现固有安全功率开关的解决方案在于以级联配置将增强模式(常关断的)功率开关与这些耗尽模式(常导通的)功率开关相结合。如下所述，这里所公开的控制电路中的一个或更多个可以允许使用附加电容器来有源(actively)控制在级联开关配置两端的电压的斜率。
[0032]图1示出了包括串联的常导通功率开关102(MGaN)和常关断功率开关104(MSi)的级联晶体管电路100。尽管还可以使用碳化硅(SiC)器件，然而该示例中的常导通功率开关102为氮化镓(GaN) FET ο该示例中的常关断功率开关104是硅M0SFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)。使用这种设备可以良好地适应功率电子应用，这是由于相较于基于硅的开关，GaN和SiC功率半导体可以具有优越的器件特性。
[0033]基本GaN和单级SiC功率半导体器件(诸如，常导通功率开关102)是耗尽模式(常导通)开关/器件。在这种功率半导体的层堆叠中引入附加层以使得常关断器件能够导致器件性能受损。因此，将高压GaN/SiC开关(诸如，常导通功率开关102)与传统低压硅M0SFET (诸如，常关断功率开关104)级联是将硅和GaN/SiC功率器件的优点相结合的可用选项。GaN/SiC功率器件的示例优点包括较低的开关损耗，它们实际上可以小于用于处理相同功率量的等同硅器件。硅器件的示例优点在于它们是常关断的。
[0034]级联晶体管电路100的另一优点在于如下事实:可以使用标准栅极驱动器。这是由于级联晶体管电路100的DC特性主要由硅M0SFET (常关断功率开关104)来限定。因此，级联晶体管电路100可以用作硅M0SFET或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的直接替代物。
[0035]在图1的级联晶体管电路100中，通过栅极驱动信号106~?)仅有源控制常关断功率开关104。经由常关断功率开关104来间接控制常导通功率开关102，这是由于常关断功率开关104的漏-源电压等于常导通功率开关102的源-栅电压。
[0036]在许多应用中，由于电磁兼容(EMC)原因，需要在开关时对功率开关两端的电压斜率进行控制。级联晶体管电路100两端的电压是常导通功率开关102的漏极和常关断功率开关104的源极之间的电压。以下示例中的一个或更多个可以有利地支持控制在级联晶体管电路两端的电压的斜率。
[0037]图2示出了包括漏极输出端子206和源极输出端子208的级联晶体管电路200。级联晶体管电路200包括常导通开关202，在以下不例中，常导通开关202可以是SiC或GaNFET ο常导通开关202具有常导通控制端子210和常导通传导通道。
[0038]级联晶体管电路200还包括常关断开关204，在以下示例中，常关断开关204是MOSFETo常关断开关204具有常关断控制端子212和常关断传导通道。常关断控制端子212配置为接收常关断控制信号。常关断开关204的常关断传导通道与常导通开关202的常导通传导通道串联在漏极输出端子206和源极输出端子208之间。可以将常导通开关202和常关断开关204共同认为是级联开关201。
[0039]图2的级联晶体管电路200还包括控制器，具有用于向常导通开关202的常导通控制端子210提供常导通控制信号的控制器输出端子216。常导通开关202的常导通控制信号独立于常关断开关204的常关断控制信号，如下所详述。这样可以是有利的，这是由于可以当永久性地接通常关断开关204并仅控制常导通开关202时，减小开关损耗和驱动损耗。
[0040]控制器214包括第一电流源226和第二电流源228。在该示例中，将它们示出为可以被设置为特定电平以便提供级联开关201的希望斜率(dV/dt)特性的可变电流源。斜率(转换速率)dV/dt
con tro 1 eedback， 其中Ctadbadi是漏极输出端子206和控制器输出端子216之间的电容，Irantrol是控制器输出端子216处的常导通控制信号的电流。因此，可以将I。—用于直接控制级联开关201的电压斜率(dV/dt)的希望性能。
[0041]如果级联开关201两端的电压的正斜率和负斜率二者都受到控制，则可以通过第一电流源226和第二电流源228提供双向功能。开启电流