一种碳化硅MOSFET内驱动保护装置的制作方法

一种碳化硅mosfet内驱动保护装置
技术领域
1.本发明属于碳化硅技术领域，具体涉及一种碳化硅mosfet内驱动保护装置。


背景技术：

2.在电力电子变换技术中，高频化、小型化和高可靠性是主要发展方向。目前，碳化硅是目前发展较为成熟的一种半导体材料，与普通硅的元器件相比，具有高耐压性，在开关电源、高频桥路推挽以及整流器上应用广泛。其中碳化硅mos fet作为新型功率器件，具有耐压高、工作温度高、高频开关速度及体二极管反向恢复时间短、寄生电容小等特点，因此采用碳化硅mosfet可以显著提高电力电子变换器的功率密度。
3.碳化硅mosfet与硅mosfet由于材料、结构等方面的不同，导致两者在器件特性上存在一些差异。硅mosfet的驱动电路在使用时注重一致性，目前硅mosfet的驱动电压范围为
‑
30v～+30v，而碳化硅mosfet的驱动电压范围为
‑
8v～+20v，建议驱动电压为
‑
4v～+20v，因此碳化硅mosfet与现有的硅mosfet相比，安全阈值小，驱动电路一个电压尖峰可能击穿碳化硅mosfet上脆弱的栅极氧化层，栅极氧化层会被击穿，从而导致电路失效，在实际使用时采用外接电路进行保护，但受分布参数寄生电感影响，保护效果较差，无法从碳化硅mosfet根源解决其工作稳定差的问题；除此以外，碳化硅mosfet与硅mosfet相比更具有耐高温性，常用于在高温条件下使用，即使采用散热器不能及时带走热量，影响碳化硅mosfet的使用寿命，在实际使用时外部需要设置放电电路用于保护电路，结构繁琐。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：针对上述缺陷，本发明提供一种碳化硅mosfet内驱动保护装置，该内驱动保护装置通过对碳化硅mosfet进行栅驱动电压限制和热量限制，有效解决栅驱动电压被击穿和电路热量平衡问题，提高电力电子变换器的可靠性；该碳化硅mosfet不需要引入外置保护电路，结构简单，装配简便。
5.本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：一种碳化硅mosfet内驱动保护装置，包括主芯片、基板，所述主芯片和基板分别设置在金属板的同一平面不同，所述金属板一侧设有栅极、漏极、源极和金属极；所述金属板外表面设有封装壳体；
6.所述主芯片上设有第一触点、第二触点、第三触点，所述第一触点引出端为栅极，第二触点引出端为漏极，第三触点引出端为源极，所述第一触点、第二触点和第三触点设置在主芯片不同区域；
7.所述基板上设有限流电阻、热敏电阻、稳压管；限流电阻第一点位与栅极电连接，限流电阻第二点位与热敏电阻第二点位电电连接，所述热敏电阻第二点位电还与稳压管第二点位电连接，所述热敏电阻第一点位与稳压管第一点位电连接，所述源极与热敏电阻第一点位或稳压管第一点位电连接；所述稳压管第二点位与主芯片上第一触点电连接，所述第三触点与源极电连接，所述金属极与第二触点电连接；即所述热敏电阻与稳压管并联后与限流电阻串联。
8.该碳化硅mosfet通过电源供电，栅驱供电后限流电阻中具有限制电流，为碳化硅mosfet提供栅驱动电压，引入与限流电阻串联的稳压管，稳压管在栅驱动电压为反向负电压时，在限流电阻与稳压管构成的稳压管的正向钳位进行幅度限制，而mosfet栅驱动为正电压时，限流电阻与稳压管构成的为稳压管的反向幅值限制，从而实现栅极驱动正负脉冲电压限幅，实现了碳化硅mosfet的栅驱动电压幅度限制，有效解决栅驱动电压被击穿的问题；通过引入热敏电阻对电路进行热量控制，尤其是在正驱动时，热敏电阻电阻减小，从而降低碳化硅mosfet中经过的电流，达到热量平衡，有利于保护电路；除此以外，该保护装置在电路进行负驱动关断时，形成放电回路，加速关断，不需要接入外接放电电路，结构简单，使用便捷；由限流电阻、稳压管、以及热敏电阻形成的栅驱动保护和热限制保护电路均设置在封装壳体内，该保护装置使用时无需额外引入保护电路，简化外接电路的设置，结构简单，使用便捷，还满足了电力电子等各种开关电源变换器高频化、小型化的要求；该保护装置是碳化硅mosfet专用保护电路，对硅mosfet不适用，具有专用性。
9.进一步的，所述基板为瓷基板、聚乙烯板或云母板中的一种，所述金属板为铜板。采用瓷基板、聚乙烯板等作为限流电阻、热敏电阻电连接形成的保护电路的载体，具有良好的绝缘性能，不会出现漏电、爬电等情况，瓷基板、聚乙烯板或云母板瓷基板还具有良好的散热效果，能够适应碳化硅mosfet高温特性；采用铜板作为金属板，既具有良好的导电性能，又具备良好的散热性能，可以简化电力电子变换器中增加散热器背板的面积，进一步满足小型化的要求。
10.进一步的，所述限流电阻为电阻芯片，所述热敏电阻为热敏电阻芯片，所述稳压管为稳压管芯片。限流电阻、热敏电阻和稳压管采用相应的功能芯片，使得碳化硅mosfet结构更小，还有利于封装壳体的封装。
11.进一步的，所述热敏电阻为ntc热敏电阻，所述稳压管为tvs管。ntc热敏电阻在超高温、超高压条件下能稳定发挥，热敏电阻实用寿命长，在测温、控温和温度补偿时具有高精度、高灵敏度、高可靠性；采用瞬态抑制二极管(tvs)，该稳压管可以将驱动电路中的尖峰静电的高压脉钳位在控制范围，进一步保护了碳化硅mosfet元件，使用时稳定，电路寿命长。
12.本发明的有益效果是：
13.1、该碳化硅mosfet通过电源供电，栅驱供电后限流电阻中具有限制电流，为碳化硅mosfet提供栅驱动电压，引入与限流电阻串联的稳压管，稳压管在栅驱动电压为反向负电压时，在限流电阻与稳压管构成的稳压管的正向钳位进行幅度限制，而mosfet栅驱动为正电压时，限流电阻与稳压管构成的为稳压管的反向幅值限制，从而实现栅极驱动正负脉冲电压限幅，实现了碳化硅mosfet的栅驱动电压幅度限制，有效解决栅驱动电压被击穿的问题；通过引入热敏电阻对电路进行热量控制，尤其是在正驱动时，热敏电阻电阻减小，从而降低碳化硅mosfet中经过的电流，达到热量平衡，有利于保护电路；除此以外，该保护装置在电路进行负驱动关断时，形成放电回路，加速关断，不需要接入外接放电电路，结构简单，使用便捷；由限流电阻、稳压管、以及热敏电阻形成的栅驱动保护和热限制保护电路均设置在封装壳体内，该保护装置使用时无需额外引入保护电路，简化外接电路的设置，结构简单，使用便捷，还满足了电力电子等各种开关电源变换器高频化、小型化的要求；该保护装置是碳化硅mosfet专用保护电路，对硅mosfet不适用，具有专用性。
14.2、将主芯片第一触点与稳压管第一点位连接，可以选择仅限流电阻工作，有效保护碳化硅mosfet芯片栅极氧化层不被破坏以及控制电路热量均匀；该内驱动保护装置采用瓷基板、聚乙烯板等作为限流电阻、热敏电阻电连接形成的保护电路的载体，具有良好的绝缘性能，不会出现漏电、爬电等情况，瓷基板、聚乙烯板或云母板瓷基板还具有良好的散热效果，能够适应碳化硅mosfet高温特性；采用铜板作为金属板，既具有良好的导电性能，又具备良好的散热性能，可以简化电力电子变换器中增加散热器背板的面积，进一步满足小型化的要求；限流电阻、热敏电阻和稳压管采用相应的功能芯片，使得碳化硅mosfet结构更小，还有利于封装壳体的封装；ntc热敏电阻在超高温、超高压条件下能稳定发挥，热敏电阻实用寿命长，在测温、控温和温度补偿时具有高精度、高灵敏度、高可靠性；采用瞬态抑制二极管(tvs)，该稳压管可以将驱动电路中的尖峰静电的高压脉钳位在控制范围，进一步保护了碳化硅mosfet元件，使用时稳定，电路寿命长。
附图说明
15.通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。
16.图1为本发明内驱动保护装置隐藏封装壳体结构示意图；
17.图2为本发明另一角度保护装置结构示意图；
18.图3为本发明内驱动保护装置电路示意图；
19.其中：1为主芯片，11为第一触点，12为第二触点，13为第三触点，2为基板，21为限流电阻，211为限流电阻第一点位，212为限流电阻第二点位，22为热敏电阻，221为热敏电阻第一点位，222为热敏电阻第二点位电，23为稳压管，231为稳压管第一点位，232为稳压管第二点位，3为金属板，31为栅极，32为漏极，33为源极，34为金属极，4为封装壳体。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.参照图1—图3，一种碳化硅mosfet内驱动保护装置，包括主芯片1、基板2，所述主芯片1和基板2分别设置在金属板3的同一平面不同，所述金属板3一侧设有栅极31、漏极32、源极33和金属极34；所述金属板3外表面设有封装壳体4；
22.所述主芯片1上设有第一触点11、第二触点12、第三触点13，所述第一触点11引出端为栅极31，第二触点12引出端为漏极32，第三触点13引出端为源极33，所述第一触点11、第二触点12和第三触点13设置在主芯片1不同区域；
23.所述基板2上设有限流电阻21、热敏电阻22、稳压管23；所述热敏电阻22为ntc热敏电阻，所述稳压管23为tvs管；限流电阻第一点位211与栅极31电连接，限流电阻第二点位212与热敏电阻第二点位222电连接，所述热敏电阻第二点位222还与稳压管第二点位232电连接，所述热敏电阻第一点位221与稳压管第一点位231电连接，所述源极33与热敏电阻第一点位221或稳压管第一点位231电连接；所述稳压管第二点位232与主芯片1上第一触点11电连接，所述第三触点13与源极33电连接，所述金属极34与第二触点12电连接；即所述热敏
电阻22与稳压管23并联后与限流电阻21串联。
24.为了满足小型化要求，所述限流电阻21为电阻芯片，所述热敏电阻22为热敏电阻芯片，所述稳压管23为稳压管芯片。
25.所述基板2为瓷基板2、聚乙烯板或云母板中的一种，本实施例为了保证良好的散热、以及限流电阻21在基板2上碳沉积形成，优选基板2为瓷基板，所述金属板3为铜板。
26.该碳化硅mosfet通过电源供电，栅驱供电后限流电阻中具有限制电流，为碳化硅mosfet提供栅驱动电压，引入与限流电阻串联的稳压管，稳压管在栅驱动电压为反向负电压时，在限流电阻与稳压管构成的稳压管的正向钳位进行幅度限制，而mosfet栅驱动为正电压时，限流电阻与稳压管构成的为稳压管的反向幅值限制，从而实现栅极驱动正负脉冲电压限幅，实现了碳化硅mosfet的栅驱动电压幅度限制，有效解决栅驱动电压被击穿的问题；通过引入热敏电阻对电路进行热量控制，尤其是在正驱动时，热敏电阻电阻减小，从而降低碳化硅mosfet中经过的电流，达到热量平衡，有利于保护电路；除此以外，该保护装置在电路进行负驱动关断时，形成放电回路，加速关断，不需要接入外接放电电路，结构简单，使用便捷；由限流电阻、稳压管、以及热敏电阻形成的栅驱动保护和热限制保护电路均设置在封装壳体内，该保护装置使用时无需额外引入保护电路，简化外接电路的设置，结构简单，使用便捷，还满足了电力电子等各种开关电源变换器高频化、小型化的要求；该保护装置是碳化硅mosfet专用保护电路，对硅mosfet不适用，具有专用性。
27.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。