[发明专利]集成智能功率开关

说明书

技术领域

本发明实施例主要涉及半导体和系统。更确切地说，本发明涉及用于操作、控制和监测功率半导体及系统的系统、方法和器件。

背景技术

功率半导体器件已为本领域技术人员所熟知，并且通常用于功率转换、调节和控制。作为功率系统的结构单元，功率半导体器件在开关和线性两种模式下工作。功率半导体满足像小重量和体积、高电路级可靠性、故障隔离、及诊断能力这种矛盾的需求。

功率晶体管是一种功率半导体，用于功率范围从瓦到兆瓦的多种应用中。虽然大多数应用使用开关模式的功率半导体，而另外一些应用需要器件在线性模式下工作。这种应用包括恒定电流电容器充电和放电、加载时电压逐步增大(“软启动”)、及电感负载开关。

例如，在2003年10月24日提交、2004年5月20日公布为U.S.2004/0095023、序列号为10/692,580、案卷号为RTN183AUS、发明人为Boris S.Jacobson等的“Intelligent Power System”中可以找到用于受控模式功率系统的应用。

例如，图1示出了通过从电压电源V_in对电容器组C₁-C_n充电而工作在线性模式下的晶体管Q，而图2是示出了用于图1中晶体管电路的参数的曲线图。t₀之前，晶体管阻断电源电压。在t₀点晶体管逐渐导通而开始对电容器组充电。在t₀-t₁时间间隔期间，向传导恒定电流的晶体管施加线性衰减的电压。晶体管耗散的功率为P＝1/(t₁-t₀)∫IV(t)dt，其中V(t)是加在晶体管上的电压，积分区间是从t₀到t₁，I是流过晶体管的恒定电流。

与公知为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的一种功率晶体管相关的问题是，它们可优化为开关并且不能维持与以线性模式工作相关的连续功率耗散。这样的一个原因是被称为过热点或电流隧穿的现象。对于理想的器件，整个管芯上的电流密度和温度分布两者通常都均匀。然而，管芯附着材料上的不均匀的掺杂和空隙可引起整个器件上的电流密度和温度的变化。晶体管栅极阈值电压V_th通常具有负温度系数。从而，当管芯的某些区域(尤其接近管芯中心)开始在较高温度下运行时，这些区域的V_th下降并且晶体管增益G_m迫使电流密度局部增大。较高的电流进一步使增益增大，最终导致器件的热耗散和突变失效。因此，电流隧穿事实上阻碍了目前在线性应用中使用可用的MOSFET和IGBT。

例如，图3是晶体管的晶体管栅极阈值电压作为温度的函数的曲线图，其中晶体管例如为图1中的晶体管Q。如图3所示，晶体管栅极阈值电压V_th具有负温度系数。因而，当管芯的某些区域(尤其接近管芯中心)开始在较高温度下运行时，这些区域的V_th下降并且晶体管增益G_m迫使电流密度局部增大。较高的电流进一步使增益增大，最终导致器件的热耗散和突变失效。

作为另一个例子，图4是晶体管的晶体管栅极-源极电压对多种漏极电流的结温曲线的曲线图，其中晶体管为例如图1中的晶体管Q。与图4中零点斜率(zero-slope)曲线对应的I_d值被称为交叉电流Icrc。提高线性模式下的晶体管性能的最有效的方法之一是降低其交叉电流。

与较早各代的器件相比，利用最新工艺技术制造的MOSFET器件往往有较低的栅极电荷、较低的栅极-漏极电荷、以及较低的导通电阻R_DSon。例如，表1示出了通过先进功率技术(APT)制得的三代APT5010MOSFET的交叉电流。与较早各代的器件相比，利用最新的MOS VI^工艺制得的APT5010LLC具有较低的栅极电荷、较低的栅极-源极电荷、以及较低的导通电阻R_DSon。遗憾的是，当该器件的开关性能提高时，交叉电流增大而其线性工作恶化。因此，可以看出电流隧穿很大地阻碍了目前在线性应用中使用电流MOSFET和IGBT。

表1  多种工艺的晶体管交叉电流