阅读说明：本技术 栅极路径中具有扼流圈的并联功率半导体 (Parallel power semiconductor with choke in gate path ) 是由 徐帆 陈礼华 于 2020-03-10 设计创作，主要内容包括：本公开提供“栅极路径中具有扼流圈的并联功率半导体”。功率电子电路具有：一对并联功率半导体,其各自包括栅极和电流传感器；第一差模扼流圈,其限定连接栅极的栅极路径的一部分；第二差模扼流圈,其限定连接电流传感器的传感器路径的一部分；和栅极驱动器,其分接栅极路径和电流传感器路径。(The present disclosure provides a "parallel power semiconductor with a choke in the gate path". The power electronic circuit has: a pair of parallel power semiconductors each including a gate and a current sensor; a first differential mode choke defining a portion of a gate path connecting the gates; a second differential mode choke defining a portion of a sensor path connecting the current sensor; and a gate driver that taps the gate path and the current sensor path.)

栅极路径中具有扼流圈的并联功率半导体

技术领域

本公开涉及功率半导体器件。

背景技术

功率半导体在某些功率电子设备诸如开关模式电源中用作开关或整流器。功率半导体也称为功率器件或当在集成电路中使用时，也称为功率集成电路(IC)。功率半导体通常以换相模式(其为导通或关断)使用，并且具有针对此类用途而优化的设计。功率半导体在输送数十毫瓦的系统(例如，耳机放大器)和输送千兆瓦的系统(例如，高压直流输电线)中使用。

某些金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是一种类型的功率半导体，是一种耗尽型沟道器件：建立从漏极到源极的传导路径可能需要电压而不是电流。在低频下，这可以减小栅极电流，因为其仅需要在开关期间对栅极电容充电。开关时间的范围为几十纳秒到几百微秒。通常，MOSFET器件不是双向的并且不是反向电压阻断的。

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是另一种类型的功率半导体，通常具有与双极结型晶体管(BJT)和MOSFET共有的特性。它可能具有高栅极阻抗，并且因此具有低栅极电流要求，如MOSFET。它在操作模式中也可能具有低接通状态压降，如BJT。某些IGBT可用于阻挡正电压和负电压两者，并且与MOSFET器件相比具有减小的输入电容。

发明内容

功率电子电路具有：一对并联功率半导体，其包括经由栅极路径连接的栅极以及经由传感器路径连接的电流传感器；栅极驱动器，其分接栅极路径和传感器路径；第一差模扼流圈，其包括一对绕组，该对绕组限定栅极路径的一部分并且与栅极驱动器共享正端子；和第二差模扼流圈，其包括一对绕组，该对绕组限定传感器路径的一部分并且与栅极驱动器共享负端子。

功率电子电路具有：一对并联功率半导体，其各自包括栅极和电流传感器；第一差模扼流圈，其限定连接栅极的栅极路径的一部分；第二差模扼流圈，其限定连接电流传感器的传感器路径的一部分；和栅极驱动器，其分接栅极路径和电流传感器路径。

功率电子电路具有与印刷电路板相关联的并联功率半导体。并联功率半导体中的每个包括栅极和电流传感器。该电路还具有第一差模扼流圈，该第一差模扼流圈包括第一磁芯和印刷电路板的不同层中的第一对迹线，该第一对迹线围绕第一磁芯并且限定第一差模扼流圈的绕组。第一差模扼流圈位于连接栅极的栅极路径中。该电路还具有第二差模扼流圈，该第二差模扼流圈包括第二磁芯和印刷电路板的不同层中的第二对迹线，该第二对迹线围绕第二磁芯并且限定第二差模扼流圈的绕组。第二差模扼流圈位于连接电流传感器的传感器路径中。该电路还具有栅极驱动器，该栅极驱动器包括分接栅极路径的正端子和分接传感器路径的负端子。

附图说明

图1是并联功率半导体的电路图。

图2是与图1的电路图相关联的栅极电压振荡的曲线图。

图3是具有片上电流传感器单元的两个并联功率器件的电路图。

图4是两个并联功率器件中提出的扼流圈的电路图。

图5是安装/焊接在栅极驱动PCB上的差模(DM)扼流圈的示意图。

图6是基于PCB绕组的DM扼流圈的示意图。

图7是基于集成有栅极驱动PCB的印刷电路板(PCB)绕组提出的DM扼流圈的示意图。

图8是基于电源模块内部的PCB绕组提出的DM扼流圈的示意图。

具体实施方式

本文描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅解释为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个来示出和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中所示出的特征相组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实现方式所期望的。

对于高功率应用诸如电动车辆中的牵引逆变器，通常并联使用功率半导体以实现更高的功率容量。图1示出了并联功率开关元件12、14的电路10。开关元件12、14分别包括有源功率半导体16、18(例如，IGBT、MOSFET等)，其具有或不具有反向并联的功率二极管20、22。功率开关元件12、14具有两个功率端子，漏极D₁、D₂和源极S₁、S₂，以及两个控制端子，栅极G₁、G₂和开尔文源极KS₁、KS₂。(在IGBT技术的背景下，电源端子将替代为集电极和发射极，而控制端子将包括开尔文发射极而不是开尔文源极。)相应栅极G₁、G₂和开尔文源极KS₁、KS₂包括相应的栅极回路以控制功率开关元件12、14。电路10还包括对栅极回路共用的栅极驱动器集成电路24、电连接在栅极G₁和栅极驱动器集成电路24之间的电阻器R_G1和电连接在栅极G₂和栅极驱动器集成电路24之间的电阻器R_G2。另外，栅极路径26电连接该栅极G₁、G₂；开尔文路径28电连接开尔文源极KS₁、KS₂；并且源极路径30电连接源极S₁、S₂。

在功率半导体开关瞬变期间，功率半导体12、14的开关打开/关闭瞬态电流通常不平衡，这由于以下原因：相关联参数的件到件变异、不均匀的母线布局和/或不平衡的结电容和电路杂散电感。这些不平衡的电流可能导致发射极/源极侧上的电位差(V_KS1-V_KS2≠0、V_S1-V_S2≠0)。理想情况下，电压差应保持为零。电压差(V_KS1-V_KS2)、半导体结电容和电路杂散电感在栅极回路中引发振荡。振荡是不可控制的，并且可能导致功率半导体12、14上的栅极电压以高振幅振荡(V_G1-V_KS1，V_G2-V_KS2)。图2示出了仿真的振荡栅极电压波形。超过额定栅极电压的电压可能会有问题。此外，并联的碳化硅MOSFET的开关速度比硅MOSFET的开关速度快得多，因此容易产生栅极电压振荡。

一些功率半导体具有片上电流传感器，其为半导体单元。流过电流传感器单元的电流为流过主半导体单元n的电流的1/n。传感器单元感测到的电流用于测量主电源电流，并反馈到低功率控制电路以用于诸如过电流保护的应用。在每个功率半导体芯片中，电流传感器单元栅极G和漏极D端子连接到主单元，但是其端子SS与主单元开尔文端子KS分离。

图3示出了并联功率半导体33、34和栅极驱动器集成电路40的电路32，并联功率半导体具有片上电流传感器36、38(例如IGBT，MOSFET)。电流传感器36、38分别与功率半导体32、34共享共用的漏极端子、栅极端子和开尔文源极。即，功率半导体33和电流传感器36共享漏极端子D₁、栅极端子G₁和开尔文源极KS₁。另外，功率半导体34和电流传感器38共享漏极端子D₂、栅极端子G₂和开尔文源极KS₂。如上所述，KS₁和KS₂的电位差也将导致电流传感器栅极电压V_G1-SS1、V_G2-SS2振荡。因为电流传感器36、38具有较小的结电容，所以它们可能在功率半导体33、34经历问题之前经历问题。

为了消除或减少并联功率半导体的栅极电压振荡，栅极路径阻抗应足够大以抑制振荡电流。但是，栅极路径中的较大阻抗会降低功率器件开关速度并且增加开关损耗。在此，提出了栅极路径和电流传感器路径两者中的差模(DM)扼流圈，以避免功率器件的主单元和电流传感器单元两者的栅极振荡和电位击穿。

图4示出了用于具有片上电流传感器48、50的并联功率半导体44、46、栅极驱动器集成电路52和DM扼流圈54、56的所建议的电路42。栅极路径58电连接栅极G₁、G₂；开尔文路径60连接开尔文源极KS₁、KS₂；源极路径62连接源极S₁、S₂；并且传感器路径64连接传感器48、50。DM扼流圈54位于栅极路径58中并且包括绕组66、68，该绕组共享栅极驱动器集成电路52的正端子69。类似地，DM扼流圈56位于传感器路径64中并且包括绕组70、72，该绕组共享栅极驱动器集成电路52的负端子73。负端子73也分接开尔文路径60。如果在栅极路径58中的开关瞬变期间没有栅极路径振荡电流，则绕组66、68的等效阻抗为零，因为栅极路径中的栅极电流是相等的并且方向相反，并且绕组66、68中的磁通互相抵消。同时，为了使电流从一个功率器件通过其栅极路径振荡到另一个功率器件，每个绕组将具有磁化电感的等效阻抗L_DM1。对于两个并联功率器件44、46，振荡电流路径(栅极路径58)将具有2×L_DM1的等效阻抗。

同样，绕组70、72的阻抗L_DM2应比功率器件主单元和传感器单元结电容的等效阻抗大得多。因此，具有高振幅和振荡的电位差(V_KS1-V_KS2)的大部分将在L_DM2上下降而不是主单元或传感器单元栅极，以防止它们发生退化。

图4示出了两个并联功率器件44、46。然而，本文考虑的布置可以扩展到具有并联的N个功率器件的应用(N>2)。在这种情况下，应在每对应的两个器件的栅极路径和传感器路径中使用扼流圈，这意味着将存在栅极路径中的N-1扼流圈和传感器路径中的N-1扼流圈。此外，以下提出了图4的示意性布置的几种实现方式。仅示出了针对两个并联器件的扼流圈，但是所有实现方式以及本文中设想的其他实现方式也可以应用于N个并联功率器件系统。

参照图5，DM扼流圈54、56分别包括磁芯55、57。如果使用导线来实现绕组66、68、70、72，则它们可以是直接安装/焊接在栅极驱动器集成电路52的印刷电路板(PCB)74上。然后将绕组66、68、70、72通过PCB迹线以适当方式连接到功率半导体模块端子G₁、G₂、SS₁、SS₂。

绕组66、68、70、72可以被实现为不同层中的PCB迹线。参照图6，给定所示的取向，绕组66在PCB 74的绕组68上方的层中实现。绕组70、72可以类似地布置。绕组66、68、70、72然后可以连接到功率半导体模块44、46，如图7所示。

参照图8，所提出的具有PCB绕组的DM扼流圈54、56也可以集成在封装并联功率半导体44、46的功率模块内部。绕组66、68、70、72中的不同绕组可在不同PCB层中实现。如上所述，绕组66、68、70、72可以通过直接焊接或引线键合连接到功率半导体控制端子/焊盘和功率模块外部端子(引脚)76、78。

所描述的实施例包括并联操作的功率半导体栅极路径和片上电流传感器源极路径中的DM扼流圈。与这些布置中的一些相关联的可能的优点总结如下。在功率半导体并联操作期间，所提出的扼流圈可以防止主单元和电流传感器单元两者的栅极击穿。实现DM扼流圈所需的附加元件是无源的：与有源元件相比，这是一个更简单且更便宜的选择。所提出的扼流圈被添加到为低功率控制回路的栅极驱动回路中，因此，扼流圈所产生的额外损耗可以忽略不计。DM扼流圈可以在电源模块内部或栅极驱动PCB上(电源模块外部)实现，并且不占用太多额外空间。由于绕组的耦合，在添加所提出的扼流圈之后，功率半导体主单元和片上电流传感器单元栅极回路电感不会增加。因此，功率半导体开关瞬态时间和开关损耗不会增加。扼流圈绕组阻抗值(例如，L_DM1，L_DM2可以针对不同的功率半导体并联条件调整到所需值。提出的增加扼流圈的方法及其实现方式不受牵引逆变器中功率半导体数量的限制。扼流圈可应用于任何类型的功率半导体，诸如MOSFET、IGBT等。

在说明书中所使用的用词是描述用词而非限制用词，并且应当理解，可以在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。尽管各种实施例可能已被描述为在一个或多个期望的特性方面提供优于其他实施例或现有技术现施方式的优点或相比其他实施例或现有技术实现方式是优选的，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实现方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维修性、重量、可制造性、易于组装等。因此，被描述为关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实现方式所期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。

根据本发明，提供了一种功率电子电路，该功率电子电路具有：一对并联功率半导体，其包括经由栅极路径连接的栅极以及经由传感器路径连接的电流传感器；栅极驱动器，其分接栅极路径和传感器路径；第一差模扼流圈，其包括一对绕组，该对绕组限定栅极路径的一部分并且与栅极驱动器共享正端子；和第二差模扼流圈，其包括一对绕组，该对绕组限定传感器路径的一部分并且与栅极驱动器共享负端子。

根据实施例，第二差模扼流圈的绕组的阻抗大于电流传感器的结电容和并联功率半导体的等效阻抗。

根据实施例，第一差模扼流圈和第二差模扼流圈中的每一者均包括磁芯。

根据实施例，第一差模扼流圈和第二差模扼流圈中的每一者的绕组缠绕在磁芯中的一者上。

根据实施例，本发明的特征还在于印刷电路板，其中第一差模扼流圈和第二差模扼流圈的绕组直接安装在印刷电路板上。

根据实施例，本发明的特征还在于印刷电路板，其中第一差模扼流圈和第二差模扼流圈的绕组是印刷电路板的不同层中的迹线。

根据实施例，并联功率半导体是金属氧化物半导体场效应晶体管，各自包括经由开尔文路径连接的开尔文源极，并且其中栅极驱动器进一步分接开尔文路径。

根据实施例，并联功率半导体是绝缘栅双极型晶体管，各自包括经由开尔文路径连接的开尔文发射极，并且其中栅极驱动器进一步分接开尔文路径。

根据本发明，提供了一种功率电子电路，该功率电子电路具有：一对并联功率半导体，其各自包括栅极和电流传感器；第一差模扼流圈，其限定连接栅极的栅极路径的一部分；第二差模扼流圈，其限定连接电流传感器的传感器路径的一部分；和栅极驱动器，其分接栅极路径和电流传感器路径。

根据实施例，第一差模扼流圈包括一对绕组，该对绕组共享栅极驱动器的正端子。

根据实施例，第一差模扼流圈还包括磁芯，并且其中绕组缠绕在磁芯上。

根据实施例，绕组的阻抗大于电流传感器的结电容和并联功率半导体的等效阻抗。

根据实施例，第二差模扼流圈包括一对绕组，该对绕组共享栅极驱动器的负端子。

根据实施例，第一差模扼流圈和第二差模扼流圈中的每一者均包括磁芯。

根据实施例，第一差模扼流圈和第二差模扼流圈中的每一者包括绕组，该绕组缠绕在磁芯中的一者上。

根据实施例，本发明的特征还在于印刷电路板，其中第一差模扼流圈和第二差模扼流圈中的每一者包括绕组，该绕组直接安装在印刷电路板上。

根据实施例，本发明的特征还在于印刷电路板，其中第一差模扼流圈和第二差模扼流圈中的每一者包括绕组，该绕组是印刷电路板的不同层中的迹线。

根据本发明，提供了一种功率电子电路，其具有：与印刷电路板相关联的并联功率半导体，并联功率半导体中的每个包括栅极和电流传感器；第一差模扼流圈，其包括第一磁芯和在印刷电路板的不同层中的第一对迹线，该第一对迹线围绕第一磁芯并限定第一差模扼流圈的绕组，其中第一差模扼流圈位于连接栅极的栅极路径中；第二差模扼流圈，其包括第二磁芯和在印刷电路板的不同层中的第二对迹线，该第二对迹线围绕第二磁芯并限定第二差模扼流圈的绕组，其中第二差模扼流圈位于连接电流传感器的传感器路径中；和栅极驱动器，其包括分接栅极路径的正端子和分接传感器路径的负端子。

根据实施例，第一差模扼流圈的绕组与正端子共享端子。

根据实施例，第二差模扼流圈的绕组与负端子共享端子。