阅读说明：本技术 一种集成启动功能的晶体管模块及其半导体模块和电压变换电路 (Transistor module integrated with starting function, semiconductor module and voltage conversion circuit thereof ) 是由 张波 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种晶体管模块。晶体管模块包括作为功率开关的第一晶体管和作为启动电路的第二晶体管,第二晶体管用于为控制电路提供启动电流,其中第一晶体管的第一端耦接第二晶体管的第一端,第一晶体管的第二端耦接第二晶体管的控制端,第二晶体管的第二端用于提供启动电流。该方案将启动电路完全和功率开关集成,启动电路无需采用外部电阻和内置集成电阻,集成度高。因避免了耐高压大电阻的集成,降低了集成电阻带来的损耗,控制简单。(The invention discloses a transistor module. The transistor module comprises a first transistor serving as a power switch and a second transistor serving as a starting circuit, wherein the second transistor is used for providing starting current for the control circuit, the first end of the first transistor is coupled with the first end of the second transistor, the second end of the first transistor is coupled with the control end of the second transistor, and the second end of the second transistor is used for providing starting current. The starting circuit is completely integrated with the power switch, the starting circuit does not need to adopt an external resistor and a built-in integrated resistor, and the integration level is high. The integration of high-voltage-resistant large resistors is avoided, so that the loss caused by the integrated resistors is reduced, and the control is simple.)

一种集成启动功能的晶体管模块及其半导体模块和电压变换 电路

技术领域

本发明涉及电子领域，具体但不限于涉及一种集成启动功能的功率晶体管模块及其半导体模块和电压变换电路。

背景技术

启动电路用于在控制电路为开关电路提供控制脉冲信号前为控制电路提供电源。常见的启动电路往往都采用电阻，将输入电压源通过电阻产生电流进而为控制电路供电。图1示出了一种现有技术中的典型的启动电路，包括一启动电阻Rs，当开关电路开始工作时，输入电源通过启动电阻Rs形成充电电流向电容Cdd充电，向控制电路(图示为IC)提供电源，启动系统工作。当开关电路正常工作时，转由供电电路为控制电路供电，如由图中的辅助绕组Na上产生的电压为控制电路供电。

但是，启动电路的电阻上会持续消耗较多的电能，损耗较大。另外，由于考虑到启动电阻的损耗，一般电阻阻值较大，因此，启动电流较小，由此导致系统的启动时间较长。

同时，耐受高压的高阻值电阻不易集成，采用外置电阻会增加系统的体积，而采用集成电阻将增加工艺的难度，增加半导体芯片面积和成本。

发明内容

为了解决上述至少部分问题，本发明提出了一种集成启动功能的功率晶体管模块及其半导体模块和电压变换电路。

根据本发明的第一个方面，一种晶体管模块包括：第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端；以及第二晶体管，用于为控制电路提供启动电流，第二晶体管具有第一端、第二端和控制端，其中第一晶体管的第一端耦接第二晶体管的第一端，第一晶体管的第二端耦接第二晶体管的控制端，第二晶体管的第二端用于提供启动电流电压。

在一个实施例中，当系统启动时，第一晶体管处于关断状态，第二晶体管处于导通状态；当第一晶体管正常工作时，第二晶体管关断。

在一个实施例中，第一晶体管构成开关电路的功率开关的全部或一部分。

在一个实施例中，晶体管模块制作在同一半导体基底上，形成一半导体晶片，半导体晶片具有四个端口，其中第一端口耦接第一晶体管的第一端和第二晶体管的第一端，第二端口耦接第一晶体管的第二端和第二晶体管的控制端，第三端口耦接第一晶体管的控制端，第四端口耦接第二晶体管的第二端。

在一个实施例中，第四端口耦接控制电路的第一端，当第四端口与第二端口上的电压差小于第一阈值时，控制电路的第一端输入阻抗小于第一阻值时，第二晶体管处于导通状态；当第四端口与第二端口上的电压差大于第二阈值时，控制电路的第一端输入阻抗大于第二阻值时，第二晶体管关断，其中第一阈值小于第二阈值，第一阻值小于第二阻值。

在一个实施例中，第一晶体管包括增强型MOSFET管，第二晶体管包括耗尽型MOSFET管，第一晶体管的漏极耦接第二晶体管的漏极，第二晶体管的栅极耦接第一晶体管的源极，当第二晶体管源极电压减去第二晶体管栅极电压的值小于第一阈值时，第二晶体管沟道存在，当第二晶体管源极电压减去第二晶体管栅极电压的值大于第二阈值时，第二晶体管沟道夹断，其中第一阈值小于第二阈值。

根据本发明的第二个方面，一种集成启动功能的功率晶体管模块，具有漏极端、源极端、启动端和控制端，其中启动端用于耦接控制电路的第一端，控制端用于耦接控制电路的第二端，其中：在启动阶段，电流以第一电流流进漏极端，以第一电流从启动端流至控制电路的第一端用于为控制电路提供启动电流，控制端电压小于第三阈值；以及在工作阶段，启动端无电流，控制端电压至少部分时间大于第四阈值，其中第三阈值小于第四阈值。

在一个实施例中，功率晶体管模块有且仅具有漏极端、源极端、启动端和控制端。

在一个实施例中，功率晶体管模块进一步具有检测端，其中检测端耦接控制电路的第三端，在工作阶段，检测端电压信号正比于源极端流出的电流信号，且功率晶体管模块有且仅具有漏极端、源极端、启动端、控制端和检测端。

根据本发明的第三个方面，一种半导体模块包括启动电路和功率晶体管，半导体模块具有：第一端口，用于耦接功率晶体管的电压上位端；第二端口，用于耦接功率晶体管的电压下位端；第三端口，用于耦接功率晶体管的控制端；以及第四端口，对外耦接控制电路的第一端，当第四端口与第二端口的电压差小于第一阈值时，第一端口和第四端口间的阻抗小于第三阻值，当第四端口和第二端口间的电压差大于第二阈值时，第一端口和第四端口间的阻抗大于第四阻值，其中第一阈值小于第二阈值，第三阻值小于第四阻值。控制电路的第一端的输入阻抗小于第一阻值，当第四端口与第二端口的电压差大于第二阈值时，控制电路的第二端的输入阻抗大于第二阻值，其中第一阈值小于第二阈值，第一阻值小于第二阻值。

根据本发明的第四个方面，一种半导体模块包括：启动电路，用于为控制电路提供启动电压启动电流，启动电路包括耗尽型场效应管，耗尽型场效应管的一端用于提供启动电压启动电流；以及功率开关管，导通状态由控制电路控制，功率开关管包括增强型场效应管，其中耗尽型场效应管的栅极控制端耦接增强型场效应管的源极。

根据本发明的第五个方面，一种电压变换电路包括如上任一实施例所述的晶体管模块或半导体模块以及控制电路，控制电路具有耦接晶体管模块或半导体模块的第一端和第二端，其中第一端用于接收启动电流，第二端用于控制功率晶体管或功率开关管。

在一个实施例中，电压变换电路进一步包括：原边绕组，耦接晶体管模块或半导体模块；副边绕组，耦接副边整流管用于提供输出电压；辅助绕组；以及电容，耦接辅助绕组和控制电路的第三端，其中当启动时，晶体管模块或半导体模块向控制电路的第一端提供启动电流用于向电容充电；当电路正常工作时，电容由辅助绕组供电，其中第一阻值小于第二阻值。

本发明实施例中的晶体管模块、半导体模块和电压变换电路，将启动电路完成和功率晶体管集成在同一半导体基底上，可仅通过四个外部端口即可实现启动功能和功率开关的集成。启动电路无需采用外部电阻，外部管脚少，集成度高，同时避免了内置工艺复杂的耐高压大电阻的集成，降低了集成电阻带来的损耗，控制简单。

附图说明

图1示出了一种现有技术中的典型的启动电路。

图2示出了根据本发明一实施例的晶体管模块10的电路示意图。

图3示出了根据本发明一实施例的半导体模块示意图。

图4示出了根据本发明一实施例的带启动功能和电流检测功能的晶体管模块20的电路示意图。

图5示出了根据本发明一实施例的电压变换电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过电传导媒介如金属的连接，间接连接可具有寄生参数。

图2示出了根据本发明一实施例的晶体管模块10的电路示意图。晶体管模块10集成了启动功能，包括作为功率晶体管的第一晶体管Q1和作为启动电路的第二晶体管Q2。其中第一晶体管Q1具有耦接端口D的第一端，耦接端口S的第二端和耦接端口G的控制端。第二晶体管Q2用于在端口V为控制电路11提供启动电流。第二晶体管Q2具有耦接端口D的第一端、耦接端口V的第二端和耦接端口S的控制端。具体的，第二晶体管Q2的第一端耦接第一晶体管Q1的第一端，第二晶体管Q2的控制端耦接第一晶体管Q1的第二端，第二晶体管Q2的第二端用于提供启动电流。

相应地，晶体管模块10具有四个端口，分别为第一端口D、第二端口S、第三端口G和第四端口V。其中第一端口D耦接第一晶体管Q1的第一端和第二晶体管Q2的第一端，第二端口S耦接第一晶体管Q1的第二端和第二晶体管Q2的控制端，第三端口G耦接第一晶体管Q1的控制端，第四端口V耦接第二晶体管Q2的第二端。在图示的实施例中，第一端口D为漏极端，第二端口S为源极端，第三端口G为控制端，第四端口V为启动端。

在优选的实施例中，晶体管模块10独立制作在一半导体基底上形成一功率半导体晶片，其中四个端口D、S、G、V分别为半导体晶片的四个管脚。在一个实施例中，半导体晶片10有且仅具有漏极管脚D、源极管脚S，控制管脚G和启动管脚V。在一个实施例中，半导体晶片10独立封装在一封装体中。在另一个实施例中，半导体晶片10和制作有控制电路的控制晶片11通过多晶片封装工艺封装在同一封装体中。

在一个实施例中，晶体管模块10与其他部件制作在一半导体基底上，四个端口D、S、G、V中的一部分可能位于半导体晶片内部。

在外部，晶体管模块10的第四端口V耦接控制电路11的第一端CTR，用于为控制电路11提供启动电流，晶体管模块10的第三端口G耦接控制电路11的第二端Gate，用于接收控制第一晶体管Q1的控制信号。在启动阶段，控制电路11的第一端CTR端口输入阻抗为低阻抗，此时第二晶体管Q2处于导通状态，电流从第一端口D流过第二晶体管Q2至第四端口V作为启动电流用于为控制电路端口VDD所接电容C1充电，产生启动电压，使得控制电路产生用于驱动第一晶体管Q1的驱动电压。当第一晶体管Q1正常工作时，第一端CTR输入阻抗为高阻抗，第二晶体管Q2截止，控制电路11的电容C1由外部其他电路供电。

在一个实施例中，第一晶体管Q1为开关电路的功率开关，在启动初始阶段，控制电路未能提供有效的驱动电压，第一晶体管Q1处于关断状态；在正常工作时，第一晶体管Q1在控制电路11输出的开关控制信号Gate的控制下工作于开关状态，用于控制输出电压。优选地，开关控制信号Gate为脉冲宽度调制(PWM)信号。当然，第一晶体管Q1也可以作为功率开关的一部分，与其它晶体管并联构成功率开关，作为电源变换电路的一部分，如作为降压电路(Buck)，反激式电压变换电路(Flyback)或升压电路(Boost)的一部分。第一晶体管Q1也可工作于可变电阻区，作为线性电路的功率晶体管。

优选地，第一晶体管Q1包括增强型晶体管，第二晶体管Q2包括耗尽型晶体管。当系统刚开始启动时，控制电路11的第一端CTR的输入阻抗为低阻抗，小于第一阻值，启动端V电压和源极端S电压均为低电平，启动端V电压相对源极端S电压小于第一阈值，第二晶体管Q2原始沟道存在，晶体管Q2处于导通状态，第一端口D和第四端口V之间的阻抗为低电阻，小于第三阻值，电流通过晶体管Q2从漏极端D流向晶体管Q2的源极端，用于对电容C1充电为控制电路提供启动电流。此时控制电路11第二端Gate提供的控制端G电压为低电平，小于第三阈值，第一晶体管Q1处于关断状态。当系统开始正常工作时，控制电路11第二端Gate输出驱动信号驱动功率晶体管Q1正常工作，控制端G电压至少部分时间为高电平，大于第四阈值，若晶体管Q1工作于开关状态，则控制端G电压间断性地出现高电平，若晶体管Q1工作于线性状态，则控制端G电压较长时间处于较高电平。此时由其他电路为控制电路提供供电电压，如通过图2所示的隔离式电压变换器中的辅助绕组Na为电容C1充电提供供电电压，此时控制电路第一端CTR输入阻抗为高阻抗，大于第二阻值，启动端V电压被抬高，启动端V电压相对源极端S电压大于第二阈值，第二晶体管Q2沟道夹断，第二晶体管Q2关断，第一端口D和第四端口V之间的阻抗为高电阻，大于第四阻值。其中第一阈值小于第二阈值，第一阻值小于第二阻值，第三阻值小于第四阻值，第三阈值小于第四阈值。其中第一阈值、第二阈值、第三阈值、第四阈值、第一阻值、第二阻值、第三阻值、第四阻值均为合理范围内任意选取的参数值，用于定性反映实施例中的特性。

这样，无需引入工艺复杂的内置耐高压集成电阻，也无需额外引入外接电阻即可实现启动功能，且系统在正常工作时没有通过电阻产生电流，功耗极低，在启动阶段时启动电路处于低阻抗导通状态，启动电流大，启动速度快。

图3示出了根据本发明一实施例的半导体模块示意图。该半导体模块为一晶体管模块，包括第一晶体管Q1和第二晶体管Q2。其中第一晶体管Q1作为功率晶体管，由控制电路控制其导通状态。第二晶体管Q2作为启动电路，用于为控制电路提供启动电流。半导体模块具有第一端口D，用于耦接功率晶体管Q1的电压上位端；第二端口S，用于耦接功率晶体管Q1的电压下位端；第三端口G，用于耦接功率晶体管Q1的控制端；以及第四端口V，对外耦接控制电路，为控制电路提供启动电流。在图示的实施例中，功率晶体管包括增强型场效应管Q1，当控制端G电压为低电压时，Q1截止，当控制端G电压为高时，Q1导通。第二晶体管Q2包括耗尽型场效应管Q2，其控制端耦接增强型场效应管Q1的源极。图3所示的实施例中第一晶体管Q1为一增强型金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，第二晶体管Q2为一耗尽型MOSFET管。其中第一晶体管Q1的漏极耦接第二晶体管Q2的漏极，作为半导体模块的第一端口D，第二晶体管Q2的栅极耦接第一晶体管Q1的源极，作为半导体模块的第二端口S，第一晶体管Q1的栅极作为半导体模块的第三端口G，第二晶体管的源极作为半导体模块的第四端口V。N型晶体管Q2沟道为N型掺杂，因此当Q2源极端(第四端口V)电压相对控制端(第二端口S)电压小于一阈值时，由于晶体管Q2沟道的存在，Q2处于导通状态，电流从第一端口D通过晶体管Q2的沟道流向第四端口V。N沟通可允许通过大电流，大电流可以迅速对电容C1充电将启动电压抬升，实现快速启动。当图2所示的供电电路12逐渐正常工作时，Q2源极端(第四端口V)电压被CTR端升高。当Q2源极端(V端)电压相对其控制端(S端))电压升高时，Q2沟道变窄直至被夹断，晶体管Q2截止，呈现很高的阻抗，启动电路几乎不产生功率损耗，功耗极低。

从图3可见，晶体管模块制作在同一半导体基底上，形成一半导体晶片，半导体晶片具有四个端口，包括漏极端D、源极端S、控制端G和启动端V，其中第一端口D耦接第一晶体管Q1的漏极(第一端)和第二晶体管Q2的漏极(第一端)，第二端口S耦接第一晶体管Q1的源极(第二端)，第三端口G耦接第一晶体管Q1的控制端，第四端口V耦接第二晶体管Q2的第二端，用于提供启动电流。

继续参看图2。功率晶体管模块10的第二端口S耦接参考地，功率晶体管模块10的启动端V耦接控制电路11的第一端CTR，功率晶体管模块10的控制端G耦接控制电路11的第二端Gate。在一个实施例中，第二端口S耦接的参考地为控制电路11的参考地。在启动时，控制电路11的第一端CTR输入阻抗为低阻抗，第四端口V和第二端口S上电压为低电平，第四端口V与第二端口S上的电压差小于第一阈值，第一端口D与第四端口V之间呈低阻导通态。在正常工作时，由于功率晶体管Q1的正常工作，供电电路12产生电压用于为控制电路11供电，端口CTR电压升高，晶体管模块10的第四端口V上电压抬升，控制电路11的控制端CTR输入阻抗为高阻抗。在图示的实施例中，供电电路12包括辅助绕组Na、二极管D和电容C1。当第四端口V与第二端口S上的电压差大于第二阈值时，第一端口D与第四端口V之间呈高阻截止态。其中第二阈值大于第一阈值。

晶体管模块的第二端口S也可耦接其他的节点。在一个实施例中，第二端口S对外耦接采样电阻。在另一个实施例中，第二端口S对外耦接输入电源的参考地，其中第三端口G与第二端口S的电压差具有足够的幅度用于驱动第一晶体管Q1。

继续图2的说明，在启动阶段，当第二晶体管Q2呈导通状态，电流以第一电流流进漏极端D，以第一电流从启动端V流至控制电路11用于为控制电路11提供启动电流，此时控制端G电压较低，如小于第三阈值，第一晶体管Q1未进行正常工作。在工作阶段，系统由供电电路12供电，第二晶体管Q2截止，模块10的启动端V无电流流出，此时控制端G电压至少部分时间大于第四阈值，驱动第一晶体管Q1工作，其中第三阈值小于第四阈值。晶体管Q1可工作于开关状态，也可工作在线性放大状态，其中第三阈值和第四阈值可为任何合适大小的参考电压，用于定性表明第一晶体管Q1为关断状态或工作状态。

通过将第二晶体管Q2的栅极在内部和第一晶体管Q1的源极相连即在功率晶体管模块中集成了启动功能，最大限度地减少了带启动功能的功率晶体管晶片的管脚，仅采用四个外部端口就实现了启动电路和功率晶体管的集成，提高了集成度，控制简单。

图4示出了根据本发明一实施例的带启动功能和电流检测功能的晶体管模块20的电路示意图。晶体管模块20具有五个端口，分别为漏极端D、源极端S、启动端V、控制端G和检测端CS。相比图2中所示晶体管模块10，晶体管模块20增加了一个检测端CS，检测端CS与控制电路21的除端口CTR和Gate外的第三端CS耦接，用于提供电流检测功能，使得控制电路21基于电流检测信号CS对第一晶体管Q1进行输出电流的控制。晶体管模块20内部进一步包括一第三晶体管Q3，其中第三晶体管Q3的第一端(漏极)与第一晶体管Q1的第一端(漏极)相连，第三晶体管Q3的控制端(栅极)与第一晶体管Q1的控制端(栅极)相连。第三晶体管Q3的第二端(源极)通过电阻R与第一晶体管Q1的第二端(源极)相连，第三晶体管Q3的第二端(源极)提供电流检测信号。通过这样的连接，流过第三晶体管Q3的电流正比于流过第一晶体管Q1的电流，检测端CS上的电压信号正比于流过第一晶体管Q1的电流，即检测端CS电压信号正比于源极端S流出的电流信号，实现电流检测。电阻R可为任意适用于半导体制作的电阻。因电阻R的阻值和耐压较小，可方便地通过对半导体部分区域的掺杂实现，便于集成。

在一个实施例中，上述带启动功能和电流检测功能的晶体管模块制作在同一半导体基底上形成一半导体晶片，其中该功率晶体管模块晶片有且仅具有五个管脚，分别对应漏极管脚D、源极管脚S、启动管脚V、控制管脚G和检测管脚CS。

图5示出了根据本发明一实施例的电压变换电路示意图。电压变换电路包括原边绕组Np，与原边绕组Np耦接的晶体管模块30，控制电路31，副边绕组Ns、辅助绕组Na和电容C1。其中原边绕组一端接收输入电压源Vin，另一端耦接晶体管模块30，具体地，为耦接晶体管模块30中的功率开关。在一个实施例中，晶体管模块30为一半导体模块。控制电路31具有耦接晶体管模块30或半导体模块的第一端CTR和第二端Gate，其中第一端CTR用于接收从晶体管模块30第四端口V流出的启动电流，第二端Gate用于控制晶体管模块30中的功率晶体管或功率开关管。副边绕组N耦接副边整流管Do用于提供输出电压Vout。电容C1耦接辅助绕组Na和控制电路31的第三端VDD，其中当系统启动时，控制电路31的第一端CTR的输入阻抗小于第一阻值时，晶体管模块30或半导体模块向控制电路31的第一端CTR提供启动电流用于向电容C1充电，为控制电路31提供启动电压，进而为晶体管模块30中的功率开关提供驱动信号，在功率开关的工作下，能量从原边绕组Np传递到副边绕组Ns用于在输出端提供输出电压Vout，同时通过辅助绕组Na，端口VDD处供电电压逐渐上升，控制电路第二端CTR处电压随端口VDD处电压上升而上升。当系统正常工作时，端口CTR处电压较高，控制电路31的第一端CTR的输入阻抗大于第二阻值，晶体管模块30中的启动晶体管关断，电容C1完全由辅助绕组Na供电。其中第一阻值小于第二阻值，第一阻值和第二阻值可为任意合适范围内的参考值，用于定性描述实施例的电特性。

根据本发明的一些实施例，带启动功能的功率晶体管模块通过在功率晶体管模块中仅额外制作一个晶体管即实现了提供启动电流功能，无需采用额外的外置电阻或集成电阻，系统功耗极低，且工艺简单。同时，带启动功能的功率晶体管模块通过内部两个晶体管的连接可仅具有四个外部管脚，系统集成度高，且控制简单。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。