[发明专利]一种可控自钳位SensorFET复合纵向功率器件

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及半导体功率器件技术和功率集成电路技术。

背景技术

功率集成电路是控制电路与功率负载之间的接口电路，其最简单的电路包括电平转移和驱动电路，它的作用是将微处理器输出的逻辑信号电平转换成足以驱动负载的驱动信号电平。功率集成电路出现于上世纪七十年代后期，由于单芯片集成，功率集成电路减少了系统中的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减少了系统的功耗、体积、重量和成本。能够对工作状态进行自我管理，能对突发事件作出反应并采取相应的应对措施(称之为智能)。对于功率IC而言，自我管理就是采用不同的控制方式对功率开关管进行控制。对突发事件的应对能力主要包括自启动、过流保护及前沿消隐、过温保护、过压保护、欠压保护和ESD防护。具有上述功能的功率集成电路可称之为智能功率集成电路(SPIC：Smart Power Integrated Circuit或IPC：Intelligent Power Integrated Circuit)。

当智能功率集成电路使用在85V～265V的交流输入电压范围内时，如何监控高压环境的电流状态和电压状态成为智能功率器件和电路研究的一个重要方向。在智能功率集成电路设计中，主要通过信号采样、反馈控制的方式实现对高压电路和功率器件的保护以及对工作状态的监控。信号采样主要有两种方式，分别是电压采样和电流采样。常用的电流采样方式有以下几种：(1)在输出回路中串接电阻进行电流采样。当电阻为固定值时，电压的变化就反映出电流的变化情况。但是检测电阻会增加额外的功耗，其数值可达数瓦，甚至十几瓦。(2)利用MOSFET器件的漏源电阻R_DS进行电流采样。MOS器件工作于线性区时，可以当作有源电阻。通过调整MOS管的栅电压来调整R_DS值，达到检测电流的目的。MOSFET的导通电阻具有较大的正温度系数，且导通电阻的大小与栅电压也密切相关，所以获得的信号电压将存在很大的误差。(3)利用HEX-Sense功率开关器件进行电流采样。HEX-Sense器件由并联的两个分立源极的MOSFET组成，通常被称为功率器件和检测器件。其主要参数是电流检测率(T)，它是源极管脚电流与检测管脚电流的比率(I_SOURCE/I_SENSE)。(4)利用SENSEFET器件进行电流采样。将负载电流分入到功率或感应元件，因此使得信号级电阻器可以用来进行电流采样。通常SENSEFET的宽度远小于主器件的栅宽，比例越小，功耗越小，但是电流检测准确度也会降低，因此要在功耗和准确度之间取合适的值。

对于Flyback模式的智能功率控制IC，通常要求内部电路具有稳定的低压电源，同时需要采样功率主开关管的导通电流，将导通电流送入内部比较电路进行处理，从而实现对二级输出的精确控制。图1为一简化的自充电和电流检测控制电路。当功率主开关管17开启时，电流检测与自充电复合器件16将会产生与流过功率主开关管17的导通电流成比例的电流，并将该电流输入电流检测电路15。当功率主开关管17关断时，流过电流检测与自充电复合器件16的电流将对供电电容111进行充电。所以对充电与检测电路的设计成为智能功率IC设计的重点之一。但是上述众多采样控制方式无法满足Flyback模式的智能功率控制IC的应用要求。为更好地设计充电与检测电路，需要对电流检测与自充电复合器件进行有效的设计。李泽宏等人提出了一种高压SensorFET器件(CN200610021845.4)，利用高压JFET进行电流检测，同时实现对芯片内部进行充电的功能，如图2所示。但是当流过变压器120初级线圈的电流发生变化时，初级线圈两端有电压V＝L*(di/dt)。功率主开关器件17关断时，初级线圈上的电压会上升到几百伏，初级线圈存储的雪崩能量会通过电流检测与自充电复合器件16进行泄放。由于SensorFET的器件宽度通常远小于主开关器件的宽度，所以上述高压SensorFET器件在主开关器件关断时，面临无法有效地对雪崩能量进行泄放的问题，这时，高压SensorFET被置于高压或/和大电流的条件下，器件温度会迅速上升。当硅的温度达到1173K或表面温度达到金属-硅共熔温度(铝-硅为850K)时，器件或芯片就会遭到损坏。

发明内容