双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管及其驱动电路

技术领域

本发明涉及一种双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管及其驱动电路。

背景技术

功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在使用中，漏源电压和电流的剧烈变化通过米勒电容反射，影响栅源电压稳定性。随着材料技术的进步，采用SiC、GaN等宽禁带半导体材料生成的功率MOSFET具有耐压高、开关速度快的优势，然而，这一优势却迫使漏源电压和电流的变化率变得更高，严重挑战着栅源电压的稳定性。

目前，对于传统的功率MOSFET，出现了多种技术方法解决栅源电源的稳定性问题，大致可以分为无源类方法和有源类方法。

无源类方法，在驱动电路中增加额外无源器件，并进一步降低驱动电路负向偏压，来抑制高漏源电压和电流变化率对栅源电压的影响。非专利文献1公开了额外增加电容元件的方法，抑制栅漏电容的位移电流和共源电感上的电压降造成的栅源电压不稳定现象(参见非专利文献1:IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics，7卷，第1期，353-365页)。该类方法在一定程度上可以降低栅极关断阻抗、提高栅源电压震荡阻尼。

有源类方法，在驱动电路种增加有源的辅助半导体器件，并通过控制辅助半导体器件，触发谐振现象，达到稳定栅源电压的目的(参见专利文献1:一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路及驱动电路，申请号201810059420.5；参见专利文献2:驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法，申请号201610459751.9；参见专利文献3:一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法，申请号201811451477.6；参见专利文献4:一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动装置，申请号201710703079.8)。一般基于谐振机理，调整驱动电路输出阻抗或输出电压，对结电容位移电流进行旁路或抵消。由于PCB线路杂散电感的影响，上述驱动方法难以保证高速开关动作时栅源电压稳定；即便在低速开关动作时，为了实现稳定栅源电压，驱动电路也需要额外增加辅助半导体器件，这就意味着，需要额外增加复杂的逻辑电路，并且为新增辅助管单独供电。

需要注意的是，无源类方法，引入的栅源极并联电容增加了开关损耗；增大的负向偏压将会增大SiC MOSFET的栅氧层应力，缩短器件寿命。有源类方法，新增逻辑电路、谐振电容等元件，驱动电路也需要额外增加辅助半导体器件，这就意味着，需要额外增加复杂的逻辑电路，并且为新增辅助管单独供电；有源类方法一般基于谐振机理，由于谐振点随电路杂散参数变化，谐振元件的参数需要针对不同外电路布局在额定工作电压、工作电流条件下进行专门设计，抑制效果不仅严重依赖杂散参数提取精度，而且难以全面兼顾功率MOSFET的工作电压和工作电流的变化，更难以应对突发故障引起的栅极不稳定，器件的鲁棒性和适应性较差。

综上，功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在使用中，为了充分发挥MOSFET的开关速度优势，需要在驱动电路引入复杂的串扰抑制电路，稳定栅源电压。然而，这增大了功率半导体器件使用中的复杂性和成本，同时降低了功率半导体器件的可靠性。实际应用中，急需驱动简单可靠、栅源稳定性强的新型功率半导体器件组合应用方法，让功率MOSFET获得鲁棒免疫高开关速度干扰的能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管及其驱动电路，在较高的漏源电压电流变化率条件下，保持MOSFET栅源电压稳定性，让MOSFET获得鲁棒免疫高开关速度干扰的特性。采用该功率半导体器件的电力电子变换器系统工作，能够可靠工作于更高频率、更高电压的环境。

本发明之一是这样实现的：一种双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管，包括主功率单元以及辅助稳定单元，所述主功率单元为第一MOSFET Q

所述第一MOSFET Q

所述第二MOSFET Q

所述第一MOSFET Q

所述第一MOSFET Q

进一步地，还包括封装基板，所述第一MOSFET Q

进一步地，所述第二MOSFET Q

进一步地，所述引脚d

进一步地，所述第一MOSFET Q

本发明之二是这样实现的：一种双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的驱动电路，用于驱动权利要求1至5中任意一项所述的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管；所述驱动电路包括正向电压偏置V

本发明的优点在于：该器件适用于高频、大功率电力电子电能变换领域，如轨道交通功率变流装置、电动汽车电驱和快速充电、新能源发电、5G通信电源等场合。

该半导体器件可以在较高的漏源电压电流变化率条件下，保持MOSFET栅源电压稳定性，让MOSFET获得鲁棒免疫高开关速度干扰的特性。采用该功率半导体器件的电力电子变换器系统工作，能够可靠工作于更高频率、更高电压的环境。

该功率半导体装置的驱动电路与传统MOSFET的驱动电路具有良好兼容性，无须额外增加复杂的逻辑电路、辅助电路和辅助供电电路。

该半导体器件可以比传统器件耐受更高的电压变化率、电流变化率，使得应用该功率半导体器件的电力电子变换器工作在更高频率、更高电压。

在高速开关、高电压应力的应用场合，本发明是保障功率半导体器件安全运行的重要手段，有利于提高电力电子功率变换器的功率密度，有效促进开关电源的高频化、小型化。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的俯视图。

图2为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的剖面图。

图3为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的电路符号图。

图4为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的一种驱动电路的电路图。

图5为本发明双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的工作原理图。

图6为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的非开尔文封装方式俯视图。

图7为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的非开尔文封装方式剖面图。

图8为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的非开尔文封装方式的电路符号图。

图9a为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的工作原理验证实验结果图一。

图9b为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的工作原理验证实验结果图二。

图9c为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的工作原理验证实验结果图三。

图9d为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的工作原理验证实验结果图四。

具体实施方式

本实施例提供的一种双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管，将第一N沟道功率MOSFET(Q

本发明所述的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(后文简称双栅MOSFET)集成了两部分功能，主功率部分为第一MOSFET Q

(1)驱动电路通过第二MOSFET Q

(2)第一漏极电流和第一漏源电压的高变化率将通过Q

(3)第一MOSFET Q

(4)第一MOSFET Q

(5)第二MOSFET Q

(6)本发明所述的双栅MOSFET采用较为常用的7引脚封装，第一MOSFET Q

(7)第一MOSFET Q

如前述特点(4)，第一MOSFET Q

本发明所述双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)可以基于目前普遍商业化的传统MOSFET驱动芯片，搭建驱动电路。每个双栅型MOSFET仅需要一个驱动芯片和一个控制信号，与传统MOSFET一致，故实现了驱动电路简化。优选的，驱动电路如图4所示，所述驱动电路包括正向电压偏置V

图5为本发明所述双栅型功率MOSFET的工作原理图，对应的外围电路是器件测试常用的桥臂电路。桥臂电路下管封锁，处于常闭状态，仅留第一MOSFET Q

t1时刻之前，第一栅极电压vg1处于正向电压偏置(V

[t1,t2]：t1时刻，S从1变为0，由于调速电容C和驱动电阻Roff的存在，第二栅极电位vg

[t2,t3]：在该模态当中，第一漏源沟道完全关断，器件结束暂态过程，进入新的稳态。进入新的稳态后，Q

[t3,t4]：t3时刻，S从0变为1，由于调速电容C和驱动电阻R

[t4,t5]：在该模态当中，第一MOSFET Q

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例进行了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以做出若干改变和改进，包括但不限于采用掺杂、生长、封装集成等工艺，使功率半导体器件具有本发明所述特征，也应视为本发明的保护范围。

优选的，本发明所述双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管可以采用非开尔文封装方式，具有较少的引脚数量，但会在一定程度上增加功率回路和驱动回路的耦合作用，牺牲部分器件性能。图6为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的非开尔文封装方式俯视图。图7为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的非开尔文封装方式剖面图。开尔文封装方式下，仅需要引出一个第一MOSFET Q1的源极，设为s1。图8为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管的非开尔文封装方式的电路符号图。

图9是为本发明的双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的工作原理验证实验结果。图9a是一个开关周期内的桥臂上管两个栅极的电位，对应的放大波形如图9b和图9c所示。图9b是开通过程中桥臂上管两个栅极的电位，图9c是关断过程中桥臂上管两个栅极的电位。图9a、图9b和图9c可以验证，由于桥臂上管的第二MOSFET Q

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。