基于级联jfet和hemt的cascode型功率器件
技术领域
1.本发明属于功率半导体器件设计技术领域，特别涉及一种基于级联jfet和hemt的cascode型功率器件。
背景技术：2.近年来，基于宽禁带功率半导体材料氮化镓(gan)和碳化硅(sic)的功率器件迅速的发展。目前商业化的主要是基于gan的高电子迁移率晶体管(hemt)，又称之为异质结场效应管(hfet)，和基于sic的结型场效应管(jfet)。在电力电子应用中，常关断型器件在可靠性方面有较大的优势，因为在控制系统失效之后换流器可以保持关断的状态。目前hemt有较为成熟的工艺可以实现常关断型设计，但是器件主要用于中低压场景(《650v)。sic jfet可以阻断更高的电压(》1200v)，但是目前jfet是常导通型器件。cascode型器件可以结合二者的优势，设计出可以阻断高电压(》1200v)的常关断型的器件。
3.目前实现高电压的cascode型器件的研究和专利都主要集中在级联高压的sic jfet和基于si材料的低压mosfet。但是mosfet具有体二极管，在器件反向导通之后，需要经历反向恢复过程才能阻断正向的电压，降低了系统的效率和开关速度。hemt不具有体二极管，且能实现反向导通，因此cascode器件在反向导通之后不需要经历反向恢复过程就可以阻断正向电压，极大的提高了开关速度，降低了开关损耗。
4.然而由于cascode型器件的特殊结构，在器件的关断过程中，hemt器件承受的电压幅值等于jfet的门极电压，符号相反。当关断过程中hemt电压过高时候，会出现jfet门极过电压的情况，不利于jfet的可靠运行。此前国内外关于jfet门极过电压的研究都没有有效的抑制过电压，或者会再次引入反向恢复的问题。因此本专利在设计器件时候设计了避免hemt电压过高的保护支路，且该保护支路不会给器件带来反向恢复问题。
5.cn201880070616.2公开了一种高压快速开关装置,它的目的是提供一种包括多个开关装置、限压器和开关时间同步器。所述开关装置从第一开关装置开始串联耦合，并且在最后一个开关装置结束耦合。所述装置使得高压源能够与所述开关装置中的至少一个选定的开关装置耦合。限压器与开关装置耦合。第一开关装置被配置为直接接收用于改变装置的开关状态的控制信号。所述第一开关装置被配置为促进所述串联中的连续开关装置的开关状态的级联(cascaded)转换，其中开关时间同步器被配置为使对连续开关装置的开关状态的转换生效的时间同步。限压器被配置为在转换期间限制开关装置的过电压状况。该技术方案:用于开关高压源的装置，其包括：多个开关装置，其从第一开关装置开始串联耦合，并且在最后一个开关装置结束耦合，所述装置使得所述高压源能够与所述开关装置中至少一个选定的开关装置耦合；限压器，其与所述开关装置耦合；以及开关时间同步器；其中所述第一开关装置被配置为直接接收用于改变所述装置的开关状态的控制信号，所述第一开关装置被配置为促进所述串联中的连续的所述开关装置的开关状态的级联转换，其中所述开关时间同步器被配置为使对连续的所述开关装置的所述开关状态的转换生效的时间同步，并且所述限压器被配置为在所述转换期间限制所述开关装置的过电压状况。其不足之
处是:其主要关注的是多个开关晶体管串联工作下，整个系统的时间同步与电压均分。本发明关注的是单个开关晶体管的设计中，如何避免晶体管内部出现过电压破坏晶体管，提升单个晶体管的可靠性。二者研究对象不同，研究方法不同，研究结果不同。
技术实现要素：6.本发明的目的是提供一种结合基于gan的hemt和基于sic的jfet，设计完全无反向恢复，且jfet无门极过电压的cascode型高压功率半导体器件。
7.本发明的技术解决方案是所述基于级联jfet和hemt的cascode型功率器件，其特殊之处在于，所述的cascode型功率半导体器件由基于sic的jfet、基于gan的hemt和双向的齐纳二极管组成；hemt与jfet串联，其中hemt的漏极与jfet的源极连接，jfet的门极与hemt的源极连接，齐纳二极管b-zd与hemt并联，由于齐纳二极管b-zd是双向对称的，不需要指定齐纳二极管b-zd的方向；在所述cascode器件中，jfet的漏极为cascode器件的漏极，hemt的源极为cascode器件的源极，hemt的门极为cascode器件的门极。
8.作为优选：在关断过程中，hemt的门极电压由高电压变为低电压，hemt两端的电压上升，此时hemt的电压等于jfet的门极电压，符号相反；随着hemt两端的电压上升，jfet门极电压下降，直至关断jfet；在此过程中，当hemt的电压上升至齐纳二极管b-zd的钳位电压，则hemt两端的电压被齐纳二极管b-zd钳位，不能继续增加；该钳位过程避免了hemt两端出现高电压，从而避免了jfet出现门极过电压；在反向导通过程中，由于齐纳二极管b-zd在电压低于钳位电压前不能导通电流，所有的电流都会反向流过hemt的沟道；hemt没有pn节，因此该器件不需要经历反向恢复过程就可以承受正向的电压；从而降低了cascode器件的开关损耗，提高了开关速度。
9.作为优选：在整个运行过程中，jfet的门极电压被有效的钳位，没有出现门极过电压的情况；在电流反向流过齐纳二极管dut过程中，齐纳二极管b-zd电流为0，无电流流过齐纳二极管b-zd中的pn结，从而避免了反向恢复过程。
10.作为优选：在开关过程中，hemt的漏极-源极电压被有效的钳位，避免了由于米勒效应引起的误导通情况；采用0v控制cascode功率器件关断，5v到6v控制cascode功率器件开通。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果:
12.本发明结合sic jfet和gan hemt实现了常关断型高压功率器件，该器件没有jfet门极过电压的问题，且没有反向恢复过程。
附图说明
13.图1是本发明所设计的cascode型功率器件结构示意图；
14.图2是本发明的测试电路图；
15.图3是本发明cascode型功率半导体器件在仿真测试电路中的波形图。
具体实施方式
16.本发明下面将结合附图作进一步详述：
17.请参阅图1所示，图1为本发明所设计的cascode型功率器件结构。所述的cascode
型器件由基于sic的jfet，基于gan的hemt和双向的齐纳二极管(bidirectional zener diode,b-zd)组成。所述cascode型功率器件设计方案为：hemt与jfet串联，其中hemt的漏极与jfet的源极连接，jfet的门极与hemt的源极连接。此外，齐纳二极管b-zd与hemt并联，由于齐纳二极管b-zd是双向对称的，不需要指定齐纳二极管b-zd的方向。在所述cascode器件中，jfet的漏极为cascode器件的漏极，hemt的源极为cascode器件的源极，hemt的门极为cascode器件的门极。
18.在关断过程中，hemt的门极电压由高电压变为低电压，hemt两端的电压上升，此时hemt的电压等于jfet的门极电压，符号相反。随着hemt两端的电压上升，jfet门极电压下降，直至关断jfet。在此过程中，当hemt的电压上升至齐纳二极管b-zd的钳位电压，则hemt两端的电压被齐纳二极管b-zd钳位，不能继续增加。该钳位过程避免了hemt两端出现高电压，从而避免了jfet出现门极过电压。
19.在反向导通过程中，由于齐纳二极管b-zd在电压低于钳位电压前不能导通电流，所有的电流都会反向流过hemt的沟道。hemt没有pn节，因此该器件不需要经历反向恢复过程就可以承受正向的电压。从而降低了cascode器件的开关损耗，提高了开关速度。
20.请参阅图2所示，测试电路中的测试器件(dut)是本发明所设计的cascode型功率半导体器件。该测试电路为buck电路，其中本发明所设计的器件作为下管。在上管关断之后，负载电流会反向流过dut。在上管导通之后，dut需要从反向导通电流状态切换至阻断电压状态。
21.请参阅图3所示，cascode型功率半导体器件在仿真测试电路中的波形。在整个运行过程中，jfet的门极电压被有效的钳位，没有出现门极过电压的情况。在电流反向流过dut过程中，齐纳二极管b-zd电流为0，因此没有电流流过齐纳二极管b-zd中的pn结，从而避免了反向恢复过程。
22.在开关过程中，hemt的漏极-源极电压被有效的钳位，避免了由于米勒效应引起的误导通情况；采用0v控制cascode功率器件关断，5v到6v控制cascode功率器件开通。
23.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
技术特征：1.一种基于级联jfet和hemt的cascode型功率器件，其特征在于，所述cascode型功率半导体器件由基于sic的jfet、基于gan的hemt和双向的齐纳二极管组成；hemt与jfet串联，其中hemt的漏极与jfet的源极连接，jfet的门极与hemt的源极连接，齐纳二极管b-zd与hemt并联，由于齐纳二极管b-zd是双向对称的，不需要指定齐纳二极管b-zd的方向；在所述cascode器件中，jfet的漏极为cascode器件的漏极，hemt的源极为cascode器件的源极，hemt的门极为cascode器件的门极。2.根据权利要求1所述基于级联jfet和hemt的cascode型功率器件，其特征在于，在关断过程中，hemt的门极电压由高电压变为低电压，hemt两端的电压上升，此时hemt的电压等于jfet的门极电压，符号相反；随着hemt两端的电压上升，jfet门极电压下降，直至关断jfet；在此过程中，当hemt的电压上升至齐纳二极管b-zd的钳位电压，则hemt两端的电压被齐纳二极管b-zd钳位，不能继续增加；该钳位过程避免了hemt两端出现高电压，从而避免了jfet出现门极过电压；在反向导通过程中，由于齐纳二极管b-zd在电压低于钳位电压前不能导通电流，所有的电流都会反向流过hemt的沟道；hemt没有pn节，该器件不需要经历反向恢复过程即承受正向的电压；从而降低cascode器件的开关损耗，提高了开关速度。3.根据权利要求1所述基于级联jfet和hemt的cascode型功率器件，其特征在于，在整个运行过程中，jfet的门极电压被有效的钳位，没有出现门极过电压的情况；在电流反向流过齐纳二极管dut过程中，齐纳二极管b-zd电流为0，无电流流过齐纳二极管b-zd中的pn结，从而避免了反向恢复过程。4.根据权利要求1所述的基于级联jfet和hemt的cascode型功率器件，其特征在于，在开关过程中，hemt的漏极-源极电压被有效的钳位，避免了由于米勒效应引起的误导通情况；采用0v控制cascode功率器件关断，5v到6v控制cascode功率器件开通。
技术总结本发明涉及基于级联JFET和HEMT的cascode型功率器件。所述的cascode型功率半导体器件由基于SiC的JFET、基于GaN的HEMT和双向的齐纳二极管组成；HEMT与JFET串联，其中HEMT的漏极与JFET的源极连接，JFET的门极与HEMT的源极连接，齐纳二极管B-ZD与HEMT并联，由于齐纳二极管B-ZD是双向对称的，不需要指定齐纳二极管B-ZD的方向；在所述cascode器件中，JFET的漏极为cascode器件的漏极，HEMT的源极为cascode器件的源极，HEMT的门极为cascode器件的门极。HEMT的门极为cascode器件的门极。HEMT的门极为cascode器件的门极。
技术研发人员：陈敬 舒稷
受保护的技术使用者：香港科技大学深圳研究院
技术研发日：2022.07.01
技术公布日：2022/11/1
