專利名稱：用于飛行器的功率開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及用于飛行器的功率開關(power switch)。具體而言，本發(fā)明涉及用于飛行器的改進型功率切換裝置和方法，其提供了對飛行器功率分配接線的故障保護。
背景技術：
飛行器功率分配系統(tǒng)的安全是至關重要的。因此，它們需要受到保護而免于例如可由雷擊、短路等導致的過流狀態(tài)，否則這會產生永久性地破壞或斷開接線或其它電性構件的高電流。過流保護通常通過使用各種裝置和系統(tǒng)來提供，如果檢測到的電流(Ifault)大于例如飛行器接線線束中的最大工作或額定電流(Inmial),則這些裝置和系統(tǒng)便跳閘和斷開電路。飛行器中的低功率電力分配(< 4kW)當前是由SSPC(固態(tài)功率控制器)執(zhí)行的。 SSPC提供半導體開關，該開關具有良好的性能和特性，包括響應極快，將故障電流限制在安全極限內；多作業(yè)使用壽命長；柔性的構成和控制方案，這對于電流限制和中斷功能兩者是完全可控的；以及維護要求極少而成本低。然而，為了提高SSPC的功率切換能力，需要更大且更重的解決方案(出于下文簡要描述的原因)，這便是為何迄今為止對于大功率飛行器配電的備選技術選擇為機電接觸
O對于SSPC的常規(guī)技術為基于金屬_氧化物_硅場效應晶體管(MOSFET)的，因為它們的通態(tài)阻抗低，這在正常操作期間提供了低功耗(作為熱量)。然而，在飛行器系統(tǒng)中， 這些裝置必須能夠經受得住急劇的瞬變狀態(tài)，這便需要使用高速控制電子器件以容許不易破壞的操作。此外，盡管這些基于MOSFET的系統(tǒng)具有各種優(yōu)點，但它們也在相對較高的溫度下操作(例如，MOSFET結點溫度通常可為 100°C)。因此，僅存在相對較小的溫度范圍(即， 大約50°C至60°C的窗口)，在該范圍內，MOSFET裝置在故障事件中需要斷開，以免將它們加熱至高于硅停止作用為半導體的溫度范圍(即，高于大約165°C )。這種窄的溫度切斷范圍對于基于MOSFET的系統(tǒng)施加了設計限制。例如當 Ifault ^ 10. Inormal的情況下，功率波動可將MOSFET裝置中產生的熱量增加大約100的因數， 因為產生的熱量與Pfault成比例(待耗散的功率二 I1fault-R，其中，R為MOSFET裝置的 阻抗)。如果MOSFET裝置保持在低于大約165°C的溫度以便能夠如所需那樣起作用，則需要有效地耗散該熱量。因此，使用MOSFET的常規(guī)系統(tǒng)通常設有被動冷卻和/或主動冷卻。例如，可采用強制流體冷卻，如可提供的一個或多個熱沉裝置那樣。該系統(tǒng)還可使用提供為并行的許多獨立MOSFET裝置來形成，和/或通過使用非常龐大的功率裝置來形成，以便提供較大物理量的半導體材料，其可耗散故障狀態(tài)下產生的任何熱量，而不會在MOSFET中引起顯著的溫度上升(基本上通過減小R值)。
因此，為了能夠應對可能的過流狀態(tài)，特別是在大功率下，常規(guī)的基于MOSFET的功率保護系統(tǒng)通常相當龐大和笨重。顯然，這是不利的，特別是在飛行器中。

發(fā)明內容
因 此，著眼于解決與基于MOSFET的功率保護系統(tǒng)相關的上述問題，設計出了本發(fā)明的各種方面和實施例。根據本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于飛行器功率分配系統(tǒng)中的故障保護的集成式固態(tài)功率開關。集成式固態(tài)功率開關由半導體材料形成，該半導體材料提供了場效應晶體管(FET)溝道和雙極晶體管溝道，其中，場效應晶體管(FET)溝道在正常的裝置操作期間可操作以提供工作電流流動通路，而雙極晶體管溝道在裝置過載狀態(tài)期間可操作以提供過載電流流動通路。在各種實施例中，大致所有的跳間/過載電流都經由過載電流流動通路傳送以提供浪涌電流保護。根據本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于制造集成式固態(tài)功率開關的方法。該開關可為根據本發(fā)明上述第一方面的實施例的開關。該方法包括提供基底層、對基底層進行摻雜以提供至少一個MOSFET漏極區(qū)和至少一個IGBT集極區(qū)、在基底層之上提供溝道層、在溝道層中形成至少一個觸點(contact)，以及在該觸點(或多個觸點)之上形成至少一個柵極(gate)觸點。通過提供具有雙FET和雙極溝道的集成式裝置，本發(fā)明的各種實施例都能夠自動地借助于其固有的裝置物理性質來提供過流保護，而不需要外部傳感器或主動裝置控制。 此外，當固有的裝置結構可在相同的集成式裝置中提供單獨的工作電流流動通路和過載電流流動通路時，可提供緊湊的小重量高電流裝置，同時消除或顯著減小對于提供較重、昂貴或可能不可靠的強制或非強制冷卻的需要。


圖1示出了根據本發(fā)明第一實施例的垂直集成式功率開關；圖2示出了顯示圖1中的集成式功率開關的靜態(tài)V-I特性的圖表；圖3示出了根據本發(fā)明第二實施例的水平集成式功率開關；以及圖4示出了制造根據本發(fā)明實施例的各種集成式功率開關的方法。
具體實施例方式圖1示出了根據本發(fā)明第一實施例的垂直集成式功率開關200。垂直集成式固態(tài)功率開關200特別適于在飛行器功率分配系統(tǒng)的故障保護中使用，因為其重量輕、緊湊、可靠，且不需要使用強制冷卻來保持裝置的操作完整性。垂直集成式固態(tài)功率開關200由硅材料250形成。作為優(yōu)選，垂直集成式固態(tài)功率開關200由單個的高純度硅晶片(wafer)204制成。硅晶片204在一側進行摻雜，以提供中央N+型MOSFET漏極區(qū)212。在晶片204的同一側，P型IGBT摻雜的集極區(qū)208，210提供成在基底層202內同心地包繞N+型MOSFET漏極區(qū)212。基底層202設有觸點(未示出) 并形成垂直集成式固態(tài)功率開關200的組合式漏極/集極。溝道層214提供在硅晶片204中。溝道層摻雜成N_型，且提供在基底層202附近。溝道層214電性地連接到基底層202和垂直集成式固態(tài)功率開關200的源極/發(fā)射極連接部(connection)上。在操作中，溝道層214提供工作電流流動通路242和過載電流流動通路240兩者。在晶片204的與基底層202相反的面上，形成了電觸點220。觸點220為大致環(huán)形，且與漏極區(qū)212的中心同心地對準。觸點220包括摻雜到晶片204中且暴露在晶片204 的相反面處的徑向最外側的N+型材料環(huán)216，218。徑向最內側的同心P型材料環(huán)221，222 摻雜到晶片204中，且與溝道層214、晶片204的相反面和最外側的材料環(huán)216，218相接觸。 N_型材料224，226的第三同心環(huán)提供成與晶片204的相反面、最外側的材料環(huán)216，218以及最內側的材料環(huán)221，222相接觸，以使觸點220的結構完整。溝道層214從基底層202經由最內側的材料環(huán)221，222的中心延伸至晶片204相反面的表面。在該表面暴露的溝道層214上，提供了盤形的氧化物材料2 層。氧化物材料2 還在最內側的材料環(huán)221，222和部分的第三材料環(huán)224，226暴露在晶片204相反面的表面處與它們相重疊。金屬的材料230層形成在氧化物材料2 上，且這些在一起提供了用于垂直集成式功率開關200的柵極觸點206。垂直集成式功率開關200的設計的有利之處在于，MOSFET結構和IGBT結構占據了沿垂直方向在基底層202與柵極觸點206之間的大致相同的體積，以便提供相對緊湊的裝置，其需要最小量的晶片空間，且因此最少量的半導體材料。這提供了尺寸、重量和成本方面的優(yōu)點。圖2示出了圖表觀0，其示出圖1中的垂直集成式功率開關200的靜態(tài)V-I特性。 現在將結合圖表280來描述垂直集成式功率開關200的操作。在正常的裝置操作期間，觸點220、溝道層214和MOSFET漏極區(qū)212致使垂直集成式功率開關200用作MOSFET裝置。場效應晶體管(FET)溝道提供工作電流流動通路M2， 在其中，電流從源極/發(fā)射極觸點流至漏極觸點，且其可由施加到柵極觸點206上的電壓來調節(jié)。當溝道層214中的電流I增大時，源極/發(fā)射極與漏極之間的壓降V開始線性地增加，同時電流沿著工作電流的流動通路242流動。這在圖2中由集成式裝置(ID)V-I電流分布曲線觀2的初始直線部分示出，且示出了垂直集成式功率開關200在相對較低的工作電流處具有大致恒定的阻抗R。垂直集成式功率開關200的V-I特性因此最初由大致遵循MOSFET電流分布曲線觀6的FET溝道控制(或支配)。當電流I進一步增大時，壓降V變?yōu)樽阋砸饌鲗ч_始跨過形成在P型集極區(qū) 208，210與溝道層214的N-型溝道材料之間的帶隙區(qū)。該p_n結點區(qū)形成IGBT結構中的雙極晶體管溝道，該IGBT結構由觸點220、溝道層214和集極區(qū)208，210形成。當電流I甚至進一步增大時，源極/發(fā)射極-漏極/集極的壓降增大到超過閾值 VT，且雙極晶體管溝道的IGBT電流分布曲線284開始支配電流分布曲線觀2，雙極晶體管溝道從而提供過載電流流動通路對0。在各種實施例中，由集成式功率開關所耗散的故障能量減小至&ault，其中，Efault相比于用于經歷故障電流狀態(tài)的常規(guī)MOSFET裝置的=/^J 而言，與Pfault = V. If—成比例。這有助于減小冷卻要求，且還意味著可使用緊湊型裝置。因此，垂直集成式功率開關200的固有電特性提供了電流分布曲線觀2，且如果垂直集成式功率開關200經歷電流和/或電壓過載狀態(tài)，則從而使來自于工作電流流動通路 242的電流能夠自動切換至過載電流通路M0。圖3示出了根據本發(fā)明實施例的水平集成式功率開關300。水平集成式固態(tài)功率開關300由硅材料350形成。作為優(yōu)選，水平集成式固態(tài)功率開關300由單個的高純度硅晶片制成，但也可另外或作為備選地使用其它材料，如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、金剛砂(SiC)等。水平集成式固態(tài)功率開關300包括多個相鄰定位的MOSFET裝置30 , 302b，302c， 302d和多個間隔開的IGBT裝置3(Ma，304b。在該實施例中，對于每一 IGBT裝置3(Ma，304b 而言以交替的規(guī)則間隔模式(pattern)提供兩個相鄰的MOSFET裝置302a, 302b, 302c, 302d，其中，相應成對的 MOSFET 302a，302b，302c，302d 將 IGBT 裝置 304a，304b 隔開。作為優(yōu)選，在各種實施例中，MOSFET結構的數目(m)與IGBT結構的數目(i)的比例(Δ)大于1 1。例如，Δ =m i，且可為2 1、3 1等。在一個優(yōu)選實施例中，比例Δ等于 3 1，因為其對于RdMi 。e—。η提供優(yōu)化的低值，同時不需要為了過載保護提供過多數目的 IGBT。硅晶片在漏極/集極溝道觸點D/C的一側進行摻雜，以便提供相鄰的第一和第二 N+型MOSFET漏極區(qū)312a，312b，以及第三和第四N+型MOSFET漏極區(qū)312c，312d。第一 P型 IGBT集極區(qū)310摻雜在第二 MOSFET漏極區(qū)312b與第三MOSFET漏極區(qū)312c之間。第二 P 型IGBT集極區(qū)308摻雜到第四MOSFET漏極區(qū)312d附近的硅晶片材料中。溝道層314提供在硅晶片中位于MOSFET漏極區(qū)312a，312b，312c，312d和IGBT集極區(qū)308，310之上。溝道層314摻雜成N-型，且電性地連接到水平集成式固態(tài)功率開關 300的源極/發(fā)射極連接部S/E上。在操作中，溝道層314提供工作電流流動通路342和過載電流流動通路340兩者。在晶片的與漏極區(qū)312a，312b，312c，312d和集極區(qū)308，310相反的面上，電觸點 320a, 320b, 320c, 320d, 320e, 320f 形成在各相應的 MOSFET 裝置 302a，302b, 302c, 302d 和 IGBT裝置304，304b中。觸點320a, 320b, 320c, 320d, 320e, 320f為大致環(huán)形，且同心地與相應的漏極區(qū)312a，312b，312c，312d和集極區(qū)308，310的中心對準。各觸點320在構造上均類似于上文結合圖1的實施例的觸點220所述的，且因此將不會在此進一步描述。溝道層314 經由 MOSFET 裝置 302a，302b，302c，302d 和 IGBT 裝置 304a，304b 中各個的中心延伸至晶片相反面的表面。在該表面暴露的溝道層314上方，提供了相應的盤形氧化物材料層。各氧化物材料層與相應的觸點320相重疊且被金屬化以提供柵極觸點 330a, 330b，330c, 330d，330e, 330f，這些柵極觸點可連接而形成單個的裝置柵極G。在正常操作中，MOSFET裝置30 , 302b，302c，302d并行地操作，以便提供相應的電流通路342a，342b，342c，342d，它們在一起限定工作電流流動通路342。然而，對于超過設計閾值電流的任何過電流狀態(tài)而言，并聯連接的IGBT裝置304a，304b的動作變?yōu)檎純?yōu)勢的，提供了相應的電流流動通路340e，340f，它們在一起限定過載電流流動通路340。在各種實施例中，流經過載電流流動通路340的任何過載電流都可用于提供指示已發(fā)生過電流故障的信號。水平集成式功率開關300的設計是有利的，因為其能夠處理較高的功率和故障電流，而不需要強制冷卻或笨重的被動冷卻裝置。此外，它具有固有的冗余構成(built)，使得如果任何一個MOSFET或IGBT裝置破損，水平集成式功率開關300仍將能夠操作和提供故障保護。圖4示出了制造根據本發(fā)明的各種實施例的各種集成式功率開關的方法400。該方法400包括提供基底層的步驟402。基底層優(yōu)選為高純度硅晶片。該基底層在摻雜步驟404期間進行摻雜，以便提供至少一個MOSFET漏極區(qū)和至少一個IGBT集極區(qū)。 各種方法均可用于摻雜，例如包括化學汽相沉積(CVD)工藝和分子束外延(MBE)工藝中的一種或多種。作為優(yōu)選，多個N+型區(qū)摻雜到硅中，以便提供MOSFET漏極區(qū)，以及一個或多個P型區(qū)摻雜到MOSFET漏極區(qū)附近的硅中，以便提供IGBT集極區(qū)。步驟406然后包括為在基底層之上提供溝道層。溝道層在集成式功率開關中提供工作電流流動通路和過載電流流動通路兩者。在各種實施例中，溝道層通過將硅摻雜成 N—型來提供。在溝道層內，在步驟408期間，形成了至少一個觸點。觸點(或多個觸點)可為大致環(huán)形，且同心地與相應的漏極和/或集極區(qū)對準。各觸點均可包括摻雜到晶片中的徑向最外側的N+型材料環(huán)，以及摻雜到與溝道層接觸的晶片中的徑向最內側的同心P型材料環(huán)。N—型材料的第三同心環(huán)然后可提供成與晶片的一面、最外側的材料環(huán)和最內側的材料環(huán)相接觸以使觸點結構完整。在步驟410期間，至少一個柵極觸點然后形成在相應的觸點之上。柵極觸點(或多個柵極觸點)與相應的MOSFET漏極區(qū)和IGBT集極區(qū)大致垂直對準，以便形成垂直集成式混合裝置。該至少一個柵極觸點還可，或作為備選，包括相對于彼此水平地偏移的多個柵極觸點，以及與相應的MOSFET漏極區(qū)或IGBT集極區(qū)大致垂直對準，以便形成水平集成式混
口農且O溝道層可從基底層經由最內側材料環(huán)的中心延伸至晶片的表面。在該表面暴露的溝道層上方，可提供盤形氧化物材料層。氧化物材料可形成為在最內側的材料環(huán)和部分的第三材料環(huán)暴露于晶片的表面處與它們相重疊。金屬的材料層然后可形成在氧化物材料上，且這些在一起于是可提供用于集成式功率開關的一個或多個柵極觸點。根據本發(fā)明各種實施例的集成式固態(tài)功率開關可為大功率裝置。例如，它們可在大于4kW的大功率下操作。在各種實施例中，集成式固態(tài)功率開關可用于飛行器的副功率分配系統(tǒng)，用于分配處于大約4kW至大約IOkW水平的功率。在其它應用中，集成式固態(tài)功率開關可用于飛行器的主功率分配系統(tǒng)，用于分配大于IOkW (例如，從大約IOkW至大約20kW、 50kW、100kW、250kW等)水平的功率。盡管本發(fā)明已根據各種方面和優(yōu)選實施例進行了描述，但應當理解的是，本發(fā)明的范圍并不認作是僅限于此，而是申請人的意圖在于其所有變型和等同布置也落入所附權利要求的范圍內。例如，本發(fā)明的各種實施例可制造成在所示的實施例中由P型材料來代替N型材料，反之亦然，以便形成備 選的實施例。在各種實施例中，源極/發(fā)射極連接部可取決于任何特定時間的集成式固態(tài)功率開關的操作狀態(tài)來作為源極和/或發(fā)射極操作。另外，盡管附圖中所繪出的實施例示出了單獨的水平和垂直地集成的裝置，但本領域普通技術人員將會知道，這些裝置的組合是可能的，例如，通過以圖1中所繪類型的垂直集成式裝置來替換圖3中的一個或多個IGBT裝置。一個或多個分立的M0SFET/FET和IGBT/雙極晶體管裝置也可相結合來提供本發(fā)明的備選實施例。 本領域普通技術人員將會知道的是，各種材料、摻雜濃度和設計都可用于定制根據本發(fā)明各種實施例的各種集成式功率開關的響應。例如，裝置可設計成使得當固態(tài)功率開關以具有大小為Inraial的正常電流負載進行操作時工作電流流動通路具有最大傳導性， 以及在固態(tài)功率開關以具有大小為Ifault的故障電流負載進行操作時過載電流流動通路具有最大的傳導性。在各種實施例中，切換狀態(tài)可設置成使得Ifault > n. Inmial,其中，η為值大于1的整數。例如，η> 1，以及η>> 10，或η = 10，等。
權利要求
1.一種用于飛行器功率分配系統(tǒng)中的故障保護的集成式固態(tài)功率開關O00，300)，所述集成式固態(tài)功率開關000，300)由半導體材料(250，350)形成，其提供場效應晶體管(FET)溝道，其在正常裝置操作期間可操作以提供工作電流流動通路 (242,342)；以及雙極晶體管溝道，其在裝置過載狀態(tài)期間可操作以提供過載電流流動通路(Μ0，340)。
2.根據權利要求1所述的集成式固態(tài)功率開關000，300)，其特征在于，所述工作電流流動通路(Μ0，340)在所述固態(tài)功率開關000，300)以大小為Inmial的正常電流負載進行操作時具有最大傳導性，以及過載電流流動通路(Μ0，340)在所述固態(tài)功率開關(200， 300)以大小為Ifault的故障電流負載進行操作時具有最大傳導性。
3.根據權利要求2所述的集成式固態(tài)功率開關Q00，300)，其特征在于，Ifault>丄丄· Inoirmal，η為值大于1的整數。
4.根據前述權利要求中任一項所述的集成式固態(tài)功率開關000，300)，其特征在于， 所述場效應晶體管(FET)溝道由至少一個金屬-氧化物-硅場效應晶體管(MOSFET)結構提供。
5.根據前述權利要求中任一項所述的集成式固態(tài)功率開關000，300)，其特征在于， 所述雙極晶體管溝道由至少一個絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)結構提供。
6.根據前述權利要求中任一項所述的集成式固態(tài)功率開關，其特征在于，至少一個 MOSFET結構和至少一個IGBT結構形成至少一個垂直集成式混合裝置(200)。
7.根據前述權利要求中任一項所述的集成式固態(tài)功率開關，其特征在于，至少一個 MOSFET結構和至少一個IGBT結構形成水平集成式混合裝置(300)。
8.根據前述權利要求中任一項所述的集成式固態(tài)功率開關(300)，其特征在于， MOSFET結構的數目(m)與IGBT結構的數目(i)的比例(Δ)大于1 1。
9.根據權利要求8所述的集成式固態(tài)功率開關(300)，其特征在于，所述比例(△)為 3 I0
10.根據前述權利要求中任一項所述的集成式固態(tài)功率開關000，300)，其特征在于， 所述半導體材料050，350)為硅。
11.根據前述權利要求中任一項所述的集成式固態(tài)功率開關000，300)，其特征在于， 所述開關(200，300)形成在單個的半導體晶片(204)上。
12.根據前述權利要求中任一項所述的集成式固態(tài)功率開關000，300)，其特征在于， 所述集成式固態(tài)功率開關000，300)為大功率裝置。
13.一種用于制造集成式固態(tài)功率開關O00，300)的方法000)，所述方法(400)包括提供(402)基底層(202)；對所述基底層(202)進行摻雜004)，以提供至少一個MOSFET漏極區(qū)(208，210，312) 和至少一個IGBT集極區(qū)(212，308，310)；在所述基底層(20 之上提供(406)溝道層(214，314)； 在所述溝道層(214，314)中形成(408)至少一個觸點(220,320)；以及在形成于所述溝道層中的所述至少一個觸點(220，320)之上形成(410)至少一個柵極觸點(206, 330) ο
14.根據權利要求13所述的方法(400)，其特征在于，形成(410)至少一個柵極觸點包括提供與相應的MOSFET漏極區(qū)(212)和IGBT集極區(qū)(208，210)大致垂直對準的柵極觸點 (206)，以便形成垂直集成式混合裝置(200)。
15.根據權利要求13或權利要求14所述的方法(400)，其特征在于，形成(410)至少一個柵極觸點包括提供相對于彼此水平地偏移且與相應的MOSFET漏極區(qū)(312)或IGBT 集極區(qū)(308，310)大致垂直地對準的多個柵極觸點(330)，以便形成水平集成式混合裝置 (300)。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及用于飛行器的功率開關。根據第一方面，本發(fā)明提供了一種用于飛行器功率分配系統(tǒng)中的故障保護的集成式固態(tài)功率開關(200，300)。集成式固態(tài)功率開關(200，300)由半導體材料(250，350)形成，該半導體材料提供了場效應晶體管(FET)溝道和雙極晶體管溝道，其中，場效應晶體管溝道在正常裝置操作期間可操作以提供工作電流流動通路(242，342)，而雙極晶體管溝道在裝置過載狀態(tài)期間可操作以提供過載電流流動通路(240，340)。還描述了一種用于制造此種集成式固態(tài)功率開關的方法(400)。本發(fā)明的各種實施例提供了用于飛行器系統(tǒng)的自動過載電流保護，而無需使用龐大的開關或大型的冷卻設備。
文檔編號H03K17/687GK102215039SQ201110095569
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權日2010年4月7日
發(fā)明者A·布賴恩特, A·施普利, M·斯蒂芬斯, P·莫比 申請人:通用電氣航空系統(tǒng)有限公司