DE102007058726A1 - Leistungs-Management-Anordnung - Google Patents

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Abstract

Eine Leistungs-Management-Anordnung schließt eine monolitisch integrierte Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Stufe mit Gruppe-III-Nitrid-Schaltern und Gruppe-III-Nitrid-Treiber-Schaltern ein.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich eine Leistungs-Management-Anordnung und insbesonder auf eine Leistungs-Management-Anordnung mit einem monolitisch integrierten Gruppe-III-Nitrid-Leistungswandler, wie er in vorläufigen US-Patentanmeldung Nummer 60/874,411 vom 11. Dezember 2006 mit dem Titel „MONOLITHICALLY INTEGRATED GaN POWER CONVERTER" beschrieben ist.
  • Definition
  • Ein Gruppe-III-Nitrid-Bauteil unter Einschluss eines Gruppe III-Nitrid-Leistungs-Halbleiterbauteils, wie es hier genannt wird, bezieht sich auf ein Halbleiter-Bauteil, das einen Gruppe-III-Nitrid-Heteroübergang mit einem leitenden Kanal einschließt, der üblicherweise als ein zweidimensionales Elektronengas bezeichnet wird. Der Gruppe III-Nitrid-Heteroübergang würde zwei Halbleiter-Körper einschließen, die jeweils aus einer Halbleiter-Legierung aus dem InAlGaN-System gebildet sind.
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Treiber und Verfahren zu ihrer Herstellung, und sie bezieht sich speziell auf eine neuartige integrierte Schaltung, die eine Mehrzahl von Gruppe-III-Nitrid-Bauteilen und Treibern hierfür verwendet.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Integrierte Schaltungen (ICs), bei denen mehrere Silikon-Bauteile auf einem gemeinsamen Chip oder Halbleiter-Plättchen gebildet werden, sind gut bekannt. Es ist schwierig, bestimmte Arten von Schaltungen zu integrieren, beispielsweise eine Abwärts-Wandler-Schaltung, die einen synchronen Leistungspegel-MOSFET, einen Leistungspegel-Steuer-MOSFET und Treiber hierfür verwendet, insbesondere in Silikon, und zwar aufgrund der Bauteilgrößen und Zwischenverbindungen und der Notwendigkeit, Hochspannungs- und Niederspannungs-Bauteile und deren Treiber in einem einzigen Silizium-Plättchen zu integrieren. Aufgrund der Auslegungs- Beschränkungen würden die Verbindungen zwischen Leistungs-Bauteilen und ihren Vor-Treibern relativ lang und nicht geradlinig sein, wodurch unerwünschte Störelemente eingeführt werden.
  • Es würde jedoch sehr wünschenswert sein, eine integrierte Schaltung zu schaffen, die die Leistungs-Halbleiter, ihre Treiber und in manchen Fällen auch passive Schaltungs-Komponenten enthält, insbesondere für Wechselspannungs-/Gleichspannungs- oder Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler, die eine kleine Fläche auf einer Leiterplatte belegen und geringe Kosten aufweisen. Es würde weiterhin wünschenswert sein, die Betriebsleistung derartiger Bauteile durch Reduzieren der parasitären Impedanzen, insbesondere von parasitären Induktivitäten zu verbessern, die durch die Bauteil-Auslegung und Zwischenverbindungen hervorgerufen werden.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die Leistungs-Stufe in einem Gruppe-III-Nitrid-basierten Halbleiter-Körper gebildet und vorzugsweise mit der Last integriert (beispielsweise durch direkte Verbindung mit der Last durch eine Befestigung so nah wie möglich an der Last), derart, dass der Abstand zwischen der Last und Leistungs-Stufe zu einem Minimum gemacht wird. Beispielsweise kann die Leistungs-Stufe Leistungs-Schalter auf der Grundlage von Gruppe-III-Nitrid und Vor-Treiber zum Ansteuern der Leistungs-Schalter auf der Grundlage von Gruppe-III-Nitrid einschließen, die zusammen direkt auf der Last befestigt oder so nah wie möglich an der Last angeordnet sind.
  • Die enge Nähe der Leistungs-Stufe auf der Grundlage von Gruppe-III-Nitrid zu der Last verringert parasitäre Induktivitäten aufgrund langer Leitungen und Drähte (wie sie beim Stand der Technik vorhanden sind) und verbessert somit die Gesamt-Betriebsleistung der Schaltung. Bei einer Variation kann die Gruppe-III-Nitridbasierte Leistungs-Stufe Höcker (wie zum Beispiel Kupfer-Höcker) verwenden, um nach Art einer integrierten Flip-Chip-Schaltung befestigt zu werden, um Drahtverbindungen zu verringern und zu beseitigen und auf diese Weise parasitäre Widerstände und parasitäre Induktivitäten weiter zu verringern. Beispielsweise kann die Leistungs-Stufe im Flip-Chip-Verfahren auf Leiterflächen befestigt werden, die auf der Last vorgesehen sind, oder auf Leiterflächen, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind, die an der Last befestigt ist.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann die Last so modifiziert werden, dass sie die eigentliche Schaltung zum Betrieb der Leistungs-Stufe einschließt. So kann die Last die Leistungs-Stufe betreiben, wodurch die Notwendigkeit von PWM-Treibern oder ähnlichen Schaltungen beseitigt wird. Das heißt, dass beispielsweise eine Last, wie zum Beispiel ein Prozessor, einen PWM-Treiber zur direkten Steuerung der Leistungs-Stufe einschließen kann, statt Last-Anforderungs-Signale an eine PWM-Stufe zu senden.
  • Bei einer weiteren Variation kann, obwohl die Leistungs-Stufe körperlich mit der Last integriert ist, die Leistungs-Stufe von einem externen PWM-Treiber oder einem ähnlichen Treiber angesteuert werden.
  • Eine Implementierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist aus den folgenden Gründen vorteilhaft. Obwohl mit vertikaler Leitung arbeitende Halbleiter-Bauteile vom PN-Übergangstyp (beispielsweise Silizium-Bauteile) den Leistungs-Bedarf einer Last in effizienter Weise erfüllen können, sind mit vertikaler Leitung arbeitende Bauteile schwierig mit einer Last, wie zum Beispiel einem Prozessor, zu integrieren. Leistungs-Halbleiterbauteile vom lateralen PN-Übergangstyp können sehr gut integriert werden, können jedoch den Leistungsbedarf mancher Lasten, wie zum Beispiel Prozessoren, nicht in effizienter Weise erfüllen (weil die Stromdichte von lateralen Bauteilen begrenzt ist). Weiterhin erzeugen konventionelle Bauteile eine relativ große Menge an Wärme im Betrieb, was zu der thermischen Belastung der Last beitragen würde und ein unerwünschtes Ergebnis darstellt.
  • Ein Leistungs-Halbleiterbauteil auf der Grundlage von Gruppe-III-Nitrid kann bei höheren Temperaturen arbeiten, ist lateral und kann daher sehr gut mit einem Prozessor integriert werden, und es kann in einfacher Weise den Leistungsbedarf eines Prozessors erfüllen. Weiterhin belegen Bauteile auf Grundlage von Gruppe-III-Nitrid weniger Fläche pro Leistungsfähigkeit, so dass es möglich ist, dass ein Bauteil ein Grundlage von Gruppe-III-Nitrid direkt auf oder sehr nahe an einer Last, wie zum Beispiel einem Prozessor, befestigt wird (beispielsweise auf dem gleichen Substrat, das für den Prozessor verwendet wird), wobei dies relativ einfach ist.
  • Weiterhin können Leistungs-Bauteile auf der Grundlage von Gruppe-III-Nitrid mit sehr hohen Frequenzen betrieben werden. Als Ergebnis können die passiven Bauteile, die in der Leistungs-Stufe verwendet werden (beispielsweise Induktivitäten und Kondensatoren in der Ausgangs-Stufe) in ihrer Größe verringert werden, was die Integration von passiven Bauelementen zusammen mit der Leistungs-Stufe und der Last ermöglicht. Weiterhin haben Bauteile auf der Grundlage von Gruppe-III-Nitriden eine niedrige Ladung. Aus allen diesen Gründen ergibt die Integration einer Leistungs-Stufe auf der Grundlage von Gruppe-III-Nitrid mit einem konventionellen Prozessor erhebliche Vorteile, die sich beim Stand der Technik nicht finden.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine laterale integrierte Schaltung in einem Substrat gebildet, um eine Leistungs-Stufe zu bilden, die mehrere Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Schalter-Bauteile und deren Vor-Treiber und, falls erwünscht, passive Schaltungs-Bauteile, wie zum Beispiel Gate-Treiber-Kondensatoren, auf einer einzigen Struktur vom Gruppe-III-Nitrid-Heteroübergangs-Typ mit parallelen, mit Abstand voneinander angeordneten und langgestreckten Source-, Gate- und Drain-Zeilen einschließt, die auf der Bauteil-Oberfläche durch kurze geradlinige Leiter verbunden sind, soweit erforderlich. Die Verwendung eines lateralen Gruppe-III-Nitrid-Bauteils ermöglicht die effiziente Auslegung von Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Schaltern und deren Treiber-Schaltern, die durch eine einfache Isolations-Senke oder dergleichen getrennt sind.
  • Die End-Struktur ist monolitisch integriert, um irgendeine gewünschte Schaltung, wie zum Beispiel einen Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler zur Verwendung mit mobilen oder anderen elektronischen Anwendungen, insbesondere einen Abwärts-Wandler zum Empfang einer Batterie-Eingangsspannung und zur Erzeugung einer stark geregelten reduzierten Ausgangsspannung als eine Leistungsversorgung für andere Schaltungen zu bilden.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Abwärts-Wandler gebildet, der einen Steuerschalter und einen synchronen Schalter aufweist, die derart miteinander verbunden sind, dass der Verbindungspunkt zwischen diesen Schaltern mit einer Ausgangs-Induktivität und einem Kondensator in der üblichen Weise verbunden ist, während deren Treiber oder Vor-Treiber, die die Gate-Steuersignale für den Steuer-Schalter und den synchronen Schalter liefern, auf Erweiterungen, in einzelnen jeweiligen Chips, der gleichen Source-Gate- und Drain-Bereiche gebildet werden, wie sie für das Leistungs-Bauteil verwendet werden. Die Pegelschieber-Schaltung für die Vor-Treiber kann ebenfalls in den monolitischen Chip integriert werden. Dies ermöglicht dann einen vereinfachte Auslegung des Bauteils, wodurch in drastischer Weise parasitäre Elemente zwischen den Vor-Treibern und den Leistungs-Schaltern verringert werden.
  • Ein Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung hat reduzierte Kosten und benötigt eine kleine Fläche einer Leiterplatte. Die Integration des Steuer-Schalters und des synchronen Schalters und deren Treiber führt zu verringerten Befestigungs- und Handhabungskosten verglichen zu den Kosten der Befestigung und Handhabung der sehr kleinen Teile, wenn diese als diskrete Bauteile gebildet werden.
  • Weiterhin wird die Betriebsleistung des Bauteils durch die Verwendung geeigneter Verbindungen zwischen dem Steuer-Schalter und dem synchronen Schalter und deren Treiber verbessert, wobei praktisch jede parasitäre Induktivität beseitigt wird.
  • Hinsichtlich der Vorteile der Vor-Treiber sind deren Kosten sehr klein und die Betriebsleistung wird verbessert, wobei die Bauteile für einen geringen Verlust sehr schnell sind und niedrige Werte von Q und R aufweisen. Weiterhin ergibt sich eine starke Verringerung der parasitären oder Stör-Impedanzen zwischen den Vor-Treibern und den jeweiligen Leistungs-Schaltern.
  • Erhebliche Vorteile werden weiterhin während der Herstellung der Vor-Treiber mit den Leistungs-Schaltern dadurch erreicht, das die Vor-Treiber-Charakteristiken sehr gut angepasst sind und sie den gleichen Ofen-Temperaturen ausgesetzt sind, wodurch die Totzeit sehr gut optimiert wird. Weiterhin erfolgt der Abgleich oder das Trimmen der Bauteile bei der gleichen Ofen-Temperatur.
  • Das integrierte Halbleiter-Plättchen kann in üblicher Weise verpackt und auf einem Kühlkörper oder dergleichen befestigbar sein. Der Mikroprozessor-Chip zur Ansteuerung der Treiber kann sich in der gleichen Verpackung oder dem gleichen Gehäuse oder in geringem Abstand hiervor befinden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Leistungs-Management-Anordnung nach dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt eine Leistungs-Management-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt ein Schaltbild für eine Leistungs-Management-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt schematisch eine Draufsicht eines integrierten Gruppe-III-Nitrid-Halbleiter-Bauteils, das eine Leistungs-Stufe und eine Treiber-Stufe gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt.
  • 5A ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie 5A-5A in 4 bei Betrachtung in Richtung der Pfeile.
  • 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5B-5B in 4 bei Betrachtung in Richtung der Pfeile.
  • 6 zeigt eine konventionelle Anordnung, die eine Leistungs-Stufe und einen Prozessor beinhaltet.
  • 7A bis 7C zeigen eine Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die zu verringerten parasitären Elementen, beispielsweise parasitären Induktivitäten führt.
  • Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
  • Gemäß 1 schließt eine Leistungs-Management-Anordnung nach dem Stand der Technik eine Leistungs-Stufe 10, eine Treiber-Stufe 12, die betriebsmäßig mit der Leistungs-Stufe 10 gekoppelt ist, um die Betriebsweise der Leistungs-Stufe 10 zu steuern, eine Pulbreitenmodulations-(PWM-)Stufe 14, die betriebsmäßig mit der Treiber-Stufe 12 gekoppelt ist, um deren Betriebsweise zu steuern, und eine Last-Stufe 16 ein, die betriebsmäßig mit der Leistungs-Stufe 10 gekoppelt ist, um Leistung von dieser zu erhalten.
  • Bei bekannten Anordnungen verwendet die PWM-Stufe 14 zur Aufrechterhaltung einer geeigneten Leistungsversorgung der Last-Stufe 16 ein vorgegebenes Kriterium zum Betrieb der Treiber-Stufe 12. Beispielsweise wird ein vorgegebener Spannungspegel am Ausgang der Leistungs-Stufe 10 verwendet, um festzustellen, ob die Treiber-Stufe 12 die Leistungs-Stufe 10 so betreiben sollte, dass mehr Leistung an die Last-Stufe 16 geliefert wird. Bei vielen Konstruktionen kann der vorgegebene Wert, der für den Betrieb der PWM-Stufe verwendet wird, nicht notwendigerweise dem momentanen und vorübergehenden Bedarf der Last-Stufe 16 entsprechen, der den vorgegebenen Wert übersteigen kann, der für die Konstruktion angegeben ist. Beispielsweise kann die Last-Stufe 16 ein Prozessor sein, der vorübergehend mehr Leistung benötigt, die den vorgegebenen Wert der Konstruktion übersteigt. Als Ergebnis kann die Betriebsweise des Prozessors durch den vorgegebenen Wert beschränkt sein, der die Betriebsweise der PWM-Stufe 14 beschränkt.
  • Weiterhin befindet sich bei konventionellen Konstruktionen die PWM-Stufe 14 körperlich außerhalb der Last-Stufe 16 und muss mit dieser beispielsweise unter Verwendung einer Verdrahtung oder dergleichen gekoppelt werden. Als Ergebnis kann es parasitäre Elemente (beispielsweise parasitäre Induktivitäten) geben, die die Ansprechzeit auf einen vorübergehenden Leistungsbedarf der Last beschränken können, wie dies durch die Änderung der vorgegebenen Werte wiedergegeben werden kann, beispielsweise wird ein vorübergehender Mangel an Leistung durch einen plötzlichen Spannungsverlust am Ausgang der Leistungs-Stufe 10 wiedergegeben.
  • Wie dies in 2 zu erkennen ist, sind gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung die PWM-Stufe 14 und die Last-Stufe 14 integriert, um die parasitären Elemente, wie zum Beispiel parasitäre Induktivitäten aufgrund von Verdrahtungs- oder anderen Verpackungs- oder Gehäuse-Elementen zu verringern, wodurch die Betriebs-Geschwindigkeit der Leistungs-Management-Anordnung verbessert wird.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann die PWM-Stufe 14 nicht nur in der Lage sein, auf vorgegebene Werte beispielsweise an dem Ausgang der Leistungs-Stufe 10 anzusprechen, sondern sie ist auch in der Lage, auf einen vorübergehenden größeren oder kleineren Leistungsbedarf der Last-Stufe 16 anzusprechen. Beispielsweise kann die Last-Stufe 16 Anweisungen an die PWM-Stufe 14 dafür geben, das Senden von Signalen an die Treiber-Stufe 12 trotz einer niedrigen Spannung am Ausgang der Leistungs-Stufe 10 zu unterbrechen, um eine Überhitzung zu verhindern. Umgekehrt kann die Last-Stufe 16 Anweisungen an die PWM-Stufe 14 dafür liefern, Signale an die Treiber-Stufe 12 für einen Betrieb zu liefern, obwohl eine Spannung an dem Ausgang der Leistungs-Stufe 10 vorhanden ist, die einen vorgegebenen Spannungswert erfüllt. Wenn beispielsweise die Last-Stufe 16 ein Prozessor ist, so kann dieser Signale an die PWM-Stufe 14 für das Senden von Signalen an die Treiber-Stufe 12 senden, obwohl eine ausreichend hohen Spannung an dem Ausgang der Leistungs-Stufe 10 vorhanden ist, um eine mehr als ausreichende Leistungsversorgung für einen erwarteten vorübergehenden „Verarbeitungs-Auftrag" sicherzustellen. Somit kann die Geschwindigkeit der Last vergrößert werden.
  • Unter Bezugnahme auf 3 ist zu erkennen, das eine Leistungs-Management-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Leistungs-Stufe 10 einschließt, die Leistungs-Schalter für die Steuerung der Zuführung der Leistung an die Last-Stufe 16 einschließt. Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung schließt die Leistungs-Stufe 10 zwei Gruppe-III-Nitrid-Schalter 18, 20 ein, die in einer Halbbrücken-Konfiguration angeschaltet sind und die jeweils vorzugsweise so ausgewählt sind, dass sie in einer Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Abwärtswandler-Schaltung arbeiten. So ist der Gruppe-III-Nitrid-Schalter 18, der in Serie zwischen der Spannungs-Seite V+ und dem Ausgangs-Knoten VS der Halbbrücke angeschaltet ist, der Steuer-Schalter während der Gruppe-III-Nitrid-Schalter 20, der in Serie zwischen dem Ausgangs-Knoten VS und Erde G angeschaltet ist, der synchrone Schalter ist.
  • Die Treiber-Stufe 12 schließt einen spannungsseitigen Treiber, der zum Senden von Ansteuer-Signalen an das Gate des Schalters 18 angekoppelt ist, und einen erdseitigen Treiber ein, der zum Senden von Ansteuer-Signalen an das Gate des Schalters 20 angekoppelt ist. Der spannungsseitige Treiber schließt zwei spannungsseitige Treiber-Schalter 22, 22' ein, die in einer Halbbrücken-Konfiguration zusammengeschaltet sind, deren Ausgang zum Senden von Ansteuer-Signalen an das Gate des Schalters 18 angeschaltet ist, und der erdseitige Treiber schließt zwei erdseitige Treiber-Schalter 24, 24' ein, die in einer Halbbrücken-Konfiguration miteinander verbunden sind, deren Ausgang zum Senden von Ansteuer-Signalen an das Gate des Schalters 20 angeschaltet ist. Es ist festzustellen, dass der Schalter 22' der untere Schalter in der spannungsseitigen Treiber-Halbbrücke ist, während der Schalter 24' der untere Schalter in der erdseitigen Treiber-Halbbrücke ist. Der spannungsseitige Treiber ist vorzugsweise unter Verwendung einer Pegelschieber-Schaltung 26 in seinem Pegel verschoben.
  • Somit kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Bootstrap-Kondensator 28 vorgesehen sein, um die für den Schalter 18 erforderliche Gate-Ladung zu liefern. Wie dies von konventionellen Schaltungen bekannt ist, lädt eine Bootstrap-Diode 30 den Bootstrap-Kondensator 28, wenn der Schalter 18 abgeschaltet ist und VS auf Masse schwingt.
  • Jeder der Schalter 18, 20, 22, 22', 24, 24' schließt eine Drain-, eine Source- und eine Gate-Elektrode ein. Zum besseren Verständnis der hier enthaltenen Figuren ergibt die Tabelle 1 eine Bezugsziffern-Identifikation für die Drain-, die Source- und die Gate-Elektrode jedes Schalters. Tabelle I
    Schalter Source Drain Gate
    18 18S 18D 18G
    20 20S 20D 20G
    22 22S 22D 22G
    22' 22'S 22'D 22'G
    24 24S 24D 24G
    24' 24'S 24'D 24'G
  • Es sein bemerkt, dass gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung die Last-Stufe 16 eine PWM-Stufe 14 einschließt, die schematisch gezeigt ist und die mit der Treiber-Stufe 12 gekoppelt ist, um Steuersignale an diese zu senden.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind die spannungsseitigen Treiber-Schalter 22 und 22' und die erdseitigen Treiber-Schalter 24, 24' ebenfalls Gruppe-III-Nitrid-Schalter. Obwohl die Schalter 18, 20, 22, 22', 24, 24' Anreicherungs-Betriebsart-Bauteile oder Verarmungs-Betriebsart-Bauteile sein können, sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die Schalter 18, 20 der Leistungs-Stufe 10 Verarmungs-Betriebsart-Bauteile, während die Schalter 22, 22' und 24, 24' Anreicherungs-Betriebsart-Bauteile sind. Alternativ können auch die Schalter 22, 22', 24, 24' Verarmungs-Betriebsart-Bauteile sein.
  • Es ist festzustellen, dass obwohl die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Schaltung von Abwärtswandler-Typ gezeigt ist, es verständlich sein sollte, dass eine Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung für irgendeine gewünschte Art eines Abwärts-/Aufwärts-Gleichspannungs-/Gleichspannungs- oder Wechselspannungs-/Gleichspannungs-Wandler-Typs angepasst werden kann.
  • Es ist weiterhin festzustellen, dass VS bei einer typischen Anwendung mit einer Ausgangs-Schaltung gekoppelt werden kann, die eine Ausgangs-Induktivität 35 in Serienschaltung mit VS und einem Ausgangs-Kondensator 37 einschließt, der zwischen der Induktivität und Erde angeschaltet ist, wie dies in üblicher Weise bekannt ist. Somit wird bei einer typischen Anwendung die Ausgangsleistung an die Last-Stufe 16 von dem Verbindungspunkt zwischen der Ausgangs-Induktivität 35 und dem Ausgangs-Kondensator 37 geliefert.
  • Beim Stand der Technik sind der spannungsseitige Treiber und der erdseitige Treiber in getrennten Gehäusen oder Verpackungen angeordnet und sie werden getrennt befestigt und mit ihren jeweiligen Leistungs-Schaltern über lange Verbindungspfade verbunden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die spannungsseitigen und erdseitigen Treiber und die Leistungs-Schalter 18 und 20 in ein gemeinsames monolitisches Halbleiter-Plättchen integriert. Wenn dies erwünscht ist, können die Pegelschieber-Schaltung 26 und passive Bauteile, wie zum Beispiel der Bootstrap-Kondensator 28 und die Bootstrap-Diode 30 ebenfalls in das gemeinsame Halbleiter-Plättchen integriert sein. Die 4, 5A und und 5B zeigen eine Ausführungsform eines monolitischen Halbleiter-Plättchens gemäß der vorliegenden Erfindung. In den 4 un 5A bezeichnen die gleichen Bezugsziffern die gleichen Schaltungs- Bauteile wie in 3. Das grundlegende Halbleiter-Plättchen schließt gemäß 4 ein Substrat 40 ein, das vorzugsweise aus Silizium besteht. Eine herkömmliche Übergangsschicht 41 (beispielsweise AlN) ist oberhalb des Silizium-Substrats 40 angeordnet und nimmt eine auf dieser angeordnete Gallium-Nitrid-(GaN-)Schicht 42 auf. Eine AlGaN-Schicht 43 ist oberhalb der Schicht 42 gebildet, um einen Heteroübergang zu bilden, der einen trägerreichen Bereich aufweist, der üblicherweise als ein zweidimensionales Elektronengas (2-DEG) 44 bezeichnet wird. Das Halbleiter-Plättchen kann durch andere Techniken mit anderen Schichten gebildet werden, um eine andere Art eines Gruppe-III-Nitrid-Bauteils zu bilden.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, und wie dies am besten in den 4 und 5B gezeigt ist, ist eine Isolierung oder andere Sperre 50 in dem Halbleiter-Plättchen gebildet und erstreckt sich zumindest bis zu der Tiefe der GaN-Schicht 42, um eine Steuerbauteil-"Senke" links von (oder auf einer Seite von) der Sperre 50 und eine Leistungsbauteil-Oberfläche auf der rechten Seite auf der Sperre 50 zu bilden. Im einzelnen kann ein Graben in der AlGaN-Schicht 43 gebildet und mit einem Dielektrikum gefüllt werden, um die Steuerbauteil-Senke durch eine Unterbrechung des 2-DEG elektrisch zu isolieren. Vorzugsweise kann sich der Graben vollständig bis zu der GaN-Schicht 42 erstrecken. Eine Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten parallelen Elektroden ist über die Oberfläche des Halbleiter-Plättchens hinweg gebildet, wie dies in 4 gezeigt ist, und sie können durch die Sperre 50 unterbrochen sein. Weiterhin ist festzustellen, dass die Schalter 18, 20 und die Schalter 22, 22', 24, 24' voneinander unter Verwendung des gleichen Konzeptes isoliert sein können. Im einzelnen kann ein Graben, der sich vorzugsweise durch die AlGaN-Schicht 43 erstreckt und mit einem Dielektrikum 50 gefüllt ist, zwischen den Schaltern vorgesehen sein, wie dies gezeigt ist, um das 2-DEG zu unterbrechen und somit die Schalter elektrisch isoliert voneinander auszubilden.
  • Kurze Drahtverbindungen 39 werden dann (wie in 4 gezeigt) verwendet, um die gewünschte Schaltung nach 3 zu bilden. Alternativ können leitende Durchgangsverbindungen und Höcker-Kontakte für eine Flip-Chip-Befestigung verwendet werden.
  • Es ist weiterhin möglich, einen Bootstrap-Kondensator 28 in das gemeinsame Halbleiter-Plättchen zu integrieren, wie dies am besten in 5A gezeigt ist. So werden leitende Schichten 60, 61 (auf der Unterseite des Si-Substrates), dielektrische Schichten 62, 63 und untere leitende Schichten 64, 65 verwendet, derart, dass die Schichten 60, 62, 64 den Bootstrap-Kondensator 28 bilden.
  • Der Bootstrap-Kondensator 28 kann weiterhin auf der Oberseite des gemeinsamen Halbleiter-Plättchens nach 4 oder auf der äußeren Verpackung des Bauteils integriert werden.
  • Die verschiedenen Zwischenverbindungen der 4 und 5A können zumindest teilweise durch Durchgangsverbindungen durch den Körper des gemeinsamen Halbleiter-Plättchens gebildet werden.
  • Die Struktur nach den 4 und 5A bildet einen Leistungsblock gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine Treiber-Stufe und Leistungs-Stufe einschließt. Ein Mikroprozessor 70, der beispielsweise als die Last-Stufe 16 dient, ist in geeigneter Weise angeschlossen, um eine PWM-Stufe oder dergleichen zu steuern, um die Gates der Treiber-Schaltungen 22, 22', 24, 24' zu betreiben. Der Leistungs-Block kann auf dem Prozessor-Chip-Modul so nahe wie möglich an dem Chip oder entlang des Chips befestigt sein. Auf diese Weise werden die vorstehend beschriebenen Vorteile verwirklicht.
  • Ein Vorteil von monolitisch gebildeten Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Schaltern 18, 20 und Treiber-Schaltern 22, 22', 24, 24' besteht in der Einfachheit ihrer Herstellung. Im einzelnen kann, weil Heteroübergangs-Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Halbleiter-Bauteile die Leitung durch ein 2-DEG ausnutzen, ein einziger Gruppe-III-Nitrid-Heteroübergang als die Grundlage für den aktiven Bereich aller Schalter 18, 20, 22, 22', 24, 24' verwendet werden. Die Isolation der Schalter kann ebenfalls relativ einfach sein. Weiterhin können die Leistungsfähigkeit, die Schaltgeschwindigkeit und die Durchbruchs-Nennwerte jedes Schalters sehr einfach unter Verwendung der Beziehung zwischen den Drain-, den Source- und den Gate-Elektroden des Bauteils ausgelegt werden. Somit können beispielsweise Schalter, die eine größere Stromleitungs-Fähigkeit haben müssen, mehr aktive Zellen haben (beispielsweise der synchrone Schalter 20), während Schalter, die eine geringe Stromführungs- Fähigkeit haben müssen (beispielsweise die Treiber-Schaltung 22, 22', 24, 24') weniger aktive Zellen haben können. Weil die Anzahl der aktiven Zellen relativ einfach konstruktiv festgelegt werden kann, ist die Integration der Gruppe-III-Nitrid-Schalter zur Erzielung eines monolitischen Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise unkompliziert.
  • Gemäß 6 kann bei einer bekannten Leistungs-Anordnung der Pfad zwischen der Leistungs-Stufe 100 und der Last 110, die beispielsweise ein Prozessor, wie zum Beispiel eine CPU eines persönlichen Computers sein kann, eine Vielzahl von Schleifen einschließen, die parasitäre Elemente einführen, die die Geschwindigkeit der Anordnung sowie deren Effizienz verringern. Die Anordnung kann Schleifen 130, 140, 150 einschließen, die jeweils einen parasitären Widerstand und eine parasitäre Induktivität einschließen, und die Anordnung kann weiterhin parasitäre Leiterplatten-Elemente 170 aufgrund der Verpackung einschließen, beispielsweise aufgrund von Drahtverbindungen, Leiterbahn-Pfaden, Lot und dergleichen. So kann beispielsweise bei einer Schaltfrequenz von ungefähr 300 kHz die Ausgangs-Induktivitäts-Schleife 120, die eine Ausgangs-Induktivität sein kann, den Wert von di/dt auf weniger als 350 A/μs verringern, die Ausgangs-Kondensator-Schleife 130, die durch einen Elektrolyt-Kondensator gebildet sein kann, kann den Wert von di/dt auf weniger 100 A/μs verringern, die Keramikmassen-Kondensator-Schleife 140 kann den Wert von di/dt auf weniger als 400 A/μs verringern, und die Keramickondensator-Schleife 150 unterhalb des Sockels kann den Wert von di/dt auf 1200 A/μs verringern. Die Anordnung kann weiterhin eine parasitäre Schleife 160 aufgrund der Steckverbindungen der Last (beispielsweise CPU-Sockel oder dergleichen) einschließen, die weitere parasitäre Elemente in die Anordnung einführen können.
  • Gemäß den 7A–7C kann eine Leistungs-Stufe gemäß der vorliegenden Erfindung die Schaltgeschwindigkeit auf ungefähr 75 MHz vergrößern (7A), wodurch andererseits die Induktivität der Ausgangs-Induktivitäts-Schleife 120 verringert wird, wodurch di/dt auf ungefähr 1500 A/μs vergrößert wird, oder die Schaltgeschwindigkeit kann auf ungefähr 20 Mhz vergrößert werden (7B) um die Induktivität der Ausgangs-Induktivitäts-Schleife zu verringern, wodurch di/dt auf 6000 A/μs vergrößert wird. Unter spezieller Bezugnahme auf 7C kann eine weitere Verringerung der parasitären Elemente durch Anordnen der Leistungs-Stufe 100 so nahe wie möglich an der Last 110 erzielt werden, um den Pfad zwischen diesen zu verkürzen. Beispielsweise kann die Leistungs-Stufe 100 mit der Last 110 integriert werden, um die parasitären Elemente zu verringern und um die Schaltgeschwindigkeit mit einer entsprechenden Verringerung der Größe der passiven Elemente zu vergrößern und den Wirkungsgrad zu vergrößern.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung an spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, werden weitere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorliegende Figurenbeschreibung sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

Claims (29)

  1. Leistungs-Management-Anordnung mit: einer Leistungs-Stufe, die Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Schalter einschließt; einer Treiber-Stufe, die den Betrieb der Leistungs-Stufe steuert; einer Last-Stufe, die mit der Leistungs-Stufe gekoppelt ist, um Leistung für ihren Betrieb zu empfangen, wobei die Last-Stufe eine Treiber-Stufen-Steuerschaltung zur Erzeugung von Signalen für die Steuerung des Betriebs der Treiber-Stufe einschließt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Schalter in einer Halbbrücken-Anordnung miteinander verbunden sind.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, bei der die Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Schalter Bauteile vom Verarmungstyp sind.
  4. Anordnung nach Anspruch 2, bei der die Treiber-Stufe ein erstes Paar von Gruppe-III-Nitrid-Schaltern, die in einer Halbbrücke zur Ansteuerung eines ersten der Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Schalter angeordnet sind, und ein zweites Paar von Gruppe-III-Nitrid-Schaltern einschließt, die in einer Halbbrücke zur Ansteuerung eines zweiten der Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Schalter angeordnet sind.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der das erste Paar von Gruppe-III-Nitrid-Schaltern und das zweite Paar von Gruppe-III-Nitrid-Schaltern Anreicherungs-Betriebsart-Schalter sind.
  6. Anordnung nach Anspruch 4, bei der das erste Paar von Gruppe-III-Nitrid-Schaltern und das zweite Paar von Gruppe-III-Nitrid-Schaltern Verarmungs-Betriebsart-Schalter sind.
  7. Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Treiber-Stufen-Steuerschaltung Pulsbreitenmodulations-Signale erzeugt.
  8. Anordnung nach Anspruch 6, bei der die Treiber-Stufen-Steuerschaltung Pulsbreitenmodulations-Signale erzeugt.
  9. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Treiber-Stufen-Steuerschaltung Pulsbreitenmodulations-Signale erzeugt.
  10. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Leistungs-Stufe und die Treiber-Stufe in einen gemeinsamen Halbleiter-Plättchen gebildet sind.
  11. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Signale erzeugt werden, wenn eine Ausgangsspannung der Leistungs-Stufe außerhalb eines vorher eingestellten Bereiches liegt.
  12. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Signale aufgrund eines lastspezifischen Zustandes erzeugt werden.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, bei der der lastspezifische Zustand die momentane Temperatur der Last einschließt.
  14. Anordnung nach Anspruch 12, bei der der lastspezifische Zustand die Geschwindigkeit der Last einschließt.
  15. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Last-Stufe einen Mikroprozessor einschließt.
  16. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Last-Stufe ein Speicher-Bauteil einschließt.
  17. Leistungs-Management-Anordnung mit: einem darin ausgebildeten monolitischen Halbleiter-Plättchen, einen ersten Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Halbleiter-Bauteil und einem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Halbleiter-Bauteil, das mit dem ersten Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Halbleiter-Bauteil in einer Halbbrücken-Konfiguration verbunden ist, die einen Ausgangsknoten einschließt; einer ersten Treiber-Halbbrücken-Anordnung, die betriebsmäßig mit dem ersten Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Halbleiter-Bauteil gekoppelt ist; und einer zweiten Treiber-Halbbrücken-Anordnung, die betriebsmäßig mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Leistungs-Halbleiter-Bauteil gekoppelt ist.
  18. Anordnung nach Anspruch 17, bei der die ersten und zweiten Treiber-Halbbrücken-Anordnungen jeweils ein Paar von Anreicherungs-Gruppe-III-Nitrid-Schaltern einschließen.
  19. Anordnung nach Anspruch 17, bei der die ersten und zweiten Treiber-Halbbrücken-Anordnungen jeweils ein Paar von Verarmungs-Gruppe-III-Nitrid-Schaltern einschließen.
  20. Anordnung nach Anspruch 17, bei der die erste Treiber-Halbbrücke mit einer Pegelschieber-Schaltung gekoppelt ist, die einen Pegelschieber-Kondensator einschließt, wobei der Kondensator auf einer Oberfläche des monolitischen Halbleiter-Plättchens gebildet ist.
  21. Anordnung nach Anspruch 17, bei der der Ausgangsknoten mit einer Last-Stufe gekoppelt ist, die eine Treiber-Steuer-Schaltung einschließt, die Signale für den Betrieb der ersten und zweiten Treiber-Halbbrücken-Anordnungen erzeugt.
  22. Anordnung nach Anspruch 21, bei der die Treiber-Stufen-Steuer-Schaltung Pulsbreitenmodulations-Signale erzeugt.
  23. Anordnung nach Anspruch 21, bei der die Signale erzeugt werden, wenn die Ausgangsspannung der Leistungs-Stufe außerhalb eines voreingestellten Bereiches liegt.
  24. Anordnung nach Anspruch 21, bei der die Signale aufgrund eines lastspezifischen Zustandes erzeugt werden.
  25. Anordnung nach Anspruch 24, bei der der lastspezifische Zustand die momentane Temperatur der Last einschließt.
  26. Anordnung nach Anspruch 24, bei der der lastspezifische Zustand die Geschwindigkeit der Last einschließt.
  27. Anordnung nach Anspruch 17, die weiterhin eine Last-Stufe aufweist, wobei die Last-Stufe und das monolitische Halbleiter-Plättchen integriert sind.
  28. Anordnung nach Anspruch 27, bei der die Last-Stufe einen Mikroprozessor einschließt.
  29. Anordnung nach Anspruch 27, bei der die Last-Stufe eine Speichereinrichtung einschließt.
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