开关模块的制作方法

1.本发明涉及适用于d类放大器等的开关模块，尤其涉及包含适用于高频电源的放大器的mosfet和对该mosfet的栅极电极施加驱动电压的驱动电路的开关模块。


背景技术：

2.高频电源是作为超声波振荡、感应电力的产生或等离子的产生的电源而使用，具有通过d类放大器的开关动作而将直流转换成高频交流的功能的电源。进行这种开关动作的d类放大器的特征为电力效率高、发热量少，作为进行该开关动作的模块，公知的有使用mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transmitter：金属氧化物半导体场效应晶体管)的模块。
3.作为使用这种mosfet的开关模块，例如在专利文献1及专利文献2中公开了如下的开关模块：将mosfet和对该mosfet的栅极电极施加栅极驱动电压的驱动电路安装在基板上的开关模块。根据这些开关模块，适合于高频电源，能够进一步提高电源转换效率。并且，在这些开关模块中，采用了通过接合线直接连接驱动器的输出端子与mosfet的栅极电极之间的结构。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2006-25567号公报
7.专利文献2：日本特开2008-228304号公报


技术实现要素：

8.发明要解决的课题
9.通过向栅极电极的栅极驱动电压的施加的导通、断开来进行mosfet的开关动作。在导通控制中，若因从驱动电路向mosfet的栅极电极施加的栅极驱动电压栅极/源极电压超过预定值，则mosfet成为导通状态。另一方面，在断开控制中，通过停止栅极驱动电压的施加，将栅极/源极电压设为比预定值低的电压，mosfet成为断开状态。
10.在该断开控制中，发生由驱动电路与mosfet之间构成的谐振电路导致的谐振现象，谐振电压一边通过内部成分振动，一边振幅以预定的时间常数衰减。以下，将该电压作为阻尼电压而进行说明。
11.在断开控制中，mosfet的栅极/源极电压因阻尼电压而振动。此时，因阻尼电压的振动，栅极/源极电压超过使mosfet成为导通状态的阈值(threshold value)时，mosfet当成已输入导通指令信号而成为导通状态，有发生本来应为断开状态时成为导通状态的误动作(误触发)的问题点。
12.另外，在如专利文献1或专利文献2所示的以往的开关模块中，采用了通过接合线将驱动器的输出端子与mosfet的栅极电极之间直接连接的构造。在该结构中，在驱动电路与mosfet之间，通过接合线的杂散电感、内部电阻、以及mosfet的栅极/源极电容形成rlc串
联谐振电路。在rlc串联谐振电路的串联谐振中产生的阻尼电压的衰减率(阻尼常数)取决于接合线的电特性、线的长度而变化。
13.然而，为了在更换了搭载于开关模块的mosfet的情况下不产生由阻尼电压引起的误动作，需要改变接合线的线路长度、驱动电路的驱动ic的内部输出级的内部电阻等，这会花费很多工夫。另外，在更换了mosfet的芯片的情况下，数mhz～数十mhz频带的mosfet的寄生电容ciss以大约10倍左右的幅度不同，因此有可能因频率谐振而产生异常振荡现象。并且，在使搭载于开关模块的驱动电路及mosfet的图案共用化的情况下，接合线的线路长度成为固定长度，因此接合线的线路长度及电阻成分也成为固定值。
14.本发明是为了解决上述以往的问题点而完成的，其目的在于提供一种开关模块，即使在更换mosfet或者变更了使用的频率的情况下，也能够抑制在mosfet与驱动电路的连接电路中产生由阻尼电压引起的误动作。
15.用于解决课题的手段
16.为了解决上述的课题，本发明的代表性的方式之一是将mosfet和向该mosfet的栅极电极施加栅极驱动电压的驱动电路安装在基板上的开关模块，所述驱动电路在与所述栅极电极之间经由阻尼调整元件和接合线而与所述mosfet电连接。
17.根据具备这种结构的本发明，在驱动电路与mosfet之间配置能够调整栅极/源极电压的阻尼电压的衰减率(阻尼常数)的阻尼调整元件，经由该阻尼调整元件将驱动电路与mosfet电连接，从而能够抑制伴随mosfet的更换、或者使用频率的变更等开关模块的规格变更而产生的阻尼电压导致的误动作的发生。
附图说明
18.图1是表示本发明的代表性的一例即实施例1的开关模块的概要的侧视图。
19.图2是表示将实施例1的开关模块适用于高频电源装置的放大器时的模块附近的等效连接电路的电路图。
20.图3是表示图1所示的阻尼调整元件的典型的一例及其变形例的立体图。
21.图4是表示使用实施例1的开关模块，对栅极电极投入栅极脉冲时的电压的时间变化的图表。
22.图5是表示将实施例2的开关模块适用于高频电源装置的放大器时的模块附近的等效连接电路的电路图。
23.图6是表示将实施例2的变形例的开关模块适用于高频电源装置的放大器时的模块附近的等效连接电路的电路图。
具体实施方式
24.以下，使用图1～图6来说明本发明的开关模块的代表性的具体例。
25.＜实施例1＞
26.图1是表示本发明的代表性的一例即实施例1的开关模块的概要的侧视图。在此，在本技术说明书中所示的开关模块是可适用于面向半导体制造装置的高频电源等。此时，可例示输出为1kw以上，且输出频率为0.3mhz以上的放大器。
27.如图1所示，实施例1的开关模块100包括基板110、搭载于该基板110上的
mosfet120、驱动电路130、阻尼调整元件(damping adjustment element)140、将这些元件电连接的接合线(bonding wire)150、152。此外，在图1中仅示出了与mosfet120的栅极电极g连接的路径，对于为了构成放大器的一部分而与漏极电极d、源极电极s连接的路径，省略了图标。
28.作为其一例，基板110形成为将mosfet120、驱动电路130和阻尼调整元件140搭载于上表面的平板状的部件。基板110由氧化铍(beo)或氮化铝(aln)等热传导性良好的材料形成。由此，能够有效地发散或排出驱动模块时所产生的热。
29.mosfet120是场效应晶体管(field effect transistor)的一种，构成为例如在硅等的基板上层积作为绝缘层的氧化膜和栅极电极g，并且作为离子注入高浓度的杂质而形成漏极电极d和源极电极s的半导体元件。在本发明中，一般称为p型或n型的任一mosfet元件均能够适用。
30.驱动电路130是包含未图标的驱动电源和开关机构的构造，通过开关机构的接通/断开(on/off)动作，对mosfet120的栅极电极g施加预定的栅极驱动电压。作为驱动电路130，可例示在输出级具有由晶体管、mosfet构成的推挽电路的ic芯片。
31.阻尼调整元件140在基板110上配置于mosfet120与驱动电路130之间，经由接合线150、152分别与mosfet120和驱动电路130电连接。在实施例1中，阻尼调整元件140例如构成为栅极电阻rg。
32.这样的阻尼调整元件140如后所述根据mosfet120的寄生电容来选择包含在阻尼调整元件140中的栅极电阻rg的电阻值，由此将从栅极电极g施加的栅极/源极电压vgs的阻尼电压(返回电压)vgs1设定为不超过预定阈值的值。即，通过适当调整阻尼调整元件140的栅极电阻rg的电阻值，来控制阻尼电压(返回电压)vgs1相对于驱动电路130的输出电压的衰减率。
33.接合线150、152例如适用金、铜或铝制的线。在此，图1所示的接合线150、152与各元件的接合是球焊(ball bonding)或楔焊(wedge bonding)等公知的方法。另外，根据mosfet120的种类、使用的输出频率，自由替换地组装阻尼调整元件140。
34.图2是表示将实施例1的开关模块适用于高频电源装置的放大器时的模块附近的等效连接电路的电路图。在此，在图2中例示了在mosfet120上连接电压输入vin与接地gnd的情况，然而对于高频电源装置的其他构造的等效连接电路，省略了图标和说明。
35.如图2所示，在基板110搭载有mosfet120和驱动电路130，在两者之间电连接配置有阻尼调整元件140和接合线150、152，形成从驱动电路130到mosfet120的连接电路。在此，如上所述，图1所述的阻尼调整元件140模拟为栅极电阻rg，接合线150、152模拟为一体且内部包含杂散电感(stray inductance)ls与电阻成分(resistance component)rs的构造。
36.驱动电路130包含驱动器dr，该驱动器dr与接合线150、152连接，并且也与接地gnd连接。然后，通过来自驱动电路130的输出电压，对mosfet120的栅极电极g与源极电极s之间施加与上述的开关机构的动作对应的栅极/源极电压vgs。
37.图3是表示图1所示的阻尼调整元件的典型一例及其变形例的立体图。如图3的(a)所示，作为其一例，阻尼调整元件140由具有厚度h1、元件的排列方向的长度l1以及宽度w1的金属部件142形成。此时，通过一边固定长度l1一边变更金属部件142的厚度h1及宽度w1，能够将与各元件的间隔及接合线150、152的长度设为固定的基础上，调整阻尼调整元件140
的栅极电阻rg。此外，代替金属部件142，也可以使用市面上销售的电阻器。
38.此外，如图3的(b)所示，作为阻尼调整元件140的变形例，在基座部件144的一面层积厚度h2、元件的排列方向的长度l2及宽度w2的电阻体146，也可以适用将这些用保护体148一体化了的高电力芯片电阻、薄膜印刷电阻等。在这些构造中，通过一边固定长度l2一边变更电阻体146的厚度h2及宽度w2，可将与各元件的间隔及接合线150、152的长度设为固定的基础上，调整阻尼调整元件140的栅极电阻rg。
39.在具备图1及图2所示的构造的开关模块100中，作为其一例，根据mosfet120的寄生电容，以以下所述的顺序决定阻尼调整元件140的栅极电阻rg的电阻值。
40.如上所述，在mosfet120中存在寄生电容。并且，该寄生电容中，使用栅极/源极间电容cgs和栅极/漏极间电容cgd，如以下的式1那样定义输入电容ciss。
41.ciss＝cgs cgd
……
式1
42.另外，如上所述，在图2所述的等效电路中，形成从驱动电路130经由接合线150、152和阻尼调整元件140到mosfet120的连接电路时，接合线150、152的杂散电感ls、电阻成分rs、阻尼调整元件140的栅极电阻rg及mosfet120的栅极/源极间电容cgs构成串联谐振电路。公知的是，在该串联谐振电路中发生串联谐振时，栅极/源极电压vgs的振幅依据以以下的式2表示的阻尼常数ζ衰减。
[0043][0044]
另一方面，mosfet120被施加栅极/源极电压vgs而其电压值超过预定值时成为接通状态，但是，即使驱动电路130的开关控制成为断开时，栅极/源极电压vgs也不会瞬间切换，产生所谓的阻尼电压(damping voltage)(返回电压，return voltage)。此时，将驱动电路130的输出电压设为vdr时，可根据以下的式3计算出来自驱动电路130的栅极/源极电压vgs断开之后的1个周期后的栅极/源极电压vgs1。
[0045][0046]
然后，在上述的vgs1超过将mosfet120设为接通状态的预定阈值(阈值)vth时，mosfet120作为输入了接通指令的信号而成为接通状态，发生本来应为断开时却成为接通的错误动作(误触发)。因此，为了防止这样的mosfet120的误触发，要求1个周期后的栅极/源极电压vgs1比上述的预定阈值(mosfet120成为接通的阈值电压)vth小。即，以成为式3所示的vgs1比阈值vth小的阻尼常数ζ的方式，决定栅极电阻rg的电阻值即可。
[0047]
图4是表示使用实施例1的开关模块，对栅极电极投入栅极脉冲时的电压的时间变化的图表。如图4所示，将横轴设为时间，将纵轴设为栅极/源极电压时，用虚线表示基于驱动电路130内的栅极脉冲的输出电压vdr，用实线表示实际施加于栅极电极g的栅极/源极电压vgs。
[0048]
此时，由于脉冲断开之后的振动，在时刻t1发生1个周期后的栅极/源极电压即阻尼电压(返回电压)vgs1。在此，如上所述，以时刻t1的栅极/源极电压vgs1不超过预定阈值vth的方式设定栅极电阻rg的电阻值，由此抑制mosfet120发生误触发。即，通过调整栅极电
阻rg的电阻值，调整阻尼常数ζ，因此作为结果能够控制阻尼电压(返回电压)vgs1的衰减率。
[0049]
通过具备上述那样的构造，实施例1的开关模块100除了接合线150、152外，经由阻尼调整元件140将驱动电路130与mosfet120之间电连接，因此在mosfet120的更换，或变更使用的频率时，可通过阻尼调整元件140的栅极电阻rg调整栅极/源极电压的阻尼电压(返回电压)vgs1，作为结果，能够抑制mosfet与驱动电路的连接电路中发生基于阻尼电压的错误动作。
[0050]
＜实施例2＞
[0051]
一般来说，在mosfet中，栅极电极g与其他电极(漏极电极d及源极电极s)之间通过氧化膜绝缘，公知的是因为该氧化膜的静电电容存在寄生电容。该寄生电容与所使用的mosfet的频率之间，其适用范围为反比例的关系(即，若mosfet的频率变大，则希望寄生电容较小)，因此，在放大器的设计中，配合输出的频率，选择与之对应的mosfet。
[0052]
此时，在搭载有mosfet的开关模块的等效连接电路中，连接驱动器与mosfet的接合线具有杂散电感ls与电阻成分rs。这些杂散电感ls及电阻成分rs在与上述的寄生电容中的栅极/源极间电容cgs之间形成rlc串联电路，有时发生串联谐振，因此有过剩的电流流过电路的问题。
[0053]
图5是表示将实施例2的开关模块适用于高频电源装置的放大器时的模块附近的等效连接电路的电路图。在此，在实施例2的开关模块200中，对于具备与实施例1相同或同样的结构，赋予与实施例1相同的符号，省略再次的说明。
[0054]
如图5所示，实施例2的开关模块200中，在基板110上搭载有mosfet120和驱动电路130，在两者之间电连接配置有阻尼调整元件240和接合线150、152，形成从驱动电路130到mosfet120的连接电路。另外，在图5中，与实施例1的情况同样地，例示了在mosfet120上连接了电压输入vin和接地gnd的情况，对于基于高频电源装置的其他结构的等效连接电路，省略了图标及说明。
[0055]
在图5所示的开关模块100中，阻尼调整元件240构成为由将栅极电阻rg和栅极电感lg并联连接了的rl并联电路所成的振动抑制电路。在此，图5所示的栅极电阻rg适用与实施例1中所用的结构相同的结构。这样结构的阻尼调整元件240除了控制基于栅极电阻rg的阻尼电压的功能之外，还具有通过栅极电感lg使比rl并联电路的谐振频率ω0(ω0＝rg/lg)低的低频成分(直流成分)的电流流过后段的mosfet120，并且通过栅极电阻rg使比rl并联电路的谐振频率ω0高的高频成分流过mosfet120的功能。
[0056]
即，在图5所示的阻尼调整元件240中，例如，通过变更栅极电感lg的卷绕数，使其电感值发生变化。此时，从驱动电路130到mosfet120的连接电路的谐振频率如上所述用栅极电阻rg和栅极电感lg的函数来表示，因此若栅极电感lg的电感值发生变化，则连接电路的谐振频率也发生变化。由此，可自由地调整连接电路的谐振频率，因此能够抑制从驱动电路130到mosfet120的连接电路所构成的rlc串联电路的串联谐振。
[0057]
图6是表示将实施例2的变形例的开关模块适用于高频电源装置的放大器时的模块附近的等效连接电路的电路图。在此，与图5的情况同样地，在图6所示的开关模块200中，对于具备与实施例1相同或同样的结构，赋予与实施例1相同的符号，并省略再次的说明。
[0058]
在图6所示的变形例中，阻尼调整元件240'构成为由将栅极电阻rg和栅极电容cg
串联连接的rc串联电路所成的振动抑制电路。这样的rc串联电路与接合线150、152所包含的杂散电感ls一起构成振动吸收电路。在此，对于图6所示的栅极电阻rg，也适用与实施例1中所用的结构同样的结构。这种结构的阻尼调整元件240'除了控制基于栅极电阻rg的阻尼电压的功能之外，还具有根据栅极电阻rg的电阻值和栅极电容cg的静电电容值，向各个元件的两端施加的电压发生变化的功能。
[0059]
即，在图6所示的阻尼调整元件240中，例如，通过变更栅极电容cg的电极版的面积、间隔，静电电容值发生变化。此时，从驱动电路130到mosfet120的连接电路的谐振频率用杂散电感ls和栅极电容cg的函数来表示，因此若栅极电容cg的静电电容值发生变化，则连接电路的谐振频率也发生变化。由此，与图5所示的情况同样地，可自由地调整连接电路中的谐振频率，因此能够抑制从驱动电路130到mosfet120的连接电路中的rlc串联电路的串联谐振。
[0060]
通过具备上述那样的结构，实施例2的开关模块200中，通过将阻尼调整元件240、240'构成为内部包含栅极电阻rg的振动抑制电路，使与栅极电阻rg并联或串联配置的栅极电感lg或栅极电容cg的值发生变化，由此使阻尼调整元件240、240'具有作为基于栅极电阻rg的阻尼电阻的功能，并且还具有可自由地调整从驱动电路130到mosfet120的连接电路中的谐振频率的功能。
[0061]
此外，上述的实施方式以及他们的变形例的记述是本发明的开关模块的一例，本发明并不限定于各实施方式。另外，本技术领域中的技术人员能够在不脱离本发明的宗旨地机芯各种变更，不从本发明的范围排除这些方式。
[0062]
符号说明
[0063]
100 开关模块
[0064]
110 基板
[0065]
120 mosfet
[0066]
130 驱动电路
[0067]
140 阻尼调整元件
[0068]
142 金属部件
[0069]
144 基座部件
[0070]
146 电阻体
[0071]
148 保护体
[0072]
150、152 接合线
[0073]
200 开关模块
[0074]
240、240' 阻尼调整元件
[0075]
g 栅极电极
[0076]
d 漏极电极
[0077]
s 源极电极
[0078]
dr 驱动器
[0079]
rg 栅极电阻
[0080]
lg 栅极电感
[0081]
cg 栅极电容
[0082]
vgs:栅极/源极电压
[0083]
vgs1阻尼电压(返回电压)。