一种基于化合物半导体的电池保护装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及集成电路技术领域，提供一种基于化合物半导体的电池保护装置，包括氮化镓外延片，所述氮化镓外延片上使用平面器件工艺制备高电子迁移率晶体管(HEMT)结构，连接HEMT器件的栅

【技术实现步骤摘要】
一种基于化合物半导体的电池保护装置


[0001]本专利技术涉及集成电路
，具体涉及一种基于化合物半导体的电池保护装置。

技术介绍

[0002]近年来宽禁带氮化镓(GaN)以其优越的材料性能，已成为功率应用领域的新兴材料。在电力电子方面因其高频、高压、高温特性，已经逐渐渗透到适配器、模块电源、车载电源等领域。在一些低压应用等领域也同样显示出对比传统器件的优势性能，如包络跟踪、激光雷达等等，而本专利技术所涉及的应用为电池保护方面的应用。锂离子电池在过度充电的情况下，电池温度上升后能量将过剩，容易发生电解液分解产生气体，使内压上升导致膨胀或起火的风险；同样，在过度放电的情况下会引起负极溶解，产生电极短路的风险。在使用锂离子电池的场景中需要设置防护电路，通常由控制器和功率管组成。控制器通过侦测电池电压电流来判断电池状态是否处于过充、过放还是正常，根据状态需要输出控制信号来控制功率管的通断以提供充/放电回路。市面上的防护装置基于Si基的MOSFET功率管，并利用自带的并联体二极管提供过充/放情况下的电源回路。
[0003]氮化镓HEMT器件因为更高的功率密度，有助于利用更少的器件数量或面积实现MOSFET同样的电流能力，但因为本身没有寄生体二极管，无法在控制信号为“关”态的情况下提供合适的充/放电回路。

技术实现思路

[0004]基于上述局限性,本专利技术的主要目的在于提供一种基于化合物半导体的电池保护装置，为基于化合物半导体氮化镓的场效应晶体管的电池保护器件，集成平面整流器件实现单管控制充/放电回路的效果，降低应用成本。
[0005]为实现上述目的，本专利技术实施例提供了如下的技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种基于化合物半导体的电池保护装置，包括氮化镓外延片，所述氮化镓外延片上使用平面器件工艺制备高电子迁移率晶体管(HEMT)结构，连接HEMT器件的栅
‑
源级作为横向整流(LFR)器件正极，将HEMT结构中主管的源/漏(S/D)极分别与放电旁路的正/负极以及充电旁路的负/正极相互连接，形成完整器件。
[0007]作为本专利技术的进一步方案，HEMT结构包括主管和旁路整流管，主管为GaN HEMT主管，旁路整流管为GaN LFR旁路整流管。
[0008]作为本专利技术的进一步方案，主管周边设置有LFR器件作为过充旁路，其中，单个LFR器件的开启电压等于旁路中HEMT结构阈值电压。
[0009]作为本专利技术的进一步方案，过充旁路的器件数量小于最低过充判定电压/器件开启电压，并采用串联连接。
[0010]作为本专利技术的进一步方案，过放旁路的器件数量小于最低充电电压/器件开启电压，并采用串联连接。
[0011]作为本专利技术的进一步方案，主管源极或漏极在使用时接入电池充放电回路，主管栅极接电池防护控制芯片输出端。
[0012]作为本专利技术的进一步方案，电池正常工作时，控制器检测到电池电压处于正常状态，输出控制信号令主管开通，电流通过主管。
[0013]作为本专利技术的进一步方案，电池过充时，控制器检测到电池电压高于过充保护电压，输出控制信号关闭主管，主管或充电旁路不充电；其中，主管两端电压达到电池电压，主管两端电压值高于放电旁路开启电压。
[0014]作为本专利技术的进一步方案，电池通过开启的放电旁路放电直至从过充状态恢复，电池状态恢复后，主管控制器重新开启主管。
[0015]作为本专利技术的进一步方案，电池过放时，控制器检测到电池电压低于过放保护电压，输出控制信号关闭主管，主管两端电压达到充电电源电压，主管两端电压值高于充电旁路开启电压，电池通过开启的充电旁路充电直至从过放状态恢复。
[0016]作为本专利技术的进一步方案，控制器失效时，不输出开启信号，主管关闭。
[0017]相对于现有技术而言，本专利技术具有以下有益效果：
[0018]本专利技术提供一种基于化合物半导体的电池保护装置，作为GaN基HEMT为基础的电池保护装置，典型特点是利用平面GaN HEMT工艺实现主管和旁路的片上集成，其优势是：
[0019](1)GaN基HEMT相较于传统硅基器件可以提供更高功率密度，进而降低器件和应用成本。
[0020](2)GaN基LFR的反向恢复速度为0，比Si基器件的响应更迅速。
[0021](3)氮化镓外延片内集成方案可以在同一工艺步骤内实现主管和旁路的制备，可以降低制造成本，提高系统稳定性。
[0022]采用此种方式集成的旁路能够在过充/放以及控制器失灵的情况下提供一定的电池安全保障。
[0023]本专利技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本专利技术。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例。在附图中：
[0025]图1为现有技术中电池保护电路的示意图；
[0026]图2为氮化镓基HEMT结构的截面示意图
[0027]图3为氮化镓基LFR结构的截面示意图；
[0028]图4为本专利技术中一种基于化合物半导体的电池保护装置中集成电路版图示意图。
[0029]图5为本专利技术图3中一种基于化合物半导体的电池保护装置的电路示意图。
[0030]图6为本专利技术图5中一种基于化合物半导体的电池保护装置中正常工作状态示意图。
[0031]图7为本专利技术图5中一种基于化合物半导体的电池保护装置中过充保护状态示意图。
[0032]图8为本专利技术图5中一种基于化合物半导体的电池保护装置中过放保护状态示意图。
[0033]图9为本专利技术图5中一种基于化合物半导体的电池保护装置中控制器失效保护状态示意图。
[0034]本专利技术目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0035]本部分将详细描述本专利技术的具体实施例，本专利技术之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本专利技术的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本专利技术保护范围的限制。
[0036]在本专利技术的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
[0037]在本专利技术的描述中，对方法步骤的连续标号是为了方便审查和理解，结合本专利技术的整体技术方案以及各个步骤之间的逻辑关系，调整步骤之间的实施顺序并不会影响本专利技术技术方案所达到的技术效果。
[0038]本专利技术的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属
技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本专利技术中的具体含义。
[0039]由于现有技术必须使用两只MOSFET串联。同时因为电流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于化合物半导体的电池保护装置，其特征在于，包括氮化镓外延片，所述氮化镓外延片上使用平面器件工艺制备HEMT结构，连接HEMT器件的栅
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源级作为LFR器件正极，将HEMT结构中主管的源/漏(S/D)极分别与放电旁路的正/负极以及充电旁路的负/正极相互连接，形成完整器件。2.根据权利要求1所述的基于化合物半导体的电池保护装置，其特征在于，HEMT结构包括主管和旁路整流管，主管为GaN HEMT主管，旁路整流管为GaN LFR旁路整流管。3.根据权利要求2所述的基于化合物半导体的电池保护装置，其特征在于，主管周边设置有LFR器件作为过充旁路，其中，单个LFR器件的开启电压等于旁路中HEMT结构阈值电压。4.根据权利要求3所述的基于化合物半导体的电池保护装置，其特征在于，过充旁路的器件数量小于最低过充判定电压/器件开启电压，并采用串联连接。5.根据权利要求4所述的基于化合物半导体的电池保护装置，其特征在于，过放旁路的器件数量小于最低充电电压/器件开启电压，并采用串联连接。6.根据权利要求5所述的基于化合物半导体的电池保护装置，其特征在于，主管源极或漏极在使用时接入电池充放电回路，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，
申请(专利权)人：深圳市爱迪芯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：