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CN105074920B - 功率半导体模块 - Google Patents

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CN105074920B
CN105074920B CN201480020491.4A CN201480020491A CN105074920B CN 105074920 B CN105074920 B CN 105074920B CN 201480020491 A CN201480020491 A CN 201480020491A CN 105074920 B CN105074920 B CN 105074920B
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China
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power semiconductor
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semiconductor module
electrode
ring
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S.哈特曼恩
F.杜加尔
O.埃克瓦尔
E.多雷
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Hitachi Energy Ltd
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ABB Grid Switzerland AG
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Abstract

根据本发明的功率半导体模块(10)包括第一主电极(12)、第二主电极(14)和控制端子(16)。此外，功率半导体模块(10)还包括设置在第一主电极(12)和第二主电极(14)之间的可控功率半导体构件(18)。根据本发明，功率半导体模块(10)的特征在于，至少某些可控功率半导体构件(18)设置成环形组件(28,28',28")，其中环形组件(28,28',28")的可控功率半导体构件(18)至少大致沿着环形组件(28,28',28")的第一圆形线(30)设置，并且环形组件(28,28',28")的控制导体轨道(32)设置在第一主电极(12)上，其中控制导体轨道(32)至少大致沿着环形组件(28,28',28")的第二圆形线(34)而延伸，并且第二圆形线(34)相对于第一圆形线(30)同心地延伸。

Description

功率半导体模块
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的序言所述的功率半导体模块。
背景技术
这种类型的功率半导体模块是从DE 196 44 009 A1获悉的。
其它功率半导体模块也是同样从现有技术，例如EP 0 989 611 A2、US 6426561、EP 1 403 923 A1或WO 2012/107482 A2中获悉并描述的。这些模块用于例如功率转换器装置，以用于高压直流输送。功率半导体模块在操作期间通常最少载有超过500V和超过1KA的负载。当在用于高压直流输送的功率转换器装置中采用功率半导体模块时，功率半导体模块是串联的，从而取得所需的闭锁电压。
在100至1000个之间的功率半导体模块通常被串联起来。
此外，这种类型的功率半导体模块还用于静态VAR补偿器。
在已知的功率半导体模块的情况下，已经证明考虑到磁场产生流过功率半导体模块的电流，所以设置在功率半导体模块中的功率半导体构件是非均匀加载的。这可能尤其导致单个功率半导体构件的过载。功率半导体构件的过载导致其中设置有过载功率半导体构件的模块发生故障。
发明内容
本发明的一个目的是规定一种功率半导体模块，其中功率半导体构件尽可能均匀地加载。
根据本发明，这个目的通过权利要求1所申明的功率半导体模块来实现。在从属权利要求中规定了本发明的有利的衍生变型。
根据本发明的功率半导体模块包括第一主电极、第二主电极和控制端子。此外，功率半导体模块包括设置在第一主电极和第二主电极之间的可控功率半导体构件，其中各个可控功率半导体构件具有第一电极、第二电极和控制电极，并且各个可控功率半导体构件的第一电极电连接在第一主电极上，各个可控功率半导体构件的第二电极电连接在第二主电极上，并且各个可控功率半导体构件的控制电极电连接在控制端子上。根据本发明，功率半导体模块的特征在于，至少某些可控功率半导体构件设置成多个环形组件，其中相应环形组件的可控功率半导体构件至少大致沿着相应环形组件的第一圆形线进行设置，并且相应环形组件的控制导体轨道设置在第一主电极上，其中相应环形组件的控制导体轨道至少大致沿着相应环形组件的第二圆形线延伸，并且相应环形组件的第二圆形线相对于相应环形组件的第一圆形线同心地且在其外部延伸，其中相应环形组件的各个可控功率半导体构件的控制电极通过电连接件而连接到相应环形组件的控制导体轨道上，并且相应环形组件的控制导体轨道通过另一电连接件而连接到控制端子上。
根据本发明，功率半导体构件设置成多个环形组件。由于环形组件或者由于可控功率半导体构件至少大致沿着圆形线的布置，所以在操作期间，相应环形组件的功率半导体构件基本暴露于相同或至少相似的磁场下。此外，相应环形组件的控制导体轨道至少大致沿着第二圆形线而延伸，其中第二圆形线相对于第一圆形线同心地且在其外部延伸。因此，在各个具有控制端子、相应功率半导体构件的控制电极、相应功率半导体构件的第二电极和第二主电极的导体环路中，至少大致相似的磁场耦合到各个导体环路中，由此相应环形组件的功率半导体构件的切换行为至少大致相同地受到磁场的影响。
同位于第一圆形线内的第二圆形线相比，根据本发明的实施例导致了各个功率半导体构件由于磁场而引起的延时切换行为，磁场耦合在上面所限定的导体环路中。这对于尤其功率半导体模块的短路行为具有有利的影响。
由于多个环形组件，最佳的空间利用成为可能，实现了高的功率密度。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，第一圆形线由第一多边形来逼近，并且相关联的第二圆形线由第二多边形来逼近，第二多边形具有与第一多边形相同数量的顶点，其中第一多边形的顶点与第二多边形的顶点是对准的。
这个实施例尤其可实现功率半导体模块的经济性生产，其中相对于圆形对称的偏差证明对于切换行为具有很小的影响。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，功率半导体模块具有有源组件，其中各个有源组件具有导电的承板，并且有源组件的承板一起形成了第一主电极。此外，各个环形组件被有源组件分成环形节段，其中环形节段的有源功率半导体构件设置在承板中，并且导体轨道相应环形组件的控制被细分成环形组件的控制导体轨道节段，其中相应环形节段的各个功率半导体构件的控制电极连接在相应环形节段的控制导体轨道节段上。
这个功率半导体模块的实施例可实现经济性生产，因为组件可进行生产和测试。起作用的组件可组合起来，以形成功率半导体模块。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，环形组件不会重叠。换句话说，环形组件没有重叠。
这个实施例可实现极具成本效率的生产。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，所有有源功率半导体构件设置成环形组件或多个环形组件。
这个功率半导体模块的实施例使得优化所有功率半导体构件的切换行为成为可能。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，功率半导体模块的有源组件全部具有相同的构造。
这个实施例可实现经济生产。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，导电的触头元件设置在功率半导体模块的第二主电极和各个可控功率半导体构件之间，所述触头元件将第二主电极连接到功率半导体构件的第二电极上，其中触头元件和功率半导体构件限定了电流传输方向，其相对于第一主电极至少是大致直角。
功率半导体模块的这个实施例使得以相对简单的结构实现可堆叠的模块成为可能。
根据功率半导体模块的可与所有其它实施例组合起来的另一实施例，第一主电极平行于第二主电极。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，各个触头元件构造成压触头。
这个实施例使得以极度简单的方式通过压力实现电接触成为可能，其中用于产生电接触的焊料或其它电连接层可被省去。此外，这个实施例使得补偿功率半导体构件和触头元件的不同结构高度成为可能。不同的结构高度由生产来控制。此外，这个实施例通过按压触头的弹簧行程可实现第一主电极相对于第二主电极的自适应对准。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，进一步的电连接件至少基本平行于电流传输方向而延伸。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，功率半导体模块具有由绝缘材料构成的框架，有源组件插入到所述框架中。
通过这个实施例，功率半导体模块可由有源组件经济地构造而成。
根据功率半导体模块的一个优选实施例，功率半导体模块具有中心透孔。
通过这个实施例，堆叠起来的功率半导体模块可通过杆彼此进行支撑，杆穿过透孔，其结果是在相邻的第一主电极和第二主电极之间产生最佳的接触压力。可选地，可将散热器设置在相邻的两个功率半导体模块的第一主电极和第二主电极之间。
根据功率半导体模块的另一优选实施例，可切换的功率半导体构件构造为逆向传导的IGBT，其也被称为为RC-IGBT。或者，还可使用传统的IGBT，在这种情况下，相对于IGBT还应设置逆平行的功率半导体二极管。例如可设置二极管，而非可切换的功率半导体构件。在包括有源组件的实施例中，其中一个组件的可切换的功率半导体构件可通过功率半导体二极管来形成，在这种情况下，可简化组件的结构，因为功率半导体二极管没有控制电极。作为示例，在该框架中，有源组件可装备功率半导体二极管，并且四个有源组件可装备IGBT。其它布置对于本领域中的技术人员也是可以想象的，并且是明显的。
本发明的上述和其它的目的、优点和特征将从以下结合附图所做的本发明的优选实施例的详细说明中而变得清晰明了。
附图说明
在附图中纯粹是示意性的：
图1以平面图显示了根据第一实施例的打开的功率半导体模块，其中第二主电极和控制端子已经被除去；
图2显示了沿着图1中所描绘的剖面线A-B看去的局部剖面图，其中第二主电极和控制端子得到显示；
图3以平面图显示了根据第二实施例的打开的功率半导体模块，其中第二主电极和控制端子已经被除去；
图4以透视图显示了根据另一实施例的打开的功率半导体模块，其中第二主电极已经被除去；
图5以透视图显示了根据图4的功率半导体模块，其中第二主电极得到类似地显示；
图6以平面图显示了有源组件，其用于图4和图5中所示的功率半导体模块；且
图7以透视图显示了图6中所示的有源组件，其中组装框架没有得到显示，从而容许更好地看到有源组件的单独的元件。
在标号列表中总结性地列出了用于附图的标号和其含义。原则上，图中相同的部件设有相同的标号，并因此将只描述一次。
标号列表
10 功率半导体模块
12 第一主电极
14 第二主电极
16 控制端子
18 功率半导体构件
20 第一电极
22 第二电极
24 控制电极
26 触头元件
28 环形组件
28' 内环形组件
28" 外环形组件
30 第一圆形线
31 第一六边形，第一多边形
32 控制导体轨道
33,33',33" 控制导体轨道节段
34 第二圆形线
35 第二六边形，第二多边形
36 电连接件
38 另一电连接件
40,40',40" 承板
42 有源组件
44 框架
46 透孔
48 组装框架
S 电流传输方向。
具体实施方式
下面所述的实施例通过示例代表了本发明的主题，并且没有限制效应。
图1和图2显示了功率半导体模块10的第一实施例，其包括第一主电极12和第二主电极14，其只在图2中有所显示。功率半导体模块10还包括图2中所示的控制端子16，其设置在第二主电极14上，按照已知的方式与第二主电极14绝缘。具体地说，如图2中所示，可控功率半导体构件18设置在第一主电极12和第二主电极14之间。各个可控功率半导体构件18具有第一电极20、第二电极22和控制电极24。各个可控功率半导体构件18的第一电极20通过连接层而电连接在第一主电极12上。连接层可通过例如焊料层或通过由烧结方法生产的连接层而形成。第二电极22通过触头元件26而电连接在第二主电极14上。
具体地说，如图1中所示，可控功率半导体构件18设置成内环形组件28'和外环形组件28"，其是彼此相对同心的。为了替代这两个环形组件28',28"，功率半导体构件18还可设置成多个相互同心的环形组件。环形组件总地由标号28来表示。此外，彼此相对同心设置的单独的环形组件不会重叠。它们因而没有重叠。
在各个环形组件28中，尤其在图1所示的内外环形组件28',28"中，可控功率半导体构件18沿着相应环形组件28的第一圆形线30而进行设置。此外，各个环形组件28具有控制导体轨道32，其按照与第一主电极12绝缘的方式设置在第一主电极12上。相应环形组件28的控制导体轨道32沿着第二圆形线34而延伸，其中第二圆形线34相对于第一圆形线30是同心定位的。如图1中所示，相应环形组件28的控制导体轨道32通过多个控制导体轨道节段33,33',33"来形成。环形组件28的可控功率半导体构件18的各个控制电极24通过电连接件36，例如通过导线而连接在控制导体轨道32上，其中连接36优选基本在径向方向上相对于第一圆形线30或第二圆形线34而延伸。
如图2中所示，控制导体轨道32或各个控制导体轨道节段33,33',33"通过另一电连接件38而连接在控制端子16上。或者还可能将单独的控制导体轨道节段33,33',33"沿着第二圆形线34互连起来，并通过另一电连接件38而将控制导体轨道节段33,33',33"中的至少一个连接到控制端子16上。
此外，优选的是使另一电连接件38平行于下面进一步所限定的电流传输方向S而延伸。或者，另一电连接件38还可基本在圆柱的侧部上延伸，圆柱相对于第一圆形线30或第二圆形线34是同心定位的。作为另一备选，还可能设想在各种情况下使另一电连接件相对于有源组件42进行相同地对准。
如图1中所示，相应环形组件28的第二圆形线34位于相同环形组件28的第一圆形线30的外部。换而言之，第二圆形线34的半径大于第一圆形线30的半径。
如图1中进一步所示，第一主电极12构造为三个部分。通常，第一主电极12可由任意数量的承板形成，承板共同形成了第一主电极12。在当前典型的实施例中，第一主电极12由三个承板40,40',40"来形成。有源组件42由功率半导体模块10中的承板40,40',40"来形成。此外，各个环形组件28,28',28"被有源组件42细分成环形节段。如图1中所示，内环形组件28'和外环形组件28"均被有源组件划分成三个环形节段。
因此在各个承板40,40',40"的第一侧部上，设置了有源功率半导体构件18，其导电地连接在承板上面。具体地说，主电极12通过与第一侧部相反的承板侧部来形成。
如图1以及图2中进一步所示，有源组件42通过框架44来保持，或者插入到框架44中。框架44由绝缘材料产生。图1还显示了功率半导体模块10具有居中的可选的透孔46。杆可穿过所述透孔，通过该杆，彼此堆叠在一起的多个功率半导体模块10可受到彼此的支撑。
如图1中进一步所示，所有可控功率半导体构件18设置成环形组件28,28',28"。然而，可控功率半导体构件18还可设置在环形组件的外部。为了提高功率半导体模块的性能，可将单个功率半导体构件设置在功率半导体模块的中心来替代透孔。
具体地说，如图2中所示，各个功率半导体构件18的第二电极22通过触头元件26进行接触式连接。触头元件26在功率半导体构件18的第二电极22和功率半导体模块10的第二主电极14之间产生电连接。此外，触头元件26是重要元件，使得功率半导体模块10在故障的情况下经历至导电状态的转变，导电状态被称为短路故障模式(SCFM)。这是从现有技术，例如EP 0 989 611 A2，US 6426561、EP 1 403 923 A1或WO 2012/107482 A2中获悉并描述的。
通过相应的触头元件26进行接触式连接的触头元件26和功率半导体构件18限定了电流传输方向S。电流传输方向S相对于第一主电极12至少是大约直角。
触头元件26可包括例如EP 0 989 611 A2，US 6426561或EP 1 403 923 A1中所述的按压触头。如现有技术所知，后者可通过弹簧来实现。此外，触头元件26可包括铝、银、金、铜或镁，而且还包括由某些其它合适的材料组成的金属层，其在故障的情况下可在第一主电极12和第二主电极14之间实现导电连接或支持导电连接的成形。金属层的金属意图能够与功率半导体构件18的材料形成共晶。此外，金属层的厚度必须以这样一种方式定制尺寸，即在故障的情况下，金属层的材料可与功率半导体构件的材料形成导电通道，如列举的现有技术中所述。此外，在触头元件26中可提供层，其补偿由于温度波动引起的温度应力，使得半导体构件18尽可能远离由于热波动而引起的机械负载。这可通过具有与功率半导体构件18本身相似的热膨胀系数的层来实现。
或者，触头元件26还可构造为没有按压触头或没有弹簧。这种触头元件是从WO2012/107482 A2获悉的。
为了保护功率半导体构件18进一步免于由于热波动引起的机械负载，例如在功率半导体构件18和第一主电极12之间可提供由具有与功率半导体构件18相似的热膨胀系数的材料组成的另一层。或者，第一主电极12本身还可能由这种材料生产，或者包括由这种材料组成的层。
图3显示了本发明的另一实施例。这个实施例设计为与上述实施例大部分是相同的。下面只论述差异。图3中所示的实施例不同于图1和图2中所示的第一实施例之处在于，各个环形组件28的第一圆形线30通过第一六边形31来逼近，并且相关联的第二圆形线34通过第二六边形35来逼近，其中第一六边形的顶点与第二六边形的顶点对准。此外，这个实施例还显示了框架44或功率半导体模块10的外壳可具有六边形的形状。透孔46可同样地具有六边形的形状。
在图3所示的实施例中，三个有源组件42插入到六边形的功率半导体模块10中。替代三个有源组件42，还可将六个有源组件插入到框架44中，如图4中所示。
图4显示了根据本发明的功率半导体模块10的另一实施例，其有源组件42在图6和图7中有所显示。这个实施例再次设计为与上述实施例是大部分相同的，并且下面只论述者在差异。这个实施例不同于其它已经论述的实施例之处在于彼此电并联设置的功率半导体构件18的数量。此外，这个实施例展示了组装框架48，其与承板40一起形成了某种类型的槽。这个槽优选用绝缘胶，例如硅凝胶，或某些其它绝缘材料来填充。
此外，图4显示了接触端子16的一个实施例。
图5显示了图4中所示的功率半导体模块10，第二主电极放置在框架44上，并且还放置在接触端子16上。由于这种定位，触头元件26与第二主电极14发生电接触。
六边形的功率半导体模块在上面的实施例中有所描述。无须多说，功率半导体模块可具有任意数量的顶点，其中顶点的数量通常可大于或等于3，并且小于10，但也可更大。顶点的数量越大，n边形的实施例越逼近第一实施例。
在n边形实施例的情况下，相应环形组件的功率半导体构件同样位于至少大致沿着第一圆形线的位置。然而，第一圆形线30还可通过具有相同顶点数量的第一多边形31来逼近。环形组件的第二圆形线34可同样地通过具有相同顶点数量的第二多边形35来逼近。
在图中未显示的另一实施例中，在控制端子16和各个控制电极24之间的电连接具有电阻。
功率半导体模块10的有源组件42在上面所述和图中所示的实施例中的各种情况下均相同地构造。为了使所述环形构造尽可能地逼近环面，还可便利地使用按照不同几何形状构成的两种或多种类型的组件42。作为示例，承板的形状可变化，并且设置在其上面的功率半导体构件的数量可对此相适应。

Claims (8)

1.一种功率半导体模块(10)，其包括：
第一主电极(12)、第二主电极(14)和控制端子(16)，以及
设置在所述第一主电极(12)和所述第二主电极(14)之间的可控功率半导体构件(18)，其中各个可控功率半导体构件(18)具有第一电极(20)、第二电极(22)和控制电极(24)，并且各个可控功率半导体构件(18)的第一电极(20)电连接在所述第一主电极(12)上，各个可控功率半导体构件(18)的第二电极(22)电连接在所述第二主电极(14)上，并且各个可控功率半导体构件(18)的控制电极(24)电连接在所述控制端子(16)上，其中所有可控功率半导体构件(18)设置成多个环形组件(28,28',28")，
其中，所述多个环形组件(28,28',28")中的各个环形组件(28,28',28")由至少大致沿着第一圆形线(30)设置的相应可控功率半导体构件(18)以及设置在所述第一主电极(12)上并且至少大致沿着第二圆形线(34)延伸的控制导体轨道(32)构成，相应环形组件(28,28',28")的第二圆形线(34)相对于相应环形组件(28,28',28")的第一圆形线(30)同心地且在其外部延伸，
其中，相应环形组件(28,28',28")的各个可控功率半导体构件(18)的控制电极(24)通过电连接件(36)而连接到相应环形组件(28,28',28")的控制导体轨道(32)上，并且相应环形组件(28,28',28")的控制导体轨道(32)通过另一电连接件(38)而连接到所述控制端子(16)上，
其中，在所述功率半导体模块(10)的第二主电极(14)和各个可控功率半导体构件(18)之间设置了导电的触头元件(26)，所述触头元件将所述第二主电极(14)连接到所述功率半导体构件(18)的第二电极上，其中所述触头元件(26)和所述功率半导体构件(18)限定了电流传输方向(S)，其相对于所述第一主电极(12)至少是大致直角，
其中，所述另一电连接件(38)至少基本平行于所述电流传输方向(S)而延伸。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，各个环形组件(28,28',28")的第一圆形线(30)通过第一多边形(31)来逼近，并且各个环形组件(28,28',28")的相关联的第二圆形线(34)通过第二多边形(35)来逼近，所述第二多边形(35)具有与所述第一多边形(31)相同数量的顶点，其中所述第一多边形(31)的顶点与所述第二多边形(35)的顶点是对准的。
3.根据权利要求1和2中的任一权利要求所述的功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体模块(10)具有有源组件(42)，其中各个有源组件(42)具有承板(40,40',40")，并且所述有源组件(42)的承板(40,40',40")一起形成了所述第一主电极(12)，
各个环形组件(28,28',28")被所述有源组件(42)分成环形节段，其中所述环形节段的可控功率半导体构件(18)设置在所述承板(40)上，并且相应环形组件(28,28',28")的控制导体轨道(32)被细分成所述环形组件(28,28',28")的控制导体轨道节段(33,33',33")，其中相应环形节段的各个功率半导体构件(18)的控制电极(24)连接在相应环形节段的控制导体轨道节段(33,33',33')上。
4.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，所述环形组件不会重叠，或者没有重叠。
5.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体模块(10)的有源组件(42)全部具有相同构造。
6.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，各个触头元件(26)构造成按压触头。
7.根据权利要求3所述的功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体模块(10)具有由绝缘材料构成的框架(40)，所述有源组件(42)插入到所述框架中。
8.根据权利要求1,2和7中的任一权利要求所述的功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体模块具有中心透孔。
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