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CN106711132A - 功率半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率半导体装置，具有多个并联接线的、布置在一个平面中的同类型的功率半导体开关元件，其具有用于负载电流馈入以及用于负载电流馈出的负载电流接头，功率半导体装置限定来自负载电流馈入和负载电流馈出的每个负载电流方向的至少一个外部负载电流接头和至少一个内部负载电流接头，功率半导体装置还具有至少一个接触设备，以用于多个，尤其是所有来自负载电流馈入和负载电流馈出的同一个负载电流方向的负载电流接头一起电接触，接触设备具有多个接线片，其分别被固定在相应的负载电流接头处且外部负载电流接头的接线片的几何形状和/或曲线走向与同一个接触设备的内部负载电流接头的接线片的几何形状和/或曲线走向不同。

Description

功率半导体装置
技术领域
本发明涉及功率电子器件领域。本发明涉及一种功率半导体装置，具有多个并联接线的、相同类型的，优选被构造为完全一致的布置在一个平面中或尤其是一排中的功率半导体开关元件。对于每个开关元件设置用于负载电流馈入的负载电流接头以及用于负载电流馈出的负载电流接头。为了快速地以及无损耗地接通电流，在能量、转换以及传输技术中通常使用功率晶体管，特别是具有绝缘栅的双极型晶体管(IGBT’s)。为了能够接通更高(尤其是在1kA的数量级或更高)的电流，在此多个单独的功率半导体开关元件(下文中也称作功率晶体管)被电并联地连接。因此，功率晶体管通常被汇集在模块中，这实现了在安装和更换时的简化的操作，允许了限定的和优化的冷却、起到了一些安全方面的作用等。因此在模块的内部通常形成由功率晶体管的子集组成的部件组或子模块。
背景技术
在功率半导体装置的开关特性方面被普遍期望的是，能够尽可能快速地接通和切断电流。尤其是在电压控制的功率晶体管的情况下，在这种情况下在第一功率电极和第二功率电极之间的电流能够借助施加在第一控制电极和第二控制电极之间的控制电压来接通，这会由于电感效应而复杂化。该电感效应不仅仅涉及控制电压以及引起有效的控制电压与预定的控制电压的偏差，还涉及负载电流馈出和负载电流馈入。
此外，由于所谓的反电感，电感的影响还由在时间上变化的电流通过剩余的功率晶体管实现。在有电流流过的导体中，也在负载电流接头的周围形成磁场。在接头流过的电路引起磁通的形成。该磁场如何在围绕有电流流过的导体的空间中扩展以及由此导致的磁通量的大小取决于环境的磁特性。因此不仅仅是在环境的中的材料的磁特性，由其他负载接头引起的已经存在的其他磁场同样扮演着决定性的因素。通过并联连接的至少两个功率半导体开关，产生单个引导负载电流的路径磁性影响，使得其电感强度可以是不同的。这导致了首先在接通瞬间期间的非对称的电流分布，使得总的功率半导体装置的开关特性由此被影响。
已经示出，当用于负载电流馈入以及用于负载电流馈出的负载电流接头在几何构造上被非常近的，例如尽可能相邻的布置，由于反电感引起的效应在由多个功率半导体元件组成的功率半导体装置的情况下能够保持得尽可能小，从而使得其磁场能够被电感衰减地彼此影响。这在这样的装置的内部能够无问题的实现，然而，由于几何布置这个问题仍然存在于外部的负载电流接头，其没有能够对应于相反电流方向的负载电流接头，以引起电感的衰减。总体来说，对于由多个功率半导体开关元件组成的装置来说，仍留的问题在于，设置的、由关于装置的几何中点处在外部的负载电流接头或外部的配对围城的磁场与由关于装置的几何中点处在内部的负载电流接头或内部的配对围成的磁场不同，并且进而由于该差异性，尤其是非对称性，外部功率半导体开关元件的开关特性的不期望的故障有别于内部功率半导体开关元件的开关特性的不期望的故障。
基于上述背景技术，本发明的目的在于，提供一种具有多个并联接线的、优选被构造为完全一致的布置在一个平面中或尤其是一排中的功率半导体开关元件的功率半导体装置，其开关特性被优化，尤其是在单个功率半导体开关元件的开关特性更好地彼此适配的情况下。该目的通过根据权利要求1所述的功率半导体装置实现。优选的实施方案分别是从属权利要求的内容。需要指明的是，在权利要求中的单独实施的特征能以任意地、在技术上有意义的方式彼此组合并说明本发明的其他实施方式。尤其是结合附图的说明书附加地表征并详细说明了本发明。
发明内容
本发明涉及一种功率半导体装置，其具有多个并联接线的、布置在一个平面中的相同类型的功率半导体开关元件。每个功率半导体开关元件具有每个负载电流方向的一个负载电流接头，也就是用于负载电流馈入的负载电流接头以及用于相反的负载电流方向的负载电流接头，也就是负载电流馈出。因此根据本发明提出，功率半导体装置涉及每个来自负载电流馈入和负载电流馈出的负载电流方向的多个负载电流接头。术语“相同类型的”是广义的并且表示这些功率半导体开关元件例如是在构造的方面一致且并不强制其具有完全一致的开关特性。例如对于功率半导体开关元件而言分别涉及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体-场效应晶体管)。此外，能够设置第二(不同的或相同的)数量的反并联连接的二极管，尤其是防护二极管(Schutzdioden)(英语：“空转”二极管、“吸收”二极管或“回扫”二极管，尤其是在功率半导体开关元件中，其作为或是被使用在桥或半桥电路中。优选功率半导体装置的至少功率半导体开关元件的子集被构造为完全一致的。对于绝缘布置的功率半导体开关元件理解为基本上具有完全一致的电开关特性。附加的，还能设置完全一致的构造方式和/或完全一致的尺寸和/或完全一致的电连接。
根据本发明，所述功率半导体装置还具有至少一个接触设备，以用于多个，尤其是所有来自负载电流馈入和负载电流馈出的同一个负载电流方向的负载电流接头电接触。例如两个接触设备，一个设置用于负载电流馈入而另一个设置用于负载电流馈出。接触设备例如由能导电的材料，例如金属或金属合金构成。接触设备具有多个接线片，其被构造为并且设置为分别被固定在相应的负载电流接头处。上述固定意味着例如借助螺旋固定件固定在相应的负载电流接头处。接触设备被理解为负载电流接头处的一部分，其至少包括用于直接邻接的布置在对应的负载电流接头处的特定的部段。优选的，接触设备具有关于负载电流馈入或关于负载电流馈出的共同导体部段，并且接线片是在这个共同的导体部段与所述的负载电流接头之间布置的用于向着所述的负载电流接头或来自所述的负载电流接头的电流支路的其余的特定的部段。优选的，负载电流馈入和负载电流馈出的接触设备被构造为彼此对称的。
接线片例如光刻地或冲压地以及如可能的由压印成型的扁平导体，例如金属条带。
依据本发明，功率半导体装置限定，也就是限定多个功率半导体开关元件的几何上的和空间上的布置，对于相应的负载电流方向考虑至少一个外部负载电流接头和至少一个内部负载电流接头。术语“内部”和“外部”分别涉及相应的负载电流接头与功率半导体装置的几何中点的距离，从而使得在数值上，分别相对于功率半导体装置的几何中点，外部负载电流接头的间距大于内部负载电流接头的间距。
为了改善开关特性，至少内部功率半导体开关元件优选设置为使得除了最外部的负载电流接头位置，也就是除了距功率半导体装置的几何中点的最远处布置的负载电流接头，负载电流布置的其余的负载电流接头被布置为，一个功率半导体开关元件的负载电流馈入与另一个功率半导体开关元件的负载电流馈出紧邻地布置。通过不同的功率半导体开关元件的负载电流接头的几何上的配对能够使其的开关特性通过减小电感性的电阻来改善。
根据本发明，至少一个最外部的负载电流接头的接线片的几何形状和/或曲线走向与同一个接触设备的内部负载电流接头的接线片的几何形状或曲线走向不同。术语几何形状是广义的并且例如涉及尺寸。通过几何形状的变化或接线片的曲线走向或它们的组合可能的是，如开头所描述的，由接头的布置的给出的不均匀性，特别是围绕负载电流的磁场的不对称性以及由此带来的电感反作用进而多个功率半导体开关元件的开关特性能够相互适配。
优选的，接触设备的至少一个最外部负载电流接头的接线片的几何形状和/或曲线走向与内部负载电流接头的接线片的几何形状和/或曲线走向不同。进一步优选的，接触设备的至少一个最外部负载电流接头的接线片的几何形状和/或曲线走向与同一个接触设备的所有其余的负载电流接头的接线片的几何形状或曲线走向不同。最外部负载电流接头被理解为具有相对于装置的几何中点的最大间距的、同一个负载电流方向的并且进而通过同一个接触设备进行接触的负载电流接头。这里能够涉及每个负载电流方向上的一个或多个负载电流接头，通常是一个负载电流接头。
优选的，固定在所述内部负载电流接头的所述接线片相较于被固定在同一个接触设备的所述外部负载电流接头的所述接线片具有不同的，优选更小的最小横截面。最小横截面被理解为与负载电流方向上的相应的接线片的变化走向中的负载电流方向垂直的最小的导体横截面。优选的，最小横截面与金属扁平导体组合地设置，例如功率半导体装置的所有接线片被构造为由金属片、例如铜片构成的扁平导体。优选地，接触设备分别被构造为例如通过冲压、由金属片、例如铜片构成的扁平导体。
优选的，被固定在所述内部负载电流接头的所述接线片的曲线走向相较于被固定在所述外部负载电流接头的所述接线片具有不同的，优选更大数量的弯折和/或不同的，优选更大数量的曲率，换言之具有不同的、优选更小的曲率半径。例如外部接线片被构造为平的而内部接线片为多次弯折的。弯折和曲率被理解为在负载电流方向上的相应的接线片的曲线走向的方向变更或方向变化。
优选的，被固定在所述内部负载电流接头的所述接线片相较于被固定在所述外部负载电流接头的所述接线片具有不同的，优选更大数量的间隙和/或不同的，例如更大数量的断面。
根据另一优选的实施方式，被固定在所述内部负载电流接头的所述接线片相较于被固定在所述外部负载电流接头的一个负载电流方向的同一个接触设备的接线片具有不同的、优选更小的与具有相反的负载电流方向的另一接触装置的接线片的重叠。
通过上述的单独或组合使用的方案，能够通过简单的、结构上的手段抵消由接头的布置带来的围绕负载接头的磁场的不均衡性以及由此引起的在功率半导体开关元件的开关特性上的不均衡性。
根据优选的变体来自负载电流馈出和负载电流馈入的负载电流方向中的一个的多个负载电流接头的固定点限定共同的线或平面，并且固定在所述内部负载电流接头的接线片相较于关于该线或平面的被固定在所述外部负载电流接头的接线片具有远离相应的负载电接头的弧度例如外部负载电流接头被构造为平的并且被布置在平面中以及内部负载电流接头具有拱形的弧度。
依据本发明，还设置有用于磁屏蔽的能导电的层。用于磁屏蔽的能导电的层理解为这样的层，即基于其装置特性适用于至少一个相应的负载电流接头，以至少影响通过该相应的负载电流产生的磁场，例如通过场线的弯曲。优选的，相较于没有设置用于磁屏蔽的能导电的层的情况下的磁场状况，用于磁屏蔽的能导电的层被布置为在该负载电流接头的方向上抑制通过通流过相应的负载电流接头的负载电流引起的磁通。
优选的，层实质上由软磁的，例如永磁材料，由例如铜、铝、铁的金属和/或例如钢或例如是高导磁合金镍铁合金的金属合金构成。例如为金属片，例如是U型弯折的金属片或通过机械、化学、热力学或热机械工艺，特别是物理和化学气相陈述或喷溅涂覆的涂层、在另一实施方式中，层涉及薄膜或膜层构造。基于涡流电感而考虑将能导电的、金属材料的应用于磁屏蔽。为了电隔离，层例如优选由绝缘材料，例如塑料包围。
在此至少一个外部负载电流接头被设置，其至少在其相对磁屏蔽的装置的最小间距方面与同一个负载电流方向的内部负载电流接头不同。通过相对于引起磁屏蔽的装置的间距的变体，如上文所述地能够抵消由接头的布置带来的围绕负载接头的磁场的不均衡性以及调节多个功率半导体开关元件的开关特性上。
依据本发明设置了，对于每个负载电流方向，最外部负载电流接头具有相对于用于磁屏蔽的装置具有最小的最小间距，以便在该负载电流接头处(一般具有相对于相反定向的电流方向的负载电流接头或在其附近区域中的相反定向的电流方向的最小负载电流接头的最大距离)有效地减小电感电阻并且进而引起所述的最外部功率半导体开关元件的开关特性的改善。
基于优选的变体，能导电的层至少逐段地沿着所述功率半导体装置的多个延伸方向中的一个延伸，优选仅仅沿着所述功率半导体装置的多个延伸方向中的一个延伸。
优选的，功率半导体装置包括散热器并且用于磁屏蔽的能导电的层被固定在所述散热器处或由所述散热器构造。
优选的，能导电的层由所述功率半导体装置的另一电接线设备提供。例如该能导电的层是引起交流电压的功率半导体装置的接头设备的组成部分。
优选的，功率半导体装置包括多个、包含由一个或多个功率半导体开关元件组成的子集的模块，并且所述模块具有各一个包围相应的子集的模块壳体。用于磁屏蔽的能导电的层例如由至少一个模块壳体提供或固定在至少一个模块壳体处，例如通过力配合、形状配合以及材料配合。例如子集包括一致数量的功率半导体开关元件。
优选地，所述功率半导体装置被构造为一致的。模块壳体的材料包含塑料，例如玻璃纤维加强的和/或热塑的塑料。
优选的，所述模块壳体具有相对于由所述功率半导体装置限定的所述平面垂直的长边缘和短边缘并且被布置为使得除了最外部的所述模块壳体，模块壳体的各一个长边缘与另外的模块壳体的一边缘紧邻地，例如邻接地布置。
在上述的装置中，用于磁屏蔽的能导电的层优选被固定在所述模块壳体的长边缘处或由所述模块壳体的长边缘构造，优选仅仅固定在所述模块壳体的长边缘处或仅仅由所述模块壳体的长边缘构造。
本发明还涉及一种将前述实施方式中的一个功率半导体装置作为变流器的应用。变流器可以理解为静止的电器件或装置-其意味着没有活动的部件，但不是必须静止的-以用于馈入的电流类型(直流、交流)转换为另外的或用于改变如电压或频率这样的特性参数。
附图说明
本发明的这些和其他的目的、优点以及特征将通过下文中结合附图详细地描述的本发明的优选实施例而变得明显。
图1是根据本发明的实施例的功率半导体装置的示意图；
图2是根据本发明的其他实施例的功率半导体装置的示意图；
图3至图6是根据本发明的实施例的接线片的实施方式的示意图；
图7和图8是根据本发明的其他实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了由三个一致地并联连接的、在共同的平面上线状地布置的半桥模块2a、2b、2c组成的功率半导体装置1，其具有带有一致地在其中容纳的并且一致地布置和接线功率半导体开关元件的完全一致的壳体。负载电流接头3a用于负载电流馈入以及负载电流接头3b用于负载电流馈出。负载电流接头3a和负载电流接头3b分别通过未示出的接触设备接触并且负载电流分别经由它们被馈入和馈出。在图1省略了接触设备的图示。通过圆圈10a和10b指明了相应的通过负载电流引起的磁通线。模块2a、2b、2c的布置在与负载电流接头3a、3b相对设置的负载电流方向上布置得尽可能彼此邻近，这种布置引起内部磁场线10i，也就是对于靠近该布置的几何中点的负载电流接头3a、3b的磁场线的密度大于外部负载电流接头3a、3b的磁通线10a的密度。这种磁场情况引起相较于一个外部负载电流接头的、负载电流接头3a和3b中的一个内部负载电流接头的不同的磁阻。导致的电感间接地与磁阻成比例，也就是说，内部电感小于负载电流接头3a、3b的外部负载电流接头的电感。这导致在连接的。设置在模块2a、2b、2c内部的功率半导体开关元件的开关特性的不利的非对称。为了补偿或均衡不同的电感，依据本发明的教导，如图2所示，各一个特定的接触设备5和5`用于来自负载电流馈入S和负载电流馈出S`的同一个负载电流方向的所有负载电流接头的共同的电接触。接触设备5和5`分别具有多个接线片5a、5b、5c。在下文中仅是示例性地针对为负载电流馈入S设置接触设备5进行描述，其中该方案同样地适用于负载电流馈出S`的接触设备5`。接线片5a、5b、5c分别被固定在相同的负载电流方向的相应的负载电流接头处。不同之处在于在图2中示出的实施方式中的单个接线片的几何形状。因此关于装置1的几何中点，外部的、在这里最外部的负载电流接头的接线片5a具有相对于电流方向垂直的、大于内部负载电流接头的接线片5b、也大于接线片5c以及进而大于接触设备5的所有其余的接线片的导线横截面。针对相反的电流方向设置的接触设备5`被相应地构造并且具有最外部负载电流接头的接线片5a`，其具有比同一个接触设备5`的其余负载电流接头的接线片5b`和5c`更大的导线横截面。在本发明的情况下，这个横截面差异通过外部接线片5a以及5a`的相较于内部接线片5b、5c和5b`、5c`具有更大的宽度Ba以及B'a来实现。
根据图3至图6进一步阐述其他变体，显著地通过这些变体，(通过在所述接线片处单独或组合地使用本发明的方案)能够实现电感适配。图3示出了实施方式，其中借助用于内部负载电流接头的接触片5b的断面ES，相应的电感能够相对于外部负载电流接头的接线片5a的改变。图4示出了实施方式，其中借助间距保持器，能够实现相对于外部负载电流接头的接线片5a的用于内部负载电流接头的接触片5b的曲线变化以及弧度以及通过负载电流接头的固定点8限定的平面E。图5示出了实施方式，其中借助多个弯折能够实现相对于外部负载电流接头的接线片5a的用于内部负载电流接头的接触片5b的曲线变化以及弧度以及通过负载电流接头的固定点8限定的平面E。图6示出了实施方式，其中外部负载电流接头的接线片5a`在几何形状上与同一个接触设备5`的内部负载电流接头的接触片5b`这样区分，使得与相反的负载电流方向的接触设备5的相邻的接线片5a和5b的重叠不同。前述方案适用于影响在负载电流馈入以及负载电流馈出中的有效电感并且进而抵消由于模块的布置的带来的、由于磁场的相互作用的在开关特性上的不均衡性。作为对方案的补充也可以考虑其他方案，其依据图7和8被示例性地示出。为了附加的电感适配，外部功率半导体开关元件或模块2c尤其被设置为例如是能导电的层6，例如以U型的形状逐段地包围所述模块2c的金属片。图8示出了实施方式，其中能导电的层6被固定在散热器7处并且各自平行地且彼此紧邻地朝功率半导体装置1的外部模块2c的边缘延伸。通过在相应的层6中的涡流电感引起磁屏蔽，其支持性地在由接线片的几何形状或走向变化引起的电感适配时起作用。

Claims (17)

1.一种功率半导体装置(1)，具有多个并联接线的、布置在一个平面中的相同类型的功率半导体开关元件(2a，2b，2c)，所述功率半导体开关元件具有用于负载电流馈入(S)的负载电流接头(3a)以及用于负载电流馈出(S`)的负载电流接头(3b)，其中所述功率半导体装置(1)限定来自负载电流馈入和负载电流馈出的每个负载电流方向的至少一个外部负载电流接头和至少一个内部负载电流接头，其中所述功率半导体装置(1)还具有至少一个接触设备(5，5`)，以用于将来自负载电流馈入和负载电流馈出的同一个负载电流方向的多个，尤其是所有的负载电流接头(3a，3b)一起电接触，其中所述接触设备(5，5`)具有多个接线片(5a，5b，5c，5a`，5b`，5c`)，其分别被固定在相应的负载电流接头处，并且其中外部负载电流接头(5a，5a`)的所述接线片的几何形状和/或曲线走向与同一个接触设备(5，5`)的内部负载电流接头的所述接线片(5b，5b`)的几何形状和/或曲线走向不同。
2.根据前述权利要求所述的功率半导体装置(1)，其中被固定在所述内部负载电流接头的所述接线片(5b)相较于被固定在所述外部负载电流接头的同一个接触设备(5)的所述接线片(5a)具有不同的，例如更小的最小横截面。
3.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中被固定在所述内部负载电流接头的所述接线片(5b)的曲线走向相较于被固定在所述外部负载电流接头的同一个接触设备(5，5`)的所述接线片(5a)具有不同的，例如更大数量的弯折和/或不同的，例如更大数量的曲率和/或不同的，例如更大程度的曲率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中固定在所述内部负载电流接头的所述接线片(5b)相较于被固定在所述外部负载电流接头的所述接线片(5a)具有不同的，例如更大数量的间隙和/或不同的，例如更大数量的断面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中固定在所述内部负载电流接头的接线片(5b)相较于被固定在所述外部负载电流接头的、一个负载电流方向的同一个接触设备的所述接线片(5a)具有不同的、例如更小的与具有相反的负载电流方向的另一接触装置的接线片的重叠(U)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中来自负载电流馈出和负载电流馈入的负载电流方向中的一个的所述多个负载电流接头(3a，3b)，尤其是相应的接线片的固定点(8)被布置在共同的假想平面(E)中或共同的假想线中，并且固定在所述内部负载电流接头的接线片相较于被固定在所述外部负载电流接头的接线片关于所述平面或所述线具有远离相应的负载电接头的不同的、例如更大的弧度(H)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中还设置有用于磁屏蔽的能导电的、优选电隔离的层(6)。
8.根据前述权利要求所述的功率半导体装置(1)，其中所述外部负载电流接头在相对于能导电的所述层(6)的最小间距方面不同于同一个接触设备的所述内部负载电流接头。
9.根据前述权利要求所述的功率半导体装置(1)，其中所述外部负载电流接头相对于能导电的所述层的最小间距小于所述内部负载电流接头相对于能导电的、电隔离的所述层的最小间距。
10.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中能导电的所述层具有例如永磁的软磁材料，例如铜、铝、铁的金属和/或例如钢或镍铁合金的金属合金，优选是高导磁合金的金属合金。
11.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中能导电的所述层(6)至少逐段地沿着所述功率半导体装置(1)的多个延伸方向中的一个延伸，优选仅仅沿着所述功率半导体装置(1)的多个延伸方向中的一个延伸。
12.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中所述功率半导体装置(1)包括散热器(7)并且能导电的所述层(6)被固定在所述散热器(7)处或由所述散热器(7)构造。
13.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中能导电的所述层(6)由所述功率半导体装置的另一电接线设备提供。
14.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中所述功率半导体装置包括多个模块(2a，2b，2c)，所述多个模块(2a，2b，2c)包含由一个或多个功率半导体开关元件构成的子集，并且所述模块分别包括一个包围相应的子集的模块壳体。
15.根据前述权利要求所述的功率半导体装置(1)，其中所述功率半导体装置的模块壳体被构造为一致的。
16.根据前述权利要求所述的功率半导体装置(1)，其中所述模块壳体具有分别相对于所述平面垂直的长边缘和短边缘，并且被布置为使得除了最外部的所述模块壳体，一个模块壳体的长边缘分别与另一模块壳体的边缘紧邻地，例如邻接地布置。
17.一种将根据前述权利要求所述的功率半导体装置(1)作为变流器的应用。
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