JP2012156504A - パワー半導体素子及び少なくとも１つのソーラセルに関するパワー半導体素子の配置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ソーラセルに関するパワー半導体素子の配置構造を提供する。
【解決手段】ソーラセル１０の接触エリアへの直接接続のためのパワー半導体素子２０であって、少なくとも１つの割り当てられた第１の接触エリア２２０を有する接触要素２２と、少なくとも１つの割り当てられた第２の接触エリア２８０を有する接触ラグ２８と、少なくとも１つのパワー半導体コンポーネント２４とを備えて構成されるパワー半導体素子２０にして、パワー半導体コンポーネント２４の第１のチップ接触エリアは、接触要素に接続され、パワー半導体コンポーネント２４の第２のチップ接触エリアは、接触ラグ２８に接続されるとともに、パワー半導体コンポーネント２４は、周囲の影響に対して、少なくとも１つのパワー半導体コンポーネント２４のケーシング内に閉じ込められる。
【選択図】図２

Description

この発明は、パワー半導体素子を記載し、このパワー半導体素子は少なくとも１つのソーラセルに前記パワー半導体素子を電気的に接続するための接触要素と接触ラグとを有する。また、そのための配置構造を記載する。

例えば特許文献１は、光電池モジュールを形成するために多数のソーラセル、つまり所謂光電池（photovoltaic cells）を接続することを開示している。この場合、少なくとも一群のソーラセルは、光電池モジュールごとに直列に接続されている。その結果、上述の一群は、所謂ストリングを形成する。この場合、平坦な金属成形体を用いてこれを具体化することは知られている。つまり、ソーラセルの割り当てられた接触位置にソルダリングや接着結合によって密着接続される金属細長片で具現化される。

原則として、ソーラセルの直列接続から、セルの遮蔽によって直列に接続されたソーラセルを通るソーラ電流（solar current）が遮断されることは、知られている。バイパス電流路をもたらすために、ソーラセル又は直列に接続された多数のソーラセルとバイパスダイオードが逆並列に接続される（reverse-connected in parallel）ことも、同様に知られている。

DE 103 48 542 A1

本発明は、光電池モジュールでの使用に特に適したパワー半導体素子、そして少なくとも１つのソーラセルに関する前記パワー半導体素子の配置構造を提供することを目的とする。

その目的は、請求項１の特徴を有するパワー半導体素子による発明にしたがって、そして請求項１０の特徴を有する配置構造による発明にしたがって達成される。好適な実施形態は、それぞれの従属請求項に記載されている。

本発明の出発点は、少なくとも１つのソーラセルに関する配列のためにパワー半導体素子を工夫する要請である。前記パワー半導体素子は、パワー半導体コンポーネントの特に良好な冷却を有し、同時に光電池モジュールのための製造プロセスにできるだけ上手く組み込まれ得る。

ソーラセルの接触エリアへ直接接続するために本発明に係るパワー半導体素子は、接触要素を有する。接触要素は、公知の方法によって、好ましくは密着して、ここで接触要素と接続される少なくとも１つのパワー半導体コンポーネントを、その第１のメインエリア上で担持する。以下、パワー半導体素子は、１つのパワー半導体コンポーネントだけを備えて記述される。多数のパワー半導体コンポーネントへの一般化は、業界における従来の慣行から明らかになる。この場合、パワー半導体コンポーネントは、ショットキーダイオード又はＰＮ接合を有する純粋な（pure）半導体ダイオードとなり得る。接触要素に接続される第１のチップ接触エリアがダイオードの陽極のそれとして具体化されれば好適である。

接触要素の第２のメインエリアは、ソーラセルの割り当てられた接触エリアへの同様に好ましい密着接続のため、少なくとも１つの第１の接触エリアを有している。この場合、前記ソーラセルの接触エリアは、太陽に面する方とは逆の側、即ち裏面、通常はソーラセルの陽極上に配置されていれば好ましい。

接触ラグは、また好ましくは密着して、パワー半導体コンポーネントの第２のチップ接触エリア、つまり好ましくはダイオードの陰極と、接続されている。その側で、前記接触ラグは、ソーラーセルの割り当てられた接触エリアへの接続のため第２の接触エリアを有している。前記割り当てられた接触エリアは、パワー半導体素子が配置されているそのソーラセルのその陰極に対応し得るものである。あるいは、前記割り当てられた接触エリアは、更なるソーラセルのその陽極に対応し得る。光電池モジュールの製造に関して、接触ラグは、ソーラセルを相互接続するための金属細長片と同じタイプであるように具体化されれば特に有利である。従って、接触ラグと好ましくは接触要素もまた、通常少なくともそのエリアの一部にわたりコーティングされた面を有している、アルミニウム細長片として具体化され得る。

更に、パワー半導体素子は、少なくとも１つのパワー半導体コンポーネントのケーシングを有している。この場合、ケーシングは、周囲の影響に対してパワー半導体コンポーネントを保護する形態を意味すると理解されるべきである。前記ケーシングは、プラスチックハウジングとして具体化され得る。それは、絶縁材料で充填されることが好ましい。しかしながら、プラスチックハウジングがその配列中、つまり処理プロセスにおいて、流動性のあるプラスチックから構成されていることが、ケーシングの特にコンパクトな形態にするために、特に好ましい。この配列に関して、例えばモールディング方法のように様々な方法が知られている。

更に、パワー半導体コンポーネントの良好な冷却を確実にするため、接触要素がパワー半導体コンポーネントと比べて広いエリアを備えて具体化されるならば特に好ましい。この場合、パワー半導体コンポーネントは、接触要素のエリアの最大１０パーセント、有利には５パーセントだけ覆うことが可能である。通常、上述した接触ラグの形態の場合、接触要素は、パワー半導体コンポーネントの長手方向の延びの少なくとも５倍、好ましくは１０倍となる長さを有する。

接触要素及び接触ラグが細長片として具体化され、それら細長片がそれらの長手方向の最大の延びに関して相互に垂直に配置されていれば、また好ましい。

本発明に係るパワー半導体素子の配置構造は、上述したソーラセルの裏面上の配置及び言及された更なる特徴によって区別される。この場合、同じソーラセルの表面上の少なくとも１つの接触エリアへの接触ラグの接続、又は、必ずしも隣接している必要のない、更なるソーラセルの裏面上の少なくとも１つの接触エリアへの接触ラグの接続は、バイパス電流路を形成する。従って、１つのソーラセルの又は複数のソーラセルの１つの遮蔽に関して、少なくとも限られた程度までストリングの電流発生を維持するために、バイパス電流路は、１つのソーラセルをブリッジ又は複数のソーラセルを順番にブリッジする。

この配置構造は、パワー半導体素子の少なくとも１つのパワー半導体コンポーネントが、接触要素の接触エリアの上に合わせられないように配置され、従って、直接にソーラセルと熱接触せず、むしろいわばソーラセル上に浮いていれば特に有利である。

接触要素と接触ラグのいずれか又はその両方が、好ましくは一体的に形成された冷却デバイスを有していれば同様に有利となり得る。前記冷却デバイスは、一例として接触要素や接触ラグのセクションの表面積増大エンボス部として具体化され得る。この場合、前記冷却デバイスがパワー半導体コンポーネントのすぐ隣に、又はすぐ上方もしくは下方に設けられていれば特に好ましい。

本発明の解決策は、図１から７に従う例示的な実施形態に基づいて更に詳細に説明される。

バイパス電流路を備える光電池の回路図の一部を示す回路図である。 本発明に係るパワー半導体素子を備える２つのソーラセルの裏面を示す図である。 直列回路で２つのソーラセルを示す図である。 本発明に係るパワー半導体素子の配置構造の第１の形態を示す図である。 本発明に係るパワー半導体素子の配置構造の第２の形態を示す図である。 本発明に係るパワー半導体素子の第１の形態を示す図である。 本発明に係るパワー半導体素子の第２の形態を示す図である。

図１は、バイパスの電流路を備える光起電性のモジュール（太陽電池モジュール）の回路図の一部を示す。その図は、ストリング、即ち、直列に接続された複数のソーラセル１０を示す。このようなストリングは、太陽電池モジュールの代表的なサブユニットを形成する。ＩＳは、ソーラセル１０によって発生させられたソーラ電流を意味する。バイパスダイオードの機能を有する発明に係るパワーコンポーネント２０は、１つ又は複数のソーラセル１０と並列にそれぞれ図示されている。個々のライン部分は、図２における特徴に対応して表されている。このように製造された配置構造１のこのバイパスの電流路は、それによってブリッジされたソーラセル１０の１つが例えば遮蔽又は障害の結果として、電流を発生させないとすぐにアクティブになる。この場合、電流は、部分的な電流ＩＢと共にバイパスの電流路を経由して、少なくとも１つの位置でストリングを通って流れる。

図２は、本発明に係る配置構造１において本発明に係るパワー半導体素子２０を備えた第２のソーラセル１０の裏面１０２を平面図で示す。その図は、それぞれの裏面１０２が陽極を形成する２つのソーラセル１０と、ソーラセル１０上でそれぞれ同じポテンシャルを有する複数の接触エリア１２，１３，１４とを部分的に示す。陰極を形成するソーラセル１０の表面１００にある接触エリア１６は、破線によって描かれている。

光起電性のモジュール（太陽電池モジュール）のストリングの内側で回路様式に適った接続（circuit-conforming connection）のため、ストリングを形成するソーラセル１０は、直列に接続される。この目的のため、隣接するソーラセル１０間の裏面１０２上の接触エリア１２と表面１００上の接触エリア１６は、平坦な金属成形体１８、金属細長片を用いてお互いに接続される。

バイパスの電流路は、ソーラセルの裏面の割り当てられた接触エリア１３との接続のために２つの第１の接触エリア２２０を備えた接触要素２２を有するパワー半導体素子２０として、本発明に係るパワー半導体素子に加えて存在するさらなる接続デバイスなしに、ここに設けられている。この場合、パワー半導体素子２０は、パワー半導体コンポーネント２４としてショットキーダイオードを有し、前記ダイオードの第１のチップ接触エリア２４０、即ち、陽極は接触要素２２に接続されている。この場合、ダイオード２４は、接触要素２２の接触エリア２２０と合わせられるように配置されておらず、むしろ２つの接触エリア２２０の間の中央に備えられている。その結果、ダイオード２４は、いわばソーラセル１０の上に浮き、ソーラセルによって加熱されない。その結果として全てのソーラセルが電流を供給する場合、逆電流と、そしてそれゆえに通常の操作中の損失も、少ない。

更に、ダイオード２４の陰極は、その第２のチップ接触エリア２４２によって接触ラグ２８へ接続されている。上述の接触ラグ２８は、隣接するソーラセル１０への間に延在し、その第２の接触エリア２８０によって、そこで裏面１０２の接触エリア１４へ接続される。

同じ接続技術は、ストリング内のソーラセル１０の電気的接続のためにも、またパワー半導体素子２０のソーラセル１０への接続のためにも与えられている。ソルダリング又は接着結合の方法は、特にここで実証されている。その上、金属細長片１８と接触要素２２と接触ラグ２８が同じ材料から少なくとも接触位置２２０、２２８で同じ表面構造を備えて設けられると更に好都合である。これによって、太陽電池モデュールのための公知の製造方法に関しては、パワー半導体素子２０の配置が可能である。接触要素２２と接触ラグ２８がそれらの最大の長手方向延びに関してお互いに垂直に配置されれば、同様に好都合であり、また示されている。

必要とされる電流容量が少ないので、この場合に使用されるダイオード２４は、数平方ミリメートルのエリアだけ有している。一方、典型的なソーラセル１０は、約１０センチメートルのエッジの長さを有している。従って、パワー半導体素子２０の接触要素２２のエリアは、冷却エリアが可能な限り最大で、ダイオード２４のエリアより著しく広いように、具体化される。少なくとも１対１０の割合、好ましくは１対２０の割合が有利であると実証されている。

接触ラグ２８の上述の構成の理由で、それはダイオード２４の長手方向の延びの５倍以上の長さ、好ましくは１０倍以上の長さを有する。

図３は、直列回路で２つのソーラセル１０を断面で部分的に示す。この図は、それぞれのソーラセル１０の表面１００、特徴的には陰極と裏面１０２、特徴的には陽極を示す。２つのソーラセル１０を直列に接続するため、陽極の少なくとも１つの接触エリア１２は、金属細長片１８を用いて陰極の接触エリア１６に接続される。

図４は、パワー半導体素子２０を備えた本発明に係る配置構造１の第１の構成を示す。その図は、正確なスケールではなく、深さにおいて、即ち、紙面の方向で圧縮されている。特に、ダイオード２４は、上述されているように接触要素２２の接触エリア２２０の１つと合わさらず、図２に図示されているように、むしろ紙面から奥行きにずれるように設置されていることを意味すると理解されるべきである。この一般化は、更なる描写の全てに同様に当てはまる。

更に、描写は、図２のために記載されたように、それぞれのソーラセル１０の裏面と表面の接触エリア１２，１３，１４，１６を示す。従って、パワー半導体コンポーネント２４は、接触要素２２上に更に配置される。そして、ダイオード２４の陽極は、その第１のチップの接触エリア２４０によって接触要素に接続される。ダイオードの陰極は、第２のチップの接触エリア２４２によって接触ラグ２８へ接続され、そして、接触ラグは第２の接触エリアを経由して右のソーラセル１０の裏面１０２上の接触エリア１４へ接続される。

図５は、上記配置構造１の第２の構成を示す。この第２の構成は、次の点で第１の構成と異なる。即ち、この場合、パワー半導体要素２０の接触ラグ２８は、裏面１０２でパワー半導体コンポーネント２４を備える接触要素２２を担持するソーラセル１０の表面１００の、つまり陰極の接触エリア１６と接続されている。

図６は、図４における左のソーラセルに対応するソーラセル１０上に配置された本発明に係るパワー半導体要素２０の第１の構成を示す。明瞭化のために、図７においても、パワー半導体要素２０は、ソーラセル１０から僅かに離間して描写される。原則として、図４と同じ特徴は、同一に描写され、称される。更に、ここでは外被（casing）２６が描写される。この外被は、加工処理状況で流動性のあるプラスチック２６０から構成されてなる。

上記外被２６０の配置のために、様々な方法が用いられ得る。原則として、この場合に必要なことは、接触ラグ２８と接触要素２２との間で電気的接触が防がれる限り、接触ラグ２８の固定がもたらされることである。

外被２６０がパワー半導体コンポーネント２４を周囲の影響に対して保護し、この目的のために接触要素２２への防湿接続（a moisture-proof connection）を形成することは、同様に欠かせない。

この場合、接触ラグ２８は、パワー半導体コンポーネント２４を冷却するために冷却デバイス２８２を有し、上記冷却デバイスは、パワー半導体コンポーネント２４の直近で接触ラグ２８の表面エリアの（エンボス加工の技術によって形成される）拡張部として備えられる。

図７は、このタイプの第２の構成を示す。この場合、図６とは対照的に、外被２６は、ここでは２部品で具体化された絶縁材のハウジング２６２からなっている。このハウジングは、パワー半導体素子の特に良好な機械的保護をもたらす。

上記絶縁材のハウジング２６２は、本体２６４を有する。それは、接触要素２２に密着して防湿性に接続される。更に、絶縁材のハウジング２６２は、カバー２６６を有し、このカバーは本体２６４へ密着して接続され、接触要素２２への電気的接触を防ぐために本体２６４とカバー２６６の間で接触ラグ２８をクランプする。

更に、絶縁材のハウジング２６２は、電気的に絶縁する埋込用樹脂（potting compound）２６８、即ち絶縁材料で充填される。それは、同時にパワー半導体コンポーネント２４を湿気から守る。

１ 配置構造
１０ ソーラセル
１２、１３、１４ 接触エリア
１６ 接触エリア
１８ 平坦な金属成形体（細長片）
２０ パワー半導体素子
２２ 接触要素
２４ パワー半導体コンポーネント（ダイオード）
２６，２６０ 外被
２８ 接触ラグ
１００ 表面
１０２ 裏面
２２０ 第１の接触エリア
２４０ 第１のチップ接続エリア
２４２ 第２のチップ接続エリア
２６０ プラスチック
２６２ ハウジング
２６４ 本体
２６６ カバー
２６８ 埋込用樹脂（potting compound）
２８０ 第２の接触エリア
２８２ 冷却デバイス

Claims (15)

1. ソーラセルの接触エリアへの直接接続のためのパワー半導体素子（２０）であって、
   少なくとも１つの割り当てられた第１の接触エリア（２２０）を有する接触要素（２２）と、少なくとも１つの割り当てられた第２の接触エリア（２８０）を有する接触ラグ（２８）と、少なくとも１つのパワー半導体コンポーネント（２４）とを備えて構成されるパワー半導体素子にして、
   前記パワー半導体コンポーネントの第１のチップ接触エリア（２４０）は、前記接触要素（２２）に接続され、
   前記パワー半導体コンポーネントの第２のチップ接触エリア（２４２）は、前記接触ラグ（２８）に接続されるとともに、
   前記パワー半導体コンポーネントは、周囲の影響に対して、前記少なくとも１つのパワー半導体コンポーネント（２４）のケーシング（２６）内に閉じ込められたことを特徴とするパワー半導体素子。
2. 前記パワー半導体コンポーネント（２４）は、ショットキーダイオード又はＰＮ接合を有する半導体ダイオードであり、それぞれ陽極及び陰極を有することを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体素子。
3. 前記パワー半導体コンポーネント（２４）の前記陽極は前記接触要素（２２）に電気的に導電接続され、
   前記パワー半導体コンポーネント（２４）の前記陰極は前記接触ラグ（２８）と導電接続接続されていることを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体素子。
4. ケーシング（２６）は、処理状態において流動性のあるプラスチックから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体素子。
5. ケーシング（２６）は、単一又は複合の絶縁材ハウジング（２６２）から構成され、好ましくはベースボディ（２６４）とカバー（２６６）とから形成され、その際、前記ベースボディ（２６４）は、前記接触要素（２２）に密着して接続されることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体素子。
6. 前記ベースボディ（２６４）と前記カバー（２６６）は、密着して相互に接続されていることを特徴とする請求項５に記載のパワー半導体素子。
7. 前記絶縁材ハウジング（２６２）は、絶縁材料（２６８）で充填されていることを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体素子。
8. 前記接触要素（２２）及び前記接触ラグ（２８）は、平坦な金属成形体、好ましくはアルミニウムからなる金属細長片から形成されることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体素子。
9. 前記接触要素（２２）及び前記接触ラグ（２８）は、長手方向の最大の延びに関して相互に垂直に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のパワー半導体素子。
10. 前記接触要素（２２）と前記接触ラグ（２８）の少なくともいずれか一方は、これと一体的に形成された少なくとも１つの冷却デバイス（２８０）を有することを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体素子。
11. 前記パワー半導体コンポーネント（２４）は、前記接触要素（２２）のエリアの最大でも１０パーセント、好ましくは最大でも５パーセントだけを覆うことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体素子。
12. 少なくとも１つの前記ソーラセル（１０）に関する前記パワー半導体素子（２０）の配置構造（１）において、
    前記接触要素（２２）は、前記ソーラセル（１０）の裏面（１０２）に配置され、前記ソーラセル（１０）の前記裏面（１０２）の少なくとも１つの接触エリア（１３）に、該接触要素の少なくとも１つの前記第１の接触エリア（２２０）によって電気的に接続され、
    前記接触ラグ（２８）の前記第２の接触エリア（２８０）は、同じソーラセル（１０）の表面（１００）の少なくとも１つの接触エリア（１６）か、更なるソーラセル（１０）の裏面（１０２）の少なくとも１つの接触エリア（１４）の何れか一方に導電接続され、１つのソーラセル（１０）又は複数のソーラセル（１０）のためバイパス電流路を形成することを特徴とする請求項１から請求項１１の何れかに記載のパワー半導体素子（２０）の配置構造。
13. 前記ソーラーセル（１０）の前記裏面（１０２）は、陽極を形成し、前記ソーラーセル（１０）の前記表面（１００）は、陰極を形成することを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体素子（２０）の配置構造。
14. 前記パワー半導体素子（２０）の前記接触ラグ（２８）は、前記ソーラセル（１０）の直列回路を相互に形成する平坦な金属成形体（１８）と一致して具体化されることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体素子（２０）の配置構造。
15. 前記少なくとも１つのパワー半導体コンポーネント（２４）は、前記接触要素（２２）の前記第１の接触エリア（２２０）と合わせられないように配置されることを特徴とする請求項１２に記載のパワー半導体素子（２０）の配置構造。

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