CN100533729C - 带有小寄生电感的功率半导体模块 - Google Patents

带有小寄生电感的功率半导体模块 Download PDF

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Abstract

建议了一种带有一个外壳的功率半导体模块，在外壳内设置了一个或多个半桥电路。每个半桥电路具有一个第一(顶端)功率开关和一个第二(底端)功率开关，其中每个功率开关由一个功率晶体管和一个相应的功率二极管(空载二极管)组成。该功率半导体模块还有一个正极性的直流连接端和一个负极性的直流连接端。另外，每个半桥电路中具有两个相互之间没有直接电连接的交流连接端。每个顶端晶体管与底端开关的功率二极管和一个第一交流连接端相连接，而每个底端晶体管与顶端开关的功率二极管和一个第二交流连接端相连接。

Description

带有小寄生电感的功率半导体模块
技术领域
本发明涉及一种功率半导体模块，其中该功率半导体模块内部的寄生电感与标准功率半导体模块的寄生电感相比较小。为此，需要考虑将功率半导体模块的内部电路中设计为半桥电路。同样，还可以考虑将功率半导体模块的内部电路设计为多个半桥电路组成的并联电路，下面给出了全桥电路以及三相桥式电路的例子，或者设计为由多个相应的半桥分电路组成的并联电路。为此存在多种现有技术，例如由DE 39 37 045 A1和DE 100 37 533 C1已知。
背景技术
在DE 39 37 045中描述了一种半桥形式的电路结构，用于降低在直流引线中的寄生电感。其中，两条相邻的直流引线彼此紧密排列，但在正、负极之间带有交流引线，至少部分地彼此平行排列。这样使得引线的相邻排列区域内的电流环流面积减小，从而使得这段引线部分的电感相对较小。
但是由于两个主要的原因，在DE 39 37 045中没能达到使寄生电感最小的目的。第一个原因是直流连接导体相互间没有以最短的间距设置，因为交流连接导体位于这两条直流连接导体之间。因此，在直流连接导体区域内的环流面积没有达到最小，从而导致该区域的电感不是最小。第二个原因是第一和第二功率开关彼此相隔相对较远，这同样增大了寄生电感。
DE 100 37 533 C1公开了一种新型的、开销很大但也非常有效的电路结构，用于降低寄生电感。其中，在功率半导体模块内部的所有环流面积都尽可能最小化。而缺点在于，实现这种功率半导体模块需要很高的结构开销和制造成本。
在根据所述现有技术的所有功率半导体模块中，每个半桥电路都具有一个交流电压输出。就这一点而言，取决于电流是从半桥的第一支路(顶端支路)还是从第二支路(底端支路)流过，功率半导体模块的外部布线的设计是不同的，因此上述方案存在着缺点。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种具有小寄生电感的功率半导体模块，其便于以简单方式进行制造，同时允许对交流输出进行附带的、灵活的布线。
根据本发明，该任务通过以下所述技术特征的措施来解决。
根据本发明，提供一种带有一个外壳的功率半导体模块，在外壳内设置了一个或多个半桥电路，每个半桥电路具有一个顶端功率开关和一个底端功率开关，其中每个功率开关由至少一个功率晶体管和至少一个相应的功率二极管组成，并且该功率半导体模块具有至少一个正极性的直流连接端、至少一个负极性的直流连接端，并且每个半桥电路具有至少两个相互间没有直接电连接的交流连接端，其中，顶端功率开关的至少一个功率晶体管分别与底端功率开关的至少一个功率二极管和第一个交流连接端相连接，而底端功率开关的至少一个功率晶体管分别与顶端功率开关的至少一个功率二极管和第二个交流连接端相连接。
根据本发明，提供一种带有一个外壳的功率半导体模块，在外壳内设置了多个并联排列的相同的半桥分电路，其中一个半桥电路由一个顶端功率开关和一个底端功率开关组成，每个功率开关由至少一个功率晶体管和至少一个相应的功率二极管组成，并且该功率半导体模块具有至少一个正极性的直流连接端和至少一个负极性的直流连接端，其中每个半桥分电路由带有底端功率开关的至少一个功率二极管的顶端功率开关的至少一个功率晶体管和第一个交流连接端组成，它们按照桥电路方式相互连接，或者由带有顶端功率开关的至少一个功率二极管的底端功率开关的至少一个功率晶体管和第二个交流连接端组成，它们按照桥电路方式相互连接。
根据本发明的功率半导体模块具有很小的寄生电感，但各个元件的排列与上述现有技术不同。
该功率半导体模块本身具有一个外壳。在第一种实施方式中，在其中设置了一个或多个并联的半桥电路。这些半桥电路中的每一个都具有一个第一功率开关(顶端功率开关)和一个第二功率开关(底端功率开关)，其中每个功率开关都由至少一个功率晶体管和至少一个相应的所谓空载二极管的功率二极管组成。此外，所述功率半导体模块具有至少一个正极性的直流连接端和至少一个负极性的直流连接端。根据本发明，设置在所述功率半导体模块中的每个半桥电路都具有至少两个在该功率半导体模块内部不直接彼此电连接的交流连接端。
这样来实现小寄生电感：对于每个半桥电路，将至少一个顶端晶体管与至少一个对应于底端开关的功率二极管和对应于该半桥电路的第一交流连接端相连接。同样，对于每个半桥电路，将至少一个底端晶体管与顶端开关的至少一个功率二极管和对应于该半桥电路的第二交流连接端相连接。
小寄生电感的判断标准是：在换向期间，电流流过的面积尽可能小。根据现有技术，顶端晶体管和与之相应的空载二极管彼此排列得非常靠近。在换向过程中，例如在关断顶端开关时，电流流经顶端晶体管，紧接着流过与底端开关相对应的空载二极管。同样，在通过顶端开关的空载二极管来关断底端开关的过程中也是一样的。通过将顶端晶体管和底端空载二极管配置给第一交流连接端，并且通过相应地将底端晶体管和顶端空载二极管配置给第二交流连接端，使得在换向过程中电流流过的面积小于现有技术中的配置。从而减小了功率半导体模块中的寄生电感。
此外，将交流连接端分别划分为对应于顶端晶体管和对应于底端晶体管的交流连接端允许对功率半导体模块进行灵活的外部布线。这样，可以根据电流流过相应半桥电路的第一个支路(顶端支路)还是第二个支路(底端支路)来对交流连接端的布线进行不同的设计。
在另一种实施方式中，在外壳中设置了多个相同的半桥分电路。其中如上所述，一个完整的半桥电路由一个第一功率开关(顶端功率开关)和一个第二功率开关(底端功率开关)组成。所述功率半导体模块具有至少一个正极性的直流连接端和至少一个负极性的直流连接端。此外，在该功率半导体模块的第一种实施方式中，每个分电路都具有至少一个顶端晶体管、至少一个底端开关的功率二极管、以及一个交流连接端，其中这些元件以适当的电路方式相互连接。作为替代，该功率半导体模块的第二种实施方式具有至少一个底端晶体管、至少一个顶端开关的功率二极管、以及一个交流连接端，其中这些元件都以适当的电路方式相互连接。
附图说明
本发明的构思借助于图1至4中的实施例进行详细解释。
图1示出了根据现有技术的一种带有一个半桥或三相桥式电路的功率半导体模块。
图2示出了根据本发明的带有一个半桥电路的功率半导体模块。
图3示出了根据本发明的带有一个三相桥式电路的功率半导体模块。
图4示出了根据本发明的带有一个三相桥式分电路的功率半导体模块的另一种实施方式。
具体实施方式
图1用示意图示出了现有技术中带有一个半桥或三相桥式电路的功率半导体模块。其中图1a简要示出了带有一个外壳(30)的功率半导体模块。在该外壳内设置有一个第一功率开关(顶端功率开关)和一个第二功率开关(底端功率开关)。相应的功率开关由至少一个功率晶体管(10，12)——最好是绝缘栅双极晶体管(IGBT)——和至少一个逆并联的空载二极管(20，22)组成，其中各个晶体管和相应的空载二极管相互紧挨着相邻排列。顶端开关与一个正极性的直流连接端(40)相连接，底端开关与一个负极性的直流连接端(50)相连接。此外，这两个开关还相互连接，并与一个交流连接端(60)相连接。
图1b示出了另一种带有外壳的功率半导体模块。在其中三个半桥电路并联设置，形成一个三相桥式电路。这些半桥中的每一个都如图1a所示那样实现。另外，各个顶端开关共同与正极性的直流连接端(40)相连接，各个底端开关与负极的直流连接端(50)相连接。每个半桥电路都与一个本身从外壳(30)伸出的交流连接端(60a，60b，60c)相连接。
图2示出了根据本发明的带有一个半桥电路的功率半导体模块。其中图2a简要示出了带有外壳(30)和一个半桥电路的功率半导体模块。其中，顶端开关由两个并联连接的顶端晶体管(10)——最好是IGBT——和两个同样并联连接的相应的空载二极管(20)组成。与此类似，底端开关也由两个并联连接的底端晶体管(12)和两个同样并联的相应的空载二极管(22)组成。这里每个开关的空载二极管与其他开关在空间上分开设置。
虽然半桥电路的元件已经设置得非常靠近，但最好还是将底端开关的顶端晶体管(10)和空载二极管(20)，就像顶端开关的底端晶体管(12)和空载二极管(20)一样，彼此紧挨着相邻排列。这将进一步减小功率半导体模块的寄生电感。
顶端晶体管(10)的输入端(集电极)与外壳(30)的第一个正极性的直流连接端(40)相连接。输出端(发射极)与外壳的第一个交流输出端(62)和底端开关的空载二极管(22)的阴极相连接。空载二极管(22)的阳极与外壳(30)的第一个负极性的直流连接端(50)相连接。类似地构成了由底端晶体管(12)、顶端开关的空载二极管(20)、以及外壳(30)的第二交流连接端(64)。通过将这两个交流连接端(62，64)在外部直接连接，实现了如图1a所示的现有技术的功率半导体模块的相同功能。
图2b示出了根据本发明的带有一个半桥电路的功率半导体模块的另一种实施方式。该半桥电路的元件设置与图2a中的相同。与之不同的是，该功率半导体模块分别只有一个外部的正极性的直流连接端(40)或者负极性的直流连接端(50)。此外图中还示出，第一个交流输出端(62)和第二个交流输出端(64)分别与一个线圈(82，84)相连接。这种布线作为示例给出，用于避免在电桥短路时相应开关的损坏，因为通过线圈的短路电流由于感应原理会缓慢上升，从而可以通过一个调节电路在开关发生损坏之前关断相应的开关。
图3示出了根据本发明的带有一个三相桥式电路的功率半导体模块。其中简要示出了带有一个外壳(30)和一个三相桥式电路的功率半导体模块。它由并联排列的三个半桥电路组成，如图2所示的一样。所有三个半桥的所有顶端晶体管(10a，10b，10c)的输入端(集电极)都与外壳(30)的正极性的直流连接端(40)相连接。每个半桥的输出端(发射极)则分别与外壳的第一个交流输出端(62a，62b，62c)和底端开关的空载二极管(22a，22b，22c)的阴极相连接。空载二极管(22a，22b，22c)的阳极与外壳的负极性的直流连接端(50)相连接。类似的结构由底端晶体管(12a，12b，12c)、顶端开关的空载二极管(20a、20b、20c)以及外壳的每个半桥的第二个交流连接端(64a，64b，64c)组成。
图4示出了根据本发明的功率半导体模块的另一种实施方式。其中，在第一个外壳(32a)中示出了第一种实施方式，而在第二个外壳中示出了第二种实施方式。在第一种实施方式中，在一个外壳(32a)内设置了第一个三相桥式分电路，其中这个三相桥式分电路由一个带有底端开关的功率二极管(22a，22b，22c)的并联设置的顶端晶体管(10a，10b，10c)和一个自身的交流连接端(62a，62b，62c)组成。在第二种实施方式中，在另一个外壳(32b)内设置了第二个三相桥式分电路，其中这个三相桥式分电路由一个带有顶端开关的功率二极管(20a，20b，20c)的并联设置的底端晶体管(12a，12b，12c)和一个自身的交流连接端(64a，64b，64c)组成。
这里所示的磁阻电动机(84)具有三个转子绕组。其中，第一个转子绕组的第一个连接端与本发明所述第一种实施方式的功率半导体模块的第一个分电路的交流输出端(62a)相连接。第一个转子绕组的第二个连接端与本发明所述第二种实施方式的功率半导体模块的第一个分电路的交流输出端(64a)相连接。通过类似的方式，磁阻电动机(84)的其他两个转子绕组与功率半导体模块的第二和第三个分电路相连接。
通过本发明所形成的这两种实施方式的功率半导体模块，可以使参与到换向过程中的半桥电路的各个元件紧挨着相邻设置，从而在一个共同的外壳(32a，32b)中产生很小的电感，此外，保证了与电动机——在这里是一个磁阻电机(84)——的适当的连接。

Claims (4)

1.一种带有一个外壳(30)的功率半导体模块，在外壳内设置了一个或多个半桥电路，每个半桥电路具有一个顶端功率开关和一个底端功率开关，其中每个功率开关由至少一个功率晶体管(10，12)和至少一个相应的功率二极管(20，22)组成，并且该功率半导体模块具有至少一个正极性的直流连接端(40)、至少一个负极性的直流连接端(50)，并且每个半桥电路具有至少两个相互间没有直接电连接的交流连接端(62，64)，其中，顶端功率开关的至少一个功率晶体管(10)分别与底端功率开关的至少一个功率二极管(22)和第一个交流连接端(62)相连接，而底端功率开关的至少一个功率晶体管(12)分别与顶端功率开关的至少一个功率二极管(20)和第二个交流连接端(64)相连接。
2.一种带有一个外壳(32a，32b)的功率半导体模块，在外壳内设置了多个并联排列的相同的半桥分电路，其中一个半桥电路由一个顶端功率开关和一个底端功率开关组成，每个功率开关由至少一个功率晶体管(10，12)和至少一个相应的功率二极管(20，22)组成，并且该功率半导体模块具有至少一个正极性的直流连接端(40)和至少一个负极性的直流连接端(50)，其中每个半桥分电路由带有底端功率开关的至少一个功率二极管(22)的顶端功率开关的至少一个功率晶体管(10)和第一个交流连接端(62)组成，它们按照桥电路方式相互连接，或者由带有顶端功率开关的至少一个功率二极管(20)的底端功率开关的至少一个功率晶体管(12)和第二个交流连接端(64)组成，它们按照桥电路方式相互连接。
3.根据权利要求1或2的功率半导体模块，其中所有顶端功率开关的功率晶体管(10)相互紧挨着相邻排列，并且与底端功率开关的功率二极管(22)紧挨着相邻排列；或者所有底端功率开关的功率晶体管(12)相互紧挨着相邻排列，并且与顶端功率开关的功率二极管(20)紧挨着相邻排列。
4.根据权利要求1或2的功率半导体模块，其中功率晶体管(10，12)被设计为绝缘栅双极晶体管。
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