CN102195458A - 低电感功率半导体组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低电感功率半导体组件。在此，所使用的半导体开关在主电流方向上被相继布置。

Description

低电感功率半导体组件
技术领域
本发明涉及功率半导体组件，其具有两个或更多电桥支路，这些电桥支路为了运行外部负载而分别具有相位输出端。这样的电桥支路例如可以是生成输出电势的半桥支路，但是也可以是可以在其相位输出端处提供3个或更多电势的电桥支路，如在所谓的3级或多级变流器的情况下就是这样。借助于这样的电桥支路，例如可以实现H电桥或多相变流器。
背景技术
为此，图1示例性地示出具有3个半桥支路B1、B2和B3的常规变流器的电路图，这些半桥支路分别具有上半桥支路B1T、B2T及B3T、下半桥支路B1B、B2B及B3B、以及相位输出端PH1、PH2及PH3。在相位输出端PH1、PH2及PH3处连接有共同的负载M，例如电机。在各个电桥支路B1、B2和B3方面，负载M分别具有负载电感L1、L2及L3。由于对于下面的研究而言所参与的电感占突出地位，因此将放弃对负载M和其他部件的欧姆分量的表示，但是这些分量不可避免地存在。
3个半桥B1、B2和B3中的每一个都包括两个可控半导体开关Z1/Z2、Z3/Z4及Z5/Z6，这两个可控半导体开关的负载线路串联，其中对于负载线路来说共同的节点形成相位输出端PH1、PH2、PH3。在所示示例中，负载电感被星形互连，也就是说，电感L1-L3中的每一个都与共同的星形接点处的接线端子连接。可替代地，负载电感也可以三角形地互连。在这种情况下，每个电感L1-L3都连接在两个相位输出端之间。续流二极管D1、D2、D3、D4、D5及D6分别与半导体开关Z1、Z2、Z3、Z4、Z5及Z6中的每一个反并联。为了实现变流器，半桥B1、B2和B3分别连接到中间电路电压V1上。此外，中间电路电容器C1、C2及C3分别与半桥B1、B2、B3中的每一个并联。
为了使各个电桥支路B1、B2、B3内的各个部件电互连，必须使用印制导线、连接金属片等等，由此不可避免地导致形成杂散电感。图1示例性地示出一些这样的杂散电感L4至L9。因为由于这些杂散电感L4至L9在换向期间在各个电桥支路内出现高的感应电压尖峰，这些感应电压尖峰尤其是给半导体开关Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6以及续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6造成负荷并且由此可能导致整个系统中的振荡现象，因此在常规功率半导体组件的情况下尝试将各个电桥支路B1、B2、B3内的杂散电感L4至L9保持得尽可能小。
另外的改进可以通过如下方式实现：接线和连接线路的电感L10、L11、L12、L13、L14、L15被保持得尽可能短并且被平行和对称地引导，其中所述接线和连接线路在包含半导体开关的模块中基本上垂直地远离半导体开关Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6的安装平面延伸。
尽管存在这些改进，但是仍然可能出现干扰的感应电压尖峰。在用于大电流应用的变流器的情况下，在图1中根据电开关符号示出的半导体开关Z1-Z6通常分别包括多个并联连接并且被共同激励的开关元件。在此，在各个并联的开关元件之间可以存在另外的寄生电感。这些另外的电感可能导致关于各个并联的开关元件的电流负荷的不对称性。
在公知的变流器的情况下，各个电桥支路通常以与电桥支路的主电流方向垂直的方向并排布置，这参照图1阐述。
图1中的图示被选择为使得不仅反映该装置的电路图，而且还反映可控功率半导体Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6彼此的相对位置。因此，可以给电桥支路B1、B2、B3中的每一个分配主电流方向I1、I2及I3，所述主电流方向分别由箭头表明并且大致由相应电桥B1、B2及B3的两个功率开关Z1与Z2之间、两个功率开关Z3与Z4之间、及两个功率开关Z5与Z6之间的连接线的方向来给出。各个电桥B1、B2、B3以大致垂直于这些主电流方向I1、I2、I3走向的横向Q并排布置。
由此在半桥B1、B2、B3中的换向过程中，由于电桥B1、B2、B3彼此在为此所需的连接线路中的互连导致了横向Q上的不可忽略的瞬间电流，并且由此伴随地导致感应电压尖峰，所述感应电压尖峰尤其是也由杂散电感L16、L17、L18和L19引起，这些杂散电感由连接线路的以横向Q走向的片段形成。
这在下面根据图2示例性地阐述。图2示出根据图1的处于特定运行状态下的装置，在该运行状态下，存在沿着由箭头和提高的线宽所示出的第一路径P1的电流。在功率开关Z1和Z4导通并且功率开关Z2截止的情况下，该电流从中间电路电压源V12经过杂散电感L20、L16、L10和L4、功率开关Z1、电感L1和L2、功率开关Z4以及杂散电感L7、L13和L21流回到中间电路电压源V1。
在下面的换向过程中，功率开关Z1被转换到截止状态，而功率开关Z4保持导通。紧接着在关断以后，由于尤其是在外部负载M的电感L1和L2中所存储的能量，在电感L1和L2中导致感应电流，该感应电流的方向对应于在Z1关断以前流经电感L1和L2的电流的方向。
由于功率开关Z1被关断，因此由负载电感L1、L2所引起的电流沿着同样由箭头和提高的线宽示出的第二路径P2流动，该第二路径P2在图3中示出。在此，该电流从电感L1出发经过电感L2、接通的功率开关Z4、杂散电感L7、L13、L18、L11和L5通过续流二极管D2流回到电感L1。
通过比较图2和图3能够认识到，流经杂散电感L4、L10、L16、L20和L21的电流由于换向过程而变为0或者至少显著下降，而流经杂散电感L18、L11和L5的电流产生或者显著增强。电感L4、L5、L10、L11、L16、L18、L20和L21中的这些电流变化尤其是在Z1的“硬性”关断的情况下非常快速地进行，使得导致在相应的电感L4、L5、L10、L11、L 16、L18、L20和L21上下降的高的不期望的感应电压尖峰U4、U5、U10、U11、U16、U18、U20及U21。在类似的换向过程中，在其他电路部分中也以相应的方式导致不期望的感应电压尖峰。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种具有至少两个电桥支路的功率半导体组件，以及提供一种具有至少两个彼此互连的电桥支路的功率半导体装置，其中不期望的感应电压尖峰在换向过程中的出现得到改善。
该任务通过根据权利要求1和9所述的功率半导体组件来解决。本发明的扩展方案和改进方案是从属权利要求的主题。
在本发明中已经认识到，尽管在常规装置中通过对电感L4、L5、L10、L11、L20、L21的最小化所进行的改进是或多或少充分的，但是可以通过对下面称为“横向电感”的杂散电感L16、L17、L18和L19的最小化来进行进一步的优化。迄今为止，该方面从未被考虑到，尽管在换向过程中出现不期望的感应电压尖峰这一问题几十年以来一直是公知的。
本发明的第一方面涉及一种功率半导体组件，该功率半导体组件具有：至少两个电桥支路，所述电桥支路分别具有至少两个功率开关，所述功率开关直接或间接地连接到相位输出端上，其中功率开关中的每一个都具有至少两个并联的分别被集成在半导体芯片中的开关元件。功率开关中的每一个都被布置在功率半导体模块中，并且各个功率半导体模块在第一方向上彼此相邻布置，其中功率开关的功率半导体芯片在垂直于第一方向走向的第二方向上彼此相邻地布置在相关的功率半导体模块中。
本发明的另一方面涉及一种功率半导体组件，所述功率半导体模块具有：至少一个电桥支路，所述电桥支路分别具有至少三个功率开关，所述功率开关直接或间接地连接到相位输出端上，其中功率开关中的每一个都具有至少两个并联的分别被集成在半导体芯片中的开关元件，其中功率开关中的每一个都被布置在功率半导体模块中，并且各个功率半导体模块在第一方向上彼此相邻布置，并且其中功率开关的半导体芯片在垂直于第一方向走向的第二方向上彼此相邻地布置在相关的功率半导体模块中。
附图说明
下面根据实施例参照附图进一步阐述本发明。
图1示出根据现有技术的具有3个电桥支路的变流器的电路图；
图2示出在第一运行阶段流经根据图1的变流器的电流；
图3示出在换向过程之后存在的第二运行阶段中流经根据图1和2的变流器的电流；
图4示出根据本发明的示例性地具有3个半桥支路的变流器的电路图，其中半桥支路在其主电流方向上相继布置；
图5示出用在三级变流器中的电桥支路的电路图，其中功率开关在电桥支路的主电流方向上相继布置；
图6示出根据“快速电容器（flying capacitor）”原理的用在三级变流器中的电桥支路的电路图，其中功率开关在电桥支路的主电流方向上相继布置；
图7示出连接到中间电路电压源上的根据图5的电桥支路的电路图，其中补充地示出杂散电感；
图8示出根据图4的变流器的具体构造的示例；
图9示出图8中所示变流器的包括第一电桥支路B1的片段的纵向截面；
图10示出配备有压接接触部的连接金属片的透视图；
图11示出三相变流器的截面图，其中上半桥支路和下半桥支路分别布置在单独的电路载体上并且借助于共同的条状线路彼此电连接；
图12示出三相变流器的截面图，其中每个电桥支路都被布置在单独的被构造成多层电路载体的电路载体上；
图13A示出三相变流器的俯视图，其中每个电桥支路都被构造成单个的功率半导体模块；
图13B示出根据图13A的三相变流器的截面图；
图14A示出具有共同的多层电路载体的三相变流器的俯视图；
图14B示出根据图14A的三相变流器的截面图；
图15A示出具有共同的多层电路载体并且将薄膜技术用于该多层电路载体的上侧互连的三相变流器的俯视图；
图15B示出根据图15A的三相变流器的截面图；
图16A示出具有共同的多层电路载体的三相变流器的俯视图，其中仅仅最上面的金属化层被结构化，其中将具有一个以上导体层的薄膜技术用于变流器的上侧互连；
图16B示出根据图16A的三相变流器的截面图；
图17A示出变流器的示意图，其中每个上半桥支路和下半桥支路的可控半导体芯片以及中间电路电容器被平行排列地布置；
图17B示出根据图17A的示意图，其中与根据图17A的装置相比，一个上半桥支路和一个下半桥支路的排列被交换；以及
图18示出根据图17A的装置的俯视图，其中将具有多个条状线路的条状导体用于电桥支路的互连；
图19示意性地示出具有布置在U形载体上的功率半导体模块的变流器；
图20示意性地示出矩阵变流器；
图21示出矩阵变流器的有源电路节点的第一实施例；
图22示出矩阵变流器的有源电路节点的第二实施例。
具体实施方式
在附图中，只要未另行指出，相同的附图标记表示相同或作用相同的元素。如果使用与方向有关的术语——例如“上面”、“下面”、“前方”、“后方”、“前面”、“后面”等等，则这些术语与相应附图的取向有关。但是不应将相应的陈述理解为限制性的。应当指出，本发明也可以根据在附图中未示出的其他扩展方案来实现。此外应当指出，只要未明确地另行指出或者只要没有将特定特征的组合出于技术原因排除，则下面描述的不同的示例性扩展方案的特征可以相互组合。
图4图解根据本发明的功率半导体组件的第一实施例，该功率半导体组件在所示的示例中被实现为3相变流器。该变流器包括3个半桥支路B1、B2、B3，所述半桥支路分别具有2个半导体开关或功率开关Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6。对于半桥B1、B2、B3的半导体开关Z1、Z2的负载线路来说共同的节点分别形成半桥的相位输出端Ph1、Ph2、Ph3，在所述相位输出端上可以连接负载（未示出），例如电机。
在图4中根据电开关符号示出各个半桥B1－B3的半导体开关Z1－Z6。这些半导体开关在所示的示例中被实现为IGBT，但是也可以被实现为MOSFET、JFET或者其他可关断的半导体器件。可选地将例如二极管续的流元件D1－D6与半导体开关并联。这些续流元件在半导体开关本身具有续流功能时可以被放弃，例如在IGBT、MOSFET或JFET反向导通时是这种情况。
图4中所示的电路图图解了半桥B1－B3的各个部件的电互连，并且图解了各个半桥B1－B3彼此之间以及与中间电路电容器C1－C3之间的互连，其中所述中间电路电容器分别与半桥B1－B3并联。此外，图4中的电路图表示各个半桥B1－B3和半导体开关Z1－Z6在功率半导体组件中、即在当前情况下的变流器中的空间位置。
参考图4，各个半桥支路B1－B3在第一方向L上并排布置。半导体开关Z1－Z6在半桥支路B1－B3内同样在该第一方向L上布置，使得变流器的所有半导体开关Z1－Z6都在该第一方向上并排地或彼此相继地布置。在此，第一方向L对应于各个半桥B1－B3的主电流方向I1、I2、I3。在此，半桥B1－B3的主电流方向是如下方向：半桥B1－B3的半导体开关在所述方向上布置在相应的半桥接线端子之间，其中所述半桥接线端子在该示例中是中间电路电容器C1－C3的接线端子。
在这样的装置中，可以显著改善各个半桥支路之间的干扰性的横向电感的问题。在图4中放弃根据图1至图3对杂散电感的示出。此外，通过该对横向电感L16、L17、L18和L19的减小，改善了中间电路电容器C1、C2和C3之间的耦合，由此中间电路电压中的在变流器运行时出现的波纹被可察觉地减小并且瞬间电压尖峰在较高程度上衰减。
图4中所示的功率开关Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6尤其是被实现为分立功率开关，也就是说，这些功率开关中的每一个被集成在至少一个独自的半导体芯片中。在此，这些单个的功率开关可以包括多个开关元件，这些开关元件被并联并且被共同地激励并且分别被集成在一个半导体芯片中。
图5示出例如可以在三级变流器中使用的电桥支路B1的电路图。该电桥支路B1包括4个半导体开关Z11－Z22，这些半导体开关的负载线路串联，并且这些半导体开关在对应于主电流方向的第一方向I1上并排布置。具有两个电容器C11、C12的电容分压器与电桥支路B1并联，其中电容分压器C11、C12的分接点通过第一二极管D8连接到第一和第二功率开关Z11、Z12的共同的节点上，并且电容分压器C11、C12的分接点通过第二二极管D9连接到第三和第四功率开关Z13、Z14的共同的节点上。第二和第三功率开关Z12、Z13共同的节点形成相位输出端。变流器（未示出）包括图5中所示的在第一方向上并排布置的电桥支路中的至少两个电桥支路。
图6示出根据“快速电容（flying capacitor）”原理所构造的用于三级变流器的电桥支路B1。该电桥支路与图5中所示的电桥支路的区别在于，在第一和第二功率开关Z11、Z12的共同节点与第三和第四功率开关Z13、Z14的共同节点之间设置仅仅一个电容器C10。变流器（未示出）包括图6中所示的在第一方向上并排布置的电桥支路中的至少两个电桥支路。
根据图7的电路图示出连接到中间电路电压源V12上的根据图5的电桥支路B1，其中补充地示出杂散电感。
下面根据图8来阐述用于在模块级上实现根据图4的变流器的示例。结合图8所做出的详述以相应方式也适用于具有根据图5和6的电桥支路的变流器。图8示出变流器的俯视图，其中未示出可选的壳体元件和浇注材料。
该变流器包括配备有印制导线和芯片安装面110的电路载体100，在该电路载体100上布置有功率半导体模块或芯片模块，其中功率半导体模块中的每一个都包含功率开关Z1－Z6之一及其可选的续流元件D1-D6。在此，功率半导体模块中的每两个形成电桥支路B1－B3之一。功率半导体模块在第一方向上并排地布置在电路载体100上。在轴在图8中被示意性示出的笛卡尔坐标系中，第一方向例如对应于x方向。
功率开关Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6中的每一个都包括多个并联的分别集成在半导体芯片1中的开关元件。功率开关的各个半导体芯片1在基本上横向于第一方向走向的第二方向上并排布置。在所示的坐标系中，该方向对应于y方向。该坐标系的z方向与图8中所示的符号平面垂直走向。
根据一个示例，各个功率半导体模块在第一方向上对齐地并排布置，其中如果模块具有相同的尺寸，则两个直接相邻的模块在第二方向上的偏差最高为模块在该第二方向上的宽度的20%。
被共同互连到功率开关Z1－Z6并且在所示示例中分别在第二方向上彼此相邻地布置的一组半导体芯片1具有共同的重心S1－S6。重心S1－S6被定义为使得各个半导体芯片1到该重心的距离之和最小。在另一示例中规定，将功率半导体模块布置为使得重心S1、S2、S3、S4、S5和S6在第一方向上并排存在，更具体而言使得所述重心之中没有一个与在第一方向上走向的第一直线g1相距比两个直接相邻的半导体芯片1的中心距的100%更大的距离。
在根据图8的功率半导体模块的情况下设置有例如二极管的续流元件D1－D6，所述续流元件分别包括多个半导体芯片2，这些半导体芯片2在第一方向上被布置为与功率开关Z1－Z6的具有开关元件的半导体芯片1相邻。功率开关Z1－Z6的半导体芯片1在下面也被称为开关芯片，并且续流元件的半导体芯片2在下面也被称为二极管芯片。
功率开关的这些二极管芯片2也可以在第二方向上被布置为与该功率开关的开关芯片1相邻，更具体而言例如被布置为使得开关芯片1和二极管芯片2交替。在这种情况下，两个直接相邻的开关芯片1的中心距更大，因为在两个开关芯片1之间布置有二极管芯片。重心S1－S6与直线g1的最大距离例如绝对地小于15mm或者尤其是小于7mm。
原则上，形成功率开关Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6的开关元件或半导体芯片1的数目可以任意地选择，也就是说，功率开关Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6要么可以包括恰好一个可控的开关元件，要么可以包括多个电并联的开关元件，这些开关元件通过将其栅极接线端子或基极接线端子彼此电连接而被共同地激励。形成功率半导体模块的续流元件D1－D6的半导体芯片2的数目在此不必一定与形成功率开关Z1－Z6的半导体芯片的数目一致。二极管芯片2的数目尤其是可以小于开关芯片1的数目。
开关芯片1和二极管芯片2的电互连借助于印制导线110以及借助于接合线3和金属的连接金属片4进行。但是原则上也可以选择任意其他的连接技术，例如结合层压到芯片上侧和电路载体100上侧的挠性印刷电路板结构的印制导线结构110。在所示的示例中，集成在开关芯片1中的开关元件是垂直器件。这样的开关元件的第一负载线路接线端子（漏极接线端子或集电极接线端子）由相应的开关芯片1的背侧形成，并且第二负载线路接线端子存在于开关芯片的前侧。相应地，集成在二极管芯片2中的器件是垂直器件，该垂直器件的一个接线端子由二极管芯片2的背侧形成，并且该垂直器件的另一个接线端子由二极管芯片2的前侧形成。在所示的示例中，功率半导体模块的开关芯片1和功率半导体模块的二极管芯片2以其背侧施加在共同的印制导线上。在前侧的区域中，开关芯片1和二极管芯片2通过接合线连接，以便由此将开关芯片1和二极管芯片2并联。
如图8中所示，形成功率开关Z1－Z6的各个半导体芯片1在第二方向上对齐地布置，其中两个相邻半导体芯片1在第一方向上的相互偏差最大为半导体芯片1在第一方向上的宽度的100%。
在另一示例中规定，将功率开关Z1－Z6的半导体芯片1布置在以第二方向为走向的笔直线或直线上，使得每个单个的半导体芯片的中心或重心S11－S17处于该线上或者最大与该线具有对应于芯片宽度的100%的距离。在图8中用g21、g22、g23、g24、g25及g26来表示上面布置有各个半导体芯片的笔直线或直线。
相应地也可以在续流元件D1、D2、D3、D4、D5和D6中的每一个的情况下将为了形成有关续流元件D1、D2、D3、D4、D5或D6而并联的所有二极管芯片2的重心沿着第二直线g21′、g22′、g23′、g24′、g25′及g26′布置，所述第二直线的方向与第一直线g1的方向垂直。二极管芯片2与这些直线的距离例如最大为芯片宽度的100%。
同样在图8中示出的是，电桥支路B1、B2、B3中的每一个都具有第一连接片B11、B21及B31和第二连接片B12、B22及B32，通过所述连接片可以将有关的电桥支路B1、B2及B3连接到中间电路电压（在图4中为V12）上。这些连接片中的每一个都被分配给功率半导体模块，其中在所示的示例中，第一连接片B11、B21、B31以导电方式连接到功率半导体模块B1T、B2T和B3T的印制导线上并且因此接触功率开关Z1、Z3、Z5的漏极接线端子或集电极接线端子，并且第二连接片B12、B22、B32以导电方式连接到功率半导体模块B1B、B2B和B3B的半导体芯片1的前侧上并且因此接触功率开关Z2、Z4、Z6的源极接线端子或发射极接线端子。
另外的连接片或连接带PA1、PA2、PA3形成半桥支路的相位输出端。在所示的示例中，这些另外的连接片PA1、PA2、PA3在第一方向上被布置在形成半桥支路的功率半导体模块之间。在这些另外的连接片PA1、PA2、PA3中的每一个上都连接有形成功率开关Z2、Z4、Z6的功率半导体模块B1B、B2B、B3B的印制导线110以及功率半导体模块B1T、B2T、B3T的半导体芯片1的前侧。通过这种方式，功率开关Z1、Z3、Z5的源极接线端子或发射极接线端子以及功率开关Z2、Z4、Z6的漏极接线端子或集电极接线端子连接到相位输出端的连接片PA1、PA2、PA3上。
开关芯片1的前侧上的栅极接线端子通过接合线和另外的印制导线110连接到控制接线端子G11、G12、G21、G22、G31、G33上。
接触开关芯片1的负载线路接线端子并且要么连接到中间电路电压上要么形成相位输出端的连接片或连接带在第二方向上至少近似地在功率半导体模块的整个宽度上延伸，并且沿着该宽度在多个位置处通过接合线或连接钩（Anschlussbügel）连接到开关芯片1或印制导线110上。在所示的示例中，功率半导体模块的宽度由印制导线110在第二方向上的尺寸来预先给定。通过连接片到印制导线110和开关芯片上的多重连接，可以阻止或者至少减小各个功率半导体模块内的横向电流。在这种情形下，横向电流是如下的电流：该电流在模块内在第二方向上——即横向于对应于主电流方向的第一方向——流动。连接片内的横向电流通过将这些连接片连接到在图8所示的装置上方走向的带状导体（未示出）上而被阻止。在此，这些带状导体在第二方向上的宽度例如至少对应于连接片在第二方向上的尺寸。
除了各个功率半导体模块内的横向电流以外，在根据图8的变流器的情况下还通过如下方式避免了各个电桥支路B1－B3之间的横向电流——即横向于主电流方向流动的电流：不仅将电桥支路或半桥支路B1－B1的功率半导体模块在第一方向上相继布置，而且将变流器的所有功率半导体模块都在第一方向上相继布置。
图8中所示的变流器包括3个分别具有半桥的电桥支路B1、B2、B3，其中每个半桥具有两个功率半导体模块B1T－B3T、B1B－B3B，使得总共有6个功率半导体模块在第一方向上并排布置。
替代于图4和8中所示的半桥，也可以在使用图5和6中所示的电桥支路的情况下实现变流器，其中在这种情况下，3相变流器将具有12个功率开关（每电桥支路4个）。这些功率开关的功率半导体模块可以——根据图8中的图示——在第一方向上、即在主电流方向上并排布置。但是通过如下方式就已经可以实现对横向电流的显著减小：将电桥支路的4个功率开关、即直接或间接地连接到共同的相位输出端上的4个功率开关在第一方向上并排布置。对于各个功率半导体模块彼此之间的最大偏差或各个半导体芯片的最大偏差，结合图8所做出的详述同样适用。
图9示出两个形成电桥支路的功率半导体模块以及相关连接片的纵向横截面。所示出的是第一电桥支路B1的功率半导体模块以图8所示的截平面E－E表示的横截面。在该截面图中尤其是可以良好地认出电桥支路B1的连接片B11和B12。
如图10中示例性地根据连接片B12示出的那样，图8中所示的连接片B11、B21、B31、B12、B22和B32可以被构造成有角度的金属片，这些金属片被固定在载体100的端部处。连接片可以在其整个长度上（以虚线示出）被固定在载体100处，或者如所示的那样具有多个用于固定在载体处的连接腿。在相对的端部处，连接片可以具有多个、例如至少3个连接位置B120，这些连接位置用于将连接片B12连接到带状导体或条状导体上。这些连接位置120例如可以被构造成压接接触部，所述压接接触部可以为了形成压接连接（“Press－Fit（压合）”连接）而被压入到条状导体6的相应开口中，这在图9中示例性地示出。连接位置分布在连接片的整个宽度上，以便通过整个宽度以尽可能小的接触电阻将连接片连接到条状导体6上并且由此阻止或者至少减小连接片B12中的横向电流。
可替代地，也可以将外部连接位置120构造成螺旋接线端子（必要时一个接线端子并排地具有多个螺丝）、焊接接触部、压力接触部或者弹簧接触部。
此外在根据图9的截面图中示出壳体5以及条状线路6（“Stripline（条状线）”），该条状线路6具有两个被电介质60彼此绝缘的条状导体61和62，所述条状导体用于将半桥支路B1、B2和B3连接到中间电路电压V12上。条状导体61和62被构造成扁平金属片或者薄膜，并且至少分段地以尽可能小的距离彼此平行地并且与电路载体100平行地走向。参照根据图8的坐标系，条状线路61、62在z方向上布置在功率半导体模块之上。电流在第一方向或x方向上、即在主电流方向上流经这些条状线路61、62。电流从功率半导体模块在z方向上通过连接片流到条状线路61、62中。
在根据图8的变流器的情况下，功率半导体模块布置在共同的载体100上。在使用之前阐述的将功率开关在第一方向上并排布置的原理的情况下，也可以通过如下方式模块化地构造该变流器：分别将形成变流器的功率开关Z1－Z6的开关元件分配到多个——至少两个——载体上。参照根据图8的图示，通过将载体在第二方向上划分成多个载体来获得这样的模块化构造。在图8中用UM来表示通过这样的划分所获得的变流器模块。在此，每个变流器模块都包括为了变流器的功能所需的全部功率开关，其中每个功率开关包括至少一个开关芯片。为了实现变流器，将多个——至少两个——变流器模块UM在使用汇流条（未示出）的情况下并联。在此，各个变流器模块UM在与第一方向垂直的方向上并排布置。
图11中示出安装在冷却体200上的变流器的纵向截面，其中上面和下面的半桥支路B1T、B1B、B2T、B2B、B3T和B3B分别被布置在单独的电路载体100上和单独的壳体5中。半桥支路B1T、B1B、B2T、B2B、B3T彼此之间的电互连及其到中间电路电压源V12上的连接借助于条状线路6来进行，该条状线路6包括条状导体61、62、63、64和65，这些条状导体借助于电介质60被彼此电绝缘。条状导体61和62用于连接到中间电路电压源V12上（例如参见图4），条状导体63、64、65用于将负载M（例如参见图1）连接到相位输出端Ph1、Ph2和Ph3上（例如参见图4）以及用于将上半桥支路B1T、B2T、B3T与同一半桥B1、B2及B3的相关下半桥支路B1B、B2B及B3B连接。此外，还设置有中间电路电容器C1、C2和C3，如在图4中示出的那样。
图12示出同样安装在冷却体200上的另一变流器的纵向截面。在该装置中，半桥B1、B2和B3中的每一个都布置在单独的电路载体100上，其中每个电路载体100都具有多个金属化层151、152、153，在所述金属化层之间布置有用于使金属化层151、152、153电绝缘的电介质层161、162。金属化层151、152、153可以在需要时被结构化成印制导线和/或导体面，使得电路载体100可以承担多层印刷电路板的功能。为了制造导电的连接，可以在布置在不同金属化层151、152、153中的印制导线和/或导体面之间设置电介质层161、162中的通孔接触部170。可选地，可以将电路载体100的最下面的金属化层152相对于该电路载体100的其他金属化层151、152完全电绝缘。电介质层例如可以由诸如氧化铝、氮化铝、氮化硅或者氧化铍的陶瓷构成。也可以使用由塑料构成的绝缘材料或者甚至将印刷电路板用作衬底。
到中间电路电压源上的连接同样如在根据图11的装置中那样借助于条状线路6的条状导体61、62来进行。但是与在图11所示装置中的情况不同的是，在电桥支路B1、B2和B3中的每一个内借助于上面布置有有关电桥支路B1、B2、B3的电路载体100的金属化层151、152、153来进行上半桥支路之间的连接。此外在这样的装置中，中间电路电容器C位于条状线路6上，所述中间电路电容器C与条状导体61和62电连接。在条状线路6上同样布置有可选的用于激励可控功率开关的激励电路300。
图13A和13B以俯视图及截面图示出三相变流器。该变流器针对每个电桥支路B1、B2、B3包括自己的模块装置，其中每个模块装置都具有单独的金属接合板100，在所述接合板上布置有相应的电桥支路B1、B2、B3。此外，每个模块都具有自己的壳体5，但是所述壳体5在图13B中未示出。
在根据图14A（俯视图）和14B（截面图）的三相变流器中，所有电桥支路B1、B2和B3都被布置在共同的电路载体100上，所述电路载体100在原则上可以具有如根据图12所阐述的电路载体100那样的构造。在此，也可以借助于电路载体100将电桥支路B1、B2、B3彼此互连。
在根据图13A、13B和14A、14B的装置中，到中间电路电压源的连接同样可以如根据图9至11所阐述的那样借助于条状线路进行。
在图15A（俯视图）和15B（截面图）中示出变流器的另一可能的构造技术。电桥支路B1、B2和B3在共同的电路载体100上的布置按照根据图14A和14B所阐述的原理进行。但是替代于接合线3使用薄膜技术，以便在电路载体100和在位于其上的可控半导体芯片1（包括被显示为被覆盖的二极管芯片2）的上侧实现所需的电连接。为此，在原则上任意多的位置处将介电层80和导体层90层压到该上侧上。这例如可以通过使用公知的照相技术和/或掩膜技术来进行。在使用照相技术的情况下，介电层80或导体层90例如可以被首先封闭地施加到上侧，并且然后通过照相技术被结构化，使得接下来所施加的导体层或介电层嵌入到位于其下的层的结构中。而在掩膜技术的情况下，介电层80或导体层90不作为封闭层被施加，而是仅仅被施加到所使用的掩膜的开放区域中。通过多重地使用这些技术、即彼此结合使用，可以制造准导体“板”，但是该准导体板通常不是平坦的，而是遵循尤其是半导体芯片1、2的走向。在根据图15A的俯视图中，以虚线表明介电层80和导体层90的片段，以便图解所描述的薄膜技术的原理。
在图16A（俯视图）和16B（截面图）中所示的变流器中，使用所有电桥支路B1、B2和B3共同的电路载体100，该电路载体100包括两个被陶瓷电介质层161彼此绝缘的导体层151和152，其中上导体层151被结构化成印制导线和导体面。电桥支路B1、B2和B3在装置上侧的互连借助于薄膜技术来进行，如根据图15A和15B描述的那样，但是在此使用两个结构化的导体层90和91，其中上导体层91在图16A中被除去，以便能够示出位于其下的区域。
前面所阐述的连接和接线技术——即接合线3、印制导线连接110、通孔接触部170、多层电路载体100、条状导体6和薄膜技术，可以彼此以任意组合使用。原则上可以根据所阐述的扩展方案的原理实现任意类型的变流器或者其他电单元。
图17A示出变流器的原理性构造，其中上电桥支路和下电桥支路B1T、B2T、B3T及B1B、B2B、B3B中的每一个的可控半导体芯片1分别成排布置并且走向为相关的第二直线g21、g22、g23、g24、g25、g26，所述直线的方向分别垂直于相关电桥支路的主电流方向I1、I2及I3。如图17A中所示，这些主电流方向I1、I2及I3优选为相同的，使得可以定义变流器的共同的主电流方向I。
在根据本发明的装置中，电桥支路B1T、B2T、B3T、B1B、B2B、B3B的顺序可以任意选择。因此例如在根据图17B的构造的情况下（该构造此外对应于图17A的构造），电桥支路B1B和B3T被交换，其中当然必须以合适的方式调整变流器的互连。
此外在图17A和17B中还示出，中间电路电容器C同样可以成排地并且沿着第三直线g31、g32、g33、g34、g35、g36、g37布置，所述第三直线平行于第二直线g21、g22、g23、g24、g25、g26、g27走向。
图18示意性地示出根据图17A的变流器的俯视图，该变流器具有条状线路6的多个至少分段地被平行引导的条状导体61、62、63、64、65。
在迄今为止所阐述的实施例中，分别包括功率开关Z1－Z6的功率半导体模块被布置在平面中，也就是说，电路载体100及200被构造成平面载体。如果例如给根据图8的电路载体100分配笛卡尔坐标系，其中x方向对应于之前所阐述的第一方向并且y方向对应于之前所阐述的第二方向并且z方向对应于垂直于符号平面的方向，则功率半导体模块或半导体芯片处于共同的平面中。在这种情况下，带状导体或条状导体（例如参见图9）同样被构造成平面导体。
在图19中示例性示出的另一实施例中规定：电路载体100被构造为U形，具有处于x－y平面中的底部以及两个处于x－z平面中的侧壁。在此，每个电桥支路的功率半导体模块都被布置在U形电路载体100的底部和侧壁处。模块内的功率开关Z1－Z6的开关芯片1在y方向上彼此相邻地布置。因此，开关芯片在模块内的布置以如下方向进行：该方向垂直于在其上彼此相邻地布置有功率半导体模块的空间曲线走向。在根据图8的示例中处于平面中并且在那里由直线g0形成的该空间曲线在根据图19的示例中——对应于U形载体——成角度地走向。该空间曲线在x－z平面中走向。功率半导体模块在y方向上的相互偏差——如前面所阐述的那样——最大为功率半导体模块在该y方向上的尺寸的20%。
前面所阐述的用于实现和相互布置电桥支路的方案不限于迄今为止所阐述的变流器，而是也可以应用于其他功率半导体装置中的电桥支路，例如应用于矩阵变流器中的电桥支路。
图20示例性地示出这样的矩阵变流器。该矩阵变流器具有三个在上面可以分别施加输入电势的输入端R、S、T、并且具有三个用于提供输出电势的输出端U、V、W。在每个输入端与每个输出端之间存在有源的电路节点。这些电路节点中的每一个都能够根据控制信号（未示出）的度量可选地建立从输入端到输出端的单向连接或者从输出端到输入端的单向连接或者将输入端和输出端去耦合。连接到输出端上的电路节点——例如连接到输出端U上的电路节点RU、SU、TU——分别形成电桥支路。
图21根据处于第一输入端R与第一输出端U之间的有源电路节点RU图示了这样的有源电路节点的第一实施例。相应地可以实现其他的有源电路节点。电路节点包括两个被实现为IGBT的功率开关Z21、Z22以及用于相反电流方向D21、D22的与每个功率开关Z21、Z22并联的元件。功率开关Z21、Z22以反串联方式串联，也就是说被串联为使得在所示示例中为漏极接线端子或集电极接线端子的相同的负载线路接线端子被彼此连接。但是功率开关Z11、Z22也可以被互连为使得其发射极接线端子或源极接线端子彼此连接。相应地，反向导通元件D21、D22以反串联方式被串联。如果在矩阵变流器的运行期间，有源电路节点RU的功率开关在一时刻被激励为导通，则在这种情况下，电流流经被激励为导通的功率开关和另一功率开关的反向导通元件。
参照图22，可以可替代地设置两个功率开关Z21、Z22——例如反向截止的IGBT，所述功率开关被反并联，即被连接为使得一个功率开关的漏极接线端子及集电极接线端子分别连接到另一功率开关的源极接线端子及发射极接线端子。这样的装置在功率开关分别能够使具有不同符号的电压、即两个方向上的电压截止时是可能的。
有源电路节点的功率开关Z21、Z22可以布置在功率半导体模块中。功率开关Z21、Z22中的每一个都包括多个分别集成在开关芯片中的开关元件。在此，功率开关的开关芯片——对应于根据图8的开关芯片1——在第二方向上彼此相邻地布置，而电桥支路的功率半导体模块在第一方向上彼此相邻地布置或者处于与第二方向垂直走向的空间曲线上。有源电路节点的两个功率开关Z21、Z22的开关元件可以例如像根据图8的功率开关B1T、B1B的开关芯片1那样在第一方向上彼此相邻地布置在功率半导体模块内。有源电路节点的两个功率开关Z21、Z22的开关元件也可以在第二方向上彼此相邻地布置或者在第二方向上交替地并排布置。对于功率半导体模块或开关芯片在与第二方向垂直走向的空间曲线上的布置，之前进行的详述相应地适用。
在另一实施例中规定：矩阵变流器的各个电桥支路的功率半导体模块——对应于根据图8的半桥支路的功率半导体模块——也在第一方向上布置或者布置在与第二方向垂直走向的空间曲线上，使得在这种情况下在第一方向上并排布置9个功率半导体模块。

Claims (15)

1. 功率半导体组件，所述功率半导体组件具有：
至少两个电桥支路（B1，B2，B3），所述电桥支路分别具有至少两个功率开关（B1T－B3T，B1B－B3b），所述功率开关直接或间接地连接到相位输出端（Ph1，Ph2，Ph3）上，
其中功率开关（B1T－B3T，B1B－B3b）中的每一个都具有至少两个并联的分别被集成在半导体芯片（1）中的开关元件，
其中功率开关（B1T－B3T，B1B－B3b）中的每一个都布置在功率半导体模块中，并且各个功率半导体模块在第一方向上彼此相邻地布置，
其中功率开关的半导体芯片（1）在垂直于第一方向走向的第二方向上彼此相邻地布置在相关的功率半导体模块中。
2. 根据权利要求1所述的功率半导体组件，其中两个相邻的功率半导体模块在第二方向上的相互偏差小于功率半导体模块在第二方向上的尺寸的20%。
3. 根据权利要求1所述的功率半导体组件，其中两个相邻的功率半导体模块的半导体芯片在第二方向上的相互偏差小于功率半导体模块在第二方向上的尺寸。
4. 根据前述权利要求之一所述的功率半导体组件，其中第一方向由直线来预先给定。
5. 根据前述权利要求之一所述的功率半导体组件，其中第一方向由处于与第二方向垂直走向的平面中的空间曲线来预先给定。
6. 根据前述权利要求之一所述的功率半导体组件，其中功率半导体模块中的每一个都具有扁平的载体（110），在所述载体（110）上布置有所述半导体芯片。
7. 根据前述权利要求之一所述的功率半导体组件，所述功率半导体组件此外具有至少一个扁平导体，所述扁平导体在垂直于第一和第二方向走向的第三方向上被布置为与功率半导体模块相间隔，并且所述扁平导体以导电方式连接到至少一个功率半导体模块的功率开关上。
8. 根据前述权利要求之一所述的功率半导体组件，所述功率半导体组件具有三个电桥支路，这些电桥支路分别具有至少两个功率开关。
9. 功率半导体组件，所述功率半导体组件具有：
至少一个电桥支路，所述电桥支路分别具有至少三个功率开关，所述功率开关直接或间接地连接到相位输出端上，
其中功率开关中的每一个都具有至少两个并联的分别被集成在半导体芯片中的开关元件，
其中功率开关中的每一个都布置在功率半导体模块中，并且各个功率半导体模块在第一方向上彼此相邻布置，
其中功率开关的半导体芯片在垂直于第一方向走向的第二方向上彼此相邻地布置在相关的功率半导体模块中。
10. 根据权利要求9所述的功率半导体组件，其中两个相邻的功率半导体模块在第二方向上的相互偏差小于功率半导体模块在第二方向上的尺寸的20%。
11. 根据权利要求9所述的功率半导体组件，其中两个相邻的功率半导体模块的半导体芯片在第二方向上的相互偏差小于功率半导体模块在第二方向上的尺寸。
12. 根据权利要求9或11之一所述的功率半导体组件，其中第一方向由直线来预先给定。
13. 根据权利要求9至11之一所述的功率半导体组件，其中第一方向由处于与第二方向垂直走向的平面中的空间曲线来预先给定。
14. 根据权利要求9至13之一所述的功率半导体组件，其中功率半导体模块中的每一个都具有扁平的载体，在所述载体上布置有所述半导体芯片。
15. 根据权利要求9至14之一所述的功率半导体组件，所述功率半导体组件此外具有至少一个扁平导体，所述扁平导体在垂直于第一和第二方向的第三方向上被布置为与功率半导体模块相间隔，并且所述变平导体以导电方式连接到至少一个功率半导体模块的功率开关上。
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