CN104639127A - 大功率半导体电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率半导体电路，该大功率半导体电路包括具有控制端子和第一、第二负载电流端子的大功率半导体开关以及触发电路；其中，在触发电路和控制端子之间电联接与温度相关的控制端子电阻元件；和/或其中，在触发电路和第二负载电流端子之间电联接与温度相关的负载电流端子电阻元件；和/或其中，控制端子通过第一电流支路与第二负载电流端子电连接，其中，与温度相关的控制负载电流端子电阻元件电联接到第一电流支路中。本发明在大功率半导体开关变热时降低大功率半导体开关的开关损耗。

Description

大功率半导体电路
技术领域
本发明涉及一种大功率半导体电路。
背景技术
在由现有技术已知的大功率半导体装置中，通常在基板上布置有多个大功率半导体结构元件，例如大功率半导体开关和二极管并且借助基板的导电层以及焊线和/或薄膜复合层相互导电地连接。对此，大功率半导体开关通常以晶体管、例如IGBTs(Insulated Gate Bipolar Transistor)或者MOSFETs(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)的形式存在。
对此，布置在基板上的大功率半导体结构元件通常电联接到单个或多个所谓的半桥电路，该半桥电路例如用于整流和逆变电压和电流。
例如由于从输入导线到大功率半导体开关的寄生电感，在大功率半导体开关断开时在大功率半导体开关的第一和第二负载电流端子之间出现电压峰值，如果该电压峰值变得太高，可能导致大功率半导体开关的损坏或者破坏。该电压峰值越低，大功率半导体开关断开越慢。然而大功率半导体开关断开越慢，大功率半导体开关处的开关能量损耗就越大，这对通过大功率半导体开关实现的电路(例如半桥电路)的效率有不利的影响。由于给定的物理条件，大功率半导体开关在大功率半导体开关变得越来越热的情况下比在冷态下断开得更慢，这虽然一方面降低了大功率半导体开关断开时所出现的电压峰值，但是另一方面提高了大功率半导体开关处的能量损耗，因此通过大功率半导体开关实现的电路的效率变差。
由DE 103 61 714 A1已知一种联接在大功率半导体开关的控制端子和第二负载电流端子之间的电阻元件，该电阻元件具有负的温度系数。
发明内容
本发明的目的是在大功率半导体开关变热时降低大功率半导体开关的开关损耗。
该目的通过一种这样的大功率半导体电路得以实现，该大功率半导体电路包括具有控制端子和第一、第二负载电流端子的大功率半导体开关以及与控制端子和第二负载电流端子电连接的触发电路，该触发电路用于操纵大功率半导体开关，
·其中，在触发电路和控制端子之间电联接控制端子电阻元件，其中，控制端子电阻元件热耦合在大功率半导体开关上，其中，在控制端子电阻元件的温度为175℃或者300℃时控制端子电阻元件的欧姆电阻是在控制端子电阻元件的温度为20℃时控制端子电阻元件的欧姆电阻的最大90％，和/或
·其中，在触发电路和第二负载电流端子之间电联接负载电流端子电阻元件，其中，负载电流端子电阻元件热耦合在大功率半导体开关上，其中，在负载电流端子电阻元件的温度为175℃或者300℃时负载电流端子电阻元件的欧姆电阻是在负载电流端子电阻元件的温度为20℃时负载电流端子电阻元件的欧姆电阻的最大90％，和/或
·其中，控制端子通过第一电流支路与第二负载电流端子电连接，其中，控制负载电流端子电阻元件电联接到第一电流支路中，其中，控制负载电流端子电阻元件热耦合在大功率半导体开关上，其中，在控制负载电流端子电阻元件的温度为175℃或者300℃时控制负载电流端子电阻元件的欧姆电阻是在控制负载电流端子电阻元件的温度为20℃时控制负载电流端子电阻元件的欧姆电阻的最小150％。
本发明的有利的设计方案由下文给出。
已证实有利的是，在大功率半导体电路具有控制端子电阻元件的情况下，在该控制端子电阻元件的温度为175℃或者300℃时该控制端子电阻元件的欧姆电阻是在该控制端子电阻元件的温度为20℃时该控制端子电阻元件的欧姆电阻的优选最大75％。
进一步证实有利的是，在大功率半导体电路具有控制端子电阻元件的情况下，在该控制端子电阻元件的温度为175℃或者300℃时该控制端子电阻元件的欧姆电阻是在该控制端子电阻元件的温度为20℃时该控制端子电阻元件的欧姆电阻的优选最大60％。
进一步证实有利的是，在大功率半导体电路具有负载电流端子电阻元件的情况下，在该负载电流端子电阻元件的温度为175℃或者300℃时该负载电流端子电阻元件的欧姆电阻是在该负载电流端子电阻元件的温度为20℃时该负载电流端子电阻元件的欧姆电阻的优选最大75％。
进一步证实有利的是，在大功率半导体电路具有负载电流端子电阻元件的情况下，在该负载电流端子电阻元件的温度为175℃或者300℃时该负载电流端子电阻元件的欧姆电阻是在该负载电流端子电阻元件的温度为20℃时该负载电流端子电阻元件的欧姆电阻的优选最大60％。
此外已证实有利的是，在大功率半导体电路具有控制负载电流端子电阻元件的情况下，在该控制负载电流端子电阻元件的温度为175℃或者300℃时该控制负载电流端子电阻元件的欧姆电阻是在该控制负载电流端子电阻元件的温度为20℃时该控制负载电流端子电阻元件的欧姆电阻的优选最小200％。
进一步证实有利的是，在大功率半导体电路具有控制负载电流端子电阻元件的情况下，在该控制负载电流端子电阻元件的温度为175℃或者300℃时该控制负载电流端子电阻元件的欧姆电阻是在该控制负载电流端子电阻元件的温度为20℃时该控制负载电流端子电阻元件的欧姆电阻的优选最小500％。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下面进行详细阐述。在附图中：
图1示出了一种大功率半导体装置；
图2示出了根据本发明的大功率半导体电路；
图3示出了根据本发明的大功率半导体电路的另一种设计方案；
图4示出了根据本发明的大功率半导体电路的另一种设计方案；
图5以示意性的剖面图的形式示出了在大功率半导体开关上的热耦合的各种设计方案；以及
图6示出了根据本发明的大功率半导体电路的另一种设计方案。
具体实施方式
图1示出了一种大功率半导体装置1，其示例性地形成为所谓的3相电桥电路的形式。大功率半导体装置1在本实施例的范围中具有六个根据本发明的大功率半导体电路2。图2详细地示出了根据本发明的大功率半导体电路2。在本实施例中，分别有一个续流二极管3与大功率半导体电路2电气式地反向并联，对此也可以对每个大功率半导体电路2电气式地反向并联多个续流二极管。在所示实施例的范围中，大功率半导体装置1使得来自左侧在直流电压端子DC+和DC-之间供给的直流电压在交流电压端子AC处产生3相交流电压。
每个大功率半导体电路2都具有大功率半导体开关T1，其具有第一负载电流端子C、第二负载电流端子E和控制端子G。在本实施例的范围中，第一负载电流端子C以大功率半导体开关T1的集电极的形式存在，并且第二负载电流端子E以大功率半导体开关T1的发射极的形式存在，并且控制端子G以大功率半导体开关T1的控制极的形式存在。大功率半导体开关优选以晶体管、例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)或者MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)的形式存在，其中在本实施例的范围中大功率半导体开关T1是以n-沟道的IGBT的形式存在。
此外，大功率半导体电路2具有触发电路4，其用于操纵大功率半导体开关T1，其中，触发电路4与大功率半导体开关T1的控制端子G以及与大功率半导体开关T1的第二负载电流端子E电连接。触发电路4能够具有单个或者多个集成电路和/或多个分立电子结构元件。
触发电路4通过在其端子7处相对于其端子8产生正的或者负的输出电压Ua从而产生用于操纵大功率半导体开关T1的触发信号。如果需要接通大功率半导体开关T1，那么由触发电路4产生正的输出电压Ua。如果需要断开大功率半导体开关T1，那么由触发电路4产生负的输出电压Ua。在本实施例的范围中，触发电路4对此根据由外部的控制装置(未示出)所产生的控制信号S产生触发信号。
在触发电路4和控制端子G之间电联接有控制端子电阻元件RN1。控制端子电阻元件RN1热耦合在大功率半导体开关T1上，因此，当大功率半导体开关T1变热时，控制端子电阻元件RN1被加热。控制端子电阻元件RN1与大功率半导体开关T1导热地连接。图2通过双箭头K示出了控制端子电阻元件RN1在大功率半导体开关T1上的热耦合。控制端子电阻元件RN1形成为NTC电阻(Negative Temperature Coefficient)，即，控制端子电阻元件的欧姆电阻至少在一定的温度范围中随着温度的增加而减小。控制端子电阻元件RN1至少在一定的温度范围中具有负的温度系数。根据本发明，在控制端子电阻元件RN1的温度为175℃或者300℃时，控制端子电阻元件RN1的欧姆电阻是在控制端子电阻元件RN1的温度为20℃时控制端子电阻元件RN1的欧姆电阻的最大90％、优选最大为75％，优选最大为60％。在从20℃至175℃或者至300℃的温度范围中，欧姆电阻优选随着温度的提高单调地、特别是严格单调地减小。
在本实施例中，控制端子电阻元件RN1在20℃时具有10Ω的欧姆电阻并且在175℃或者300℃时具有最大9Ω的欧姆电阻。
由于给定的物理条件，大功率半导体开关在大功率半导体开关变得越来越热的情况下比在冷态下(例如在20℃时)断开得更慢。但是大功率半导体开关T1断开的速度取决于位于控制端子G和第二负载电流端子E之间的并且与第二负载电流端子E相关联的、用于断开大功率半导体开关T1的控制端子电压Ug的下降速度。控制端子电压Ug下降地越快，大功率半导体开关T1断开地越快，即，大功率半导体开关T1断开并且中断第一和第二负载电流端子C和E之间流过的负载电流的断开速度越快。在大功率半导体开关变得越来越热的过程中，由于控制端子电阻元件RN1在大功率半导体开关T1上的热耦合使得控制端子电阻元件RN1的温度升高，这导致控制端子电阻元件RN1的欧姆电阻的减小。为了断开大功率半导体开关T1，当触发电路4产生负的输出电压Ua来代替正的输出电压Ua时，控制端子电阻元件RN1的欧姆电阻的减小引起控制电流Ig在负方向上的提高。由此，控制端子电压Ug比在控制端子电阻元件RN1的欧姆电阻未减小时下降得更快，这引起大功率半导体开关T1断开的断开速度的提高。由于控制端子电阻元件RN1的欧姆电阻的减小而引起的大功率半导体开关T1断开的断开速度的提高又反作用于由于大功率半导体开关T1变热而引起的断开速度的减小。由此至少降低甚至避免了由于大功率半导体开关T1的温度提升而出现的、大功率半导体开关T1的开关损耗的增加。
在触发电路4和大功率半导体开关T1之间优选联接额外的欧姆电阻元件R1。欧姆电阻元件R1例如可以形成为符合技术标准的碳膜电阻或金属膜电阻的形式。欧姆电阻元件R1的电阻优选具有仅相对小的温度依赖性，其优选符合碳膜电阻或金属膜电阻的技术标准。欧姆电阻元件R1能够串联控制端子电阻元件RN1、电联接在触发电路4和大功率半导体开关T1的控制端子G之间或者在触发电路4和大功率半导体开关T1的第二负载电流端子E之间。欧姆电阻元件R1保证，不依赖于大功率半导体开关T1的温度在触发电路4和大功率半导体开关T1之间电联接一定的最小的欧姆电阻。在本实施例中欧姆电阻元件R1的电阻是1Ω。
图3详细示出了根据本发明的大功率半导体电路2的另一个设计方案。对此，除了下述特征之外，图3所示的大功率半导体电路2与图2所示的大功率半导体电路2是相一致的，代替控制端子电阻元件RN1，图3所示的大功率半导体电路2具有负载电流端子电阻元件RN2，其电联接在触发电路4和大功率半导体开关T1的第二负载电路端子E之间。负载电流端子电阻元件RN2在此与控制端子电阻元件RN1相同地构造，因此，关于负载电流端子电阻元件RN2的描述参见上述关于控制端子电阻元件RN1的描述。负载电流端子电阻元件RN2热耦合在大功率半导体开关T1上，这通过双箭头K示出。在本实施例中，负载电流端子电阻元件RN2在20℃时具有10Ω的欧姆电阻并且在175℃或300℃时具有最大为9Ω的欧姆电阻。图3所示电路的工作原理与根据图2的实施例所述的工作原理相一致。
在触发电路4和大功率半导体开关T1之间优选联接额外的欧姆电阻元件R1。欧姆电阻元件R1例如可以形成为符合技术标准的碳膜电阻或金属膜电阻的形式。欧姆电阻元件R1的电阻优选具有仅相对小的温度依赖性，其优选符合碳膜电阻或金属膜电阻的技术标准。欧姆电阻元件R1能够联接在触发电路4和大功率半导体开关T1的控制端子G之间或者串联负载电流端子电阻元件RN2、电联接在触发电路4和大功率半导体开关T1的第二负载电流端子之间。欧姆电阻元件R1保证，不依赖于大功率半导体开关T1的温度在触发电路4和大功率半导体开关T1之间电联接一定的最小的欧姆电阻。在本实施例中欧姆电阻元件R1的电阻是1Ω。
控制端子电阻元件RN1和负载电流端子电阻元件RN2在技术标准上由经专门掺杂的半导体材料、例如硅构成，或者由例如锰、镍、铁、钴、钛或铜的金属氧化物构成。
图4详细示出了根据本发明的大功率半导体电路2的另一个设计方案。对此，除了下述特征之外，图4所示的大功率半导体电路2与图2所示的大功率半导体电路2是相一致的，在图4所示的大功率半导体电路2中，控制端子G通过第一电流支路9与第二负载电流端子E电连接，其中，控制负载电流端子电阻元件RP电联接到第一电流支路9中，对此，控制负载电流端子电阻元件RP热耦合在大功率半导体开关T1上，其中，在控制负载电流端子电阻元件RP的温度为175℃或者300℃时，控制负载电流端子电阻元件RP的欧姆电阻是在控制负载电流端子电阻元件RP的温度为20℃时的控制负载电流端子电阻元件RP的欧姆电阻的最小150％、优选最小为200％，优选最小为500％。电流支路9在本实施例的范围中与大功率半导体开关T1的控制端子G和第二负载电流端子E并联地电联接。在本实施例中，控制负载电流端子电阻元件RP的第一端子15与大功率半导体开关T1的控制端子G导电地连接，并且控制负载电流端子电阻元件RP的第二端子16与大功率半导体开关T1的第二负载电流端子E导电地连接。
控制负载电流端子电阻元件RP热耦合在大功率半导体开关T1上，因此，当大功率半导体开关T1变热时，控制负载电流端子电阻元件RP被加热。控制负载电流端子电阻元件RP与大功率半导体开关T1导热地连接。图4中通过双箭头K示出了控制负载电流端子电阻元件RP在大功率半导体开关T1上的热耦合。控制负载电流端子电阻元件RP形成为PTC电阻(Positive Temperature Coefficient)，即，控制负载电流端子电阻元件RP的欧姆电阻至少在一定的温度范围内随着温度的提高而增加。控制负载电流端子电阻元件RP至少在一定的温度范围中具有正的温度系数。在从20℃至175℃或者至300℃的温度范围中，欧姆电阻优选随着温度的升高单调地、特别是严格单调地增加。
在本实施例中，控制负载电流端子电阻元件RP在20℃时具有100Ω的欧姆电阻，并且在175℃或者300℃时最小具有150Ω的欧姆电阻。
在大功率半导体开关T1变得越来越热的过程中，由于控制负载电流端子电阻元件RP在大功率半导体开关T1上的热耦合使得控制负载电流端子电阻元件RP的温度升高，这导致控制负载电流端子电阻元件RP的欧姆电阻的增加。为了断开大功率半导体开关T1，当触发电路4产生负的输出电压Ua来代替正的输出电压Ua时，控制负载电流端子电阻元件RP的欧姆电阻的增加引起控制电流Ig在负方向上的提高。由此，控制端子电压Ug比在控制负载电流端子电阻元件RP的欧姆电阻未增加时下降得更快，这引起大功率半导体开关T1断开的断开速度的提高。
优选在触发电路4和控制负载电流端子电阻元件RP之间电联接欧姆电阻元件R1。欧姆电阻元件R1例如可以形成为符合技术标准的碳膜电阻或金属膜电阻的形式。欧姆电阻元件R1的电阻优选具有小的温度依赖性，其优选符合碳膜电阻或金属膜电阻的技术标准。欧姆电阻元件R1能够电联接在触发电路4和控制负载电流端子电阻元件RP的第一端子15之间或者在触发电路4和控制负载电流端子电阻元件RP的第二端子16之间。如果触发电路4内部具有相应大的、引起负的输出电压Ua下降的欧姆内阻，在温度为20℃时，如果控制负载电流端子电阻元件RP的欧姆电阻很小并因此触发电路4通过流过控制负载电流端子电阻元件RP的电流比在控制负载电流端子电阻元件RP的较高温度时受到更强的负载，那么也可以取消欧姆电阻元件R1。
在本实施例中，欧姆电阻元件R1的电阻是10Ω。
控制负载电流端子电阻元件RP在技术标准上例如由专门掺杂的硅或钛酸钡构成。
图5示例性地以示意性的剖面图的形式示出了控制端子电阻元件RN1、负载电流端子电阻元件RN2或者控制负载电流端子电阻元件RP在大功率半导体开关T1上的热耦合的各种设计方案。大功率半导体开关T1布置在基板13上。基板13优选布置在散热体14上。基板13优选形成为Direct Copper Bonded Substrat(DCB-直接键合铜的基板)或者InsulatedMetal Substrat(IMS绝缘金属基板)。通过将控制端子电阻元件RN1、负载电流端子电阻元件RN2或者控制负载电流端子电阻元件RP布置在基板13上或者大功率半导体开关T1上或者整体地集成在大功率半导体开关T1中，能够将控制端子电阻元件RN1、负载电流端子电阻元件RN2或者控制负载电流端子电阻元件RP例如热耦合在大功率半导体开关T1上。
这里应当指出，本发明的在图2至4中给出的设计方案或者说本发明的设计方案的各个特征或者说本发明的有利的设计方案的各个特征能够任意地相互结合。因此例如大功率半导体电路2能够具有控制端子电阻元件RN1和负载电流端子电阻元件RN2，或者具有控制负载电流端子电阻元件RP和控制端子电阻元件RN1和/或负载电流端子电阻元件RN2。图6给出了例如本发明的根据图2和图4所示的本发明设计方案相互结合的一种设计方案。
这里需要指出，大功率半导体电路2还能够具有通常以并联或串联的方式与大功率半导体开关T1电联接的其它大功率半导体开关，其中，其它大功率半导体开关的控制端子和第二负载电流端子以与上述类似的方式与触发电路电连接，并且其它大功率半导体开关类似于上述方式通过触发电路受到操纵。
还需要指出，本发明的针对大功率半导体开关的断开所述的工作原理在开关损耗方面以相同的方式也适用于大功率半导体开关的接通，由此，通过本发明至少降低甚至避免了由于大功率半导体开关T1的温度提升而在大功率半导体开关接通时出现的、大功率半导体开关T1的开关损耗的增加。
还需要指出，在技术标准上通常为了接通和断开大功率半导体开关，触发电路能够通过分别负责接通和断开的电流支路与大功率半导体开关相连，其中在各个电流支路中联接不同的栅极欧姆电阻。相应地也可以存在有控制端子电阻元件、负载电流端子电阻元件和/或控制负载电流端子电阻元件或者说用于断开大功率半导体开关的欧姆电阻和另一控制端子电阻元件、另一负载电流端子电阻元件和/或另一控制负载电流端子电阻元件或者说用于接通大功率半导体开关的另一欧姆电阻元件。

Claims (7)

1.一种大功率半导体电路，其包括具有控制端子(G)和第一、第二负载电流端子(C、E)的大功率半导体开关(T1)以及与所述控制端子(G)和所述第二负载电流端子(E)电连接的触发电路(4)，所述触发电路用于操纵所述大功率半导体开关(T1)，
·其中，在所述触发电路(4)和所述控制端子(G)之间电联接控制端子电阻元件(RN1)，其中，所述控制端子电阻元件(RN1)热耦合在所述大功率半导体开关(T1)上，其中，在所述控制端子电阻元件(RN1)的温度为175℃或者300℃时所述控制端子电阻元件(RN1)的欧姆电阻是在所述控制端子电阻元件(RN1)的温度为20℃时所述控制端子电阻元件(RN1)的欧姆电阻的最大90％，和/或
·其中，在所述触发电路(4)和第二负载电流端子(E)之间电联接负载电流端子电阻元件(RN2)，其中，所述负载电流端子电阻元件(RN2)热耦合在所述大功率半导体开关(T1)上，其中，在所述负载电流端子电阻元件(RN2)的温度为175℃或者300℃时所述负载电流端子电阻元件(RN2)的欧姆电阻是在所述负载电流端子电阻元件(RN2)的温度为20℃时所述负载电流端子电阻元件(RN2)的欧姆电阻的最大90％，和/或
·其中，所述控制端子(G)通过第一电流支路(9)与所述第二负载电流端子(E)电连接，其中，控制负载电流端子电阻元件(RP)电联接到所述第一电流支路(9)中，其中，所述控制负载电流端子电阻元件(RP)热耦合在所述大功率半导体开关(T1)上，其中，在所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的温度为175℃或者300℃时所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的欧姆电阻是在所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的温度为20℃时所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的欧姆电阻的最小150％。
2.根据权利要求1所述的大功率半导体电路，其特征在于，在所述大功率半导体电路(2)具有控制端子电阻元件(RN1)的情况下，在所述控制端子电阻元件(RN1)的温度为175℃或者300℃时所述控制端子电阻元件(RN1)的欧姆电阻是在所述控制端子电阻元件(RN1)的温度为20℃时所述控制端子电阻元件(RN1)的欧姆电阻的最大75％。
3.根据权利要求1所述的大功率半导体电路，其特征在于，在所述大功率半导体电路(2)具有控制端子电阻元件(RN1)的情况下，在所述控制端子电阻元件(RN1)的温度为175℃或者300℃时所述控制端子电阻元件(RN1)的欧姆电阻是在所述控制端子电阻元件(RN1)的温度为20℃时所述控制端子电阻元件(RN1)的欧姆电阻的最大60％。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的大功率半导体电路，其特征在于，在所述大功率半导体电路(2)具有负载电流端子电阻元件(RN2)的情况下，在所述负载电流端子电阻元件(RN2)的温度为175℃或者300℃时所述负载电流端子电阻元件(RN2)的欧姆电阻是在所述负载电流端子电阻元件(RN2)的温度为20℃时所述负载电流端子电阻元件(RN2)的欧姆电阻的最大75％。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的大功率半导体电路，其特征在于，在所述大功率半导体电路(2)具有负载电流端子电阻元件(RN2)的情况下，在所述负载电流端子电阻元件(RN2)的温度为175℃或者300℃时所述负载电流端子电阻元件(RN2)的欧姆电阻是在所述负载电流端子电阻元件(RN2)的温度为20℃时所述负载电流端子电阻元件(RN2)的欧姆电阻的最大60％。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的大功率半导体电路，其特征在于，在所述大功率半导体电路(2)具有控制负载电流端子电阻元件(RP)的情况下，在所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的温度为175℃或者300℃时所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的欧姆电阻是在所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的温度为20℃时所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的欧姆电阻的最小200％。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的大功率半导体电路，其特征在于，在所述大功率半导体电路(2)具有控制负载电流端子电阻元件(RP)的情况下，在所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的温度为175℃或者300℃时所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的欧姆电阻是在所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的温度为20℃时所述控制负载电流端子电阻元件(RP)的欧姆电阻的最小500％。
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