CN110892524A - 接触板内具有气体膨胀腔的旁路晶闸管装置 - Google Patents

接触板内具有气体膨胀腔的旁路晶闸管装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110892524A
CN110892524A CN201880046692.XA CN201880046692A CN110892524A CN 110892524 A CN110892524 A CN 110892524A CN 201880046692 A CN201880046692 A CN 201880046692A CN 110892524 A CN110892524 A CN 110892524A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gate
cathode
electrode
bypass thyristor
anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880046692.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110892524B (zh
Inventor
T.维克斯特雷姆
R.鲍曼
S.波普洛
B.奥厄德加德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Energy Co ltd
Original Assignee
ABB Grid Switzerland AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Grid Switzerland AG filed Critical ABB Grid Switzerland AG
Publication of CN110892524A publication Critical patent/CN110892524A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110892524B publication Critical patent/CN110892524B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/58—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries
    • H01L23/62—Protection against overvoltage, e.g. fuses, shunts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/20—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device gaseous at the normal operating temperature of the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/04—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls
    • H01L23/043—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction and having a conductive base as a mounting as well as a lead for the semiconductor body
    • H01L23/051—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls the container being a hollow construction and having a conductive base as a mounting as well as a lead for the semiconductor body another lead being formed by a cover plate parallel to the base plate, e.g. sandwich type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/492—Bases or plates or solder therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/08—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/083—Anode or cathode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices
    • H01L29/0834—Anode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices, e.g. supplementary regions surrounding anode regions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/08—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/083—Anode or cathode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices
    • H01L29/0839—Cathode regions of thyristors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1012—Base regions of thyristors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/417—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/41716—Cathode or anode electrodes for thyristors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/145—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/155—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/162—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only in a bridge configuration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Thyristors (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

旁路晶闸管装置（20）包括：半导体装置（22），其提供晶闸管（24），晶闸管（24）具有阴极侧（28）上的阴极电极（26）、阴极侧（28）上的被阴极电极（26）环绕的栅电极（30）和阳极侧（32）上的阳极电极（34）；导电盖元件（38），其设置在阴极侧（28）上并且在接触侧（50）上与阴极电极（26）电接触；以及栅极接触元件（46），其电连接到栅电极（30）并且设置在盖元件（38）的接触侧（50）中的栅极接触开口（48）中；其中盖元件（38）在面对阴极侧（28）的接触侧（50）中具有气体膨胀体积（56），该气体膨胀体积（56）与栅极接触开口（48）互连以便进行气体交换。

Description

接触板内具有气体膨胀腔的旁路晶闸管装置
技术领域
本发明涉及旁路晶闸管装置和具有这样的旁路晶闸管装置的转换器单元。
背景技术
模块化多级（multi-level）转换器（MMC）可以将电功率从高压交流电（AC）转换成直流电（DC），或反之亦然。应用示例是高压直流（HVDC）输电系统，其远距离或在不同频率的AC功率系统之间输送电能。为了转换高压（诸如几百kV）和高功率（例如在GW范围内），转换器站可以包括多个这样的MMC。
每个MMC可以利用级联的独立逆变器子模块或转换器单元，逆变器子模块或转换器单元各自具有它自己的存储电容器，其也可以称为单元电容器（cell capacitor）。在MMC的相位支路中，转换器单元通常串联连接。转换器单元可以彼此独立地受控，使得可以在如转换器单元可用的那样多的级中从DC电流生成AC电流。
MMC转换器通常设计成通过将转换器单元的数量增加至比所需要的还多的转换器单元来包括冗余度。在失效的情况下，失效的转换器单元可能必须被放电和旁路以避免对DC链路电容器过充电。该功能通常由旁路开关提供。转换器单元中存储的能量可能是极大的，甚至超过100kJ，从而使得在对转换器单元本身或周围单元不造成更多损坏的情况下将转换器单元放电成为挑战。
这样的旁路开关的一个可能性是由爆炸物驱动的机械开关。这样的烟火装置可能昂贵并且可能需要努力使它在结构上适合转换器使得它能容易被更换和维修，同时保持体积、杂散阻抗和电容最小。另外，爆炸装填物可能需要例行更换以确保功能，并且机械部件可能需要维护。在旁路开关自身的失效的情况下，它在断开状态下失效使得电容器可能由于过充电而被破坏。
作为另外的示例，WO 2013/044961 A1描述了晶闸管作为旁路晶闸管的使用。
EP 0220698 A2涉及具有圆形外壳的晶闸管，其中栅极接触通过盖板中的狭缝（slit）并且通过绝缘环中的径向开口引导到外侧。
发明内容
本发明的目的是为转换器单元提供可靠、易于集成、易于维护且经济的旁路开关。
该目的由独立权利要求的主题实现。另外的示范性实施例从从属权利要求和下面的描述中显而易见。
本发明的方面涉及旁路晶闸管装置。基本上，旁路装置可以是适合于将另一个电装置旁路的任何装置，这可以通过触发旁路开关进入导通状态来执行。本旁路装置基于作为旁路开关的晶闸管并且可以包括半导体装置连同封装该半导体装置且提供电接触的外壳。半导体装置可以是或可以包括半导体晶圆或半导体芯片。必须注意，本公开可以涉及功率旁路晶闸管装置，其适合于处理高于600V和/或高于10A的电压。
根据本发明的实施例，旁路晶闸管装置包括半导体装置，该半导体装置包括晶闸管，该晶闸管具有阴极侧上的阴极电极、阴极侧上的被阴极电极环绕的栅电极（gateelectrode）以及阳极侧上的阳极电极。阴极侧和阳极侧可以是半导体装置上的相对侧。半导体装置可以是大体圆形的板，其中已掺杂晶闸管的元件（element）。阴极电极、栅电极和阳极电极可以由半导体装置的衬底上的金属化层提供。
此外，旁路晶闸管装置包括：导电盖（cover）元件，其设置在阴极侧上并且在接触侧上与阴极电极电接触；以及栅极接触元件，其电连接到栅电极并且设置在盖元件的接触侧中的栅极接触开口中。栅极接触开口可以是盖元件中的孔，其中容纳栅极接触元件。栅极接触元件可以与被引导通过盖元件与旁路晶闸管装置的外侧的电缆电连接。
此外，旁路晶闸管装置可以包括另外的盖元件，其设置在阳极侧上并且与阳极电极电接触。该另外的盖元件可以被视为阳极盖元件并且另一盖元件被视为阴极盖元件。两个盖元件可以与可环绕半导体装置的电绝缘法兰（flange）机械互连。盖元件和绝缘法兰（其可以由陶瓷制成）可以视为旁路晶闸管装置的外壳。绝缘法兰和盖元件构成外壳内部的气密密封。
阴极盖元件在面对阴极侧的接触侧中具有气体膨胀体积，该气体膨胀体积与栅极接触开口互连以便进行气体交换。气体膨胀体积和半导体装置在旁路晶闸管装置中形成腔，其适合于容纳在晶闸管和/或半导体装置热破坏的情况下从半导体装置汽化的气体和/或等离子体。当通过晶闸管的电流变得高于晶闸管的最大浪涌电流时可能是这样的情况。
例如，当被旁路开关装置短路的单元电容器的电荷强带电时，可能发生这样的事件。此外，这样的事件可能预期形成通过半导体装置的永久导通路径。由于高电流，半导体装置的材料可以熔融并且可以形成导通路径。在没有气体膨胀体积的情况下，在半导体装置内产生的等离子体和/或气体可以在盖元件上产生高压力，这可能导致旁路晶闸管装置的外壳破裂。另外，气体膨胀体积的壁可以使气体冷却并且可以促进冷凝。
具有这样的气体膨胀体积的旁路晶闸管装置可以具有改进的非破裂能力，而没有增加生产成本。这可以实现较高功率的MMC转换器单元的设计而不增加旁路技术方案的成本。
根据本发明的实施例，气体膨胀体积的体积大于栅极接触开口的体积。可以是这样的：气体膨胀体积的体积至少是栅极接触开口的体积的10倍。气体膨胀体积的体积可以取决于在旁路操作期间生成的气体的平均量。最佳体积可以利用实验来确定。
根据本发明的实施例，气体膨胀体积被划分成互连的至少两个独立腔以便进行气体交换。气体膨胀到多个腔中可以是有益的。一方面，盖元件的机械稳定性可以由较多但较小的腔来增强。另一方面，气体膨胀体积的表面可以增加，该表面可以使汽化气体冷却。
根据本发明的实施例，气体膨胀体积包括环绕栅极接触开口的至少一个沟槽（trench）。例如，这样的沟槽可以被机械加工到盖元件中。这样的沟槽还可以具有比栅极接触开口的高度更大的高度。
根据本发明的实施例，至少一个沟槽经由接触侧中提供的至少一个沟道与栅极接触开口互连。这样的沟道可以具有比至少一个沟槽更小的横截面面积。此外，栅极接触开口和至少一个沟槽可以利用多个沟道互连。
根据本发明的实施例，气体膨胀体积包括环绕栅极接触开口的至少两个沟槽。像栅极接触开口与沟槽中的一个沟槽链接那样，沟槽可以彼此链接。
根据本发明的实施例，至少两个沟槽经由接触侧中提供的至少一个沟道彼此互连，该至少一个沟道可以具有比每个沟槽小的横截面面积。两个沟槽可以与多个沟道互连。
根据本发明的实施例，盖元件包括栅极电缆沟槽，其中设置栅极电缆，该栅极电缆电连接到栅极接触元件。栅极接触电缆可以通过栅极电缆沟槽被引导到旁路晶闸管装置的外侧。栅极电缆沟槽可以比气体膨胀体积和/或它的沟槽小。它仅可以具有适合于容纳栅极接触电缆的横截面。受压通过栅极电缆沟槽并且到达旁路晶闸管装置的内部空气的气体量可以显著降低或甚至用气体膨胀体积来消除。可以降低或消除对于保护外壳的盖元件和绝缘法兰的需要。
根据本发明的实施例，栅极电缆沟槽的横截面面积小于将栅极接触开口与气体膨胀体积互连的一个或多个沟道的横截面面积。沟道可以适合于均衡栅极接触开口与气体膨胀体积之间和/或气体膨胀体积的不同腔之间的压力。栅极电缆沟槽可以仅容纳栅极电缆并且可以相当小。
根据本发明的实施例，半导体装置具有圆形形状并且栅电极被设置在该圆形形状的中心。气体膨胀体积可以包括一个或多个圆形沟槽，其环绕栅极接触开口，该栅极接触开口可以设置在栅电极上方。此外，将栅极接触开口与一个或多个圆形沟槽互连的沟道被设置在相对于中心的径向方向上。这可以给机械稳定的盖元件提供较大气体膨胀体积，其考虑了圆形半导体装置的几何形状。
根据本发明的实施例，旁路晶闸管装置进一步包括电连接到阳极电极的阳极侧盖元件和环绕半导体装置的电绝缘法兰，阴极侧盖元件和阳极侧盖元件附连到该法兰。如已经提到的，旁路晶闸管装置的外壳可以由与绝缘法兰（其可以由陶瓷制成）互连的两个盖元件制成。
根据本发明的实施例，晶闸管适合于在流过半导体开关的电流超过最大电流时，形成通过半导体装置的有源区域的永久导通路径。在通过晶闸管的电流使半导体装置的材料熔融时可以形成这样的路径。在该情况下，可以生成由气体膨胀体积容纳的气体。
根据本发明的实施例，为了形成晶闸管，半导体装置从阴极侧到阳极侧包括以下层：连接到阴极电极的具有第一导电类型（诸如n+）的阴极层；连接到栅电极的具有与第一导电类型不同的第二导电类型（诸如p）的基极层；具有第一导电类型（诸如n-）的漂移层；和连接到阳极电极的具有第二导电类型（诸如p）的阳极层。在有源区域（在该有源区域中，阴极电极接触阴极层）中，半导体装置包括：第一区，其中阴极侧与阳极侧之间的载流子寿命的均值具有第一值；以及第二区，其中阴极侧与阳极侧之间的载流子寿命的均值具有第二值，其小于第二值。
换言之，半导体装置的有源区被划分成第一较长载流子寿命区和第二较短载流子寿命区。
利用这样的晶闸管，可以提供转换器单元的短路失效模式，其中晶闸管可以充当单元电容器的旁路开关。载流子寿命较长的第一区可以触发晶闸管并且导通电流。载流子寿命较短的第二区在导通电流方面可以没有显著贡献，从而迫使电流主要流过较长寿命区。在单元电容器上存储较少能量的情况下，由于第一区只是半导体装置的有源区的一部分，因此，开关可以可靠地失效。第二、降低的载流子寿命区可以向其中几乎没有电流流动的此类区域增加导通状态电压并且可以增加半导体体积，其中在短路失效的情况下热可以扩散。
根据本发明的实施例，第二值是第一值的至多75%。这可以确保晶闸管的可靠触发。
根据本发明的实施例，第一区设置在栅电极与阳极电极之间。换言之，第二区可以是中央区，其被第一区包围。在短路失效模式中，第一区周围的所有材料可以有助于形成导通路径。
然而，可以被触发进入短路失效模式的其他类型的晶闸管也可以用于旁路晶闸管装置。
本发明的另外的方面涉及转换器单元，其包括如在上文和下文中描述的旁路晶闸管装置。这样的转换器单元可以互连以便形成转换器，诸如模块化多级转换器。在转换器单元失效的情况下，旁路晶闸管可以被触发以将转换器单元的单元电容器放电。采用这样的方式，冗余转换器单元可以断开连接。
必须注意，旁路晶闸管装置的特征可以是转换器单元的特征并且反之亦然。
根据本发明的实施例，转换器单元包括：至少两个功率半导体开关，用于将单元电容器与转换器单元的输出连接并且用于将单元电容器从输出断开连接；以及如在上文和下文中描述的并联连接到单元电容器的旁路晶闸管装置。
转换器单元可以包括一个或多个半桥，半桥由两个串联连接的功率半导体开关组成。半桥可以与单元电容器和旁路晶闸管并联连接。转换器单元的输出可以由半桥的中点提供。
用于切换通过转换器单元的电流的功率半导体开关可以是晶体管或晶闸管，诸如集成栅双极晶体管（IGBT）或绝缘栅换向晶闸管（IGCT）。然而，这些功率半导体开关虽然此时是晶闸管，但可以具有与旁路晶闸管装置不同的设计。对旁路晶闸管装置的要求可以与对转换器单元的其他开关的要求极为不同，因为旁路晶闸管装置在转换器单元的正常操作期间是阻断的。在正常操作中没有导通或开关损耗的情况下，旁路晶闸管装置可以近似呈现冷却介质温度。因此，与转换器单元的开关相比，对负载-和温度循环的要求可以完全被排除。就热阻和负载循环弹性（resilience）而言，要求降低提供了更多设计自由。因此，可以使用如在上文和下文中描述的旁路晶闸管装置，例如，基于如上文和下文中描述的晶闸管的和/或具有如上文和下文中描述的被划分成具有不同载流子寿命的第一区和第二区的有源区的旁路晶闸管装置。
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例显而易见并且将参考下文描述的实施例来阐明。
附图说明
将在下文中参考附图中图示的示范性实施例，更详细地解释本发明的主题。
图1示意性示出根据本发明的实施例的全桥转换器单元的电路图。
图2示意性示出根据本发明的实施例的旁路晶闸管装置的横截面视图。
图3示出根据本发明的实施例用于旁路晶闸管装置的盖元件的透视图。
图4示意性示出根据本发明的实施例用于旁路晶闸管装置的半导体装置的横截面视图。
图中使用的参考符号和它们的含义采用总结的形式在参考符号列表中列出。原则上，在图中给相同的部分提供相同的参考符号。
具体实施方式
图1示出转换器单元10，其包括与单元电容器14并联互连的全桥12。该全桥12由四个反向导通半导体开关16（在这里是IGCT）组成，这些反向导通半导体开关16用于将单元电容器直接或反向附连到输出端子（18）或者将它断开连接。转换器单元10的输出18由半桥12的中点提供，所述输出18可以与单元电容器14断开连接并且可以在两个方向上连接到单元电容器，即，转换器单元10是双极单元。还可以是这样的：转换器单元10是单极单元或具有另一个开关拓扑。像图1中示出的转换器单元10那样的转换器单元可串联连接以形成模块化多级转换器（MMC）的臂。
另外，转换器单元10包括旁路晶闸管装置20，其适合于使单元电容器14短路。
图2更详细地示出旁路晶闸管装置20。旁路晶闸管装置20包括半导体装置22，其包括或提供晶闸管24。半导体装置22在阴极侧28上提供有阴极电极26和栅电极30，所述栅电极30被阴极电极26环绕。在另一阳极侧32上，半导体装置22提供有阳极电极34。
半导体装置22可以由掺杂Si或掺杂SiC作为衬底而制成。阴极电极26、栅电极30和阳极电极34可以是半导体装置22的衬底上的金属化层。在图2中从侧面以横截面示出的半导体装置22在从上方观察时可以具有圆形形状。
半导体装置22被封入旁路晶闸管装置20的外壳36中，外壳36包括阴极侧盖元件38和阳极侧盖元件40，阴极侧盖元件38和阳极侧盖元件40将半导体装置22夹在它们之间。盖元件38、40是导电的并且分别与阴极电极26和阳极电极34直接电接触。例如，盖元件可以由诸如Cu或Al之类的金属制成。
盖元件38、40由电绝缘法兰42隔开，该电绝缘法兰42环绕半导体装置22和/或该电绝缘法兰42可以由陶瓷制成。在盖元件38、40之间以及法兰42内侧、半导体装置22的径向外侧，存在外层内部空间44，其可以充满空气。
栅电极30可以位于半导体装置22的中心。直接电连接到栅电极30的栅极接触元件46被设置在盖元件38的接触侧50中的栅极接触开口48中。例如，栅极接触元件焊接或烧结到栅电极30。
栅极接触元件46电连接到栅极接触电缆52，其通过栅极电缆沟槽54被引导到旁路晶闸管装置20的外侧。在盖元件38的接触侧50中提供栅极电缆沟槽54。栅极接触电缆52可以通过另外的开口被引导通过法兰42。
另外，盖元件38具有气体膨胀体积56，其在接触侧50中提供，该气体膨胀体积56可以由一个或多个腔58组成，腔58互连以便与栅极接触开口48进行气体交换。这样的气体交换可以通过沟道60进行，在接触侧50中提供沟道60并且沟道60将腔58彼此并与栅极接触开口48互连。
气体膨胀体积56用于减轻半导体装置22通过高电流事件生成的气体和/或等离子体的影响。以单元电容器14中存储的高能量触发旁路晶闸管装置20可以释放超过旁路晶闸管装置20的浪涌电流能力几个数量级的电流。半导体装置22的有源区域可以熔融并且可以汽化为气态。此气体可以被容纳在气体膨胀体积56中，它的压力可以被降低和/或它可以被冷却。
在没有气体膨胀体积56的接触元件中，可能几乎没有可用于所产生的气体的体积。热气可以沿栅极电缆沟槽54行进并且进入内部空间44，在内部空间44中，它危及陶瓷法兰42的完整性和盖元件38、40的密封。它还可以产生足够的压力以使表面分开并且通过密封环逃逸。
如在图2中示出的，气体膨胀体积56的体积可以是栅极接触开口48的体积的2倍或者更大。这可以通过与栅极接触开口48相比更深和/或更宽的腔58实现。
如同栅极接触开口48和栅极电缆沟槽54，腔58和沟道60可以被机械加工（machined）到盖元件38中。
图3示出从朝向接触侧50的方向的透视图中的盖元件38的实施例。栅极接触开口48可以是中央孔，其被采用沟槽形式的同轴环形腔58环绕。沟槽58和栅极接触开口48与径向伸展的沟道60互连，这些径向伸展的沟道60可以具有比沟槽58更小的横截面面积。具有比沟道60更小的横截面面积的栅极电缆沟槽54也可以在径向方向上伸展。
可以看到对于气体膨胀体积56与内部空间44之间的气体交换的唯一可能性可以是经由栅极电缆沟槽54，其可以具有大体上如栅极接触电缆52那样的横截面面积。因此，上文提到的事件所生成的大部分气体可以停留在气体膨胀体积56内。
还可以是这样的：半导体装置22在高能事件期间有意地熔融以形成通过旁路晶闸管装置20的导通路径。这样的半导体装置22在图4中示出。
从阴极侧28到与阴极侧28相对的阳极侧32，半导体装置22包括n+掺杂阴极层62、p掺杂基极层64、n-掺杂漂移层66和p掺杂阳极层68。在阴极层62上提供阴极电极26并且在阳极层68上提供阳极电极34。
在基极层64上提供栅电极30，在基极层64中嵌入阴极层62。基极层64可以是阴极层62下方的连续层。阴极层62的阴极层的底部和横向侧可以接触基极层64。
半导体装置22的可以被视为其中阴极电极26接触阴极层62的区的有源区70被划分成：第一区70a，其从阴极侧28延伸到阳极侧32，其中阴极侧28与阳极侧32之间的载流子寿命的均值具有第一值；以及第二区70b，其中阴极侧28与阳极侧42之间的载流子寿命的均值具有第二值，其可以比第一值小。第二值可以是第一值的至多75%。
例如，在与阴极侧28平行的所有平面中，第二区70b中的平均载流子寿命可以比相同平面中的第一区70a中的平均载流子寿命小，诸如是相同平面中的第一区70a中的平均载流子寿命的至多75%。
在另外的示例中，在第一与第二pn结72、74之间在第二区70b中的平均载流子寿命可以比第一区中的平均载流子寿命小，诸如是第一区中的平均载流子寿命的至多75%。
在与阴极侧28平行的平面中，第一区70a的面积可以是有源区70的面积的至少0.1%。这样小的面积（或更精确地，该面积到阴极侧28和阳极侧32的投影中的区）在短路失效模式（SCFM）的情况下可足以激发旁路晶闸管24。然而，第一区70a的面积还可以具有有源区70的面积的至多50%或至多5%的大小。这意味着在示范性实施例中，（在与阴极侧28平行的平面中）第二区70b可以具有有源区70的面积的50%与99.9%之间的大小。
虽然在附图和前文的描述中，已经详细地图示并且描述了本发明，但这样的图示和描述要被认为是说明性或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。实践要求保护的本发明的和本领域的技术人员能够根据对附图、公开内容以及所附权利要求的研究来理解并且实现针对所公开的实施例的其它变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可以实现权利要求中叙述的若干项的功能。仅仅在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实不指示这些措施的组合不能有利地被使用。权利要求中的任何参考标记不应当被解释为限制范围。
参考符号列表
10转换器单元
12半桥
14单元电容器
16半导体开关
18输出
20旁路晶闸管装置
22半导体装置
24晶闸管
26阴极电极
28阴极侧
30栅电极
32阳极侧
34阳极电极
36外壳
38盖元件
40盖元件
42法兰
44内部空间
46栅极接触元件
48栅极接触开口
50接触侧
52栅极接触电缆
54栅极电缆沟槽
56气体膨胀体积
58腔、沟槽
60沟道
62阴极层
64基极层
66漂移层
68阳极层
70有源区
70a第一区
70b第二区
72第一pn结
74第二pn结

Claims (15)

1.一种旁路晶闸管装置（20），包括：
半导体装置（22），所述半导体装置（22）包括晶闸管（24），所述晶闸管（24）具有阴极侧（28）上的阴极电极（26）、所述阴极侧（28）上的被所述阴极电极（26）环绕的栅电极（30）和阳极侧（32）上的阳极电极（34）；
导电盖元件（38），所述导电盖元件（38）设置在所述阴极侧（28）上并且在接触侧（50）上与所述阴极电极（26）电接触；
栅极接触元件（46），所述栅极接触元件（46）电连接到所述栅电极（30）并且设置在所述盖元件（38）的所述接触侧（50）中的栅极接触开口（48）中；
其中所述盖元件（38）在面对所述阴极侧（28）的所述接触侧（50）中具有气体膨胀体积（56），所述气体膨胀体积（56）与所述栅极接触开口（48）互连以便进行气体交换。
2.如权利要求1所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述气体膨胀体积（56）的体积大于所述栅极接触开口（48）的体积。
3.如权利要求1或2所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述气体膨胀体积（56）被划分成互连的至少两个独立腔（58）以便进行气体交换。
4.如前述权利要求中的一项所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述气体膨胀体积（56）包括环绕所述栅极接触开口（48）的至少一个沟槽（58）。
5.如权利要求5所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述至少一个沟槽（58）经由所述接触侧（50）中提供的至少一个沟道（60）与所述栅极接触开口（48）互连。
6.如前述权利要求中的一项所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述气体膨胀体积（56）包括环绕所述栅极接触开口（48）的至少两个沟槽（58）。
7.如权利要求6所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述至少两个沟槽（58）经由所述接触侧（50）中提供的至少一个沟道（60）彼此互连。
8.如前述权利要求中的一项所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述盖元件（38）包括栅极电缆沟槽（54），在所述栅极电缆沟槽（54）中设置栅极电缆（52），所述栅极电缆（52）电连接到所述栅极接触元件（46）；
其中所述栅极接触电缆（52）通过所述栅极电缆沟槽（54）被引导到所述旁路晶闸管装置（20）的外侧。
9.如权利要求8所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述栅极电缆沟槽（54）的横截面面积小于将所述栅极接触开口（48）与所述气体膨胀体积（56）互连的一个或多个沟道（60）的横截面面积。
10.如前述权利要求中的一项所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述半导体装置（22）具有圆形形状并且所述栅电极（30）设置在所述圆形形状的中心；
其中所述气体膨胀体积（56）包括一个或多个圆形沟槽（58），所述圆形沟槽（58）环绕设置在所述栅电极（30）上方的所述栅极接触开口（48）。
11.如前述权利要求中的一项所述的旁路晶闸管装置（20），进一步包括：
电连接到所述阳极电极（34）的阳极侧盖元件（40）；
环绕所述半导体装置（22）的电绝缘法兰（42），所述阴极侧盖元件（38）和所述阳极侧盖元件（40）附连到所述法兰（42）。
12.如前述权利要求中的一项所述的旁路晶闸管（20），
其中所述晶闸管（24）适合于在流过所述晶闸管（24）的电流超过最大电流时，形成通过所述半导体装置（22）的有源区域（70）的永久导通路径。
13.如前述权利要求中的一项所述的旁路晶闸管装置（20），
其中，为了形成所述晶闸管（24），所述半导体装置（22）从所述阴极侧（28）到所述阳极侧（32）包括以下层：
连接到所述阴极电极（26）的具有第一导电类型（n+）的阴极层（62）；
连接到所述栅电极（30）的具有与所述第一导电类型不同的第二导电类型（p）的基极层（64）；
所述第一导电类型（n-）的漂移层（66）；
连接到所述阳极电极（34）的具有所述第二导电类型（p）的阳极层（68）；
其中在有源区域（70）中，所述半导体装置（22）包括：第一区（70a），其中所述阴极侧（28）与所述阳极侧（32）之间的载流子寿命的均值具有第一值；以及第二区（70b），其中所述阴极侧（28）与所述阳极侧（32）之间的所述载流子寿命的均值具有第二值，其小于所述第二值。
14.如前述权利要求中的一项所述的旁路晶闸管装置（20），
其中所述第一区（70a）设置在所述栅电极（30）与所述阳极电极（34）之间。
15.一种转换器单元（10），包括：
至少两个功率半导体开关（16），用于将单元电容器（14）与所述转换器单元（10）的输出（18）连接并且用于将所述单元电容器（14）从所述输出（18）断开连接；
根据前述权利要求中的一项所述的并联连接到所述单元电容器（14）的旁路晶闸管装置（20）。
CN201880046692.XA 2017-07-13 2018-07-03 接触板内具有气体膨胀腔的旁路晶闸管装置 Active CN110892524B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17181298 2017-07-13
EP17181298.5 2017-07-13
PCT/EP2018/067901 WO2019011717A1 (en) 2017-07-13 2018-07-03 THERAPY THYRISTOR DEVICE WITH GAS EXPANSION CAVITY

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110892524A true CN110892524A (zh) 2020-03-17
CN110892524B CN110892524B (zh) 2023-09-08

Family

ID=59350734

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880046692.XA Active CN110892524B (zh) 2017-07-13 2018-07-03 接触板内具有气体膨胀腔的旁路晶闸管装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11139219B2 (zh)
EP (1) EP3646376B1 (zh)
JP (1) JP7232811B2 (zh)
CN (1) CN110892524B (zh)
WO (1) WO2019011717A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4070373B1 (de) * 2020-02-19 2024-01-17 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Kurzschlussschalteinrichtung
DE212021000316U1 (de) * 2020-02-20 2022-11-16 Hitachi Energy Switzerland Ag Leistungshalbleitermodul
EP4007139B1 (en) * 2020-11-25 2023-04-05 Hitachi Energy Switzerland AG Module comprising a switchable bypass device
DE102022120612A1 (de) * 2022-08-16 2024-02-22 Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg Halbleiterbauelement

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5198882A (en) * 1989-10-02 1993-03-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Crimp-type power semiconductor device
US5489802A (en) * 1992-06-26 1996-02-06 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Pressure contact type semiconductor device and heat compensator
JPH09252067A (ja) * 1996-03-14 1997-09-22 Mitsubishi Electric Corp 圧接型半導体装置
WO2013044961A1 (de) * 2011-09-29 2013-04-04 Siemens Aktiengesellschaft Kurzschlussstromentlastung für submodul eines modularen mehrstufenumrichters (mmc)
CN104409491A (zh) * 2013-08-26 2015-03-11 湖北台基半导体股份有限公司 高压快开通晶闸管及其制造方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3975758A (en) * 1975-05-27 1976-08-17 Westinghouse Electric Corporation Gate assist turn-off, amplifying gate thyristor and a package assembly therefor
JPS525283A (en) * 1975-07-01 1977-01-14 Mitsubishi Electric Corp Semi-conductor controlled rectifier
JPS5635443A (en) * 1979-08-31 1981-04-08 Toshiba Corp Semiconductor device
JPS62101072A (ja) 1985-10-25 1987-05-11 シ−メンス、アクチエンゲゼルシヤフト サイリスタ
JPH0642542B2 (ja) * 1988-04-08 1994-06-01 株式会社東芝 高耐圧半導体装置の製造方法
KR100441260B1 (ko) * 2003-10-20 2004-07-21 주식회사 케이이씨 정류 다이오드 패키지
JP2006206721A (ja) * 2005-01-27 2006-08-10 Kansai Electric Power Co Inc:The 高耐熱合成高分子化合物及びこれで被覆した高耐電圧半導体装置
US10115608B2 (en) * 2012-05-25 2018-10-30 Novellus Systems, Inc. Method and apparatus for rapid pump-down of a high-vacuum loadlock
KR101613812B1 (ko) * 2015-01-12 2016-04-19 엘에스산전 주식회사 초고압 직류 송전의 바이패스 스위치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5198882A (en) * 1989-10-02 1993-03-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Crimp-type power semiconductor device
US5489802A (en) * 1992-06-26 1996-02-06 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Pressure contact type semiconductor device and heat compensator
JPH09252067A (ja) * 1996-03-14 1997-09-22 Mitsubishi Electric Corp 圧接型半導体装置
WO2013044961A1 (de) * 2011-09-29 2013-04-04 Siemens Aktiengesellschaft Kurzschlussstromentlastung für submodul eines modularen mehrstufenumrichters (mmc)
CN104409491A (zh) * 2013-08-26 2015-03-11 湖北台基半导体股份有限公司 高压快开通晶闸管及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20200144141A1 (en) 2020-05-07
EP3646376A1 (en) 2020-05-06
CN110892524B (zh) 2023-09-08
WO2019011717A1 (en) 2019-01-17
EP3646376B1 (en) 2020-09-16
US11139219B2 (en) 2021-10-05
JP7232811B2 (ja) 2023-03-03
JP2020526931A (ja) 2020-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11139219B2 (en) Bypass thyristor device with gas expansion cavity within a contact plate
CA2749042C (en) Fault protection in voltage source converters with redundant switching cells via mechanical switches being closed pyrotechnically
EP3107198B1 (en) Power converter submodule with a short-circuit device and power converter having same
JP5202528B2 (ja) 電力変換器
US10354820B2 (en) Device for switching a direct current
EP0967721A2 (en) Semiconductor protection device and power converting system
EP2769410B1 (en) Power semiconductor module and power semiconductor module assembly with multiple power semiconductor modules
ES2392633T3 (es) Conjuntos de elementos apilados que contienen dispositivos semiconductores
KR101502655B1 (ko) 층상으로 형성된 절연 측벽을 구비한 파워 반도체 모듈
ES2714426T3 (es) Dispositivo para conmutar corrientes continuas
JP7299628B2 (ja) 交流電圧出力システム、電力系統制御システム、電力系統、直流送電システム、発電システム及びバッテリシステム
CN113690965A (zh) 一种保护电路及电路板、电池管理系统与电池包
US7042744B2 (en) Diode stack
US11456736B2 (en) Circuit arrangement, power converter module, and method for operating the power converter module
EP3788651B1 (en) Power semiconductor module with integrated surge arrester
EP2966681A1 (en) Power semiconductor devices
WO2016058639A1 (en) Power converter circuit
CN212063828U (zh) 模块化多电平转换器和转换器单元
CN115516747A (zh) 一种包括具有可变电感的功率链路的单元
KR20200039213A (ko) 전극조립체, 그를 포함하는 이차전지 및 전지팩

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: Swiss Baden

Applicant after: Hitachi energy Switzerland AG

Address before: Swiss Baden

Applicant before: ABB grid Switzerland AG

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240109

Address after: Zurich, SUI

Patentee after: Hitachi Energy Co.,Ltd.

Address before: Swiss Baden

Patentee before: Hitachi energy Switzerland AG

TR01 Transfer of patent right