CN115548008A - 一种功率半导体器件 - Google Patents

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谢舜蒙
彭勇殿
朱武
张�荣
荣春晖
袁勇
陈明翊
谭一帆
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Abstract

本发明提供了一种功率半导体器件。该功率半导体器件包括：至少一个晶体管元件，其中，所述晶体管元件包括高压功率端、低压功率端及控制端，所述高压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的高压引脚，所述低压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的低压引脚，所述控制端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的控制引脚；以及至少一个检测二极管单元，其中，所述检测二极管单元的阴极连接所述至少一个晶体管元件的所述高压功率端，所述检测二极管单元的阳极延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的检测引脚。

Description

一种功率半导体器件
技术领域
本发明涉及功率半导体器件的技术领域，尤其涉及一种集成了检测二极管的功率半导体器件。
背景技术
在功率半导体器件的应用中，会不可避免地因为器件老化、控制电路异常、散热异常、输出短路等原因导致电力电子装置进入异常状态，并导致功率半导体器件进入短路工况。为了保护电力电子装置并防止故障扩大，实际应用中需考虑功率半导体器件短路保护。
为了实现功率半导体器件短路保护，首先要进行功率半导体器件短路检测。常用的功率半导体器件短路检测方式为二极管退保和检测。请参考图1，图1示出了一种传统功率半导体器件的故障检测电路的示意图。
如图1所示，在进行传统功率半导体器件12的短路保护时，功率半导体器件的驱动电路(未绘示)可以首先利用检测二极管112阻断功率半导体器件关断时的高压，并在功率半导体器件12开通时由检测电路11利用检测二极管112来检测功率半导体器件12的端电压，从而实现功率半导体器件12的短路检测。在该方案中，检测二极管112需要在功率半导体器件12关断过程中及关断状态下承受功率半导体器件12的关断过电压与母线电压。因此，检测二极管112的选型与布局是功率半导体驱动电路设计的关键之一。
然而，现有的功率半导体器件12普遍未集成检测二极管112，需要由功率半导体器件12的驱动设计人员在驱动电路设计时进行选型。功率半导体器件12的驱动设计人员需要考虑检测二极管112的耐压、电气间隔距离及爬电距离等因素来进行检测二极管112的选型与布局，存在费时费力的缺陷。
进一步地，现有的高压二极管耐压一般在1000V～2000V之间，而商用的高压功率半导体器件12的最高阻断电压一般为6500V，因此需要选择4～7个，甚至更多串联的高压二极管来组成功率半导体器件12的故障检测二极管112，存在器件结构复杂、体积庞大的缺陷，不符合功率半导体器件封装小型化、高功率密度的方向发展。
更进一步地，现有功率半导体器件12的最高阻断电压一般为6500V，其高压功率端121与其控制端120及低压功率端122对应的引脚之间的间隔距离存在6500V的电气隔离需求及防爬电设计需求。对应地，现有功率半导体器件12的接地检测电路11的各检测接口之间的间隔距离也存在6500V的电气隔离需求及防爬电设计需求。这些电气隔离需求及防爬电设计需求严重限制了功率半导体器件封装小型化、高功率密度的发展趋势，不利于功率半导体器件的进一步发展。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种功率半导体器件的结构方案，用于避免驱动设计人员选型与布局检测二极管的麻烦、简化功率半导体器件的器件结构，并克服功率半导体器件的电气隔离需求及防爬电设计需求，以推进功率半导体器件向封装小型化及高功率密度方向的发展。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种功率半导体器件，能够避免驱动设计人员选型与布局检测二极管的麻烦、简化功率半导体器件及其检测电路的器件结构，并克服功率半导体器件和/或接地检测电路的电气隔离需求及防爬电设计需求，以推进功率半导体器件向封装小型化及高功率密度方向的发展。
具体来说，本发明提供的上述功率半导体器件，包括：至少一个晶体管元件，其中，所述晶体管元件包括高压功率端、低压功率端及控制端，所述高压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的高压引脚，所述低压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的低压引脚，所述控制端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的控制引脚；以及至少一个检测二极管单元，其中，所述检测二极管单元的阴极连接所述至少一个晶体管元件的所述高压功率端，所述检测二极管单元的阳极延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的检测引脚。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述检测引脚到所述低压引脚和/或所述控制引脚的距离可以小于对应晶体管元件的阻断电压所对应的电气隔离距离和/或爬电距离。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述低压功率端还延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的电位基准引脚。所述检测引脚到所述电位基准引脚的距离可以小于所述对应晶体管元件的阻断电压所对应的电气隔离距离和/或爬电距离。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述检测二极管单元包括多个串联的二极管元件。所述多个串联的二极管元件的反向阻断电压之和大于或等于所述检测二极管单元对应的至少一个晶体管元件的阻断电压。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述功率半导体器件包括多个并联的晶体管元件，以及一个检测二极管单元。所述多个并联的晶体管元件的所述高压功率端分别延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的多个所述高压引脚。所述多个并联的晶体管元件的所述低压功率端分别延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的多个所述低压引脚。所述多个并联的晶体管元件的所述控制端统一延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的所述控制引脚。所述检测二极管单元的所述阴极连接第一晶体管元件的所述高压功率端。所述检测二极管单元的所述阳极延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的所述检测引脚。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述功率半导体器件包括多个串联的晶体管元件，以及多个所述检测二极管单元。第一晶体管元件的所述高压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的高压引脚。所述第一晶体管元件的所述低压功率端连接第二晶体管元件的所述高压功率端，以构成桥臂电路。所述第二晶体管元件的所述低压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的低压引脚。所述第一晶体管元件及所述第二晶体管元件的所述控制端分别延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的多个所述控制引脚。第一检测二极管单元的所述阴极连接所述第一晶体管元件的所述高压功率端。所述第一检测二极管单元的所述阳极延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的第一检测引脚。第二检测二极管单元的所述阴极连接所述第二晶体管元件的所述高压功率端。所述第二检测二极管单元的所述阳极延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的第二检测引脚。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述功率半导体器件包括多个所述桥臂电路。各所述桥臂电路的所述第一晶体管元件的所述高压功率端分别延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的多个所述高压引脚。各所述桥臂电路的所述第二晶体管元件的所述低压功率端分别延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的多个所述低压引脚。各所述桥臂电路的所述第一晶体管元件的所述控制端统一延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的第一控制引脚。各所述桥臂电路的所述第二晶体管元件统一延伸出所述功率半导体器件的封装，以构成所述功率半导体器件的第二控制引脚。所述第一检测二极管单元的所述阴极连接各所述桥臂电路的所述第一晶体管元件的所述高压功率端。所述第二检测二极管单元的所述阴极连接各所述桥臂电路的所述第二晶体管元件的所述高压功率端。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述晶体管元件包括IGBT，所述IGBT的高压功率端为其集电极，所述IGBT的低压功率端为其发射极，所述IGBT的控制端为其栅极，所述IGBT的电位基准引脚为其辅助发射极。更进一步地，在这些实施例或另一些实施例中，所述晶体管元件包括MOSFET，所述MOSFET的高压功率端为其漏极，所述MOSFET的低压功率端为其源极，所述MOSFET的控制端为其栅极，所述MOSFET的电位基准引脚为其辅助源极。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了一种传统功率半导体器件的故障检测电路的示意图。
图2A示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的电路封装示意图。
图2B示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的封装结构示意图。
图3示出了根据本发明的一些实施例提供的检测电路的示意图。
图4示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的电路封装示意图。
图5示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的电路封装示意图。
图6示出了根据本发明的一些实施例提供的检测电路的示意图。
图7示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的电路封装示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
如上所述，现有的功率半导体器件12普遍未集成检测二极管112，需要由功率半导体器件12的驱动设计人员在驱动电路设计时进行选型。功率半导体器件12的驱动设计人员需要考虑检测二极管112的耐压、电气间隔距离及爬电距离等因素来进行检测二极管112的选型与布局，存在费时费力的缺陷。进一步地，现有的高压二极管耐压一般在1000V～2000V之间，而商用的高压功率半导体器件12的最高阻断电压一般为6500V，因此需要选择4～7个，甚至更多串联的高压二极管来组成功率半导体器件12的故障检测二极管112，存在器件结构复杂、体积庞大的缺陷，不符合功率半导体器件封装小型化、高功率密度的方向发展。更进一步地，现有功率半导体器件12的最高阻断电压一般为6500V，其高压功率端121与其控制端120及低压功率端122对应的引脚之间的间隔距离存在6500V的电气隔离需求及防爬电设计需求。对应地，现有功率半导体器件12的接地检测电路11的各检测接口之间的间隔距离，以及各检测接口到地的间隔距离也存在6500V*n的电气隔离需求及防爬电设计需求，其中，n为各检测接口之间及各检测接口到地的间隔级数。这些电气隔离需求及防爬电设计需求严重限制了功率半导体器件封装小型化、高功率密度的发展趋势，不利于功率半导体器件的进一步发展。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种功率半导体器件，能够避免驱动设计人员选型与布局检测二极管的麻烦、简化功率半导体器件的器件结构，并克服功率半导体器件的电气隔离需求及防爬电设计需求，以推进功率半导体器件向封装小型化及高功率密度方向的发展。
请结合参考图2A及图2B。图2A示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的电路封装示意图。图2B示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的封装结构示意图。
如图2A所示，在本发明的一些实施例中，功率半导体器件是一种大电流容量的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件，其中包括多个并联的IGBT元件。该功率半导体器件包括多个晶体管子单元21～23，其中，每个晶体管子单元21～23中容纳一个IGBT元件。具体来说，晶体管子单元21中容纳的IGBT元件包括集电极、发射极及栅极。该集电极用于连接高压母线，以作为该IGBT元件的高压功率端。该发射极用于接地或连接另一低级IGBT元件的集电极，以作为该IGBT元件的低压功率端。该栅极用于连接驱动电路，以作为该IGBT元件的控制端。同样地，晶体管子单元22、23中容纳的IGBT元件也分别包括集电极、发射极及栅极，并具有相同的作用，在此不再赘述。通过并联多个IGBT元件，该大电流容量的IGBT器件可以承载数倍于普通IGBT元件的电流。
如图2A及图2B所示，晶体管子单元21～23中容纳的IGBT元件的集电极分别延伸出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的多个高压引脚205、207、209。晶体管子单元21～23中容纳的IGBT元件的发射极分别延伸出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的多个低压引脚204、206、208。晶体管子单元21～23中容纳的IGBT元件的控制端在该功率半导体器件内部的晶体管子单元21相连，再统一通过引脚子单元25延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的控制引脚202。
进一步地，如图2A所示，该功率半导体器件还包括检测二极管子单元24及引脚子单元25。该检测二极管子单元24中容纳一个或多个二极管元件。该二极管元件的阴极连接晶体管子单元21的IGBT元件的集电极，而其阳极通过引脚子单元25延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的检测引脚203。一般情况下，IGBT元件的短路检测电流在10uA～100mA之间。在一些实施例中，该二极管元件的电流容量一般选择1～2A，留下充足的裕量以充分满足检测电路对大电流容量的IGBT器件的各晶体管子单元21～23的短路检测需求。
在一些实施例中，针对最高阻断电压为6500V的IGBT元件，检测二极管子单元24中可以容纳一个或多个串联的二极管元件。该多个串联的二极管元件的反向阻断电压之和应当大于或等于各晶体管子单元21～23中对应IGBT元件的最高阻断电压(例如：6500V)，以满足检测电路对阻断功率半导体器件关断时高压的需求，并保护故障检测电路及各检测引脚201～203免遭高压损害。
更进一步地，如图2A所示，上述引脚子单元25还在晶体管子单元21进一步连接各晶体管子单元21～23的IGBT元件的发射极，将这些IGBT元件的发射极从引脚子单元25引出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的电压基准引脚201。该电压基准引脚201可以作为该IGBT元件的辅助发射极。功率半导体器件的检测电路可以通过引脚子单元25的电压基准引脚201、控制引脚202及检测引脚203对功率半导体器件进行短路检测。
需要注意的是，通过将适当阻断电压及适当电流容量的二极管元件集成到功率半导体器件的封装中，功率半导体器件的驱动设计人员只需要配置信号处理电路即可实现对功率半导体器件的短路检测，而不再需要根据检测二极管的耐压、电气间隔距离及爬电距离等因素来进行二极管器件的选型与布局，能够克服现有技术费时费力的缺陷。
进一步地，通过将一个或多个串联的二极管元件集成到功率半导体器件的封装内部，有利于实现该多个二极管器件的空间排布优化，有利于简化功率半导体器件的检测电路的器件结构并缩小其空间体积，符合功率半导体器件封装小型化、高功率密度的方向发展。
更进一步地，由于功率半导体器件的封装中进一步集成了检测二极管子单元24，对各晶体管子单元21～23中容纳的IGBT元件的集电极端存在电压阻断的效果，检测引脚203上的电位V203不会随高压引脚205、207、209的电位而上升到kV量级，而在正常工况下在检测电路的驱动下保持在5V左右，不超过100V。因此，图2B中的检测引脚203与电位基准引脚201、控制引脚202，以及低压引脚204、206、208之间都不会存在100V以上的电位差。因此，在设计功率半导体器件的封装及引脚排布时，不必遵循现有技术中kV量级的电气隔离距离及爬电距离的限制。
例如，在一些优选的实施例中，由于检测引脚203与电位基准引脚201及控制引脚202之间不会存在100V以上的电位差，检测引脚203与电位基准引脚201及控制引脚202之间的间距，可以突破单级IGBT元件6.5kV阻断电压对应的电气隔离距离和/或爬电距离的限制，选用小于10mm、小于5mm，甚至小于1mm的极小间距，以推进功率半导体器件向封装小型化及高功率密度方向的发展。
又例如，检测引脚203与各低压引脚204、206、208之间都不会存在100V以上的电位差，检测引脚203与各低压引脚204、206、208之间的间距，也可以突破单级IGBT元件6.5kV阻断电压对应的电气隔离距离和/或爬电距离的限制，选用小于10mm、小于5mm，甚至小于1mm的极小间距，以推进功率半导体器件向封装小型化及高功率密度方向的发展。进一步地，检测引脚203与各低压引脚204、206、208之间也不再需要图2B所示的防爬电阶梯，一方面减小功率半导体器件在纵向的尺寸以推进功率半导体器件向封装小型化及高功率密度方向的发展，另一方面降低功率半导体器件的封装工艺的难度并降低封装成本。
此外，本文还提供了一种检测电路，用于检测图2A及图2B所示的大电流容量的IGBT器件是否存在短路故障。请参考图3，图3示出了根据本发明的一些实施例提供的检测电路的示意图。
如图3所示，在本发明的一些实施例中，图2A及图2B所示的大电流容量的IGBT器件的检测电路31只包括一个检测接口311。该检测接口311直接连接上述大电流容量的IGBT器件的检测高压引脚203，以检测该大电流容量的IGBT器件的各晶体管子单元21～23中容纳的IGBT元件是否存在短路故障，其检测流程及原理与现有技术基本相同，在此不做赘述。
需要注意的是，由于该检测电路31的检测接口311是通过连接上述大电流容量的IGBT器件的检测引脚203来判断短路故障，而该检测引脚203与各晶体管子单元21～23中容纳的IGBT元件的集电极之间集成了检测二极管子单元24，对这些集电极端存在电压阻断的效果，该检测接口311不存在出现母线高压或IGBT关断过电压的风险。因此，功率半导体器件的驱动设计人员不需要为检测电路31的检测接口311配置额外的检测二极管，一方面能够克服现有技术费时费力的缺陷，另一方面有利于简化功率半导体器件的检测电路的器件结构并缩小其空间体积，符合检测电路小型化、高功率密度的方向发展。
进一步地，由于功率半导体器件的封装中进一步集成了检测二极管子单元24，对各晶体管子单元21～23中容纳的IGBT元件的集电极端存在电压阻断的效果，检测引脚203上的电位V203不会随高压引脚205、207、209的电位V209而上升到kV量级，而在正常工况下在检测电路的驱动下保持在5V左右，不超过100V。因此，图3中检测电路31的检测接口311到上述大电流容量的IGBT器件的各对应晶体管子单元21～23的低压引脚204、206、208，和/或控制引脚202的距离，可以突破单级IGBT元件6.5kV阻断电压对应的电气隔离距离和/或爬电距离的限制，选用小于10mm、小于5mm，甚至小于1mm的极小间距，以使驱动电路设计布局更加紧凑，并使得整个电力电子装置体积更小、功率密度更高。
本领域的技术人员可以理解，图2A及图2B所示的包括三个晶体管子单元21～23的大电流容量的IGBT器件，只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。
可选地，在另一些实施例中，本发明提供的上述功率半导体器件也可以由单个硅基金属-氧化物半导体场效应晶体管(Si-MOSFET)、碳化硅基MOSFET(SiC-MOSFET)、硅基IGBT(Si-IGBT)或碳化硅基IGBT(SiC-IGBT)等晶体管器件构成。请参考图4，图4示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的电路封装示意图。
如图4所示，在这些实施例中，单晶体管的功率半导体器件可以包括一个晶体管子单元41、检测二极管子单元42及引脚子单元43。晶体管子单元41中容纳的单个晶体管(例如：IGBT)元件包括集电极、发射极及栅极。该集电极用于连接高压母线，以作为该IGBT元件的高压功率端。该发射极用于接地或连接低级IGBT元件的集电极，以作为该IGBT元件的低压功率端。
进一步地，该IGBT元件的集电极延伸出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的高压引脚405。该IGBT元件的发射极延伸出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的低压引脚404。该IGBT元件的控制端通过引脚子单元43延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的控制引脚402。该检测二极管子单元42中容纳一个或多个二极管元件。该二极管元件的阴极连接晶体管子单元41的IGBT元件的集电极，而其阳极通过引脚子单元43延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的检测引脚403。
更进一步地，该引脚子单元43还连接晶体管子单元41中IGBT元件的发射极，将该发射极从引脚子单元43引出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的电位基准引脚401。该电压基准引脚401可以作为该IGBT元件的辅助发射极。功率半导体器件的检测电路可以通过引脚子单元43的电位基准引脚401、控制引脚402及检测引脚403对功率半导体器件进行短路检测。
如上所述，通过将适当阻断电压及适当电流容量的二极管元件集成到功率半导体器件的封装中，功率半导体器件的驱动设计人员只需要配置信号处理电路即可实现对功率半导体器件的短路检测，而不再需要根据检测二极管的耐压、电气间隔距离及爬电距离等因素来进行二极管器件的选型与布局，能够克服现有技术费时费力的缺陷。
进一步地，通过将多个串联和/或并联的二极管器件集成到功率半导体器件的封装内部，有利于实现该多个二极管器件的空间排布优化，有利于简化功率半导体器件的检测电路的器件结构并缩小其空间体积，符合功率半导体器件封装小型化、高功率密度的方向发展。
更进一步地，由于功率半导体器件的封装中进一步集成了检测二极管子单元42，对晶体管子单元41中容纳的IGBT元件的集电极端存在电压阻断的效果，检测引脚403上的电位V403不会随高压引脚405的电位而上升到kV量级，而在正常工况下在检测电路的驱动下保持在5V左右，不超过100V。因此，图4中的检测引脚403与电位基准引脚401、控制引脚402以及低压引脚404之间都不会存在100V以上的电位差。在设计功率半导体器件的封装及引脚排布时，不必遵循现有技术中kV量级的电气隔离距离及爬电距离的限制，可以突破单级IGBT元件6.5kV阻断电压对应的电气隔离距离和/或爬电距离的限制，选用小于10mm、小于5mm，甚至小于1mm的极小间距，以推进功率半导体器件向封装小型化及高功率密度方向的发展。
可以理解的是，图4所示的单晶体管的功率半导体器件只涉及一级晶体管元件的端电压，只需要配置一个检测接口通过其检测引脚403来检测其是否存在短路故障。在一些实施例中，技术人员可以选用图3所示的故障检测电路31，将其检测接口311直接连接到该单晶体管的功率半导体器件的检测引脚403，以检测该单晶体管的功率半导体器件的晶体管子单元41中容纳的IGBT元件是否存在短路故障，其检测流程及原理与现有技术基本相同，在此不做赘述。
可选地，在另一些实施例中，本发明的第一方面提供的上述功率半导体器件的晶体管子单元中还可以容纳多个串联的晶体管器件。请参考图5，图5示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的电路封装示意图。
如图5所示，在本发明的一些实施例中，功率半导体器件可以包括一个晶体管子单元51、检测二极管子单元52及引脚子单元53。晶体管子单元51中容纳的两个串联的晶体管(例如：IGBT)元件511、512，以构成一个单相桥臂电路(即半桥电路)。IGBT元件511、512分别包括集电极、发射极及栅极。IGBT元件511的集电极用于连接高压母线，以作为该IGBT元件511的高压功率端。IGBT元件511的发射极连接低级IGBT元件512的集电极，以作为该IGBT元件511的低压功率端。IGBT元件512的集电极连接高级IGBT元件511的发射极，以作为该IGBT元件512的高压功率端。IGBT元件512的发射极用于接地，以作为该IGBT元件512的低压功率端。
进一步地，IGBT元件511的集电极延伸出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的高压引脚505。IGBT元件512的发射极延伸出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的低压引脚504。IGBT元件511的控制端通过引脚子单元53延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的高级控制引脚5021。IGBT元件512的控制端通过引脚子单元53延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的低级控制引脚5022。该检测二极管子单元52中容纳多个检测二极管单元521、522。检测二极管单元521的阴极连接晶体管子单元51中对应IGBT元件511的集电极，而其阳极通过引脚子单元53延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的检测引脚5031。检测二极管单元522的阴极连接晶体管子单元51中对应IGBT元件512的集电极，而其阳极通过引脚子单元53延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的检测引脚5032。
更进一步地，引脚子单元53还分别连接晶体管子单元51中各IGBT元件511、512的发射极，将这些发射极分别从引脚子单元53引出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的电位基准引脚5011、5012。该电压基准引脚5011、5012可以分别作为IGBT元件511、512的辅助发射极。功率半导体器件的检测电路可以通过引脚子单元53的电位基准引脚5011、5012、控制引脚5021、5022及检测引脚5031、5032对功率半导体器件进行短路检测。
如上所述，通过将适当阻断电压及适当电流容量的二极管元件集成到功率半导体器件的封装中，功率半导体器件的驱动设计人员只需要配置信号处理电路即可实现对功率半导体器件的短路检测，而不再需要根据检测二极管的耐压、电气间隔距离及爬电距离等因素来进行二极管器件的选型与布局，能够克服现有技术费时费力的缺陷。
进一步地，通过将多个串联和/或并联的二极管器件集成到功率半导体器件的封装内部，有利于实现该多个二极管器件的空间排布优化，有利于简化功率半导体器件的检测电路的器件结构并缩小其空间体积，符合功率半导体器件封装小型化、高功率密度的方向发展。
更进一步地，由于功率半导体器件的封装中进一步集成了检测二极管子单元52，对晶体管子单元51中容纳的各IGBT元件511、512的集电极端存在电压阻断的效果，检测引脚5031、5032上的电位V5031及V5032不会随高压引脚505的电位而上升到kV量级，而在正常工况下在检测电路的驱动下保持在5V左右，不超过100V。因此，图5中的检测引脚5031、5032与电位基准引脚5011、5012、控制引脚5021、5022以及低压引脚504之间都不会存在100V以上的电位差。在设计功率半导体器件的封装及引脚排布时，不必遵循现有技术中kV量级的电气隔离距离及爬电距离的限制，可以突破单级IGBT元件6.5kV的阻断电压对应的电气隔离距离和/或爬电距离的限制，选用小于10mm、小于5mm，甚至小于1mm的极小间距，以推进功率半导体器件向封装小型化及高功率密度方向的发展。
对应地，本文还提供了一种检测电路，用于检测图5所示的半桥器件是否存在短路故障。请参考图6，图6示出了根据本发明的一些实施例提供的检测电路的示意图。
如图6所示，在本发明的一些实施例中，图5所示的半桥器件的检测电路61包括两个检测接口611、612。检测接口611直接连接上述半桥器件的检测引脚5031，以检测该半桥器件的晶体管子单元51中容纳的IGBT元件511是否存在短路故障。检测接口612直接连接上述半桥器件的检测引脚5032，以检测该半桥器件的晶体管子单元51中容纳的IGBT元件512是否存在短路故障。检测电路61的检测流程及原理与现有技术基本相同，在此不做赘述。
需要注意的是，由于该检测电路61的检测接口611、612是通过连接上述半桥器件的检测引脚5031、5032来判断短路故障，而该检测引脚5031、5032与晶体管子单元51中容纳的各IGBT元件511、512的集电极之间集成了检测二极管子单元52，对这些集电极端存在电压阻断的效果，该检测接口611、612不存在出现母线高压或IGBT关断过电压的风险。因此，功率半导体器件的驱动设计人员不需要为检测电路61的检测接口611、612配置额外的检测二极管，一方面能够克服现有技术费时费力的缺陷，另一方面有利于简化功率半导体器件的检测电路的器件结构并缩小其空间体积，符合检测电路小型化、高功率密度的方向发展。
进一步地，由于功率半导体器件的封装中进一步集成了检测二极管子单元52，对晶体管子单元51中容纳的各IGBT元件511、512的集电极端存在电压阻断的效果，各检测引脚5031、5032上的电位V5031、V5032不会随高压引脚505的电位而上升到kV量级，而在正常工况下在检测电路的驱动下保持在5V左右，不超过100V。因此，图6中检测电路61的检测接口611、612到上述半桥器件的晶体管子单元21的低压引脚504和/或控制引脚5021、5022的距离，可以突破单级IGBT元件6.5kV的阻断电压对应的电气隔离距离和/或爬电距离的限制，选用小于10mm、小于5mm，甚至小于1mm的极小间距，以使驱动电路设计布局更加紧凑，并使得整个电力电子装置体积更小、功率密度更高。更进一步地，图6中检测电路61的检测接口611、612之间的距离，也可以突破单级IGBT元件6.5kV阻断电压对应的电气隔离距离和/或爬电距离的限制，选用小于10mm、小于5mm，甚至小于1mm的极小间距，以使驱动电路设计布局更加紧凑，并使得整个电力电子装置体积更小、功率密度更高。
可选地，在另一些实施例中，本发明提供的上述功率半导体器件还可以包括具备多个桥臂电路的多相桥器件，包括但不限于H桥器件及三相桥器件。请参考图7，图7示出了根据本发明的一些实施例提供的功率半导体器件的电路封装示意图。
如图7所示，在本发明的一些实施例中，多相桥器件可以包括多个晶体管子单元71～73、检测二极管子单元74及引脚子单元75。各晶体管子单元71～73中分别容纳的两个串联的晶体管(例如：IGBT)元件711～712、721～722、731～732，以分别构成一个桥臂电路。各IGBT元件711～712、721～722、731～732分别包括集电极、发射极及栅极。IGBT元件711、721、731的集电极用于连接高压母线，以作为各IGBT元件711、721、731的高压功率端。IGBT元件711、721、731的发射极分别连接对应的低级IGBT元件712、722、732的集电极，以作为各IGBT元件711、721、731的低压功率端。IGBT元件712、722、732的集电极分别连接对应的高级IGBT元件711、721、731的发射极，以作为各IGBT元件712、722、732的高压功率端。IGBT元件712、722、732的发射极用于接地，以作为各IGBT元件712、722、732的低压功率端。
进一步地，IGBT元件711、721、731的集电极分别从对应的晶体管子单元71～73延伸出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的多个高压引脚705、707、709。IGBT元件712、722、732的发射极分别从对应的晶体管子单元71～73延伸出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的多个低压引脚704、706、708。各晶体管子单元71～73中IGBT元件711、721、731的控制端在晶体管子单元71内部相连，并通过引脚子单元75延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的高级控制引脚7021。各晶体管子单元71～73中IGBT元件712、722、732的控制端在晶体管子单元71内部相连，并通过引脚子单元75延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的低级控制引脚7022。该检测二极管子单元74中容纳多个检测二极管单元721、722。检测二极管单元721的阴极连接晶体管子单元71中对应IGBT元件711的集电极，而其阳极通过引脚子单元75延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的检测引脚7031。检测二极管单元722的阴极连接晶体管子单元71中对应IGBT元件712的集电极，而其阳极通过引脚子单元75延伸出功率半导体器件的封装，以构成功率半导体器件的检测引脚7032。
更进一步地，引脚子单元75还分别连接各晶体管子单元71～73中IGBT元件711、721、731的发射极，将这些发射极从引脚子单元75引出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的高级电位基准引脚7011。该电压基准引脚7011可以作为IGBT元件711、721、731的辅助发射极。此外，引脚子单元75还分别连接各晶体管子单元71～73中IGBT元件712、722、732的发射极，将这些发射极从引脚子单元75引出功率半导体器件的封装，以构成该功率半导体器件的低级电位基准引脚7012。该电压基准引脚7012可以作为IGBT元件712、722、732的辅助发射极。功率半导体器件的检测电路可以通过引脚子单元75的电位基准引脚7011、7012、控制引脚7021、7022及检测引脚7031、7032对功率半导体器件进行短路检测。
如上所述，通过将适当阻断电压及适当电流容量的二极管元件集成到功率半导体器件的封装中，功率半导体器件的驱动设计人员只需要配置信号处理电路即可实现对功率半导体器件的短路检测，而不再需要根据检测二极管的耐压、电气间隔距离及爬电距离等因素来进行二极管器件的选型与布局，能够克服现有技术费时费力的缺陷。
进一步地，通过将多个串联和/或并联的二极管器件集成到功率半导体器件的封装内部，有利于实现该多个二极管器件的空间排布优化，有利于简化功率半导体器件的检测电路的器件结构并缩小其空间体积，符合功率半导体器件封装小型化、高功率密度的方向发展。
更进一步地，由于功率半导体器件的封装中进一步集成了检测二极管子单元74，对各晶体管子单元71～72中容纳的各IGBT元件711～712、721～722、731～732的集电极端存在电压阻断的效果，检测引脚7031、7032上的电位V7031及V7032不会随高压引脚709的电位而上升到kV量级，而在正常工况下在检测电路的驱动下保持在5V左右，不超过100V。因此，图7中的检测引脚7031、7032与电位基准引脚701、控制引脚7021、7022以及低压引脚704、706、708之间都不会存在100V以上的电位差。在设计功率半导体器件的封装及引脚排布时，不必遵循现有技术中kV量级的电气隔离距离及爬电距离的限制，可以突破单级IGBT元件6.5kV的阻断电压对应的电气隔离距离和/或爬电距离的限制，选用小于10mm、小于5mm，甚至小于1mm的极小间距，以推进功率半导体器件向封装小型化及高功率密度方向的发展。
可以理解的是，图7所示的多相桥器件涉及两级晶体管元件的端电压，需要配置两个检测接口通过其检测引脚7031及7032来检测其是否存在短路故障。在一些实施例中，技术人员可以选用图6所示的故障检测电路61，将其检测接口611及612分别连接到该多相桥器件的检测引脚7031及7032，以检测该多相桥器件的各晶体管子单元71～73中容纳的各IGBT元件711～712、721～722、731～732是否存在短路故障，其检测流程及原理与现有技术基本相同，在此不做赘述。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (8)

1.一种功率半导体器件，其特征在于，包括：
至少一个晶体管元件，其中，所述晶体管元件包括高压功率端、低压功率端及控制端，所述高压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的高压引脚，所述低压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的低压引脚，所述控制端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的控制引脚；以及
至少一个检测二极管单元，其中，所述检测二极管单元的阴极连接所述至少一个晶体管元件的所述高压功率端，所述检测二极管单元的阳极延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的检测引脚。
2.如权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述检测引脚到所述低压引脚和/或所述控制引脚的距离小于对应晶体管元件的阻断电压所对应的电气隔离距离和/或爬电距离。
3.如权利要求2所述的功率半导体器件，其特征在于，所述低压功率端还延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的电位基准引脚，其中，所述检测引脚到所述电位基准引脚的距离小于所述对应晶体管元件的阻断电压所对应的电气隔离距离和/或爬电距离。
4.如权利要求1～3中任一项所述的功率半导体器件，其特征在于，所述检测二极管单元包括多个串联的二极管元件，所述多个串联的二极管元件的反向阻断电压之和大于或等于所述检测二极管单元对应的至少一个晶体管元件的阻断电压。
5.如权利要求1～3中任一项所述的功率半导体器件，其特征在于，包括：
多个并联的晶体管元件，其中，所述多个并联的晶体管元件的所述高压功率端分别延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的多个所述高压引脚，所述多个并联的晶体管元件的所述低压功率端分别延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的多个所述低压引脚，所述多个并联的晶体管元件的所述控制端统一延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的所述控制引脚；以及
一个所述检测二极管单元，所述检测二极管单元的所述阴极连接第一晶体管元件的所述高压功率端，所述检测二极管单元的所述阳极延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的所述检测引脚。
6.如权利要求1～3中任一项所述的功率半导体器件，其特征在于，包括：
多个串联的晶体管元件，其中，第一晶体管元件的所述高压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的高压引脚，所述第一晶体管元件的所述低压功率端连接第二晶体管元件的所述高压功率端以构成桥臂电路，所述第二晶体管元件的所述低压功率端延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的低压引脚，所述第一晶体管元件及所述第二晶体管元件的所述控制端分别延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的多个所述控制引脚；以及
多个所述检测二极管单元，其中，第一检测二极管单元的所述阴极连接所述第一晶体管元件的所述高压功率端，所述第一检测二极管单元的所述阳极延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的第一检测引脚，第二检测二极管单元的所述阴极连接所述第二晶体管元件的所述高压功率端，所述第二检测二极管单元的所述阳极延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的第二检测引脚。
7.如权利要求6所述的功率半导体器件，其特征在于，包括：
多个所述桥臂电路，其中，各所述桥臂电路的所述第一晶体管元件的所述高压功率端分别延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的多个所述高压引脚，各所述桥臂电路的所述第二晶体管元件的所述低压功率端分别延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的多个所述低压引脚，各所述桥臂电路的所述第一晶体管元件的所述控制端统一延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的第一控制引脚，各所述桥臂电路的所述第二晶体管元件统一延伸出所述功率半导体器件的封装以构成所述功率半导体器件的第二控制引脚，
所述第一检测二极管单元的所述阴极连接各所述桥臂电路的所述第一晶体管元件的所述高压功率端，所述第二检测二极管单元的所述阴极连接各所述桥臂电路的所述第二晶体管元件的所述高压功率端。
8.如权利要求1～3中任一项所述的功率半导体器件，其特征在于，所述晶体管元件包括IGBT，所述IGBT的高压功率端为其集电极，所述IGBT的低压功率端为其发射极，所述IGBT的控制端为其栅极，所述IGBT的电位基准引脚为其辅助发射极，和/或
所述晶体管元件包括MOSFET，所述MOSFET的高压功率端为其漏极，所述MOSFET的低压功率端为其源极，所述MOSFET的控制端为其栅极，所述MOSFET的电位基准引脚为其辅助源极。
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