CN116491058A - 包括可切换旁路器件的模块 - Google Patents

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Abstract

详细说明了一种模块(100)，该模块(100)包括第一模块连接件(108)、第二模块连接件(109)、能量存储器(105)、第一电开关(101)和第二电开关(102)，其中可切换旁路器件(1)被布置在第一模块连接件(108)和第二模块连接件(109)之间，并且其中可切换旁路器件(1)被配置为响应于单个触发脉冲而保持处于双向电流传导状态。

Description

包括可切换旁路器件的模块
技术领域
详细说明了一种包括可切换旁路器件的模块。
背景技术
模块化多电平转换器(MMC)广泛用于高压直流输电(HVDC)和静止同步补偿器(STATCOM)应用中。
这种MMC转换器的典型子模块包括半桥或全桥单元中的单元电容器，其中大量的这种子模块串联电连接。电容器的电压通过有源开关连接到单元的输出。这些开关通常是带有反向并联连接的快速恢复二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因为二极管不能承受较高浪涌电流，所以使用旁路器件保护二极管。如果切换器件是具有反向并联连接的快速二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，则会出现类似的情况。
如果这些子模块的元件发生故障，例如由于切换器件的故障或通信错误，则可能出现单元能量存储器的充电的不受控的状态，这对于子模块或整个MMC转换器来说是潜在的风险。
文献WO 2011/107363 A1描述了一种机械旁路件，以确保在串联连接的一个或多个模块故障的情况下MMC保持工作。
然而，由于其机械部件的惯性，机械旁路开关需要一定时间段直到它呈现导电状态，并在故障的情况下安全地接管电流。在这个时段期间，电流可能继续流入到模块中并保持对电能存储器充电，从而损坏能量存储器。另一方面，当能量存储器随后通过机械旁路开关放电时，能量的增大的存储量可以爆炸性地转化为热量。此外，由于模块的部件中的电流方向的突然逆转，可能出现对模块的进一步破坏或损坏。
文献CN 110829811提出使用与两个反并联晶闸管并联的机械旁路开关。然而，如果例如具有50Hz到几百Hz的频率的AC电流要经由反并联晶闸管被旁路，则在反并联晶闸管可导通之前，晶闸管中的第一晶闸管必须关断。这需要复杂的触发过程，从而导致旁路的可靠性降低。
发明内容
因此，本发明的目的是详细说明一种在故障的情况下提供可靠保护的模块。
这个目的尤其通过根据权利要求1的模块来获得。改进和便利是另外的权利要求的主题。
根据至少一个实施例，一种模块包括第一模块连接件、第二模块连接件。模块还包括能量存储器以及第一电开关和第二电开关，其中可切换旁路器件布置在第一模块连接件和第二模块连接件之间。可切换旁路器件被配置成响应于单个触发脉冲而保持处于双向电流传导状态。
在故障的情况下，可切换旁路器件可以进入传导状态，从而提供从第一模块连接件到第二模块连接件的电旁路。例如，可切换旁路器件被配置为被电触发或光触发。
例如，响应于单个触发脉冲，至少具有至少50Hz的频率的交流电可以双向传导通过可切换旁路器件。换句话说，一旦可切换旁路器件处于电流传导状态(或接通状态)，即使第一主电极和第二主电极之间的电压的极性改变，它也保持处于传导状态。因此，没有必要在每次所施加的电压的极性改变时触发可切换旁路器件。例如，可切换旁路器件是单功率半导体器件。
根据至少一个实施例，可切换旁路器件包括在第一主表面和第二主表面之间延伸的半导体主体、布置在第一主表面上的第一主电极和布置在第二主表面上的第二主电极。示例性地，第一主表面和第二主表面布置在可切换旁路器件的相对侧上。半导体主体包括第一导电类型的第一基极层、第一导电类型的第二基极层、以及布置在第一基极层和第二基极层之间的不同于第一导电类型的第二导电类型的第三基极层。第一主电极作为可切换旁路器件的第一晶闸管功能元件的阴极并且作为可切换旁路器件的第二晶闸管功能元件的阳极。
例如，相对于阻断方向，第一晶闸管功能元件和第二晶闸管功能元件反并联布置。
例如，第一导电类型是p型，以及第二导电类型是n型，反之亦然。
根据该模块的至少一个实施例，第一主电极邻接至少一个第二导电类型的第一发射极区和至少一个第一导电类型的第一发射极短路区。例如，第一主电极经由第一发射极区作为第一晶闸管功能元件的阴极，并且经由第一发射极短路区作为第二晶闸管功能元件的阳极。换句话说，一个晶闸管功能元件的阴极短路区同时作为反并联晶闸管功能元件的阳极区。
根据模块的至少一个实施例，第一晶闸管功能元件和第二晶闸管功能元件中的每一者使用在第一基极层和第三基极层之间形成的p-n结的整个区域。例如，第一晶闸管功能元件和第二晶闸管功能元件中的每一者使用在第二基极层和第三基极层之间形成的p-n结的整个区域。例如，如果第一导电类型是p型，并且第二导电类型是n型，则第一晶闸管功能元件和第二晶闸管功能元件可以使用共同的p-n-p基极层序列。可以省去两个反并联晶闸管之间的分离区。第一、第二和第三基极层可以在侧向方向上(即在平行于第一主表面延伸的方向上)完全无结构化。另外，不必在可切换旁路器件的同一侧上提供两个分离的电极，其中电极中的一个电极作为一个晶闸管的阳极，以及另一电极作为另一晶闸管的阴极。
对于可切换旁路器件，可以获得接近相同尺寸的单个晶闸管的浪涌电流能力的非常高的浪涌电流能力。
根据模块的至少一个实施例，半导体主体关于电荷载流子复合寿命被配置成使得可切换旁路器件不会响应于电压换向而关断。因此，第一主电极和第二主电极之间的电压的极性方面的变化不会导致可切换旁路器件切换到非传导状态。例如，如果使可切换旁路器件低于其保持电流，则发生关断。
在双向晶闸管器件的常规应用中，n型和p型基极层中的过量载流子的寿命通过在p-n结附近进行电子辐照或离子注入而被有意缩短，以便确保晶闸管能够响应电压换向而关断。例如，在文献WO 2019/158594 A1中描述了这种通过质子辐照进行的局部寿命控制的方式。
相比之下，在本旁路器件中，过量电荷载流子的寿命可以有意地保持得很长，使得在接通状态下产生的电子空穴等离子体在换向期间非常缓慢地复合。可以通过在制造期间使半导体主体不被辐照来获得高寿命，也就是说，没有对半导体主体的质子或电子辐照。如果电子空穴等离子体的浓度在穿过零电流电平期间足够高，则防止了空间电荷区(SCR)的形成。因此，如果第一和第二主电极之间的电压的极性改变，则可切换旁路器件保持处于接通状态。没有换向关断。只有在使可切换旁路器件低于其保持电流的情况下，才可能发生关断。因此，单个触发脉冲足以维持两个电流方向的接通状态，该单个触发脉冲用于例如经由栅电极或光学地针对极性中的一个极性切换到接通状态。因此，可切换旁路器件可以代表AC开关。
根据模块的至少一个实施例，该模块被配置为半桥布置。半桥布置可以在第一模块连接件和第二模块连接件之间提供两个不同的电压电平。在半桥布置中，诸如开关的所需的部件的数量被最小化。
根据模块的至少一个实施例，该模块被配置为全桥布置。全桥布置可以在第一模块连接件和第二模块连接件之间提供三个不同的电压电平。例如，全桥布置包括四个开关。
根据模块的至少一个实施例，模块被配置用于模块化多电平转换器。例如，模块代表模块化多电平转换器的单元中的一者。例如，单元串联电连接。使用可切换旁路器件，在模块化多电平转换器内的故障的情况下，可以可靠地处理例如1kA以上或10kA以上的高故障电流。在故障发生的同时，模块的如绝缘栅双极晶体管的有源开关可以被关断，并且模块化多电平转换器可以在几微秒内被阻断。由于反并联连接到IGBT的续流二极管不能承受高浪涌电流，触发可切换旁路器件保护了二极管。
然而，可切换旁路器件也适用于其他应用，例如需要能够处理高电流(例如100A或更高的电流)的可切换保护器件的电力应用。
根据模块的至少一个实施例，模块包括与可切换旁路器件并联连接的另外的旁路器件。
例如，另外的旁路器件是机械开关。另外的旁路器件可以用于将可切换旁路器件从过重的负载中释放出来，例如由于过长的故障事件。例如，可切换旁路器件比另外的旁路器件更快地切换到接通状态。一旦另外的旁路器件也处于接通状态，要被旁路的电流中的至少一部分可以通过另外的旁路器件传导。
根据模块的至少一个实施例，可切换旁路器件被配置成在模块内出现故障的情况下或在外部故障导致施加到模块的电压超过预定值的情况下被触发。因此，可以保护模块免受由内部故障和外部故障两者造成的损坏。
根据该模块的至少一个实施例，第二主电极邻接至少一个第二导电类型的第二发射极区和至少一个第一导电类型的第二发射极短路区。
根据模块的至少一个实施例，第一主表面上的第一发射极区和第一发射极短路区的布置不同于第二主表面上的第二发射极区和第二发射极短路区的布置。例如，区的位置和侧向范围中的至少一者有所不同。换句话说，可切换旁路器件相对于第一主表面和第二主表面上的发射极区和发射极短路区的布置是非对称的。借助于不同的布置，可切换旁路器件可以被配置为使得可切换旁路器件的性质在电压极性方面不同。例如，对于阳极到阴极电压的一个极性，可切换旁路器件的浪涌电流能力降低，使得器件无法起到保护性短路的作用。对于相反极性的电压，器件将继续旁路电流故障并限制潜在的过电压(撬棍操作，crowbar operation)。
根据模块的至少一个实施例，当从第一主表面上看时，至少一个第一发射极区与第二发射极短路区重叠。使用这种布置，可以减小第一主电极和第二主电极之间的半导体主体中的电流路径的长度，以最小化可切换旁路器件的接通状态电压降。
根据模块的至少一个实施例，可切换旁路器件包括至多一个栅电极。例如，第一栅电极形成在第一主表面上。使用栅电极，可切换旁路器件可以进入接通状态。第二主表面可以没有栅电极。可切换旁路器件也可以被配置为光触发。在这种情况下，栅电极被光敏触发区代替，该光敏触发区可以通过光学线缆(光导)被光触发。
根据模块的至少一个实施例，可切换旁路器件包括在第一主表面上的第一栅电极，并且其中第一主电极包括多个彼此隔开的第一段，其中从第一主表面上看，第一段中的至少一些段完全被第一栅电极包围。围绕第一主电极的各段的第一栅电极允许获得非常快速导通的可切换旁路器件。例如，第一栅电极可以分布在整个第一主表面上。因此，栅极-阴极边界的长度可以增加，从而使得用于快速导通的di/dt能力增强。同时，dV/dt能力可以保持不变。
例如，第一主电极的第一段中的每一者邻接至少一个第二导电类型的第一发射极区和至少一个第一导电类型的第一发射极短路区。
根据模块的至少一个实施例，可切换旁路器件包括在第二主表面上的第二栅电极。在这种情况下，可切换旁路器件可以经由第一栅电极和第二栅电极在两个电流方向上被电触发。
根据模块的至少一个实施例，第二主电极包括多个彼此间隔开的第二段，其中从第二主表面上看，第二段中的至少一些段被第二栅电极完全包围。围绕第一主电极的各段的第二栅电极允许获得在两个电流方向上非常快速导通的可切换旁路器件。例如，第二栅电极可以分布在整个第二主表面上。
根据可切换旁路器件的至少一个实施例，第一栅电极与第一基极层形成欧姆接触。这意味着，例如，在第一栅电极和第一基极层之间没有p-n结。因此，第二栅电极可以与第二基极层形成欧姆接触。
例如，可切换旁路器件可以在同一器件内提供两个反并联连接的晶闸管结构(第一晶闸管功能元件和第二晶闸管功能元件)、具有阳极和阴极区的相互交叉，以避免两个反并联晶闸管之间必须有分离区。此外，可以在第一主表面和第二主表面中的至少一者上提供栅极区的相互交叉。
根据可切换旁路器件的至少一个实施例，第一栅电极包括具有多个第一单元的第一网格结构。从第一主表面上看，第一单元可以具有多边形形状。例如，第一单元可以具有六边形、八边形或四边形的形状。例如，可切换旁路器件包括20到2000个第一单元(包括端值)。根据对可切换旁路器件的具体要求，单元的数量可以在很宽的范围内变化。
根据可切换旁路器件的至少一个实施例，第一网格结构至少在各区中形成蜂窝图案。例如，蜂窝图案由正六边形形成。
根据可切换旁路器件的至少一个实施例，多个第一发射极短路区布置在第一单元中的一者之内。例如，第一单元中的一者内的第一发射极短路区的数量总计在2和100之间(包括端点)。然而，只有一个第一发射极短路区也可能是足够的。
根据可切换旁路器件的至少一个实施例，放大栅极结构被集成到第一栅电极和第二栅电极中的至少一者中。放大栅极结构有助于通过触发电流在较大镜片面积上的快速侧向分布来获得短的导通时间。通过对第一栅电极和第二电极使用放大栅极结构，可以在两个电流方向上获得短的导通时间。
根据可切换旁路器件的至少一个实施例，第一栅电极和第二栅电极具有相同的基本形状。换句话说，第二栅电极代表了第一栅电极的复制件或至少相似的复制件。
以这种方式促进了可切换旁路器件相对于两个电流方向的对称行为。
附图说明
在示例性实施例和附图中，相似或作用相似的组成部分具有相同的附图标记。一般而言，仅描述关于各个实施例的差异。除非另有说明，一个实施例中的部分或方面的描述也应用于另一实施例中的相对应的部分或方面。
在附图中：
图1示出了模块的示例性实施例；
图2示出了模块的另外的示例性实施例；
图3示出了可切换旁路器件的示例性实施例；
图4A示出了可切换旁路器件的示例性实施例的作为时间的函数的电流和电压的测量；
图4B、图4C和图4D示出了在图4A的三个不同阶段的可切换旁路器件内的电荷载流子分布的示意图；
图5A以俯视图示出了可切换旁路器件的示例性实施例的细节；
图5B示出了图5A的可切换旁路器件的截面图；
图6以截面图示出了可切换旁路器件的另一示例性实施例的细节。
图中示出的元件和它们彼此之间的尺寸关系不一定是真实比例。相反，为了更好的表征性和/或为了更好地理解，可以利用放大的尺寸来表示单个元件或层厚度。
具体实施方式
图1中示出了模块100的示例性实施例。
模块100例如被配置为MMC的半桥单元。模块100包括能量存储器105、第一开关101和第二开关102。模块100还包括第一模块连接件108和第二模块连接件109。
第一开关和第二开关中的至少一者可以包括例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)。
模块100还包括布置在第一模块连接件108和第二模块连接件109之间的可切换旁路器件1。在模块100的常规操作期间，可切换旁路器件1处于非传导的关断状态，使得没有电流流过可切换旁路器件1。第一模块连接件108和第二模块连接件109之间的电压取决于第一开关101和第二开关102的状态。如果第一开关101断开并且第二开关102闭合，则第一模块连接件108和第二模块连接件109之间的电压差对应于能量存储器105的电压。如果第一开关101闭合并且第二开关102断开，则在第一模块连接件108和第二模块连接件109之间没有或者至少没有显著的电压差。
在故障的情况下，可切换旁路器件1可以被切换到接通状态，使得在第一模块连接件108和第二模块连接件109之间存在绕过能量存储器105以及第一开关和第二开关101、102的电旁路。
例如，可切换旁路器件1包括第一晶闸管功能元件11和第二晶闸管功能元件12，该第一晶闸管功能元件和第二晶闸管功能元件反并联布置并且集成到公共半导体主体中。结合图3至图6更详细地描述可切换旁路器件1的示例性实施例。
模块100还可以包括另外的旁路10，其可以是例如机械开关。机械开关可以用于将可切换旁路器件1从过重的负载中释放出来，例如在过长的故障事件期间。例如，可切换旁路器件1和另外的旁路器件10可以被同时触发。在MMC系统的零供应电压的情况下，也可以采用机械开关进行保护。
由于可切换旁路器件1的高可靠性，例如如果通过其他方式避免了MMC处的零电压的情况，则可以省去机械开关。例如，可切换旁路器件可以被配置为使得它在预定量的过载的情况下不可逆地切换到永久短路状态。例如，如果达到预定义的过载量，则通过熔化来形成可切换旁路器件内的传导路径。
单个触发脉冲足以使可切换旁路器件1永久保持处于接通状态，直到可切换旁路器件1被另外的旁路器件10短路或者直到故障被清除。这将结合图4A至图4C进行更详细的描述。
可以经由电信号来执行触发。然而，也可以使用光触发。在经由可切换旁路器件的栅电极的电触发的情况下，可以给出故障情况下的接通命令，使得栅电极将被提供触发脉冲，对于该栅电极，阳极和阴极之间的电压的极性对应于可切换旁路器件的相应的晶闸管功能的正向阻断的极性。
也可以经由同时引入到两个栅极的电信号或光信号来执行触发。控制模块的控制系统不需要考虑阳极到阴极电压的极性。对于所有触发选项，只需要单个栅极触发脉冲来激活保护。与现有技术相比，这代表了实质性的简化。
严重内部故障的另外的示例是MMC内的阀门AC端子接地故障，使得单元中的一些单元可能由于过度充电而承受异常高的电压。在这种情况下，可以向可切换旁路器件1发送接通命令，这将阻止单元的进一步充电。因此，将防止单元上的过电压。由于MMC的内部故障，整个MMC将被关闭，使得通过可切换旁路器件1的电流最终将为零。这将把可切换旁路器件1切换到关断(或打开)状态，使得当模块下次通电时，模块将正常起作用。
图2中示出的示例性实施例基本上对应于结合图1描述的实施例。与此不同的是，模块100被配置为具有两个附加开关(即第三开关103和第四开关104)的全桥布置。使用全桥布置，可以获得第一模块连接件108和第二模块连接件109之间的三个不同的电压电平。然而，与半桥布置相比，这是以附加开关为代价的。
如果第一开关101和第三开关103闭合，则第一和第二模块连接件108、109之间的电压对应于能量存储器105的正电压。
另一方面，如果第二开关102和第四开关104闭合，则该电压对应于能量存储器105的负电压。如果第二开关102和第三开关103或者第一开关101和第四开关104闭合，则第一模块连接件和第二模块连接件处的电压为零。
可切换旁路器件1也适用于其他需要旁路保护的模块。
图3以示意性剖视图示出了可切换旁路器件1的示例性实施例。可切换旁路器件1包括在第一主表面21和第二主表面22之间延伸的半导体主体2。
半导体主体在竖直方向上包括第一导电类型的第一基极层51、第一导电类型的第二基极层52、以及布置在第一基极层51和第二基极层52之间的不同于第一导电类型的第二导电类型的第三基极层53。第一主电极31布置在第一主表面21上，以及第二主电极32布置在第二主表面22上。例如，第一导电类型是p型，以及第二导电类型是n型，反之亦然。
第一主电极31作为第一晶闸管功能元件11的阴极和第二晶闸管功能元件12的阳极。对于第二晶闸管功能元件12，第一主电极31经由第一发射极短路区71作为阳极。第一晶闸管功能元件11和第二晶闸管功能元件12在图3中使用箭头示出。这些功能元件代表布置在同一半导体主体2内的两个反并联连接的晶闸管结构。
第一主电极31邻接至少一个第二导电类型的第一发射极区61和多个第一导电类型的第一发射极短路区71。
第二主电极邻接至少一个第二导电类型的第二发射极区62和多个第一导电类型的第二发射极短路区72。在这个实施例中，第一晶闸管功能元件11由作为阳极的第二发射极短路区72、第二基极层52、第三基极层53、第一基极层51和第一发射极区61形成。
因此，第二晶闸管功能元件12由作为阳极的第一发射极短路区71、第一基极层51、第三基极层53、第二基极层52和第二发射极区62形成。因此，发射极短路区71、72也实现了相关联的反并联晶闸管功能元件的阳极的功能。
在第一基极层51和第三基极层53之间以及在第三基极层53和第二基极层52之间，形成在半导体主体2的整个区域上延伸的p-n结。因此，第一晶闸管功能元件11和第二晶闸管功能元件12两者可以使用这些p-n结的整个区域。以这种方式可以获得接近相同尺寸的单个晶闸管的浪涌电流能力的高浪涌电流能力。
半导体主体2例如包括硅。然而，也可以使用其他半导体材料，例如SiC(碳化硅)。
可切换旁路器件1还包括第一主表面21上的第一栅电极41和第二主表面22上的第二栅电极42。具有两个栅电极的可切换旁路器件1可以相对于两个电流方向导通。
然而，也可以省去第一栅电极和第二栅电极41、42中的一者。
第一栅电极41经由半导体主体2的邻接第一主表面21的第一栅极接触区91形成与第一基极层51的欧姆接触。第二栅电极42经由半导体主体2的邻接第二主表面22的第二栅极接触区92形成与第二基极层52的欧姆接触。第一栅极接触区91和第二栅极接触区92具有与第一基极层51相同的导电类型。
在所示的示例性实施例中，放大栅结构8集成到第一栅电极41和第二栅电极42中。放大栅结构8包括第一栅电极41的区段80。例如，区段80被形成为围绕第一栅电极垫延伸的环。第一栅电极垫被配置为外部接触件，用于向第一栅电极41施加外部触发电流。区段80与第一导电类型的第一部分区81和第二导电类型的第二部分区82重叠。这导致经由第一栅电极垫施加到第一栅电极41的电流脉冲的放大。原则上，这是集成在晶闸管主体内的两个双极晶体管的达林顿配置。
半导体主体2关于电荷载流子复合寿命被配置成使得可切换旁路器件1不会响应于电压换向而关断。这将结合图4A到图4D进行描述。
图4A示例性地示出了在电流I近似线性减小期间，在零电压(或电流)交叉点附近作为时间的函数的所测量的电压V和电流I。图4B至图4D示出了三个不同阶段的第一主电极31和第二主电极32之间的电荷载流子分布，在图4A中标记为4B、4C和4D。
在阶段4B中，第一主电极31作为阳极，并且第二主电极32作为阴极。如图4B中示意性示出的那样，在半导体主体2中可获得较大数量的电子和空穴。
在图4A中标记为4C的零电压交叉点处，可用电荷载流子的数量减少，但是电荷载流子的寿命很长，以至于阻止了空间电荷区的形成(图4C)。由于可切换旁路器件1没有完全耗尽自由电荷载流子，所以它可以返回到接通状态，只是具有电流的经改变的极性(图4D中示出的4D阶段)。在4D阶段，第一主电极31作为反并联晶闸管功能元件的阴极，并且第二主电极32作为反并联晶闸管功能元件的阳极。
这意味着如果第一主电极和第二主电极31、32之间的电压的极性改变，可切换旁路器件1代表保持处于接通状态的AC开关。例如，频率至少为50Hz。因此，对于两种极性，经由一个栅电极的单个触发脉冲足以将可切换旁路器件1切换到接通状态。因此，可以省略第一栅电极和第二栅电极中的一者。
如果可切换旁路器件包括两个独立的分离晶闸管元件，则每次电压的极性改变时，晶闸管元件必须被触发。由于在导通过程中侧向等离子体(导电区域)扩散的速度有限，这对于具有相对较慢的导通的大面积晶闸管来说尤其是问题。
第一栅电极41和第二栅电极42中的至少一者可以包括数个分支，以便改善栅极脉冲在可切换旁路器件1的区域上的分布。例如，可以通过各分支形成类似雪花的结构。第一主电极和第二主电极31、32在每种情况下被配置为连续的元件。
半导体主体2可以是完整的晶片。然而，半导体主体2也可以是晶片的一部分，使得可切换旁路器件1是通过将经处理的晶片切割成单个器件而获得的芯片。在这种情况下，可切换旁路器件可以包括平面pn结终端，例如使用保护环或横向变掺杂(variation lateraldoping，VLD)。同时，可以提供深p型阱以获得反向阻断能力。
图5A和图5B中示出的可切换旁路器件的示例性实施例基本上对应于结合图3描述的实施例。
与此不同的是，第一主电极31包括彼此间隔开的多个第一段310。从第一主表面21上看，第一段310中的至少一些段(例如第一段中的至少50％、或至少90％或全部)完全被第一栅电极41包围。
第一栅电极41包括连接到第一栅电极垫(图中未示出)的第一网格结构411。
第一主电极31的第一段310中的每一者邻接至少一个第二导电类型的第一发射极区61和至少一个第一导电类型的第一发射极短路区71。
在图5A中示出的示例性实施例中，第一网格结构411包括多个六边形形状的第一单元4110，从而形成蜂窝结构。然而，其他多边形第一单元也可以应用于第一网格结构411，例如四边形或八边形。
如图5B的截面图所示，第二主电极32和第二栅电极42布置在半导体主体的第二主表面22上。类似于第一主电极31，第二主电极32被分成多个第二段320。从第二主表面22上看，第二段320中的至少一些段(例如第二段320中的至少50％、或至少90％或全部)完全被第一栅电极42包围。
第二主电极32的第二段320中的每一者邻接至少一个第二导电类型的第二发射极区62和至少一个第一导电类型的第二发射极短路区72。
在可切换旁路器件1的操作期间，第一主电极31的第一段310可以电接触到相同的电势，例如通过将导电板或导电晶片压靠在第一主电极31上。如图5B所示，第一网格结构411内的第一栅电极41的厚度小于第一主电极31的厚度。因此，第一网格结构411不形成与板或晶片的电接触。这也适用于第二主电极32。
根据可切换旁路器件的预期应用，单元的数量可以在很宽的限值内变化，例如在10和5000之间。例如，具有100mm的直径的器件可以包括由第一网格结构411形成的数百个第一单元。
第一主表面21上的视图可以对应于第二主表面22上的视图。因此，在图中没有明确示出第二主表面22上的视图。结合第一主表面21上的配置，例如结合第一主电极31、第一栅电极41、第一网格结构411、第一单元4110、第一发射极区61和第一发射极短路区71描述的特征和参数同样也可以应用于第二主表面22上的相应的元件，例如分别应用于第二主电极32、第二栅电极42、第二网格结构421、第二单元4210、第二发射极区62和第二发射极短路区72。
例如，第一单元4110的一侧4111的长度L1在500μm和5000μm之间或者在900μm和3000μm之间(包括端值)。长度L1越大，第一主电极31的第一段310的邻接面积越大。
第一单元4110中的至少一者的一侧的宽度W1在100μm和2000μm之间(包括端值)，例如在100μm和500μm之间。侧部的宽度和它们的厚度一起限定了第一网格结构411的横截面。例如，第一网格结构411的厚度在3μm和30μm之间(包括端值)、或者在5μm和12μm之间(包括端值)。例如，使用这些参数，第一网格结构411的横截面足够大，以避免沿着从第一栅电极垫到第一网格结构411的最外区的栅极路径的显著电压降。
术语“长度”和“宽度”是指侧向方向上的延伸。厚度是指在竖直方向(即，垂直于第一主表面)上的范围。
例如，第一发射极短路区71的最大侧向范围E1在50μm和1000μm之间、或者在100μm和500μm之间(包括端值)。
例如，同一第一单元内的两个发射极短路区71之间的边到边距离D1在200μm和1000μm之间(包括端值)、或者在300μm和500μm之间(包括端值)。可以适当选择发射极短路区之间的距离，以提供足够高的dV/dt。
例如，第一网格结构411和最靠近第一网格结构布置的第一发射极短路区之间的边到边距离D2在50μm和400μm之间或者在100μm和200μm之间(包括端值)。
上述参数可以考虑不适用于现有器件概念的设计规则。例如，这是因为一个晶闸管功能元件的阴极侧上的发射极短路区同时作为反并联晶闸管功能元件的阳极区。
例如，与图5A不同，布置在一个第一单元内的第一发射极短路区71也可以具有不同的最大侧向范围值。例如，更靠近第一段的边缘布置的发射极短路区可以小于更靠近相应的第一段的中心布置的第一发射极短路区的最大侧向范围。
可替代地或附加地，中心的第一发射极短路区71可以由几个更小的第一发射极短路区71代替。
例如，靠近第一单元的边缘布置的第一发射极短路区71可以具有100μm和250μm之间(包括端值)的直径，其中靠近单元的中心布置的第一发射极短路区71可以具有150μm和500μm之间(包括端值)的直径。
在图5B中示出的示例中，每个第一段310与多个第一发射极短路区71重叠，其中一个第一发射极短路区71布置在第一段310的中心，而另外的第一发射极短路区71沿着第一段310的周边布置。然而，单个发射极短路区71也可以是足够的。
由于第一主表面和第二主表面上的栅电极和主电极之间的界面面积大量增加，所描述的器件结构提供了较高的di/dt能力。与传统器件相比，可以获得在施加栅极电流脉冲之后的短导通时间。
在传统器件中，短路区距主电极边缘的距离保持较低，因为它与dV/dt能力成反比。这降低了di/dt能力。相反，对于所描述的旁路器件，例如由于大量增加的栅极-阴极面积，可以同时获得dV/dt和di/dt的较高值。
图6的示例性实施例基本上对应于结合图3所描述的实施例。
与此不同的是，第一发射极区61和第一发射极短路区71在第一主表面21上的布置不同于第二发射极区62和第二发射极短路区72在第二主表面上的布置。
当看向第一主表面上时，第一发射极区61中的至少一些或全部与第二发射极短路区72中的一者或多者重叠。使用这种布置，与第一发射极区61具有与第二发射极区62相同的尺寸和位置的布置相比，可以减小第一主电极31和第二主电极32之间的第一晶闸管功能元件11和第二晶闸管功能元件12的直流路径的长度。因此，可切换旁路器件可以表现得像具有更薄的器件主体，从而使得接通状态电压降更低和电气损耗更低。
另外，可以使用不同主表面21、22上的发射极区61、62和发射极短路区71、72的非对称布置，以便有意地获得针对不同极性的不同性质。
例如，可以获得针对不同的极性的不同的保护限值。例如，可以获得不同的最大浪涌电流幅值，例如，它们中的一个可能在低浪涌电流下失效，而第二个可能在高浪涌电流下失效。因此，两个不同的反并联功能元件可以合并到单个器件中。这可以有助于降低成本和/或获得更小的占地面积。
可切换旁路器件1的所描述的非对称配置也可以用于图5A和图5B的示例性实施例。
如同图3和图5A和图5B的示例性实施例，可切换旁路器件1可以只包括一个栅电极或两个栅电极。
本专利申请要求欧洲专利申请EP 20209823.2的优先权，该申请的公开内容通过引用结合于此。
在此描述的本发明不受参考示例性实施例给出的描述限制。相反，本发明涵盖任何新颖特征和特征的任何组合，尤其是包括权利要求中的特征的任何组合，即使没有在权利要求或示例性实施例中明确指出这个特征或这个组合本身。
附图标记列表
1 可切换旁路器件
10 另外的旁路器件
100 模块
101 第一开关
102 第二开关
103 第三开关
104 第四开关
105 能量存储器
108 第一模块连接件
109 第二模块连接件
11 第一晶闸管功能元件
12 第二晶闸管功能元件
2 半导体主体
21 第一主表面
22 第二主表面
31 第一主电极
310 第一段
32 第二主电极
320 第二段
41 第一栅电极
411 第一网格结构
4110 第一单元
4111 侧部
42 第二栅电极
421 第二网格结构
4210 第一单元
51 第一基极层
52 第二基极层
53 第三基极层
61 第一发射极区
62 第二发射极区
71 第一发射极短路区
72 第二发射极短路区
8 放大栅极结构
80 区段
81 第一局部区
82 第二局部区
91 第一栅极接触区
92 第二栅极接触区
L1 侧部的长度
W1 侧部的宽度
E1第一发射极短路区的最大侧向范围
D1 边到边距离
D2 边到边距离

Claims (13)

1.一种模块(100)，包括
-第一模块连接件(108)和第二模块连接件(109)，
-能量存储器(105)，以及
-第一电开关(101)和第二电开关(102)，
其中可切换旁路器件(1)布置在所述第一模块连接件(108)和所述第二模块连接件(109)之间，
其中
-所述可切换旁路器件(1)被配置成响应于单个触发脉冲而保持处于双向电流传导状态，
-所述可切换旁路器件(1)包括在第一主表面(21)和第二主表面(22)之间延伸的半导体主体(2)，
-其中所述可切换旁路器件(1)包括布置在所述第一主表面(21)上的第一主电极(31)和布置在所述第二主表面(22)上的第二主电极(32)，
-所述半导体主体(2)包括第一导电类型的第一基极层(51)、所述第一导电类型的第二基极层(52)以及布置在所述第一基极层(51)和所述第二基极层(52)之间的不同于所述第一导电类型的第二导电类型的第三基极层(53)，
-所述第一主电极(31)作为所述可切换旁路器件(1)的第一晶闸管功能元件(11)的阴极并且作为所述可切换旁路器件的第二晶闸管功能元件(12)的阳极，
-所述半导体主体(2)关于电荷载流子复合寿命被配置成使得所述可切换旁路器件(1)不会响应于电压换向而关断，并且
-如果使所述可切换旁路器件(1)低于其保持电流，则发生所述可切换旁路器件(1)的关断。
2.根据权利要求1所述的模块(100)，
其中
-所述第一主电极(31)邻接至少一个所述第二导电类型的第一发射极区(61)和至少一个所述第一导电类型的第一发射极短路区(71)，并且
-所述第一主电极(31)经由所述第一发射极区(61)作为所述第一晶闸管功能元件(11)的阴极，并且经由所述第一发射极短路区(71)作为所述第二晶闸管功能元件(12)的阳极。
3.根据权利要求1或2所述的模块(100)，
其中所述第一晶闸管功能元件(11)和所述第二晶闸管功能元件(12)中的每一者使用在所述第一基极层(51)和所述第三基极层(53)之间形成的p-n结的整个区域。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模块(100)，
其中所述第二主电极(31)邻接至少一个所述第二导电类型的第二发射极区(62)和至少一个所述第一导电类型的第二发射极短路区(72)。
5.根据权利要求4所述的模块(100)，
其中从所述第一主表面上看时，至少一个第一发射极区(61)与第二发射极短路区(72)重叠。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的模块(100)，
其中第一发射极区(61)和第一发射极短路区(71)在所述第一主表面(21)上的布置不同于第二发射极区(62)和第二发射极短路区(72)在所述第二主表面(22)上的布置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的模块(100)，
其中所述可切换旁路器件(1)包括在所述第一主表面(21)上的第一栅电极(41)，并且其中所述第一主电极(31)包括多个彼此隔开的第一段(310)，其中从所述第一主表面(21)上看，所述第一段(310)中的至少一些段被所述第一栅电极(41)完全包围。
8.根据权利要求7所述的模块(100)，
其中所述第二主电极(32)包括多个彼此间隔开的第二段(320)，其中从所述第二主表面(22)上看，所述第二段(320)中的至少一些段被所述第二栅电极(42)完全包围。
9.根据前述权利要求中任一项所述的模块(100)，
其中所述模块(100)被配置为半桥布置或被配置为全桥布置。
10.根据前述权利要求中任一项所述的模块(100)，
其中所述模块(100)被配置用于模块化多电平转换器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的模块(100)，
其中所述模块(100)包括与所述可切换旁路器件(1)并联连接的另外的可切换旁路器件(10)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的模块(100)，
其中所述模块(100)被配置为被电触发或光触发。
13.根据前述权利要求中任一项所述的模块(100)，
其中所述可切换旁路器件被配置成在所述模块(100)内出现故障的情况下或在外部故障导致施加到所述模块(100)的电压超过预定值的情况下被触发。
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