CN1363106A - 具有溶断器的半导体功率元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体功率元件(二极管18),特别用于汽车的车载电网,它具有一个引出线(11),并且具有一个位于主电流线路中、在热过载情况下熔断的熔断器(12)。为了在半导体功率元件过载时避免连续损坏,实现事先明确而有针对性地切断受损构件,本发明采用以下技术手段:把在主电流线路中的引出线(11)的局部区段(11a;11b)和/或接触区域设计成一个在达到一个预定的与电流有关的温度值时能够熔断的熔断器(12)。
Description
本发明涉及一种如独立权利要求所述的那种在其主电流线路中具有熔断器的半导体功率元件。
现有技术
目前所使用的半导体功率元件，如二极管、齐纳二极管或晶体管，由于制造误差、电过载或热过载，在其触点区段可能出现熔合，并且因此导致短路。在汽车制造业的三相发电机上布置有整流器的情况下，通过极性变换连接的蓄电池或通过汽车蓄电池的一个极性变换连接的充电设备，都可能产生短路，这将会导致在半导体功率元件的主电流线路中出现不允许的高电流。此外在大多数情况下，这种短路电流在很短的时间之后还将损坏半导体功率元件以及周围部件，例如引线或保护层。在极端情况下，在通过半导体损坏而中断过电流之前，这种事情还可能会产生具有连续损坏的过热现象。
为了保护半导体，在必要时要使用保险元件。然而，商业上通用的原则上可以与半导体功率元件串联连接的熔断器还需要一个制造费用较高的特殊结构空间。另外它还形成了串联电阻，这种电阻会产生热量损耗。
从DE 30 01 52 2 C2中已知，在一种整流器的结构中，在整流电桥的正功率二极管和负功率二极管的连接件之间，分别布置一个保险元件。在这种情况下，这些保险元件由环状地从整流器结构的开关板的凹槽弯出来的导线线段构成。然而，由于有制造公差，在这种熔断器的工作特性上产生了大得不能允许的差别，因此，至少在高功率密度的发电机上，它们是不适用的。
本发明的目的在于，在半导体功率元件中集成一种能抵抗电或热过载的保险元件，该保险元件在制造上尽可能简单并且在工作参数特性上能可靠地达到一个预定的温度极限值。
本发明的优点
具有独立权利要求所述特征的本发明半导体功率元件所具有的优点在于，通过将半导体引出线或其接触区域设计成熔断器，既不需要附加的构件，也不需要附加空间，而只需要较小的附加材料消耗。其他的优点在于，借助熔断器，在半导体功率元件的主电流线路中无需再嵌入具有附加损耗热量的附加电阻。
其他有利的形式和结构将从其余在从属权利要求中所述的特征得出。由于晶体管的热负荷通常要通过控制流经功率晶体管的电流强度进行限制，因此，合适的方式是将所建议的解决方案用于无源半导体，最好是用于二极管或齐纳二极管。其应用特别适合于汽车三相发电机的桥式整流器中的无源半导体。其中，半导体功率元件上与引出线相背离的另一个接点以本身公知的方式由一个金属壳体构成，它以能导电和导热的形式固定在一个冷却器中。
一种特别简单且可靠的解决方案在于，所述引出线构成熔断器的局部区段或其接触区域被埋置在一种电、热绝缘的耐热材料中。在实际情况中，用一个硅制填料件对半导体的接触区域连同也被称作头部导线的引出线一起进行覆盖，这样整流器功率构件就可以在其制造之后已经直接装备了一个熔断器。而另外一种选择在于，同样要用一个硅制填料件对引出线的上端部，也就是其接触区域连同主电流线路中的一根连接线一起进行覆盖。这在附加保护装置中是特别有利的，例如在汽车三相发电机上的桥式整流器中。而当引出线上位于两个端部之间的用于形成保险元件的中间区段被一个最好由陶瓷制成的套管包围起来时，装配工艺将是特别有利的。为了确保能足够地抵抗振动应力，有利的是将所述套管紧紧地套在引出线上。
可以通过一种解决方案，事先准确地并在一个事先规定的温度极限值上有针对性地切断过电流，在该方案中，将所述引出线的中间区段设计成具有两级工作特性的熔断器。此外，在合适的方式中，所述引出线的中间区段通过塑性变形形成一个截面变小了的第一电阻元件，并且与一个其熔化温度低于所述引出线的第二电阻元件并联。一种特别简单的制造方案在于，所述引出线的中间区段被弯成半圆形，并且在如此成形的半圆形凹槽中安置第二电阻元件。此外，特别合适的方式还在于，所述第二电阻元件由锡构成，锡是在一个浸焊勺中被冲到半圆形空间中的。材料积聚和材料分布的精确剂量可以用这种有利的方式实现，即，第二电阻元件是一个具有预定尺寸的由锡构成的焊丸，它被焊接到中间区段的凹槽中。在另外一种选择中，根据熔断器所需的工作参数特性，所述第二电阻元件也可以是一块锌片，它借助一个浸焊勺被焊接到中间区段的凹槽中。此外，对于引出线来说，合适的方式是还可以使用圆形铜制导线。
在每一种情况下，通过预定两个电阻元件的熔化温度，就可以确保在半导体功率元件过载时首先将所述锡或锌制成的第二电阻元件熔掉，由此在剩下的第一电阻元件中的电流急剧上升，以致这个电阻元件在此后也很快就熔掉了，从而将主电流线路断开。相对原有引出线来说，为了避免在熔断器上出现增加的电阻，通过对熔断器的两个电阻元件的形状和材料进行选择，可以使所述熔断器的总电阻不大于相应长度的原形状引出线的电阻。
附图的简要说明
本发明的进一步细节将借助所属附图在下面描述的实施例中进行详细阐述。其中：
图1是具有本发明集成熔断器的半导体功率元件的电路图；
图2是具有桥式整流器的三相发电机的电路图；
图3是图2所示的桥式整流器用于汽车时的具体构造的平面图；
图4是桥式整流器沿图3中A-A′线的截面图；
图5是作为第二实施例的图3所示整流器的局部截面图；
图6是图3整流器的第三实施例的局部截面图；
图7是作为第四实施例的两级熔断器的等效电路图；
图8是两级熔断器的放大视图；和
图9是具有图8所示的两级熔断器的图3所示整流器的另一局部截面图。
实施例的描述
在图1中示出了半导体功率元件10的电路图，在其引出线11中集成有一个熔断器12。在热过载情况下，在达到一个预定的与电流有关的温度极限值时该熔断器12要可靠地将主电流线路断开。在此，如果二极管和齐纳二极管那样的特殊无源半导体面临危险，主电流线路中的电流强度也可能不超过功率元件的控制段。而在汽车中使用这样的半导体功率元件则是特别危险的，因为在那里除了将半导体元件损坏本身之外，还可能使周围的部件损坏，在此，在极端情况下可能会产生进一步的热损伤。
图2为装有桥式整流器15的汽车三相发电机14的电路图，其整流电桥16分别具有一个正向二极管17和一个与之串联的反向二极管18。星形连接的发电机绕组19与三个整流电桥16中的每一个端部相连接。正向二极管17的阴极与一个正接点20连接，而反向二极管18的阳极与一个接地接点21连接。两个接点20和21通过汽车的车载电网与其蓄电池22连接。正、反向二极管17、18分别构成一个齐纳二极管形式的半导体功率元件。以本身公知的方式，它包括一个具有内置半导体芯片的导电金属壳体。有一个接点被成形在与芯片保持接触的头部导线中，而另一个接点则由所述的导电金属壳体构成，所述壳体被压在一个冷却器中。在图1中，所述头部导线表示为引出线11，该引出线带有熔断器12。
图3到6和图9示出了桥式整流器15的不同实施形式。图3是桥式整流器15的平面图，在此结合图4，可以清楚地看出，正向二极管17被压在一个正冷却器25中，而反向二极管18则被压在一个负冷却器26中。在一块塑料制成的开关板27中，埋置有连接线28，这些连接线将正向二极管17的阳极与反向二极管18的阴极接点相互连接起来，并且将三相发电机14的每一个绕组分别连接到一个整流电桥16上。连接线28在其接点区域分别弯曲成弯圈29，这些弯圈从开关板27的小孔30中或在其外侧径向伸出来。二极管17、18的引出线11或发电机绕组19的端部通过挤压、熔焊或钎焊方式与这些弯圈29保持接触。负冷却器26通过一个绝缘件31与布置在其上方的正冷却器25绝缘。
图4是图3所示整流器的截面图，示出了一个正向二极管17和一个反向二极管18，其中，内置在金属壳件33内的半导体的接触区域32连同引出线11的下端部一起被一个硅制填料件34所覆盖。该填料件34是接触区域32的一个耐热的、不易燃的电、热绝缘层，所述接触区域因此构成了能在电流达到预定的反应值时熔掉并且因此将二极管17、18的主电流线路断开的保护元件。在接触区域32逐渐升温的情况下，热量通过填料件34传导到冷却器25、26。通过这样的方式，在桥式整流器15可靠运行的情况下，可以得到几乎稳定的二极管温度。而在短路或相应断开的情况下，通过填料件34并没有充分地将接触区域32内所产生的热量导出，于是该接触区域32将被烧断并且将电流线路断开。因此，在过高电流负荷的情况下，能可靠地防止桥式整流器15中的二极管区域内所有出现过热的危险。
图5是图3中沿A-A’线的截面图，以本发明第二实施例的形式示出了带有桥式整流器15的正向二极管17的部分，其中，相同的部件采用相同的数字标记。在此，一个在引出线11上端的压焊连接件36连同一个在开关板27中的连接线28的弯圈29一起在整流电桥16的主电流线路13中形成了一个接触区域36a，该接触区域埋置在一个硅制填料件34a中。同样在此，通过接触区域36a的绝热层，使该接触区域构成了熔断器，在超过预定的最大容许电流时，该接触区域将会熔掉并且因此将半导体功率元件的主电流线路断开。相反，在正常运行的情况下，由于填料件34a和那里的接触电阻，接触区域36a的温度只有很小的上升，因此在很容易地选择合适的填料件及其剂量的基础上，在正常情况下，这是完全能够保持的。而在电过载情况下，填料件34a引起了热量积聚，从而导致接触区域36a熔掉。
图6是沿图3中A-A′线的截面图，以第三实施例的形式示出了带有桥式整流器15的反向二极管18的部分，其中，在这里也是相同的部件采用相同的数字标记。在这种解决方案中，通过用一个绝热套管37将位于两个端部之间的中间区段包围起来的方式，使引出线11的这一局部区段11a构成了熔断器。作为耐热材料，可以使用陶瓷或由热固性材料制成的塑料。在这种情况下，所述套管37可以松松地套在引出线11上，由此在超过最大容许电流强度时，引出线的这一局部区段11a可以熔掉，并且因此可以将正向二极管的主电流线路断开。然而，为了避免振动应力把引出线损坏，在上部区域可以将套管37的开孔38设计得窄一些，这样，它便可以紧紧地套在引出线上。
在第四实施例中，用作正向或反向二极管的半导体功率元件10的引出线的中间区段11b构成了具有两级工作特性的熔断器12。
图7是其等效电路图，在此，引出线11的中间区段11b构成了一个第一电阻元件40，一个具有较低熔化温度的第二电阻元件41与之并联。通过对熔断器12的两个电阻元件40、41的形状和材料进行选择，使它们的总电阻不大于相应长度直线状引出线的电阻。这样，在半导体功率元件10上通过两级熔断器12的集成，没有增加电阻，所以也没有增加功率损耗。
图8是高倍放大视图，从中可以清楚地看到这种两级熔断器12的引出线11。引出线11的中间区段11b在此通过塑性变形弯曲成截面变小了且呈半圆形的第一电阻元件40。在如此成形的半圆形凹槽42中装入了第二电阻元件41。该第二电阻元件41由一块锌片构成，该锌片是在一个浸焊勺中被焊接到引出线11上的中间区段11b的凹槽42中的。另外还可以如此地对引出线11的凹槽进行成形，以致不用锌片，而是在一个浸焊勺中将足够大量的锡堆积在其中，这大量的锡在冷却之后便形成了第二电阻元件41。最后也可以将一定量的锡以预定尺寸的焊丸形式焊接到凹槽42中。在所有的情况下，对于引出线11来说，都可以使用铜制导线。但也可以考虑使用具有铜表面的引出线11。
最后参照图9，图9是沿图3中A-A′线的截面图，示出了一种桥式整流器的截面，其中在反向二极管18的引出线11上具有图8所示熔断器12。
通过在其中间小区段11b上将引出线11横截面变小的方式，可以对其每一长度单位上的电阻进行调节，确切地说是调节得大于未变形的引出线11的电阻。而其熔化温度则高于第二电阻元件41的熔化温度。当在反向二极管18的主电流线路中出现不允许的高电流时，由于熔化温度较低，所以该第二电阻元件41将会熔掉。由于之后将要由第一电阻元件40来承担总电流，所以接下来引出线11的局部区段11b也很快就熔掉了，从而切断了反向二极管18的电流。在本实施例中，第二电阻元件41为通过浸焊勺焊接上的锌片，其熔化温度大约为420℃，而单位电阻大约为0.0625Ωmm2/m。在使用锡作为第二电阻元件的情况下，熔化温度大约为232℃；而单位电阻大约为0.1150Ωmm2/m。用圆形铜导线制成的引出线11的熔化温度大约为1083℃，而单位电阻大约为0.0179Ωmm2/m。
在一个用于汽车的三相发电机整流电桥的所有六个半导体功率元件都使用了集成熔断器的情况下，所产生的进一步的优点在于可以在过电流时有选择地将齐纳二极管断开，这样就能够使汽车车载电网继续供电(尽管限制了功率和电压的特性)。因此不仅使所述汽车免受连续损坏，而且还暂时可以运行，以便能够找到一个修理车间。
Claims (17)
1.一种半导体功率元件(10)，特别用于汽车的车载电网，所述的半导体功率元件(10)在其主电流线路(13)中具有一个引出线(11)并且具有一个位于主电流线路中、在热过载情况下熔断的熔断器(12)，其特征在于：在主电流线路(13)中的引出线(11)的一个局部区段(11a；11b)和/或其接触区域(32；36)制成一个在达到预定的、与电流有关的温度值时能够熔断的熔断器(12)。
2.根据权利要求1所述的半导体功率元件，其特征在于：它是一个无源半导体，最好是一个二极管或齐纳二极管(17、18)。
3.根据权利要求2所述的半导体功率元件，其特征在于：所述无源半导体(17、18)用在汽车三相发电机(14)的桥式整流器(15)中。
4.根据权利要求1到3之一所述的半导体功率元件，其特征在于：所述半导体功率元件上与其引出线(11)相背离的另一个接点以本身公知的方式由一个金属壳体(33)构成，所述金属壳体以能导电和导热的形式固定在一个冷却器(25，26)中。
5.根据前述权利要求之一所述的半导体功率元件，其特征在于：引出线(11)上构成熔断器(12)的局部区段(11a，11b)和/或其接触区域(32，36)被埋置在一种电、热绝缘的耐热材料(34)中。
6.根据权利要求5所述的半导体功率元件，其特征在于：半导体元件(35)的接触区域(32)连同引出线(11)一起被一个填料件(34)所覆盖，最好是硅制填料件。
7.根据权利要求5所述的半导体功率元件，其特征在于：引出线(11)的接触区域(36)连同主电流线路(13)中的一根连接线(28)一起被一个填料件(34a)所覆盖，填料件(34a)最好由硅制成。
8.根据权利要求5所述的半导体功率元件，其特征在于：引出线(11)位于两个端部之间的中间区段(11a)被一个最好由陶瓷制成的套管(37)包围起来。
9.根据权利要求8所述的半导体功率元件，其特征在于：所述套管(37)紧紧地套在引出线(11)上。
10.根据权利要求1到4之一所述的半导体功率元件，其特征在于：所述引出线(11)的中间区段(11b)构成了具有两级工作特性的熔断器(12)。
11.根据权利要求10所述的半导体功率元件，其特征在于：所述中间区段(11b)通过塑性变形形成了一个截面变小了的第一电阻元件40，并与一个其熔化温度低于引出线(11)的第二电阻元件(41)并联。
12.根据权利要求10或11所述的半导体功率元件，其特征在于：通过对两个电阻元件(40、41)的形状和材料进行选择，使所述熔断器(12)的总电阻不大于相应长度引出线(11)的电阻。
13.根据权利要求12所述的半导体功率元件，其特征在于：所述中间区段(11b)被弯成半圆形，并且在如此成形的凹槽(42)中安置有第二电阻元件(41)。
14.根据权利要求13所述的半导体功率元件，其特征在于：所述第二电阻元件(41)是一块锌片，它借助一个浸焊勺被焊接到中间区段(11b)的凹槽(42)中。
15.根据权利要求13所述的半导体功率元件，其特征在于：所述第二电阻元件(41)由锡构成。
16.根据权利要求15所述的半导体功率元件，其特征在于：所述第二电阻元件(41)的锡是以预定尺寸的焊丸形式焊接到中间区段(11b)的凹槽(42)中的。
17.根据前述权利要求之一所述的半导体功率元件，其特征在于：所述引出线(11)是圆形铜制导线。
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