DE102014115225A1

DE102014115225A1 - RC-IGBT mit SiC-Freilaufdiode

Info

Publication number: DE102014115225A1
Application number: DE102014115225.5A
Authority: DE
Inventors: Munaf Rahimo
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2016-04-21
Also published as: GB2520617B; US20150109031A1; GB201417733D0; KR20150046753A; CN104576718B; GB2520617A; JP2015082841A; JP6535451B2; CN104576718A; KR102178107B1

Abstract

Ein Halbleitermodul (10) umfasst einen rückwärtsleitenden Transistor (12a, 12b), der ein RC-IGBT oder ein BIGT ist, mit einem Gate (26a, 26b), einem Kollektor (16a, 16b) und einem Emitter (18a, 18b), eine rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) zwischen dem Kollektor und dem Emitter bereitstellend; mindestens eine Freilaufdiode (28a, 28b), die antiparallel zum Transistor (12a, 12b) geschaltet ist, mit einem Durchlassspannungsabfall über dem der rückwärtsleitenden Diode während eines statischen Zustands; und einen Controller (32) zum Verbinden des Gates (26a, 26b) mit einem elektrischen Potential, um den Transistor (12a, 12b) ein- und auszuschalten. Der Controller (32) ist ausgelegt zum Anlegen eines Impulses (46) mit positivem elektrischem Potential an das Gate (26a, 26b) des Transistors (12a, 12b), bevor die rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) in einen blockierenden Zustand eintritt, so dass in einem dynamischen Zustand, in dem die rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) in den blockierenden Zustand eintritt, ein Durchlassspannungsabfall der rückwärtsleitenden Diode höher ist als der der mindestens einen Freilaufdiode (28a, 28b).

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungshalbleiter. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Halbleitermodul und ein Verfahren zum Schalten eines rückwärtsleitenden Transistors auf einem derartigen Modul.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Als Beispiel umfassen Hochleistungsinverter, Gleichrichter und andere elektrische Hochleistungsgeräte Halbbrückenmodule, die üblicherweise zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter umfassen, um eine DC-Seite mit einer AC-Seite des Geräts zu verbinden. In dem Fall, dass der Halbleiterschalter in seiner Sperrrichtung blockiert, d.h. einer Richtung, die einer Richtung entgegengesetzt ist, die für das Leiten eines Stroms ausgelegt ist, wenn der Halbleiterschalter eingeschaltet ist, ist es möglich, eine Freilaufdiode antiparallel zum Halbleiterschalter zu schalten.
Einige Halbleiterschalter stellen bereits selbst einen solchen rückwärtsleitenden Stromweg bereit, normalerweise mit einer rückwärtsleitenden Diode, die mit dem Halbleiterschalter integral ist. Ein Beispiel für solche Schalter ist ein RC-IGBT oder insbesondere ein BIGT, wie etwa in EP 2 249 392 A2 beschrieben.
BIGTs können jedoch im Modus mit rückwärtsleitender Diode unter höheren Leitungsverlusten (üblicherweise auf der Basis des Durchlassspannungsabfalls V_f) mit positiven Gatewerten leiden. Zudem kann zum Optimieren eines BIGT für geringere Diodenmodusschaltverluste eine Lebenszeitsteuerung verwendet werden, die üblicherweise zu höheren Dioden- und Transistorleistungsverlusten führt (auf der Basis von V_f und V_CE).
Es ist auch bekannt, Diodenschaltverluste eines BIGT durch eine sogenannte MOS-Steuerung zu reduzieren, ein spezielles Schaltschema des Transistors, bevor die rückwärtsleitenden Dioden in einen blockierenden Zustand eintreten. Beispielsweise beschreibt der Artikel von Rahimo et al. „A high current 3300 V module employing reverse conducting IGBTs setting a new benchmark in output power capability", Proceedings of 20th international Symposium on Power Semiconductor Device & ICs (18. bis 22. Mai 2008) eine Technik zum Steuern eines RC-IGBT in rückwärtsleitendem Modus.
Ein Verfahren zum Steuern eines in einer Brückenschaltung angeordneten MOSFET vom vertikalen Typ ist aus US 2008/0265975 A1 bekannt, wobei eine Durchlassspannung einer eingebauten Diode durch Anlegen eines Gateimpulses an ein Gate des MOSFET gesteuert wird, wodurch Diodenleistungsverluste reduziert werden können.
Andererseits können unipolare SiC-Dioden als Freilaufdioden verwendet werden, sie leiden aber üblicherweise unter einem schwingenden Verhalten und hohen Schaltverlusten bei höheren Temperaturen. Außerdem erschweren die Kosten eines SiC-Bauelements, dieses Verhalten mit größeren Flächen zu kompensieren.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Halbleiterschalters, der in einer Hochleistungshalbbrücke eingesetzt werden kann, die, insbesondere bei hohen Temperaturen, niedrige Schaltverluste aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Halbleitermodul. Beispielsweise kann ein Halbleitermodul ein PCB-Gehäuse und/oder tragende Halbleiterbauelemente wie etwa Transistoren, Dioden und Schaltungsanordnungen eines Controllers umfassen, wie unten beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Halbleitermodul einen rückwärtsleitenden Transistor mit einem Gate, einem Kollektor und einem Emitter, eine rückwärtsleitende Diode zwischen dem Kollektor und dem Emitter bereitstellend; und mindestens eine Freilaufdiode, die antiparallel zum Transistor geschaltet ist, mit einem Durchlassspannungsabfall über dem der rückwärtsleitenden Diode während eines statischen Zustands (in dem ein statischer Strom durch beide Dioden fließen kann).
Der rückwärtsleitende Transistor ist ein RC-IGBT (Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor), insbesondere ein BIGT (Bi-Mode Insulated Gate Transistor). Die mindestens eine Freilaufdiode kann mindestens eine SiC-Diode sein, die so eingestellt werden kann, dass sie einen Durchlassspannungsabfall wie oben beschrieben besitzt. Üblicherweise kann das Halbleitermodul einen, zwei oder mehr rückwärtsleitende Transistoren umfassen und/oder kann eine oder mehr als eine Freilaufdiode, die antiparallel zu einem der Transistoren geschaltet ist, umfassen. Es kann der Fall sein, dass der Transistor auf einem Die vorgesehen ist und die mindestens eine Freilaufdiode auf einem zusätzlichen Die vorgesehen ist. Die rückwärtsleitende Diode ist integral mit dem IGBT des RC-IGBT. Die Kombination aus einem RC-IGBT oder BIGT mit einer SiC-Diode besitzt den Vorteil, dass die Freilaufdiode einen Durchlassspannungsabfall aufweist, der höher ist als der der rückwärtsleitenden Diode des Halbleiterschalters. Somit besitzt eine Kombination aus diesen Typen von Halbleitern den technischen Effekt, dass das Anlegen eines positiven Gateimpulses an ein Gate des Transistors vor der Sperrverzögerung zu einem Umlenken des Stroms vor der Sperrverzögerung führt.
Zudem umfasst das Halbleitermodul eine Controller- oder Gateeinheit zum Verbinden des Gates mit einem elektrischen Potential, um den Transistor ein- und auszuschalten. Der Controller ist ausgelegt zum Anlegen eines Impulses mit entgegengesetztem elektrischem Potential an das Gate des Transistors, bevor die rückwärtsleitende Diode in einen blockierenden Zustand eintritt, so dass in einem dynamischen Zustand, in dem die rückwärtsleitende Diode in den blockierenden Zustand eintritt, ein Durchlassspannungsabfall der rückwärtsleitenden Diode höher ist als der der mindestens einen Freilaufdiode.
Im Allgemeinen können der rückwärtsleitende Transistor und insbesondere die rückwärtsleitende Diode während eines dynamischen Zustands oder einer dynamischen Phase, während der beide Typen von Dioden einen sich schnell ändernden Strom leiten und/oder zwischen einem leitenden und einem blockierenden Zustand schalten, höhere Verluste als die Freilaufdiode aufweisen. Mit dem Anlegen des Gateimpulses können zudem die gespeicherten Ladungen in den rückwärtsleitenden Dioden aus dem Transistor verarmt werden, was die Verluste der rückwärtsleitenden Diode während der dynamischen Phase und insbesondere während des Schaltens von dem leitenden Zustand in den blockierenden Zustand senken kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten eines rückwärtsleitenden Transistors und mindestens einer antiparallel zum Transistor geschalteten Freilaufdiode, wobei die mindestens eine Freilaufdiode während eines statischen Zustands einen Durchlassspannungsabfall aufweist, der höher ist als der der rückwärtsleitenden Diode. Insbesondere kann das Verfahren durch einen Controller eines Halbleitermoduls ausgeführt werden, beispielsweise wie oben und nachfolgend beschrieben.
Es versteht sich, dass Merkmale des Verfahrens, wie oben und nachfolgend beschrieben, Merkmale des Halbleitermoduls sein können, wie oben und nachfolgend beschrieben, und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Bestimmen, dass die rückwärtsleitende Diode von einem leitenden Zustand in einen blockierenden Zustand schalten wird, und Anlegen eines Impulses mit entgegengesetztem elektrischem Potential an das Gate des Transistors, bevor die rückwärtsleitende Diode in einen blockierenden Zustand eintritt, so dass in einem dynamischen Zustand, in dem die rückwärtsleitende Diode in den blockierenden Zustand eintritt, ein Durchlassspannungsabfall der rückwärtsleitenden Diode höher ist als der der mindestens einen Freilaufdiode.
Das Anlegen des Gateimpulses kann als MOS-Steuerung bezeichnet werden. Insbesondere kann eine Kombination aus antiparallelen SiC-Dioden mit einer MOS-Steuerung eines BIGT während des Betriebs des Halbleitermoduls zu reduzierten Schaltverlusten führen.
Um die Verluste der rückwärtsleitenden Diode in ihrem leitenden Zustand zu reduzieren, kann außerdem der Transistor durch eine entsprechende Steuerung des Gates in einem ausgeschalteten Zustand gehalten werden. Zudem wird, bevor die Dioden in einen blockierenden Zustand eintreten, der Transistor mit einem kurzen Gateimpuls für eine kurze Zeit eingeschaltet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Controller ausgelegt für Folgendes und/oder das Verfahren umfasst weiterhin Folgendes: Anlegen eines negativen Potentials an das Gate, wenn sich die rückwärtsleitende Diode in einem leitenden Zustand befindet, und zum Anlegen eines positiven Potentials an das Gate während des Gateimpulses. Es versteht sich, dass das positive und/oder negative Potential die gleichen Spannungen wie die Potentiale besitzen können, die zum Ein- und Ausschalten des Transistors verwendet werden. Während des Leitens der rückwärtsleitenden Diode kann die Gate-Emitter-Spannung negativ gehalten werden, um die Ladung im Bauelement zu speichern. Wenn die rückwärtsleitende Diode dabei ist, auszuschalten, kann ein kurzer positiver Gate-Emitter-Impuls an die rückwärtsleitende Diode angelegt werden, um die gespeicherte Ladung zu minimieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist während des statischen Zustands, in dem ein statischer Strom durch die rückwärtsleitende Diode und die mindestens eine Freilaufdiode fließen kann, der Widerstandswert der rückwärtsleitenden Diode kleiner als der Widerstandswert der mindestens einen Freilaufdiode. Mit dem Gateimpuls und dem internen Widerstandswert der mindestens einen Freilaufdiode kann die durch die rückwärtsleitende Diode fließende Strommenge bezüglich der durch die Freilaufdioden fließenden Strommenge eingestellt werden. Der Gateimpuls kann den internen Widerstandswert der rückwärtsleitenden Diode während des dynamischen Zustands erhöhen, und somit kann der Strom von der rückwärtsleitenden Diode zur Freilaufdiode umgeleitet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die mindestens eine antiparallel zum Transistor befindliche Freilaufdiode auf den Transistor eingestellt, dass in einem vordefinierten Temperaturbereich die Schaltverluste des Halbleitermoduls minimiert werden. Insbesondere können die Charakteristika der mindestens einen Freilaufdiode auf die Charakteristika des Transistors eingestellt werden, indem eine geeignete Anzahl von antiparallel zum Transistor geschalteten, gleichermaßen ausgelegten Dioden gewählt wird. Beispielsweise kann die Anzahl an Freilaufdioden so gewählt werden, dass ihr kollektiver interner Widerstandswert niedriger wird als der interne Widerstandswert der rückwärtsleitenden Diode nach dem Gateimpuls.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die antiparallel zum Transistor befindliche mindestens eine Freilaufdiode derart eingestellt, dass in einem vordefinierten Temperaturbereich während der statischen Phase mindestens 60% des Stroms durch die rückwärtsleitende Diode fließen und/oder während der dynamischen Phase mindestens 60% des Stroms durch die mindestens eine Freilaufdiode fließen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Temperaturbereich, für den die mindestens eine Freilaufdiode eingestellt wird, 50°C bis 200°C. Insbesondere bei hohen Temperaturen können SiC-Dioden recht hohe Leitungsverluste besitzen und die Gesamtverluste des Halbleitermoduls können reduziert werden, indem die Charakteristika der Dioden und des Transistors derart eingestellt werden, dass die Verluste bei hohen Temperaturen minimiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Halbleitermodul weiterhin einen ersten rückwärtsleitenden Transistor, der in Reihe mit einem zweiten rückwärtsleitenden Transistor geschaltet ist, wobei ein erster DC-Eingang durch ein freies Ende des ersten Transistors bereitgestellt wird, ein zweiter DC-Eingang durch ein freies Ende des zweiten Transistors bereitgestellt wird und ein Phasenausgang zwischen den in Reihe geschalteten Transistoren bereitgestellt wird, wobei die mindestens eine Freilaufdiode antiparallel zum ersten rückwärtsleitenden Transistor geschaltet ist. Das Halbleitermodul kann eine Halbbrücke aus zwei RC-IGBTs oder zwei BIGTs umfassen, die verwendet werden können, um eine Gleichspannung in eine Wechselspannung und umgekehrt umzuwandeln. Einer oder beide der Transistoren können mit einer oder mehreren Freilaufdioden ausgestattet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Controller ausgelegt für Folgendes und/oder das Verfahren umfasst weiterhin Folgendes: Bestimmen, dass die rückwärtsleitende Diode des ersten Transistors von einem leitenden in einen blockierenden Zustand schalten wird durch Empfangen eines Schaltbefehls für den zweiten Transistor. Der Schaltbefehl kann ein Ausschaltbefehl sein, der beispielsweise von einem zentralen Controller empfangen wird. Der Einsatz der MOS-Steuerung mit einem Transistor mit einer antiparallelen Freilaufdiode kann durch die Gateeinheit (Controller) einer Halbbrücke für einen der Transistoren ausgeführt werden, wenn der andere ausgeschaltet ist.
Im Fall einer Halbbrücke mit zwei RC-IGBTs oder BIGTs wird, bevor ein IGBT leitend geschaltet wird, ein MOS-Steuerimpuls an den anderen angelegt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Controller ausgelegt für Folgendes und/oder das Verfahren umfasst weiterhin Folgendes: Schalten des zweiten Transistors von einem ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand durch Ändern eines negativen Potentials am Gate des zweiten Transistors in ein positives Potential am Gate nach dem Empfangen des Schaltbefehls.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt eine Impulslänge des an den ersten Transistor angelegten Gateimpulses mindestens 10% der Länge des ausgeschalteten Zustands des zweiten Transistors. Insbesondere kann die Länge des Gateimpulses wesentlich kleiner sein als der eingeschaltete und ausgeschaltete Zustand des Transistors.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Controller ausgelegt für Folgendes und/oder das Verfahren umfasst weiterhin Folgendes: Warten für eine blockierende Zeitperiode nach dem Gateimpuls, bevor der zweite Transistor in einen ausgeschalteten Zustand geschaltet wird. Um ein Kurzschließen der Halbbrücke zu verhindern und/oder zum Einstellen der Verarmung der rückwärtsleitenden Diode kann das Einschalten des zweiten Transistors bezüglich des Endes des Gateimpulses einen Zeitoffset (die blockierende Zeitperiode) aufweisen.
Dieser und weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen und werden unter Bezugnahme auf diese erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand der Erfindung wird in dem folgenden Text unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, ausführlicher erläutert.
1 zeigt schematisch ein Hochleistungsschaltungslayout eines Halbleitermoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch ein Schaltungsplatinenlayout des Halbleitermoduls von 1.
3 zeigt ein Diagramm mit Gatespannungen zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Schalten des Moduls von 1 und 2.
4 zeigt ein Diagramm mit Einschaltströmen, die eine Einstellung von Freilaufdioden für das Modul von 1 und 2 darstellen.
Die in den Zeichnungen verwendeten Referenzsymbole und ihre Bedeutungen sind in zusammengefasster Form in der Liste von Referenzsymbolen aufgelistet. Prinzipiell sind identische Teile in den Figuren mit den gleichen Referenzsymbolen versehen worden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt das Schaltungslayout der Hochleistungshalbleiter eines Halbleitermoduls 10. Es versteht sich, dass ein Hochleistungshalbleiter ein Halbleiter zum Verarbeiten eines Stroms von mehr als 10 A und/oder einer Spannung von mehr als 1000 V sein kann. Das Modul 10 umfasst zwei BIGTs 12a, 12b, die in Reihe geschaltet sind und eine Halbbrücke bilden. Der erste Transistor 12 liefert an seinem Kollektor 16a einen Pluspol 14 und ist mit seinem Emitter 18a mit dem Kollektor 16b des zweiten Transistors 12b verbunden, der an seinem Emitter 18b einen Minuspol 20 liefert. Ein Lastausgang 22 ist zwischen den beiden Transistoren 12a, 12b bereitgestellt, d.h. durch den Emitter 18a und den Kollektor 16b.
Jeder der Transistoren 12a, 12b umfasst eine interne rückwärtsleitende Diode 24a, 24b, die in dem Schaltungssymbol der beiden Transistoren angezeigt ist, und ein Gate 26a, 26b, das ausgelegt ist zum Ein- und Ausschalten des jeweiligen Transistors 12a, 12b.
Ein RC-IGBT umfasst eine Freilaufdiode und einen IGBT auf einem gemeinsamen Wafer. Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) umfasst eine Kollektorseite und eine Emitterseite gegenüber der Kollektorseite des Wafers. Teil des Wafers bildet eine (n-)-dotierte Basisschicht mit einer ersten Dotierkonzentration und einer Basisschichtdicke. Die Basisschichtdicke ist der größte vertikale Abstand zwischen der Kollektor- und Emitterseite des Teils des Wafers mit der ersten Dotierkonzentration. Ein n-dotiertes Sourcegebiet, eine p-dotierte Basisschicht und eine Gateelektrode sind auf der Emitterseite angeordnet. Die Gateelektrode kann eine planare oder eine Grabengateelektrode sein. Das rückwärtsleitende Halbleiterbauelement umfasst ein elektrisch aktives Gebiet, das ein Bereich innerhalb des Wafers ist, der das Sourcegebiet, die Basisschicht und die Gateelektrode enthält und die darunter angeordneten Bereiche.
Eine erste n-dotierte Schicht mit einer höheren Dotierkonzentration als die erste Dotierkonzentration und eine p-dotierte Kollektorschicht sind abwechselnd auf der Kollektorseite angeordnet. Die erste Schicht umfasst mindestens ein erstes Gebiet, wobei jedes erste Gebiet eine erste Gebietsbreite besitzt. Jedes Gebiet besitzt eine Gebietsbreite und einen Gebietsbereich, der von einer Gebietsgrenze umgeben ist, wobei ein kürzester Abstand die kleinste Länge zwischen einem Punkt innerhalb des Gebietsbereichs und einem Punkt auf der Gebietsgrenze ist. Jede Gebietsbreite ist als das doppelte des Höchstwerts eines beliebigen kürzesten Abstands innerhalb des Gebiets definiert.
Ein BIGT besitzt zusätzlich zu den Merkmalen eines RC-IGBT die folgenden Merkmale. Die Kollektorschicht umfasst mindestens ein zweites Gebiet, wobei jedes zweite Gebiet eine Zweite-Gebiet-Breite besitzt, und mindestens ein drittes Gebiet, wobei jedes dritte Gebiet eine Dritte-Gebiet-Breite besitzt. Jeder Dritte-Gebiet-Bereich ist ein Bereich, dessen Grenze durch zwei beliebige umgebende erste Gebiete mit einem Abstand definiert ist, der größer ist als das doppelte der Basisschichtdicke. Das mindestens eine zweite Gebiet ist derjenige Teil der zweiten Schicht, der nicht das mindestens eine dritte Gebiet ist. Das mindestens eine dritte Gebiet ist derart in einem zentralen Bereich des aktiven Gebiets angeordnet, das zwischen der Dritte-Gebiet-Grenze und dem Aktiven-Gebiet-Grenze ein Mindestabstand von mindestens dem Einfachen der Basisschichtdicke existiert. Die Summe der Bereiche des mindestens einen dritten Gebiets beträgt zwischen 10% und 30% des aktiven Gebiets. Jede Erste-Gebiet-Breite ist kleiner als die Basisschichtdicke. Das dritte Gebiet kann eine Sternform mit drei Vorsprüngen, die einen Dreifachstern bilden, vier Vorsprüngen, die ein Kreuz bilden, oder fünf oder mehr Vorsprüngen besitzen. Weiterhin findet man Einzelheiten eines BIGT in der internationalen Patentanmeldung EP 2 249 392 A2 , wobei der Inhalt dieses Dokuments bezüglich der Definition eines rückwärtsleitenden IGBT mit kleinen p-dotierten zweiten Gebieten und mindestens einem großen dritten Gebiet auf der Kollektorseite auf die oben erwähnte Weise, d.h. eines BIGT, durch Bezugnahme aufgenommen ist. Weitere Details, die einen derartigen BIGT definieren, findet man in EP 2 249 392 A2 .
Wenn die Gateelektrode 26a, 26b des Transistors 12a, 12b auf eine spezifische positive Einschaltspannung/ein spezifisches positives Einschaltpotential eingestellt ist, kann ein positiver Strom vom Kollektor 16a, 16b zum Emitter 18a, 18b fließen. Wenn das Gate 26a, 26b auf eine spezifische negative Ausschaltspannung/ein spezifisches negatives Ausschaltpotential eingestellt ist, blockiert der Transistor positive Ströme vom Kollektor 16a, 16b zum Emitter 18a, 18b. In jedem Fall gestattet die Diode 24a, 24b, das ein positiver Strom vom Emitter 18a, 18b zum Kollektor 16a, 16b fließt.
Das Modul 10 umfasst eine oder mehrere SiC-Freilaufdioden 28a, 28b, die antiparallel zum Transistor 12a, 12b und parallel zu der rückwärtsleitenden Diode 24a, 24b geschaltet sind. Wie die Diode 24a, 24b gestatten die Dioden 28a, 28b, das ein positiver Strom vom Emitter 18a, 18b zum Kollektor 16a, 16b fließt.
2 zeigt ein schematisches Platinenlayout des Moduls 10. Die beiden Transistoren 12a, 12b können von einer PCB 30 getragen werden. Die PCB 30 trägt weiterhin eine Anzahl an Freilaufdioden 28a, 28b für jeden Transistor 12a, 12b (in dem gezeigten Beispiel vier Dioden 28a, 28b pro Transistor 12a, 12b) und einen Controller 32 oder eine Gateeinheit 32.
3 zeigt die Gatespannungen 40, 42 an den Transistoren 12a, 12b und den Strom 44 durch die rückwärtsleitende Diode 24b über die Zeit. 3 zeigt ein Verfahren, das vom Controller 32 durchgeführt werden kann.
Allgemein zeigt die Linie 40 die an das Gate 26b des zweiten Transistors 12b angelegte Spannung, und die Linie 42 zeigt die an das Gate 26a des ersten Transistors 12a angelegte Spannung. Die Linie 44 zeigt den durch die rückwärtsleitende Diode 28a fließenden Strom.
Zu Beginn wird eine negative Gatespannung 40, 42 (beispielsweise –15 V) an beide Gates 26a, 26b angelegt.
Für den BIGT 12a ist während des normalen Diodenleitungsmodus (dem statischen Zustand) der Durchlassspannungsabfall V_f über dem BIGT 12a viel niedriger als für die SiC-Diode 28a, da das Gate entweder 0 oder negativ ist. Dies kann dadurch verbessert werden, dass der BIGT 12a mehr Fläche und/oder weniger Lebenszeitsteuerung bekommt, während außerdem die SiC-Diode 28a aufgrund ihrer unipolaren Aktion einen höheren Durchlassspannungsabfall V_f bei höheren Temperaturen besitzen kann. Somit fließt nur ein kleiner Strom durch die SiC-Diode 28a.
Mit anderen Worten ist im statischen Zustand, in dem ein statischer Strom durch die rückwärtsleitende Diode 24a und die Freilaufdiode 28a fließt, der Widerstandswert der rückwärtsleitenden Diode 24a kleiner als der Widerstandswert der mindestens einen Freilaufdiode 28a.
Danach bestimmt der Controller 32 vor dem Zeitpunkt t₀, dass die rückwärtsleitende Diode 28a beispielsweise durch Empfangen eines Einschaltbefehls für den Transistor 12b von einem leitenden Zustand in einen blockierenden Zustand schalten wird.
Zum Zeitpunkt t₀ kehrt der Controller 32 die Spannung 42 am Gate 26a in ein positives Potential/eine positive Spannung (beispielsweise +15 V) um und kehrt zum Zeitpunkt t₁ die Spannung 42 zurück zum negativen Potential/zur negativen Spannung um.
Auf solche Weise wird ein Gateimpuls 46 an das Gate 26a angelegt, bevor die rückwärtsleitende Diode 24a in den blockierenden Zustand eintritt. Vor der Sperrverzögerung wird die Gatespannung des BIGT 12a zu einem positiven Potential erhöht, was zu einem viel höheren Durchlassspannungsabfall V_f aufgrund des Kurzschließens der P-Muldenzellen, die als die Anode der Diode 24a wirken, führt. Dies lenkt den Strom durch die SiC-Diode 28a und somit bei der Sperrverzögerung um und durch Anlegen des Gateimpulses 46 (d.h. unter Verwendung einer MOS-Steueraktion) ist der Sperrverzögerungsstrom 48 sehr niedrig, was zu geringeren Verlusten führt, und die BIGT-Diode 28a stellt immer noch ein weiches Ende bereit.
Um einen recht hohen Durchlassspannungsabfall bei einem positiven Gatepotential zu erzielen, kann ein Graben-BIGT 12a, 12b verwendet werden.
Die Zeitperiode Δt_P zwischen t0 und t1, d.h. die Länge des Gateimpulses, kann etwa 10 µs betragen.
Nach dem Gateimpuls 46 wartet der Controller für eine blockierende Zeitperiode Δt_B, bevor er die Gatespannung 40 des zweiten Transistors auf ein positives Potential/eine positive Spannung zum Einschalten des Transistors 12a schaltet. Die blockierende Zeitperiode Δt_B kann kleiner als 5 µs sein.
Das Verfahren kombiniert einen BIGT (oder allgemeiner einen RC-IGBT) und eine unipolare SiC-Diode mit einem MOS-Steuergateimpuls vor der Sperrverzögerung zum Umlenken des Stroms vor der Sperrverzögerung.
Die Kombination aus der entsprechend eingestellten Freilaufdiode 28a mit einer MOS-Gatesteuerung kann zu Vorteilen bezüglich geringeren Schaltverlusten und Weichheit führen. Das Verfahren und das Bauelement können die optimale Leistung eines Si-BIGT 12a, 12b und einer SiC-Diode 28a, 28b kombinieren, um die besten Kompromisse bezüglich Verlusten und Weichheiten zu erhalten.
Mit einer derartigen Kombination können niedrigere Durchlassspannungsabfälle, Schaltverluste und eine weichere Leistung erzielt werden. Außerdem ist möglicherweise im Vergleich zum Standardansatz für geringere Kosten weniger SiC-Fläche für die Dioden 28a, 28b erforderlich.
4 zeigt ein Diagramm mit gespiegelten Sperrverzögerungsströmen für verschiedene Kombinationen aus einem BIGT 12a, 12b mit unterschiedlichen Anzahlen an SiC-Dioden 28a, 28b, um zu veranschaulichen, wie die Charakteristika der Transistoren und der Freilaufdioden 28a, 28b eingestellt werden können.
Die Ströme 50a, 50b, 50c, 50d, 50e über der Zeit basieren auf Tests, die für 1,7 kV-BIGTs 12a, 12b und vier SiC-Dioden 28a, 28b ausgeführt wurden. Prinzipiell sind die Ströme 50a, 50b, 50c, 50d, 50e die Summe des Stroms 44 von 3 und des Stroms durch den Transistor 12b.
Die Tests erfolgten bei Raumtemperatur, weil es der beste Fall ist, um das Konzept von den für diese Bauelemente angegebenen Durchlassspannungsabfallwerten V_f zu demonstrieren. Für solche Tests gibt es immer noch eine Menge Gemeinsamkeiten unter verschiedenen Modi.

Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse.

Kombination	ΔtB	Schaltverluste	Durchlassspannungsabfall (abhängig von der Gatespannung)
nur Si-BIGT, Strom 50a	10 μs	58 mJ	bei 25° C: 2,5V (0 V) bis 3,7 V (15 V) bei 125°C: 2,95 V (0 V) bis 3.75 V (15 V)
nur Si-BIGT, Strom 50b	1 μs	45 mJ
Si-BIGT und 4 SiC-Dioden, Strom 50c	10 μs	41 mJ	bei 25° C: 1,8V (0 V) bis 2,3 V (15 V)
Si-BIGT und 4 SiC-Dioden, Strom 50d	1 μs	21 mJ	bei 125°C: 2,25 V (0 V) bis 3,25 V (15 V)
nur 4 SiC-Dioden, Strom 50e		17 mJ	bei 25° C: 2,4 V bei 125° C: 4,25 V

Der Strom 50d zeigt die optimale Kombination, die zu sehr kleinen Verlusten und einem weichen Ende führt.
Wenngleich die Erfindung in den Zeichnungen und in der vorausgegangenen Beschreibung dargestellt und ausführlich beschrieben worden ist, sind diese Darstellung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als restriktiv anzusehen; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Variationen an den offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann, der die beanspruchte Erfindung praktiziert, anhand einer Betrachtung der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und bewirkt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort "umfassend" andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel "ein/eine/einer" schließt den Plural nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder Controller oder eine andere Einheit kann die Funktionen von mehreren, in den Ansprüchen aufgeführten Elementen erfüllen. Die bloße Tatsache, dass gewisse Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen aufgeführt werden, zeigt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhafterweise verwendet werden kann. Etwaige Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als den Schutzbereich beschränkend ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

10: Halbleitermodul
12a, 12b: Transistor
14: Pluspol
16a, 16b: Kollektor
18a, 18b: Emitter
20: Minuspol
22: Lastausgang
24a, 24b: rückwärtsleitende interne Diode
26a, 26b: Gate
28a, 28b: Freilaufdiode
30: PCB
32: Controller
40: Gatespannung
42: Gatespannung
44: Strom durch rückwärtsleitende Diode
46: Gateimpuls
48: Sperrverzögerungsstrom
t₀: Start des Gateimpulses
t₁: Ende des Gateimpulses
t₂: Start des Einschaltimpulses
ΔtP: Gateimpulslänge
ΔtB: blockierende Zeitperiode
50a bis 50e: Verzögerungsströme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2249392 A2 [0003, 0042, 0042]
US 2008/0265975 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel von Rahimo et al. „A high current 3300 V module employing reverse conducting IGBTs setting a new benchmark in output power capability“, Proceedings of 20th international Symposium on Power Semiconductor Device & ICs (18. bis 22. Mai 2008) [0005]

Claims

Halbleitermodul (10), das Folgendes umfasst: einen rückwärtsleitenden Transistor (12a, 12b) mit einem Gate (26a, 26b), einem Kollektor (16a, 16b) und einem Emitter (18a, 18b), eine rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) zwischen dem Kollektor (16a, 16b) und dem Emitter (18a, 18b) bereitstellend; mindestens eine Freilaufdiode (28a, 28b), die antiparallel zum Transistor (12a, 12b) geschaltet ist, mit einem Durchlassspannungsabfall über dem der rückwärtsleitenden Diode während eines statischen Zustands; einen Controller (32) zum Verbinden des Gates (26a, 26b) mit einem elektrischen Potential, um den Transistor (12a, 12b) ein- und auszuschalten; wobei der Controller (32) ausgelegt ist zum Anlegen eines Impulses (46) mit positivem elektrischem Potential an das Gate (26a, 26b) des Transistors (12a, 12b), bevor die rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) in einen blockierenden Zustand eintritt, so dass in einem dynamischen Zustand, in dem die rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) in den blockierenden Zustand eintritt, ein Durchlassspannungsabfall der rückwärtsleitenden Diode höher ist als der der mindestens einen Freilaufdiode (28a, 28b), wobei der rückwärtsleitende Transistor (12a, 12b) ein RC-IGBT oder ein BIGT ist und wobei die mindestens eine Freilaufdiode (28a, 28b) eine SiC-Diode umfasst.
Halbleitermodul (10) nach Anspruch 1, wobei der Controller (32) ausgelegt ist zum Anlegen eines negativen Potentials an das Gate (26a, 26b), wenn sich die rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) in einem leitenden Zustand befindet, und zum Anlegen eines positiven Potentials an das Gate während des Gateimpulses (46).
Halbleitermodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei während des statischen Zustands der Widerstandswert der rückwärtsleitenden Diode (24a, 24b) kleiner ist als der Widerstandswert der mindestens einen Freilaufdiode (28a, 28b).
Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin Folgendes umfasst: mehr als eine Freilaufdiode (28a, 28b), die antiparallel zum Transistor (12a, 12b) geschaltet ist.
Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine antiparallel zum Transistor (12a, 12b) befindliche Freilaufdiode (28a, 28b) auf den Transistor derart eingestellt ist, dass in einem vordefinierten Temperaturbereich die Schaltverluste des Halbleitermoduls minimiert sind.
Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine antiparallel zum Transistor (12a, 12b) befindliche Freilaufdiode (28a, 28b) derart eingestellt ist, dass in einem vordefinierten Temperaturbereich: während des statischen Zustands mindestens 60% des Stroms durch die rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) fließen und/oder während der dynamischen Phase mindestens 60% des Stroms durch die mindestens eine Freilaufdiode (28a, 28b) fließen.
Halbleitermodul (10) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Temperaturbereich 50°C bis 200°C beträgt.
Halbleitermodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Controller (32) ausgelegt ist zu bestimmen, dass die rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) von einem leitenden Zustand in einen blockierenden Zustand schalten wird.
Halbleitermodul (109) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin Folgendes umfasst: einen ersten rückwärtsleitenden Transistor (12a), der in Reihe mit einem zweiten rückwärtsleitenden Transistor (12b) geschaltet ist, wobei ein erster DC-Eingang (14) durch ein freies Ende des ersten Transistors (12a) bereitgestellt wird, ein zweiter DC-Eingang (20) durch ein freies Ende des zweiten Transistors (12b) bereitgestellt wird und ein Phasenausgang (22) zwischen den in Reihe geschalteten Transistoren bereitgestellt wird; wobei die mindestens eine Freilaufdiode (28a) antiparallel zum ersten rückwärtsleitenden Transistor (12a) geschaltet ist; wobei der Controller ausgelegt ist zu bestimmen, dass die rückwärtsleitende Diode (24a) des ersten Transistors (12a) von einem leitenden in einen blockierenden Zustand schalten wird durch Empfangen eines Schaltbefehls für den zweiten Transistor (12b).
Halbleitermodul (10) nach Anspruch 9, wobei der Controller (32) ausgelegt ist zum Schalten des zweiten Transistors (12b) von einem ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand durch Ändern eines negativen Potentials am Gate (26b) des zweiten Transistors in ein positives Potential am Gate nach dem Empfangen des Schaltbefehls.
Halbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei eine Impulslänge des an den ersten Transistor (12a) angelegten Gateimpulses (46) mindestens 10 % der Länge des ausgeschalteten Zustands des zweiten Transistors (12b) beträgt.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Controller (32) ausgelegt ist zum Warten für eine blockierende Zeitperiode nach dem Gateimpuls (46), bevor der zweite Transistor in einen ausgeschalteten Zustand geschaltet wird.
Verfahren zum Schalten eines rückwärtsleitenden Transistors (12a, 12b) und mindestens einer antiparallel zum Transistor geschalteten Freilaufdiode (28a, 28b), wobei die mindestens eine Freilaufdiode einen Durchlassspannungsabfall aufweist, der größer ist als der einer rückwärtsleitenden Diode (24a, 24b) des Transistors (12a, 12b) während eines statischen Zustands; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmen, dass die rückwärtsleitende Diode (24a) von einem leitenden Zustand in einen blockierenden Zustand schalten wird; Anlegen eines Impulses (46) mit positivem elektrischem Potential an ein Gate (26a, 26b) des Transistors, bevor die rückwärtsleitende Diode (24a, 24b) in einen blockierenden Zustand eintritt, so dass in einem dynamischen Zustand, in dem die rückwärtsleitende Diode in den blockierenden Zustand eintritt, ein Durchlassspannungsabfall der rückwärtsleitenden Diode höher ist als der der mindestens einen Freilaufdiode (28a, 28b), wobei der rückwärtsleitende Transistor (12a, 12b) ein RC-IGBT oder ein BIGT ist und wobei die mindestens eine Freilaufdiode (28a, 28b) eine SiC-Diode umfasst.