JP2016521462A - 半導体スイッチング素子のためのスペーサシステム - Google Patents

Abstract

発明はパワーエレクトロニクスの分野に関し、特に半導体スイッチング素子２のためのスペーサシステム１に関する。スペーサシステム１はスペーサリング（７）として形成されており、複数の絶縁要素（３）および支持要素（４）がスペーサリング（７）の周囲に交互に配置されている。絶縁要素３は、カソードゲートコネクタ要素５を受ける凹部を含む。支持要素４は、スイッチング素子２を組立てる間にクランプ締めするためのばね系６を受ける突起部を含む。本発明はさらに、スペーサシステム１を含む半導体スイッチング素子２に関する。スイッチング素子２は、基板２１、カソード磁極片２２、アノード磁極片２３、歪みバッファプレート１３，１４およびゲートリング１１をさらに含む。さらに、コネクタ要素５，２５は、半導体スイッチング素子２のカソード磁極片２２およびゲートリング１１を外部回路ユニットに電気的に接続している。コネクタ要素（５，２５）同士の間の間隔は、ゲート回路インピーダンスを減少させるために最小にされるため、増大した最大ターンオフ電流が可能になり、さらに、高電力用途のためのより大型の半導体スイッチング素子の使用が可能になる。

Description

発明の分野
発明はパワーエレクトロニクスの分野に関し、特に半導体スイッチング素子のコネクタ要素のためのスペーサシステムに関する。

発明の背景
半導体スイッチング素子は、カソード−アノード−ゲート構造を有する強力な高速ターンオフ構成要素である。具体的には、半導体スイッチング素子は、スイッチング素子のカソード、アノード、およびゲートが上に配置された基板を含む。素子は、スイッチング素子のカソード、アノード、およびゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段をさらに含む。

半導体スイッチング素子は、大電流および電圧を取扱わなければならない。そのような半導体スイッチング素子の一例は、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）である。ＩＧＣＴは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のようにターンオフするが、最も低いコンダクタ損失でサイリスタのように導通する、ゲート制御式のターンオフスイッチである。集積ゲート整流サイリスタは、たとえば中電圧ドライブ、牽引、風力コンバータ、ＡＣ励磁システム、バッテリエネルギ貯蔵システム、固体ブレーカ、牽引線ブースター、牽引力補償器、および誘導加熱などの、高電力用途を要求するための電力スイッチング素子である。

最近のＩＧＣＴとして構成される半導体スイッチング素子は、その汎用性、効率およびコスト有効性のためにさまざまな用途で用いられている。従来のＩＧＣＴ素子は、カソードディスク上にゲートディスクが配置されてスイッチング素子へのゲート接続を提供するリング状構造を有する。アノード相は、たとえば外側に特定の沿面距離を有するハウジングの頂部に配置される。

ＩＧＣＴを動作させるためには、たとえば、ターンオフ時に最大ターンオフ電流をゲート−カソード接続を介してゲートユニットに整流しなければならない。電流整流のための最大許容時間間隔は素子の垂直およびセグメント構造によって与えられ、原則として、当該間隔は、素子が上に形成されるウェハのサイズに対応しない。しかし、所望の最大ターンオフ電流はウェハの上記サイズに強く依存し、サイズが増大するにつれて大きく減少する。したがって、高電力用途のためのより大型の素子が必要とされているとともに、最大ターンオフ電流を増大させることも必要とされている。

高いターンオフ電流を達成するために、ゲート電圧を増大させてもよい。しかし、電圧が増大するにつれて、ゲートユニットでさらなる損失が起こる。したがって、ゲート電圧を増大させることはほとんどの状況において実行不可能である。しかし、所与のゲート電圧において、最大ターンオフ電流はゲート回路インピーダンスと反比例し、言い換えれば、ゲート回路インピーダンスが低いほど、達成可能な最大ターンオフ電流は高い。したがって、インピーダンスを減少させることは、より高い最大ターンオフ電流を達成する１つの方法である。

また、半導体スイッチング素子をハウジング内に容易に装着可能であることが重要である。さらに、移送後であっても適切な接触を保証するために、ハウジングの内部のすべての部品の適切な位置合わせおよび支持が重要である。

発明の説明
したがって発明の目的は、ゲート回路インピーダンスを減少させ、さらに、半導体スイッチング素子のハウジングの内部の部品の適切な位置合わせおよび支持を可能にすることである。この目的は、請求項１に記載のスペーサシステムおよび請求項９に記載の半導体スイッチング素子によって達成される。例示的な実施形態は従属特許請求項から明らかであり、クレームの従属性は、さらなる有意義なクレームの組合わせを排除するものと解釈されない。

発明によると、半導体スイッチング素子のためのスペーサシステム、すなわちスペーサユニットまたはスペーサデバイスは、絶縁要素または絶縁領域および支持要素または支持領域を含む。絶縁要素は、ゲートコネクタ要素を受ける凹部またはランナ、すなわちワイヤまたはリードまたは言い換えれば接続手段をさらに含む。支持要素は、半導体スイッチング素子を組立てる間に素子をクランプ締めするためのばね系を受ける突起部を含む。

発明の好ましい変形例では、ゲートコネクタ要素は絶縁要素によってばね系の下方に導かれ、言い換えれば、コネクタ要素は、ばね系の下方で絶縁要素の予め溝を切られた部分の中を走る。ゲートコネクタ要素は、絶縁要素とばね系との間に押付けられる。発明の例示的な実施形態では、スペーサシステムは半導体スイッチング素子のためのスペーサリングとして形成されており、複数の絶縁および支持要素がスペーサリングの周囲または周辺に交互に、すなわちパターンまたは配列で配置されている。

さらなる実施形態では、ゲートコネクタ要素の一部は、スイッチング素子を組立てるための素子のクランプ締めの際に高低差を埋める、たとえば広げる、またがる、または覆う。

さらに別の実施形態では、スペーサシステムはスペーサリングとして形成され、半導体スイッチング素子の磁極片または要素によって受けられ、磁極片よりも直径が小さいか、またはばね要素として、たとえばその直径を拡大できるようにするために一部が分割されたリングである分割座金または分割リング座金として形成されてもよい。

発明のさらなる変形例では、スペーサシステムは、ばね系のためのアライメントもしくはセンタリング要素、ゲートリングのための支持要素、ならびに／またはカソード歪みバッファプレートのアライメントおよび／もしくはクランプ締め要素を含む。

発明の有利な実施形態では、ばね系は、皿座金、皿ばね、皿ばね座金、円板ばね、もしくはカップばね座金として公知の皿ばねで構成されるか、または波形もしくは波状ばねで構成される。

発明のさらなる実施形態では、凹部および突起部は一体的に、すなわち一片で、または別個に、すなわち二片で形成されており、グリマー（glimmer）、ポリマー、誘電、セラミック材料または複合材料からなる。

別の例示的な実施形態では、絶縁要素は概して材料に依存する５００μｍ未満の厚みを有するが、印加電圧を絶縁するために可能な限り薄く、さらに、支持要素は、ばねの動きおよびコネクタ要素の通過を可能にするように１ｍｍよりも大きい厚みを有する。

本発明はさらに、基板、カソードディスク、アノード磁極片、およびゲートリングを含む半導体スイッチング素子に関し、コネクタ要素が、半導体スイッチング素子のカソードおよびゲートを外部回路ユニットに電気的に接続している。半導体スイッチング素子は、絶縁および支持要素を含むスペーサシステムをさらに含み、絶縁要素はゲートコネクタ要素を受ける凹部として形成されており、支持要素はばね系を受ける突起部として形成されている。ゲートコネクタ要素は絶縁要素によってばね系の下方または下に導かれ、ゲートコネクタ要素は絶縁要素とばね系との間に押付けられる。

半導体スイッチング素子のさらなる実施形態では、スペーサユニットはスペーサリングとして形成されており、複数の絶縁および支持要素がスペーサリングの周囲に交互のパターンで配置されており、ゲートコネクタ要素の一部は、スイッチング素子を組立てる間の素子のクランプ締めの際に曲げられる。

別の実施形態では、半導体スイッチング素子は集積ゲート整流サイリスタである。
半導体スイッチング素子のさらに別の実施形態では、ハウジングは絶縁材料またはセラミック材料からなる。

半導体スイッチング素子の例示的な実施形態では、カソード磁極片はカソード歪みバッファプレートを含み、アノード磁極片はアノード歪みバッファプレートを含み、ハウジングフランジがカソード磁極片と位置合わせされ、アノードフランジがアノード磁極片と位置合わせされ、特に、ハウジングは、アノードからゲートコネクタに沿面電流をそらすために、自身の外側に少なくとも１つの沿面部を含む。

半導体スイッチング素子のさらなる実施形態では、基板および磁極片はアライメントピンまたはリングによって貼付けられており、磁極片はアライメントピンまたはリングによって貼付けられており、基板はエッジゴムによって貼付けられており、さらに、カソード歪みバッファプレートはアノード歪みバッファプレートの厚みよりも小さい厚みを有しており、カソード歪みバッファプレートはカップとして形成されており、すなわち、底部およびたとえば底部に取付けられた円形側部を含み、カップの開口部はカソード磁極片に対向しており、カップはカソード磁極片を受けており、すなわち、カップの側部は、カソード磁極片がカソード歪みバッファプレートによって所定位置に貼付けられるか保持されるように、少なくとも部分的にカソード磁極片を囲む。

このように、発明はゲート回路インピーダンスを減少させることができるため、増大した最大ターンオフ電流が可能になり、さらに、高電力用途のためのより大型の半導体スイッチング素子の使用が可能になる。

発明の主題は、添付の図面に示されている好ましい例示的な実施形態を参照して以下の文においてより詳細に説明される。

図面に用いられる参照符号およびそれらの意味は、名称一覧において要約の形態で列記されている。原則として、図中において同一の部分には同一の参照符号が付されている。

絶縁要素および支持要素を有するスペーサリングとして形成されたスペーサシステムを示す図である。 クランプ締め前の絶縁要素および支持要素を有するスペーサシステムを有する半導体スイッチング素子を概略的に示す図である。 クランプ締め後の絶縁要素および支持要素を有するスペーサシステムを有する半導体スイッチング素子を概略的に示す図である。

好ましい実施形態の詳細な説明
図１は、絶縁要素３および支持要素４を含む半導体スイッチング素子２のためのスペーサシステム１を示す。絶縁要素３は、ゲートコネクタ要素５を受ける凹部を含む。支持要素４は、半導体スイッチング素子２を組立てる間にクランプ締めするためのばね系６を受ける突起部を含む。

図１に示されるスペーサシステム１は、大面積の、すなわち６０ｍｍ以上の直径を有して、半導体スイッチング素子２用のスペーサリング７として形成されており、複数の絶縁および支持要素３，４がスペーサリングの周囲に交互に配置されている。ゲートコネクタ要素５は、絶縁要素３によって、支持要素４の突起部上に載っているばね系６の下方に導かれる。ゲートコネクタ要素５は、絶縁要素３とばね系６との間に押付けられる。凹部および突起部は一体的に形成されてもよいし別個に形成されてもよく、グリマー、ポリマー、誘電、セラミック材料または複合材料からなる。絶縁要素３は、概して材料に依存する５００μｍ未満の厚みを有するが、印加電圧を絶縁するために可能な限り薄くてもよく、さらに、支持要素４は、ばねの動きおよびばね系６の下方のコネクタ要素の通過を可能にするように１ｍｍよりも大きい厚みを有する。スペーサシステムは、ばね系６のためのアライメント要素９、ゲートリング１１のための支持要素１０、およびカソード歪みバッファプレート１３のアライメント要素１２をさらに含む。カソード磁極片１３の寸法公差、すなわち直径に正確に合うように、スペーサシステム１を直径を減少させて形成してもよく、スペーサリング７の曲げを可能にしてその直径を広げるように一部を切取ってもよい。

スペーサシステム１は、半導体スイッチング素子２内でいくつかの機能を果たす。たとえば、スペーサシステム１は、ゲートおよびカソード電位を絶縁し、すべての動作状況においてばね圧力に耐える必要があるゲートばね構造を支持し、コネクタ要素５をばね系６の下方に導き、ゲートリング１１を支持し、ばね系６の位置合わせを可能し、磁極片１３，１４の位置合わせおよびクランプ締めを可能にする。

図２は、スイッチング素子２のクランプ締めの前の絶縁要素３および支持要素４を有するスペーサシステム１を有する半導体スイッチング素子２を概略的に示す。この素子設計は、外側リングゲート構造である。スイッチング素子２は、基板２１、カソード磁極片２２、アノード磁極片２３、歪みバッファプレート１３，１４およびゲートリング１１をさらに含む。ばね系はさらに、ゲートコネクタ要素をゲートリングに押付け、それによってゲートリングとゲートコネクタとの確実な接続を達成する。

さらに、コネクタ要素５，２５は、スイッチング素子２のカソード磁極片２２およびゲートリング１１を外部回路ユニットに電気的に接続して、素子部品の容易な装着を可能にする。

原則として、コネクタ要素５，２５同士の間の間隔は、ゲート回路インピーダンスを減少させるために最小にされるべきである。したがって、スイッチング素子２の内部で、カソードおよびゲート電位は互いに可能な限り近づくように導かれる。これは、コネクタ要素５，２５をばね系６の下方に走らせることによって実現される。絶縁要素３によって絶縁距離が確保される。スイッチング素子２のクランプ締めおよびクランプ外しの際のゲートシステムの動きおよびばね移動によるリードの冷間加工硬化を回避するために、コネクタ要素５の最長部分は、ばね系６によって生じる隙間を埋めるように選択される。しかし、コネクタ要素５，２５同士の間の距離を最小にすることは、ハウジング２４の機械的および構造的要件によってしか制限されない。したがって、コネクタ要素５と２５との間の距離は、高い機械的負荷に耐える安定したハウジング２４を保証することによるものである。

カソード磁極片２２はカソード歪みバッファプレート１３を含み、アノード磁極片２３はアノード歪みバッファプレート１４を含む。ハウジング絶縁管２４をアノード磁極片２３に接続するためのアノードフランジ２８が設けられる。ハウジング絶縁管２４は、アノード２３からゲートコネクタ５に沿面電流をそらすために、自身の外側に沿面部２６を含み、さらに、ハウジングフランジがカソード磁極片２２と位置合わせされ、アノードフランジがアノード磁極片２３と位置合わせされる。

基板２１および歪みバッファプレート１３，１４はアライメントピンまたはリング２７によって貼付けられているか、または歪みバッファプレート１３，１４はアライメントピンまたはリングによって貼付けられており、基板２１はエッジゴム２７によって貼付けられている。さらに、カソード歪みバッファプレート１３はアノード歪みバッファプレート１４の厚みよりも小さい厚みを有しており、カソード歪みバッファプレート１３はカップとして形成されており、カップの開口部はカソード磁極片に対向しており、カップはカソード磁極片２２を受けている。

スイッチング素子２を装着するために、ハウジング２４の内部のゲートコネクタ要素５は、適切な装着を確実にするために予め溝を切られるか予め曲げられる。その後、スペーサシステム１がハウジング２４に挿入され、絶縁要素３の凹部を用いてゲートコネクタ要素５に向けられる。次に、ゲートコネクタ要素５が凹部内へと下に曲げられる。ゲートコネクタ要素５に予め溝を切ることによって、正確な曲げが確実になる。次のステップでは、ばね系６がハウジング２４に挿入される。ばね系６の圧力スプレッダリングがアライメント要素９によって凹部と位置合わせされる。次に、ゲートコネクタ要素５がばね系６の上に曲げられる。ゲートリング１１がハウジング２４の内部に配置される。さらに、カソード歪みバッファ１３、基板２１、アノード歪みバッファプレート１４およびアノード磁極片２３、それぞれの磁極片１３，１４、ならびに最後にハウジング２４が閉じられてもよい。

図３はクランプ締め後のスイッチング素子２を示しており、コネクタ要素５の最終形状が形成されている。コネクタ要素５の垂直部分はばね系６に向かって曲げられている。

名称一覧
１ スペーサシステム
２ スイッチング素子
３ 絶縁要素
４ 支持要素
５ ゲートコネクタ要素
６ ばね系
７ スペーサリング
９ アライメント要素
１０ 支持要素
１１ ゲートリング
１２ アライメント要素
１３ カソード歪みバッファプレート
１４ アノード歪みバッファプレート
２１ 基板
２２ カソード磁極片
２３ アノード磁極片
２４ ハウジング絶縁管
２５ カソードコネクタ要素
２６ 沿面部
２７ アライメントリング
２８ アノードフランジ

また、半導体スイッチング素子をハウジング内に容易に装着可能であることが重要である。さらに、移送後であっても適切な接触を保証するために、ハウジングの内部のすべての部品の適切な位置合わせおよび支持が重要である。
欧州特許出願公開第１ ２２０ ３１４号は、サイリスタモジュール用の先行技術の圧力コンタクトを開示している。サイリスタを取囲む２つのリング片が、突起および凹部を有することによって互いにラッチする。側面では、リングシステムは絶縁要素によって絶縁されている。頂部側では、電気主コネクタが上向きに延びている。各サイリスタ要素は、各リングシステムの周りに配置されたネジによってベースプレートに固定されている。底部側では、複数のそのようなサイリスタがベースプレートから別個に絶縁されている。サイリスタは互いに横方向に配置され、共通の主電極プレートによって互いに電気的に接続されており、すなわち、コンパクトな配置は不可能であり、サイリスタを積層構成で配置することはできない。すべてのサイリスタをともに共通のベースプレート上に直接装着しなければならないため、モジュール設計は不可能である。
欧州特許出願公開第０ ６８７ ０１４号は、単一の光トリガサイリスタ要素を開示しており、これは中央に配置されたばねによってその主電極とともに基板に押付けられ、当該ばねもライトガイドをサイリスタの中央部に押付ける。
米国特許第３，２８０，３８９号は整流器スタックを開示しており、２つの圧力片同士の間にばねが挿入され、それらのすべてがスタックの主電極経路内に完全に統合されている。スタック内のサイリスタは、それらの中央部において押付けられる。

Claims (14)

1. 絶縁要素（３）および支持要素（４）を備える半導体スイッチング素子（２）のためのスペーサシステム（１）であって、前記スペーサシステム（１）はスペーサリング（７）として形成されており、複数の絶縁および支持要素（３，４）が前記スペーサリング（７）の周囲に交互に配置されており、
   前記絶縁要素（３）はゲートコネクタ要素（５）を受ける凹部を含み、前記支持要素（４）は、前記半導体スイッチング素子（２）を組立てる間にクランプ締めするためのばね系（６）を受ける突起部を含む、スペーサシステム。
2. 前記ゲートコネクタ要素（５）は前記絶縁要素（３）によって前記ばね系（６）の下方に導かれ、前記ゲートコネクタ要素（５）は前記絶縁要素（３）と前記ばね系（６）との間に押付けられる、請求項１に記載のスペーサシステム（１）。
3. 前記ゲートコネクタ要素（５）の一部は、前記スイッチング素子（２）を組立てるための前記素子（２）のクランプ締めの際に高低差を埋める、先行する請求項のいずれか一項に記載のスペーサシステム（１）。
4. 前記スペーサシステム（１）は、前記半導体スイッチング素子（２）のカソード歪みバッファプレート（１３）によって受けられ、前記カソード歪みバッファプレート（１３）よりも直径が小さいか、またはばね要素として形成される、先行する請求項のいずれか一項に記載のスペーサシステム（１）。
5. 前記ばね系（６）のためのアライメント要素（９）、ゲートリング（１１）のための支持要素（１０）、またはカソード歪みバッファプレート（１３）のアライメント要素（１２）の少なくとも１つをさらに備える、先行する請求項のいずれか一項に記載のスペーサシステム（１）。
6. 前記ばね系（６）は、皿ばねまたは波形ばねで構成される、先行する請求項のいずれか一項に記載のスペーサシステム（１）。
7. 前記絶縁要素（３）の前記凹部および前記支持要素（４）の前記突起部は一体的にまたは別個に形成されており、グリマー、ポリマー、誘電、セラミック材料または複合材料からなる、先行する請求項のいずれか一項に記載のスペーサシステム（１）。
8. 前記絶縁要素（３）は５００μｍ未満の厚みを有し、前記支持要素（４）は１ｍｍよりも大きい厚みを有する、先行する請求項のいずれか一項に記載のスペーサシステム（１）。
9. 基板（２１）、カソード磁極片（２２）、アノード磁極片（２３）、歪みバッファプレート（１３，１４）およびゲートリング（１１）を備える半導体スイッチング素子（２）であって、コネクタ要素（５，２５）が、前記半導体スイッチング素子（２）の前記カソード磁極片（２２）および前記ゲートリング（１１）を外部回路ユニットに電気的に接続しており、前記半導体スイッチング素子は、絶縁要素（３）および支持要素（４）を含むスペーサシステム（１）をさらに備え、前記スペーサシステム（１）はスペーサリング（７）として形成されており、複数の絶縁および支持要素（３，４）が前記スペーサリング（７）の周囲に交互のパターンで配置されており、前記ゲートコネクタ要素（５）の一部は、前記スイッチング素子（２）を組立てる間の前記素子（２）のクランプ締めの際に曲げられ、
   前記絶縁要素（３）はゲートコネクタ要素（５）を受ける凹部を含み、前記支持要素（４）はばね系（６）を受ける突起部を含み、前記ゲートコネクタ要素（５）は前記絶縁要素（３）によって前記ばね系（６）の下方に導かれる、半導体スイッチング素子。
10. 前記半導体スイッチング素子（２）はゲート整流サイリスタである、請求項９または１０に記載の半導体スイッチング素子（２）。
11. ハウジング管（２４）は絶縁材料またはセラミック材料からなる、請求項９から１１のいずれか一項に記載の半導体スイッチング素子（２）。
12. 前記カソード磁極片（２２）はカソード歪みバッファプレート（１３）を含み、前記アノード磁極片（２３）はアノード歪みバッファプレート（１４）を含み、ハウジングフランジが前記カソード磁極片（２２）と位置合わせされ、アノードフランジが前記アノード磁極片（２３）と位置合わせされ、特に、前記ハウジング（２４）は、前記アノード（２３）から前記ゲートコネクタ（５）に沿面電流をそらすために、自身の外側に少なくとも１つの沿面部（２６）を含む、請求項９から１２のいずれか一項に記載の半導体スイッチング素子（２）。
13. 前記基板（２１）および前記歪みバッファプレート（１３，１４）はアライメントピンまたはリング（２７）によって貼付けられており、前記歪みバッファプレート（１３，１４）はアライメントピンまたはリングによって貼付けられており、前記基板（２１）はエッジゴムによって貼付けられており、さらに、前記カソード歪みバッファプレート（１３）は前記アノード歪みバッファプレート（１４）の厚みよりも小さい厚みを有しており、前記カソード歪みバッファプレート（１３）はカップとして形成されており、前記カップの開口部は前記カソード磁極片（２２）に対向しており、前記カップは前記カソード磁極片（２２）を受けている、請求項９から１３のいずれか一項に記載の半導体スイッチング素子（２）。
14. 前記ゲートコネクタ要素（５）は前記絶縁要素（３）によって前記ばね系（６）の下方に導かれ、前記ゲートコネクタ要素（５）は前記絶縁要素（３）と前記ばね系（６）との間に押付けられる、請求項９から１４のいずれか一項に記載の半導体スイッチング素子（２）。

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