WO2017092722A1 - Arrangement for a power electronic component - Google Patents

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WO2017092722A1
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power semiconductor
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parallel
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Jens Ranneberg
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Hochschule Für Technik Und Wirtschaft Berlin
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
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    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/04—Containers; Seals characterised by the shape of the container or parts, e.g. caps, walls

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for a power electronic component.
  • Power electronics is a branch of electrical engineering, which deals in particular with the transformation of electrical energy with switching electronic components.
  • Power semiconductors are semiconductor devices that are designed in power electronics for controlling and switching high electrical currents and voltages.
  • the electrical currents here are regularly at least 1 A.
  • Voltages are at least about 24 V. Currents and voltages up to several thousand amps and volts can be controlled or switched.
  • LHL The power semiconductors
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • the object of the invention is to provide an arrangement for a power electronic component, in which the scalability is improved for different applications.
  • an arrangement for a power electronic component according to the independent claim 1 is provided.
  • Embodiments are the subject of dependent claims.
  • an arrangement for a power electronic device has a housing and a power semiconductor circuit.
  • the power semiconductor circuit is formed with power semiconductors and arranged in the housing. With the power semiconductors parallel connected series circuits are formed between circuit terminals of the power semiconductor circuit.
  • the following circuit parameters are scaled for the power semiconductor circuit: an operating function by means of a respective function-determining power semiconductor in the parallel-connected series circuits; a withstand voltage by means of at least one respective voltage-determining power semiconductor in the parallel-connected series circuits, which is connected in series with the function-determining power semiconductor in the respective series circuits; and a current strength by means of the number of parallel-connected series circuits.
  • a module housing for a power electronic component is provided with such an arrangement.
  • the withstand voltage of the power semiconductor circuit indicates a maximum reverse voltage for the power semiconductor circuit.
  • the controllability of the power electronic component can be determined with regard to the power electronics.
  • a module housing may be formed in which the power semiconductor circuit is arranged on an insulating substrate, which is arranged on the housing on the inside.
  • the insulating substrate may be a ceramic substrate.
  • the insulating substrate with the power semiconductor circuit formed thereon can be arranged in the interior of the housing on the bottom plate of the housing.
  • It may be formed a disc assembly having a disc cell, wherein in a wafer stack with the function-determining power semiconductor and a further wafer wafer are stacked with the voltage-determining power semiconductor a respective stack of at least a portion of the parallel-connected series circuits and connections of the wafer wafer to terminals of the other wafer disc are connected.
  • the wafer disk with the function-determining power semiconductor and the wafer disks with the voltage-determining power semiconductor may consist of the same semiconductor material or of different semiconductor materials.
  • the wafer disk may have a plurality of voltage-determining power semiconductors. Multiple wafer slices with a respective voltage-determining power semiconductor may be provided.
  • the disk arrangement may form a common disk cell for the wafer disks.
  • a common clamping connection can be produced.
  • the scalability in terms of withstand voltage arises over the number of stacked and thereby in-line disk assemblies.
  • the control connections used for a super-cascode can be led out on a top side and a bottom side, so that when several disk cells are stacked, the series connections are contacted by themselves.
  • a cooling box for cooling the supercascode can be provided, in which the control terminals are plated through.
  • An electrically conductive intermediate layer may be arranged between the wafer disk and the further wafer disk.
  • a voltage-symmetrizing circuit element may be formed in the series-connected series circuits in parallel with the plurality of voltage-determining power semiconductors.
  • the voltage-symmetrizing circuit element can provide for a defined division of the blocking voltage on the individual voltage-determining power semiconductors of a series circuit.
  • the voltage-symmetrizing circuit element can with the voltage-determining Power semiconductor may be arranged in a wafer disk.
  • the parallel-connected series circuits may each have a plurality of (for example at least two) voltage-determining and mutually connected in series power semiconductors, which are connected in series with the function-determining power semiconductor.
  • the power semiconductors in particular the voltage-determining power semiconductors, may consist of the following group of semiconductor materials: silicon, silicon carbide, gallium nitride, gallium arsenide, gallium oxide, diamond and aluminum nitride.
  • the function-determining power semiconductors can have one or more controllable power semiconductors.
  • a controllable power semiconductor for example, a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) can be used, for example as a logic-level MOSFET.
  • the function-determining power semiconductors may have one or more non-controllable power semiconductors.
  • non-controllable power semiconductors diodes can be used, for example, pin diodes, Schottky diodes, for example made of Si or one of the above materials, merged-pin Schottky (MPS) diodes, soft-recovery diodes and / or others discrete parallel connected diodes.
  • MPS merged-pin Schottky
  • a thyristor can also be used, for example a light-controlled thyristor.
  • Several disc cells can be stacked, wherein between adjacent disc cells a cooling box is arranged, are led out in the connections to opposite flat sides of the cooling box, in particular a main terminal and at least one against the main terminal electrically isolated control terminal.
  • a cooling box which has hose connections in a cooling box body, which are in communication with cooling fluid channels in the cooling box body.
  • a via can be made, which is surrounded by electrical insulation.
  • a control connection can be guided through the cooling-can body, such that clocks of the via can be arranged on opposite flat sides of the cooling body body.
  • contacts for one or more main connections can be arranged on the flat sides.
  • a stacked arrangement in which the cooling boxes are arranged between disc cells, such that the control terminals and main terminals are each passed through the cooling box body.
  • the control terminals are electrically isolated connected.
  • the connections can then be connected during stacking with associated terminals of the disc cells, which are also formed on a flat side.
  • the disk cells in the stack can have a disk cell with a function-determining semiconductor as well as further disk cells with voltage-determining power semiconductors connected in parallel.
  • 1 is a schematic representation of a power semiconductor circuit
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a module housing for a power electronic component with a power semiconductor circuit arranged on the inside according to FIG. 3, FIG.
  • FIG. 5 is a schematic representation of another power semiconductor circuit with a plurality of stacked disc cells
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a cooling box
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a stacked arrangement with disc cells, between each of which a cooling box is arranged, and
  • FIG. 8 is a schematic representation of a disk arrangement with several Waferschei- ben in a common disk cell.
  • 1 shows a schematic representation of a power semiconductor circuit that is scaled using a plurality of parallel-connected series circuits 1.1, 1.4. Between circuit terminals 2, 3, which may also be referred to as main terminals of the power semiconductor circuit, the plurality of series circuits 1.1, ..., 1.4 are connected in parallel.
  • Each of the several series circuits 1.1, 1.4 has a function-determining power semiconductor (LHL) 4, which is formed in the illustrated embodiment as Si-MOSFET. With the help of the function-determining power semiconductor 4, the function is determined. In the example shown, in particular a turn-on and Ausschalt- availability via the control terminal and the reverse conductivity are possible.
  • LHL function-determining power semiconductor
  • three voltage-determining power semiconductors (T s ) 5.1, 5.2, 5.3 are connected in parallel to the function-determining power semiconductor 4.
  • T s voltage-determining power semiconductors
  • the voltage-determining power semiconductors 5.1, 5.2, 5.3 can each be a GaN-HEMT that is in the normal state.
  • the plurality of series circuits 1.1, 1.4 are connected in parallel to the circuit terminals 2, 3, wherein the series circuits 1.2 to 1.4 can be formed equal to the series circuit 1.1 nen.
  • the current carrying capacity is scaled by the number of parallel branches.
  • a voltage-symmetrizing circuit element 6 is provided, which may be, for example, an Avelanche diode.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of different function-determining power semiconductors which can be used.
  • 3 shows schematic representations for different scaled power semiconductor circuits.
  • the left upper illustration shows a power semiconductor circuit with three parallel-connected Erasmusnschaltun- gene, each having three voltage-determining power semiconductors.
  • the top right-hand illustration relates to a power semiconductor circuit with six parallel-connected series circuits, which in addition to the function-determining power semiconductor each have a span having determining power semiconductors.
  • the power semiconductor circuit in the illustration at the bottom left in Fig. 3 four series circuits are connected in parallel, each having two voltage-determining power semiconductors in series.
  • the illustration at the bottom right in FIG. 3 shows a power semiconductor circuit with two parallel series circuits, each having five voltage-determining power semiconductors in series. All of these Verschaltungstinen are in the same housing type, for example, according to FIG. 4, realized.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a module housing 40 for a power electronic component with a power semiconductor circuit 41 arranged on the inside on an insulating substrate 42.
  • the insulating substrate 42 is disposed on a bottom plate 43.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of another power semiconductor circuit, which is constructed of disc cells.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a disk arrangement with several wafer disks in a common disk cell.
  • the function-determining power semiconductor can be made of the same or different material as the voltage-determining power semiconductor.
  • a control terminal 7 is provided, which can be omitted, for example, in the formation of the function-determining power semiconductor 4 as a diode.
  • Two power semiconductors can be cascode-connected, for example in the form of a simple cascode of Si-MOSFETs made of discrete components, with a SiC-JFET (see Aggeier et al., IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. Aug. 2013).
  • the so-called super-cascode in which several power semiconductors are connected in series in order to increase the dielectric strength, is known as such, for example using discrete components (compare Biela et al., IEEE International Power Modulator Conference, PMC08, May 2008 , Las Vegas).
  • a self-conducting LHL can be used, for which reason, for example, GaN HEMTs that are on in the normal state are suitable for this purpose.
  • unipolar LHL the resistance R-DSon in the on state theoretically increases with the square of the maximum reverse voltage UDSS, often even with the 2.5 to 2.7th power (see Mohan et al., Power Electronics, 2nd ed . Wiley and Sons, New York 1995). Since in a supercaskode with n voltage-determining LHL in series each of them only has to absorb the 1 / n-fold blocking voltage, the resistance remains unchanged for the same chip area ACM P because of the series connection.
  • q is the elementary charge
  • ⁇ the carrier mobility
  • e crit the breakdown field strength of the semiconductor material used.
  • the total resistance thus remains in both cases, a single chip of sufficient blocking capability or a supercaskode with the same chip area, equal if Roson is proportional to USS. If the resistance, however, as at present in Si MOSFETs with about 2.5 to 2.7-th power of the reverse voltage (cf.. Mohan et al., Power Electronics, 2 nd Edition, Wiley and Sons, New York 1995), the total resistance of the super-cascode will be smaller than that of a single LHL of the same chip area. For example, for a proportionality to the 2.7th power of UDSS, we obtain:
  • the total resistance of the voltage-determining semiconductors would thus decrease with the reciprocal of the number n of stages in the order of 0.7th power. This means that the further the technology is away from the theoretical limit, the more worthwhile is the realization as a super-cascode. Thus, the super-cascode is worthwhile especially for new semiconductor materials, which are only at the beginning of their development.
  • a module housing in which an insulating ceramic is arranged as substrate in the interior, the thickness of which is sufficient for the maximum voltage. If this ceramic is chosen to be large enough in area so that it can accommodate a sufficient number of LHL chips (see, for example, Figures 3 and 4), it is possible to include one with multiple power semiconductors (chips), optionally as well from different LHL materials, and their interconnection to realize a scalable in terms of function, withstand voltage and current carrying capacity LHL module.
  • the function is selected via the selection of the function-determining LHL (see TF in FIGS. 1 and 2).
  • the scaling with regard to the dielectric strength takes place via a bond between voltage-determining LHL (compare Ts in FIG.
  • the scaling in terms of current carrying capacity via the bond between the circuit terminals 2, 3 of the cascodes or super cascodes by the number of parallel branches is defined.
  • the voltage and current carrying capacity can be scaled by means of internal interconnection.
  • the function whether as a controllable switch or as a diode, can be determined. It is also possible to select with which properties the function-determining element is selected, without having to take account of their blocking capacity.
  • the blocking capability is realized, for example, by means of series connection of a number of self-conducting FETs or HEMTs (for example Tsi to Ts 3 in FIG. 1) of LHL materials.
  • HEMTs self-conducting FETs or HEMTs
  • small chips can be used, which can be manufactured with high yield, or even those whose individual reverse voltage for use as the sole LHL not would be enough, because they would stay below the respective specification. Since here the self-conducting property of HEMTs does not bother, but is even advantageous, in such an example, no additional process steps in their preparation required to effect a self-locking property.
  • the current carrying capacity is achieved, for example, by means of parallel connection of a number of super cascodes. The scalability in terms of voltage and current can be achieved with the same chips.
  • Advantages may consist of: determining the function by selecting the function determining chips; Determining the blocking capability by the number of chips connected in series; and determining the current carrying capacity realized by the number of parallel branches.
  • unused ports may be omitted, connected in parallel, and / or not connected (referred to in chip technology as so-called “NC" ports for "not connected”).
  • a diode cascode does not require any control connections (see connection G in FIG. 1), but if a sense FET is used as the function-determining chip (top center in FIG. 2), a further source connection must be led out, otherwise is not needed.
  • the voltage-determining LHL, Ts 2 and Ts 3 in Fig. 1 with their respective small components for voltage balancing, for example, the avalanche diodes D Z2 and D Z3 in Fig. 1 (alternatively, for example, RC members or a suitable Electronics), housed in a common housing, a good thermal coupling between the components is possible, so that the voltage control can be adapted to the temperature-dependent blocking capability.
  • Dz 2 and Dz 3 in FIG. 1 may be chosen such that the temperature dependence of their breakdown voltage corresponds to that of the reverse voltage of the voltage-determining LHL and by the spatially close arrangement on the ceramic at the same temperature as Tsi to Ts 3 in FIG. be held.
  • resistors or capacitors can be incorporated into the common module housing, which are advantageous for the static or dynamic behavior.
  • a function-determining LHL for example, a MOSFET. Since this requires only a small blocking capability (approximately 20V) on the order of the control voltage required for safely blocking the voltage-determining LHL, a large number of available chips can be selected for this purpose.
  • Si MOSFETs those with low control voltage, so-called logic-level MOSFETs, or those with additional sense source for current measurement can be used, so-called sense FETs.
  • T F in Fig. 1 can be distinguished between controllable LHL, such as ordinary Si-MOSFETs, Logi c-level MO SFET s, Si MOSFETs with sense connection or other, as well as non-controllable LHL, ie Diodes such as pin diodes, Schottky diodes made of Si, SiC (see Kneifel, Progress Reports VDI, Series 9, No. 273, VDI Verlag Dusseldorf 1998).
  • a SiC Schottky diode, MPS diodes, soft-recovery diodes or other diodes, for example, discretely connected in parallel, can be selected.
  • Thyristors can also be used as a function-determining LHL. These may also be light-controlled thyristors. In this variant, the solution would be advantageous as a disk cell (see Fig. 5).
  • parallel or antiparallel switching of two chips for example two diodes of different turn-off behavior or one controllable chip and one non-controllable chip (for example an IGBT and a diode or freewheeling diode) may be provided as the function-determining chip.
  • Si-Schottky diodes which until now have been available only up to about 250V blocking voltage, can be used as a function-determining LHL.
  • discrete parallel circuits of pn or pin diodes with Schottky diodes can be used (see Fig. 2 bottom right).
  • MPS diode merged-pin Schottky diode
  • the functionality of a chip can be selected independently of its dielectric strength, since the latter can be increased by the shading to the desired level.
  • logic level sense MOSFET supercascodes or MPS diode supercascodes are possible. Since the function-determining LHL also absorbs only a small reverse voltage, its voltage swing when switching is low, which is why the otherwise disturbing Miller effect, which can increase the input capacitance considerably, is reduced.
  • the voltage-determining self-conducting FETs or HEMTs can be accommodated with their voltage balancing semiconductors, for example the avalanche diodes D Z2 and D Z3 in FIG. 1, in a common disk cell.
  • This alternative version is particularly suitable for high-voltage applications, such as high-voltage direct current (HVDC) transmissions, because the design as a power supply is common there and otherwise a significant additional effort is required for the isolated control of each individual stage.
  • This variant can be implemented as a function-determining LHL with a diode or with a controllable LHL, for example a thyristor, also light-controlled (see FIG. 2, top right), an IGBT or a turn-off thyristor.
  • the scalability in terms of the current can, if required, be achieved via the parallel connection of several clamping assemblies.
  • the function-determining LHL in the cascode or the super-cascode the above considerations apply accordingly.
  • an external connection 50 is shown, which may be omitted if a different housing design is selected for the lowest voltage-determining LHL.
  • the housing design shown offers cost advantages, since it does not require this variant and only requires an additional connection of a control line. If the control connections are routed out laterally, as is the case with disk cells, this embodiment is compatible with the usual disk cells, whereby the lowest LHL (Tp in FIG. 5) determining the functionality of the super-cascode realized by the tensioning system is selected from a wide range of existing LHLs can be. If the control connections in addition to the main connections on the top and bottom of the individual disc cells led out, for example in the middle, where currently a center hole is common, their connection arises when stacking by itself (Fig. 8). However, it would have to be used for TF a version in this particular case.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of a cooling box 60 from above and in section.
  • Hose connections 61, 62 communicate with cooling fluid passages 63, 64.
  • Through the cooling can 60 through a through-connection 65 is made, which is surrounded by an electrical insulation 66.
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a stack with cooling boxes 70, 71, which may be designed according to the embodiment in Fig. 6 and between disc cells 72, 73, 74 are arranged such that control terminals 76, 77 and main terminals 78, 79 respectively through the cooling boxes 70, 71 are passed.
  • the control terminals 76, 77 are electrically isolated connected.
  • the disk cell 74 is formed with a function-determining semiconductor.
  • the further disc cells 72, 73 have parallel-connected voltage-determining power semiconductors.
  • a disc cell 80 is alternatively formed as the housing, in which the cascode or the supercaskode is implemented inside by means of stacking a number of chips or wafers 81, if necessary with conductive intermediate layers 82 (cf. . 8th).
  • conductive intermediate layers 82 a solder connection or a contacting can be carried out by means of sintering with metal powder, for example silver powder, as so-called low-temperature connection technology.
  • the disk cell is scaled in terms of their blocking voltage by stacking it with one or more voltage-determining LHL 83.1, 83.2, 83.3 and then installing it in a housing. These are stacked on the function determining LHL 84. It is a control terminal 85 is provided.
  • the additionally used voltage-determining chips or wafers already contain the voltage-symmetrizing elements (see circuit diagram according to FIG. 1) and their contacts are arranged on the chip or wafer surface in such a way that when stacking itself Contacting results in a particularly advantageous for manufacturing execution.
  • This arrangement can be designed, for example, in the form of concentric rings or a center contact.
  • a correspondingly thicker (dimension s in FIG. 8) disk cell can be used for this purpose.
  • Scalability in terms of current carrying capacity is possible by means of parallel connection of several disc cells.

Abstract

The invention relates to an arrangement for a power electronic component, comprising a housing and a power semiconductor circuit arranged with power semiconductors in the housing, wherein with the power semiconductors series circuits (1.1,..., 1.4) connected in parallel between circuit terminals (2, 3) of the power semiconductor circuit are formed and the following circuit parameters are thereby scaled for the power semiconductor circuit: an operating function by means of a relevant function-determining power semiconductor in the parallel-connected series circuits (1.1,..., 1.4), a dielectric strength by means of at least one relevant voltage-determining power semiconductor in the parallel-connected series circuits (1.1,..., 1.4), which is connected in series with the function-determining power semiconductor in the respective series circuits, and a current-carrying capacity by means of the number of parallel-connected series circuits (1.1,..., 1.4).

Description

Anordnung für ein leistungselektronisches Bauelement  Arrangement for a power electronic component
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein leistungselektronisches Bauelement. Hintergrund The invention relates to an arrangement for a power electronic component. background
Die Leistungselektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik, die sich insbesondere mit der Umformung elektrischer Energie mit schaltenden elektronischen Bauelementen beschäftigt. Leistungshalbleiter sind Halbleiterbauelemente, die in der Leistungselektronik für das Steuern und das Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind. Die elektrischen Ströme betragen hierbei regelmäßig wenigstens 1 A. Spannungen betragen wenigstens etwa 24 V. Ströme und Spannungen bis zu mehreren Tausend Ampere und Volt können gesteuert oder geschaltet werden. Power electronics is a branch of electrical engineering, which deals in particular with the transformation of electrical energy with switching electronic components. Power semiconductors are semiconductor devices that are designed in power electronics for controlling and switching high electrical currents and voltages. The electrical currents here are regularly at least 1 A. Voltages are at least about 24 V. Currents and voltages up to several thousand amps and volts can be controlled or switched.
Die Leistungshalbleiter (LHL), die auch als leistungselektronische Bauelemente bezeichnet werden können, werden häufig in Modulgehäusen hergestellt. Darin sind zumeist mehrere LHL-Chips in einem Modulgehäuse angeordnet. Insbesondere aus GaN werden LHL nach dem Funktionsprinzip des High Electron Mobility Transistors (HEMT) hergestellt. Da diese ohne Steuerspannung leiten (normal-an), ist ihr Einsatz in leistungselektronischen Geräten kritisch, da es bei Ausfall der Steuerspannung oder beim Ein- und / oder Ausschalten des Ge- räts zu einem Kurzschluss kommen kann. Deshalb werden diese teilweise zusammen mit einem Si-MOSFET (normal-aus) als einfache Kaskode verschaltet. Es ist möglich, auch HEMTs zu fertigen, die ohne Steuerspannung sperren (normal-aus). Jedoch stellt dies zusätzlichen Aufwand bei der Fertigung dar (vgl. Hamady et al., European Conference on Power Electronics and its Applications, EPE 2013, Lille). The power semiconductors (LHL), which can also be referred to as power electronic components, are often produced in module housings. Therein, several LHL chips are usually arranged in a module housing. Especially made of GaN, LHL are manufactured according to the functional principle of the High Electron Mobility Transistor (HEMT). Since these conduct without control voltage (normal-on), their use in power electronic devices is critical, since a short circuit can occur if the control voltage fails or when the device is switched on and / or off. Therefore, these are partially interconnected with a Si-MOSFET (normal-off) as a simple cascode. It is also possible to produce HEMTs that lock without control voltage (normal-off). However, this adds extra manufacturing effort (see Hamady et al., European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2013, Lille).
Zusammenfassung Summary
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung für ein leistungselektronisches Bauelement anzugeben, bei dem die Skalierbarkeit für unterschiedliche Anwendungen verbessert ist. Zur Lösung der Aufgabe ist eine Anordnung für ein leistungselektronisches Bauelement nach dem unabhängigen Anspruch 1 geschaffen. Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen. The object of the invention is to provide an arrangement for a power electronic component, in which the scalability is improved for different applications. To solve the problem, an arrangement for a power electronic component according to the independent claim 1 is provided. Embodiments are the subject of dependent claims.
Nach einem Aspekt ist eine Anordnung für ein leistungselektronisches Bauelement geschaf- fen. Die Anordnung weist ein Gehäuse sowie eine Leistungshalbleiter-Schaltung auf. Die Leistungshalbleiter-Schaltung ist mit Leistungshalbleitern gebildet und in dem Gehäuse angeordnet. Mit den Leistungshalbleitern sind zwischen Schaltungsanschlüssen der Leistungshalbleiter-Schaltung parallel geschaltete Reihenschaltungen gebildet. Hierdurch sind für die Leistungshalbleiter-Schaltung folgende Schaltungsparameter skaliert: eine Betriebsfunktion mit- tels eines jeweiligen funktionsbestimmenden Leistungshalbleiters in den parallel geschalteten Reihenschaltungen; eine Spannungsfestigkeit mittels wenigstens eines jeweiligen spannungsbestimmenden Leistungshalbleiters in den parallel geschalteten Reihenschaltungen, welcher in den jeweiligen Reihenschaltungen mit dem funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet ist; und eine Stromfestigkeit mittels der Anzahl der parallel geschalteten Reihenschaltungen. In one aspect, an arrangement for a power electronic device is created. The arrangement has a housing and a power semiconductor circuit. The power semiconductor circuit is formed with power semiconductors and arranged in the housing. With the power semiconductors parallel connected series circuits are formed between circuit terminals of the power semiconductor circuit. As a result, the following circuit parameters are scaled for the power semiconductor circuit: an operating function by means of a respective function-determining power semiconductor in the parallel-connected series circuits; a withstand voltage by means of at least one respective voltage-determining power semiconductor in the parallel-connected series circuits, which is connected in series with the function-determining power semiconductor in the respective series circuits; and a current strength by means of the number of parallel-connected series circuits.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein Modulgehäuse für ein leistungselektronisches Bauelement mit einer solchen Anordnung geschaffen. Die Spannungsfestigkeit der Leistungshalbleiter-Schaltung gibt eine maximale Sperrspannung für die Leistungshalbleiter-Schaltung an. According to a further aspect, a module housing for a power electronic component is provided with such an arrangement. The withstand voltage of the power semiconductor circuit indicates a maximum reverse voltage for the power semiconductor circuit.
Mittels des funktionsbestimmenden Leistungshalbleiters kann betreffend die Leistungselektronik die Steuerbarkeit des leistungselektronischen Bauelements bestimmt werden. By means of the function-determining power semiconductor, the controllability of the power electronic component can be determined with regard to the power electronics.
Es kann ein Modulgehäuse gebildet sein, bei dem die Leistungshalbleiter-Schaltung auf einem Isoliersubstrat angeordnet ist, welches an dem Gehäuse innenseitig angeordnet ist. Das Isoliersubstrat kann ein Keramiksubstrat sein. Das Isoliersubstrat mit der hierauf gebildeten Leistungshalbleiter-Schaltung kann im Inneren des Gehäuses auf der Bodenplatte des Gehäuses angeordnet sein. A module housing may be formed in which the power semiconductor circuit is arranged on an insulating substrate, which is arranged on the housing on the inside. The insulating substrate may be a ceramic substrate. The insulating substrate with the power semiconductor circuit formed thereon can be arranged in the interior of the housing on the bottom plate of the housing.
Es kann eine Scheibenanordnung gebildet sein, die eine Scheibenzelle aufweist, bei der in einem jeweiligen Stapel zumindest eines Teils der parallel geschalteten Reihenschaltungen eine Waferscheibe mit dem funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter und eine weitere Waferscheibe mit dem spannungsbestimmenden Leistungshalbleiter gestapelt und Anschlüsse der Waferscheibe mit Anschlüssen der weiteren Waferscheibe verbunden sind. Hierbei können die Waferscheibe mit dem funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter und die Wafer- Scheiben mit dem spannungsbestimmenden Leistungshalbleiter aus dem gleichen Halbleitermaterial oder aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen. Die Waferscheibe kann mehrere spannungsbestimmende Leistungshalbleiter aufweisen. Mehrere Waferscheiben mit einem jeweiligen spannungsbestimmenden Leistungshalbleiter können vorgesehen sein. Mit der Scheibenanordnung kann eine gemeinsame Scheibenzelle für die Waferscheiben gebildet sein. Bei der Montage mehrerer Scheibenanordnungen (Scheibenzellen) kann ein gemeinsamer Spannverbund hergestellt werden. Bei einer Ausführung entsteht die Skalierbarkeit hinsichtlich der Spannungsfestigkeit über die Anzahl von gestapelten und hierdurch in Reihe geschalteten Scheibenanordnungen. Bei der Scheibenzelle können die für eine Superkaskode benutzten Steueranschlüsse auf einer Ober- und einer Unterseite herausgeführt sein, so dass beim Stapeln mehrerer Scheibenzellen die Reihenschaltungen von selbst kontaktiert werden. Hierbei kann eine Kühldose zur Kühlung der Superkaskode vorgesehen sein, bei der die Steueranschlüsse durchkontaktiert werden. It may be formed a disc assembly having a disc cell, wherein in a wafer stack with the function-determining power semiconductor and a further wafer wafer are stacked with the voltage-determining power semiconductor a respective stack of at least a portion of the parallel-connected series circuits and connections of the wafer wafer to terminals of the other wafer disc are connected. In this case, the wafer disk with the function-determining power semiconductor and the wafer disks with the voltage-determining power semiconductor may consist of the same semiconductor material or of different semiconductor materials. The wafer disk may have a plurality of voltage-determining power semiconductors. Multiple wafer slices with a respective voltage-determining power semiconductor may be provided. The disk arrangement may form a common disk cell for the wafer disks. When assembling several disc arrangements (disc cells), a common clamping connection can be produced. In one embodiment, the scalability in terms of withstand voltage arises over the number of stacked and thereby in-line disk assemblies. In the case of the disk cell, the control connections used for a super-cascode can be led out on a top side and a bottom side, so that when several disk cells are stacked, the series connections are contacted by themselves. In this case, a cooling box for cooling the supercascode can be provided, in which the control terminals are plated through.
Zwischen der Waferscheibe und der weiteren Waferscheibe kann eine elektrisch leitende Zwi- schenschicht angeordnet sein. An electrically conductive intermediate layer may be arranged between the wafer disk and the further wafer disk.
Mit den Leistungshalbleitern können parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils ein spannungs-symmetrierendes Schaltungselement gebildet sein Insbesondere beim Vorsehen von mehreren spannungsbestimmenden Leistungshalbleitern in einer Reihenschaltung kann zu den mehreren spannungsbestimmenden Leistungshalbleitern in den parallel geschalteten Reihenschaltungen jeweils ein spannungs-symmetrierendes Schaltungselement gebildet sein. Das spannungs-symmetrierende Schaltungselement kann für eine definierte Aufteilung der Sperrspannung auf die einzelnen spannungsbestimmenden Leis- tungshalbleiter einer Reihenschaltung sorgen. In particular, when providing a plurality of voltage-determining power semiconductors in a series connection, a voltage-symmetrizing circuit element may be formed in the series-connected series circuits in parallel with the plurality of voltage-determining power semiconductors. The voltage-symmetrizing circuit element can provide for a defined division of the blocking voltage on the individual voltage-determining power semiconductors of a series circuit.
Das spannungs-symmetrierende Schaltungselement kann mit dem spannungsbestimmenden Leistungshalbleiter in einer Waferscheibe angeordnet sein. The voltage-symmetrizing circuit element can with the voltage-determining Power semiconductor may be arranged in a wafer disk.
Die parallel geschalteten Reihenschaltungen können jeweils mehrere (beispielsweise wenigstens zwei) spannungsbestimmende und zueinander in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter aufweisen, welche mit dem funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet sind. The parallel-connected series circuits may each have a plurality of (for example at least two) voltage-determining and mutually connected in series power semiconductors, which are connected in series with the function-determining power semiconductor.
Die Leistungshalbleiter, insbesondere die spannungsbestimmenden Leistungshalbleiter, können aus der folgenden Gruppe von Halbleitermaterialien bestehen: Silizium, Silizium-Carbid, Gallium-Nitrid, Gallium-Arsenid, Gallium-Oxid, Diamant und Aluminium-Nitrid. The power semiconductors, in particular the voltage-determining power semiconductors, may consist of the following group of semiconductor materials: silicon, silicon carbide, gallium nitride, gallium arsenide, gallium oxide, diamond and aluminum nitride.
Die funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter können ein oder mehrere steuerbare Leistungshalbleiter aufweisen. Als steuerbarer Leistungshalbleiter kann beispielsweise ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) verwendet werden, beispielsweise als logic-level-MOSFET. The function-determining power semiconductors can have one or more controllable power semiconductors. As a controllable power semiconductor, for example, a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) can be used, for example as a logic-level MOSFET.
Die funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter können ein oder mehrere nicht steuerbare Leistungshalbleiter aufweisen. Als nicht steuerbarer Leistungshalbleiter können Dioden zum Einsatz kommen, beispielweise Pin-Dioden, Schottky-Dioden, zum Beispiel aus Si oder einem der oben genannten Materialien, merged-pin-Schottky (MPS)-Dioden, Soft-Recovery- Dioden und / oder andere diskret parallel geschaltete Dioden. Auch ein Thyristor kann zum Einsatz kommen, zum Beispiel ein lichtgesteuerter Thyristor. The function-determining power semiconductors may have one or more non-controllable power semiconductors. As non-controllable power semiconductors diodes can be used, for example, pin diodes, Schottky diodes, for example made of Si or one of the above materials, merged-pin Schottky (MPS) diodes, soft-recovery diodes and / or others discrete parallel connected diodes. A thyristor can also be used, for example a light-controlled thyristor.
Es können mehrere Scheibenzellen gestapelt, wobei zwischen benachbarten Scheibenzellen eine Kühldose angeordnet ist, bei der Anschlüsse zu gegenüberlegenden Flachseiten der Kühldose herausgeführt sind, insbesondere ein Hauptanschluss und zumindest ein gegen den Hauptanschluss elektrisch isolierter Steueranschluss. Several disc cells can be stacked, wherein between adjacent disc cells a cooling box is arranged, are led out in the connections to opposite flat sides of the cooling box, in particular a main terminal and at least one against the main terminal electrically isolated control terminal.
Nach einem anderen Aspekt kann eine Kühldose vorgesehen sein, die in einem Kühldosenkörper Schlauchanschlüsse aufweist, welche mit Kühlfluidkanälen im Kühldosenkörper in Verbindung stehen. Durch die Kühldose hindurch kann eine Durchkontaktierung hergestellt sein, die von einer elektrischen Isolierung umgeben ist. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Steueranschluss durch den Kühldosenkörper hindurch geführt werden, derart, dass Kon- takte der Durchkontaktierung auf gegenüberliegenden Flachseiten des Kühldosenkörpers angeordnet sein können. Alternativ oder ergänzend können auf den Flachseiten Kontakte für einen oder mehrere Hauptanschlüsse angeordnet sein. According to another aspect, a cooling box can be provided which has hose connections in a cooling box body, which are in communication with cooling fluid channels in the cooling box body. Through the cooling box through a via can be made, which is surrounded by electrical insulation. In this way, for example, a control connection can be guided through the cooling-can body, such that clocks of the via can be arranged on opposite flat sides of the cooling body body. Alternatively or additionally, contacts for one or more main connections can be arranged on the flat sides.
Unter Verwendung einer oder mehrerer Kühldosen kann in einer Ausgestaltung eine gestapelte Anordnung gebildet werden, bei der die Kühldosen zwischen Scheibenzellen angeordnet sind, derart, dass die Steueranschlüsse sowie Hauptanschlüsse jeweils durch den Kühldosenkörper hindurchgeführt sind. Die Steueranschlüsse sind elektrisch isoliert durchverbunden. Die Anschlüsse können beim Stapeln dann mit zugeordneten Anschlüssen der Scheibenzellen verbunden werden, die auch auf einer Flachseite gebildet sind. Die Scheibenzellen im Stapel können eine Scheibenzelle mit einem funktionsbestimmenden Halbleiter sowie weitere Scheibenzellen mit parallel geschalteten spannungsbestimmenden Leistungshalbleitern aufweisen. Using one or more cooling boxes, in one embodiment, a stacked arrangement can be formed, in which the cooling boxes are arranged between disc cells, such that the control terminals and main terminals are each passed through the cooling box body. The control terminals are electrically isolated connected. The connections can then be connected during stacking with associated terminals of the disc cells, which are also formed on a flat side. The disk cells in the stack can have a disk cell with a function-determining semiconductor as well as further disk cells with voltage-determining power semiconductors connected in parallel.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen Description of exemplary embodiments
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: In the following, further embodiments will be explained in more detail with reference to figures of a drawing. Hereby show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Leistungshalbleiter-Schaltung,  1 is a schematic representation of a power semiconductor circuit,
Fig. 2 schematische Darstellungen für Ausführungsbeispiele von funktionsbestimmenden Leistungshalbleitern, 2 schematic representations for embodiments of function-determining power semiconductors,
Fig. 3 schematische Darstellungen für unterschiedliche skalierte Leistungshalbleiter-Schaltungen, die im gleichen Gehäusetyp realisierbar sind,  3 schematic representations for different scaled power semiconductor circuits, which can be realized in the same housing type,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Modulgehäuses für ein leistungselektronisches Bauelement mit einer innenseitig angeordneten Leistungshalbleiter-Schaltung nach Fig. 3,  4 shows a schematic illustration of a module housing for a power electronic component with a power semiconductor circuit arranged on the inside according to FIG. 3, FIG.
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Leistungshalbleiter-Schaltung mit mehreren gestapelten Scheibenzellen,  5 is a schematic representation of another power semiconductor circuit with a plurality of stacked disc cells,
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Kühldose, 6 shows a schematic representation of a cooling box,
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer gestapelten Anordnung mit Scheibenzellen, zwischen denen jeweils eine Kühldose angeordnet ist, und  Fig. 7 shows a schematic representation of a stacked arrangement with disc cells, between each of which a cooling box is arranged, and
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Scheibenanordnung mit mehreren Waferschei- ben in einer gemeinsamen Scheibenzelle. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leistungshalbleiter-Schaltung, die unter Verwendung mehrerer parallel geschalteter Reihenschaltungen 1.1, 1.4 skaliert ist. Zwischen Schaltungsanschlüssen 2, 3, die auch als Hauptanschlüsse der Leistungshalbleiter- Schaltung bezeichnet werden können, sind die mehreren Reihenschaltungen 1.1, ... , 1.4 paral- lel geschaltet. Jede der mehreren Reihenschaltungen 1.1, 1.4 weist einen funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter (LHL) 4 auf, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Si-MOSFET ausgebildet ist. Mit Hilfe des funktionsbestimmenden Leistungshalbleiters 4 ist die Funktion bestimmt. Im gezeigten Beispiel sind insbesondere eine Ein- und Ausschalt- barkeit über den Steueranschluss sowie die Rückwärtsleitfähigkeit ermöglicht. 8 is a schematic representation of a disk arrangement with several Waferschei- ben in a common disk cell. 1 shows a schematic representation of a power semiconductor circuit that is scaled using a plurality of parallel-connected series circuits 1.1, 1.4. Between circuit terminals 2, 3, which may also be referred to as main terminals of the power semiconductor circuit, the plurality of series circuits 1.1, ..., 1.4 are connected in parallel. Each of the several series circuits 1.1, 1.4 has a function-determining power semiconductor (LHL) 4, which is formed in the illustrated embodiment as Si-MOSFET. With the help of the function-determining power semiconductor 4, the function is determined. In the example shown, in particular a turn-on and Ausschalt- availability via the control terminal and the reverse conductivity are possible.
Zu dem funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter 4 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei spannungsbestimmende Leistungshalbleiter (Ts) 5.1, 5.2, 5.3 parallel geschaltet. So ist eine dreistufige Bestimmung der Spannungsfestigkeit (Festlegung der Sperrspannung) ausgebildet. Beispielsweise kann es sich bei den spannungsbestimmenden Leistungshalblei- tern 5.1, 5.2, 5.3 jeweils um einen GaN-HEMT handeln, die im Normalzustand an sind. In the exemplary embodiment shown, three voltage-determining power semiconductors (T s ) 5.1, 5.2, 5.3 are connected in parallel to the function-determining power semiconductor 4. Thus, a three-stage determination of the dielectric strength (determination of the reverse voltage) is formed. For example, the voltage-determining power semiconductors 5.1, 5.2, 5.3 can each be a GaN-HEMT that is in the normal state.
Zur Skalierung der Stromfestigkeit der Leistungshalbleiter-Schaltung aus Fig. 1 sind die mehreren Reihenschaltungen 1.1, 1.4 parallel zu den Schaltungsanschlüssen 2, 3 geschaltet, wobei die Reihenschaltungen 1.2 bis 1.4 gleich der Reihenschaltung 1.1 ausgebildet sein kön- nen. Über die Anzahl der parallelen Zweige wird die Stromtragfähigkeit skaliert. For scaling the current stability of the power semiconductor circuit of FIG. 1, the plurality of series circuits 1.1, 1.4 are connected in parallel to the circuit terminals 2, 3, wherein the series circuits 1.2 to 1.4 can be formed equal to the series circuit 1.1 nen. The current carrying capacity is scaled by the number of parallel branches.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist ein spannungs-symmetrierendes Schaltungselement 6 vorgesehen, bei dem es sich beispielsweise um eine Avelanche-Diode handeln kann. In the embodiment shown in Fig. 1, a voltage-symmetrizing circuit element 6 is provided, which may be, for example, an Avelanche diode.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellungen für verschiedene funktionsbestimmende Leistungshalbleiter, die zum Einsatz kommen können. Fig. 3 zeigt schematische Darstellungen für unterschiedliche skalierte Leistungshalbleiter-Schaltungen. In Fig. 3 zeigt die linke obere Darstellung eine Leistungshalbleiter-Schaltung mit drei parallel geschalteten Reihenschaltun- gen, die jeweils drei spannungsbestimmende Leistungshalbleiter aufweisen. Die obere rechte Darstellung betrifft eine Leistungshalbleiter-Schaltung mit sechs parallel geschalteten Reihenschaltungen, die neben dem funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter jeweils einen span- nungsbestimmenden Leistungshalbleiter aufweisen. Bei der Leistungshalbleiter-Schaltung in der Darstellung unten links in Fig. 3 sind vier Reihenschaltungen parallel geschaltet, die jeweils zwei spannungsbestimmende Leistungshalbleiter in Reihe aufweisen. Die Darstellung unten rechts in Fig. 3 zeigt eine Leistungshalbleiter-Schaltung mit zwei parallelen Reihenschaltungen, die jeweils fünf spannungsbestimmende Leistungshalbleiter in Reihe aufweisen. Alle diese Verschaltungsvarianten sind im gleichen Gehäusetyp, zum Beispiel dem nach Fig. 4, realisierbar. FIG. 2 shows a schematic representation of different function-determining power semiconductors which can be used. 3 shows schematic representations for different scaled power semiconductor circuits. In Fig. 3, the left upper illustration shows a power semiconductor circuit with three parallel-connected Reihenschaltun- gene, each having three voltage-determining power semiconductors. The top right-hand illustration relates to a power semiconductor circuit with six parallel-connected series circuits, which in addition to the function-determining power semiconductor each have a span having determining power semiconductors. In the power semiconductor circuit in the illustration at the bottom left in Fig. 3, four series circuits are connected in parallel, each having two voltage-determining power semiconductors in series. The illustration at the bottom right in FIG. 3 shows a power semiconductor circuit with two parallel series circuits, each having five voltage-determining power semiconductors in series. All of these Verschaltungsvarianten are in the same housing type, for example, according to FIG. 4, realized.
In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Modulgehäuses 40 für ein leistungselektronisches Bauelement mit einer innenseitig angeordneten Leistungshalbleiter-Schaltung 41 auf einem Isoliersubstrat 42 gezeigt. Das Isoliersubstrat 42 ist auf einer Bodenplatte 43 angeordnet. FIG. 4 shows a schematic representation of a module housing 40 for a power electronic component with a power semiconductor circuit 41 arranged on the inside on an insulating substrate 42. The insulating substrate 42 is disposed on a bottom plate 43.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Leistungshalbleiter-Schaltung, die aus Scheibenzellen aufgebaut ist. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Scheibena- nordnung mit mehreren Waferscheiben in einer gemeinsamen Scheibenzelle. In beiden Fällen kann der funktionsbestimmende Leistungshalbleiter aus dem gleichen oder einem anderen Werkstoff bestehen wie der oder die spannungsbestimmenden Leisungshalbleiter. Fig. 5 shows a schematic representation of another power semiconductor circuit, which is constructed of disc cells. FIG. 6 shows a schematic representation of a disk arrangement with several wafer disks in a common disk cell. In both cases, the function-determining power semiconductor can be made of the same or different material as the voltage-determining power semiconductor.
Aufgrund der Ausbildung des funktionsbestimmenden Leistungshalbleiters 4 als Si-MOSFET in der gezeigten Ausführungsform ist ein Steueranschluss 7 vorgesehen, der entfallen kann, beispielsweise bei der Ausbildung des funktionsbestimmenden Leistungshalbleiters 4 als Diode. Due to the design of the function-determining power semiconductor 4 as Si-MOSFET in the embodiment shown, a control terminal 7 is provided, which can be omitted, for example, in the formation of the function-determining power semiconductor 4 as a diode.
Zwei Leistungshalbleiter können als Kaskode verschaltet werden, zum Beispiel in Form einer aus diskreten Bauelementen realisierten einfachen Kaskode eines Si-MOSFETs mit einem SiC-JFET (vgl. Aggeier et al., IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, No. 8, Aug. 2013). Auch die sogenannte Superkaskode, bei der mehrere Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet werden, um die Spannungsfestigkeit zu erhöhen, ist als solche bekannt, zum Beispiel unter Verwendung von diskreten Bauelementen (vgl. Biela et al., IEEE International Power Modulator Conference, PMC08, Mai 2008, Las Vegas). Als spannungsbestimmender LHL einer Kaskode oder einer Superkaskode kann ein selbstleitender LHL benutzt werden, weshalb zum Beispiel HEMTs aus GaN, die im Normalzustand an sind, dafür geeignet sind. Bei unipolaren LHL steigt der Widerstand R-DSon im eingeschalteten Zustand theoretisch mit dem Quadrat der maximalen Sperrspannung UDSS, häufig sogar mit der 2,5 bis 2,7-ten Potenz (vgl. Mohan et al., Power Electronics, 2nd Edition, Wiley and Sons, New York 1995). Da in einer Superkaskode mit n spannungsbestimmenden LHL in Reihe jeder davon nur die 1/n- fache Sperrspannung aufnehmen muss, bleibt der Widerstand bei gleicher Chipfläche ACMP wegen der Reihenschaltung unverändert. Hierbei wird angenommen, dass für jeden Chip nur die 1/n-fache Fläche zur Verfügung steht, von denen n in Reihe geschaltet werden: Two power semiconductors can be cascode-connected, for example in the form of a simple cascode of Si-MOSFETs made of discrete components, with a SiC-JFET (see Aggeier et al., IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. Aug. 2013). The so-called super-cascode, in which several power semiconductors are connected in series in order to increase the dielectric strength, is known as such, for example using discrete components (compare Biela et al., IEEE International Power Modulator Conference, PMC08, May 2008 , Las Vegas). As a voltage-determining LHL of a cascode or a super-cascode, a self-conducting LHL can be used, for which reason, for example, GaN HEMTs that are on in the normal state are suitable for this purpose. In unipolar LHL the resistance R-DSon in the on state theoretically increases with the square of the maximum reverse voltage UDSS, often even with the 2.5 to 2.7th power (see Mohan et al., Power Electronics, 2nd ed . Wiley and Sons, New York 1995). Since in a supercaskode with n voltage-determining LHL in series each of them only has to absorb the 1 / n-fold blocking voltage, the resistance remains unchanged for the same chip area ACM P because of the series connection. Here, it is assumed that only 1 / n times the area is available for each chip, of which n are connected in series:
Einzelner LHL ausreichender Sperrfähigkeit, RDSon ~ Uoss (vgl. Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer Verlag New York, 2008; Lidow et al., GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Wiley and Sons, Chi ehester, West Sussex, 2015): Single LHL of sufficient blocking capability, RDSon ~ Uoss (see Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer, New York, 2008, Lidow et al., GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Wiley and Sons, Chiester, West Sussex, 2015) :
4 * U 4 * U
R DSS R DSS
DSon Chip ^ ^ DSon chip ^ ^
''krit  '' Crit
Superkaskode mit n LHL in Reihe, Rüson ~ UDSSSupercaskode with n LHL in series, reverse ~ USS
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0001
„*„ 4 * U2 "*" 4 * U 2
^ges ΆαΨ ~ η ^DSon 11 ~ 2 ^ * , , * 7 3 ^ ges Ά α Ψ ~ η ^ DSon 11 ~ 2 ^ *,, * 7 3
n q μ ^ω nq μ ^ ω
Hierin sind q die Elementarladung, μ die Ladungsträgerbeweglichkeit und Ekrit die Durch- bruchsfeldstärke des verwendeten Halbleiterwerkstoffes. Der Gesamtwiderstand bleibt also in beiden Fällen, ein einzelner Chip ausreichender Sperrfähigkeit oder eine Superkaskode mit gleicher Chipfläche, gleich, wenn Roson proportional UDSS ist. Nimmt der Widerstand jedoch, wie derzeit bei Si-MOSFETs üblich, mit der ca. 2,5 bis 2,7-ten Potenz der Sperrspannung zu (vgl. Mohan et al., Power Electronics, 2nd Edition, Wiley and Sons, New York 1995) wird der Gesamtwiderstand der Superkaskode kleiner ausfallen, als der eines einzelnen LHLs gleicher Chipfläche. So ergibt sich zum Beispiel für eine Proportionalität zur 2,7-ten Potenz von UDSS:
Figure imgf000011_0001
Herein q is the elementary charge, μ the carrier mobility and e crit the breakdown field strength of the semiconductor material used. The total resistance thus remains in both cases, a single chip of sufficient blocking capability or a supercaskode with the same chip area, equal if Roson is proportional to USS. If the resistance, however, as at present in Si MOSFETs with about 2.5 to 2.7-th power of the reverse voltage (cf.. Mohan et al., Power Electronics, 2 nd Edition, Wiley and Sons, New York 1995), the total resistance of the super-cascode will be smaller than that of a single LHL of the same chip area. For example, for a proportionality to the 2.7th power of UDSS, we obtain:
Figure imgf000011_0001
n * n 4 * U  n * n 4 * U
R * A DSS 4 * U D S  R * A DSS 4 * U D S
" vi * ^ RDSon * " n S  "vi * ^ RDSon * n S
n .2,7 q * μ * 0,7  n .2,7 q * μ * 0,7
Et krit n . E t crit n.
q * μ * Ej krit q * μ * E j crit
Der Gesamtwiderstand der spannungsbestimmenden Halbleiter würde also mit dem Kehrwert der Anzahl n der Stufen in 0,7-ter Potenz abnehmen. Das bedeutet je weiter die Technologie von der theoretischen Grenze entfernt ist, desto mehr lohnt sich die Realisierung als Superkaskode. Damit lohnt sich die Superkaskode besonders für neue Halbleiterwerkstoffe, die erst am Beginn ihrer Entwicklung stehen. The total resistance of the voltage-determining semiconductors would thus decrease with the reciprocal of the number n of stages in the order of 0.7th power. This means that the further the technology is away from the theoretical limit, the more worthwhile is the realization as a super-cascode. Thus, the super-cascode is worthwhile especially for new semiconductor materials, which are only at the beginning of their development.
Nach einer Ausführung ist ein Modulgehäuse geschaffen, bei dem im Inneren eine Isolierkeramik als Substrat angeordnet ist, deren Dicke für die maximale Spannung ausreicht. Wenn diese Keramik von der Fläche her groß genug gewählt wird, sodass sie eine ausreichende Anzahl von LHL-Chips aufnehmen kann (vgl. zum Beispiel Fig. 3 und 4) ist es möglich, ein mittels Bestücken mit mehreren Leistungshalbleitern (Chips), wahlweise auch aus unterschiedlichen LHL-Werkstoffen, und deren Verschaltung ein hinsichtlich Funktion, Spannungsfestigkeit und Stromtragfähigkeit skalierbares LHL-Modul zu realisieren. Die Auswahl der Funkti- on erfolgt über die Wahl des funktionsbestimmenden LHL (vgl. TF in Fig. 1 und 2). Die Skalierung hinsichtlich der Spannungsfestigkeit erfolgt über eine Bondung zwischen spannungsbestimmenden LHL (vgl. Ts in Fig. 1). Die Skalierung hinsichtlich der Stromtragfähigkeit erfolgt über die Bondung zwischen den Schaltungsanschlüssen 2, 3 der Kaskoden oder Su- perkaskoden, indem die Anzahl der parallelen Zweige definiert wird. According to one embodiment, a module housing is provided in which an insulating ceramic is arranged as substrate in the interior, the thickness of which is sufficient for the maximum voltage. If this ceramic is chosen to be large enough in area so that it can accommodate a sufficient number of LHL chips (see, for example, Figures 3 and 4), it is possible to include one with multiple power semiconductors (chips), optionally as well from different LHL materials, and their interconnection to realize a scalable in terms of function, withstand voltage and current carrying capacity LHL module. The function is selected via the selection of the function-determining LHL (see TF in FIGS. 1 and 2). The scaling with regard to the dielectric strength takes place via a bond between voltage-determining LHL (compare Ts in FIG. The scaling in terms of current carrying capacity via the bond between the circuit terminals 2, 3 of the cascodes or super cascodes by the number of parallel branches is defined.
Es kann so die Spannungs- und die Stromtragfähigkeit mittels interner Verschaltung skaliert werden. Weiterhin kann die Funktion, sei es als steuerbarer Schalter oder als Diode, bestimmt werden. Auch ist wählbar, mit welchen Eigenschaften das funktionsbestimmende Element ausgewählt wird, ohne Rücksicht auf deren Sperrvermögen nehmen zu müssen. Thus, the voltage and current carrying capacity can be scaled by means of internal interconnection. Furthermore, the function, whether as a controllable switch or as a diode, can be determined. It is also possible to select with which properties the function-determining element is selected, without having to take account of their blocking capacity.
Die Sperrfähigkeit wird zum Beispiel mittels in Reiheschalten einer Anzahl von selbstleitenden FETs oder HEMTs (beispielweise Tsi bis Ts3 in Fig. 1) aus LHL-Werkstoffen realisiert. Hierzu können kleine Chips benutzt werden, die mit hoher Ausbeute gefertigt werden können, oder sogar solche, deren einzelne Sperrspannung für die Verwendung als alleiniger LHL nicht reichen würde,, da sie unterhalb der jeweiligen Spezifikation bliebe. Da hier die selbstleitende Eigenschaft von HEMTs nicht stört, sondern sogar vorteilhaft ist, bedarf es bei einem solchen Beispiel auch keiner zusätzlichen Prozessschritte bei deren Herstellung, um eine selbstsperrende Eigenschaft zu bewirken. Die Stromtragfähigkeit wird zum Beispiel mittels Parallelschalten einer Anzahl von Super- kaskoden erreicht. Die Skalierbarkeit hinsichtlich Spannung und Strom kann so mit denselben Chips erreicht werden. The blocking capability is realized, for example, by means of series connection of a number of self-conducting FETs or HEMTs (for example Tsi to Ts 3 in FIG. 1) of LHL materials. For this purpose, small chips can be used, which can be manufactured with high yield, or even those whose individual reverse voltage for use as the sole LHL not would be enough, because they would stay below the respective specification. Since here the self-conducting property of HEMTs does not bother, but is even advantageous, in such an example, no additional process steps in their preparation required to effect a self-locking property. The current carrying capacity is achieved, for example, by means of parallel connection of a number of super cascodes. The scalability in terms of voltage and current can be achieved with the same chips.
Dies alles kann beispielsweise mit ein und demselben Gehäusetyp verwirklicht werden, was die Fertigungskosten und die Kosten für Test und Qualifizierung dieses Gehäusetyps reduziert. Ebenso ergeben sich für den Anwender weniger Varianten, was auch für ihn den Konstruktionsaufwand reduziert. Vorteile können wie folgt bestehen: Bestimmen der Funktion mittels Auswahl der funktionsbestimmenden Chips; Bestimmen der Sperrfähigkeit durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Chips; und Bestimmen der Stromtragfähigkeit durch die Anzahl der parallelen Zweige realisiert. For example, all of this can be accomplished with the same package type, which reduces the manufacturing cost and cost of testing and qualifying this package type. Likewise, there are fewer variants for the user, which also reduces the design effort for him. Advantages may consist of: determining the function by selecting the function determining chips; Determining the blocking capability by the number of chips connected in series; and determining the current carrying capacity realized by the number of parallel branches.
Wahlweise können nicht benötigte Anschlüsse weggelassen werden, parallel geschaltet und / oder nicht angeschlossen werden (in der Chiptechnik als sog. „NC"-Anschlüsse für„not connected" bezeichnet). So benötigt eine Diodenkaskode keine Steueranschlüsse (vgl. An- schluss G in Fig. 1), wenn jedoch als funktionsbestimmender Chip ein Sense-FET benutzt wird (oben Mitte in Fig. 2), muss ein weiterer Source-Anschluss herausgeführt werden, der ansonsten nicht benötigt wird. Optionally, unused ports may be omitted, connected in parallel, and / or not connected (referred to in chip technology as so-called "NC" ports for "not connected"). Thus, a diode cascode does not require any control connections (see connection G in FIG. 1), but if a sense FET is used as the function-determining chip (top center in FIG. 2), a further source connection must be led out, otherwise is not needed.
Werden die spannungsbestimmenden LHL, Ts2 und Ts3 in Fig. 1, mit ihren jeweils zugehöri- gen kleinen Bauelemente zur Spannungssymmetrierung, zum Beispiel die Avalanche-Dioden DZ2 und DZ3 in Fig. 1 (alternativ beispielsweise RC-Glieder oder eine geeignete Elektronik), in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, ist eine gute thermische Kopplung zwischen den Bauelementen möglich, womit die Spannungsteuerung dem temperaturabhängigen Sperrvermögen angepasst werden kann. Zum Beispiel, können Dz2 und Dz3 in Fig. 1 so gewählt werden, dass die Temperaturabhängigkeit ihrer Durchbruchspannung jener der Sperrspannung der spannungsbestimmenden LHL entspricht und durch die räumlich nahe Anordnung auf der Keramik auf der gleichen Temperatur wie Tsi bis Ts3 in Fig. lgehalten werden. Ebenso können Widerstände oder Kapazitäten mit in das gemeinsame Modulgehäuse eingebaut werden, die für das statische oder dynamische Verhalten vorteilhaft sind. If the voltage-determining LHL, Ts 2 and Ts 3 in Fig. 1, with their respective small components for voltage balancing, for example, the avalanche diodes D Z2 and D Z3 in Fig. 1 (alternatively, for example, RC members or a suitable Electronics), housed in a common housing, a good thermal coupling between the components is possible, so that the voltage control can be adapted to the temperature-dependent blocking capability. For example, Dz 2 and Dz 3 in FIG. 1 may be chosen such that the temperature dependence of their breakdown voltage corresponds to that of the reverse voltage of the voltage-determining LHL and by the spatially close arrangement on the ceramic at the same temperature as Tsi to Ts 3 in FIG. be held. Similarly, resistors or capacitors can be incorporated into the common module housing, which are advantageous for the static or dynamic behavior.
Da der oberste HEMT, in Fig. 1 TS3, den Rest der Sperrspannung aufnehmen muss, der nicht durch die unteren aufgenommen wird, ergäbe sich aus dieser Kompensation der Temperaturabhängigkeit eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Superkaskode da die ohnehin bei der Auslegung übliche Spannungsreserve besser ausgenutzt würde. Since the uppermost HEMT, in Fig. 1 T S 3, must absorb the rest of the reverse voltage, which is not absorbed by the lower, would result from this compensation of the temperature dependence an increase in the reliability of the supercaskode because the already usual in the design voltage reserve better would be exploited.
Es kann als funktionsbestimmender LHL zum Beispiel ein MOSFET gewählt werden. Da dieser nur eine geringe Sperrfähigkeit (ca. 20V) in der Größenordnung der zum sicheren Sperren der spannungsbestimmenden LHL erforderlichen Steuerspannung benötigt, kann hierfür aus einer großen Zahl verfügbarer Chips ausgewählt werden. Neben den üblichen Si- MOSFETs können solche mit geringer Steuerspannung, sogenannte logic-level MOSFETs, oder solche mit zusätzlichem Sense-Source zur Strommessung zum Einsatz kommen, soge- nannte Sense-FETs. It can be chosen as a function-determining LHL, for example, a MOSFET. Since this requires only a small blocking capability (approximately 20V) on the order of the control voltage required for safely blocking the voltage-determining LHL, a large number of available chips can be selected for this purpose. In addition to the usual Si MOSFETs, those with low control voltage, so-called logic-level MOSFETs, or those with additional sense source for current measurement can be used, so-called sense FETs.
Bei dem funktionsbestimmenden Chip (TF in Fig. 1) kann zwischen steuerbaren LHL, wie gewöhnlichen Si-MOSFETs, Logi c-Level-MO SFET s, Si-MOSFETs mit Sense-Anschluss oder anderen, sowie nicht steuerbaren LHL unterschieden werden, also Dioden wie zum Bei- spiel pin-Dioden, Schottky-Dioden aus Si, SiC (vgl. Kneifel, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 9, Nr. 273, VDI- Verlag Düsseldorf 1998). Eine SiC-Schottky-Diode, MPS-Dioden, soft- recovery -Dioden oder andere, zum Beispiel diskret parallel geschaltete Dioden, können gewählt werden. Auch Thyristoren können als funktionsbestimmender LHL benutzt werden. Hierbei kann es sich auch um lichtgesteuerte Thyristoren handeln. Bei dieser Variante wäre die Lösung als Scheibenzelle vorteilhaft (vgl. Fig. 5). In the function determining chip (T F in Fig. 1) can be distinguished between controllable LHL, such as ordinary Si-MOSFETs, Logi c-level MO SFET s, Si MOSFETs with sense connection or other, as well as non-controllable LHL, ie Diodes such as pin diodes, Schottky diodes made of Si, SiC (see Kneifel, Progress Reports VDI, Series 9, No. 273, VDI Verlag Dusseldorf 1998). A SiC Schottky diode, MPS diodes, soft-recovery diodes or other diodes, for example, discretely connected in parallel, can be selected. Thyristors can also be used as a function-determining LHL. These may also be light-controlled thyristors. In this variant, the solution would be advantageous as a disk cell (see Fig. 5).
Auch die Kombination eines IGBTs oder Abschaltthyristors, GTO (Gate-Turn-Off Thyristor) oder IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) als funktionsbestimmender Chip in einer Kaskode oder Superkaskode zur Erhöhung der Sperrspannung kann sinnvoll sein (in Fig. 2 nicht dargestellt). Diese LHL gibt es zwar mit hoher Sperrspannung. Da aber bei der Superkaskode der funktionsbestimmende Chip nur eine geringe Sperrspannung benötigt, kann er mit Hinblick auf besseres Schaltverhalten oder geringeren Durchlasswiderstand optimiert werden oder auf noch nicht erreichte Sperrspannungen erweitert werden. Derselbe Gedanke gilt auch für alle anderen steuerbaren LHL-Typen. The combination of an IGBT or turn-off thyristor, GTO (Gate Turn-Off Thyristor) or IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) as a function-determining chip in a cascode or super-cascode to increase the blocking voltage may be useful (not shown in Fig. 2). This LHL is indeed available with high blocking voltage. However, since in the supercaskode the function-determining chip requires only a low blocking voltage, it can be optimized with regard to better switching behavior or lower on-resistance be extended or not yet reached blocking voltages. The same idea applies to all other controllable LHL types.
Als funktionsbestimmender Chip kann alternativ eine Parallel- oder eine Antiparallelschal- tung zweier Chips, zum Beispiel zweier Dioden unterschiedlichen Abschaltverhaltens oder eines steuerbaren und eines nicht steuerbaren Chips (zum Beispiel einem IGBT und einer Diode oder Freilaufdiode), vorgesehen werden. Alternatively, parallel or antiparallel switching of two chips, for example two diodes of different turn-off behavior or one controllable chip and one non-controllable chip (for example an IGBT and a diode or freewheeling diode) may be provided as the function-determining chip.
Da die Funktion von der Spannungsfestigkeit unabhängig gewählt werden kann, können als funktionsbestimmende LHL auch Si-Schottky-Dioden benutzt werden, die bislang nur bis etwa 250V Sperrspannung verfügbar sind. Ebenso können diskrete Parallelschaltungen (Hy- riddioden) von pn- oder pin-Dioden mit Schottky-Dioden benutzt werden (vgl. Fig. 2 unten rechts). Deren Parallelschaltung auf einem Chip, sogenannte MPS-Diode (merged-pin- Schottky-Diode), kann ebenso benutzt werden. Hierdurch kann die Funktionalität eines Chips von seiner Spannungsfestigkeit unabhängig gewählt werden, da letztere durch die Verschattung auf das gewünschte Maß angehoben werden kann. Dadurch sind zum Beispiel Logic-level-Sense-MOSFET-Superkaskoden oder MPS-Dioden-Superkaskoden möglich. Da der funktionsbestimmende LHL auch nur eine geringe Sperrspannung aufnimmt, ist sein Spannungshub beim Schalten gering, weshalb der sonst störende Miller-Effekt, der die Eingangskapazität erheblich vergrößern kann, reduziert wird. Since the function can be chosen independently of the withstand voltage, Si-Schottky diodes, which until now have been available only up to about 250V blocking voltage, can be used as a function-determining LHL. Similarly, discrete parallel circuits (hybrid diodes) of pn or pin diodes with Schottky diodes can be used (see Fig. 2 bottom right). Their parallel connection on a chip, so-called MPS diode (merged-pin Schottky diode), can also be used. In this way, the functionality of a chip can be selected independently of its dielectric strength, since the latter can be increased by the shading to the desired level. As a result, for example, logic level sense MOSFET supercascodes or MPS diode supercascodes are possible. Since the function-determining LHL also absorbs only a small reverse voltage, its voltage swing when switching is low, which is why the otherwise disturbing Miller effect, which can increase the input capacitance considerably, is reduced.
Es kann ein LHL-Bauelement in einer Scheibenzelle vorgesehen sein. Die spannungsbestimmenden selbstleitenden FETs oder HEMTs (Tsi bis Ts3 in Fig. 1) können mit ihren zur Span- nungssymmetrierung dienenden Halbleitern, zum Beispiel den Avalanche-Dioden DZ2 und DZ3 in Fig. 1, in einer gemeinsamen Scheibenzelle untergebracht sein. It may be provided in a disc cell, an LHL device. The voltage-determining self-conducting FETs or HEMTs (Tsi to Ts 3 in FIG. 1) can be accommodated with their voltage balancing semiconductors, for example the avalanche diodes D Z2 and D Z3 in FIG. 1, in a common disk cell.
Bei diesem Gehäusetyp entsteht bei der Montage mehrerer Scheibenzellen in einem gemeinsamen Spannverband von allein eine Reihenschaltung. Bei dieser Ausführungsvariante ent- steht die Skalierbarkeit hinsichtlich der Spannung über die Anzahl der gestapelten und damit in Reihe geschalteten Scheibenzellen, wobei nur der funktionsbestimmende LHL (TF in Fig. 5) eine Ansteuerung benötigt. Bei Nutzung einer Diodenkaskode ist gar keine Ansteuerung nötig. With this type of housing, the assembly of several disc cells in a common clamping bandage results in a series connection alone. In this embodiment variant, the scalability with regard to the voltage arises over the number of stacked disk cells which are thus connected in series, with only the function-determining LHL (T F in FIG. 5) requires a drive. When using a diode cascode, no activation is necessary.
Diese alternative Ausführung eignet sich besonders für Hochspannungsanwendungen, zum Beispiel Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ), da die Ausführung als Spann- verband dort üblich ist und sonst ein deutlicher Mehraufwand für die potentialgetrennte Ansteuerung jeder einzelnen Stufe nötig ist. Diese Variante kann mit einer Diode oder mit einem Steuerbaren LHL, zum Beispiel einem Thyristor, auch lichtgesteuert (vgl. Fig. 2 oben rechts), einem IGBT oder auch einem Abschaltthyristor, als funktionsbestimmender LHL realisiert werden. Die Skalierbarkeit hinsichtlich des Stromes kann, falls hierbei erforderlich, über die Parallelschaltung mehrerer Spannverbände erreicht werden. Für den funktionsbestimmenden LHL in der Kaskode oder der Superkaskode gelten die obigen Betrachtungen entsprechend. This alternative version is particularly suitable for high-voltage applications, such as high-voltage direct current (HVDC) transmissions, because the design as a power supply is common there and otherwise a significant additional effort is required for the isolated control of each individual stage. This variant can be implemented as a function-determining LHL with a diode or with a controllable LHL, for example a thyristor, also light-controlled (see FIG. 2, top right), an IGBT or a turn-off thyristor. The scalability in terms of the current can, if required, be achieved via the parallel connection of several clamping assemblies. For the function-determining LHL in the cascode or the super-cascode, the above considerations apply accordingly.
In Fig. 5 ist eine externe Verbindung 50 dargestellt, die entfallen kann, wenn für den untersten spannungsbestimmenden LHL eine andere Gehäuseausführung gewählt wird. Die dargestellte Gehäuseausführung bietet Kostenvorteile, da sie ohne diese Variante auskommt und nur eine zusätzliche Verbindung einer Steuerleitung erfordert. Werden die Steueranschlüsse, wie bei Scheibenzellen üblich, seitlich herausgeführt, ist diese Ausführung kompatibel mit den üblichen Scheibenzellen, womit der die Funktionalität der durch den Spannverband realisierten Superkaskode bestimmende unterste LHL (Tp in Fig. 5) aus einem breiten Angebot bestehen- der LHL gewählt werden kann. Werden die Steueranschlüsse zusätzlich zu den Hauptanschlüssen auf der Ober- und Unterseite der einzelnen Scheibenzellen herausgeführt, zum Beispiel in der Mitte, wo derzeit eine Zentrierbohrung üblich ist, entsteht deren Verbindung beim Stapeln von selbst (Fig. 8). Es müsste jedoch auch für TF eine Ausführung in diesem besonderen Gehäuse benutzt werden. In Fig. 5, an external connection 50 is shown, which may be omitted if a different housing design is selected for the lowest voltage-determining LHL. The housing design shown offers cost advantages, since it does not require this variant and only requires an additional connection of a control line. If the control connections are routed out laterally, as is the case with disk cells, this embodiment is compatible with the usual disk cells, whereby the lowest LHL (Tp in FIG. 5) determining the functionality of the super-cascode realized by the tensioning system is selected from a wide range of existing LHLs can be. If the control connections in addition to the main connections on the top and bottom of the individual disc cells led out, for example in the middle, where currently a center hole is common, their connection arises when stacking by itself (Fig. 8). However, it would have to be used for TF a version in this particular case.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Kühldose 60 von oben und im Schnitt. Schlauchanschlüsse 61, 62 stehen mit Kühlfluidkanälen 63, 64 in Verbindung. Durch die Kühldose 60 hindurch ist eine Durchkontaktierung 65 hergestellt, die von einer elektrischen Isolierung 66 umgeben ist. Beim Einsatz der Kühldose 60 in einem Stapel, was schematisch unten in Fig. 8 gezeigt ist, kann so ein Steueranschluss durch die Kühldose 60 hindurch geführt werden. Fig. 7 zeigt eine Schematische Darstellung eines Stapels mit Kühldosen 70, 71, die der Ausgestaltung in Fig. 6 entsprechend ausgeführt sein können und zwischen Scheibenzellen 72, 73, 74 angeordnet sind, derart, dass Steueranschlüsse 76, 77 sowie Hauptanschlüsse 78, 79 jeweils durch die Kühldosen 70, 71 hindurchgeführt sind. Die Steueranschlüsse 76, 77 sind elektrisch isoliert durchverbunden. Die Scheibenzelle 74 ist mit einem funktionsbestimmen- den Halbleiter gebildet. Die weiteren Scheibenzellen 72, 73 weisen parallel geschaltete spannungsbestimmende Leistungshalbleiter auf. Fig. 6 shows a schematic representation of a cooling box 60 from above and in section. Hose connections 61, 62 communicate with cooling fluid passages 63, 64. Through the cooling can 60 through a through-connection 65 is made, which is surrounded by an electrical insulation 66. When using the cooling box 60 in a stack, which is schematically shown below in Fig. 8, so a control terminal can be passed through the cooling box 60 therethrough. Fig. 7 shows a schematic representation of a stack with cooling boxes 70, 71, which may be designed according to the embodiment in Fig. 6 and between disc cells 72, 73, 74 are arranged such that control terminals 76, 77 and main terminals 78, 79 respectively through the cooling boxes 70, 71 are passed. The control terminals 76, 77 are electrically isolated connected. The disk cell 74 is formed with a function-determining semiconductor. The further disc cells 72, 73 have parallel-connected voltage-determining power semiconductors.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem als Gehäuse alternativ eine Scheibenzelle 80 gebildet ist, bei der im Inneren die Kaskode oder die Superkaskode mittels Stapeln einer An- zahl von Chips oder Wafern 81 realisiert ist, ggf mit leitenden Zwischenlagen 82 (vgl. Fig. 8). Anstelle der leitenden Zwischenlagen 82 kann auch eine Lötverbindung oder eine Kontaktie- rung mittels Sintern mit Metallpulver, zum Beispiel Silberpulver, als sogenannte Niedertemperatur-Verbindungstechnik ausgeführt werden. Hierbei wird die Scheibenzelle hinsichtlich ihrer Sperrspannung dadurch skaliert, dass es mit einem oder mehreren spannungsbestimmenden LHL 83.1, 83.2, 83.3 gestapelt und dann in einem Gehäuse verbaut wird. Diese sind auf den funktionsbestimmenden LHL 84 gestapelt. Es ist ein Steueranschluss 85 vorgesehen. Wenn die zusätzlich benutzten spannungsbestimmenden Chips oder Wafer (LHLs) die span- nungs-symmetrierenden Elemente (vgl. Schaltbild nach Fig. 1) bereits enthalten und deren Kontakte auf der Chip- bzw. Waferoberfläche so angeordnet sind, dass sich beim Stapeln von selbst deren Kontaktierung ergibt, entsteht eine für die Fertigung besonders vorteilhafte Ausführung. Diese Anordnung kann beispielsweise in Form konzentrischer Ringe oder eines Mit- telkontaktes ausgeführt sein. Sollte die Anzahl der zusätzlich gestapelten spannungsbestimmenden Chips oder Wafer die Gehäusedicke ansteigen lassen, kann dafür eine entsprechend dickere (Maß s in Fig. 8) Scheibenzelle benutzt werden. Eine Skalierbarkeit hinsichtlich der Stromtragfähigkeit ist mittels Parallelschaltung von mehreren Scheibenzellen möglich. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein. 8 shows an exemplary embodiment in which a disc cell 80 is alternatively formed as the housing, in which the cascode or the supercaskode is implemented inside by means of stacking a number of chips or wafers 81, if necessary with conductive intermediate layers 82 (cf. . 8th). Instead of the conductive intermediate layers 82, a solder connection or a contacting can be carried out by means of sintering with metal powder, for example silver powder, as so-called low-temperature connection technology. In this case, the disk cell is scaled in terms of their blocking voltage by stacking it with one or more voltage-determining LHL 83.1, 83.2, 83.3 and then installing it in a housing. These are stacked on the function determining LHL 84. It is a control terminal 85 is provided. If the additionally used voltage-determining chips or wafers (LHLs) already contain the voltage-symmetrizing elements (see circuit diagram according to FIG. 1) and their contacts are arranged on the chip or wafer surface in such a way that when stacking itself Contacting results in a particularly advantageous for manufacturing execution. This arrangement can be designed, for example, in the form of concentric rings or a center contact. Should the number of additionally stacked voltage-determining chips or wafers increase the housing thickness, a correspondingly thicker (dimension s in FIG. 8) disk cell can be used for this purpose. Scalability in terms of current carrying capacity is possible by means of parallel connection of several disc cells. The features disclosed in the above description, the claims and the drawings may be important both individually and in any combination for the realization of the various embodiments.

Claims

Ansprüche Expectations
Anordnung für ein leistungselektronisches Bauelement, mit: Arrangement for a power electronic component, with:
- einem Gehäuse und - a housing and
- einer Leistungshalbleiter-Schaltung, die mit Leistungshalbleitern in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei mit den Leistungshalbleitern zwischen Schaltungsanschlüssen (2, - a power semiconductor circuit which is arranged with power semiconductors in the housing, with the power semiconductors between circuit connections (2,
3) der Leistungshalbleiter-Schaltung parallel geschaltete Reihenschaltungen (1.1, 1.4) gebildet und hierdurch für die Leistungshalbleiter-Schaltung folgende Schaltungsparameter skaliert sind: 3) series circuits (1.1, 1.4) connected in parallel with the power semiconductor circuit are formed and the following circuit parameters are thereby scaled for the power semiconductor circuit:
- eine Betriebsfunktion mittels eines jeweiligen funktionsbestimmenden Leistungshalbleiters in den parallel geschalteten Reihenschaltungen (1.1, ... , 1.4), - an operating function by means of a respective function-determining power semiconductor in the parallel-connected series circuits (1.1, ..., 1.4),
- eine Spannungsfestigkeit mittels wenigstens eines jeweiligen spannungsbestimmenden Leistungshalbleiters in den parallel geschalteten Reihenschaltungen (1.1, 1.4), welcher in der jeweiligen Reihenschaltungen mit dem funktionsbestimmenden Leistungs- halbleiter in Reihe geschaltet ist, und - a dielectric strength by means of at least one respective voltage-determining power semiconductor in the parallel-connected series circuits (1.1, 1.4), which is connected in series with the function-determining power semiconductor in the respective series circuits, and
- eine Stromfestigkeit mittels der Anzahl der parallel geschalteten Reihenschaltungen (1.1, ... , 1.4). - a current strength based on the number of series connections connected in parallel (1.1, ..., 1.4).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n et, dass ein Modulgehäuse gebildet ist, bei dem die Leistungshalbleiter-Schaltung auf einem Isoliersubstrat angeordnet sind, welches an dem Gehäuse innenseitig angeordnet ist. Arrangement according to claim 1, characterized in that a module housing is formed, in which the power semiconductor circuit is arranged on an insulating substrate, which is arranged on the inside of the housing.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n et, dass eine Scheibenzelle gebildet ist, die eine Scheibenanordnung aufweist, bei der in einem jeweiligen Stapel zumindest eines Teils der parallel geschalteten Reihenschaltungen (1.1, 1.4) eine Waferscheibe mit dem funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter und eine weitere Waferscheibe mit dem spannungsbestimmenden Leistungshalbleiter gestapelt und Anschlüsse der Waferscheibe mit Anschlüssen der weiteren Waferscheibe verbunden sind. Arrangement according to claim 1, characterized in that a disk cell is formed which has a disk arrangement in which a wafer disk with the function-determining power semiconductor and a further wafer disk with the voltage-determining power semiconductors are stacked and connections of the wafer disk are connected to connections of the other wafer disk.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Waferscheibe und der weiteren Waferscheibe eine elektrisch leitende Zwischenschicht angeordnet ist. 4. Arrangement according to claim 3, characterized in that an electrically conductive intermediate layer is arranged between the wafer disk and the further wafer disk.
5. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Leistungshalbleitern in den parallel geschalteten Reihenschaltungen (1.1, 1.4) jeweils ein spannungs-symmetrierendes Schaltungselement gebildet ist. 5. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that a voltage-balancing circuit element is formed with the power semiconductors in the parallel-connected series circuits (1.1, 1.4).
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das spannungs-symme- trierende Schaltungselement mit dem spannungsbestimmenden Leistungshalbleiter in der weiteren Waferscheibe angeordnet ist. 6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the voltage-balancing circuit element with the voltage-determining power semiconductor is arranged in the further wafer disk.
7. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Reihenschaltungen (1.1, ... , 1.4) jeweils mehrere spannungsbestimmende und zueinander in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter aufweisen, welche mit dem funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet sind. 7. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the parallel-connected series circuits (1.1, ..., 1.4) each have a plurality of voltage-determining and series-connected power semiconductors, which are connected in series with the function-determining power semiconductor.
8. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiter aus einem Halbleitermaterial aus der folgenden Gruppe von Halbleitermaterialien bestehen: Silizium, Silizium-Carbid, Gallium-Nitrid, Gallium- Arsenid, Gallium-Oxid, Diamant und Aluminium-Nitrid. 8. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the power semiconductors consist of a semiconductor material from the following group of semiconductor materials: silicon, silicon carbide, gallium nitride, gallium arsenide, gallium oxide, diamond and aluminum nitride .
9. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter einen oder mehrere steuerbare Leistungshalbleiter aufweisen. 9. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the function-determining power semiconductors have one or more controllable power semiconductors.
10. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionsbestimmenden Leistungshalbleiter einen oder mehrere nicht steuerbare Leistungshalbleiter aufweisen. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, soweit auf Anspruch 3 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Scheibenzellen gestapelt sind und zwischen benachbarten Scheibenzellen eine Kühl dose (70; 71) angeordnet ist, bei derein Hauptanschluss und ein gegen den Hauptanschluss elektrisch isolierter Steueranschluss zu gegenüberlegenden Flachseiten der Kühl dose (70; 71) herausgeführt sind. 10. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the function-determining power semiconductors have one or more non-controllable power semiconductors. Arrangement according to at least one of the preceding claims, as far as referred to claim 3, characterized in that a plurality of disk cells are stacked and a cooling box (70; 71) is arranged between adjacent disk cells, in which a main connection and a control connection which is electrically insulated from the main connection are to be placed opposite one another Flat sides of the cool box (70; 71) are led out.
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