电子装置

阅读:721发布:2020-05-15

专利汇可以提供电子装置专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且提出一种电 力 电子 装置(1),包括: 半导体 开关 结构(2),其中 半导体开关 结构(2)在正向导通状态下的稳态 电流 承载能力 被表征为标称电流(Inom),并且其中在正向导通状态下在正向电流模式下传导正向电流(I1)的至少一部分; 二极管 结构(3),被反并联地电连接于半导体开关结构(2),在电力电子装置(1)的反向模式下传导反向电流的至少一部分;以及反向导通结构(4)。在电力电子装置(1)的反向模式下,如果反向电流(I2)的量等于或者小于第一临界反向电流值(IRC1),则反向导通结构(4)传导少于10%的反向电流(I2)。如果反向电流(I2)的量等于或者大于第二临界反向电流值(IRC2),则反向导通结构(4)传导至少20%的反向电流(I2)。,下面是电子装置专利的具体信息内容。

1.一种电电子装置(1),被配置用于在所述电力电子装置(1)的正向模式下传导正向电流(I1)并且用于在所述电力电子装置(1)的反向模式下传导反向电流(I2),所述电力电子装置(1)包括:
半导体开关结构(2),其被配置用于承担正向导通状态,其中在正向导通状态下所述半导体开关结构(2)的稳态电流承载能力被表征为标称电流(Inom),并且其中在正向导通状态下所述半导体开关结构(2)被配置用于在所述电力电子装置(1)的正向电流模式下传导正向电流(I1)的至少一部分;
二极管结构(3),其被反并联地电连接于所述半导体开关结构(2)并且被配置用于在所述电力电子装置(1)的反向模式下传导反向电流(I2)的至少一部分;以及- 反向导通结构(4),其与所述半导体开关结构(2)单片地集成;
其中,在所述电力电子装置(1)的反向模式下,如果反向电流(I2)的量小于或者等于第一临界反向电流值(IRC1),则所述反向导通结构(4)传导少于10%的反向电流(I2),所述第一临界反向电流值(IRC1)至少接近于标称电流(Inom),以及
其中如果反向电流(I2)的量大于或者等于第二临界反向电流值(IRC2),则所述反向导通结构(4)传导至少20%的反向电流(I2),所述第二临界反向电流值(IRC2)接近于至多十倍的标称电流(Inom)。
2.如权利要求1所述的电力电子装置(1),其中第一临界反向电流值(IRC1)接近于至少两倍的标称电流(Inom)。
3.如前述权利要求中的一个所述的电力电子装置(1),其中反向导通结构(4)包括被反并联地电连接于半导体开关结构(2)的晶闸管结构(40)。
4.如权利要求3所述的电力电子设备(1),其中晶闸管结构(40)的正向转折电压(Vfwbr)低于二极管结构(3)在临界二极管电流值(Id0)下的二极管导通状态电压(Vd0),其中所述临界二极管电流值(Id0)接近于至多五倍的标称电流(Inom)。
5.如前述权利要求中的一个所述的电力电子装置(1),其中半导体开关结构(2)是IGBT(20)或者包括IGBT(20)。
6.如权利要求5以及权利要求3和权利要求4中的一个所述的电力电子装置(1),其中半导体开关结构(2)以及晶闸管结构(40)被单片地集成在功率半导体器件(5)中,所述功率半导体器件(5)包括:
- 半导体本体(10),其具有耦合到第一负载端子结构(11)的前侧(10-1)和耦合到第二负载端子结构(12)的背侧(10-2)并且被配置用于传导在第一负载端子结构(11)和第二负载端子结构(12)之间的正向电流(I1)的至少一部分,以及
- 多个IGBT控制单元(14),其被布置在所述前侧(10-1),与所述第一负载端子结构(11)相接触并且被至少部分地包括在所述半导体本体(10)中;
其中所述半导体本体(10)包括:
- 第一导电类型的漂移区(100),其被布置成与所述IGBT控制单元(14)相接触;
- 与第一导电类型互补的第二导电类型的背侧发射极区(102),所述背侧发射极区(102)被布置在所述背侧(10-2)处,与所述第二负载端子结构(12)相接触;以及- 第一导电类型的至少一个晶闸管发射极区(106),被布置在所述背侧(10-2)处,与所述第二负载端子结构(12)相接触并且通过第二导电类型的半导体区与漂移区(100)隔离。
7.如权利要求6所述的电力电子装置,其中晶闸管发射极区(106)的横向延伸(Lx)限定半导体器件(5)的晶闸管区,并且其中IGBT控制单元(14)中的一个或多个被布置在所述晶闸管区内部。
8.如权利要求6或者权利要求7所述的电力电子装置(1),其中晶闸管发射极区(106)的横向延伸(Lx)等于或者小于半导体本体(10)的竖向延伸(Lz)的两倍。
9.如权利要求6至权利要求8中的一个所述的电力电子装置(1),其中半导体本体(10)包括多个这样的晶闸管发射极区(106),其被分布在半导体本体(10)的横向延伸上。
10.一种电力电子装置(1),被配置用于在所述电力电子装置(1)的正向模式下传导正向电流(I1)并且被配置用于在所述电力电子装置(1)的反向模式下传导反向电流(I2),所述电力电子装置(1)包括:
- 半导体开关结构(2),其被配置用于承担正向导通状态,其中在正向导通状态下所述半导体开关结构(2)的稳态电流承载能力被表征为标称电流(Inom),并且其中在正向导通状态下所述半导体开关结构(2)被配置用于在所述电力电子装置(1)的正向电流模式下传导正向电流(I1)的至少一部分;
- 二极管结构(3),其被反并联地电连接于所述半导体开关结构(2)并且被配置用于在所述电力电子装置(1)的反向模式下传导反向电流(I2)的至少一部分;以及- 晶闸管结构(40),其被反并联地电连接于所述半导体开关结构(2),其中所述晶闸管结构(40)的正向转折电压(Vfwbr)低于所述二极管结构(3)在临界二极管电流值(Id0)下的二极管导通状态电压(Vd0),其中所述临界二极管电流值(Id0)接近于至多五倍的标称电流(Inom)。
11.如权利要求10所述的电力电子装置,其中正向转折电压(Vfwbr)等于或者小于10V。
12.如权利要求10或者权利要求11所述的电力电子装置,其中正向转折电压(Vfwbr)接近于至少3V。
13.如权利要求10至权利要求12中的一个所述的电力电子装置,其中在所述电力电子装置(1)的反向模式下,
如果反向电流(I2)的量等于或者小于第一临界反向电流值(IRC1),则晶闸管结构(40)传导少于10%的反向电流(I2),以及
其中所述第一临界反向电流值(IRC1)接近于至少两倍的标称电流(Inom)。
14.如权利要求10至权利要求13中的一个所述的电力电子装置(1),其中,在电力电子装置(1)的反向模式下,
如果反向电流(I2)的量等于或者大于第二临界反向电流值(IRC2),则晶闸管结构(40)传导至少20%的反向电流(I2),以及
其中所述第二临界反向电流值(IRC2)接近于至多10倍的标称电流(Inom)。
15.如权利要求10至权利要求14中的一个所述的电力电子装置(1),其中二极管结构(3)与半导体开关结构(2)单片地集成。
16.如权利要求15所述的电力电子装置(1),其中半导体开关结构(2)包括MOSFET,并且其中MOSFET的体二极管形成二极管结构(3)的至少一部分。
17.如权利要求16所述的电力电子装置,其中MOSFET是MOSFET。
18.如权利要求3至权利要求17中的一个所述的电力电子装置(1),其中晶闸管结构(40)的维持电压(Vh)高于二极管结构(3)在标称电流(Inom)下的二极管正向电压(Vdnom)。
19.如权利要求3至权利要求18中的一个所述的电力电子装置(1),其中,在电力电子装置(1)的反向模式下,二极管结构(3)被配置用于在等于晶闸管结构(40)的维持电压(Vh)的电压下在标称电流(Inom)和四倍的标称电流(Inom)之间进行传导。
20.如权利要求3至权利要求19中的一个所述的电力电子装置(1),其中晶闸管结构(40)的反向阻断电压高于晶闸管结构(40)的正向转折电压(Vfwbr)。
21.如权利要求3至权利要求20中的一个所述的电力电子装置(1),其中晶闸管结构(40)的反向阻断电压接近于二极管结构(3)的击穿电压的至少90%。
22.如前述权利要求中的一个所述的电力电子装置(1),其中二极管结构(3)是碳化硅二极管或者包括碳化硅二极管。
23.如权利要求3至权利要求22中的一个所述的电力电子装置(1),其中晶闸管结构(40)具有与二极管结构(3)相比更小的热电阻
24.如权利要求3至权利要求23中的一个所述的电力电子装置(1),其中晶闸管结构(40)具有与二极管结构(3)相比更大的热容量。
25.如权利要求3至权利要求24中的一个所述的电力电子装置(1),其中晶闸管结构(40)的有源区至少与二极管结构(3)的有源区一样大。
26.如前述权利要求中的一个所述的电力电子装置(1),其中反向导通结构(4)包括齐纳二极管
27.如前述权利要求中的一个所述的电力电子装置(1),其中半导体开关结构(2)包括半导体本体(10),所述半导体本体(10)包括被配置用于在所述半导体开关结构(2)的正向阻断状态下阻断所述半导体开关结构(2)的正向阻断电压的pn结(103),所述半导体本体(10)被由管壳包围;
其中所述半导体开关结构(2)具有结-管壳热电阻Rthjc,其表征在所述pn结(103)和所述管壳之间的稳态热传输能力;
其中所述半导体开关结构(2)被配置用于在所述pn结(103)的最大结温度Tjmax和所述管壳的最大工作管壳温度Tc下在正向导通状态下持续地工作;
其中所述半导体开关结构(2)在最大结温度Tjmax下在正向导通状态下的工作被由开关结构导通状态电压Von表征;
并且其中标称电流Inom满足以下等式:

28.如权利要求27所述的电力电子装置(1),其中在最大结温度Tjmax和最大工作管壳温度Tc之间的差为至少50K。
29.一种电力电子模,包括多个根据前述权利要求中的一个所述的电力电子装置(1),其中二极管结构(3)的有源区的总和在半导体开关结构(2)的有源区的总和的从10%至
60%的范围中。

说明书全文

电子装置

技术领域

[0001] 本说明书涉及电力电子装置的实施例并且涉及包括多个这样的电力电子装置的电力电子模的实施例。特别是,本说明书与包括半导体开关二极管结构、以及反向导通结构的电力电子装置的实施例相关,并且与包括多个这样的电力电子装置的电力电子模块
的实施例相关。

背景技术

[0002] 在汽车应用、消费者应用以及工业应用中的现代设备的许多功能,诸如转换电能和驱动电达或者电机器,依赖于包括半导体器件的电力电子装置。例如,包括举几个来说的绝缘栅双极晶体管(IGBT)、晶闸管、金属化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和二极管的电力电子装置已经被用于各种应用,包括但是不限制于在功率驱动、电源和功率转换器
中的开关。
[0003] 经常地,这样的电力电子装置包括例如IGBT的半导体开关以及与其反并联地连接的二极管,其中二极管可以起到例如续流二极管的作用。这样的电力电子装置可以在正向
模式下工作,其中半导体开关传导正向电流的至少一部分,并且在反向模式下,其中二极管传导反向电流的至少一部分。
[0004] 在诸如例如故障检测之后的开关的脉冲阻断模式的某些工作状况下,负载电流不得不流过二极管,要求二极管的相对高的浪涌电流容量。例如,可以通过提供相对大的二极管有源区来确保足够的浪涌电流容量。然而,这一般是以较高的开关损耗为代价的。
[0005] 在例如高压直流(HVDC)应用的某些应用中,诸如晶闸管的额外的器件有时候被提供用于浪涌电流事件。虽然该解决方案可以允许二极管的在没有浪涌电流限制的情况下的完全优化,但是它由于需要例如用于对晶闸管点火的专用控制板而一般是昂贵的。
[0006] 因此一般想要的是使能电力电子装置的高浪涌电流容量而同时允许关于电力电子装置的通常工作模式的电特性的优化。
发明内容
[0007] 根据实施例,电力电子装置被配置用于在电力电子装置的正向模式下传导正向电流并且用于在电力电子装置的反向模式下传导反向电流。电力电子装置包括:半导体开关
结构,其被配置用于承担正向导通状态,其中半导体开关结构在正向导通状态下的稳态电
流承载能力被表征为标称电流,并且其中在正向导通状态下半导体开关结构被配置用于在
电力电子装置的正向电流模式下传导正向电流的至少一部分;二极管结构,被反并联地电
连接于半导体开关结构并且被配置用于在电力电子装置的反向模式下传导反向电流的至
少一部分;以及与半导体开关结构单片集成的反向导通结构。在电力电子装置的反向模式
下,如果反向电流的量等于或者小于第一临界反向电流值,则反向导通结构传导少于10%的反向电流,第一临界反向电流值至少接近于标称电流。进一步地,在反向模式下,如果反向电流的量等于或者大于第二临界反向电流值,则反向导通结构传导至少20%的反向电流,第二临界反向电流值接近于至多10倍的标称电流。
[0008] 根据另一个实施例,电力电子装置被配置用于在电力电子装置的正向模式下传导正向电流并且用于在电力电子装置的反向模式下传导反向电流。电力电子装置包括:半导
体开关结构,其被配置用于承担正向导通状态,其中半导体开关结构在正向导通状态下的
稳态电流承载能力被表征为标称电流,并且其中在正向导通状态下半导体开关结构被配置
用于在电力电子装置的正向电流模式下传导正向电流的至少一部分;二极管结构,被反并
联地电连接于半导体开关结构并且被配置用于在电力电子装置的反向模式下传导反向电
流的至少一部分;以及晶闸管结构,被反并联地电连接于半导体开关结构,其中晶闸管结构的正向转折电压与二极管结构在临界二极管电流值处的二极管导通状态电压VF0相比更
低,其中临界二极管电流值接近于至多5倍的标称电流。
[0009] 根据进一步的实施例,电力电子模块包括多个这样的电力电子装置,其中二极管结构的有源区的总和在半导体开关结构的有源区的总和的从10%至60%的范围中。
[0010] 本领域技术人员在阅读以下的详细描述时并且在查看随附附图时将认识到附加的特征和优点。

附图说明

[0011] 各图中的部分未必是成比例的,相反重点被放在图示本发明的原理上。此外,在各图中,同样的参考标号指明对应的部分。在附图中:图1 示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的电力电子装置;
图2 示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的包括功率半导体器件的电
力电子装置;
图3A 示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的在图2中的功率半导体器
件的竖向横截面的区段;
图3B 示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的在图2中的功率半导体器
件的竖向横截面的区段;
图3C 示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的在图2中的功率半导体器
件的竖向横截面的区段;
图4 示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的电力电子装置;
图5示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的电力电子装置;
图6A 示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的在电力电子装置的反向模
式下的二极管结构电流-电压示图;
图6B 示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的在电力电子装置的反向模
式下的晶闸管结构电流-电压示图;
图6C 示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的在电力电子装置的反向模
式下的电流-电压示图;
图6D 在一个示图中示出图6A至图6C的电流-电压曲线;
图7A 示意性地并且示例性地图示在图6A的二极管结构电流-电压示图中的滞后;
图7B 示意性地并且示例性地图示在图6B的晶闸管结构电流-电压示图中的滞后;
图7C 示意性地并且示例性地图示在图6C的电流-电压示图中的滞后;
图7D 在一个示图中示出图7A至图7C的电流-电压曲线;以及
图8 示意性地并且示例性地图示在对应于图7A至图7D的示图的反向电流中的晶闸管
电流的一部分的滞后。

具体实施方式

[0012] 在以下的详细描述中,参考随附附图,随附附图形成本文的一部分并且其中通过图示的方式示出其中可以实践本发明的具体实施例。
[0013] 在这方面,可以参照所描述的各图的定向来使用方向术语,诸如“顶部”、“底部”、“下面”、“正面”、“后面”、“背面”、“前端”、“尾端”、“下方”、“上方”等。因为实施例的部分可以是按许多不同的定向定位的,所以方向术语被用于图示的目的并且绝不是进行限制。要理解的是可以利用其它的实施例,并且可以在不脱离本发明的范围的情况下作出结构上或
者逻辑上的改变。因此不应在限制的意义上看待以下的详细描述,并且本发明的范围由所
权利要求限定。
[0014] 现在将详细地参考各种实施例,其中的一个或多个示例被图示在各图中。每个示例是以解释的方式提供的并且不意味着作为对本发明的限制。例如,被图示或者被描述为
一个实施例的一部分的特征能够被使用在其它实施例上或者与其它实施例结合使用以再
得到进一步的实施例。意图的是本发明包括这样的修改和变化。使用不应当被解释为限制
所附权利要求的范围的特定语言来描述示例。附图不是成比例的并且仅用于说明性的目
的。为了清楚,如果没有另外声明,则已经在不同的附图中由相同的标号指明相同的要素或者制造步骤。
[0015] 如在本说明书中使用的术语“平的”意图描述实质上平行于半导体结构的半导体衬底的水平表面的定向。该表面能够是例如半导体晶片或者管芯的表面。例如,在下面提到的第一横向方向X 和第二横向方向Y这两者都可以是水平的方向,其中第一横向方向X和
第二横向方向Y可以是彼此垂直的。
[0016] 如在本说明书中使用的术语“竖向的”意图描述实质上被垂直于水平表面、即平行于半导体晶片的表面的法线方向布置的定向。例如,在下面提到的延伸方向Z可以是垂直于第一横向方向X和第二横向方向Y这两者的延伸方向。
[0017] 在本说明书中,n掺杂被称为“第一导电类型”而p掺杂被称为“第二导电类型”。替换地,能够采用相反的掺杂关系从而第一导电类型能够是p掺杂并且第二导电类型能够是n掺杂。
[0018] 进一步地,在本说明书内,术语“掺杂剂浓度”可以指代平均掺杂剂浓度,或者相应地指代平均值掺杂剂浓度或者指代特定的半导体区或者半导体区带的薄层电荷载流子浓度。因此,例如,宣称如与另外的半导体区的掺杂剂浓度相比特定的半导体区表现出某一更高或者更低的掺杂剂浓度的声明可以指示半导体区的相应的平均值掺杂剂浓度彼此不同。
[0019] 在本说明书的上下文中,术语“处于欧姆接触于”、“处于电接触”、“处于欧姆连接”、以及“被电连接”意图描述在半导体器件的两个区域、区段、区带、部分或者部位之间或者在一个或多个器件的不同端子之间或者在半导体器件的端子或者金属化或者电极与一个部分或者部位之间存在低欧姆电连接或者低欧姆电流路径。进一步地,在本说明书的上
下文中,术语“接触”意图描述在相应的半导体器件的两个元件之间存在直接的物理连接;
例如,在彼此接触的两个元件之间的过渡可以不包括进一步的中间元件等。
[0020] 此外,在本说明书的上下文中,如果没有另外声明,则术语“电绝缘”是在其一般的有效的理解的上下文中使用的,并且因此意图描述两个或更多个组件被彼此分离地定位并且不存在连接那些组件的欧姆连接。然而,彼此电绝缘的组件仍然可能彼此耦合,例如机械地耦合和/或电容地耦合和/或电感地耦合。举例来说,电容器的两个电极可以是彼此电绝
缘的,并且在同时例如借助于绝缘物(例如,电介质)而彼此机械地并且电容地耦合。
[0021] 在本说明书中描述的具体实施例涉及(而不是限制于)可以在功率转换器或者电源内使用的、表现为条形单元或者针形单元配置的功率半导体器件(诸如功率半导体晶体
管)。因此,在实施例中,半导体器件被配置为承载要被馈送到负载和/或相应地由电力源提供的负载电流。例如,半导体器件可以包括一个或多个有源功率单位单元,诸如单片集成的二极管单元、和/或单片集成的晶体管单元、和/或单片集成的IGBT单元、和/或单片集成的RC-IGBT单元、和/或单片集成的MOS栅控二极管(MGD)单元、和/或单片集成的MOSFET单元和/或它们的衍生物。这样的二极管单元和/或这样的晶体管单元可以被集成在功率半导体
模块中。多个这样的单元可以构成利用功率半导体器件的有源区布置的单元场。
[0022] 如在本说明书中使用的术语“功率半导体器件”意图描述在单个芯片上的具有高电压阻断和/或高电流承载能力的半导体器件。换句话说,这样的功率半导体器件意图用于典型地在安培范围下的例如达到数十或者数百安培或者甚至达到若干kA的高电流,和/或
典型地高于100V,更典型地为500V及以上(例如,达到至少1kV,达到至少多于3kV)的高电压。例如,在下面描述的半导体器件可以是表现为条形单元配置或者针形单元配置的半导
体器件并且能够被配置为在低、中和/或高电压应用中作为功率组件采用。
[0023] 例如,如在本说明书中使用的术语“功率半导体器件”不指向用于例如存储数据、计算数据和/或其它类型的基于半导体的数据处理的逻辑半导体器件。
[0024] 图1示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的电力电子装置1。电力电子装置1被配置用于在正向模式下以及在反向模式下工作,在正向模式下电力电子装置1传
导正向电流I1,在反向模式下电力电子装置1传导在与正向电流I1相反的方向上的反向电
流I2。电力电子装置1包括以并联或者反并联的配置与彼此电连接的半导体开关结构2、二
极管结构3、以及反向导通结构4。
[0025] 半导体开关结构2被配置用于承担正向导通状态,其中它传导流过电力电子装置1的正向电流I1的至少一部分。例如,在实施例中,半导体开关结构2是IGBT或者包括IGBT,诸如基于的IGBT。在另一个示例性的实施例中,半导体开关结构2是MOSFET或者包括
MOSFET,诸如例如基于硅或者基于化硅的MOSFET。在实施例中,它也可以是基于例如Ⅲ
族/Ⅴ族半导体(如例如氮化镓)的HEMT。
[0026] 半导体开关结构2可以具有标称电流Inom。例如,标称电流Inom可以是例如根据与半导体开关结构2相关联的标记码和/或数据表的额定的标称电流。标称电流Inom可以表征
半导体开关结构2在其正向导通状态下的稳态电流承载能力。本领域技术人员知道取决于
例如半导体开关器件的热特性(其可能限制稳态电流承载能力)来限定标称电流的常见方
法。
[0027] 例如,半导体开关结构2可以包括半导体本体,半导体本体包括pn结,pn结可以被配置用于在半导体开关结构2的正向阻断状态下阻断半导体开关结构的正向阻断电压。半
导体本体可以被由管壳包围。进一步地,半导体开关结构2可以具有结-管壳热阻Rthjc,其表征在pn结和管壳之间的稳态热传输能力。例如,结-管壳热阻Rthjc可以是例如根据与半
导体开关结构2相关联的数据表的额定结-管壳热阻。
[0028] 进一步地,半导体开关结构2可以被配置用于在pn结的最大结温度Tjmax和管壳的最大工作管壳温度Tc下在正向导通状态下持续地工作。例如,最大结温度Tjmax可以是例如根据与半导体开关结构2相关联的数据表的额定最大结温度。在实施例中,最大结温度
Tjmax是至少150℃,或者诸如至少175℃。例如,最大结温度Tjmax可以是175℃。最大工作管壳温度Tc可以是例如根据与半导体开关结构2相关联的数据表的额定最大工作管壳温度
Tc。例如,在实施例中,最大工作管壳温度Tc可以是至多100℃,诸如至多80℃。最大工作管壳温度Tc低于最大结温度Tjmax。例如,最大结温度和最大工作管壳温度之间的差可以是至少50K。在示例性的实施例中,最大工作管壳温度Tc是至多100℃并且最大结温度Tjmax是至少150℃。
[0029] 半导体开关结构2的在最大结温度Tjmax下在正向导通状态下的工作的特征可以被表征为开关结构导通状态电压Von。例如,在半导体开关结构2是IGBT或者包括IGBT的情
况下,开关结构导通状态电压可以是IGBT的集电极-发射极电压。作为另一个示例,在半导体开关结构2是MOSFET或者包括MOSFET的情况下,开关结构导通状态电压可以是MOSFET的
源极-漏极电压。标称电流Inom可以满足以下等式:

[0030] 换句话说,标称电流Inom可以例如被定义为当半导体开关结构在最大结温度下工作时允许稳态功率耗散的最大允许电流。然而,应当注意的是,上述特征量(Von、Inom、Tjmax、Tc、Rthjc)的数据表额定值通常包括安全裕度。因此,如在数据表中额定的标称电流可以低于如从上述等式计算的标称电流,特别是如果实际测量的量被用于例如开关结构导
通状态电压Von和/或用于结-管壳热电阻的话。另一方面,在上面等式中的管壳温度Tc可以低于最大工作管壳温度。
[0031] 电力电子装置的二极管结构3被反并联地电连接到半导体开关结构2。这就是说二极管结构3(如由例如被包括在二极管结构2中的pn结确定的那样)的正向方向指向为与半
导体开关结构2的正向方向相反,即与其中半导体开关结构2在其正向导通状态下传导电流
的方向相反。二极管结构3可以因此被配置用于传导在电力电子装置1的反向模式下的反向
电流的至少一部分。例如,二极管结构3可以在电力电子装置1的工作期间起到续流二极管
的作用。
[0032] 例如,二极管结构3是功率二极管或者包括功率二极管,诸如硅二极管或者碳化硅二极管。在实施例中,如在下面更详细地描述那样,二极管结构3可以被与半导体开关结构2分离地提供,例如在分离的芯片上和/或作为分离的器件。在另一个实施例中,如也在下面更详细地描述那样,二极管结构3可以与半导体开关结构2单片地集成。例如,在其中电力电子装置包括MOSFET(诸如碳化硅MOSFET)的实施例中,MOSFET的体二极管可以形成二极管结构3的至少一部分。
[0033] 电力电子装置1的反向导通结构4可以被配置用于取决于电力电子装置1的工作状况(例如,取决于反向电流I2的量)来传导反向电流2的一部分。例如,在通常的工作状况下,反向导通结构4可以在反向模式下不传导反向电流或者仅传导反向电流I2的相对小的一部
分。在不同的工作状况(诸如例如在反向模式下的浪涌电流状况)下,反向导通结构4可以传导反向电流I2的相当大的一部分。
[0034] 例如,在实施例中,如果反向电流I2的量等于或者小于第一临界反向电流值IRC1,则反向导通结构4传导小于10%的反向电流,其中第一临界反向电流值IRC1接近于标称电流Inom的至少两倍,诸如例如标称电流Inom的至少三倍。进一步地,如果反向电流I2的量等于或者大于第二临界反向电流值IRC2,则反向导通结构4可以传导至少20%的反向电流I2或者
甚至至少40%的反向电流I2,其中第二临界反向电流值IRC2接近于标称电流Inom的至多10
倍(诸如例如至多5倍)。
[0035] 在实施例中,反向导通结构4包括齐纳二极管。在其它实施例中,如将在下面更详细地解释的那样,反向导通结构4包括晶闸管结构40,晶闸管结构40可以或者可以不与半导体开关结构2单片地集成。晶闸管结构40可以反并联地电连接于半导体开关结构2。这就是
说,晶闸管结构40(如例如由被包括在晶闸管结构2中的半导体区的npnp序列确定的那样)的正向方向可以指向为与半导体开关结构2的正向方向相反,即与其中半导体开关结构2在
其正向导通状态下传导电流的方向相反。晶闸管结构40的正向方向还可以被表征为与阻断
模式以及(正向)传导模式相关联的方向,而相反的方向仅与晶闸管结构40的(反向)阻断模式相关联。如将在随后参照示例性实施例解释的那样,反向导通结构4可以或者可以不与半导体开关结构2单片地集成。
[0036] 图2示意性地并且示例性地图示依照一个或多个实施例的功率半导体装置,其中半导体开关结构是IGBT 20并且反向导通结构4被以晶闸管结构40的形式提供。IGBT 20和
晶闸管结构40被单片地集成在功率半导体器件5中。在图2中的电路图的左分支图示功率半
导体器件5的等效电路。本领域技术人员熟悉在图2中使用的用于IGBT 20、晶闸管结构40、以及二极管3的符号。例如,在图2中,电阻器43可以对应于在晶闸管40的p-基极和IGBT的p-发射极之间的欧姆连接(对照在图3A中的背侧发射极区102)。
[0037] 图3A至图3C的每个图示依照一个或多个实施例的图2的功率半导体器件5的竖向横截面的区段。功率半导体器件5包括半导体本体10,半导体本体10具有耦合到第一负载端子结构11的前侧10-1以及耦合到第二负载端子结构12的背侧10-2,并且被配置用于传导在
第二负载端子结构12和第一负载端子结构11之间的正向电流I1的至少一部分。例如,第一
负载端子结构11可以包括前侧金属化,并且第二负载端子结构12可以包括背侧金属化。半
导体本体10包括第一导电类型(例如,n型)的漂移区100。漂移区100可以包括场阻止区100-
1,其中场阻止区100-1与场阻止区100-1外部的漂移区100的部分相比具有处于更高浓度的
第一导电类型的掺杂剂。进一步地,多个IGBT控制单元14被布置在前侧10-1处与第一负载
端子结构11相接触,其中IGBT 控制单元14可以被至少部分地包括在半导体本体10中。每个IGBT控制单元14可以例如包括:包括栅极电极16和绝缘结构150的栅极沟槽、第一导电类型的至少一个源极区104、与第一导电类型互补的第二导电类型的本体区103、以及漂移区100的一部分。进一步地,在本体区103和漂移区100之间的过渡处形成pn结109。这样的IGBT单元14的配置是技术人员熟知的并且因此将不再详细地解释。
[0038] 半导体本体10进一步包括第二导电类型(例如,p型)的背侧发射极区102,其中背侧发射极区102被布置在背侧10-2处与第二负载端子结构12相接触。此外,半导体本体10包括第一导电类型(例如,n+型)的晶闸管发射极区106,该晶闸管发射极区106被布置在背侧10-2处与第二负载端子结构12相接触。晶闸管发射极区106由于第二导电类型(例如,p型)的半导体区而与漂移区100隔离。例如,在图3A的示例性实施例中,背侧发射极区102的一部分将晶闸管区106与漂移区100隔离。在其它的实施例中,如在图3B至图3C中图示的那样,可以提供第二导电类型的附加的半导体区102-1、102-2以用于将晶闸管发射极区106与漂移
区100隔离。
[0039] 晶闸管发射极区106的npnp堆叠(或者替换地,pnpn堆叠)、将晶闸管发射极区106与漂移区100隔离的半导体区102、102-1、102-2、漂移区100、以及本体区103因此可以形成晶闸管结构40的功能部分,所述晶闸管结构40与反并联地电连接于其的IGBT 20单片地集成。例如,晶闸管发射极区106的横向延伸Lx可以限定半导体器件5的晶闸管区401。对应地,其中缺少晶闸管发射极区106的区域可以限定一个或多个IGBT区域201。然而,应当注意的
是,IGBT控制单元14不仅可以被布置在IGBT 201区域的内部,而且还可以被布置在晶闸管
区401中。换句话说,在实施例中,晶闸管发射极区106可以表现为与多个IGBT控制单元14的横向重叠。应当注意的是,可以通过选取在将晶闸管发射极区106与漂移区100隔离的第二
导电类型的半导体区内的掺杂剂浓度来调整晶闸管结构40的正向转折电压Vfwbr、维持电
压Vh、以及维持电流Ih中的每个。例如,可以通过减小在所述半导体区中的第二导电类型的掺杂剂浓度来减小正向转折电压Vfwbr、维持电压Vh、以及维持电流Ih中的每个,并且反之亦然。
[0040] 例如,横向延伸Lx可以等于或者小于半导体本体10的竖向延伸Lz(即厚度)的两倍。应当注意的是还可以通过选取晶闸管发射极区106的适当的横向延伸Lx来调整晶闸管
结构40的正向转折电压Vfwbr、维持电压Vh、以及维持电流Ih中的每个。例如,可以通过增加横向延伸Lx来减小正向转折电压Vfwbr、维持电压Vh、以及维持电流Ih中的每个,并且反之亦然。进一步地,在实施例中,半导体本体10包括分布在半导体本体10的横向延伸上的多个这样的晶闸管发射极区106,由此限定多个这样的晶闸管区401(未图示在图3A至图3C中描
绘的竖向横截面的区段中)。
[0041] 图4示意性地并且示例性地图示图1的电力电子装置1的另一个实施例。在该示例中,半导体开关结构2以诸如例如硅IGBT的IGBT 20的形式提供。提供诸如碳化硅二极管的
二极管作为电力电子装置1的二极管结构3。进一步地,电力电子装置1包括晶闸管40。例如,IGBT 20、二极管3、以及晶闸管40可以被提供为分离的器件,诸如在分离的芯片上。
[0042] 图5示意性地并且示例性地图示依照图1的电力电子装置1的又一实施例。在该示例性实施例中,半导体开关结构2和二极管结构3被组合在MOSFET 23中。例如,MOSFET 23是碳化硅MOSFET。例如,二极管结构3是由MOSFET 23的体二极管提供的。在这样的布置中,在电力电子装置1的反向模式下,反向电流I2的至少一部分可以是由MOSFET 23的体二极管3
承载的或者是在沟道被接通的情况下由MOSFET本身承载的。进一步地,提供晶闸管40,其可以被与MOSFET 23分离地布置,诸如在分离的芯片上。
[0043] 在下文中,将参照图6A至图8来描述在电力电子装置1的反向模式下的工作,其中电力电子装置1包括如在上面描述的晶闸管结构40。
[0044] 图6A图示在电力电子装置1的反向模式下二极管结构3的电流-电压曲线C1。在图6A中的示图的y轴示出二极管电流Id,其中y轴的标度被归一化为半导体开关结构2的标称
电流Inom的量。x轴示出二极管结构3的对应的二极管电压Vd,即在电力电子装置1的反向模式下的二极管结构3的正向电压Vd。x轴的标度被归一化为在接近于标称电流Inom的二极管
电流Id下的二极管结构3的二极管正向电压Vdnom。技术人员通常熟悉如在图6A中示出的二
极管特性。
[0045] 图6B图示在电力电子装置1的反向模式下晶闸管结构40的电流电压曲线C2。如在图6A中那样,在图6B中的示图的y轴示出在电力电子装置1的反向方向上(即在晶闸管结构
40的正向方向上)的晶闸管电流Ithyr。y轴的标度被归一化为半导体开关结构2的标称电流Inom的量。x轴示出在电力电子装置的反向模式下的晶闸管结构40的对应的电压Vthyr。为
了便于比较,x轴的标度与在图6A中相同,即被归一化为二极管正向电压Vdnom。图6B的电
流-电压特性表现出在晶闸管结构40的正向转折电压Vfwbr处晶闸管电压Vthyr的特征回
跳。例如,晶闸管结构40在正向转折电压Vfwbr处被点火。
[0046] 在实施例中,与在临界二极管电流值Id0下的二极管结构3的二极管导通状态电压Vd0相比晶闸管结构40的正向转折电压Vfwbr可以更低,其中临界二极管电流值Id0接近于
标称电流Inom的至多5倍。例如,在实施例中,正向转折电压Vfwbr等于或者小于10V,诸如例如等于或者小于8V。进一步地,在实施例中,正向转折电压可以接近于至少3V。
[0047] 如在图6B中示出的电流电压曲线C2进一步由晶闸管结构40的维持电压Vh表征。技术人员通常熟悉晶闸管的维持电压的概念。例如,维持电压Vh对应于维持电流Ih,其可以被认为是用于使晶闸管保持在其点火状态(即其导通状态)下的最小要求电流。换句话说,当从较高电流起并且然后下降到维持电流Ih以下时,晶闸管结构40关断。
[0048] 在实施例中,如在图6B中示例性地图示的那样,晶闸管结构2的维持电压Vh高于二极管结构3在标称电流Inom下的二极管正向电压Vdnom。
[0049] 进一步地,在实施例中,如在图6A中示例性地图示的那样,在电力电子装置1的反向模式下,二极管结构3可以被配置用于在等于晶闸管结构40的维持电压Vh的电压下在标
称电流Inom和四倍的标称电流Inom之间进行传导。
[0050] 在实施例中,关于晶闸管结构40的进一步的性质,晶闸管结构40的反向阻断电压可以高于正向转折电压Vfwbr。如在上面关于图2至图3C描述的半导体器件5中那样,在晶闸管结构40与IGBT 20单片地集成的情况下,晶闸管结构40的反向阻断电压需要利用IGBT单
元14的闭合的栅极来限定,IGBT单元14也可以存在于半导体器件5的晶体管区401中。
[0051] 进一步地,在实施例中,晶闸管结构40的反向阻断电压可以至少接近于二极管结构3的额定击穿电压。例如,晶闸管结构40的反向阻断电压可以接近于二极管结构3的实际
击穿电压的90%。
[0052] 图6C图示对应于在图6A至图6B中描绘的电流-电压曲线C1、C2的总和的电流-电压曲线C12。在半导体开关结构2本身不承载反向电流的显著部分的假设下,曲线C1、C2的总和C12本质上对应于反向电流I2。因此,在图6C的示图中,y轴被利用I2标记。x轴示出电力电子装置1的总的反向电压V2,其中,由于二极管结构2与晶闸管结构14的并联连接,反向电压V2等于二极管电压Vd和晶闸管电压Vthyr。再次地,y轴的标度被归一化为标称电流Inom的量,并且x轴的标度与在图6A至图6B中相同。图6D在一个示图中示出图6A至图6C的电流-电压曲
线C1、C2、C12。
[0053] 图7A至图7C的每个示意性地并且示例性地图示在对应的图6A至图6C的电流-电压示图中的滞后。图7D在一个示图中示出图7A至图7C的电流-电压曲线C1、C2、C12。在下文中,将主要参照在描绘二极管电流Id和晶闸管电流Ithyr的总和(其本质上可以对应于反向电
流I2)的图7C中的曲线C12来解释滞后。例如,在曲线C12上的初始点p0处,反向电流是零。然后,在点p0和p1之间反向电流I2向上提升(例如,由于浪涌电流事件),其中反向电流I2本质上并且持续地遵循二极管特性C1(参见图7A)。原因在于,在该阶段中,晶闸管结构40处于其断开状态,并且因此本质上并未贡献于反向电流I2的传导。在点p1处,晶闸管电压Vthyr达到正向转折电压Vfwbr(参见在图7B中的C2),并且晶闸管结构40突然接通。作为结果,在曲线C12中发生到点p2的跳跃,其中晶闸管结构突然接管反向电流I2的大部分,由此使反向电压V2降低。该改变在非常短的时间尺度上发生并且在图7C中被指示为点划线。如由图7C中
的箭头指示的那样,从点p2起电流可以沿着曲线C12持续地增加。在一些点处,电流将沿着曲线C12再次减小。当晶闸管电流下降到晶闸管结构40的维持电流Ih以下时(其发生在曲线C12中的点p3处),晶闸管结构40再次关断,并且反向电压V2突然从点p3增加到点p4。然后,反向电流I2可以在曲线C12的下部分支上进一步持续地减小(或者可以在曲线C12的下部分
支上再次增加直到其到达点p1)。
[0054] 曲线C12的滞后说明在电力电子装置1的反向模式下,如果反向电流I2是相对小的,则晶闸管结构40至多传导反向电流I2的非常小的一部分。然而,在大的反向电流I2(诸如接近于例如半导体开关结构2的标称电流Inom的八倍或者十倍的反向电流)下,晶闸管结构40可以支持反向电流I2的相当大的部分,因此减轻二极管结构3的负担。
[0055] 图8示意性地并且示例性地图示在反向电流I2中的晶闸管电流Ithyr的部分的滞后,其中包括点p1至点p4的滞后对应于在图7A至图7C的示图中图示的滞后。曲线C3示出只
要反向电流I2的量小于或者等于第一临界反向电流值IRC1,晶闸管电流的部分就保持为非
常小,诸如低于反向电流的10%,例如低于反向电流的5%。例如,晶闸管电流可以本质上为零或者被限制于在该机制下的小的正向泄漏电流。例如,第一临界反向电流值IRC1小于维持
电流Ih。如在图8中进一步图示的那样,第一临界反向电流值IRC1可以接近于至少两倍(诸如至少三倍)的标称电流Inom。因此,在当反向电流I2的量为在标称电流Inom的量级上时的通常的反向导通状况下,晶闸管结构40可以本质上不贡献于反向电流I2的传导。
[0056] 另一方面,如果反向电流I2的量等于或者大于第二临界反向电流值IRC2,则晶闸管结构40可以传导反向电流I2的相当大的部分,诸如例如反向电流I2的至少20%,诸如至少
30%,或者甚至至少40%。如示例性地图示的那样,第二临界反向电流值IRC2可以位于图8中的点p1和点p2的右边。在实施例中,第二临界反向电流值IRC2接近于标称电流Inom的至多
10倍,诸如例如至多5倍。例如,晶闸管结构40可以因此被配置用于仅在典型的浪涌电流状况下传导反向电流I2的相当大的部分。例如,可以因此在浪涌电流的状况下减轻二极管结
构3的负担。例如,将在二极管结构3(单独采用)不得不支持第二临界反向电流I2的情况下发生的在二极管结构3处的电压降可能大于晶闸管结构40的正向转折电压Vfwbr。
[0057] 关于热特性,晶闸管结构40可以具有与二极管结构3相比更小的热电阻和/或更大的热容量。例如,晶闸管结构40的有源区可以至少与二极管结构3的有源区一样大。例如,晶闸管结构40可以因此被配置用于耗散在电力电子装置的反向模式下在浪涌电流状况下发
生的功率损耗的大部分。关于术语“有源区”,应当注意的是,例如在二极管结构3是MOSFET的体二极管的情况下,MOSFET的所有有源区可以例如被当作为二极管结构3的相关有源区。
如果如在上面描述的那样晶闸管结构40与IGBT 20单片地集成,则晶闸管结构40的有源区
可以例如由(一个或多个)晶闸管发射极区106的区域来限定。替换地,在这种情况下,晶闸管结构40的有源区可以被限定为(一个或多个)晶闸管发射极区106以例如45°的横向延展
对于前侧10-1的投影。因此,可以将电流和/或热电流的横向延展考虑在内。
[0058] 依照本发明的进一步的方面,提供了一种电力电子模块,其中电力电子模块包括多个如在上面描述的电力电子装置1。在实施例中,在电力电子模块内部的各电力电子装置
1的二极管结构3的有源区的总和在电力电子模块内部的各电力电子装置的半导体开关结
构2的有源区的总和的从10%至60%的范围内,诸如例如在从30%至50%的范围内。
[0059] 在上面解释了与诸如二极管、MOSFET、或者IGBT的功率半导体器件有关的实施例以及对应的处理方法。例如,这些器件是基于硅(Si)的。因此,单晶半导体区或者单晶半导体层,例如半导体本体10及其区域/区带100、100-1、102、103、104和106可以是单晶硅区域或者单晶硅层。在其它的实施例中,可以采用多晶硅或者非晶硅。
[0060] 然而,应当理解的是半导体本体10及其掺杂区域/区带可以由适合于制造半导体器件的任何半导体材料制成。这样的材料的示例举几个来说包括但不限制于:诸如硅(Si)或者锗(Ge)的元素半导体材料;诸如碳化硅(SiC)或者锗硅(SiGe)的Ⅳ族化合物半导体材料;诸如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、磷化铟镓(InGaP)、氮化镓(AlGaN)、氮化铝铟(AlInN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓铟(AlGaInN)或者磷化铝镓铟(lnGaAsP)的二元、三元或者四元的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料;以及诸如碲化镉(CdTe)和碲化汞镉(HgCdTe)的二元或者三元的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料。前述的半导体材料还被称为“同质结半导体材料”。当将两种不同的半导体材料进行组合时形成异质结半导体材料。异质结半导体材料的示例包括但不限制于:氮化铝镓(AlGaN)-氮化铝镓铟(AlGaInN)、氮化铟镓(lnGaN)-氮化铝镓铟(AlGaInN)、氮化铟镓(InGaN)-氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)-氮化镓(GaN)、氮化铟镓(lnGaN)-氮化铝镓(AlGaN)、硅-碳化硅(SixC1-x)和硅-锗硅(SiGe)异质结半导体材料。对于功率半导体器件应用而言当前主要使用Si、SiC、GaAs和GaN材料。
[0061] 为了易于描述而使用诸如“在…之下”、“低于”、“高于”、“下方”、“在…之上”和“上方”等空间上相对的术语以解释一个要素相对于第二要素的定位。除了与在各图中描绘的那些不同的定向之外,这些术语还意图涵盖相应器件的不同定向。进一步地,诸如“第一”和“第二”等的术语也被用于描述各种要素、区域、区段等并且也不意图进行限制。贯穿于描述同样的术语指代同样的要素。
[0062] 如在此使用的那样,术语“具有”、“包含”、“包括”、“包括有”和“表现”等是开放式的术语,其指示所声明的要素或者特征的存在,但是不排除附加的要素或者特征。
[0063] 在谨记以上范围的变化和应用的情况下,应当理解的是本发明不受前述描述限制,也不受随附附图限制。相反,本发明仅由以下权利要求及其法律等同物限制。
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