專利名稱：功率半導(dǎo)體模塊和功率半導(dǎo)體電路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體模塊和功率半導(dǎo)體電路裝置。
背景技術(shù)：
對于混合動(dòng)力汽車或電動(dòng)汽車中的驅(qū)動(dòng)，通常使用旋轉(zhuǎn)場電機(jī)，其與經(jīng)常也被稱為逆變器的反用換流器相關(guān)聯(lián)地被運(yùn)行。反用換流器包括至少一個(gè)具有以功率半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)型的半導(dǎo)體器件的功率半導(dǎo)體模塊，所述功率半導(dǎo)體開關(guān)在下面簡稱功率開關(guān)，例如 MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)或MCT (M0S受控晶閘管)，在各種情況下與空轉(zhuǎn)二極管結(jié)合。通過合適的模塊內(nèi)部的接線能夠?qū)崿F(xiàn)不同的電路變型方案如單開關(guān)、半橋、全橋也或者斬波器。這些單個(gè)的功率開關(guān)通常以半導(dǎo)體芯片的形式實(shí)施，半導(dǎo)體芯片被設(shè)置在襯底上、通常為DCB陶瓷襯底。為各電路變型方案所需的二極管可以被集成在功率開關(guān)芯片中或者作為分離的二極管芯片來實(shí)施。部分的集成也是可能的。為了能夠在中間電路電壓和相電流方面在所要求的壽命上滿足對尤其是使用在混合動(dòng)力汽車中的反用換流器的要求，必須并聯(lián)連接多個(gè)功率開關(guān)。該并聯(lián)電路在此可以被實(shí)現(xiàn)在功率半導(dǎo)體模塊中，從而在襯底上設(shè)置多個(gè)并聯(lián)連接的功率開關(guān)。對此代替地，也可以并聯(lián)連接多個(gè)功率半導(dǎo)體模塊，所述功率半導(dǎo)體模塊各具有一個(gè)帶有設(shè)置在其上的功率開關(guān)的襯底。功率半導(dǎo)體模塊的并聯(lián)電路在此具有優(yōu)點(diǎn)構(gòu)成了多個(gè)相互去耦的換向電流回路，這導(dǎo)致過電壓峰值的減少。然而尤其是在IkHz之上的開關(guān)頻率情況下，同步地控制并聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體模塊是困難的，因?yàn)榭刂凭€路的接觸電阻尤其是隨著壽命的增加可能不同程度地變化，這導(dǎo)致在開關(guān)單個(gè)半導(dǎo)體芯片時(shí)時(shí)間差的升高的增加。然而在開發(fā)在一個(gè)模塊中具有多個(gè)并聯(lián)連接的功率開關(guān)的功率半導(dǎo)體模塊時(shí)，也產(chǎn)生了特別的挑戰(zhàn)。由于在換向回路中的電感引起了在功率開關(guān)上的過電壓峰值。因?yàn)閱蝹€(gè)功率開關(guān)的最大阻塞電壓是受限制的，因此過大的過電壓導(dǎo)致功率開關(guān)的損壞。為了能夠最優(yōu)地充分利用功率開關(guān)以及必要時(shí)分離的二極管的芯片面積，必須將換向回路中的電感保持得盡可能低。該電感在此近似與在換向回路中各換向電流必須包圍的面積成比例。由于在模塊襯底上的單個(gè)功率開關(guān)的電不對稱的布置以及由此產(chǎn)生的至單個(gè)功率開關(guān)的不同路徑長度，此外可能發(fā)生單個(gè)功率開關(guān)的不同時(shí)或同步的接通和/或關(guān)斷。 后果是在這些功率開關(guān)下不均勻的負(fù)荷分布，這可能導(dǎo)致單個(gè)功率開關(guān)的過載以及由此最終導(dǎo)致功率半導(dǎo)體模塊的壽命變短。二極管的電不對稱布置最終可能導(dǎo)致電流直接在功率開關(guān)關(guān)斷之后不均勻地劃分到二極管上，這可能導(dǎo)致單個(gè)二極管的過載。在極端情況下甚至可能出現(xiàn)一個(gè)唯一的二極管短時(shí)地、也即直接在換向過程之后承受全部并聯(lián)連接的功率開關(guān)的整個(gè)電流。問題還以如下方式被激化，功率二極管在大約75°C之下具有負(fù)的溫度系數(shù)，這在低溫情況下導(dǎo)致總歸通過開關(guān)而更強(qiáng)烈地受負(fù)荷的二極管即使在靜態(tài)運(yùn)行中也流過比其他并聯(lián)連接二極管提高的電流。最終，二極管的電不對稱的布置導(dǎo)致功率半導(dǎo)體模塊的壽命的變短。為了避免由于過電壓峰值導(dǎo)致的對功率開關(guān)芯片的損壞，原則上有兩種方案。一方面可以提高功率開關(guān)芯片的截止電壓。另一方面，可以減小換向回路 (Kommutierungskreis)中的電感。因?yàn)榻刂闺妷旱奶岣呒夹g(shù)上導(dǎo)致在功率開關(guān)芯片中的較高的損耗并且由此在反用換流器的技術(shù)參數(shù)相同的情況下所需的芯片面積上升，因此通常導(dǎo)致?lián)Q向回路中的電感減少。過電壓峰值的高度通過由換向電流所確定的面積和從而很大程度上由換向回路中的電感確定。

圖1示出了具有本質(zhì)上寄生的等效電感的換向回路的簡化的等效電路圖。 其由在中間電路電容器1中的電感Lzkl和Lzk2、在中間電路電容器1和功率半導(dǎo)體模塊 3之間的引線2的電感Lverbl和Lverb2、以及在功率半導(dǎo)體模塊3內(nèi)的電感Lmodull和 Lmodul2組成。所有電感之和在此近似與通過換向電流回路確定的面積成比例。由DE 42 40 501A1已知了一種功率半導(dǎo)體電路裝置，在功率半導(dǎo)體電路裝置中為了減小由快速開關(guān)過程引起的電壓峰值，正的和負(fù)的電流端子分別通過至少兩個(gè)子端子來構(gòu)成，其相互緊鄰并且彼此并聯(lián)地設(shè)置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有襯底優(yōu)選DCB陶瓷襯底、和至少兩個(gè)設(shè)置在該襯底上的并聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體開關(guān)。功率半導(dǎo)體開關(guān)優(yōu)選實(shí)施為IGBT半導(dǎo)體芯片、MOSFET半導(dǎo)體芯片或MCT半導(dǎo)體芯片。此外，按照本發(fā)明設(shè)置了至少一個(gè)中間電路端子用于將功率半導(dǎo)體開關(guān)與第一供給電壓電勢連接，并且設(shè)置有至少兩個(gè)中間電路端子用于將功率半導(dǎo)體開關(guān)與第二供給電壓電勢連接，其中一個(gè)供給電壓電勢是負(fù)，另一個(gè)是正。功率半導(dǎo)體模塊在此可以具有任意數(shù)量的另外的電路元件尤其是二極管，它們或者可以集成在功率半導(dǎo)體芯片中，或者可以實(shí)施為分離的半導(dǎo)體芯片。至功率開關(guān)芯片的部分集成也是可能的。通過單個(gè)電路元件的單獨(dú)接線，功率半導(dǎo)體模塊例如可以包括單開關(guān)、半橋、全橋也或斬波器。具有多個(gè)并聯(lián)連接的功率開關(guān)的傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體模塊各包括一個(gè)具有中間電路的第一正供給電壓電勢和中間電路的第二負(fù)供給電壓電勢的中間電路端子。通過將至少一個(gè)所述端子分裂為至少兩個(gè)子端子來形成至少兩個(gè)端子對。因?yàn)殡娏鞣謩e流過具有最低電感的路徑，因此由此產(chǎn)生至少兩個(gè)去耦的換向電流回路，其中該電流被劃分到單個(gè)換向回路上。在劃分為N個(gè)子端子的情況下，相應(yīng)地產(chǎn)生N個(gè)去耦的換向回路。由此僅僅原始換向電流的1/N倍還流過每個(gè)換向回路的單個(gè)電感。在假設(shè)相同換向回路電感的情況下，根據(jù)如下公式在功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)部在單個(gè)功率開關(guān)上形成的過電壓被減小到1/N倍
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體模塊，具有襯底(31)，至少兩個(gè)設(shè)置在該襯底(31)上的并聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體開關(guān)(32)， 至少一個(gè)中間電路端子(T+a;T+b ；T+ab)，用于將功率半導(dǎo)體開關(guān)與第一供給電壓電勢連接，以及至少兩個(gè)中間電路端子(T-a，T-b)，用于將功率半導(dǎo)體開關(guān)(32)與第二供給電壓電勢連接，其中一個(gè)供給電壓電勢是負(fù)，另一個(gè)是正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述襯底(31)是DCB陶瓷襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或4之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體開關(guān)(32)實(shí)施為IGBT半導(dǎo)體芯片、MOSFET半導(dǎo)體芯片或MCT半導(dǎo)體芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1一 3之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體模塊(30)具有相電壓端子(34)并且被構(gòu)造為反用換流器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1一 4之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，具有正供給電壓電勢的中間電路端子(T+)和具有負(fù)供給電壓電勢的中間電路端子(T-)分別直接相鄰地設(shè)置在襯底(31)上。
6.具有按照權(quán)利要求1至5之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(30)和至少一個(gè)中間電路電容器(1)的功率半導(dǎo)體電路裝置，該中間電路電容器通過引線(2)與功率半導(dǎo)體模塊(30) 的中間電路端子(T+，T-)電連接，其中為每個(gè)中間電路端子(T+，T-)設(shè)置一個(gè)自己的引線， 該引線從中間電路電容器(1)被引導(dǎo)直至功率半導(dǎo)體模塊(30)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率半導(dǎo)體電路裝置，其特征在于，在功率半導(dǎo)體模塊(30) 上分別直接相鄰地設(shè)置有具有正電勢的中間電路端子(T+)和具有負(fù)電勢的中間電路端子 (T-)，并且連接在其上的引線(2)盡可能平行地被引導(dǎo)直至中間電路電容器(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體模塊，具有襯底(31)，至少兩個(gè)設(shè)置在該襯底(31)上的并聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體開關(guān)(32)，至少一個(gè)中間電路端子(T+a；T+b；T+ab)用于將功率半導(dǎo)體開關(guān)與第一供給電壓電勢連接，至少兩個(gè)中間電路端子(T-a,T-b)；T用于將功率半導(dǎo)體開關(guān)(32)與第二供給電壓電勢連接，其中一個(gè)供給電壓電勢是負(fù)，另一個(gè)是正。
文檔編號H02M7/00GK102484432SQ201080041082
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者舍恩克內(nèi)希特 A. 申請人:羅伯特·博世有限公司