[发明专利]半导体应力的减小

说明书

技术领域

本发明涉及减小半导体应力，尤其涉及减小由半导体部件中的温度变 化造成的半导体应力。

背景技术

变频器是一种可以用于向负载馈送频率可变的电压的电装置。变频器 典型地与电动机一起使用来以变化的频率控制电动机，或者向电网回传送 电力，在此情形下，变频器产生具有与电网频率对应的频率的电压。

当今，作为快速栅控部件的IGB晶体管(绝缘栅双极晶体管，IGBT) 被典型地用作变频器的功率半导体，即，产生输出电压的开关部件。最大 IGBT部件的电流承载能力是几百安培，且它们的最大电压是几千伏特。 在变频器中，开关部件被单纯地用作开关，在此情形下，它们具有两个状 态，即，完全导通和完全截止。在实践中，尽可能快地执行状态改变，以 避免在部件中同时存在电压和电流。

这里提到的IGBT是由几个部分、同时亦是由具有不同热阻的几个构 件组成的部件。半导体部件可认为是由基板、衬底和实际半导体元件即芯 片构成的。基板的功能是将部件中产生的热量传导到冷却元件，如热沉等。 衬底处在基板的顶上，且芯片固定到衬底。显然，作为电阻部件的芯片最 快变热且加热程度最大，因为有电流流过该部件。而基板在各组成部分中 最慢变热且加热程度最小，即，它具有最大的温度时间常数，这部分是因 为冷却，部分是因为热量向大体积的基板散布。

半导体部件的不同部分不仅具有不同的温度时间常数，并且还具有不 同的热膨胀系数。热膨胀系数表示由物体中的温度变化造成的膨胀的大 小。由于半导体部件的各部分紧密地聚在一起(常常被焊接)，所以因膨 胀的大小不同而在各部分之间出现机械力，该机械力使该部件发生应变并 最终破坏该部件。

当功率半导体被周期性地施加负荷时，该热应力问题尤其严重。周期 性负荷是指这样的负荷：其不是恒定的，而是由于功率半导体的负荷时大 时小这一情况而形成的。这种负荷在功率半导体中产生大的温度变化，因 为温度在大的负荷即电流期间剧烈上升且随着负荷的减小而下降。这种周 期性负荷使功率半导体过早地老化。

逆变器的周期性驱动的例子包括起重机、离心机和电梯驱动。例如， 在离心机驱动中，逆变器控制电动机以使离心机旋转，离心机需要大的扭 矩来加速，这意味着半导体中大的电流和大的温度升高。在加速之后，离 心机以工作速度旋转，在此情形下，随着所需扭矩的减小，逆变器的输出 电流显著减小。在加速期间变热的半导体部件现在开始冷却。如果离心机 又再生性地(即，通过将电动机用作发电机)变慢，则大电流再次流过开 关部件并且开关部件变热。上述情况也适用于电梯和起重机驱动以及其它 周期性驱动。

一种设计驱动的当前方法是基于由周期性负荷造成的半导体温度变 化即幅度而实现的。半导体制造商指明作为温度变化的函数的、半导体能 忍耐的大概周期数。随着温度变化的减小，允许的最大周期数增加。

当今，像其它电装置一样，变频器由风扇或通过液体冷却来主动地冷 却。在这样的方案中，将热量从该装置中带走以冷却该装置中的变热的部 件。一般来说，将功率半导体部件附着到冷却元件，如热沉等。此外，通 过结合热沉使用强制空气或液体来保持低的温度。通常使用恒定的冷却， 在此情形下，无论功率半导体的温度如何，冷却风扇或泵都以恒定的旋转 速率工作。在一些方案中，还已知使用直接根据温度而变化的冷却，在此 情形下，随着热量产生的增大，冷却功率也增大以限制最高温度。

显然，通过使用风扇来冷却部件，可降低部件的最高温度。因此，在 设计功率半导体时考虑风扇的工作，使得部件的最高可允许温度不被超 过。

然而，仅使用强制空气或液体冷却不能减小温度轮廓(即，部件的最 高温度与最低温度之差)，从而不能避免尤其是周期性驱动中的温度变化 所造成的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法、一种实施该方法的布置结构以及一种 变频器，以便克服上述问题。本发明的目的是通过该方法、该布置结构和 该变频器来实现的。此外，还公开了本发明的多个优选实施例。

本发明基于如下思想：通过使用电阻器加热冷却元件来减小温度变 化。在部件的使用期间加热冷却元件，使得当在高功率下未使用变频器时， 功率半导体部件仍然保持在特定温度，该特定温度高于在去除该加热的情 况下部件将达到的温度。