[发明专利]功率半导体模块和功率半导体电路装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率半导体模块和功率半导体电路装置。

背景技术

对于混合动力汽车或电动汽车中的驱动，通常使用旋转场电机，其与经常也被称为逆变器的反用换流器相关联地被运行。反用换流器包括至少一个具有以功率半导体开关构型的半导体器件的功率半导体模块，所述功率半导体开关在下面简称功率开关，例如MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MCT（MOS受控晶闸管），在各种情况下与空转二极管结合。通过合适的模块内部的接线能够实现不同的电路变型方案如单开关、半桥、全桥也或者斩波器。这些单个的功率开关通常以半导体芯片的形式实施，半导体芯片被设置在衬底上、通常为DCB陶瓷衬底。为各电路变型方案所需的二极管可以被集成在功率开关芯片中或者作为分离的二极管芯片来实施。部分的集成也是可能的。

为了能够在中间电路电压和相电流方面在所要求的寿命上满足对尤其是使用在混合动力汽车中的反用换流器的要求，必须并联连接多个功率开关。该并联电路在此可以被实现在功率半导体模块中，从而在衬底上设置多个并联连接的功率开关。对此代替地，也可以并联连接多个功率半导体模块，所述功率半导体模块各具有一个带有设置在其上的功率开关的衬底。

功率半导体模块的并联电路在此具有优点：构成了多个相互去耦的换向电流回路，这导致过电压峰值的减少。然而尤其是在1kHz之上的开关频率情况下，同步地控制并联连接的功率半导体模块是困难的，因为控制线路的接触电阻尤其是随着寿命的增加可能不同程度地变化，这导致在开关单个半导体芯片时时间差的升高的增加。

然而在开发在一个模块中具有多个并联连接的功率开关的功率半导体模块时，也产生了特别的挑战。

由于在换向回路中的电感引起了在功率开关上的过电压峰值。因为单个功率开关的最大阻塞电压是受限制的，因此过大的过电压导致功率开关的损坏。为了能够最优地充分利用功率开关以及必要时分离的二极管的芯片面积，必须将换向回路中的电感保持得尽可能低。该电感在此近似与在换向回路中各换向电流必须包围的面积成比例。

由于在模块衬底上的单个功率开关的电不对称的布置以及由此产生的至单个功率开关的不同路径长度，此外可能发生单个功率开关的不同时或同步的接通和/或关断。后果是在这些功率开关下不均匀的负荷分布，这可能导致单个功率开关的过载以及由此最终导致功率半导体模块的寿命变短。

二极管的电不对称布置最终可能导致电流直接在功率开关关断之后不均匀地划分到二极管上，这可能导致单个二极管的过载。在极端情况下甚至可能出现：一个唯一的二极管短时地、也即直接在换向过程之后承受全部并联连接的功率开关的整个电流。问题还以如下方式被激化，功率二极管在大约75℃之下具有负的温度系数，这在低温情况下导致：总归通过开关而更强烈地受负荷的二极管即使在静态运行中也流过比其他并联连接二极管提高的电流。最终，二极管的电不对称的布置导致功率半导体模块的寿命的变短。

为了避免由于过电压峰值导致的对功率开关芯片的损坏，原则上有两种方案。一方面可以提高功率开关芯片的截止电压。另一方面，可以减小换向回路（Kommutierungskreis）中的电感。因为截止电压的提高技术上导致在功率开关芯片中的较高的损耗并且由此在反用换流器的技术参数相同的情况下所需的芯片面积上升，因此通常导致换向回路中的电感减少。

过电压峰值的高度通过由换向电流所确定的面积和从而很大程度上由换向回路中的电感确定。图1示出了具有本质上寄生的等效电感的换向回路的简化的等效电路图。其由在中间电路电容器1中的电感Lzk1和Lzk2、在中间电路电容器1和功率半导体模块3之间的引线2的电感Lverb1和Lverb2、以及在功率半导体模块3内的电感Lmodul1和Lmodul2组成。所有电感之和在此近似与通过换向电流回路确定的面积成比例。

由DE 42 40 501A1已知了一种功率半导体电路装置，在功率半导体电路装置中为了减小由快速开关过程引起的电压峰值，正的和负的电流端子分别通过至少两个子端子来构成，其相互紧邻并且彼此并联地设置。

发明内容