专利名称：控制半导体元件的组件与具有该组件的大功率电路和装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体元件的控制，本实用新型特别是涉及用于控制半导体元件 的组件。本实用新型此外涉及一种具有半导体元件和相应组件的大功率电路以及一种由两 个半导体元件和相应组件组成的装置。
背景技术：
为控制具有绝缘栅电极(绝缘栅双极性晶体管，IGBT)的例如像双极晶体管的半 导体元件，栅单元可以分成两个块逻辑功能的IGBT驱动器块以及功率功能的箝位电路和 配电块。IGBT驱动器块通常具有相当小的功率范围并可以设置在非常小的区域上，例如小 型电路板(印刷电路板，缩写PCB)。与此相比，箝位电路和配电块由于功率消耗和电位的所 需距离而需要附加的空间。在此方面，集电极与栅或发射极之间的电压取决于IGBT功率可 以处于千伏范围内。箝位电路和配电块所需的空间相当大。
实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种半导体元件的简单、低成本和节省位置的控制。提供一种用于控制半导体元件的组件、具有半导体元件和相应组件的大功率电路 以及由两个半导体元件和一个这种组件组成的装置。依据本实用新型的一个实施例，提供一种用于控制半导体元件的组件，该组件具 有用于控制半导体元件的驱动器单元(例如IGBT驱动器逻辑)以及用于向半导体元件分 配电压的箝位及配电器单元(箝位电路和电压分配)。驱动器单元和箝位及配电器单元彼 此以0到小于90度之间的角度安装，以便例如保持漏电途径和优化可供使用的空间或位置。驱动器单元和箝位及配电器单元彼此安装的角度例如可以在5到80度之间，10到 70度之间，10到60度之间，10到50度之间，15到45度之间或者20到40度之间。角度此 外可以为30度、20度或者15度。用于控制半导体元件的这种组件可以使可供使用的空间得到非常紧凑地利用并 可以实现半导体元件的简单和低成本控制。通过将例如栅单元设置在这种组件内，可以减 少空间需求或空间可以得到更加有效的利用，因为仅需要加强空气冷却的大功率部件以紧 凑的方式设置，从而可以最小化电磁干扰。由于驱动器单元和箝位及配电器单紧凑设置，可以减少干扰源与接收机之间的耦 合(电磁兼容EMC)。换句话说，将电磁干扰降到最低限度。集电极与栅或发射极之间产生 的面积保持得尽可能小，因为电磁感应(EMC干扰)取决于面积的大小。也就是说，展开的 面积越大，控制单元就越容易受到干扰。驱动器单元和箝位及配电器单元紧凑设置的这种组件可以使箝位及配电器单元的大功率部件缩短连接或缩短接线。此外，集电极与栅或发射极之间的距离可以按所需大小，以保持取决于所要控制 的半导体的电压的空气隙和漏电途径。也就是说，电压越大，正确功能的空气隙和漏电途径 就必须越大。这种组件例如可以具有编码螺钉，其确定相同部件在不同工作模式中的应用。依据本实用新型的另一个实施例，组件此外具有冷却单元，其中，驱动器单元与箝 位及配电器单元之间的距离被构成为通过冷却单元取得驱动器单元和箝位及配电器单元 的最佳冷却。驱动器单元和箝位及配电器单元这样彼此设置，使其为达到高气流速度提供 小风道截面。依据本实用新型的另一个实施例，组件具有冷却单元，其中，箝位及配电器单元设 置在通过冷却单元提供的第一气流内以用于冷却箝位及配电器单元。驱动器单元设置在通 过冷却单元提供的第二气流内以用于冷却驱动器单元。第一气流提供与第二气流相比更加 有效(强化)的冷却。具有冷却单元的这种组件可以使具有高损耗功率和可以影响半导体开关特性以 及高放热的箝位及配电器单元得到有针对性的强空气冷却。强空气冷却例如与用于控制半 导体元件并具有低损耗功率的驱动器单元相比可以明显更强。具有冷却单元的这种组件可以通过有针对性地设置驱动器单元和箝位及配电器 单元提供风道，从而箝位及配电器单元可以得到冷却。冷却单元例如可以采用吸入新鲜空气的风扇实现。空气然后可以有针对性地通过 冷却单元。依据本实用新型的另一实施例，驱动器单元是一种用于控制半导体元件的栅单兀。依据本实用新型的另一实施例，驱动器单元是一种驱动器电路板。驱动器单元此 外可以是驱动器印刷电路板或印制电路板或者控制电路板。依据本实用新型的另一实施例，箝位及配电器单元是一种箝位及配电器电路板或 箝位及配电器印刷电路板。箝位及配电器单元同样可以作为箝位电路板实施。依据本实用新型的另一实施例，驱动器单元可以具有至少一个用于加大漏电途径 的缝隙。依据本实用新型的另一实施例，驱动器单元具有两个通道，它们彼此电隔离并被 构成为串联或者独立地控制半导体元件和另一半导体元件。半导体元件在此方面可以是具有绝缘的栅电极的双极性晶体管(绝缘栅双极性 晶体管，IGBT)。依据本实用新型的另一实施例，箝位及配电器单元具有至少一个用于加大漏电途 径的缝隙。依据本实用新型的另一实施例，组件具有用于调整组件运行模式的跨接装置。跨接装置可以是由编码跨接器、编码螺钉、编码螺栓和编码销钉组成的组中的元 件。这种跨接装置被构成用于跨接触点并可以机械确定驱动器单元的运行模式。依据本实用新型的另一实施例，跨接装置的位置确定驱动器单元的运行模式。驱动器单元依据跨接装置的确定的第一位置在第一运行模式中工作。驱动器单元依据跨接装 置的确定的第二位置在第二运行模式中工作。依据本实用新型的另一实施例，组件此外具有供电电缆，其具有用于提高半导体 元件电磁运行特性的铁氧体，例如用于减少电磁干扰。例如可以利用滤波器达到减少干扰的目的。带具有铁氧体的供电电缆的这种组件可以抑制“共模”或最小化电磁干扰。换句 话说，“共模电感”以供电电缆内的铁氧体的方式减少电磁干扰。依据本实用新型的另一实施例，半导体元件是一种大功率用途的具有绝缘栅电极 (IGBT)的双极性晶体管。依据本实用新型的另一实施例提供一种大功率电路，其具有半导体元件和按前述 实施例之一所述的组件。依据本实用新型的另一实施例，大功率电路为变频器。依据本实用新型的另一实施例，大功率电路是一种由开关电源、驱动技术的变频 器、感应炉上的变频器、直流斩波器(Gleichstromsteller)、与电子变压器连接例如卤素低 压灯的调光器、相角控制器、高压-直流电传输器、逆变器、半导体继电器和中压变频器组 成的组中的任一项。依据本实用新型的另一实施例，提供由两个半导体元件和一个按前述权利要求之 一所述的组件所组成的一种装置。依据本实用新型的另一实施例，提供大量的半导体元件和按前述实施例之一所述 组件所组成的装置。不同实施例的各项特征也可以相互组合，由此部分还可以出现超出单项作用总和 的有利效果，尽管对其没有明确介绍。
下面通过参照据此举例说明的实施方式对本实用新型的这些和其他方面进行介 绍和说明。其中图1示出具有大功率电路的双IGBT驱动器示意图；图2A示出依据本实用新型实施例的具有用于控制半导体元件的组件大功率电路 的透视图示意图；图2B示出依据本实用新型实施例的用于控制半导体元件的组件的透视图示意 图；图2C示出依据本实用新型实施例的如图2B所示的用于控制半导体元件的组件的 前视图示意图；图2D示出依据本实用新型实施例的如图2B和2C所示的用于控制半导体元件的 组件的截面图示意图；图3示出依据本实用新型另一实施例的如图2A-2D所示的组件的驱动器单元的部 分前视图的示意图。
具体实施方式
图1示出两个IGBT驱动器101的装置100，具有各自一个箝位电路与配电器单 元102，用于分配电压或功率和用于影响各自一个半导体元件，特别是具有各自一个集电极 103、发射极104和栅105的IGBT的开关特性。IGBT驱动器101调节逻辑功能或控制IGBT-栅105，其中，箝位电路与配电器单元 102调节IGBT的功率功能。取决于IGBT的功率，集电极103上可以相对于栅105或发射极104施加千伏范围 的电压。图2A给出大功率电路216的示意透视图，具有两个半导体元件201、211，它们与用 于控制半导体元件201、211的组件200连接。驱动器单元202被构成用于控制半导体元件 201、211。箝位及配电器单元203被构成用于向半导体元件201、211分配电压，其中，箝位 及配电器单元203可以作为对称电路板构成。各自可以作为电路板或印刷电路板构成的驱动器单元202和箝位及配电器单元 203彼此以0到90度之间的角度204安装，以保持漏电途径和优化可供使用的位置。驱动器单元202具有两个通道210，它们彼此电隔离并被构成用于串联或者独立 控制半导体元件201和其他半导体元件211。半导体元件201、211可以是IGBT。图2A此外示出冷却单元205，其中，驱动器单元202和箝位及配电器单元203之间 的距离被构成为通过冷却单元205提供驱动器单元202和箝位及配电器单元203的最佳冷 却。驱动器单元202和箝位及配电器单元203这样彼此设置，使其为达到高的空气流动速 度提供小的风道截面。箝位及配电器单元203设置在通过冷却单元205提供的第一气流206内以用于冷 却箝位及配电器单元203。驱动器单元202设置在通过冷却单元205提供的第二气流207内以用于冷却驱动 器单元202。第一气流206与第二气流207相比提供更加有效的冷却。例如冷却单元在图2A 的实施方式中也可以设置在两个单元202、203旁边的右侧。冷却单元205是将空气送过整个变频器(总设备)的大风扇。例如该风扇可以产 生欠压，由此空气然后“拉动”通过全部功率部件。这样该电路板也得到新鲜空气。如图2B 所示，通过风向转向器达到上部存在比下部(参见气流207)更大气流206的目的。在此方 面，空气基本上从该侧面吹过冷却体。箝位及配电器单元203具有扩大冷却面积的多个冷却体217，用于通过冷却单元 205更加有效冷却箝位及配电器单元203。依据图2A，组件具有集成了铁氧体218的供电电缆215，用于提高半导体元件201、 211的电磁运行特性，例如用于减少电磁干扰。图2B示出图2A所示的用于控制半导体元件201的组件200的透视图，具有供电 电缆215、驱动器单元202、箝位及配电器单元203及冷却体217和两个彼此电隔离的通道 210。此外在图2B中，箝位及配电器单元203具有至少一个用于加大漏电途径的缝隙 208。[0062]驱动器单元202同样具有至少一个用于加大漏电途径的缝隙209。驱动器单元202可以是用于控制半导体元件201的栅单元。依据图2B的组件200此外具有用于调整组件200运行模式的跨接装置212。跨接 装置212可以是编码跨接装置、编码螺钉、编码螺栓或编码销钉。跨接装置212的位置确定驱动器单元202的运行模式。驱动器单元202依据跨接装置212的确定的第一位置213在第一运行模式中工作。驱动器单元202依据跨接装置212的确定的第二位置214在第二运行模式中工作。图2C示出图2B的用于控制半导体元件的组件200的前视图示意图。图2D示出图2B和2C的用于控制半导体元件的组件200的截面图示意图。图3示出图2A-2D组件的驱动器单元202的部分前视图的示意图，具有用于加大 漏电途径的三个缝隙208以及用于调整具有驱动器单元202的组件的运行模式的两个跨接 装置212。跨接装置212的位置确定驱动单元202的运行模式，其中，驱动器单元202依据跨 接装置212的确定的第一位置213在第一运行模式中工作，以及其中驱动器单元202依据 跨接装置212的确定的第二位置214在第二运行模式中工作。虽然在参照实施例的情况下对本实用新型申请进行了介绍，但可以进行各种各样 的变化和修改，而不偏离本实用新型的保护范围。作为补充需要指出的是，“包括”或者“具有”不排除其他元素或者步骤，“一个”或 者“没有”排除多数。特别是用于控制半导体元件的组件例如可以具有一个以上的驱动器单元、一个以 上的箝位及配电器单元、一个以上的冷却单元、一个以上的跨接装置和一个以上的供电电 缆，大功率电路具有一个以上的半导体元件和一个以上的组件，以及装置具有两个以上的 半导体元件和一个以上的组件。此外需要指出的是，参照上述实施例所介绍的特征或者步骤也可以在与上述其他 实施例的其他特征或者步骤的组合下使用。权利要求中的附图符号不应视为限制。附图标记清单100具有大功率开关电路的双IGBT驱动器的装置101 IGBT 驱动器102箝位电路和配电器103 集电极104发射极105 栅200用于控制半导体元件的组件201 半导体元件，IGBT202驱动器单元，驱动器电路板，驱动器印刷电路板203箝位及配电器单元203，箝位及配电器电路板，箝位及配电器印刷电路板204 0 到小于 90 度，5-80 度，10-70 度，10-60 度，10-50 度，15-45 度，20-40 度、30 度、20度、15度的角度[0088]205冷却单元[0089]206第一气流[0090]207第二气流[0091]208驱动器单元的缝隙[0092]209箝位及配电器单元的缝隙[0093]210通道，彼此电隔离[0094]212跨接装置，编码螺钉、螺栓、销钉[0095]213跨接装置的第一位置[0096]214跨接装置的第二位置[0097]215包括铁氧体的供电电缆[0098]216大功率电路[0099]217冷却体[0100]218铁氧体
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权利要求用于控制半导体元件的组件，其特征在于该组件(200)具有用于控制半导体元件(201)的驱动器单元(202)；用于在第一半导体元件(201)与第二半导体元件(211)之间分配电压的箝位及配电器单元(203)；其中，驱动器单元(202)和箝位及配电器单元(203)彼此以0到小于90度之间的角度(204)安装。
2.按权利要求1所述的组件，此外具有冷却单元(205)；其中，驱动器单元(202)与箝 位及配电器单元(203)之间的距离被构成使得通过冷却单元(205)为驱动器单元(202) 和箝位及配电器单元(203)提供最佳冷却；其中，驱动器单元(202)和箝位及配电器单元 (203)被彼此设置使得为达到高气流速度而提供小风道截面。
3.按权利要求1所述的组件，此外具有冷却单元(205)；其中，箝位及配电器单元 (203)设置在通过冷却单元(205)提供的第一气流(206)内以用于冷却箝位及配电器单元 (203)；其中，驱动器单元(202)设置在通过冷却单元(205)提供的第二气流(207)内以用 于冷却驱动器单元(202)；其中，第一气流(206)提供与第二气流(207)相比更加有效的冷 却。
4.按前述权利要求1-3之一所述的组件，其中，驱动器单元(202)是一种用于控制半导 体元件(201)的栅单元。
5.按前述权利要求1-3之一所述的组件，其中，驱动器单元(202)具有至少一个用于加 大漏电途径的缝隙(208)。
6.按前述权利要求1-3之一所述的组件，其中，驱动器单元(203)具有两个通道 (210)，它们彼此电隔离并被构成为串联或者独立控制半导体元件(201)和另一半导体元 件(211)。
7.按前述权利要求1-3之一所述的组件，其中，箝位及配电器单元(203)具有至少一个 用于加大漏电途径的缝隙(209)。
8.按前述权利要求1-3之一所述的组件，此外具有用于调整组件(200)运行模式的跨 接装置(212)。
9.按权利要求8所述的组件，其中，跨接装置(212)的位置确定驱动器单元(202)的运 行模式；其中，驱动器单元(202)依据跨接装置(212)的确定的第一位置(213)在第一运行 模式中工作；其中，驱动器单元(202)依据跨接装置(212)的确定的第二位置(214)在第二 运行模式中工作。
10.按前述权利要求1-3之一所述的组件，此外具有供电电缆(215)，其0具有用于提 高半导体元件(201)电磁运行特性的铁氧体(218)。
11.按前述权利要求1-3之一所述的组件，其中，半导体元件(201)是一种大功率用途 的绝缘栅电极(IGBT)的双极性晶体管。
12.大功率电路，具有半导体元件(210)和用于控制半导体元件(201)的组件(200)，其特征在于该组件(200)具有用于控制半导体元件(201)的驱动器单元(202)；用于在第一半导体元件(201)与第 二半导体元件(211)之间分配电压的箝位及配电器单元(203)；其中，驱动器单元(202)和 箝位及配电器单元(203)彼此以0到小于90度之间的角度(204)安装。
13.按权利要求12所述的大功率电路，其中，大功率电路(216)为变频器。
14.由两个半导体元件和一个用于控制两个半导体元件的组件(200)组成的装置，其特征在于该组件(200)具有用于控制半导体元件(201)的驱动器单元(202)；用于在第一半导体元件(201)与第 二半导体元件(211)之间分配电压的箝位及配电器单元(203)；其中，驱动器单元(202)和 箝位及配电器单元(203)彼此以0到小于90度之间的角度(204)安装。
专利摘要本实用新型涉及用于控制半导体元件的栅单元装置，尤其是一种用于控制半导体元件(201)的组件(200)，具有用于控制半导体元件(201)的驱动器单元(202)和用于向半导体元件(201)分配电压和用于影响半导体元件(201)开关特性的箝位及配电器单元(203)。驱动器单元(202)和箝位及配电器单元(203)彼此以例如0到小于90度之间的角度(204)安装，以保持必要的漏电途径和优化可供使用的空间。跨接装置(212)被构成用于调整组件(202)的运行模式。
文档编号H03K17/567GK201623694SQ20092017802
公开日2010年11月3日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年9月23日
发明者F·韦伯 申请人:Abb瑞士有限公司