具有续流SiC二极管的RC-IGBT的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及功率半导体的领域。特别地，本发明涉及半导体模块和用于开关这样 的模块上的反向传导晶体管的方法。
【背景技术】
[0002] 例如，高功率逆变器、整流器和其他电气高功率设备包括半桥模块，其通常包括串 联连接用于使设备的DC侧与AC侧连接的两个半导体开关。在该情况下，半导体开关在它 的反向方向（即与适于传导电流的方向相反的方向）上阻断，当导通半导体开关时，使续流 二极管反并联地连接到半导体开关是可能的。
[0003] -些半导体开关已经独立提供这样的反向传导电流路径，通常利用与半导体开关 一体化的反向传导二极管。对于这样的开关的示例是RC-IGBT或特别地BIGT，例如在EP2 249 392A2中描述的。
[0004] 然而，采用反向传导二极管模式的BIGT可以正栅值遭受更高的传导损耗(通常基 于正向电压降Vf)。此外，为了更低的二极管模式开关损耗而优化BIGT，通常可采用寿命控 制，从而导致更高的二极管和晶体管传导损耗(基于Vf和VeE)。
[0005] 还已知通过所谓的M0S控制(在反向传导二极管进入阻断状态之前晶体管的特殊 开关方案）来减少BIGT的二极管开关损耗。例如，第20届功率半导体器件和1C国际研 讨会议程（2008 年 5 月 18 至 22)的Rahimo等人的文章"Ahighcurrent3300Vmodule employingreverseconductingIGBTssettinganewbenchmarkinoutputpower capability"描述用于控制采用反向传导模式的RC-IGBT的技术。
[0006] 用于控制在桥电路中布置的垂直型M0SFET的方法从US2008/0265975A1获悉， 其中内置二极管的正向电压通过向M0SFET的栅极施加栅极脉冲而控制，由此允许减少二 极管功率损耗。
[0007] 另一方面，Sic单极二极管可用作续流二极管，但通常遭受振荡行为和在更高温度 的高开关损耗。另外，Sic器件的成本使得难以用更大的区域来补偿该行为。
【发明内容】
[0008] 本发明的目标是提供可在高功率半桥中采用的半导体开关，其特别地在高温具有 低开关损耗。
[0009] 该目标通过独立权利要求的主题来实现。另外的示范性实施例从从属权利要求和 下列描述显而易见。
[0010] 本发明的方面涉及半导体模块。例如，半导体模块可包括容置和/或承载半导体 器件(例如晶体管、二极管）和如下文描述的控制器的电路的PCB。
[0011] 根据本发明的实施例，半导体模块包括：反向传导晶体管，其具有栅极、集电极和 发射极，从而在集电极与发射极之间提供反向传导二极管；和与该晶体管反并联连接的至 少一个续流二极管，其在静态(其中静态电流可流过两个二极管）期间具有高于反向传导二 极管的正向电压降。
[0012] 反向传导晶体管是RC-IGBT(反向传导绝缘栅双极晶体管)，特别地BIGT(双模式 绝缘栅晶体管)。至少一个续流二极管可以是至少一个SiC二极管，其可调整成具有如上文 描述的正向电压降。通常，半导体模块可包括一个、两个或以上的反向传导晶体管和/或可 包括与晶体管中的一个反并联连接的一个或超过一个的续流二极管。在一个管芯上提供晶 体管并且在另外的管芯上提供至少一个续流二极管可是这样的情况。反向传导二极管与 RC-IGBT的IGBT-体化。RC-IGBT或BIGT与SiC二极管的组合具有这一优势：续流二极管 具有高于半导体开关的反向传导二极管的正向电压降。从而，这些类型的半导体的组合具 有在反向恢复导致反向恢复之前的电流重定向之前向晶体管的栅极施加正的栅极脉冲的 技术效果。
[0013] 此外，半导体模块包括用于连接栅极与电势来导通和关断晶体管的控制器或栅极 单元。该控制器适于在反向传导二极管进入阻断状态之前向晶体管的栅极施加相反电势的 脉冲，使得在动态(其中反向传导二极管进入阻断状态）中，反向传导二极管的正向电压降 高于至少一个续流二极管的。
[0014] 一般，反向传导晶体管并且特别地反向传导二极管可在动态或动态相位(其中两 个类型的二极管传导快速改变的电流和/或在在传导状态与阻断状态之间切换）期间具有 比续流二极管更高的损耗。此外，随着栅极脉冲的施加，反向传导二极管中存储的电荷可由 晶体管耗尽，这可降低动态相位期间并且特别地从传导状态切换到阻断状态期间反向传导 二极管的损耗。
[0015] 本发明的另外的方面涉及用于开关反向传导晶体管和与晶体管反并联连接的至 少一个续流二极管的方法，其中该至少一个续流二极管在静态期间具有高于反向传导二极 管的正向电压降。特别地，方法可由半导体模块的控制器来实施，例如如在上文和下面描述 的。
[0016] 必须理解如在上文和下面描述的方法的特征可以是如在上文和下面描述的半导 体模块的特征并且反之亦然。
[0017] 根据本发明的实施例，方法包括以下步骤：确定反向传导二极管将从传导状态切 换到阻断状态并且在反向传导二极管进入阻断状态之前向晶体管的栅极施加相反电势的 脉冲，使得在动态(其中反向传导二极管进入阻断状态）期间，反向传导二极管的正向电压 降高于至少一个续流二极管的。
[0018] 栅极脉冲的施加可称为M0S控制。特别地，反并联SiC二极管与BIGT的M0S控制 的组合可在半导体模块操作期间提供减少的开关损耗。
[0019] 另外，为了在反向传导二极管的传导状态中减少它的损耗，晶体管可通过栅极的 对应控制而保持在关断状态。此外，在二极管进入阻断状态之前，晶体管用短的栅极脉冲持 续短时间地导通。
[0020] 根据本发明的实施例，控制器适于和/或方法进一步包括：在反向传导二极管处 于传导状态时向栅极施加负电势，并且在栅极脉冲期间向栅极施加正电势。必须理解正和 /或负电势可具有与用于导通和关断晶体管的电势相同的电压。在反向传导二极管传导期 间，栅极发射极电压可保持为负的，来将电荷存储在器件中。在二极管反向传导即将关断 时，短的正栅极发射极脉冲可施加到反向传导二极管来使存储的电荷最小化。
[0021] 根据本发明的实施例，在静态(其中静态电流可流过反向传导二极管和至少一个 续流二极管)期间，反向传导二极管的电阻小于至少一个续流二极管的电阻。利用至少一个 续流二极管的栅极脉冲和内部电阻，流过反向传导二极管的电流的量可关于流过续流二极 管的电流的量来调整。栅极脉冲可在动态期间使反向传导二极管的内部电阻增加并且从而 电流可从反向传导二极管重定向到续流二极管。
[0022] 根据本发明的实施例，与晶体管反并联的至少一个续流二极管调整成这样的晶体 管，其在预定义温度范围中使半导体模块的开关损耗最小化。特别地，至少一个续流二极管 的特性可通过选择与晶体管反并联连接的适合数量的同等设计的二极管而调整成晶体管 的特性。例如，可选择该数量的续流二极管使得它们的集体内部电阻变得低于栅极脉冲后 反向传导二极管的内部电阻。
[0023] 根据本发明的实施例，调整与晶体管反并联的至少一个续流二极管使得在预定义 温度范围内，在静态相位期间至少60%的电流流过反向传导二极管，和/或在动态相位期间 至少60%的电流流过至少一个续流二极管。
[0024] 根据本发明的实施例，调整至少一个续流二极管所针对的温度范围是50°C至 200°C。特别在高温，SiC二极管可具有相当高的传导损耗并且半导体模块的总损耗可通过 调整二极管和晶体管的特性而减少使得在高温的损耗被最小化。
[0025] 根据本发明的实施例，半导体模块进一步包括与第二反向传导晶体管串联连接的 第一反向传导晶体管，其中第一DC输入由第一晶体管的自由端提供，第二DC输入由第二晶 体管的自由端提供并且相位输出在串联连接的晶体管之间提供，其中至少一个续流二极管 与第一反向传导晶体管反并联连接。半导体模块可包括两个RC-IGBT或两个BIGT的半桥， 其可用于将DC电压转换成AC电压并且反之亦然。晶体管中的一个或两者可提供有