具有续流SIC二极管的RCIGBT.pdf

一种半导体模块（10）包括：反向传导晶体管（12a，12b），其是RC-IGBT或BIGT，具有栅极（26a，26b）、集电极（16a，16b）和发射极（18a，18b），从而在集电极与发射极之间提供反向传导二极管（24a，24b）；与晶体管（12a，12b）反并联连接的至少一个续流二极管（28a，28b），其在静态期间具有高于反向传导二极管的正向电压降；和控制器（32），用于使栅极（26a，26b）与电势连接来导通和关断晶体管（12a，12b）。控制器（32）适于在反向传导二极管（24a，24b）进入阻断状态之前向晶体管（12a，12b）的栅极（26a，26b）施加正电势的脉冲（46），使得在反向传导二极管（24a，24b）进入阻断状态的动态中，反向传导二极管的正向电压降高于至少一个续流二极管（28a，28b）的。

权利要求书1.   一种半导体模块（10），包括：反向传导晶体管（12a，12b），其具有栅极（26a，26b）、集电极（16a，16b）和发射极（18a，18b），从而在集电极（16a，16b）与发射极（18a，18b）之间提供反向传导二极管（24a，24b）；与所述晶体管（12a，12b）反并联连接的至少一个续流二极管（28a，28b），其在静态期间具有高于所述反向传导二极管的正向电压降；控制器（32），用于使所述栅极（26a，26b）与电势连接来导通和关断所述晶体管（12a，12b）；其中所述控制器（32）适于在所述反向传导二极管（24a，24b）进入阻断状态之前向所述晶体管（12a，12b）的栅极（26a，26b）施加正电势的脉冲（46），使得在所述反向传导二极管（24a，24b）进入阻断状态的动态中，所述反向传导二极管的正向电压降高于所述至少一个续流二极管（28a，28b）的，其中所述反向传导晶体管（12a，12b）是RC-IGBT或BIGT，并且其中所述至少一个续流二极管（28a，28b）包括SiC二极管。2.   如权利要求1所述的半导体模块（10），其中所述控制器（32）适于在所述反向传导二极管（24a，24b）处于传导状态时向所述栅极（26a，26b）施加负电势，并且在所述栅极脉冲（46）期间向所述栅极施加正电势。3.   如权利要求1或2所述的半导体模块（10），其中在所述静态期间，所述反向传导二极管（24a，24b）的电阻小于所述至少一个续流二极管（28a，28b）的电阻。4.   如前述权利要求中的一项所述的半导体模块（10），进一步包括：与所述晶体管（12a，12b）反并联连接的超过一个的续流二极管（28a，28b）。5.   如前述权利要求中的一项所述的半导体模块（10），其中与所述晶体管（12a，12b）反并联的至少一个续流二极管（28a，28b）调整成这样的晶体管，其在预定义温度范围中使所述半导体模块的开关损耗最小化。6.   如前述权利要求中的一项所述的半导体模块（10），其中调整与所述晶体管（12a，12b）反并联的至少一个续流二极管（28a，28b）使得在预定义温度范围中有以下中的至少一个：在所述静态期间至少60%的电流流过所述反向传导二极管（24a，24b）；或在动态相位期间至少60%的电流流过所述至少一个续流二极管（28a，28b）。7.   如权利要求5或6所述的半导体模块（10），其中温度范围是50℃至200℃。8.   如前述权利要求中的一项所述的半导体模块（10），其中所述控制器（32）适于确定所述反向传导二极管（24a，24b）将从传导状态切换到阻断状态。9.   如前述权利要求中的一项所述的半导体模块（10），进一步包括：第一反向传导晶体管（12a），其与第二反向传导晶体管（12b）串联连接，其中第一DC输入（14）由所述第一晶体管（12a）的自由端提供，第二DC输入（20）由所述第二晶体管（12b）的自由端提供并且相位输出（22）在串联连接的晶体管之间提供；其中所述至少一个续流二极管（28a）与所述第一反向传导晶体管（12a）反并联连接；其中所述控制器适于通过接收对于所述第二晶体管（12b）的开关命令来确定所述第一晶体管（12a）的反向传导二极管（24a）将从传导切换到阻断状态。10.   如权利要求9所述的半导体模块（10），其中所述控制器（32）适于在接收所述开关命令后通过将所述第二晶体管的栅极（26b）处的负电势变成所述栅极处的正电势而使所述第二晶体管（12b）从关断状态切换成导通状态。11.   如权利要求9或10中的一项所述的半导体模块（10），其中施加到所述第一晶体管（12a）的栅极脉冲（46）的脉冲长度是所述第二晶体管（12b）的关断状态的长度的至少10%。12.   如权利要求7至10中的一项所述的半导体模块，其中所述控制器（32）适于在使所述第二晶体管切换到关断状态之前等待所述栅极脉冲（46）后的阻断时期。13.   一种用于开关反向传导晶体管（12a，12b）和与所述晶体管反并联连接的至少一个续流二极管（28a，28b）的方法，其中所述至少一个续流二极管（28a，28b）在静态期间具有高于所述晶体管（12a，12b）的反向传导二极管（24a，24b）的正向电压降；所述方法包括：确定所述反向传导二极管（24a）将从传导状态切换到阻断状态；在所述反向传导二极管（24a，24b）进入阻断状态之前向所述晶体管的栅极（26a，26b）施加正电势的脉冲（46），使得在所述反向传导二极管进入阻断状态的动态中，所述反向传导二极管的正向电压降高于所述至少一个续流二极管（28a，28b）的，其中所述反向传导晶体管（12a，12b）是RC-IGBT或BIGT，并且其中所述至少一个续流二极管（28a，28b）包括SiC二极管。

说明书具有续流SiC二极管的RC-IGBT
技术领域
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
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。
一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EP 2 249 392 A2中描述的。
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VCE）。
还已知通过所谓的MOS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IC国际研讨会议程（2008年5月18至22）的Rahimo等人的文章“A high current 3300 V module employing reverse conducting IGBTs setting a new benchmark in output power capability”描述用于控制采用反向传导模式的RC-IGBT的技术。
用于控制在桥电路中布置的垂直型MOSFET的方法从US 2008/0265975 A1获悉，其中内置二极管的正向电压通过向MOSFET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。
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
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。
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。
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。
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。
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一体化。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。
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。
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。
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。
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。
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。
栅极脉冲的施加可称为MOS控制。特别地，反并联SiC二极管与BIGT的MOS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。
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。
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。
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。
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。
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。
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℃至200℃。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。
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一个或多个续流二极管。
根据本发明的实施例，控制器适于和/或方法进一步包括：通过接收对于第二晶体管的开关命令来确定第一晶体管的反向传导二极管将从传导切换到阻断状态。该开关命令可以是关断命令，其例如从中央控制器接收。通过具有反并联续流二极管的晶体管的MOS控制的使用可由晶体管中的一个的半桥的栅极单元（控制器）在另一个晶体管关断时执行。 
在具有两个RC-IGBT或BIGT的半桥的情况下，在一个IGBT切换传导之前，向另一个施加MOS控制脉冲。
根据本发明的实施例，控制器适于和/或方法进一步包括：在接收开关命令后通过将第二晶体管的栅极处的负电势变成栅极处的正电势而使第二晶体管从关断状态切换到导通状态。
根据本发明的实施例，施加到第一晶体管的栅极脉冲的脉冲长度是第二晶体管的关断状态的长度的至少10%。特别地，栅极脉冲的长度可远小于晶体管的关断和导通状态。
根据本发明的实施例，控制器适于和/或方法进一步包括：在使第二晶体管切换到关断状态之前等待栅极脉冲后的阻断时期。为了防止半桥的短路和/或为了调整反向传导二极管的耗尽，第二晶体管的导通可相对于栅极脉冲的末端具有时间偏移（阻断时期）。
本发明的这些和其他方面从下文描述的实施例将是明显的并且参考它们来解释。
附图说明
本发明的主题将参考在附图中图示的示范性实施例在下面的正文中更详细地解释。
图1示意地示出根据本发明的实施例的半导体模块的高功率电路布局。
图2示意地示出图1的半导体模块的电路板布局。
图3示出具有栅电压的图，用于图示开关图1和2的模块的方法。
图4示出具有导通电流的图，其图示对图1和2的模块的续流二极管的调整。
在图中使用的标号和它们的含义在标号列表中以概要的形式列出。原则上，同样的部件在图中提供有相同标号。
具体实施方式
图1示出半导体模块10的高功率半导体的电路布局。必须理解高功率半导体可以是用于处理超出10A的电流和/或超出1000V的电压的半导体。模块10包括两个BIGT 12a、12b，其串联连接并且形成半桥。第一晶体管12在它的集电极16a处提供DC+输入14并且使它的发射极18a与第二晶体管12b的集电极16b连接，该第二晶体管12b在它的发射极18b处提供DC-输入20。在两个晶体管12a、12b之间（即由发射极18a和集电极16b）提供负载输出22。
晶体管12a、12b中的每个包括在两个晶体管的电路符号中指示的内部反向传导二极管24a、24b和适于导通和关断相应晶体管12a、12b的栅极26a、26b。
RC-IGBT包括共同晶圆上的续流二极管和绝缘栅双极晶体管。IGBT（绝缘栅双极晶体管）包括集电极侧和与晶圆的集电极侧相对的发射极侧。晶圆的部分形成具有第一掺杂浓度和基极层厚度的（n-）掺杂基极层。基极层厚度是具有该第一掺杂浓度的晶圆的那部分的集电极与发射极侧之间的最大垂直距离。n掺杂源区、p掺杂基极层和栅电极布置在发射极侧上。栅电极可以是平面或沟道型栅电极。反向传导半导体器件包括电活跃区，该活跃区是晶圆内的区域，其包括源区、基极层和栅电极并且布置在它们下面。
具有比第一掺杂浓度更高掺杂浓度的第一n掺杂层和p掺杂集电极层交替布置在集电极侧上。该第一层包括至少一个第一区，其中每个第一区具有第一区宽度。任何区具有区宽度和区区域，其被区边界所环绕，其中最短距离是所述区区域内的点与所述区边界上的点之间的最小长度。每个区宽度限定为所述区内任何最短距离的最大值的两倍。
BIGT除RC-IGBT的特征外还具有下面的特征。集电极层包括：至少一个第二区，其中每个第二区具有第二区宽度；和至少一个第三区，其中每个第三区具有第三区宽度。每个第三区区域是这样的区域，其边界由具有大于两倍的基极层厚度的距离的任何两个环绕第一区限定。至少一个第二区是第二层的那部分，其不是至少一个第三区。至少一个第三区采用在第三区边界到至少一倍的基极层厚度的活跃区边界之间存在最小距离这样的方式布置在活跃区的中心部分中。至少一个第三区的区域总和在活跃区的10%与30%之间。每个第一区宽度小于基极层厚度。第三区可具有星形形状，其具有形成三星的三个突起、形成交叉的四个突起或五个或以上的突起。BIGT的另外的细节可在国际专利申请EP 2 249 392 A2中找到，该文献的关于反向传导IGBT（其具有采用上文提到的方式具有集电极侧（即，BIGT的）上的小的大p掺杂第二区和至少一个大的第三区）的内容通过引用而合并。限定这样的BIGT的另外的细节可以在EP 2 249 392 A2中找到。
当晶体管12a、12b的栅极26a、26b设置成特定正导通电压/电势时，正电流可从集电极16a、16b流到发射极18a、18b。当栅极26a、26b设置成特定负关断电压/电势时，晶体管阻断从集电极16a、16b到发射极18a、18b的正电流。在任何情况下，二极管24a、24b允许正电流从发射极18a、18b流到集电极16a、16b。
模块10包括一个或多个续流SiC二极管28a、28b，其与晶体管12a、12b反并联并且与反向传导二极管24a、24b并联连接。与二极管24a、24b类似，二极管28a、28b允许正电流从发射极18a、18b流到集电极16a、16b。
图2示出模块10的示意板布局。两个晶体管12a、12b可由PCB 30承载。PCB 30此外承载对于每个晶体管12a、12b的多个续流二极管28a、28b（在示出的示例中，每晶体管12a、12b四个二极管28a、28b）和控制器32或栅极单元32。
图3示出随时间晶体管12a、12b处的栅电压40、42和通过反向传导二极管24b的电流44。图3图示可由控制器32执行的方法。
一般，线40示出施加到第二晶体管12b的栅极26b的电压并且线42示出施加到第一晶体管12a的栅极26a的电压。线44示出流过反向传导二极管28a的电流。
起初，负的栅电压40、42（例如-15V）施加到两个栅极26a、26b。
对于BIGT 12a，在正常的二极管传导模式（静态）期间，BIGT 12a上的正向电压降Vf因为栅极是0或负的而比对于SiC二极管28a的低得多。这可通过对BIGT 12a具有更多的区域和/或更少的寿命控制同时另外SiC二极管28a可在更高温度具有更高正向电压降Vf（由于它的单极动作）而提高。因此，仅小的电流流过SiC二极管28a。
也就是说，在静态（其中静电流流过反向传导二极管24a和续流二极管28a）中，反向传导二极管24a的电阻小于至少一个续流二极管28a的电阻。
在那之后，在时间点t0之前，控制器32确定反向传导二极管28a将从传导状态切换到阻断状态，例如通过接收对于晶体管12b的导通命令。
在时间点t0处，控制器32使栅极26a处的电压42反向为正电势/电压（例如+15V）并且在时间点t-1处使电压42反向回到负电势/电压。
采用这样的方式，栅极脉冲46在反向传导二极管24a进入阻断状态之前施加到栅极26a。在反向恢复之前，BIGT 12a的栅电压增加到正电势，从而由于P阱单元（其充当二极管24a的阳极）的短路而导致高得多的正向电压降Vf。这将使通过SiC二极管28a的电流重定向，并且因此在反向恢复时以及通过施加栅极脉冲46（即，使用MOS控制动作），峰值恢复电流48是非常低的（其导致更低的损耗）并且BIGT二极管28a将仍提供软尾。
为了在正的栅电势下实现相当高的正向电压降，可使用沟道型BIGT 12a、12b。
t0与t1之间的时期ΔtP（即，栅极脉冲的长度）可以是大约10μs。
在栅极脉冲46之后，控制器在它使第二晶体管的栅电压40切换到正电势/电压用于导通晶体管12a之前等待阻断时期ΔtB。该阻断时期ΔtB可小于5μs。
方法组合BIGT（或更一般地，RC-IGBT）和SiC单极二极管，其在反向恢复之前具有MOS控制栅极脉冲以在反向恢复之前使电流重定向。
对应调整的续流二极管28a与MOS栅控制的组合可从更低开关损耗和柔软性方面产生优势。方法和器件可使Si BIGT 12a、12b和SiC二极管28a、28b的最佳性能组合以从损耗和柔软性方面实现最好权衡。
利用这样的组合，可实现更低的正向电压降、开关损耗和更软的性能。另外，为了更低的成本，与标准方法相比，对于二极管28a、28b可需要更少的SiC区域。
图4示出对于BIGT 12a、12b与不同数量的SiC二极管28a、28b的不同组合具有反射的反向恢复电流的图，用于图示可如何调整晶体管和续流二极管28a、28b的特性。
随时间的电流50a、50b、50c、50d、50e基于对1.7 kV BIGT 12a、12b和四个SiC二极管28a、28b所实施的测试。原则上，电流50a、50b、50c、50d、50e是图3的电流44和通过晶体管12b的电流的总和。
在室温进行测试，因为它是从对这些器件给出的正向电压降值Vf证明概念的最佳情况。对于这样的测试，在不同模式下仍存在很多共享。
下面的表示出结果。

电流50d示出导致非常小的损耗和软尾的最佳组合。
尽管本发明已经在图和前面的描述中详细地图示和描述，这样的图示和描述要认为是说明性或示范性而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。对公开的实施例的其他变化形式可以被本领域内技术人员所理解和实现并且从对图、公开和附上的权利要求的学习来实践要求保护的本发明。在权利要求中，词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一（a）”或“一（an）”不排除复数。单个处理器或控制器或其他单元可实现在权利要求中列举的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的这一事实不指示这些措施的组合无法被有利地使用。在权利要求中的任何标号不应该解释为限制范围。
标号列表
10半导体模块12a，12b晶体管14DC+输入16a，16b集电极18a，18b发射极20DC-输入22负载输出24a，24b反向传导内部二极管26a，26b栅极28a，28b续流二极管30PCB32控制器40栅电压42栅电压44通过反向传导二极管的电流46栅极脉冲48峰值恢复电流t0栅极脉冲的开始t1栅极脉冲的结束t2导通脉冲的开始ΔtP栅极脉冲长度ΔtB阻断时期50a至50e恢复电流