具有主动短路故障模式的功率半导体装置制造方法及图纸

功率半导体装置（10）包括提供Si开关（14）的Si芯片（12）以及提供宽带隙材料开关（18）的宽带隙材料芯片（16），其中Si开关（14）和宽带隙材料开关（18）被并联电连接。用于控制功率半导体装置（10）的方法包括：在正常操作模式期间，通过将对应栅极信号施加到至少宽带隙材料开关（18）来控制至少宽带隙材料开关（18）以用于切换经过功率半导体装置（10）的电流；感测功率半导体装置（10）中的故障；以及在所感测故障的情况下，通过施加栅极信号来控制Si开关（14），使得在Si芯片（12）中生成电流，所述电流将Si芯片（12）加热到形成经过Si芯片（12）的永久导通通路的温度。

Power Semiconductor Device with Active Short Circuit Fault Mode

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有主动短路故障模式的功率半导体装置
本专利技术涉及功率半导体装置的领域。特别地，本专利技术涉及用于控制功率半导体装置的方法并且涉及半导体装置。
技术介绍
功率半导体装置（诸如转换器、电驱动器、STATCOMS等）通常由多个功率半导体模块组装成，所述多个功率半导体模块中的每个功率半导体模块机械和电连接一个或多个功率半导体元件。在高压DC应用中，通常要求多个功率半导体模块的串联连接以满足高电压和高电流要求。在故障情况下变得永久导通的功率半导体模块可在这样的串联连接中具有极大优点。可以以数种方式来达到这样的短路故障模式（SCFM）。在被动SCFM概念中，流过故障的Si（硅）芯片的转换器电流可在Si芯片的故障情况下创建低欧姆电阻。例如，电流可加热Si芯片以及芯片上的Al（铝）预制件。在相对低的温度（577℃）下的Si与Al之间的共晶反应于是可创建永久导通电流通路作为固有故障补偿（intrinsicfailurecompensation）。例如，EP2503595A1涉及具有基于Si的半导体芯片的功率半导体模块，所述基于Si的半导体芯片被提供在能够与所述芯片的Si材料形成共晶合金的两个层之间。此外，存在主动SCFM概念，诸如涉及具有适于将半导体模块旁路的短路装置的高功率半导体模块的EP2824701A1。一般来说，具有固有SCFM能力的半导体装置允许具有冗余度的半导体装置的串联连接，并且可省略机械单元旁路。由于它们的高阻断能力，具有基于SiC（碳化硅）和其他宽带隙材料的半导体装置的半导体模块越来越多地被采用于高压应用中。WO2016/062426A1涉及具有在一个衬底上的IGBT和SiC开关的半导体模块，其中销（pin）被压在采用压装布置（press-packarrangement）的IGBT上。WO2013/004297A1示出并联连接的IGBT。在故障的情况下，高压栅极脉冲被施加到IGBT中的至少一个IGBT。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供基于宽带隙半导体元件的紧凑、安全并且更不复杂的功率半导体装置。这个目的通过独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求和以下描述，进一步的示例性实施例是显而易见的。本专利技术的第一方面涉及用于控制功率半导体装置的方法。在这里以及下文中，术语“功率”可涉及用来处理大于10A的电流和/或大于1.000V的能力。该方法可由功率半导体装置的栅极控制器执行。根据本专利技术的实施例，功率半导体装置包括提供Si（硅）开关的Si芯片，并且包括提供宽带隙材料开关的宽带隙材料芯片，其中Si开关和宽带隙材料开关被并联电连接。半导体开关一般可以是适于通过栅极的控制来切换经过开关的电流的装置。宽带隙材料可以是SiC、GaN等，即，具有至少是Si的两倍大的带隙的半导体材料。可在同一半导体模块中提供并联连接的Si开关和宽带隙材料开关，和/或可在不同半导体模块中提供并联连接的Si开关和宽带隙材料开关。如上文中和下文中所描述并且如下文所描述的那样来控制的功率半导体装置可与其他同样设计和/或同样控制的功率半导体装置堆叠和/或串联连接，以用于切换高电压。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：在正常操作模式期间，通过将对应栅极信号施加到至少宽带隙材料开关来控制至少宽带隙材料开关以用于切换经过功率半导体装置的电流；感测功率半导体装置中的故障；以及在所感测故障的情况下，通过施加栅极信号来控制Si开关，使得在Si芯片中生成电流，所述电流将Si芯片加热到例如通过由Si芯片的Si材料以及布置成与Si芯片相接触的金属预制件形成共晶合金来形成经过Si芯片的永久导通通路的温度。换言之，与宽带隙材料芯片并联连接的Si芯片可用于提供用于Si芯片和宽带隙材料芯片两者的短路故障模式（SCFM）。Si芯片布置在功率半导体装置中，使得所述Si芯片能够为功率半导体装置提供SCFM，和/或所述Si芯片适于在过电流被施加于其时形成导通通路。Si芯片可在半导体（过电压、安全工作区、浪涌电流和/或热）击穿或者相关栅极控制击穿的情况下形成具有低欧姆电阻的导通通路。在检测到故障的情况下，栅极信号被施加到Si芯片的Si开关，使得将Si芯片主动转移到其SCFM中。此外，在所感测故障的情况下，施加到Si开关的栅极信号具有比在正常操作模式中低的电压，使得Si芯片的内部电阻比在正常操作模式中高。将Si芯片主动转移到其SCFM中的可能性是将所述Si芯片的开关切换为电阻导通状态，其中电阻比在其正常导通模式中高并且比其正常阻断模式低。在这种情况下，在正常操作等同设计的功率半导体装置的堆叠和/或串联连接时生成的、经过Si芯片的负载电流可用于加热Si芯片，直到形成永久导通通路。Si芯片以及例如Si芯片上的金属预制件的具有SCFM能力的布置然后被外部施加的电流驱动为热过载，这最终形成SCFM。根据本专利技术的实施例，用于Si开关的栅极信号和用于宽带隙材料开关的栅极信号是可与彼此独立地生成的，使得在感测到故障之后，只有Si开关被提供有栅极信号。例如，控制布置可具有用于宽带隙材料开关的栅极控制器以及用于Si开关的单独的栅极控制器。然而，情况也可以是，独立栅极信号由同一控制器来生成。独立栅极信号可以是在相同时间点具有不同电压电平的信号。根据本专利技术的实施例，在正常操作模式期间，控制Si开关根据宽带隙材料开关来被切换。情况可以是，Si芯片还用于切换负载电流。在正常操作模式期间，栅极信号可具有基本上同样的形式。然而，情况也可以是，Si开关仅用于为功率半导体装置提供SCFM。在这种情况下，Si开关可在功率半导体装置的正常操作模式期间处于阻断模式，和/或可在检测到功率半导体装置中的故障的情况下被切换为电阻导通状态。根据本专利技术的实施例，通过测量跨功率半导体装置的电压来感测故障，当功率半导体模块被切换为导通状态时，故障情况下的所述电压高于标称电压。可用集成到功率半导体装置中的电压传感器来测量这样的电压。在此情况下，SiC芯片发生故障，当所述SiC芯片被切换为导通状态时，其电阻可保持比标称电阻高。作为结果的电压降可用作故障的指示物。根据本专利技术的实施例，通过容纳宽带隙材料芯片的功率半导体模块内部的光检测来感测故障。一些种类的故障可生成电弧，可用光检测传感器来检测所述电弧。根据本专利技术的实施例，通过容纳宽带隙材料芯片的功率半导体模块内部的电弧电压检测来感测故障。另外的可能性是通过电弧电压测量来检测电弧。在任何情况下，来自对应传感器（诸如模块电压传感器、光检测传感器和/或电弧电压传感器）的测量信号可由控制器来评估，所述控制器生成故障信号，并且将这个故障信号用于将Si芯片触发为其SCFM。根据本专利技术的实施例，Si芯片附连到金属预制件，所述金属预制件适于在被经过Si芯片的电流加热到高于特定温度（即，导通通路形成温度）时形成经过Si芯片的导通通路。Si芯片和金属预制件可适于在被加热时形成共晶合金。例如，可以是直接附连到Si芯片的金属体的金属预制件可由Al（铝）或Mo（钼）制成。根据本专利技术的实施例，功率半导体装置适于在被过电流加热时形成经过宽带隙材料芯片的至少暂时导通通路。也许可能的是，宽带隙材料芯片还具有至少暂时短路故障模式。例如，在故障的情况下，可形成暂时导通通路和/或具有比宽带隙材料开关的导通状态高的电阻的导通通路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于控制功率半导体装置（10）的方法，所述功率半导体装置（10）具有提供Si开关（14）的Si芯片（12）并且具有提供宽带隙材料开关（18）的宽带隙材料芯片（16），其中所述Si开关（14）和所述宽带隙材料开关（18）被并联电连接，所述方法包括：在正常操作模式期间，通过将对应栅极信号施加到至少所述宽带隙材料开关（18）来控制至少所述宽带隙材料开关（18），以用于切换经过所述功率半导体装置（10）的电流；感测所述功率半导体装置（10）中的故障；在所感测故障的情况下，通过将栅极信号施加到所述Si芯片（12）来控制所述Si开关（14），使得在所述Si芯片（12）中生成电流，所述电流将所述Si芯片（12）加热到形成经过所述Si芯片（12）的永久导通通路的温度，其中施加到所述Si开关（14）的所述栅极信号具有比在所述正常操作模式中低的电压，使得所述Si芯片（12）的内部电阻比在所述正常操作模式中高。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.01 EP 17154196.41.一种用于控制功率半导体装置（10）的方法，所述功率半导体装置（10）具有提供Si开关（14）的Si芯片（12）并且具有提供宽带隙材料开关（18）的宽带隙材料芯片（16），其中所述Si开关（14）和所述宽带隙材料开关（18）被并联电连接，所述方法包括：在正常操作模式期间，通过将对应栅极信号施加到至少所述宽带隙材料开关（18）来控制至少所述宽带隙材料开关（18），以用于切换经过所述功率半导体装置（10）的电流；感测所述功率半导体装置（10）中的故障；在所感测故障的情况下，通过将栅极信号施加到所述Si芯片（12）来控制所述Si开关（14），使得在所述Si芯片（12）中生成电流，所述电流将所述Si芯片（12）加热到形成经过所述Si芯片（12）的永久导通通路的温度，其中施加到所述Si开关（14）的所述栅极信号具有比在所述正常操作模式中低的电压，使得所述Si芯片（12）的内部电阻比在所述正常操作模式中高。2.如权利要求1所述的方法，其中用于所述Si开关（14）的栅极信号和所述宽带隙材料开关（18）的栅极信号是能够与彼此独立地生成的，使得在感测所述故障之后，只有所述Si开关（14）被提供有栅极信号。3.如权利要求1或2所述的方法，其中在所述正常操作模式期间，控制所述Si开关（14）根据所述宽带隙材料开关（18）来被切换。4.如前述权利要求之一所述的方法，其中通过测量跨所述功率半导体装置（10）的电压来感测所述故障，当所述功率半导体装置（10）被切换为导通状态时，故障情况下的所述电压高于标称电压。5.如前述权利要求之一所述的方法，其中通过容纳所述宽带隙材料芯片（16）的功率半导体模块（30，30’）内部的光检测以及容纳所述宽带隙材料芯片（16）的功率半导体模块（30，30’）内部的电弧电压检测中的至少一个来感测所述故障。6.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述Si芯片（12）附连到适于当被经过所述Si芯片（12）的电流加热到高于特定温度时形成经过所述Si芯片（12）的导通通路的金属预制件（28）。7.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述功率半导体装置（10）适于在被过电流加热时形成经过所述宽带隙材料芯片（16）的至少暂时导通通路；以及其中所述宽带隙材料芯片（16）附连到适于形成所述导通通路的金属预制件（28’）。8.如前述权利要求之一所述的方法，其中所述Si开关（14）是具有内部反向导通二极管的双模类型开关、晶体...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳春雷，F杜加尔，M拉希莫，PK施泰默，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH