一种抗短路故障和抑爆的功率器件制造技术

本发明专利技术公开了一种抗短路故障和抑爆的功率器件，属于电力电子器件技术领域。功率器件包括直流正极功率端子、直流负极功率端子，两个交流功率端子和若干个功率半导体芯片。功率器件内部的第一换流回路和第二换流回路在器件内部解耦，因此短路故障电流路径包含了两个交流功率端子，增大了短路回路电感，抑制了短路电流上升率及幅值。通过在交流功率端子上连接保险丝或热敏元件，进一步实现对短路电流上升率和幅值的抑制。该构型设计不影响功率器件的正常运行，可实现功率器件“换流回路电感”和“短路耐受能力”的协同优化，具备自主抑制短路故障电流和防止器件爆炸的功能。故障电流和防止器件爆炸的功能。故障电流和防止器件爆炸的功能。

【技术实现步骤摘要】
Inductance Reduction of Commutation Loop in the P
‑
cell and N
‑
cell
‑
Based IGBT Phase Leg Module”中，提出了一种新的功率器件构型，如图8所示，将功率器件内部的两个换流回路分为P单元和N单元，通过邻近布置P单元或N单元中的有源半导体芯片和无源半导体芯片，减小换流回路面积，降低电感。但是此文献未考虑该种设计方案对功率器件短路耐受能力的影响；同时P单元和N单元之间未解耦，直接在功率器件内部相连，导致短路故障电流路径不包含交流功率端子，短路回路电感依然较小。
[0008]当前市面上有采用双交流功率端子方案的半桥拓扑功率器件，但是与提高功率器件的短路电流耐受能力和抑爆性能无关。以德国英飞凌公司生产的PrimePACK
TM
3+封装为例，功率器件内部连接方式如图9所示；两个交流功率端子在器件内部直接连接，因此仅是用于提高交流功率端子的载流能力，降低通流时端子的发热量；功率器件发生短路故障时，短路电流路径如图10所示，依然是直流正极功率端子
‑
上桥臂有源半导体芯片
‑
下桥臂有源半导体芯片
‑
直流负极功率端子，不包括两个交流功率端子，因此该种设计无益于短路故障电流耐受能力和抑爆性能的提高。
[0009]串联保险丝是防止功率器件发生过流爆炸的重要手段之一。在1997年IEEE工业应用大会第三十二届IAS年会论文集中由D.Braun著的“IGBT module rupture categorization and testing”中，介绍了用于防止功率器件爆炸的保险丝设计流程。在2002年电力电子学报论文集中由Frede Blaabjerg著的“Fuse Protection of IGBT Modules against Explosions”中，分析了加入保险丝对逆变器中功率器件正常运行的影响。以上两种方案中，保险丝均直接连接在直流功率端子上，因此保险丝自身的电感会加入换流回路电感中，进而增大有源半导体芯片关断时集电极和发射极之间的过冲电压以及关断损耗。
[0010]综上所述，现有的功率器件构型中，“降低电压过冲”和“提高短路耐受能力”之间存在折中关系，而当前的优化设计方法仅考虑减小换流回路电感，忽视了其短路故障耐受能力的下降。同时，即便采用双交流功率端子设计，也仅是为了提高功率器件交流功率端子的载流能力。以上优化设计方法都无法实现对短路故障的对抗以及抑制功率器件发生过流爆炸的功能。此外，在通过串联保险丝防止传统功率器件构型发生爆炸的方案中，由于保险丝只能连接在直流功率端子上，因此会在换流回路中引入额外的电感，进一步增大了有源功率器件关断时集电极和发射极之间的电压过冲和关断损耗。

技术实现思路

[0011]针对上述问题，本专利技术提供了一种抗短路故障和抑爆的功率器件，结构简单，不影响功率器件在正常工况下的运行，能够自主实现对短路电流的抑制作用，避免功率器件在短路故障、热量聚集的情况下发生爆裂，提高了功率器件的鲁棒性。
[0012]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0013]一种抗短路故障和抑爆的功率器件，包括功率端子、有源半导体芯片、无源半导体芯片、绑定线、衬底和基板；
[0014]所述的功率端子与衬底或绑定线之间形成电连接，包括直流正极功率端子、直流负极功率端子、第一交流功率端子和第二交流功率端子；所述的衬底包括第一金属层、绝缘层和第二金属层，所述第二金属层连接在基板上；
[0015]有源半导体芯片具有三个端口：控制极端口、集电极或漏极端口、发射极或源极端口，与衬底和绑定线之间形成电连接；
[0016]无源半导体芯片具有两个端口：阴极端口、阳极端口，与衬底和绑定线之间形成电连接；
[0017]所述的有源半导体芯片包括上桥臂有源半导体芯片和下桥臂有源半导体芯片，所述的无源半导体芯片包括上桥臂无源半导体芯片和下桥臂无源半导体芯片；所述的上桥臂有源半导体芯片的发射极或源极端口和下桥臂无源半导体芯片的阴极端口连接形成第一桥臂，所述的第一交流功率端子的一端与第一桥臂的中点电连接；
[0018]所述的上桥臂无源半导体芯片的阳极端口和下桥臂有源半导体芯片的集电极或漏极端口连接形成第二桥臂，所述的第二交流功率端子的一端与第二桥臂的中点电连接；
[0019]所述的直流正极功率端子的一端分别与上桥臂有源半导体芯片的集电极或漏极端口、以及上桥臂无源半导体芯片的阴极端口通过绑带线或衬底的第一金属层电连接，另一端连接外部直流电源的正极；
[0020]所述直流负极功率端子分别与下桥臂有源半导体芯片的发射极或源极端口、以及下桥臂无源半导体芯片的阳极端口通过绑定线或衬底的第一金属层电连接，另一端连接外部直流电源的负极。
[0021]进一步地，所述的功率器件包括第一换流回路和第二换流回路；
[0022]所述的第一换流回路由所述的直流正极功率端子、上桥臂有源半导体芯片、下桥臂无源半导体芯片和直流负极功率端子构成，所述的第二换流回路由所述的直流正极功率端子、上桥臂无源半导体芯片、下桥臂有源半导体芯片和直流负极功率端子构成。
[0023]所述第一换流回路和第二换流回路在功率器件内部解耦，所述第一换流回路中的上桥臂有源半导体芯片发射极(或源极)和下桥臂无源半导体芯片阴极与所述第二换流回路的上桥臂无源芯片阳极和下桥臂有源芯片集电极(或漏极)之间不在功率器件内部直接相连，也就是说，第一桥臂的中点和第二桥臂的中点不相连。该构型不会影响功率器件的正常运行，负载电流流出所述功率器件时通过第一换流回路和第一交流功率端子，流入所述功率器件时通过第二换流回路和第二交流功率端子。
[0024]所述功率器件发生短路故障时，短路故障电流路径包括直流正极功率端子、上桥臂有源半导体芯片、第一交流功率端子、第二交流功率端子、下桥臂有源半导体芯片和直流负极功率端子；
[0025]短路故障电流不会直接在功率器件内部由上桥臂有源半导体芯片的发射极或源极流至下桥臂有源半导体芯片的集电极或漏极，而是先从上桥臂有源半导体芯片的发射极或源极)经过第一交流功率端子流出功率器件，由第二交流功率端子流入功率器件后，再流至下桥臂有源半导体芯片的集电极或漏极。
[0026]进一步地，所述的直流正极功率端子、直流负极功率端子、第一交流功率端子、第二交流功率端子、绑定线、衬底的第一金属层和第二金属层自身均有寄生电感。
[0027]所述第一换流回路的寄生电感包括直流正极功率端子自身、直流正极功率端子至上桥臂有源半导体芯片集电极(或漏极)电连接部分、上桥臂有源半导体芯片发射极(或源极)至下桥臂无源芯片阴极电连接部分、下桥臂无源半导体芯片阳极至直流负极功率端子电连接部分、直流负极功率端子自身的寄生电感自感及互感；所述第一换流回路的寄生电
感在所述上桥臂有源半导体芯片正常关断过程中会产生感应电压，进而造成所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗短路故障和抑爆的功率器件，其特征在于，包括功率端子、有源半导体芯片、无源半导体芯片、绑定线、衬底和基板；所述的功率端子与衬底电连接，包括直流正极功率端子(1)、直流负极功率端子(2)、第一交流功率端子(3)和第二交流功率端子(4)；.所述的衬底包括第一金属层、绝缘层和第二金属层，所述第二金属层连接在基板上；所述的有源半导体芯片包括上桥臂有源半导体芯片(5)和下桥臂有源半导体芯片(10)，所述的无源半导体芯片包括上桥臂无源半导体芯片(13)和下桥臂无源半导体芯片(16)；所述的上桥臂有源半导体芯片(5)的发射极或源极端口(9)和下桥臂无源半导体芯片(16)的阴极端口(17)连接形成第一桥臂，所述的第一交流功率端子(3)的一端与第一桥臂的中点电连接；所述的上桥臂无源半导体芯片(13)的阳极端口(15)和下桥臂有源半导体芯片(10)的集电极或漏极端口(11)连接形成第二桥臂，所述的第二交流功率端子(4)的一端与第二桥臂的中点电连接；所述的直流正极功率端子(1)的一端分别与上桥臂有源半导体芯片(5)的集电极或漏极端口(8)、以及上桥臂无源半导体芯片(13)的阴极端口(14)通过绑带线或衬底的第一金属层电连接，另一端连接外部直流电源的正极；所述直流负极功率端子(2)分别与下桥臂有源半导体芯片(10)的发射极或源极端口(12)、以及下桥臂无源半导体芯片(16)的阳极端口(18)通过绑定线或衬底的第一金属层电连接，另一端连接外部直流电源的负极。2.根据权利要求1所述的抗短路故障和抑爆的功率器件，其特征在于，所述的功率器件包括第一换流...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗皓泽，高洪艺，李武华，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：