[发明专利]功率半导体装置及设置有功率半导体装置的半导体阀

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率半导体装置，该功率半导体装置包括：夹紧装置，包括第一夹紧元件及第二夹紧元件；多个功率半导体元件，在所述夹紧装置的所述第一夹紧元件与所述第二夹紧元件之间相互固定(staple)，其中所述第一夹紧元件承受沿所述功率半导体元件的堆积(staple)的轴线方向的夹紧力；以及至少一个弹簧元件，布置在所述第一夹紧元件与所述功率半导体元件之间，其中所述至少一个弹簧元件具有用来支撑相邻元件的至少一个相应支撑表面的至少一个支撑表面。

本发明还涉及一种设置有根据本发明的功率半导体装置的半导体阀(例如，在晶闸管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或集成栅极换流晶闸管(IGCT)中使用的半导体阀)。

功率半导体元件是指以高电压电平开关大电流的元件。它们能够以非常低的损耗在几微秒内在这两个状态之间翻转，并且具有极紧凑的优点。它们可以用于将电流及电压的形状从交流转换成直流(反之亦然)以及从一个频率转换成另一频率。因此，本发明包括针对这种应用的半导体元件。

特别是，在中压应用或高压应用中使用本发明的功率半导体装置，其中本发明的装置承受约1kV以上的电压以及通常100A以上的传导电流。通常(但不一定)，本发明的半导体装置具有约1kV以上(优选地在1200V至8500V的范围内)的阻断电压。最大传导电流可以高至数千安培。

背景技术

在DC-AC转换器及AC-DC转换器中的半导体阀中使用功率半导体，其中半导体阀包括与夹紧装置中的相对应的多个冷却元件呈交错关系地堆叠的多个板状功率半导体元件。该夹紧装置用作以下功能：通过沿从所述堆叠的一端至另一端的轴向对所述堆叠施加夹紧压力，来保证在所述堆叠的元件之间存在受到控制且明确定义的热传导及电传导。

如上所述的功率半导体装置通常需要大夹紧力以提供所要求的热接触及电接触。功率半导体供应商通常要求各个功率半导体元件上的夹紧力均匀分布。当全部夹紧力作用于半导体元件自身上时(即，当该元件周围 不存在吸纳给定阈值以上的所有夹紧负荷的负荷吸纳结构时)，这尤其重要。

当夹紧力作用于功率半导体元件与其相邻的功率半导体元件之间的接触面的中心时，实现均匀的压力分布。

即使在功率半导体装置的所有部件都在它们适当的位置时，也可能会发生非均匀的压力分布。这可能是夹紧装置具有过大的抗扭刚度的情况。高夹紧抗扭刚度使夹紧对装置中存在的元件的平行度的微小偏差敏感。所施加的夹紧力的方向的任何倾斜将产生导致功率半导体元件与它们的相邻元件之间的接触面上的非均匀压力分布的弯矩。

现有技术

EP 1 207 553描述了一种用于一个或多个压力接触功率半导体元件的夹紧装置，其中盘形弹簧的堆积用于对所述功率半导体元件施加压力。未提及可能的弯矩。

为了避免功率半导体元件上的非均匀压力分布，现有技术的夹紧装置包括一个或更多个弹簧元件，所述弹簧元件设置在对其施加夹紧力的夹紧元件与另外的夹紧元件之间。将这两个夹紧元件相对于彼此可倾斜地布置，以便让弹簧元件吸纳所述夹紧元件之间的平行度偏差。这两个夹紧元件及弹簧元件在功率半导体元件的堆叠的一侧形成单元，而在所述堆叠的相对侧还设置有另一夹紧元件。作为另一种选择，弹簧元件可以与夹紧元件相隔一定距离，例如，在堆叠中的分开的半导体元件之间。此外，可以在沿堆叠的多个位置处设置弹簧元件。用于该目的的弹簧元件是盘形弹簧，可以是沿夹紧力方向串联布置的多个盘形弹簧。

现有技术的另一方案是在刚才提到的两个夹紧元件之间设置球，并在所述元件的相对的表面中设置作为该球的座的相对应的凹部。

然而，在更大夹紧力的情况下，根据现有技术的方案在吸纳平行度偏差、从而保证功率半导体元件与它们的相邻元件之间的接触面上的均匀压力分布方面似乎不太有效。

发明目的

本发明的目的是提供一种消除上述现有技术缺点的如原先定义的功 率半导体装置。

发明内容

本发明的功率半导体装置应当在功率半导体元件与它或它们的相邻元件之间的接触面上提供均匀的压力分布，在施加相对大的压力(例如，在10kN至1000kN的范围内)时也是如此。

本发明的目的是通过原先定义的功率半导体装置实现的，其特征在于，所述至少一个弹簧元件包括其中心轴与所述夹紧力的中心相一致的螺旋弹簧，或者所述至少一个弹簧元件包括相对于将所述夹紧力的中心传到所述第一夹紧元件的点对称地布置的、相互平行地布置的多个螺旋弹簧。