[发明专利]双向功率半导体元件

说明书

本发明涉及电力电子学领域。本发明基于权利要求1的说明部分中所要求保护的双向功率半导体元件。

为了达到“理想开关”的目标，需要得到一种功率半导体开关，能双向导通和关断，并容纳在一个管壳中，仅有一个控制连接部分，因此从外部可以认为是一个整个元件。

一般来说，可以两种方式制造双向功率半导体元件：一方面，两个反接的晶闸管容纳在一个共同的管壳内或甚至在一个共同的半导体晶片上。德国公开说明书DE 44 39 012采用了这种措施。然而，这种解决方法的缺点是需要两个分离的控制连接部分，由此需要两个相互独立的驱动单元。此外，不可能客观地和相互独立地优化元件的操作参数。

另一方面，对于双向晶闸管，即双向地导通和关断并且只有一个控制连接部分的晶闸管已公知很长时间了。然而，作为不可能获得高阻断容量(极限约1KV)或高载流容量(最大约10A)的事实的结果，它的工作范围受到物理极限的限制。因此，双向晶闸管不适合高功率的应用。然而，对于例如很小型的有源逆变器的结构，特别是对于冷却和夹紧系统，它的基本特性，也就是说双向导通和关断的能力以及仅有一个控制连接部分具有重要的意义。

因此，本发明的一个目的是提供一种能用于很高功率级别的新颖的双向功率半导体元件。此外，该元件仅有一个控制连接部分。该目的可以由独立权利要求1的特征达到。

由此本发明的基本内容是第一晶闸管和第二晶闸管极性相反地串联连接，每个单元(case)内的二极管与晶闸管反接。两个栅极相互连接形成公用的控制连接部分。以此方式，可以得到能双向地导通和关断并集成到共同的管壳中的元件。

晶闸管和二极管可以单独地优化。一种特别优选的解决方法是晶闸管具有对称阻断特性的情况。此外，晶闸管和二极管可具有停止层并集成在一个共同的半导体晶片上。两个半导体晶片可以容纳在压力接触管壳内。

进一步有利的实施例来自适当的从属权利要求。

本发明的一个主要优点在于：与双向晶闸管相比，功率半导体元件可用于很高功率级别，并且在于与最初提到的能双向导通的元件相比，参数可以单独设置。借助于根据本发明的功率半导体元件，能够设计极紧凑的变换器，其中特别对于冷却和夹紧系统，可以非常显著地减少复杂性。

通过下面结合附图的详细介绍，可以容易地得到本发明的更完整的了解以及本发明的许多附带优点，并能更好地理解本发明，其中：

图1示出了根据本发明的功率半导体元件的等效电路；

图2示出了用于本发明目的并具有集成的二极管的晶闸管的平面图；

图3示出了在一个管壳内根据本发明基于第一个变形的功率半导体元件；

图4示出了在一个管壳内根据本发明基于第二个变形的功率半导体元件。

图中使用的符号及其含义以汇总形式列出在符号表中。

1  功率半导体元件

2  晶闸管

3  二极管

4  阳极

5  阴极

6  门极

7  控制连接部分

8  半导体晶片

9  管壳

10 压力接触件

11 接触盘

12 接触环

13 接触系统

14 辅助阴极连接

15 绝缘体

16 通道

17 边缘钝化物

18 连接线

19 接触法兰

20 门极指

21 边缘端接区

下面参考附图，其中在几个图中，相同的参考数字表示相同或相应的部分，图1示出了根据本发明的功率半导体元件1的等效电路。两个晶闸管2极性相反地串联连接，由此两个阴极5相互连接。二极管3在每个单元中与晶闸管2反接。晶闸管2的门极6类似地相互连接并形成公用的控制连接部分7。连接的阴极5也形成辅助的阴极连接部分14。

元件工作如下：如果两个晶闸管借助控制连接部分的适当的控制信号导通时，那么上晶闸管和下二极管导通图1中从上到下流动的电流。当电流从下到上流动时，由下晶闸管和上二极管输运电流。如果电流变换后并且从公用的控制连接部分7去掉控制电流后，两个晶闸管2切换到截止状态，那么两个晶闸管关断，由于两个二极管反向连接，因此没有电流流动。