半导体装置的制作方法

1.本发明涉及一种半导体装置，优选地用于控制电动机的半导体装置。
2.因此，本发明特别适用于要求可变配置的负载和/或电路的连接。


背景技术：

3.在本文中，术语“负载”用于定义任何类型的电路(包括单个元件或导体)，用于制造电气/电子装置，如电动机、机电驱动器和计算机电路。
4.例如，在电力推进领域，人们长期以来一直希望扩大电动机的工作范围，在不同的区域最大限度地提高其效率，以最大化性能和扩大其用途。
5.在这方面，到目前为止，已知的一些方法利用定子绕组合适细分为不同部分，这些部分可以选择性地相互结合，以改变电动机“配置”，从而能够使其适应工作状态并扩大其工作范围。
6.这些解决方案中之一是从美国专利us7602137中得知的，其涉及电驱动的机电工具(即钻头)，该工具设置有定子，该定子配备有多个可重新配置布置的绕组。
7.具体地，该装置设置有连接到每个定子相的多个开关，可以通过控制单元来在不同位置之间控制每个开关，以确定更适合产生高速或高转矩的电动机的电配置。
8.类似的、更早的解决方案在汽车行业也是众所周知的，它基于eckart nipp的博士论文，该论文描述了一种能够在各种操作状态下实现良好性能的可重新配置的电机。
9.上述解决方案仅在书面上说明，在市场上的应用有限，主要是由于它们的实施/构建困难。
10.在这方面，应该注意，即使考虑只有一个切换可能性(例如星形/三角形)的实施例，e.nipp解决方案也需要至少5个独立控制的开关
‑‑
如果要包括额外的切换可能性，则这个数字是呈指数增长的(14！)。
11.不利的是，存在许多相互独立地控制的开关使得定子结构特别复杂和昂贵，并且考虑到非冗余元件的多样性而不是非常可靠。


技术实现要素：

12.因此，本发明的目的是提供一种能够克服上述现有技术的缺点的半导体装置。
13.具体地，本发明的目的是提供一种用于电动机的切换装置，其易于驱动同时体积更小。
14.另外，本发明的目的是提供一种用于电动机的切换装置，其组合了高性能与提高的电效率。
15.通过具有所附权利要求1至7中的一个或多个所列出的技术特征的半导体装置、具有权利要求8至14中的一个或多个所包含的特征的切换装置和具有权利要求15中的特征的电动机来实现所述目的。
16.根据本发明的半导体装置被设计成根据多个不同的电配置连接多个负载，改变应
用领域和/或根据应用改变负载的效率。
17.如在介绍中已经提到的，这种半导体装置的应用可以是多种的，因为它既可以用作多个电路之间的连接元件，也可以用作用于电动机或电机的切换装置，多个电路被设计成改变连接拓扑。
18.该半导体装置包括至少一个基板(正掺杂或负掺杂)、多个连接对和多个控制电极。
19.每个连接对优选地设置有第一连接电极和第二连接电极，第一连接电极和第二连接电极可以连接(在使用中连接)到一个负载的端子。
20.该装置还包括一个或多个第一控制电极，其可操作地放置在所述连接对之间，并被配置为在接收到预设控制信号之后，在连接对的连接电极之间产生相应的第一导电通道。这些第一导电通道以初始电配置布置所述连接对(即，每一对相对于另一对或其他多对)。
21.优选地，还提供一个或多个第二控制电极，该第二控制电极可操作地放置在(相同的)所述连接对之间，并被配置为在接收到预设控制信号之后在连接对的连接电极之间产生相应的第二导电通道。该第二导电通道以第二电配置布置连接对。
22.以这种方式，两个控制电极连接到每个连接对，有利地使单个输入(或控制)信号的简单变化能够改变所有连接对的电配置。
23.在这方面，应该注意，第一导电通道和第二导电通道形成在两个不同连接对的电极之间。
24.这显著地减少了控制所需的开关数量，有利于提高电效率和减小总体尺寸。
25.在每个连接对中，至少第一连接电极或第二连接电极优选地连接到第一控制电极和第二控制电极，以在第一电配置和第二电配置中都是导通的。
26.更优选地，所述一个或多个第一导电通道形成在连接对的第一连接电极和另一连接对的第二连接电极之间。所述一个或多个第二导电通道形成在连接对的第一连接电极和另一连接对的对应第一连接电极之间和/或形成在所述连接对的第二连接电极之间。
27.应当注意，优选地，第一控制电极被定位为以电串联的方式布置至少两个连接对，而第二控制电极被定位为以电并联的方式布置两个连接对。
28.根据本发明的优选方面，半导体装置应用在用于电动机的切换装置中。
29.该电动机包括设置在各个端子之间的多个相。
30.每个相优选地但不是必须地设置有至少一个第一相部分和至少一个第二相部分，每个相部分在两端之间延伸。
31.每个端子对应于第一相部分或第二相部分的一端。
32.根据本发明的这个方面的切换装置包括上述半导体装置和连接到所述第一控制电极和第二控制电极的至少一个控制电路。
33.该控制电路优选地在第一状态和第二状态之间选择性地切换，在第一状态下，控制电路将所述预设控制信号发送到所述一个或多个第一控制端子，在第二状态下，控制电路将所述预设控制信号发送到所述一个或多个第二控制端子。
34.控制电路还可以优选地选择性地切换到第三状态(中性状态)，在第三状态下，控制电路不向所述一个或多个第一控制电极和第二控制电极发送任何控制信号。
35.更优选地，所述控制电路包括电压生成器、第一支路和第二支路。
36.第一支路连接到电压生成器并连接到所述一个或多个第一控制电极。此外，第一支路优选地设置有第一开关，第一开关可以在闭合位置和断开位置之间选择性地切换。
37.第二支路连接到电压生成器并连接到所述一个或多个第二控制电极。此外，第二支路优选地设置有第二开关，第二开关可以在闭合位置和断开位置之间选择性地切换。
38.控制电路的第一状态要求第一开关处于闭合位置且第二开关处于断开位置。
39.控制电路的第二状态要求第一开关处于断开位置且第二开关处于闭合位置。
40.有利地，很明显，由于本发明的半导体装置，在不将现有技术中所需的控制和驱动信号减半的情况下，仅两个开关就足以将电动机控制在两种不同配置。
附图说明
41.根据附图所示从以下说明性的半导体装置的优选并因此是非排他性实施例的非限制性描述中，这些和其他特征以及相关的技术优点将更加清楚，该实施例在附图中示出，其中：
42.图1示出了根据本发明的半导体装置的示意性透视图；
43.图2示出了图1中半导体装置的横截面的示意图；
44.图3示意性地示出切换装置内部的图1中的半导体装置的第一可行实施例；
45.图4示意性地示出了根据本发明的半导体装置的第二可行实施例。
46.参考附图，数字1和21表示根据本发明的半导体装置。
具体实施方式
47.在本文中，术语“半导体装置”是指使用局部和便利地掺杂的半导体材料的基板而制成的电子装置以促进电流选择性通道。
48.该装置适用于多种技术领域，但优选地适用于必须根据某些操作需要对多个负载之间的连接进行改造的用途。
49.因此，半导体装置1优选地应用于连接在各个端子之间延伸的多个负载，多个端子可以优选地但不排他性地由电动机的相端子限定。
50.半导体装置1、21优选地包括由半导体材料制成的至少一个基板2、22；多个连接对3、23；以及至少一个第一控制电极4、24和至少一个第二控制电极5、25。
51.基板2、22优选由硅、锗或砷化镓制成，更优选由硅制成。
52.根据实施例，该基板2、22掺杂有p型或n型的预设的极性。
53.连接对3、23分别设置有第一连接电极3a、23a和第二连接电极3b、23b。两个连接电极3a、23a、3b、23b都使用具有与基板2、22相反极性的局部掺杂2、22制成，并且优选地重叠导电元件或板。
54.根据本发明的一个元素，装置1包括一个或多个第一控制电极4、24，该第一控制电极可操作地放置在所述连接对3、23之间，并被配置为在接收到预设控制信号之后，在两个不同连接对3、23的连接电极3a、3b、23a、23b之间产生相应的一个或多个第一导电通道12。
55.此外，应该有一个或多个第二控制电极5、25可操作地放置在所述连接对3、23之间，并被配置为在接收到预设的(类似或附加的)控制信号之后，在所述两个不同连接对3、
23的连接电极3a、3b、23a、23b之间产生相应的一个或多个第二导电通道(未示出)。
56.控制电极4、24、5、25优选地由金属(即导电)元件或板m限定，该金属(即导电)元件或板m重叠和附接于基板2、22，其中，绝缘氧化物层o介于金属(即导电)元件或板m与基板之间。
57.第一导电通道12(或多个第一导电通道)将连接对3、23布置成第一相互电配置(即，一个相对于另一个或其他)。
58.第二导电通道(或多个第二导电通道)将连接对3、23布置成第二相互电配置(即，一个相对于另一个或其他)。
59.因此，有利地，可以简单地改变连接到连接对3、23的至少两个负载之间的电连接。
60.在每个连接对3、23中，至少第一连接电极3a、23a或第二连接电极3b、23b优选地连接到第一控制电极4、24和第二控制电极5、25，第一控制电极4、24和第二控制电极5、25在第一电配置和第二电配置中都是导电的。
61.更准确地说，所述一个或多个第一导电通道12在第一连接对3、23的第一连接电极3a、23a和第二连接对3、23的第二连接电极3b、23b之间延伸，而所述一个或多个第二导电通道在第一连接对3、23的第一连接电极3a、23a和第二连接对3、23的相应第一连接电极3a、23a之间和/或在第一连接对3、23的第二连接电极3b、23b之间延伸。
62.换句话说，所述至少两个连接对3、23、连接对3、23的电极3a、3b、23a、23b和控制电极4、5被布置为使得连接对中的至少一个连接电极可以分别通过第一导电通道12或第二导电通道选择性地连接到另一连接对的两个连接电极，即在第一控制电极4、24或第二控制电极5、25激活之后。
63.有利地，以这种方式，半导体装置不仅可以确定两端之间的选择性电流通道(通断功能)，而且可以方便地改变连接到连接电极的负载之间的连接图。
64.因此，在结构上，半导体装置1优选地包括多个场效应晶体管，更优选地是mosfet类型的场效应晶体管，每个场效应晶体管配备有漏极端子“d”、源极端子“s”和栅极g。
65.漏极端子和源极端子各自由连接对3、23中的相应连接电极3a、3b、23a、23b限定(或连接)。
66.因此，对于每个晶体管，漏极端子由第一连接电极3a、23a限定，源极端子由第二连接电极3b、23b限定，反之亦然。
67.相反，栅极g由相应的第一控制电极4、24或第二控制电极5、25、基板2、22且放置在它们之间的所述绝缘氧化物层o限定(或与其连接)(因此限定了一种电容器)。
68.因此，根据本发明的一个方面，至少部分地基于上述，在配备有单个基板2、22的单个半导体装置1上优选有多个场效应晶体管；每个场效应晶体管包括与另一场效应晶体管共享的一个(源极或漏极)端子。
69.换句话说，半导体装置1优选地包括至少两个场效应晶体管，每个场效应晶体管具有相应的栅极g(即，第一控制电极4、24或第二控制电极5、25)和相应的源极和漏极端子，源极和漏极端子中的至少一个对于两个场效应晶体管是共用的。
70.有利地，以这种方式，半导体装置1在其自身中封装了结构，该结构能够修改连接到一个或另一个连接对的负载之间的连接类型，从而显著增加应用领域。
71.在使用中，半导体装置1优选地借助于连接到第一控制电极4、24和第二控制电极
5、25的至少一个控制电路7、27来驱动。
72.半导体装置1和相应的控制电路7、27的组件至少部分地限定了切换装置50，该切换装置50也是本发明的一部分。
73.为了确定附接(连接)到连接对3、23的负载的电配置，控制电路7、27可以在第一状态和第二状态之间选择性地切换，在第一状态下，控制电路将所述预设控制信号发送到一个或多个第一控制电极4、24，在第二状态下，控制电路将预设控制信号发送到一个或多个第二控制电极5、25。
74.应当注意的是，“控制信号”严格地说可以是相同的，不管它是被发送到第一控制电极4、24还是被发送到第二控制电极5、25。
75.例如，事实上，基板2、22中的第一导电通道12或第二导电通道的产生优选地是由于分别向第一控制电极4、24或第二控制电极5、25施加相同电平的电压。
76.在优选实施例中，实际上，控制电路7、27具有连接到两个不同支路的相同电压生成器8、28，每个支路连接到第一控制电极4、24或第二控制电极5、25。
77.这里，术语“支路”意在定义从电压生成器8、28到第一控制电极4、24或到第二控制电极5、25的电路的一部分，无论它是如何制造的。
78.还存在切换装置，该切换装置被配置为确定电流交替地在一个支路中直接穿过第一控制电极4、24，或者在另一个支路中直接穿过第二控制电极5、25。
79.更具体地说，除了电压生成器8、28之外，控制电路7、27还包括第一支路9、29和第二支路10、30。
80.第一支路9、29连接到电压生成器8、28，第一支路9、29连接到所述一个或多个第一控制电极4、24，并配备有第一开关9a、29a，第一开关9a、29a可以在闭合位置和断开位置之间选择性地切换；
81.第二支路10、30连接到电压生成器8、28，连接到所述一个或多个第二控制电极5、25，并配备有第二开关10a、30a，第二开关10a、30a可以在闭合位置和断开位置之间选择性地切换。
82.在控制电路7、27的第一状态下，第一开关9a、29a优选地处于闭合位置，第二开关10a、30a处于断开位置。
83.据此，在控制电路7、27的第二状态下，第一开关9a、29a优选地处于断开位置，第二开关10a、30a处于闭合位置。
84.然而，可选地，控制电路的结构可以是不同的，例如，具有可以在两个位置之间切换的单个开关，一个位置对应于第一电配置，一个位置对应于第二电配置。
85.应当注意，优选地，控制电路7、27也可以选择性地切换到第三状态，在第三状态下，控制电路既不向第一控制电极4、24也不向第二控制电极5、25发送任何控制信号。
86.在优选实施例中，第三状态由开关9a、29a、10a、30a都定位在断开位置来确定。
87.换句话说，因此，控制电路7、27的第三状态是中性位置，其中两个负载不相互连接，因此可以独立使用，这在一些应用中非常有利。
88.作为非限制性示例，上述切换装置50可用于控制电动机100，优选地，但不排除地以用于牵引。
89.应当注意，作为对上述内容的补充或替代，电动机100也应被视为本发明的一部
分。
90.该电动机100包括定子体或定子s和转子体或转子(未示出)，转子体或转子可旋转地连接到定子s以绕其自身的旋转轴旋转。
91.应当注意的是，定子体s优选地容纳在壳体或容纳体(未示出)内。
92.定子体s设置有沿所述旋转轴延伸的棱柱形壳体，该壳体包含若干相a、b、c，相a、b、c成角度间隔开并由各自的绕组限定。
93.相可以是各种类型的，既可以由条形导体定义，也可以由传统的“线/线圈绕组定义。
94.因此，电动机100是多相类型的，即包括从两相到根据类型或应用而增加的相的数量。
95.然而，在优选实施例中，电动机100至少是三相电动机。
96.在所示的实施例中(仅为了说明目的)，定子s至少包括第一相a、第二相b和第三相c。
97.不管有多少，这些相都在各自的端子a'、a”、b'、b”、c'、c”之间展开。
98.此外，在优选实施例中，电动机100优选具有分段相。
99.因此，每个相a、b、c优选设置有至少一个第一相部分d和至少一个第二相部分e。
100.第一相部分d和第二相部分e各自在两端d'、d”、e'、e”之间延伸；应该注意，在这方面，各个相a、b、c的每个端子a'、a”、b'、b”、c'、c”对应于第一相部分d或第二相部分e的端d'、e”。
101.更确切地说，第一相部分d的第一端d'和第二相部分e的第二端e"分别对应于相应的第一相a、第二相b或第三相c的第一端子a'、b'、c'和第二端子a”、b”、c”。
102.根据本发明的这个方面，相a、b、c和/或每个相的相部分d、e可以以适当的方式连接在一起，以便改变电动机100的操作配置。
103.在这方面，存在切换装置50，其中半导体装置1的连接对3、23的连接电极连接到相a、b、c的相应端子a'、a”、b'、b”、c'、c”或相部分d、e的端d'、d”、e'、e”。
104.准确地在这种应用(编者注：电动机)中，即使在第三(中性)状态下，可切换控制电路的(优选)布置是特别有利的。
105.事实上，在电力牵引应用中，中性状态意味着定子相不导电。
106.有利地，这使得可以在怠速状态下运行电动机，例如，在电动机不运行时保持转子牢固地附连到车辆的车轮组件上，而不需要引入离合器或断开离合器来操作。
107.参考图1所示的半导体装置1的优选实施例，第一控制电极4、24被定位为使得将至少两个连接对3
′
、3
″
电串联布置，且第二控制电极5、25被定位为使得将所述两个连接对3
′
、3
″
电并联布置。
108.例如，在本实施例中，该半导体装置包括第一连接对3'和第二连接对3”，每个连接对设置有第一连接电极3a和第二连接电极3b。
109.在第一连接对3'的第一连接电极3a和第二连接对3”的第二连接电极3b之间还设置有至少一个第一控制电极4。
110.再次参照本实施例，半导体装置1包括两个第二控制电极5(彼此电连接)，它们分别放置在第一连接对3'和第二连接对3”的两个第一连接电极3a之间以及第一连接对3'和
第二连接对3”的第二连接电极3b之间。
111.有利的是，这种布置使半导体装置1能够合理地设计，使其特别适合于需要改变两个电路之间串联/并联连接的所有应用，例如具有可变配置的电动机绕组。
112.应当注意的是，优选地，在本实施例中，两个连接对3'、3”彼此相对，第一连接电极3a和第二连接电极3b分别具有增加的延伸，使得它们彼此相对。
113.第一控制电极4和第二控制电极5在各自的连接电极3a、3b之间延伸，以便在接收控制信号时，它们在所述电极之间形成各自的第一导电通道12或第二导电通道。
114.应该记住，控制信号优选地是在第一控制电极4、24或第二控制电极5、25与基板2、22之间测量的电压值。
115.例如，参考图3中的实施例，半导体装置1优选地包括三个操作单元11，每个操作单元可连接到电动机100的相应相a、b、c，并且包括至少两个连接对3、23，每个连接对可连接到相应相a、b、c的相部分d、e上。
116.上面示出了操作单元11的示例，并在图1中示出。
117.操作单元可以是分立的(物理上分离的)，或者如图3和图4所示，可以集成到半导体装置1的单个基板2中。
118.然而，可选地，半导体装置可以采取不同的配置，再次在图3和图4中示出并由数字21标识。
119.在该实施例中，当与多相电动机耦接时特别有利，半导体装置21包括三个连接对23，每个连接对23可连接到所述电动机的相a、b、c。
120.优选地，以这样的方式定位第一控制电极24，即其根据三角形配置和星形配置将连接对23连接在一起，分别限定连接对23的第一电配置和第二电配置。
121.因此，在某些实施例中，半导体装置1可有利地用于改变各个相的电配置，而在其他实施例中，半导体装置21可用于改变相之间的相互连接。
122.在这方面，根据图3和图4中新示出的优选实施例，切换装置50可以包括上述半导体装置1、21，以便能够根据多个不同的组合来改变电动机100的配置。
123.在该实施例中，例如，电动机100包括第一相a、第二相b和第三相c，每个相被划分为多个相部分d、e。
124.切换装置50优选地包括第一操作模块51和第二操作模块52，优选地串联布置在它们之间。
125.第一操作模块51配备有连接到(第一)控制电路7并包括上述三个操作单元11的(第一)半导体装置1。
126.换句话说，每个操作单元11连接(或可以连接)到电动机100的相应相a、b、c并且包括至少两个连接对3，每个连接对3可以连接到相应相a、b、c的一部分。
127.第一控制电极4和第二控制电极5被分别定位为使得每个单元11的连接对3在它们之间电串联和并联布置，分别限定(第一)半导体装置1的连接对3的第一和第二电配置。
128.相反，第二操作模块52包括连接到(第二)控制电路27的(第二)半导体装置21。
129.(第二)半导体装置21包括三个连接对23，每个连接对23可以连接到电动机100的相a、b、c，其中第一控制电极24和第二控制电极25分别定位为使得连接对23根据三角形和星形配置连接在一起，如上所述，该三角形和星形配置定义了第二半导体装置21的连接对
23的第一电配置和第二电配置。
130.有利地，由于方便地控制两个半导体装置1、21(其可以集成到单个基板中)的组合，可以在多个配置中改变电动机100的配置。
131.这些操作配置优选地至少包括以下内容：
[0132]-三角形串联配置，其中第一半导体装置1的连接对3和第二半导体装置21的连接对23都处于第一电配置；
[0133]-三角形并联配置，其中第一半导体装置1的连接对3处于第二电配置，第二半导体装置21的连接对23处于第一电配置；
[0134]-星形串联配置，其中第一半导体装置1的连接对3处于第一电配置，第二半导体装置21的连接对23处于第二电配置；
[0135]-星形并联配置，其中第一半导体装置1的连接对3和第二半导体装置21的连接对23都处于第二电配置。
[0136]
因此，有利地，由各个控制电路提供的仅两个命令(可以减少到一个)就足以确定定子相的多达四个不同的电配置，对应于能够最大化电动机的效率区域的四个单独的应用领域。
[0137]
本发明实现了预期的目的，从而获得了显著的优点。
[0138]
事实上，半导体装置的设计适合于根据单个控制信号确定连接到它的负载之间的不同连接，使得能够大大简化其中需要同时控制几个负载的所有那些应用。
[0139]
特别地，在具有可变配置的电机的切换装置中使用该半导体装置使得能够将热效率和电效率要求与有关切换速度和整体尺寸的要求结合起来，从而限定了现有技术中发现的所有问题的最佳解决方案。