专利名称：功率半导体组件系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率电子学领域。它具体涉及一种功率半导体组件系统，该系统包括多种类型的功率半导体组件，每个组件各具有一个或多个可控的功率半导体元件并且每个组件各安置在具有向外引出的功率端子及控制端子的一个组件壳内，以及对于其中每个功率半导体组件都包含有一个安装在单独壳体中的控制单元，该控制单元与所属的功率半导体组件能形成这样的可折连接，即从控制单元输出到相应的控制信号输出端上的控制信号将到达功率半导体组件相应的控制端子，因此，功率半导体组件的各个控制端布置成第一固定的空间结构布局，而控制单元的各个控制信号输出端布置成第二固定的空间结构布局，两者可以对准套合一致。
用于牵引(电力机车等)的大功率IGBT组件-它安置在一组件壳中并且为了控制，可以与一个独立的栅极控制组件相连或用螺旋拧上，已由发明人在T.Stockrseier等的文章“用于牵引的可靠的1200安培，2500伏的IGBT组件”(IEE IGBT Propulsion DrivesColloguim，London，1995年4月25日)中介绍了。功率半导体组件上的控制端子与控制单元上控制信号输出端彼此对准套合一致的结构使得具有外壳体的控制单元能简便地安装及拧紧在功率半导体组件的组件壳上，从而控制单元及功率半导体组件之间必要的电连接通过简单的螺丝连接来实现。
在该文章中还指出，除了文中所描述的具有单个功率半导体元件(它实际上是由多个并联的小IGBTs组成的，并附加连接了一个反并联二极管)的1200A/2500V的组件外，还安排了具有两个可单独控制的半导体元件的半桥式组件或具有六个功率半导体元件的三相全桥式组件。因此，所有的组件应当具有同一“脚码”，这就是说，从尺寸及固定可能性出发是可互换的。此外，已知组件及所属控制单元的结构形式可参照
图1及2中的图形。
统一结构用于具有不同内部构造的各种组件(单个换流器，半桥式，全桥式电路等)在现有技术中已导致有关桥式电路及类似电路构造的标准化，这降低了装置成本及简化(有关连接部件，可配上的冷却器等)仓库管理。然而问题出现在控制方面，因为每个组件视内部结构不同而需要另一种控制方式。例如在具有单个半导体元件的组件的情况下仅须控制一个栅极，而在具有半桥的组件的情况下必须控制二个栅极。此外，具有单个半导体元件的组件还存在两种不同的结构型式，这要看它应当构成一个半桥的上部分还是下部分而定的。
本发明的任务因此在于开发了一种在控制方面可降低库存及装置成本的功率半导体组件系统。
该任务在导言部分所述的一种功率半导体组件系统中这样地解决第一结构布局与第二结构布局对于所有的功率半导体组件及控制单元是相同的，并且不同的功率半导体组件及控制单元通过控制端子及控制信号输出端的不同占线分布加以区别。通过控制部分接线结构布局的标准化就可以作到利用功率半导体组件及控制单元不同的内部结构构成功率半导体元件桥路的不同部分，而又不必放弃统一的接线技术的优点。这种统一的接线结构布局就其本身来讲已带来了显著的简化，它与不同的功率半导体组件是否存在于一种统一的结构形式无关。
根据本发明系统的第一优选实施形式的特征在于组件壳及控制单元的壳体对于所有的功率半导体组件及控制单元总是相同的；功率半导体组件的功率端子被布置成对于所有的功率半导体组件都是相同的第三固定的空间结构布局；而且不同的功率半导体组件通过功率端子的不同的占线分布加以区别。通过控制部分之外的组件及控制单元的标准化获得了进一步的简化。
当根据该系统的第二优选实施形式至少包括三类特别适宜构成桥式电路的功率半导体组件时，该系统在应用时将特别有利。其中第一类是具有由两个功率半导体元件构成的半桥式电路的功率半导体组件，第二类是具有一单个功率半导体元件的功率半导体组件，它可装成半桥式电路的一个桥臂，第三类是具有单个功率半导体元件的功率半导体组件，它可装成半桥式电路的另一桥臂，如果第一及第二结构布局的控制端子及控制单元的控制信号输出端围绕一对称轴旋转对称地布局时，以及在第二和第三类功率半导体组件控制端子只是这样占线布局，使第二类功率半导体组件占线布局的控制端子通过围绕对称轴旋转一个选择的对称角度转到第三类功率半导体组件占线的控制端子，以及如果对于这两类功率半导体组件可配上相同的控制单元，它在第二类时以第一空间布局及在第三类时以第二空间布局与相应的功率半导体组件相连接，而这两种布局通过围绕对称轴旋转一个选择的对称角度显示其区别。由此为了控制两种不同组件，可使用相同的控制单元，这种控制单元总是以不同的空间配置与组件相连接。
另外的一些实施形式由从属权利要求给出。
以下将结合附图并借助实施例对本发明作详细说明。附图为图1根据本发明的一种功率半导体组件的端子的布局及结构形式的一优选实施例的透视图；图2图1所示组件带有用螺旋拧上的控制单元时的各个方向的视图；图3具有两个功率半导体元件的半桥式电路组件的一个优选实施例的概图及其控制部分和功率部分的连接图；图4具有用作半桥式电路一臂的单个半导体元件的一个组件的优选实施例的概图及其控制部分及功率部分的附属连接图；图5具有用作半桥式电路另一臂的单个半导体元件的一个组件的优选实施例的概图及其控制部分及功率部分的附属连接图。
图1给出了根据本发明的一种功率半导体组件的端子布局及结构形式的一优选实施例的透视图。功率半导体组件10安置在一个扁平薄壳状、电绝缘塑料作成的组件壳11中。对于其内部结构，作为例子可参阅导言部分所述的文章。该组件壳11可借助于分布在其四周的固定孔12a-g固定在一个适合的底板上。在组件的正面安排了内部功率半导体元件与一外电路电连接用的全部连接端子。这些连接端子包括多个功率端子13至17，它们各由三个彼此连接的、从壳体11向上伸出并被弯成平行于壳上表面的接线板组成。在接线板的下面各埋置了一个锁紧螺帽，一个连接螺丝穿过安排在接线板上的圆孔可拧入锁紧螺帽内。
在组件具有内部半桥式电路的情况下功率端子13被半桥式电路的相输出端(中间抽头)占用(参见图3中功率端子313)。如果功率半导体组件10的内部仅装有单个半导体元件时，则功率端子13不被占用且由此不起作用(参见图4或图5中的功率端子413及513)。功率端子组14和15以及16和17各自彼此相连接，并且各自在组件的不同平面上构成了一个6重端子。视组件内部结构而定，一个功率半导体元件的正电极或负电极，在IGBT的情况下为集电极或发射板，连到每个6重端子上。对本发明范围中优选的连接端子方案还将在下面结合图3，4及5详细地说明。
在功率端子13为一方及功率端子14，15为另一方之间的组件10的中间区域中，在预定的第一结构布局情况下布置了彼此绝缘的控制端子19至24，它们同样可通过连接螺丝(例如图2中26至31)旋入到相应螺母中形成接触连接。这些控制端子19至24位于由四个螺纹柱18a-d所确定的矩形的内部。借助这些螺纹柱，一紧凑安置于一独立壳体34内的控制单元25可按照图2所示地旋到功率半导体组件10上。相应的固定螺丝33a-d可在图2(a)的顶视图上看到。在控制单元25朝向组件的下侧安置有控制信号输出端(图中看不到)，如从上方看，这些输出端与置于功率半导体组件10的上侧的控制端子19至24具有相同的结构布局。控制端子19至24中的每一端子原则上对应一个控制信号输出端，当控制单元25放置到组件10上时该控制信号输出端将座落在所属的控制端子上，并借助于一个从上方贯穿通过控制单元25并拧入控制端子的连接螺丝26(用于控制端子19)至31(用于控制端子24)与控制端子形成电连接。在控制单元25的侧面上安置有用于控制单元24线路的多个(纤维光)控制信号端子32及一个直流电源端子35(图2(c))，通过控制信号端子32从光导纤维向控制单元25供给逻辑控制指令，并在控制单元中处理成用于安置在组件中的功率半导体元件的控制信号(栅极信号)。
总共6个控制端子19至24(图1)及所属的连接螺丝26至31(图2(a))大体上围绕着一个对称轴(图2(a)中的40)旋转对称地安放。此处对称角度为180°。如果控制端子19至24或连接螺丝26至31的结构布局绕对称轴40旋转180°，则控制端子19正好占据控制端子22的位置，控制端子20正好占据控制端子23的位置，及控制端子21正好占据控制端子24的位置，反之亦然。这种对称关系按其意义而言也同样适用于连接螺丝26至31，及控制单元25下侧的控制信号输出端(图中看不到)。因此可以确信，当在组件10上的控制单元25绕对称轴40旋转180°时，控制信号输出端重新回到控制端子19至24上，其区别在于，控制信号输出端及控制端子之间的对应关系产生了周期性的变换。当相同的控制单元应当对于具有单个半导体元件的不同组件(图4及5)有了用处时，这种周期性变换起着重要作用。
在图3中给出了一个根据本发明的具有以半桥式电路布局的两个功率半导体元件的组件的优选实施例的接线示意图。带有组件外壳311及功率端子313至317的功率半导体组件310具有与图1，2中组件10同一类的结构形式及接线布局。其控制端子(相应于图1中组件10的控制端子19至24)被配置的具有壳体334及控制信号端子332的控制单元325遮盖着。在组件310内部，作为功率半导体元件安排了两个IGBT(绝缘栅双极性晶体三极管)36及37，并以一个电路图的形式给出了它们的连接端子。这两个IGBT 36及37各具有一个栅极36g，37g，一个集电极36c，37c，及一个发射极36e，37e。因为控制端子本身被遮盖着，图3中的IGBT 36及37按符号表示连接到所属的接线柱326至331，这些接线柱被旋入控制端子(图1中19-24)中并形成与控制单元的连接。因此，接线柱326相应于图1中的控制端子19，接线柱327相应于控制端子20，等等。
IGBT 36及37在功率半导体组件310的内部连成一个半桥式电路。为此，第一(上方)IGBT的发射极36e与第二(下方)IGBT集电极37c相连接。第一级发射极36e及第二集电极37c之间的连接点连接到构成半桥式电路相输出端的功率端子313上。该连接点同时也连接到对应于接线柱328的一个控制端子上，(图1中21)。这个控制端子构成了第一IGBT36方面的一个辅助发射极，同时也构成了第二IGBT37方面的一个辅助集电极。第一IGBT36的集电极36c连接到功率端子316，317上，它们构成了半桥式电路36，37的“+”端。第二IGBT37的发射极37e连接到功率端子314，315上，它们构成了半桥式电路的“-”端。第一IGBT36的集电极36c还与对应于接线柱326的一个控制端子相连接，(图1中19)。该控制端子构成第一IGBT36方面的一个辅助集电极。相应地第二IGBT38的发射极37e同时还连接到对应于接线柱331的一个控制端子上，(图1中24)。该控制端子构成第二IGBT37方面的一个辅助发射极。最后，这两个IGBT的栅极36g及37g各与对应于接线柱327及330的一个控制端子相连接，(图1中20及23)。
当我们把各栅极端子算作辅助端子时，图3中的功率半导体组件310的半桥式电路总共就有三个主端子316，317及313和314，315及五个辅助端子(接线柱326，327，328，330及331)。这些辅助端子通过接线柱连接到控制单元325上。与接线柱329对应的端子(图1中22)未被占用，因为两个辅助端子、即第一IGBT36的辅助发射极及第二IGBT37的辅助集电极共同地通过接线柱328连接。
采用这种功率半导体组件与控制单元同一种结构形式，从现在起便可以简单方式实现其它类型的组件。这尤其在图4及5中所示的各具有单个半导体元件的功率半导体组件410及510，通过组件的外部连接，可以方便地互连成一个半桥式电路。这时图4的组件构成了所谓的正组件，即起着图3半桥式电路的上半部分作用的组件。图5的组件相应于一个负组件，它被用来构成图3所示半桥式电路的下半部分。
图4的正组件(功率半导体组件410)在组件壳411(它与图3中组件壳311从结构形式开始都是相同的)内包括单个IGBT38，它以与图3的第一IGBT36相同的方式用其集电极38c连接到功率端子416，417上。其发射极38e与功率端子414，415相连接，它们相当于图3中的功率端子314，315。功率端子413未被占用，因此可以省掉。
具有外壳434及控制信号端子432的控制单元425与图3的控制单元325具有相同的结构形式。原则上，在控制单元425上也可通过接线柱426至431与六个辅助端子相连接，它们与图1中的控制端子19至24或图3中的接线柱326至331采取相同的空间结构布局。然而，因为在目前的情况下仅控制一单个半导体元件，在组件410中与接线柱429，430及431(用点线表示的图形)对应的控制端子未被应用，并在控制单元425中未予考虑，这就是说，用于单个半导体元件的控制单元425与用于半桥式电路的控制单元325具有相同的结构形式，然而未配备下桥臂的元件。与图3相一致地，IGBT38的集电极38c接到接线柱426的控制端子的连接点用作辅助集电极，发射极38e接到接线柱428的控制端子的连接点用作辅助发射极，及栅极38g接到接线柱427的控制端子的连接点被用作栅极端子。
就图5给出的负组件(功率半导体组件510)而言，与正组件的情况十分类似。这里在一个功率半导体组件510中也装有一个IGBT39作为单个半导体元件，它具有组件壳511及多个功率端子513至516从结构形式开始是与图3及4的组件都是相同的。该IGBT39以其集电极39c连接到功率端子514，515上，其发射极39e连接到功率端子516，517上。因为这些功率端子514，515及516，517，位于组件的不同平面上-如从图1中可看出的，通过这种接线布局，按图5的一个组件的集电极39c可非常简单地与按图4的另一组件的发射极38e在同一平面上连接，以便构成一个完整的半桥。这里功率端子513也未占用，因此也可省掉。在控制方面，IGBT39以与图3的第二IGBT37相似的方式连接发射极39e作为辅助发射极与在接线柱531的控制端子连接，栅极39g处在接线柱530的控制端子上。为了构成辅助集电极，在此情况下与图3中不同，集电极39c与在接线柱529的控制端子连接。
两种单个半导体元件的组件410及510的特点在于由于对这两种组件，使用了旋转对称布局的控制端子及接线柱426-431及526-531，故在这些不同的空间布局中可使用相同的控制单元。在图4的功率半导体组件410(正组件)的情况下，将控制单元425这样地定位及用螺丝拧到组件上在控制单元内安置的控制信号输出端借助于接线柱426，427及428连接到IGBT38的辅助集电极38c，栅极38g及辅助发射极38e上。这时控制信号端子432处于下方。
在图5的功率半导体组件510(负组件)的情况下，控制单元425旋转180°，再用螺丝拧到组件上，因此，在控制单元内安置的同一控制信号输出端借助于接线柱529，530及531以类似方式连接到IGBT39的辅助集电极39c，栅极39g及辅助发射极39e上。这时控制信号端子432处于上方。按此方式，在本发明的范畴内创立了一种由功率半导体组件及附属的控制单元构成的系统用于组成一半导体元件半桥式电路，其特点在于统一的、标准化的结构形式，易于彼此组合及使用少数几种不同类型的控制单元就够用了。
符号一览表10，310，410，510，功率半导体组件11，311，411，511，组件壳12a-g 固定孔13-17 功率端子18a-d 螺栓19-24 控制端子25，325，425 控制单元26，31 接线柱32，332，432控制信号端子33a-d 固定螺丝34，334，434壳体(控制单元)35 供电端子36，37 IGBT(半桥式)36c，37c集电极36e，37e发射极36g，37g栅极38，39 IGBT(单个)38c，39c集电极38e，39e发射极38g，39g栅极40 对称轴313-317 功率端子326-331 接线柱413-417 功率端子426-431 接线柱513-517 功率端子526-531 接线柱
权利要求
1.功率半导体组件系统，包括多种类型的功率半导体组件(10，310，410，510)，每个组件各有一个或多个可控的功率半导体元件(36，37，38，39)并且每个组件各安置在具有向外引出的功率端子(13-17，313-317，413-417，513-517)及控制端子(19-24)的一个组件壳(11，311，411，511)内，以及对于其中每个功率半导体组件(10，310，410，510)有一个安装在单独壳体(34，334，434)内的控制单元(25，325，425)，该控制单元与所属的功率半导体组件能形成这样可拆的连接，即从控制单元(25，325，425)到相应控制信号输出端上的控制信号将到达功率半导体组件相应的控制端子(19-24)上，这时功率半导体组件(10，310，410，510)的每个控制端子(19-24)布置成第一固定的空间结构布局，而控制单元(25，325，425)的每个控制信号输出端布置成第二固定的空间结构布局，第一结构布局与第二结构布局完全一致，其特征在于第一结构布局与第二结构布局对所有的功率半导体组件(10，310，410，510)及控制单元(25，325，425)是相同的；并且不同的功率半导体组件(10，310，410，510)及控制单元(25，325，425)通过控制端子(19-24)及控制信号输出端的不同接线结构布局显示其区别。
2.根据权利要求1所述的功率半导体组件系统，其特征在于组件壳(11，311，411，511)及控制单元(25，325，425)的壳体(34，334，434)对于所有的功率半导体组件(10，310，410，510)及控制单元(25，325，425)总是相同的。
3.根据权利要求2所述的功率半导体组件系统，其特征在于功率半导体组件(10，310，410，510)的功率端子(13-17，313-317，413-417，513-517)布置成第三固定的空间结构布局；该第三结构布局对于所有的功率半导体组件(10，310，410，510)是相同的，及不同的功率半导体组件(10，310，410，510)通过功率端子(13-17，313-317，413-417，513-517)的不同占线布局显示其区别。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率半导体组件系统，其特征在于该系统至少包括三种功率半导体组件类型，它们尤其适于构成桥式电路，其中第一类具有由两个功率半导体元件(36，37)构成的半桥式的功率半导体组件(310)，第二类具有单个功率半导体元件(38)的功率半导体组件(410)，它用作一个半桥式电路的一个桥臂，及第三类具有单个功率半导体元件(39)的功率半导体组件(510)，它用作一个半桥式电路的另一桥臂。
5.根据权利要求4所述的功率半导体组件系统，其特征在于第一及第二结构布局的控制端子(19-24)及控制单元(25，325，425)的控制信号输出端绕一对称轴(40)旋转对称布局；在第二及第三类的功率半导体组件(410及510)中，只有这样的控制端子被占用，即在第二类(410)中占用的控制端子通过绕对称轴旋转一个选择的对称角度转到第三类(510)中占用的控制端子；此外对于两类功率半导体组件(410，510)可使用相同的控制单元(425)，它在第二类型(410)时以第一空间布局及在第三类型(510)时以第二空间布局与相应的功率半导体组件(410或510)相连接，这时这两种布局通过绕对称轴(40)旋转一选择的对称角加以区别。
6.根据权利要求5所述的功率半导体组件系统，其特征在于所选择的对称角为180°。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的功率半导体组件系统，其特征在于功率半导体组件(10，310，410，510)的控制端子(19-24)及控制单元(25，325，425)的控制信号输出端各通过接线柱(326-331，426-431，526-531)彼此可实现电连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率半导体组件系统，其特征在于可控半导体元件构成IGBT(36，37，38，39)。
全文摘要
一功率半导体组件系统包括多种功率半导体组件310，每个组件有一个或多个可控功率半导体元件，每个组件安置在具有引出的功率端子及控制端子的组件壳311中，每个310具有安装在单独壳体334中的控制单元325，该325与其半导体组件的连接是，从325到相应控制信号输出端上的控制信号将到达组件的控制端子，这时310的每个控制端各自成第一固定三维结构，325的每个控制信号输出端各自成第二固定三维结构，该两结构是叠合的。
文档编号H01L25/18GK1155165SQ96114589
公开日1997年7月23日 申请日期1996年11月22日 优先权日1996年11月22日
发明者R·拜耶勒 申请人:亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司