阅读说明：本技术 接触板内具有气体膨胀腔的旁路晶闸管装置 (Bypass thyristor device with gas expansion cavity in contact plate ) 是由 T.维克斯特雷姆 R.鲍曼 S.波普洛 B.奥厄德加德 于 2018-07-03 设计创作，主要内容包括：旁路晶闸管装置(20)包括：半导体装置(22),其提供晶闸管(24),晶闸管(24)具有阴极侧(28)上的阴极电极(26)、阴极侧(28)上的被阴极电极(26)环绕的栅电极(30)和阳极侧(32)上的阳极电极(34)；导电盖元件(38),其设置在阴极侧(28)上并且在接触侧(50)上与阴极电极(26)电接触；以及栅极接触元件(46),其电连接到栅电极(30)并且设置在盖元件(38)的接触侧(50)中的栅极接触开口(48)中；其中盖元件(38)在面对阴极侧(28)的接触侧(50)中具有气体膨胀体积(56),该气体膨胀体积(56)与栅极接触开口(48)互连以便进行气体交换。(The bypass thyristor device (20) comprises: a semiconductor device (22) providing a thyristor (24), the thyristor (24) having a cathode electrode (26) on a cathode side (28), a gate electrode (30) on the cathode side (28) surrounded by the cathode electrode (26), and an anode electrode (34) on an anode side (32); an electrically conductive cover element (38) which is arranged on the cathode side (28) and which is in electrical contact with the cathode electrode (26) on a contact side (50); and a gate contact element (46) electrically connected to the gate electrode (30) and arranged in a gate contact opening (48) in a contact side (50) of the cap element (38); wherein the cover element (38) has a gas expansion volume (56) in the contact side (50) facing the cathode side (28), which gas expansion volume (56) is interconnected with the gate contact opening (48) for gas exchange.)

接触板内具有气体膨胀腔的旁路晶闸管装置

技术领域

本发明涉及旁路晶闸管装置和具有这样的旁路晶闸管装置的转换器单元。

背景技术

模块化多级（multi-level）转换器（MMC）可以将电功率从高压交流电（AC）转换成直流电（DC），或反之亦然。应用示例是高压直流（HVDC）输电系统，其远距离或在不同频率的AC功率系统之间输送电能。为了转换高压（诸如几百kV）和高功率（例如在GW范围内），转换器站可以包括多个这样的MMC。

每个MMC可以利用级联的独立逆变器子模块或转换器单元，逆变器子模块或转换器单元各自具有它自己的存储电容器，其也可以称为单元电容器（cell capacitor）。在MMC的相位支路中，转换器单元通常串联连接。转换器单元可以彼此独立地受控，使得可以在如转换器单元可用的那样多的级中从DC电流生成AC电流。

MMC转换器通常设计成通过将转换器单元的数量增加至比所需要的还多的转换器单元来包括冗余度。在失效的情况下，失效的转换器单元可能必须被放电和旁路以避免对DC链路电容器过充电。该功能通常由旁路开关提供。转换器单元中存储的能量可能是极大的，甚至超过100kJ，从而使得在对转换器单元本身或周围单元不造成更多损坏的情况下将转换器单元放电成为挑战。

这样的旁路开关的一个可能性是由***物驱动的机械开关。这样的烟火装置可能昂贵并且可能需要努力使它在结构上适合转换器使得它能容易被更换和维修，同时保持体积、杂散阻抗和电容最小。另外，***装填物可能需要例行更换以确保功能，并且机械部件可能需要维护。在旁路开关自身的失效的情况下，它在断开状态下失效使得电容器可能由于过充电而被破坏。

作为另外的示例，WO 2013/044961 A1描述了晶闸管作为旁路晶闸管的使用。

EP 0220698 A2涉及具有圆形外壳的晶闸管，其中栅极接触通过盖板中的狭缝（slit）并且通过绝缘环中的径向开口引导到外侧。

发明内容

本发明的目的是为转换器单元提供可靠、易于集成、易于维护且经济的旁路开关。

该目的由独立权利要求的主题实现。另外的示范性实施例从从属权利要求和下面的描述中显而易见。

本发明的方面涉及旁路晶闸管装置。基本上，旁路装置可以是适合于将另一个电装置旁路的任何装置，这可以通过触发旁路开关进入导通状态来执行。本旁路装置基于作为旁路开关的晶闸管并且可以包括半导体装置连同封装该半导体装置且提供电接触的外壳。半导体装置可以是或可以包括半导体晶圆或半导体芯片。必须注意，本公开可以涉及功率旁路晶闸管装置，其适合于处理高于600V和/或高于10A的电压。

根据本发明的实施例，旁路晶闸管装置包括半导体装置，该半导体装置包括晶闸管，该晶闸管具有阴极侧上的阴极电极、阴极侧上的被阴极电极环绕的栅电极（gateelectrode）以及阳极侧上的阳极电极。阴极侧和阳极侧可以是半导体装置上的相对侧。半导体装置可以是大体圆形的板，其中已掺杂晶闸管的元件（element）。阴极电极、栅电极和阳极电极可以由半导体装置的衬底上的金属化层提供。

此外，旁路晶闸管装置包括：导电盖（cover）元件，其设置在阴极侧上并且在接触侧上与阴极电极电接触；以及栅极接触元件，其电连接到栅电极并且设置在盖元件的接触侧中的栅极接触开口中。栅极接触开口可以是盖元件中的孔，其中容纳栅极接触元件。栅极接触元件可以与被引导通过盖元件与旁路晶闸管装置的外侧的电缆电连接。

此外，旁路晶闸管装置可以包括另外的盖元件，其设置在阳极侧上并且与阳极电极电接触。该另外的盖元件可以被视为阳极盖元件并且另一盖元件被视为阴极盖元件。两个盖元件可以与可环绕半导体装置的电绝缘法兰（flange）机械互连。盖元件和绝缘法兰（其可以由陶瓷制成）可以视为旁路晶闸管装置的外壳。绝缘法兰和盖元件构成外壳内部的气密密封。

阴极盖元件在面对阴极侧的接触侧中具有气体膨胀体积，该气体膨胀体积与栅极接触开口互连以便进行气体交换。气体膨胀体积和半导体装置在旁路晶闸管装置中形成腔，其适合于容纳在晶闸管和/或半导体装置热破坏的情况下从半导体装置汽化的气体和/或等离子体。当通过晶闸管的电流变得高于晶闸管的最大浪涌电流时可能是这样的情况。

例如，当被旁路开关装置短路的单元电容器的电荷强带电时，可能发生这样的事件。此外，这样的事件可能预期形成通过半导体装置的永久导通路径。由于高电流，半导体装置的材料可以熔融并且可以形成导通路径。在没有气体膨胀体积的情况下，在半导体装置内产生的等离子体和/或气体可以在盖元件上产生高压力，这可能导致旁路晶闸管装置的外壳破裂。另外，气体膨胀体积的壁可以使气体冷却并且可以促进冷凝。

具有这样的气体膨胀体积的旁路晶闸管装置可以具有改进的非破裂能力，而没有增加生产成本。这可以实现较高功率的MMC转换器单元的设计而不增加旁路技术方案的成本。

根据本发明的实施例，气体膨胀体积的体积大于栅极接触开口的体积。可以是这样的：气体膨胀体积的体积至少是栅极接触开口的体积的10倍。气体膨胀体积的体积可以取决于在旁路操作期间生成的气体的平均量。最佳体积可以利用实验来确定。

根据本发明的实施例，气体膨胀体积被划分成互连的至少两个独立腔以便进行气体交换。气体膨胀到多个腔中可以是有益的。一方面，盖元件的机械稳定性可以由较多但较小的腔来增强。另一方面，气体膨胀体积的表面可以增加，该表面可以使汽化气体冷却。

根据本发明的实施例，气体膨胀体积包括环绕栅极接触开口的至少一个沟槽（trench）。例如，这样的沟槽可以被机械加工到盖元件中。这样的沟槽还可以具有比栅极接触开口的高度更大的高度。

根据本发明的实施例，至少一个沟槽经由接触侧中提供的至少一个沟道与栅极接触开口互连。这样的沟道可以具有比至少一个沟槽更小的横截面面积。此外，栅极接触开口和至少一个沟槽可以利用多个沟道互连。

根据本发明的实施例，气体膨胀体积包括环绕栅极接触开口的至少两个沟槽。像栅极接触开口与沟槽中的一个沟槽链接那样，沟槽可以彼此链接。

根据本发明的实施例，至少两个沟槽经由接触侧中提供的至少一个沟道彼此互连，该至少一个沟道可以具有比每个沟槽小的横截面面积。两个沟槽可以与多个沟道互连。

根据本发明的实施例，盖元件包括栅极电缆沟槽，其中设置栅极电缆，该栅极电缆电连接到栅极接触元件。栅极接触电缆可以通过栅极电缆沟槽被引导到旁路晶闸管装置的外侧。栅极电缆沟槽可以比气体膨胀体积和/或它的沟槽小。它仅可以具有适合于容纳栅极接触电缆的横截面。受压通过栅极电缆沟槽并且到达旁路晶闸管装置的内部空气的气体量可以显著降低或甚至用气体膨胀体积来消除。可以降低或消除对于保护外壳的盖元件和绝缘法兰的需要。

根据本发明的实施例，栅极电缆沟槽的横截面面积小于将栅极接触开口与气体膨胀体积互连的一个或多个沟道的横截面面积。沟道可以适合于均衡栅极接触开口与气体膨胀体积之间和/或气体膨胀体积的不同腔之间的压力。栅极电缆沟槽可以仅容纳栅极电缆并且可以相当小。

根据本发明的实施例，半导体装置具有圆形形状并且栅电极被设置在该圆形形状的中心。气体膨胀体积可以包括一个或多个圆形沟槽，其环绕栅极接触开口，该栅极接触开口可以设置在栅电极上方。此外，将栅极接触开口与一个或多个圆形沟槽互连的沟道被设置在相对于中心的径向方向上。这可以给机械稳定的盖元件提供较大气体膨胀体积，其考虑了圆形半导体装置的几何形状。

根据本发明的实施例，旁路晶闸管装置进一步包括电连接到阳极电极的阳极侧盖元件和环绕半导体装置的电绝缘法兰，阴极侧盖元件和阳极侧盖元件附连到该法兰。如已经提到的，旁路晶闸管装置的外壳可以由与绝缘法兰（其可以由陶瓷制成）互连的两个盖元件制成。

根据本发明的实施例，晶闸管适合于在流过半导体开关的电流超过最大电流时，形成通过半导体装置的有源区域的永久导通路径。在通过晶闸管的电流使半导体装置的材料熔融时可以形成这样的路径。在该情况下，可以生成由气体膨胀体积容纳的气体。

根据本发明的实施例，为了形成晶闸管，半导体装置从阴极侧到阳极侧包括以下层：连接到阴极电极的具有第一导电类型（诸如n+）的阴极层；连接到栅电极的具有与第一导电类型不同的第二导电类型（诸如p）的基极层；具有第一导电类型（诸如n-）的漂移层；和连接到阳极电极的具有第二导电类型（诸如p）的阳极层。在有源区域（在该有源区域中，阴极电极接触阴极层）中，半导体装置包括：第一区，其中阴极侧与阳极侧之间的载流子寿命的均值具有第一值；以及第二区，其中阴极侧与阳极侧之间的载流子寿命的均值具有第二值，其小于第二值。

换言之，半导体装置的有源区被划分成第一较长载流子寿命区和第二较短载流子寿命区。

利用这样的晶闸管，可以提供转换器单元的短路失效模式，其中晶闸管可以充当单元电容器的旁路开关。载流子寿命较长的第一区可以触发晶闸管并且导通电流。载流子寿命较短的第二区在导通电流方面可以没有显著贡献，从而迫使电流主要流过较长寿命区。在单元电容器上存储较少能量的情况下，由于第一区只是半导体装置的有源区的一部分，因此，开关可以可靠地失效。第二、降低的载流子寿命区可以向其中几乎没有电流流动的此类区域增加导通状态电压并且可以增加半导体体积，其中在短路失效的情况下热可以扩散。

根据本发明的实施例，第二值是第一值的至多75%。这可以确保晶闸管的可靠触发。

根据本发明的实施例，第一区设置在栅电极与阳极电极之间。换言之，第二区可以是中央区，其被第一区包围。在短路失效模式中，第一区周围的所有材料可以有助于形成导通路径。

然而，可以被触发进入短路失效模式的其他类型的晶闸管也可以用于旁路晶闸管装置。

本发明的另外的方面涉及转换器单元，其包括如在上文和下文中描述的旁路晶闸管装置。这样的转换器单元可以互连以便形成转换器，诸如模块化多级转换器。在转换器单元失效的情况下，旁路晶闸管可以被触发以将转换器单元的单元电容器放电。采用这样的方式，冗余转换器单元可以断开连接。

必须注意，旁路晶闸管装置的特征可以是转换器单元的特征并且反之亦然。

根据本发明的实施例，转换器单元包括：至少两个功率半导体开关，用于将单元电容器与转换器单元的输出连接并且用于将单元电容器从输出断开连接；以及如在上文和下文中描述的并联连接到单元电容器的旁路晶闸管装置。

转换器单元可以包括一个或多个半桥，半桥由两个串联连接的功率半导体开关组成。半桥可以与单元电容器和旁路晶闸管并联连接。转换器单元的输出可以由半桥的中点提供。

用于切换通过转换器单元的电流的功率半导体开关可以是晶体管或晶闸管，诸如集成栅双极晶体管（IGBT）或绝缘栅换向晶闸管（IGCT）。然而，这些功率半导体开关虽然此时是晶闸管，但可以具有与旁路晶闸管装置不同的设计。对旁路晶闸管装置的要求可以与对转换器单元的其他开关的要求极为不同，因为旁路晶闸管装置在转换器单元的正常操作期间是阻断的。在正常操作中没有导通或开关损耗的情况下，旁路晶闸管装置可以近似呈现冷却介质温度。因此，与转换器单元的开关相比，对负载-和温度循环的要求可以完全被排除。就热阻和负载循环弹性（resilience）而言，要求降低提供了更多设计自由。因此，可以使用如在上文和下文中描述的旁路晶闸管装置，例如，基于如上文和下文中描述的晶闸管的和/或具有如上文和下文中描述的被划分成具有不同载流子寿命的第一区和第二区的有源区的旁路晶闸管装置。

本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例显而易见并且将参考下文描述的实施例来阐明。

附图说明

将在下文中参考附图中图示的示范性实施例，更详细地解释本发明的主题。

图1示意性示出根据本发明的实施例的全桥转换器单元的电路图。

图2示意性示出根据本发明的实施例的旁路晶闸管装置的横截面视图。

图3示出根据本发明的实施例用于旁路晶闸管装置的盖元件的透视图。

图4示意性示出根据本发明的实施例用于旁路晶闸管装置的半导体装置的横截面视图。

图中使用的参考符号和它们的含义采用总结的形式在参考符号列表中列出。原则上，在图中给相同的部分提供相同的参考符号。

具体实施方式

图1示出转换器单元10，其包括与单元电容器14并联互连的全桥12。该全桥12由四个反向导通半导体开关16（在这里是IGCT）组成，这些反向导通半导体开关16用于将单元电容器直接或反向附连到输出端子（18）或者将它断开连接。转换器单元10的输出18由半桥12的中点提供，所述输出18可以与单元电容器14断开连接并且可以在两个方向上连接到单元电容器，即，转换器单元10是双极单元。还可以是这样的：转换器单元10是单极单元或具有另一个开关拓扑。像图1中示出的转换器单元10那样的转换器单元可串联连接以形成模块化多级转换器（MMC）的臂。

另外，转换器单元10包括旁路晶闸管装置20，其适合于使单元电容器14短路。

图2更详细地示出旁路晶闸管装置20。旁路晶闸管装置20包括半导体装置22，其包括或提供晶闸管24。半导体装置22在阴极侧28上提供有阴极电极26和栅电极30，所述栅电极30被阴极电极26环绕。在另一阳极侧32上，半导体装置22提供有阳极电极34。

半导体装置22可以由掺杂Si或掺杂SiC作为衬底而制成。阴极电极26、栅电极30和阳极电极34可以是半导体装置22的衬底上的金属化层。在图2中从侧面以横截面示出的半导体装置22在从上方观察时可以具有圆形形状。

半导体装置22被封入旁路晶闸管装置20的外壳36中，外壳36包括阴极侧盖元件38和阳极侧盖元件40，阴极侧盖元件38和阳极侧盖元件40将半导体装置22夹在它们之间。盖元件38、40是导电的并且分别与阴极电极26和阳极电极34直接电接触。例如，盖元件可以由诸如Cu或Al之类的金属制成。

盖元件38、40由电绝缘法兰42隔开，该电绝缘法兰42环绕半导体装置22和/或该电绝缘法兰42可以由陶瓷制成。在盖元件38、40之间以及法兰42内侧、半导体装置22的径向外侧，存在外层内部空间44，其可以充满空气。

栅电极30可以位于半导体装置22的中心。直接电连接到栅电极30的栅极接触元件46被设置在盖元件38的接触侧50中的栅极接触开口48中。例如，栅极接触元件焊接或烧结到栅电极30。

栅极接触元件46电连接到栅极接触电缆52，其通过栅极电缆沟槽54被引导到旁路晶闸管装置20的外侧。在盖元件38的接触侧50中提供栅极电缆沟槽54。栅极接触电缆52可以通过另外的开口被引导通过法兰42。

另外，盖元件38具有气体膨胀体积56，其在接触侧50中提供，该气体膨胀体积56可以由一个或多个腔58组成，腔58互连以便与栅极接触开口48进行气体交换。这样的气体交换可以通过沟道60进行，在接触侧50中提供沟道60并且沟道60将腔58彼此并与栅极接触开口48互连。

气体膨胀体积56用于减轻半导体装置22通过高电流事件生成的气体和/或等离子体的影响。以单元电容器14中存储的高能量触发旁路晶闸管装置20可以释放超过旁路晶闸管装置20的浪涌电流能力几个数量级的电流。半导体装置22的有源区域可以熔融并且可以汽化为气态。此气体可以被容纳在气体膨胀体积56中，它的压力可以被降低和/或它可以被冷却。

在没有气体膨胀体积56的接触元件中，可能几乎没有可用于所产生的气体的体积。热气可以沿栅极电缆沟槽54行进并且进入内部空间44，在内部空间44中，它危及陶瓷法兰42的完整性和盖元件38、40的密封。它还可以产生足够的压力以使表面分开并且通过密封环逃逸。

如在图2中示出的，气体膨胀体积56的体积可以是栅极接触开口48的体积的2倍或者更大。这可以通过与栅极接触开口48相比更深和/或更宽的腔58实现。

如同栅极接触开口48和栅极电缆沟槽54，腔58和沟道60可以被机械加工（machined）到盖元件38中。

图3示出从朝向接触侧50的方向的透视图中的盖元件38的实施例。栅极接触开口48可以是中央孔，其被采用沟槽形式的同轴环形腔58环绕。沟槽58和栅极接触开口48与径向伸展的沟道60互连，这些径向伸展的沟道60可以具有比沟槽58更小的横截面面积。具有比沟道60更小的横截面面积的栅极电缆沟槽54也可以在径向方向上伸展。

可以看到对于气体膨胀体积56与内部空间44之间的气体交换的唯一可能性可以是经由栅极电缆沟槽54，其可以具有大体上如栅极接触电缆52那样的横截面面积。因此，上文提到的事件所生成的大部分气体可以停留在气体膨胀体积56内。

还可以是这样的：半导体装置22在高能事件期间有意地熔融以形成通过旁路晶闸管装置20的导通路径。这样的半导体装置22在图4中示出。

从阴极侧28到与阴极侧28相对的阳极侧32，半导体装置22包括n+掺杂阴极层62、p掺杂基极层64、n-掺杂漂移层66和p掺杂阳极层68。在阴极层62上提供阴极电极26并且在阳极层68上提供阳极电极34。

在基极层64上提供栅电极30，在基极层64中嵌入阴极层62。基极层64可以是阴极层62下方的连续层。阴极层62的阴极层的底部和横向侧可以接触基极层64。

半导体装置22的可以被视为其中阴极电极26接触阴极层62的区的有源区70被划分成：第一区70a，其从阴极侧28延伸到阳极侧32，其中阴极侧28与阳极侧32之间的载流子寿命的均值具有第一值；以及第二区70b，其中阴极侧28与阳极侧42之间的载流子寿命的均值具有第二值，其可以比第一值小。第二值可以是第一值的至多75%。

例如，在与阴极侧28平行的所有平面中，第二区70b中的平均载流子寿命可以比相同平面中的第一区70a中的平均载流子寿命小，诸如是相同平面中的第一区70a中的平均载流子寿命的至多75%。

在另外的示例中，在第一与第二pn结72、74之间在第二区70b中的平均载流子寿命可以比第一区中的平均载流子寿命小，诸如是第一区中的平均载流子寿命的至多75%。

在与阴极侧28平行的平面中，第一区70a的面积可以是有源区70的面积的至少0.1%。这样小的面积（或更精确地，该面积到阴极侧28和阳极侧32的投影中的区）在短路失效模式（SCFM）的情况下可足以激发旁路晶闸管24。然而，第一区70a的面积还可以具有有源区70的面积的至多50%或至多5%的大小。这意味着在示范性实施例中，（在与阴极侧28平行的平面中）第二区70b可以具有有源区70的面积的50%与99.9%之间的大小。

虽然在附图和前文的描述中，已经详细地图示并且描述了本发明，但这样的图示和描述要被认为是说明性或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。实践要求保护的本发明的和本领域的技术人员能够根据对附图、公开内容以及所附权利要求的研究来理解并且实现针对所公开的实施例的其它变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可以实现权利要求中叙述的若干项的功能。仅仅在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实不指示这些措施的组合不能有利地被使用。权利要求中的任何参考标记不应当被解释为限制范围。

参考符号列表

10转换器单元

12半桥

14单元电容器

16半导体开关

18输出

20旁路晶闸管装置

22半导体装置

24晶闸管

26阴极电极

28阴极侧

30栅电极

32阳极侧

34阳极电极

36外壳

38盖元件

40盖元件

42法兰

44内部空间

46栅极接触元件

48栅极接触开口

50接触侧

52栅极接触电缆

54栅极电缆沟槽

56气体膨胀体积

58腔、沟槽

60沟道

62阴极层

64基极层

66漂移层

68阳极层

70有源区

70a第一区

70b第二区

72第一pn结

74第二pn结