[发明专利]具有主动短路故障模式的功率半导体装置

说明书

功率半导体装置（10）包括提供Si开关（14）的Si芯片（12）以及提供宽带隙材料开关（18）的宽带隙材料芯片（16），其中Si开关（14）和宽带隙材料开关（18）被并联电连接。用于控制功率半导体装置（10）的方法包括：在正常操作模式期间，通过将对应栅极信号施加到至少宽带隙材料开关（18）来控制至少宽带隙材料开关（18）以用于切换经过功率半导体装置（10）的电流；感测功率半导体装置（10）中的故障；以及在所感测故障的情况下，通过施加栅极信号来控制Si开关（14），使得在Si芯片（12）中生成电流，所述电流将Si芯片（12）加热到形成经过Si芯片（12）的永久导通通路的温度。

技术领域

本发明涉及功率半导体装置的领域。特别地，本发明涉及用于控制功率半导体装置的方法并且涉及半导体装置。

背景技术

功率半导体装置（诸如转换器、电驱动器、STATCOMS等）通常由多个功率半导体模块组装成，所述多个功率半导体模块中的每个功率半导体模块机械和电连接一个或多个功率半导体元件。在高压DC应用中，通常要求多个功率半导体模块的串联连接以满足高电压和高电流要求。在故障情况下变得永久导通的功率半导体模块可在这样的串联连接中具有极大优点。

可以以数种方式来达到这样的短路故障模式（SCFM）。在被动SCFM概念中，流过故障的Si（硅）芯片的转换器电流可在Si芯片的故障情况下创建低欧姆电阻。例如，电流可加热Si芯片以及芯片上的Al（铝）预制件。在相对低的温度（577℃）下的Si与Al之间的共晶反应于是可创建永久导通电流通路作为固有故障补偿（intrinsic failure compensation）。

例如，EP 2503595 A1涉及具有基于Si的半导体芯片的功率半导体模块，所述基于Si的半导体芯片被提供在能够与所述芯片的Si材料形成共晶合金的两个层之间。

此外，存在主动SCFM概念，诸如涉及具有适于将半导体模块旁路的短路装置的高功率半导体模块的EP 2824701 A1。

一般来说，具有固有SCFM能力的半导体装置允许具有冗余度的半导体装置的串联连接，并且可省略机械单元旁路。

由于它们的高阻断能力，具有基于SiC（碳化硅）和其他宽带隙材料的半导体装置的半导体模块越来越多地被采用于高压应用中。

WO 2016/062426 A1涉及具有在一个衬底上的IGBT和SiC开关的半导体模块，其中销（pin）被压在采用压装布置（press-pack arrangement）的IGBT上。

WO 2013/004297 A1示出并联连接的IGBT。在故障的情况下，高压栅极脉冲被施加到IGBT中的至少一个IGBT。

发明内容

本发明的目的是提供基于宽带隙半导体元件的紧凑、安全并且更不复杂的功率半导体装置。

这个目的通过独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求和以下描述，进一步的示例性实施例是显而易见的。

本发明的第一方面涉及用于控制功率半导体装置的方法。在这里以及下文中，术语“功率”可涉及用来处理大于10 A的电流和/或大于1.000 V的能力。该方法可由功率半导体装置的栅极控制器执行。

根据本发明的实施例，功率半导体装置包括提供Si（硅）开关的Si芯片，并且包括提供宽带隙材料开关的宽带隙材料芯片，其中Si开关和宽带隙材料开关被并联电连接。半导体开关一般可以是适于通过栅极的控制来切换经过开关的电流的装置。宽带隙材料可以是SiC、GaN等，即，具有至少是Si的两倍大的带隙的半导体材料。

可在同一半导体模块中提供并联连接的Si开关和宽带隙材料开关，和/或可在不同半导体模块中提供并联连接的Si开关和宽带隙材料开关。