JP7008912B2 - 能動的な短絡故障モードを有するパワー半導体装置 - Google Patents

Description

本発明の分野
本発明は、パワー半導体装置の分野に関する。特に、本発明は、パワー半導体装置を制御するための方法および当該半導体装置に関する。

本発明の背景
コンバータ、電気駆動装置、およびＳＴＡＴＣＯＭ等のパワー半導体装置は、通常、複数のパワー半導体モジュールから組み立てられる。複数のパワー半導体モジュールの各々は、１つ以上のパワー半導体素子を機械的および電気的に接続する。高電圧直流実用例において、高電圧かつ高電流の要件を満たすために、通常、多数のパワー半導体モジュールの直列接続が必要とされる。故障の場合に持続的に導通状態となるパワー半導体装置は、そのような直列接続において優れた利点を有し得る。

そのような短絡故障モード（ＳＣＦＭ：short circuit failure mode）は、いくつかの方法において達せられ得る。受動的ＳＣＦＭのコンセプトにおいて、故障したＳｉ（シリコン）チップを流れるコンバータ電流は、Ｓｉチップの故障の場合に低オーム抵抗を形成し得る。たとえば、当該電流は、Ｓｉチップおよび当該チップ上のＡｌ（アルミニウム）プリフォームを加熱し得る。その結果、相対的に低い温度（５７７℃）でのＳｉとＡｌとの間の共晶反応は、内在的な故障補償として持続的な導通経路を形成し得る。

たとえば、欧州特許出願公開第２５０３５９５号明細書は、Ｓｉに基づく半導体チップを有するパワー半導体モジュールに関する。当該半導体チップは、当該チップのＳｉ材料と共晶合金を形成可能な２つの層の間に設けられている。

さらに、半導体モジュールを迂回するように適合された短絡装置を有するハイパワー半導体モジュールに関する欧州特許出願公開第２８２４７０１号明細書のように、能動的ＳＣＦＭのコンセプトもある。

一般的に、内在的なＳＣＦＭ能力を有する半導体装置は、半導体装置の冗長性のある直列接続を許容し、機械的なセルバイパスを省略し得る。

それらの高い遮断能力のため、ＳｉＣ（炭化ケイ素）と他のワイドバンドギャップ素材とに基づく半導体装置を有する半導体モジュールは、高電圧実用例においていますます採用されている。

国際公開第２０１６／０６２４２６号は、１つの基板上にＩＧＢＴおよびＳｉＣスイッチを有する半導体モジュールに関する。当該半導体モジュールでは、プレスパック配置において、ピンが当該ＩＧＢＴに押し付けられる。

国際公開第２０１３／００４２９７号は、並列に接続されたＩＧＢＴを示す。故障の場合、高電圧ゲートパルスが当該ＩＧＢＴの少なくとも１つに印加される。

本発明の説明
本発明の目的は、ワイドバンドギャップ半導体素子に基づく、コンパクトで、安全で、かつ複雑さが軽減されたパワー半導体装置を提供することである。

この目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらに典型的な実施形態は、従属請求項および以下の説明から明白である。

本発明の第１局面は、パワー半導体装置を制御するための方法に関する。以下において、「パワー」との用語は、１０Ａより大きく、および／または１．０００Ｖより大きい電流を処理する能力に関し得る。当該方法は、パワー半導体装置のゲートコントローラによって実行され得る。

本発明の実施形態によれば、パワー半導体装置は、Ｓｉ（シリコン）チップと、ワイドバンドギャップ素材のチップとを備える。Ｓｉチップは、Ｓｉスイッチを提供する。ワイドバンドギャップ素材のチップは、ワイドバンドギャップ素材のスイッチを提供する。Ｓｉスイッチおよびワイドバンドギャップ素材のスイッチは、電気的に並列に接続されている。一般的に半導体スイッチは、ゲートの制御によってスイッチを流れる電流を切り替えるように適合された装置であり得る。ワイドバンドギャップ素材は、Ｓｉの少なくとも２倍のバンドギャップを有する、ＳｉＣ，ＧａＮ等の半導体素材であり得る。

並列に接続されたＳｉスイッチおよびワイドバンドギャップ素材のスイッチは、同じ半導体モジュール内に設けられてもよいし、および／または、異なる半導体モジュール内に設けられてもよい。

上記および下記で説明され、かつ下記で説明されるように制御されるようなパワー半導体装置は、高電圧を切り替えるために同様に設計され、および／または同様に制御される他のパワー半導体装置に積み重ねられてもよいし、および／または直列に接続されてもよい。

本発明の実施形態によれば、方法は、通常操作モードの間、少なくともワイドバンドギャップ素材のスイッチに対応ゲート信号を印加することによってパワー半導体装置を流れる電流を切り替えるために、少なくともワイドバンドギャップ素材のスイッチを制御することを含む。当該方法は、パワー半導体装置の故障を検知することをさらに含む。当該方法は、故障が検知された場合、Ｓｉチップを通過する持続的な導通経路が形成される温度までＳｉチップを加熱する電流がＳｉチップにおいて生成されるように、ゲート信号を印加することによってＳｉスイッチを制御することをさらに含む。たとえば、ＳｉチップのＳｉ素材と当該Ｓｉチップに接触するように配置された金属プリフォームとから共晶合金が形成されることによって当該導通経路が形成される。

言い換えれば、ワイドバンドギャップ素材のチップと並列に接続されたＳｉチップは、Ｓｉチップおよびワイドバンドギャップ素材のチップの両方についての短絡故障モード（ＳＣＦＭ）を提供するために使用され得る。Ｓｉチップは、過電流がＳｉチップに印加されるとき、パワー半導体装置のための短絡故障モードが提供可能なように、および／または、導通経路の形成に適合されるようにパワー半導体装置に配置される。Ｓｉチップは、半導体の（過電圧、安全動作領域、サージ電流、および／または熱的）故障あるいは関連するゲート制御故障の場合に低オーム抵抗を有する導通経路を形成し得る。故障が検出された場合、Ｓｉチップが能動的にそのＳＣＦＭに移行されるように、ＳｉチップのＳｉスイッチにゲート信号が印加される。

さらに、故障が検知された場合、Ｓｉチップの内部抵抗が通常操作モードの場合よりも高くなるように、Ｓｉスイッチに印加されるゲート信号は、通常操作モードの場合よりも低い電圧を有する。ＳｉチップをそのＳＣＦＭに能動的に移行することは、その通常の導通モードよりも高く、かつその通常の遮断モードよりも低い抵抗を有する抵抗性の導通状態にそのスイッチを切り替えることにより可能となる。この場合、同等に設計されたパワー半導体装置のスタック接続および／または直列接続を正常に操作するとき、Ｓｉチップを流れる負荷電流が生成され、持続的な導通経路が形成されるまで、Ｓｉチップを加熱するために当該負荷電流が使用され得る。その結果、Ｓｉチップと、たとえばＳｉチップ上の金属プリフォームとによるＳＣＦＭを可能とする配置は、外部から印加される電流によって熱的過負荷に至り、最終的にＳＣＦＭを形成する。

本発明の実施形態によれば、故障を検知した後にＳｉスイッチのみにゲート信号が与えられるように、Ｓｉスイッチ用のゲート信号およびワイドバンドギャップ素材のスイッチ用のゲート信号は、互いから独立に生成可能である。たとえば、制御配置は、ワイドバンドギャップ素材のスイッチ用のゲートコントローラとＳｉスイッチ用の別個のゲートコントローラを有し得る。しかしながら、独立したゲート信号が同じコントローラによって生成され得る。独立したゲート信号は、同時点において異なる電圧レベルを有する信号であり得る。

本発明の実施形態によれば、通常操作モードの間、Ｓｉスイッチは制御されることにより、ワイドバンドギャップ素材のスイッチに切り替えられる。Ｓｉスイッチも負荷電流を切り替えるために使用され得る。通常操作モードの間、ゲート信号は、実質的に等しい形式を有し得る。

しかしながら、Ｓｉスイッチは、パワー半導体装置のためのＳＣＦＭを提供するためだけに使用されることもあり得る。この場合、Ｓｉスイッチは、パワー半導体装置の通常操作モードの間、遮断モードであってもよいし、および／またはＳｉスイッチは、当該パワー半導体装置における故障が検知されたときに、抵抗性の導通状態に切り替えられてもよい。

本発明の実施形態によれば、パワー半導体装置が導通状態に切り替えられる場合、故障は、パワー半導体装置にかかる電圧を計測することによって検知され、故障の場合の電圧は、公称電圧よりも高い。そのような電圧は、パワー半導体装置に統合された電圧センサによって計測され得る。その場合、ＳｉＣチップが故障し、ＳｉＣチップが導通状態に切り替えられるとき、その抵抗は、公称抵抗よりも高い状態が継続する。結果として生じる電圧降下は、故障のインジケータとして使用され得る。

本発明の実施形態によれば、故障は、ワイドバンドギャップ素材のチップを収容するパワー半導体モジュールの内部における光検出によって検知される。故障のいくつかの種類は、アークを生成し得る。当該アークは、光検出センサを用いて検出され得る。

本発明の実施形態によれば、故障は、ワイドバンドギャップ素材のチップを収容するパワー半導体モジュールの内部におけるアーク電圧検知によって検知される。さらに、アーク電圧計測によるアークの検出が可能である。

任意のケースにおいて、（モジュール電圧センサ、光検出センサ、および／またはアーク電圧センサのような）対応センサからの計測信号は、コントローラによって評価され得る。当該コントローラは、故障信号を生成して、Ｓｉチップを起動してそのＳＣＦＭに移行させるために、この故障信号を使用する。

本発明の実施形態によれば、Ｓｉチップは、Ｓｉチップを流れる電流によって特定温度（すなわち、導通経路形成温度）より高く加熱される場合、Ｓｉチップを通過する導通経路を形成するように適合された金属プリフォームに取り付けられる。Ｓｉチップおよび金属プリフォームは、加熱される場合、共晶合金を形成するように適合され得る。たとえば、Ｓｉチップに直接取り付けられた金属体であり得る金属プリフォームは、Ａｌ（アルミニウム）またはＭｏ（モリブデン）から作成され得る。

本発明の実施形態によれば、パワー半導体装置は、過電流によって加熱される場合、ワイドバンドギャップ素材のチップを通過する少なくとも一時的な導通経路を形成するように適合されている。ワイドバンドギャップ素材のチップは、少なくとも一時的な短絡故障モードを有することもあり得る。たとえば、故障の場合、一時的な導通経路および／またはワイドバンドギャップ素材のスイッチの導通状態よりも高い抵抗を有する導通経路が形成され得る。ワイドバンドギャップ素材のチップのＳＣＦＭは、半導体故障（過電圧故障，ＳＯＡ故障，サージ電流故障，熱的故障）または関連するゲート駆動故障の場合における安定した低オーム抵抗を達成しなくてもよく、および／またはＳｉチップによって提供されるＳＣＦＭによって支援されてもよい。

本発明の実施形態によれば、ワイドバンドギャップ素材のチップは、導通経路を形成するように適合された金属プリフォームに取り付けられる。Ｓｉチップに類似するように、ワイドバンドギャップ素材のチップは、加熱される場合、ワイドバンド素材を有する導通素材を形成する金属プリフォームに直接に接触し得る。たとえば、ワイドバンドギャップ素材のチップに直接に取り付けられる金属体であり得る金属プリフォームは、Ｍｏ（モリブデン）から作成され得る。

本発明の実施形態によれば、Ｓｉスイッチは、（ＰＣＴまたはＩＧＣＴのような）サイリスタ、（ＩＧＢＴのような）トランジスタ、または内部逆導通ダイオードを有するバイモード型スイッチである。たとえば、ＢＩＧＴ（バイモード絶縁ゲートトランジスタ）のような逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ－ＩＧＢＴ）において、ＩＧＢＴおよび逆導通ダイオードは、１つのＳｉ基板において結び付けられる。逆導通内部ダイオードは、別個のフリーホイールのダイオードが必要とされないという長所を有し得る。

本発明の実施形態によれば、ワイドバンドギャップ素材はＳｉＣであり、および／または、ワイドバンドギャップ素材のスイッチはトランジスタである。たとえば、ワイドバンドギャップ素材のスイッチは、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴであり得る。ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴも、内部逆導通ダイオードを有し得る。

本発明のさらなる局面は、上記または下記で説明される方法を行うように適合されたコントローラに関する。たとえば、コントローラは、Ｓｉスイッチおよびワイドバンドギャップ素材のスイッチのためのゲートコントローラであり得る。当該コントローラは、プロセッサを備える。プロセッサ上でコンピュータプログラムが実行されるとき、当該プロセッサは、当該方法を行う。すなわち、当該方法は、少なくとも部分的にソフトウェアにおいて実現され得る。

本発明のさらなる局面は、パワー半導体装置に関する。パワー半導体装置は、１つ以上のパワー半導体モジュールを含み得る。当該半導体モジュールは、Ｓｉチップおよびワイドバンドギャップ素材のチップとともに、それらの電気的接続も収容する。さらに、パワー半導体装置は、上記で言及されたように、コントローラも備え得る。

上記および下記で説明される方法の特徴は、上記または下記で説明される半導体装置の特徴であり得て、逆もまた同様である。

本発明の実施形態によれば、パワー半導体装置は、Ｓｉスイッチを有するＳｉチップとワイドバンドギャップ素材のスイッチを有するワイドバンドギャップ素材のチップとを収容するための少なくとも１つのパワー半導体モジュールと、Ｓｉスイッチとワイドバンドギャップ素材のスイッチとにゲート信号を与えるためのゲートコントローラと、パワー半導体装置における故障を検知するための計測部とを備える。計測部は、たとえば上記で説明されたようなモジュール電圧センサ、アーク電圧センサ、および／または光検出センサを含み得る。当該コントローラは、故障を検出するための計測部からの計測を評価し得る。故障が検出された場合、当該コントローラは、ＳＣＦＭが可能なＳｉチップを能動的に動作させ得る。

本発明の実施形態によれば、ゲートコントローラは、Ｓｉスイッチ用とワイドバンドギャップ素材のスイッチ用とに共通のゲート信号を生成するように適合されている。たとえば、Ｓｉスイッチのゲートおよびワイドバンドギャップ素材のスイッチのゲートは、パワー半導体装置において電気的に互いに相互接続され得る。したがって、故障の場合、ＳｉスイッチをＳＣＦＭに切り替えるためのゲート信号は、ワイドバンドギャップ素材のスイッチにも印加され得る。

本発明の実施形態によれば、コントローラは、Ｓｉスイッチ用とワイドバンドギャップ素材のスイッチ用とで別々のゲート信号を生成するように適合されている。たとえば、Ｓｉスイッチのゲートおよびワイドバンドギャップ素材のスイッチのゲートは、パワー半導体装置において直流的に互いから分離されている。たとえば、パワー半導体装置は、それらのスイッチのゲート用に異なる端子を提供し得る。

Ｓｉチップおよびワイドバンドギャップ素材のチップは、同じ半導体モジュールまたは異なる半導体モジュールによって与えられ得る。一般的にパワー半導体モジュールは、トランジスタ，サイリスタ，ダイオード等の１つ以上のパワー半導体素子用の端子を機械的に支持する装置であり得て、かつ当該複数の端子を設ける装置であり得る。一般的に、パワー半導体モジュールは、当該端子を提供する筐体を備え得る。当該筐体において、１つ以上のパワー半導体素子が収容される。

本発明の実施形態によれば、Ｓｉチップは、第１筐体を有する第１半導体モジュール内に設けられ、ワイドバンドギャップ素材のチップは、第２筐体の中の第２半導体モジュール内に設けられている。たとえば、パワー半導体装置は、標準部品から作成され得る２つの半導体モジュールを電気的に相互接続することによって作成され得る。

本発明の実施形態によれば、Ｓｉチップおよびワイドバンドギャップ素材のチップは、１つの半導体モジュールに設けられており、および／または、同じ筐体内に設けられている。両方のチップが同じ筐体内に設けられることもあり得る。

本発明の実施形態によれば、Ｓｉチップおよび／またはワイドバンドギャップ素材のチップは、密閉された筐体内に収容されている。そのような方法において、酸素は、導通経路が形成される位置に到達し得ない。当該方法は、導通経路がより信頼性を有するように形成されるという長所を有し得る。導通経路を形成するための特定の化学反応のみが酸素なしで起きることもあり得る。

本発明の実施形態によれば、Ｓｉチップおよび／またはワイドバンドギャップ素材のチップは、防爆箱内に収容されている。Ｓｉチップおよび／またはワイドバンドギャップ素材のチップの筐体は、部品の爆発から環境を保護するように適合され得る。

Ｓｉチップが異なる筐体内もしくは同じ筐体上に配置されているか、および／またはＳｉチップが異なる半導体モジュール内または同じ半導体モジュール上に配置されているかに関わらず、任意の場合において、Ｓｉチップは、プレスピン配置であり得る。当該プレスピン配置においては、たとえば、プレスピンは、Ｓｉチップに対して金属プリフォームを押し付ける。しかしながら、Ｓｉチップは、ワイヤボンディング配置においても設けられてもよい。Ｓｉチップの場合と同様に、ワイドバンドギャップ素材のチップは、プレスピン配置であり得る。当該プレスピン配置においては、たとえば、プレスピンは、ワイドバンドギャップ素材のチップに対して金属プリフォームを押し付ける。しかしながら、ワイドバンドギャップ素材のチップは、ワイヤボンディング配置においても設けられ得てもよい。

本発明の実施形態によれば、Ｓｉチップおよびワイドバンドギャップ素材のチップは、たとえば、焼結、はんだ付け、または溶接によって１つのベースプレートに取り付けられる。この場合、Ｓｉチップは、プレスピンがＳｉチップに対して金属プリフォームを押し付けるプレスパック配置であり得る。ワイドバンドギャップ素材のチップは、複数のワイヤボンドおよび／または金属クリップを用いてプレスピンの側においてＳｉチップと電気的に並列に接続され得る。

複数のワイドバンドギャップ素材のチップには、１つのＳｉチップのＳＣＦＭが与えられ得る。すべてのワイドバンドギャップ素材のチップは、このＳｉチップと並列に接続され得る。

本発明の実施形態によれば、パワー半導体モジュールは、ベースプレートに取り付けられた、１つのＳｉチップおよび少なくとも１つのワイドバンドギャップ素材のチップを備える。ベースプレートの反対側において、Ｓｉチップおよび少なくとも１つのワイドバンドギャップ素材のチップは、クリップで電気的に相互接続されている。Ｓｉチップを通過する導通経路を形成するための金属プリフォームは、クリップとＳｉチップとの間に挟まれている。プレスピンは、クリップの上方に配置されて、クリップおよび金属プリフォームを押し付ける。Ｓｉチップと１つ以上のワイドバンドギャップ素材のチップとのそのような配置は、とてもコンパクトであり得て、かつ信頼性のあるＳＣＦＭを提供し得る。当該ＳＣＦＭは、上記で言及されたような共通のゲートコントローラまたは２つの別個のゲートコントローラを用いて能動的に活性化され得る。

本発明のこれらの局面および本発明の他の局面は、以下で説明される実施形態への参照から明らかであるとともに、当該実施形態への参照を用いて解明される。

本発明の主題は、添付の図面において説明される例示的な実施形態への参照を伴う以下の文章においてより詳細に説明される。
本発明の実施形態によるパワー半導体装置を模式的に示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるパワー半導体装置を概略的に示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるパワー半導体装置を概略的に示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるパワー半導体装置の断面を概略的に示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるパワー半導体装置の断面を概略的に示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるパワー半導体装置の概略的な上面を示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるパワー半導体モジュールを制御するための方法のフローダイアグラムを示す図である。

図面において使用される参照符号およびそれらの意味は、参照符号のリストにおいて要約形式で記載される。原則として、同一の部品には、複数の図において同じ参照符号が付される。
例示的な実施形態の詳細な説明
図１は、Ｓｉチップ１２とワイドバンドギャップ素材のチップ１６とを有するパワー半導体装置１０を示す。Ｓｉチップ１２には、Ｓｉスイッチ１４が設けられている。ワイドバンドギャップ素材のチップ１６には、ワイドバンドギャップ素材のスイッチ１８が設けられている。スイッチ１４，１８の両方は、並列に接続されている。

図１に示されるように、Ｓｉスイッチ１４は、ＩＧＢＴであり得る。一般的に、Ｓｉスイッチ１４は、ＩＧＣＴ，ＢＩＧＴ（すなわちＳｉチップ１２内に逆導通ダイオードを有するバイモードＩＧＢＴ）のようなＲＣ－ＩＧＢＴ等、Ｓｉスイッチの任意のタイプであり得る。

ワイドバンドギャップ素材のチップ１６のワイドバンドギャップ素材は、ＳｉＣまたはＧａＮ，ＡｌＮ等の他のワイドバンドギャップ素材の任意の種類であり得る。図１においては、ワイドバンドギャップ素材のスイッチ１８は、ＭＯＳＦＥＴであり得ることが示されている。一般的に、スイッチ１８は、ワイドバンドギャップ素材のスイッチの任意の種類であり得る。

スイッチ１４，１８の両方は、スイッチ１４，１８を切り替えるためのゲート信号がゲートコントローラ２４から与えられるゲート２０，２２を有する。

さらに、パワー半導体装置は、計測部２６を備える。計測部２６は、パワー半導体装置１０内の故障を検出するように適合されている。たとえば、当該故障は、電圧センサを用いて、パワー半導体装置１０および／またはスイッチ１４にかかる異常電圧によって検出され得る。当該故障はアーク電圧センサ、および／またはアークの光を検出する光センサを用いて検出されることもあり得る。

下記で説明するように、ゲートコントローラ２４は、計測部２６からエラーを示す信号を受けて、Ｓｉチップ１２を起動して持続的な導通状態に移行させ得る。当該持続的な導通状態においては、Ｓｉチップ１２を通過する持続的な導通経路が形成される。

たとえば、そのようなＳＣＦＭ（短絡故障モード）は、金属プリフォーム２８、またはＳｉチップ１２と直接接触する金属体２８とともに形成され得る。金属体２８は、特定の温度においてＳｉチップ１２とともに共晶合金を形成する。たとえば、金属プリフォーム２８は、Ａｌから作製され得る。しかしながら、非共晶合金を形成すること、またはＳｉチップ１２を通過する経路を溶かすことのような他の機構もＳｉチップ１２にＳＣＦＭを提供するために使用され得る。Ｓｉチップ１２および／またはＳｉスイッチが起動されてＳＣＦＭに移行される場合、Ｓｉチップ１２および／またはＳｉスイッチが少なくとも部分的に破壊されることに留意する必要がある。

たとえば、パワー半導体装置１０を流れる負荷電流を切り替えるために使用される完全な導通状態の場合よりも高い抵抗を有する導通状態にＳｉスイッチがなるように、ゲートコントローラ２４は、Ｓｉスイッチ１４にゲート信号を与え得る。その結果、Ｓｉチップ１２を流れる負荷電流は、Ｓｉチップ１２を特定の温度まで加熱し得る。当該温度において、たとえば共晶合金の形成によって、持続的な導通経路が形成される。

上記および下記で説明されるように、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６も、故障の場合に少なくとも一時的な導通経路を形成するように適合された配置内にあり得る。この少なくとも一時的な導通経路は、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６を少なくとも部分的に破壊することによって形成され得る。しかしながら、この導通経路を形成する機構は、Ｓｉチップ１２における同様の機構ほど信頼性がない可能性があり、および／またはワイドバンドギャップ素材のチップ１６内の導通経路は、Ｓｉチップ１２内の導通経路よりも早く劣化し得る。

図１において、チップ１２，１６は、同じ筐体３２内で同じ半導体モジュール３０に設けられている。筐体３２には、ゲートコントローラ２４および計測部２６も収容されている。たとえば、チップ１２，１６は、半導体モジュール３０を形成するための同じベースプレート、すなわち同じ基板に結合され得る。筐体３２は、密閉筐体３２または非密閉筐体３２であり得る。

たとえば、筐体３２は、密閉されたセラミックス筐体であり得る。筐体３２内では、チップ１２，１６および共通基板が組み立てられる。筐体３２を形成するためのプラスチック素材の中にチップ１２，１６が鋳造されることもあり得る。

密閉されたセラミックス筐体よって与えられるような密閉筐体３２内では、Ｓｉチップ１２上の金属プリフォーム２８は、Ｍｏから作製されてもよいし、またはＳｉチップ１２は、２つのＭｏ製の金属プリフォームの間に挟まれてもよい。この場合、Ｓｉが溶解すると、それは、典型的には０．１ミリオームより小さい抵抗を有する導電性のＭｏＳｉ_２を形成し得る。ＭｏＳｉ_２は、導通経路を与え得る。密閉筐体内には酸素がないため、絶縁体となり得るＳｉＯ_２は形成され得ない。

ＡｌとＳｉとから共晶合金を形成するプロセスも、酸素の存在時に生じ得る。この場合、筐体３２は、密閉されていないことを必要とする。

さらに、Ｓｉチップ１２は、プレスパック配置であり得る。プレスパック配置においては、金属プリフォーム２８は、プレスピン４２でＳｉチップ１２に対して押し付けられる。また、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６は、金属プリフォームの有無によらず、そのようなプレスパック配置であり得る。

代替的に、Ｓｉチップ１２および／またはワイドバンドギャップ素材のチップ１６は、ボンドワイヤ配置またはクリップ配置であり得る。ボンドワイヤ配置またはクリップ配置においては、スイッチ１４，１８の主電極（通常はソースまたはエミッタ）は、複数のワイヤボンドまたは１つのクリップを介して半導体モジュール３０の端子に接続される。ゲート２０，２２は、通常、半導体モジュール３０内のさらなる導体へのワイヤボンドに接続される。

ワイドバンドギャップ素材のチップ１６がワイヤボンド配置またはクリップ配置である一方で、Ｓｉチップ１２がプレスパック配置であることもあり得て、その逆も同様である。

図２および３において、Ｓｉチップ１２は、第１筐体３２内の第１半導体モジュール３０によって設けられ、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６は、第２半導体モジュール３２’内に設けられている。第２半導体モジュール３２’は、それ自身の筐体３２’を有し得る。

さらに、筐体３２，３２’の一方または両方は、密閉筐体３２’または非密閉筐体３２’であり、たとえば、密閉セラミックス筐体３２，３２’であり得る。半導体モジュール３０，３０’の一方または両方が筐体３２を形成するためのプラスチック素材の中に鋳造されることもあり得る。Ｓｉチップ１２かワイドバンドギャップ素材のチップ１６かのいずれか、またはチップ１２，１６の両方がプレスパック配置、ワイヤボンド配置、またはクリップ配置であることもあり得る。

スイッチ１８がワイヤボンディング配置において１つ以上のＳｉＣ製ＭＯＳＦＥＴから構成される一方で、Ｓｉスイッチ１４がプレスピン配置においてＳｉ製ＩＧＢＴ、ＲＣ－ＩＧＢＴ、またはＢＩＧＴであるという特別な実施形態があり得る。Ｓｉチップ１２は、セラミックのプレスパック筐体３２内にあり得る。１つ以上のＳｉＣ製のＭＯＳＦＥＴは、防爆筐体３２’内にあり得る。

さらに、図２に示されるように、スイッチ１４，１８の両方がそれらのゲート２０，２２に相互接続され得る。ゲート２０，２２は、同じゲートコントローラ２４に接続され得る。ゲートコントローラ２４は、モジュール３０，３０’および／または筐体３２，３２’の外側に配置され得る。しかしながら、ゲートコントローラ２４がモジュール３０，３０’の一方の内部および／または筐体３２，３２’の一方の内部に配置されることもあり得る。

図３に関して、スイッチ１４，１８の各々は、異なるゲートコントローラ２４、２４’によって制御され得る。これらのゲートコントローラ２４，２４’は、対応するモジュール３０，３０’および／または対応する筐体３２，３２’内に配置され得る。Ｓｉスイッチ１４のゲートコントローラ２４は、ワイドバンドギャップスイッチ１８のゲートコントローラ２４’に通信可能なように相互接続され得る。そのため、ゲートコントローラ２４は、ゲートコントローラ２４’に故障信号を送信し得る。それから、ゲートコントローラ２４は、Ｓｉチップ１２を起動してＳＣＦＭに移行させる。

図１において示される実施形態も図３に関して説明されたように２つの別個のゲートコントローラ２４，２４’を有してもよいことにも留意する必要がある。

図４から図６は、図１のパワー半導体装置１０の実施形態に関して使用され得る半導体モジュール３０の実施形態を示す。

図４は、１つのパワー半導体モジュール３０に基づくパワー半導体装置１０の断面を概略的に示す。パワー半導体モジュール３０は、ベースプレート３４と、トッププレート３６と、Ｓｉチップ１２と、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６とを備える。Ｓｉチップ１２は、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６と同様に、プレスパック配置においてこれらの間に挟まれている。ベースプレート１２は、たとえばＭｏから作成された導電性のプレートであり得る。トッププレート３６も、たとえばＣｕまたはＡｌから作成された導電性のプレートであり得る。

チップ１２，１６の両方は、下部電極３８，３８’と上部電極４０，４０’とを含み得る。「下部」という用語および「上部」という用語は、対向して配置されている２つの電極を区別するためにここでは使用され、当該電極の絶対位置としての意味を有しない。各電極は、対応するチップ１２，１６の厚さよりもはるかに薄い金属層によって与えられ得る。半導体チップ１２，１６は、たとえば焼結、はんだ付け、または溶接によってベースプレート１２に電極３８，３８’を用いて取り付けられる。

Ｓｉチップ１２の上部に第１金属プリフォーム２８が直接に接触しているとともに、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６の上部に第２金属プリフォーム２８’が直接に接触している。第１および第２金属プリフォーム２８，２８’は、同じ金属または異なる金属から作成され得る。金属プリフォーム２８，２８’の一方および／または両方は、（焼結、はんだ付け、または溶接によって）それぞれのチップ１２，１６に取り付けられてもよく、および／またはそれぞれのチップ１２，１６（特にそれぞれの電極４０，４０’）に押し付けられてもよい。

圧力は、導電性のプレスピン４２，４２’によって加えられ得る。当該プレスピン４２，４２’は、金属プリフォーム２８，２８’に対して押し付けられる。たとえば、プレスピン４２，４２’は、スプリング要素４４，４４’を含み得る。スプリング要素４４，４４’は、たとえば、ディスクスプリングを含み得る。金属プリフォーム２８，２８’、プレスピン４２，４２’、および／またはスプリング要素４４，４４’は、ベースプレート３４とトッププレート３６との間に収容され得る。

金属プリフォーム２８，２８’は、たとえば、プレスピン４２，４２’および／またはスプリング要素４４，４４’を介して、トッププレート３６に電気的に接触し得る。そのような方法において、２つのチップ１２，１６は、互いに並列に接続される。金属プリフォーム２８，２８’の一方は、あらゆる電流経路内にある。

金属プリフォーム２８は、上記で説明されるように加熱される場合、Ｓｉチップ１２を通過する導通経路を形成するように適合されている。金属プリフォーム２８’は、たとえば故障時の場合のように、加熱される場合、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６を通過する少なくとも一時的な導通経路を形成するように適合されている。パワー半導体装置１０に故障が発生する場合、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６を流れる電流は、一時的な導通経路を形成し得る。同時にまたはその後に、導通経路は、Ｓｉチップ１２を通過するように形成され得て、半導体モジュール１０のための持続的な短絡故障モードを与え得る。そのような方法において、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６のためのそれほど信頼性が高くない短絡故障モードは、Ｓｉチップ１２によって与えられるより信頼性の高い短絡故障モードによって支援され得る。

スイッチ１４，１８が互いから独立に制御され得るように、Ｓｉチップ１２のゲート２０は、ワイドバンドギャップチップ１６のゲート２２とは異なるゲート端子４６，４６’に接続され得る。２つの独立したゲート信号は、たとえば同じゲートコントローラ２４から、または２つの異なるゲートコントローラ２４，２４’からスイッチ１４，１８に与えられ得る。

点線によって示されているように、Ｓｉチップ１２のゲート２０は、ワイドバンドギャップチップ１６のゲート２２と同じゲート端子４６に接続され得る。そのような方法において、スイッチ１４，１８の両方は、同じゲートコントローラ２４によって与えられる同じゲート信号を用いて制御され得る。

故障が検出される場合、コントローラ２４，２４’は、上記または下記で説明されるように、能動的にＳｉチップ１２を起動してそのＳＣＦＭへ移行させ得る。

図５は、１つのパワー半導体モジュール３０に基づくパワー半導体装置１０の断面を概略的に示す。パワー半導体モジュール３０においてＳｉチップ１２はプレスパック配置であり、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６はクリップ配置である。チップ１２，１６およびそれらのゲート２０，２２は、図４に関して説明されたように接続され得る。

ＡｌまたはＭｏから作製され得る金属プリフォーム２８は、Ｓｉチップ１２の上面に直接に配置される。金属プリフォーム２８は、Ｓｉチップ１２に結合（はんだ付け、焼結、または溶接）され得る。Ｃｕ、Ａｌ、またはＭｏから作成され得る金属クリップ４８は、Ｓｉチップ１２の上部およびワイドバンドギャップ素材のチップ１６の上部に配置される。金属クリップ４８は、金属プリフォーム２８に結合されてもよく、および／またはワイドバンドギャップ素材のチップ１６に結合されてもよい。金属クリップ４８を用いて、スイッチ１４，１８は、電気的に相互接続される。たとえば、Ｓｉチップ１２のエミッタは、チップ１６のソースに接続され得る。金属クリップ４８は、通常操作の間、電流を分配するために使用され得るとともに、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６の故障をＳｉチップ１２に結びつけ得る。

金属クリップ４８および金属プリフォーム２８は、たとえば図４に関して説明されたように、プレスピン４２を用いてＳｉチップ１２に押し付けられる。当該金属クリップは、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６とＳｉチップ１２との間に良好な熱結合をもたらし得る。当該ワイドバンドギャップ素材のチップが故障のため熱くなる場合、このことはＳｉチップ１２内に持続的な導通経路を形成することを支援し得る。

図６は、図５による実施の形態を示す。当該実施の形態は、複数のワイドバンドギャップ素材のチップ１６に電気的に相互接続された１つのＳｉチップ１２を有する。チップ１２，１６は、それらの上側で、１つ以上の金属クリップ４８に電気的に接続されている。金属クリップ４８は、Ｓｉチップ１２上の金属プリフォーム２８より上方に位置している。Ｓｉチップ１２からいくつかのワイドバンドギャップ素材のチップ１６へ電流を分配するために、金属クリップ４８は高い電流密度を許容し得る。

図７は、図１から図６において示されるようなパワー半導体装置１０を制御するための方法のフローダイアグラムを示す。当該方法は、１つ以上のゲートコントローラ２４，２４’によって自動的に実行され得る。

ステップＳ１０において、パワー半導体装置は、通常操作モードにおいて操作される。対応する複数のゲート信号を少なくともワイドバンドギャップ素材のスイッチ１８に印加することによってパワー半導体装置１０を流れる電流を切り替えるために、ワイドバンドギャップ素材のスイッチ１８は制御され得る。また、Ｓｉスイッチ１４は、制御されることにより、ワイドバンドギャップ素材のスイッチ１８に切り替えられ得る。

この場合、ゲート２０，２２が電気的に相互接続され、スイッチ１４，１８の両方は、同時に切り替えられ得る。Ｓｉスイッチ１４は、パワー半導体装置１０を流れる負荷電流を切り替えることに寄与し得る。

Ｓｉスイッチ１４は、パワー半導体モジュール１０用のＳＣＦＭをもたらすことのみに使用されるという、犠牲になるだけのスイッチでもあり得る。この場合、Ｓｉスイッチは、通常操作モードの間中、切り替えられなくてもよいし、および／または通常操作モードの間、遮断状態のままであってもよい。

通常操作の実行中、故障が起こり得る。たとえば、ワイドバンドギャップ素材のスイッチ１８は、遮断状態になり得る。一般的に、パワー半導体装置１０は、同様に設計された半導体装置１０に積み重ねられて、たとえば高電圧実用例におけるＡＣからＤＣへの変換のための、高電圧スイッチを形成し得る。この場合、他のパワー半導体装置が導通し得ることにより、パワー半導体装置１０に印加される高電圧に起因するアークが生成され得る。

ワイドバンドギャップ素材のスイッチ１８が内部で発生した抵抗に起因して熱くなり始めることもあり、および／または（コントローラ２４，２４’の一部であり得る）ワイドバンドギャップ素材のスイッチ１８のゲートユニットが故障を有することもあり得る。

故障の場合、ワイドバンドギャップ素材のチップ１６を通過する導通経路は、たとえば上記で説明されたように金属プリフォーム２８’に基づいて、生じ始め得る。しかしながら、この経路は、一時的にのみ形成されるかもしれないし、および／またはステップＳ１４において形成される導通経路ほど信頼性を有しないかもしれない。

また、故障の場合、Ｓｉチップ１２を通過する導通経路は、たとえば遮断スイッチ１８によって引き起こされる過電流のために、受動的に生じ得る。

ステップＳ１２において、計測部２６は、パワー半導体装置１０における故障を検知する。当該故障は、パワー半導体モジュール３０，３０’内部での光検出および／またはワイドバンドギャップ素材のチップ１６を収容するパワー半導体モジュール３０，３０’内部でのアーク電圧検出を用いて、パワー半導体装置１０にかかる電圧を計測することによって検出され得る。

ステップＳ１４において、故障が検出された場合、Ｓｉチップ１２を或る温度まで加熱する電流がＳｉチップ１２内で生成されるように、ゲート信号がＳｉスイッチ１４に印加される。当該ゲート信号は、Ｓｉチップ１２を通過する持続的な導通経路を形成するように適合されている。たとえば、Ｓｉチップ１２の内部抵抗が通常操作モードよりも高くなるように、Ｓｉスイッチ１４に印加される当該ゲート信号は、通常操作モードよりも低い電圧を有し得る。その結果、Ｓｉチップ１２を流れる負荷電流は、Ｓｉチップ１２を加熱し得て、たとえば、金属プリフォーム２８およびＳｉチップ１２が導通経路を形成し得る。

当該導通経路が先に形成を開始して、Ｓｉスイッチ１４の能動的な切り替えが当該形成を支援してもよい。

たとえば図２および３において示されるようにコントローラ２４’とは異なるコントローラ２４を用いて、または、たとえば図１に示されるように２つの異なるゲート信号を生成するように適合された１つのコントローラ２４を用いて、Ｓｉスイッチ１４用のゲート信号は、ワイドバンドギャップスイッチ１８用のゲート信号から独立して生成され得る。故障の検知後に、Ｓｉスイッチ１４のみにゲート信号が与えられ得る。

本発明は、図面および上述の記載において詳細に図示され、説明されたが、そのような図示および説明は、例示または典型例として考えられるべきであって、制限的なものとして考えられるべきではなく、本発明は開示された複数の実施形態に限定されない。本図面、本開示、および添付された請求項の研究から、当業者、および請求された発明を実施する人々によって、開示された実施形態に対する他の変形例が理解され得るとともに達成され得る。請求項において、「備える」との用語は他の要素またはステップを排除せず、不定冠詞は複数であることを排除しない。単一のプロセッサ、コントローラ、または他のユニットは、請求項において列挙されるいくつかの項目の機能を達成し得る。相互に異なる従属請求項においていくつかの手段が列挙されているというだけの事実は、これらの手段の組合せが効果を生じさせるために使用され得ないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。

参照記号のリスト
１０ パワー半導体装置
１２ Ｓｉチップ
１４ Ｓｉスイッチ
１６ ワイドバンドギャップ素材のチップ
１８ ワイドバンドギャップ素材のスイッチ
２０，２２ ゲート
２４ ゲートコントローラ
２６ 計測部
２８ 金属プリフォーム
３０，３０’ パワー半導体モジュール
３２，３２’ 筐体
３４ ベースプレート
３６ トッププレート
３８，３８’ 下部電極
４０，４０’ 上部電極
４２，４２’ プレスピン
４４，４４’ スプリング要素
４６，４６’ ゲート端子
４８ 金属クリップ

Claims (14)

1. Ｓｉチップ（１２）とワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）とを有するパワー半導体装置（１０）を制御するための方法であって、
   前記Ｓｉチップ（１２）は、Ｓｉスイッチ（１４）を提供し、
   前記ワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）は、ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）を提供し、
   前記Ｓｉスイッチ（１４）および前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）は、電気的に並列に接続され、
   前記方法は、
   通常操作モードの間、少なくとも前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）に複数の対応ゲート信号を印加することによって前記パワー半導体装置（１０）を流れる電流を切り替えるために、少なくとも前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）を制御することと、
   前記パワー半導体装置（１０）における故障を検知することと、
   故障が検知された場合、前記Ｓｉチップ（１２）を通過する持続的な導通経路を形成する温度まで前記Ｓｉチップ（１２）を加熱する電流が前記Ｓｉチップ（１２）において生成されるように、前記Ｓｉチップ（１２）にゲート信号を印加することによって前記Ｓｉスイッチ（１４）を制御することとを含み、
   前記Ｓｉチップ（１２）の内部抵抗が前記通常操作モードの場合よりも高くなるように、前記Ｓｉスイッチ（１４）に印加される前記ゲート信号は、前記通常操作モードの場合よりも低い電圧を有する、方法。
2. 前記故障を検知した後に前記Ｓｉスイッチ（１４）のみにゲート信号が与えられるように、前記Ｓｉスイッチ（１４）用のゲート信号および前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）用のゲート信号は、互いから独立に生成可能である、請求項１に記載の方法。
3. 前記通常操作モードの間、前記Ｓｉスイッチ（１４）は制御されることにより、前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）に切り替えられる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記パワー半導体装置（１０）が導通状態に切り替えられる場合、前記故障は、前記パワー半導体装置（１０）全体の電圧を計測することによって検知され、故障の場合の前記電圧は、公称電圧よりも高い、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記故障は、前記ワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）を収容するパワー半導体モジュール（３０，３０’）の内部における光検出および前記ワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）を収容するパワー半導体モジュール（３０，３０’）の内部におけるアーク電圧検出の少なくとも１つによって検知される、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記Ｓｉチップ（１２）は、前記Ｓｉチップ（１２）を流れる電流によって特定温度より高く加熱される場合、前記Ｓｉチップ（１２）を通過する導通経路を形成するように適合された金属プリフォーム（２８）に取り付けられる、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記パワー半導体装置（１０）は、過電流によって加熱される場合、前記ワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）を通過する少なくとも一時的な導通経路を形成するように適合され、
   前記ワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）は、前記導通経路を形成するように適合された金属プリフォーム（２８’）に取り付けられる、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記Ｓｉスイッチ（１４）は、サイリスタ、トランジスタ、または内部逆導通ダイオードを有するバイモード型スイッチであり、
   前記ワイドバンドギャップ素材の少なくとも１つは、ＳｉＣであり、かつ、前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）は、トランジスタである、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
9. Ｓｉスイッチ（１４）を有するＳｉチップ（１２）とワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）を有するワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）とを収容するための少なくとも１つのパワー半導体モジュール（３０，３０’）と、
   前記Ｓｉスイッチ（１４）と前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）とにゲート信号を与えるためのゲートコントローラ（２４，２４’）と、
   前記パワー半導体装置（１０）における故障を検知するための計測部（２６）とを備え、
   前記Ｓｉスイッチ（１４）および前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）は、電気的に並列に接続され、
   前記ゲートコントローラ（２４，２４’）は、請求項１～７のいずれか１項に記載の方法を実行するように適合されている、パワー半導体装置（１０）。
10. 前記ゲートコントローラ（２４，２４’）は、前記Ｓｉスイッチ（１４）と前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）とに共通のゲート信号を生成するように適合され、
    前記Ｓｉスイッチ（１４）のゲート（２０）および前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）のゲート（２２）は、前記パワー半導体装置（１０）において電気的に互いに相互接続されている、請求項９に記載のパワー半導体装置（１０）。
11. 前記ゲートコントローラ（２４，２４’）は、前記Ｓｉスイッチ（１４）と前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）とで別々のゲート信号を生成するように適合され、
    前記Ｓｉスイッチ（１４）のゲート（２０）および前記ワイドバンドギャップ素材のスイッチ（１８）のゲートは、前記パワー半導体装置（１０）において直流的に互いから分離されている、請求項９に記載のパワー半導体装置（１０）。
12. 前記Ｓｉチップ（１２）は、第１筐体（３２）を有する第１半導体モジュール（３０）内に設けられ、
    前記ワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）は、第２筐体（３２’）の中の第２半導体モジュール（３０’）内に設けられている、請求項９～１１のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０）。
13. 前記Ｓｉチップ（１２）および前記ワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）は、１つの半導体モジュール（３０）および同じ筐体（３２）内の少なくとも一方に設けられている、請求項９～１１のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０）。
14. 前記Ｓｉチップ（１２）および少なくとも１つの前記ワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）は、ベースプレート（３４）に取り付けられ、
    前記ベースプレート（３４）の反対側において、前記Ｓｉチップ（１２）および少なくとも１つの前記ワイドバンドギャップ素材のチップ（１６）は、クリップ（４８）で電気的に相互接続され、
    前記Ｓｉチップ（１２）を通過する導通経路を形成するための金属プリフォーム（２８）は、前記クリップ（４８）と前記Ｓｉチップ（１２）との間に挟まれ、
    プレスピン（４２）は、前記クリップ（４８）の上方に配置されて、前記クリップ（４８）および前記金属プリフォーム（２８）を押す、請求項９～１１または１３のいずれか１項に記載のパワー半導体装置（１０）。

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