(57)【要約】  バイパスサイリスタ装置（２０）は、カソード面（２８）のカソード電極（２６）と、カソード電極（２６）に囲まれたカソード面（２８）のゲート電極（３０）と、アノード面（３２）のアノード電極（３４）とを有するサイリスタ（２４）を提供する半導体装置（２２）と、カソード面（２８）に配置され、コンタクト面（５０）でカソード電極（２６）と電気的に接触している導電性カバー要素（３８）と、ゲート電極（３０）に電気的に接続され、カバー要素（３８）のコンタクト面（５０）のゲートコンタクト開口部（４８）内に配置されているゲートコンタクト要素（４６）とを含み、カバー要素（３８）はカソード面（２８）に面するコンタクト面（５０）のガス膨張体積（５６）を有し、ガス膨張体積（５６）はガス交換のためにゲートコンタクト開口部（４８）と相互接続される。
2020526931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイパスサイリスタ装置（２０）であって、
カソード面（２８）のカソード電極（２６）と、前記カソード電極（２６）に囲まれた前記カソード面（２８）のゲート電極（３０）と、アノード面（３２）のアノード電極（３４）とを有するサイリスタ（２４）を備える半導体装置（２２）と、
前記カソード面（２８）に配置され、コンタクト面（５０）で前記カソード電極（２６）と電気的に接触している導電性カバー要素（３８）と、
前記ゲート電極（３０）に電気的に接続され、前記カバー要素（３８）の前記コンタクト面（５０）のゲートコンタクト開口部（４８）内に配置されているゲートコンタクト要素（４６）とを備え、
前記カバー要素（３８）は前記カソード面（２８）に面する前記コンタクト面（５０）のガス膨張体積（５６）を有し、前記ガス膨張体積（５６）はガス交換のために前記ゲートコンタクト開口部（４８）と相互接続される、バイパスサイリスタ装置。
【請求項２】
前記ガス膨張体積（５６）の体積は前記ゲートコンタクト開口部（４８）の体積よりも大きい、請求項１に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項３】
前記ガス膨張体積（５６）は、ガス交換のために相互接続された少なくとも２つの別個のキャビティ（５８）に分けられる、請求項１または２に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項４】
前記ガス膨張体積（５６）は、前記ゲートコンタクト開口部（４８）を囲む少なくとも１つのトレンチ（５８）を備える、前述の請求項のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つのトレンチ（５８）は、前記コンタクト面（５０）に設けられた少なくとも１つの流路（６０）を介して前記ゲートコンタクト開口部（４８）と相互接続される、請求項５に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項６】
前記ガス膨張体積（５６）は、前記ゲートコンタクト開口部（４８）を囲む少なくとも２つのトレンチ（５８）を備える、前述の請求項のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項７】
前記少なくとも２つのトレンチ（５８）は、前記コンタクト面（５０）に設けられた少なくとも１つの流路（６０）を介して互いに相互接続される、請求項６に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項８】
前記カバー要素（３８）はゲートケーブルトレンチ（５４）を備え、前記ゲートケーブルトレンチの中にゲートケーブル（５２）が配置され、前記ゲートケーブルは前記ゲートコンタクト要素（４６）に電気的に接続され、
前記ゲートコンタクトケーブル（５２）は前記ゲートケーブルトレンチ（５４）を通って前記バイパスサイリスタ装置（２０）の外部に導かれる、前述の請求項のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項９】
前記ゲートケーブルトレンチ（５４）の断面積は、前記ゲートコンタクト開口部（４８）を前記ガス膨張体積（５６）と相互接続する１つ以上の流路（６０）の断面積よりも小さい、請求項８に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１０】
前記半導体装置（２２）は円形状であり、前記ゲート電極（３０）は前記円形状の中心に配置され、
前記ガス膨張体積（５６）は、前記ゲート電極（３０）の上方に配置された前記ゲートコンタクト開口部（４８）を囲む１つ以上の円形トレンチ（５８）を備える、前述の請求項のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１１】
前記アノード電極（３４）に電気的に接続されたアノード面カバー要素（４０）と、
前記半導体装置（２２）を囲む電気絶縁フランジ（４２）とをさらに備え、前記フランジ（４２）に前記カソード面カバー要素（３８）および前記アノード面カバー要素（４０）が取付けられる、前述の請求項のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１２】
前記サイリスタ（２４）は、前記サイリスタ（２４）を流れる電流が最大電流を超えると、前記半導体装置（２２）の活性領域（７０）を通る永続的な導電経路を形成するように適合されている、前述の請求項のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１３】
前記サイリスタ（２４）を形成するために、前記半導体装置（２２）は前記カソード面（２８）から前記アノード面（３２）に向かって、
前記カソード電極（２６）に接続された第１の導電型（ｎ＋）のカソード層（６２）と、
前記ゲート電極（３０）に接続された前記第１の導電型とは異なる第２の導電型（ｐ）のベース層（６４）と、
前記第１の導電型（ｎ−）のドリフト層（６６）と、
前記アノード電極（３４）に接続された前記第２の導電型（ｐ）のアノード層（６８）とを備え、
活性領域（７０）において、前記半導体装置（２２）は、前記カソード面（２８）と前記アノード面（３２）との間のキャリア寿命の平均値が第１の値を有する第１の領域（７０ａ）と、前記カソード面（２８）と前記アノード面（３２）との間の前記キャリア寿命の平均値が前記第２の値よりも小さい第２の値を有する第２の領域（７０ｂ）とを備える、前述の請求項のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１４】
前記第１の領域（７０ａ）は前記ゲート電極（３０）と前記アノード電極（３４）との間に配置される、前述の請求項のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１５】
コンバータセル（１０）であって、
セルコンデンサ（１４）を前記コンバータセル（１０）の出力（１８）に接続するための、かつ前記セルコンデンサ（１４）を前記出力（１８）から切断するための、少なくとも２つのパワー半導体スイッチ（１６）と、
前記セルコンデンサ（１４）に並列接続された前述の請求項のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）とを備える、コンバータセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、バイパスサイリスタ装置、およびそのようなバイパスサイリスタを有するコンバータセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）は、電流を高圧の交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）に、またはその逆に、変換し得る。適用例として、電気エネルギを長距離間でまたは周波数の異なるＡＣ電流系統同士の間で移送する高圧直流（ＨＶＤＣ）送電系統がある。（数百ｋＶなどの）高電圧および（たとえばＧＷ範囲内の）高電力を変換するために、変電所は複数のそのようなＭＭＣを含み得る。
【０００３】
各ＭＭＣは、カスケード接続された独立したインバータサブモジュールまたはコンバータセルを利用し得る。インバータサブモジュールまたはコンバータセルの各々は各自の蓄電コンデンサを有し、当該蓄電コンデンサはセルコンデンサとも称され得る。ＭＭＣの位相ブランチにおいて、コンバータセルは通常は直列接続される。コンバータセルは互いに独立して制御され得るため、コンバータセルが利用可能な限り多くのレベルにおいてＤＣ電流からＡＣ電流が生成され得る。
【０００４】
ＭＭＣコンバータは普通、コンバータセルの数を必要とされるよりも多いコンバータセルに増やすことによって、冗長を含むように設計される。故障が発生した場合、ＤＣリンクコンデンサの過充電を回避するために、故障したコンバータセルを放電またはバイパスする必要があり得る。この機能は通常はバイパススイッチによって提供される。コンバータセルに蓄電されたエネルギは、１００ｋＪをも上回るなど、かなりの量になり得るため、コンバータセル自体にまたは周囲のコンバータセルにさらなる損傷を与えることなくコンバータセルを放電することは困難である。
【０００５】
そのようなバイパススイッチの１つの可能性は、爆薬によって駆動される機械スイッチである。そのような火工学式の装置は高価であり得、体積、浮遊インピーダンスおよび静電容量を最小限に抑えつつ容易に交換およびサービス提供が可能であるように、コンバータ内に構造的に収まることができるようにするためには労力を必要とし得る。さらに、爆薬の装填には機能を保証するために定期交換が必要であり得、機械的部品には保守が必要であり得る。バイパススイッチ自体が故障した場合、バイパススイッチは開状態で故障するため、コンデンサが過充電によって破壊される場合がある。
【０００６】
さらなる例として、ＷＯ  ２０１３／０４４９６１  Ａ１にはサイリスタをバイパスサイリスタとして用いることが記載されている。
【０００７】
ＥＰ  ０２２０  ６９８  Ａ２は円形筐体を有するサイリスタに関し、ゲートコンタクトが被覆プレートのスリットを通って、かつ絶縁リングの径方向の開口部を通って外部に導かれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発明の説明
本発明の目的は、信頼性があり、統合が簡単であり、保守が簡単であり、経済的なバイパススイッチをコンバータセルに提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は独立請求項の主題によって達成される。さらなる例示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。
【００１０】
本発明の一局面はバイパスサイリスタ装置に関する。基本的に、バイパス装置は別の電気装置をバイパスするように適合されたいずれの装置であってもよく、バイパスすることはバイパススイッチを導通状態にトリガすることによって行なわれてもよい。本発明のバイパス装置は、バイパススイッチとしてのサイリスタに基づいており、半導体装置と、半導体装置を封入して電気的接触を提供する筐体とを含んでもよい。半導体装置は半導体ウェハまたは半導体チップであってもよいし、半導体ウェハまたは半導体チップを含んでもよい。なお、本開示は、６００Ｖよりも高いおよび／または１０Ａよりも高い電圧を処理するように適合されたパワーバイパスサイリスタ装置に関し得る。
【００１１】
本発明の一実施形態によると、バイパスサイリスタ装置は半導体装置を含み、半導体装置は、カソード面のカソード電極と、カソード電極に囲まれたカソード面のゲート電極と、アノード面のアノード電極とを有するサイリスタを含む。カソード面とアノード面とは半導体装置の反対側であってもよい。半導体装置は、サイリスタの元素がドープされた実質的に円形のプレートであってもよい。カソード電極、ゲート電極およびアノード電極は、半導体装置の基板上の金属被覆層によって提供されてもよい。
【００１２】
バイパスサイリスタ装置はさらに、カソード面に配置され、コンタクト面でカソード電極と電気的に接触している導電性カバー要素と、ゲート電極に電気的に接続され、カバー要素のコンタクト面のゲートコンタクト開口部内に配置されているゲートコンタクト要素とを含む。ゲートコンタクト開口部はカバー要素のボアであってもよく、この中にゲートコンタクト要素が収容される。ゲートコンタクト要素は、カバー要素を通ってバイパスサイリスタ装置の外部に導かれるケーブルに電気的に接続されてもよい。
【００１３】
バイパスサイリスタ装置はさらに、アノード面に配置され、アノード電極と電気的に接触しているさらなるカバー要素を含んでもよい。このさらなるカバー要素はアノードカバー要素と見なされる場合があり、他方のカバー要素はカソードカバー要素と見なされる場合がある。双方のカバー要素は、半導体装置を囲み得る電気絶縁フランジと機械的に相互接続されてもよい。カバー要素およびセラミック製であり得る絶縁フランジは、バイパスサイリスタ装置の筐体と見なされる場合がある。絶縁フランジおよびカバー要素は筐体の内部の気密封止を構成する。
【００１４】
カソードカバー要素はカソード面に面するコンタクト面にガス膨張体積を有し、当該ガス膨張体積はガス交換のためにゲートコンタクト開口部と相互接続される。ガス膨張体積および半導体装置はバイパスサイリスタ装置のキャビティを形成し、当該キャビティは、サイリスタおよび／または半導体装置の熱破壊が起こった場合に半導体装置から気化するガスおよび／またはプラズマを受けるように適合されている。これは、サイリスタを通る電流がサイリスタの最大サージ電流よりも高くなると起こり得る。
【００１５】
たとえば、そのようなイベントは、バイパススイッチ装置によって短絡したセルコンデンサの電荷が大きく充電された場合に起こり得る。さらに、そのようなイベントは、半導体装置を通る永続的な導電経路を形成することを目的とし得る。高電流のために半導体装置の材料は溶融し得、導電経路を形成し得る。ガス膨張体積がなければ、半導体装置の内部に生成されるプラズマおよび／またはガスがカバー要素上に高圧を生成し得、これはバイパスサイリスタ装置の筐体が破壊する原因となり得る。さらに、ガス膨張体積の壁はガスを冷却し得、凝結を促進し得る。
【００１６】
そのようなガス膨張体積を有するバイパスサイリスタ装置は、製造コストを増大させることなく非破壊能力が向上し得る。これによって、バイパス解決策のコストを増大させることなく、より高性能のＭＭＣコンバータセルの設計が可能となり得る。
【００１７】
本発明の一実施形態によると、ガス膨張体積の体積はゲートコンタクト開口部の体積よりも大きい。ガス膨張体積の体積はゲートコンタクト開口部の体積よりも少なくとも１０倍大きい。ガス膨張体積の体積は、バイパス動作時に生じるガスの平均量に依存し得る。最適の体積は実験によって求められてもよい。
【００１８】
本発明の一実施形態によると、ガス膨張体積は、ガス交換のために相互接続された少なくとも２つの別個のキャビティに分けられる。ガスは複数のキャビティ内に膨張することが有益であり得る。一方では、より多くの、しかしより小さいキャビティによって、カバー要素の機械的安定性が高まり得る。他方では、ガス膨張体積の表面が増大し得、当該表面は気化したガスを冷却し得る。
【００１９】
本発明の一実施形態によると、ガス膨張体積は、ゲートコンタクト開口部を囲む少なくとも１つのトレンチを含む。たとえば、そのようなトレンチはカバー要素内に機械加工されてもよい。そのようなトレンチはまた、ゲートコンタクト開口部の高さよりも大きい高さを有してもよい。
【００２０】
本発明の一実施形態によると、少なくとも１つのトレンチは、コンタクト面に設けられた少なくとも１つの流路を介してゲートコンタクト開口部と相互接続される。そのような流路の断面積は、少なくとも１つのトレンチよりも小さくてもよい。さらに、ゲートコンタクト開口部および少なくとも１つのトレンチは複数の流路と相互接続されてもよい。
【００２１】
本発明の一実施形態によると、ガス膨張体積は、ゲートコンタクト開口部を囲む少なくとも２つのトレンチを含む。トレンチは、ゲートコンタクト開口部がトレンチのうちの１つに連結されるように、互いに連結されてもよい。
【００２２】
本発明の一実施形態によると、少なくとも２つのトレンチは、コンタクト面に設けられた少なくとも１つの流路を介して互いに相互接続され、当該流路の断面積は各トレンチよりも小さくてもよい。２つのトレンチが複数の流路と相互接続されてもよい。
【００２３】
本発明の一実施形態によると、カバー要素はゲートケーブルトレンチを含み、この中にゲートケーブルが配置され、ゲートケーブルはゲートコンタクト要素に電気的に接続される。ゲートコンタクトケーブルはゲートケーブルトレンチを通ってバイパスサイリスタ装置の外部に導かれてもよい。ゲートケーブルトレンチはガス膨張体積および／またはそのトレンチよりも小さくてもよい。ゲートケーブルトレンチはゲートコンタクトケーブルを収容するように適合された断面積を有していればよい。ゲートケーブルトレンチに押込まれてバイパスサイリスタ装置の内部空気に到達するガスの量は、ガス膨張体積によって大幅に減少し得るか、またはさらには無くなり得る。筐体の絶縁フランジおよびカバー要素を保護する必要性が低下し得るか、または無くなり得る。
【００２４】
本発明の一実施形態によると、ゲートケーブルトレンチの断面積は、ゲートコンタクト開口部をガス膨張体積と相互接続する１つ以上の流路の断面積よりも小さい。流路は、ゲートコンタクト開口部とガス膨張体積との間の圧力、および／またはガス膨張体積のさまざまなキャビティ同士の間の圧力を均一にするように適合されてもよい。ゲートケーブルトレンチはゲートケーブルを収容していればよく、かなり小さくてもよい。
【００２５】
本発明の一実施形態によると、半導体装置は円形状であり、ゲート電極は円形状の中心に配置される。ガス膨張体積は、ゲート電極の上方に配置され得るゲートコンタクト開口部を囲む１つ以上の円形トレンチを含んでもよい。さらに、ゲートコンタクト開口部を１つ以上の円形トレンチと相互接続する流路は、中心に対して径方向に配置される。これによって、円形の半導体装置の外形形状を占めるさらに大きいガス膨張体積を有する機械的に安定したカバー要素が提供され得る。
【００２６】
本発明の一実施形態によると、バイパスサイリスタ装置はさらに、アノード電極に電気的に接続されたアノード面カバー要素と、半導体装置を囲む電気絶縁フランジとを含み、当該フランジにカソード面カバー要素およびアノード面カバー要素が取付けられる。上述のように、バイパスサイリスタ装置の筐体は、セラミック製であり得る絶縁フランジと相互接続された２つのカバー要素からなってもよい。
【００２７】
本発明の一実施形態によると、サイリスタは、半導体スイッチを流れる電流が最大電流を超えると半導体装置の活性領域を通る永続的な導電経路を形成するように適合されている。そのような経路は、サイリスタを通る電流が半導体装置の材料を溶融すると形成され得る。この場合、ガスが生じる場合があり、当該ガスはガス膨張体積によって受けられる。
【００２８】
本発明の一実施形態によると、サイリスタを形成するために、半導体装置はカソード面からアノード面に向かって、カソード電極に接続された第１の導電型（ｎ＋など）のカソード層と、ゲート電極に接続された第１の導電型とは異なる第２の導電型（ｐなど）のベース層と、第１の導電型（ｎ−など）のドリフト層と、アノード電極に接続された第２の導電型（ｐなど）のアノード層とを含む。カソード電極がカソード層に接触している活性領域において、半導体装置は、カソード面とアノード面との間のキャリア寿命の平均値が第１の値を有する第１の領域と、カソード面とアノード面との間のキャリア寿命の平均値が第２の値よりも小さい第２の値を有する第２の領域とを含む。
【００２９】
つまり、半導体装置の活性領域は、第１の長キャリア寿命領域と、第２の短キャリア寿命領域とに分けられる。
【００３０】
そのようなサイリスタによって、コンバータセルの短絡故障モードが提供され得、当該モードではサイリスタはセルコンデンサのためのバイパススイッチとして作用し得る。長キャリア寿命の第１の領域は、サイリスタをトリガして電流を伝導し得る。短キャリア寿命の第２の領域は、電流の伝導に大きくは寄与せず、電流を主に長寿命領域に強制的に流し得る。この結果、第１の領域は半導体装置の活性領域の一部に過ぎないため、セルコンデンサ上の蓄電エネルギが少なくなりスイッチは確実に故障し得る。キャリア寿命の短い第２の領域は、実質的に電流が流れていないそのような領域へのオン状態電圧を増大させ得、短絡故障が起こった場合に熱を拡散できる半導体体積を増大させ得る。
【００３１】
本発明の一実施形態によると、第２の値は第１の値のせいぜい７５％である。これによってサイリスタが確実にトリガされ得る。
【００３２】
本発明の一実施形態によると、第１の領域はゲート電極とアノード電極との間に配置される。つまり、第２の領域は第１の領域が迂回した中心領域であってもよい。短絡故障モードでは、第１の領域の周りのすべての材料が導電経路の形成に寄与し得る。
【００３３】
しかし、短絡故障モードにトリガされ得るその他の種類のサイリスタもバイパスサイリスタ装置に用いられてもよい。
【００３４】
本発明のさらなる局面は、以上および以下に記載のバイパスサイリスタ装置を含むコンバータセルに関する。そのようなコンバータセルは、モジュラーマルチレベルコンバータなどのコンバータを形成するように相互接続されてもよい。コンバータセルが故障した場合、バイパスサイリスタをトリガしてコンバータセルのセルコンデンサを放電してもよい。こうして、冗長なコンバータセルが切断されてもよい。
【００３５】
なお、バイパスサイリスタ装置の特徴はコンバータセルの特徴であってもよく、その逆も同様である。
【００３６】
本発明の一実施形態によると、コンバータセルは、セルコンデンサをコンバータセルの出力に接続するための、かつセルコンデンサを出力から切断するための、少なくとも２つのパワー半導体スイッチと、セルコンデンサに並列接続された上記および下記に記載のバイパスサイリスタ装置とを含む。
【００３７】
コンバータセルは、直列接続された２つのパワー半導体スイッチからなる１つ以上のハーフブリッジを含んでもよい。ハーフブリッジは、セルコンデンサおよびバイパスサイリスタに並列接続されてもよい。コンバータセルの出力はハーフブリッジの中間点によって与えられてもよい。
【００３８】
コンバータセルを通る電流を切換えるためのパワー半導体スイッチは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）などのトランジスタまたはサイリスタであってもよい。しかし、これらのパワー半導体スイッチはサイリスタではあるが、バイパスサイリスタ装置とは異なる設計を有してもよい。バイパスサイリスタ装置はコンバータセルの正常動作時はブロックしているため、バイパスサイリスタ装置に対する要件はコンバータセルのその他のスイッチに対する要件とは大きく異なり得る。バイパスサイリスタ装置は、正常動作時は導通損失もスイッチング損失もないため、ほぼ冷媒温度を取り得る。したがって、負荷サイクルおよび温度サイクルについての要件を、コンバータセルのスイッチと比べて完全に排除することができる。要件が減少するため、熱抵抗および負荷サイクル耐性の面でさらなる設計自由度が提供される。したがって、たとえばサイリスタに基づく、ならびに／または、上記および下記に記載のようにキャリア寿命の異なる第１の領域と第２の領域とに分けられる活性領域を有する、上記および下記に記載のバイパスサイリスタ装置が用いられ得る。
【００３９】
本発明のこれらおよびその他の局面は、以下に説明する実施形態を参照すると明らかになり、かつ説明されるであろう。
【００４０】
本発明の主題を、添付の図面に示される例示的な実施形態を参照して以下の本文により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係るフルブリッジコンバータセルの概略回路図である。
【図２】本発明の実施形態に係るバイパスサイリスタ装置の概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るバイパスサイリスタ装置のためのカバー要素の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係るバイパスサイリスタ装置のための半導体装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
例示的な実施形態の詳細な説明
図中に用いる参照符号およびそれらの意味は、参照符号のリストにまとめて列挙している。原則として、図中同一の部分には同一の参照照号を付してある。
【００４３】
図１は、セルコンデンサ１４と並列に相互接続されたフルブリッジ１２を含むコンバータセル１０を示す。フルブリッジ１２は、セルコンデンサを出力端子（１８）に直接的にもしくは逆に取付けるための、またはセルコンデンサを切断するための、４つの逆導通半導体スイッチ１６（ここではＩＧＣＴ）からなる。コンバータセル１０の出力１８はハーフブリッジ１２の中間点によって与えられ、出力１８は二方向においてセルコンデンサ１４に対して切断され得、セルコンデンサに接続され得る。すなわち、コンバータセル１０はバイポーラセルである。コンバータセル１０はユニポーラセルであってもよいし、別のスイッチトポロジを有してもよい。図１に示すコンバータセル１０のようなコンバータセルは、モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）のアームを形成するように直列接続されてもよい。
【００４４】
さらに、コンバータセル１０は、セルコンデンサ１４を短絡させるように適合されているバイパスサイリスタ装置２０を含む。
【００４５】
図２はバイパスサイリスタ装置２０をより詳細に示す。バイパスサイリスタ装置２０は、サイリスタ２４を含むまたは提供する半導体装置２２を含む。半導体装置２２には、カソード面２８のカソード電極２６およびゲート電極３０が設けられており、ゲート電極３０はカソード電極２６に囲まれている。他方のアノード面３２では、半導体装置２２にはアノード電極３４が設けられている。
【００４６】
半導体装置２２は基板としてドープされたＳｉまたはドープされたＳｉＣからなってもよい。カソード電極２６、ゲート電極３０およびアノード電極３４は半導体装置２２の基板上の金属被覆層であってもよい。半導体装置２２は、図２では側面からの断面図で示されているが、上から見ると円形状であってもよい。
【００４７】
半導体装置２２はバイパスサイリスタ装置２０の筐体３６に封入されており、筐体３６はカソード面カバー要素３８とアノード面カバー要素４０とを含み、これらのカバー要素は自身同士の間に半導体装置２２を挟持している。カバー要素３８，４０は導電性を有し、それぞれカソード電極２６およびアノード電極３４に直接電気的に接触している。たとえば、カバー要素はＣｕまたはＡｌなどの金属製であってもよい。
【００４８】
カバー要素３８，４０同士は電気絶縁フランジ４２によって離間していてもよく、電気絶縁フランジ４２は半導体装置２２を囲んでおり、および／またはセラミック製であってもよい。カバー要素３８，４０同士の間のフランジ４２の内側の半導体装置２２の径方向外側には外側内部空間４４が存在しており、当該空間は空気で充填されてもよい。
【００４９】
ゲート電極３０は半導体装置２２の中心に位置していてもよい。ゲート電極３０に直接電気的に接続されているゲートコンタクト要素４６が、カバー要素３８のコンタクト面５０のゲートコンタクト開口部４８内に配置されている。たとえば、当該ゲートコンタクト要素はゲート電極３０に半田付けまたは焼結されている。
【００５０】
ゲートコンタクト要素４６はゲートコンタクトケーブル５２に電気的に接続されており、ゲートコンタクトケーブル５２はゲートケーブルトレンチ５４を通ってバイパスサイリスタ装置２０の外部に導かれる。ゲートケーブルトレンチ５４はカバー要素３８のコンタクト面５０に設けられている。ゲートコンタクトケーブル５２はさらなる開口部を通りフランジ４２を通って導かれてもよい。
【００５１】
さらに、カバー要素３８はコンタクト面５０に設けられているガス膨張体積５６を有し、ガス膨張体積５６は、ガス交換のためにゲートコンタクト開口部４８と相互接続される１つ以上のキャビティ５８からなってもよい。そのようなガス交換は流路６０によって行なわれてもよく、流路６０はコンタクト面５０に設けられており、キャビティ５８を互いに、かつゲートコンタクト開口部４８と相互接続する。
【００５２】
ガス膨張体積５６は、高電流イベントを通して半導体装置２２によって生じたガスおよび／またはプラズマの影響を緩和するために用いられる。セルコンデンサ１４に高いエネルギが蓄電された状態でバイパスサイリスタ装置２０をトリガすると、バイパスサイリスタ装置２０のサージ電流能力を数桁上回る電流が放出され得る。半導体装置２２の活性領域は溶融し得、気体に気化し得る。このガスがガス膨張体積５６内に受けられ得、その圧力が減少し得、および／またはガスが冷却され得る。
【００５３】
ガス膨張体積５６のないコンタクト要素では、生じたガスについて利用可能な体積がほとんどない場合がある。高温ガスはゲートケーブルトレンチ５４に沿って内部空間４４に入り込み得、セラミックフランジ４２の完全性およびカバー要素３８，４０の封止を損なう。高温ガスはまた、表面同士を分離して封止リングを通って逃げるのに十分な圧力を生成し得る。
【００５４】
図２に示すように、ガス膨張体積５６の体積はゲートコンタクト開口部４８の体積よりも２倍以上大きくてもよい。これは、ゲートコンタクト開口部４８よりも深いおよび／または幅広のキャビティ５８によって達成されてもよい。
【００５５】
ゲートコンタクト開口部４８およびゲートケーブルトレンチ５４として、キャビティ５８および流路６０はカバー要素３８内に機械加工されてもよい。
【００５６】
図３は、カバー要素３８の実施形態をコンタクト面５０に向かう方向からの斜視図で示す。ゲートコンタクト開口部４８は中心のボアであってもよく、当該ボアはトレンチの形態の同軸環状キャビティ５８に囲まれている。トレンチ５８およびゲートコンタクト開口部４８は径方向に延びる流路６０と相互接続され、流路６０の断面積はトレンチ５８よりも小さくてもよい。断面積が流路６０よりも小さくてもよいゲートケーブルトレンチ５４も径方向に延びてもよい。
【００５７】
ガス膨張体積５６と内部空間４４との間のガス交換の唯一の可能性は、ゲートコンタクトケーブル５２と実質的に同じ断面積を有し得るゲートケーブルトレンチ５４を介してのみであり得ることが分かる。したがって、上述のイベントによって生じたガスの大部分はガス膨張体積５６内に留まり得る。
【００５８】
また、半導体装置２２は高エネルギイベント時に意図的に溶融して、バイパスサイリスタ装置２０を通る導電経路を形成してもよい。そのような半導体装置２２を図４に示す。
【００５９】
カソード面２８からカソード面２８と反対側のアノード面３２に向かって、半導体装置２２は、ｎ＋ドープカソード層６２と、ｐドープベース層６４と、ｎ−ドープドリフト層６６と、ｐドープアノード層６８とを含む。カソード電極２６はカソード層６２上に設けられており、アノード電極３４はアノード層６８上に設けられている。
【００６０】
ゲート電極３０はベース層６４上に設けられており、ベース層６４にはカソード層６２が埋込まれている。ベース層６４はカソード層６２の下方の連続層であってもよい。カソード層６２のカソード層の底部および側面がベース層６４に接触していてもよい。
【００６１】
カソード電極２６がカソード層６２に接触している領域と見なされ得る半導体装置２２の活性領域７０は、カソード面２８からアノード面３２に延在する、カソード面２８とアノード面３２との間のキャリア寿命の平均値が第１の値を有する第１の領域７０ａと、カソード面２８とアノード面４２との間のキャリア寿命の平均値が第１の値よりも小さい場合がある第２の値を有する第２の領域７０ｂとに分けられる。第２の値は第１の値のせいぜい７５％であってもよい。
【００６２】
たとえば、カソード面２８と平行なすべての平面内で、第２の領域７０ｂにおける平均キャリア寿命は、同一平面内の第１の領域７０ａにおける平均キャリア寿命よりも短く、せいぜい７５％であってもよい。
【００６３】
さらなる例では、第１および第２のｐｎ接合７２，７４同士の間の第２の領域７０ｂにおける平均キャリア寿命は、第１の領域における平均キャリア寿命よりも短く、せいぜい７５％であってもよい。
【００６４】
カソード面２８と平行な平面内で、第１の領域７０ａの面積は活性領域７０の面積の少なくとも０．１％であってもよい。そのような小面積（またはより正確に言えば、この面積をカソード面２８およびアノード面３２に投影した領域）は、短絡故障モード（ＳＣＦＭ）が発生した場合にバイパスサイリスタ２４に点火するのに十分であり得る。しかし、第１の領域７０ａの面積のサイズは活性領域７０の面積のせいぜい５０％またはせいぜい５％であってもよい。つまり、例示的な実施形態では、第２の領域７０ｂのサイズは（カソード面２８と平行な平面内で）活性領域７０の面積の５０％から９９．９％であってもよい。
【００６５】
図面および上記の説明において本発明を詳細に図示および説明したが、そのような図示および説明は説明的または例示的なものとみなされるべきであり、限定的なものとみなされるべきでなく、本発明は開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態のその他の変形例は、図面、開示、および添付の請求項を検討することによって、請求項に記載された本発明を実施する当業者によって理解および実行され得る。請求項において、「備える」という語はその他の要素または工程を排除するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数性を排除するものではない。単一のプロセッサまたはコントローラまたはその他のユニットが請求項に記載されたいくつかの項目の機能を果たしてもよい。一定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に使用できないことを示すものではない。請求項中の参照符号はいずれも範囲を限定するものと解釈されるべきでない。
【符号の説明】
【００６６】
参照符号のリスト
１０  コンバータセル
１２  ハーフブリッジ
１４  セルコンデンサ
１６  半導体スイッチ
１８  出力
２０  バイパスサイリスタ装置
２２  半導体装置
２４  サイリスタ
２６  カソード電極
２８  カソード面
３０  ゲート電極
３２  アノード面
３４  アノード電極
３６  筐体
３８  カバー要素
４０  カバー要素
４２  フランジ
４４  内部空間
４６  ゲートコンタクト要素
４８  ゲートコンタクト開口部
５０  コンタクト面
５２  ゲートコンタクトケーブル
５４  ゲートケーブルトレンチ
５６  ガス膨張体積
５８  キャビティ、トレンチ
６０  流路
６２  カソード層
６４  ベース層
６６  ドリフト層
６８  アノード層
７０  活性領域
７０ａ  第１の領域
７０ｂ  第２の領域
７２  第１のｐｎ接合
７４  第２のｐｎ接合
【図１】
2020526931.tif 000003
【図２】
2020526931.tif 000004
【図３】
2020526931.tif 000005
【図４】
2020526931.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月24日(2020.3.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイパスサイリスタ装置（２０）であって、
カソード面（２８）のカソード電極（２６）と、前記カソード電極（２６）に囲まれた前記カソード面（２８）のゲート電極（３０）と、アノード面（３２）のアノード電極（３４）とを有するサイリスタ（２４）を備える半導体装置（２２）と、
前記カソード面（２８）に配置され、コンタクト面（５０）で前記カソード電極（２６）と電気的に接触している導電性カバー要素（３８）と、
前記ゲート電極（３０）に電気的に接続され、前記カバー要素（３８）の前記コンタクト面（５０）のゲートコンタクト開口部（４８）内に配置されているゲートコンタクト要素（４６）とを備え、
前記カバー要素（３８）は前記カソード面（２８）に面する前記コンタクト面（５０）のガス膨張体積（５６）を有し、前記ガス膨張体積（５６）はガス交換のために前記ゲートコンタクト開口部（４８）と相互接続される、バイパスサイリスタ装置。
【請求項２】
前記ガス膨張体積（５６）の体積は前記ゲートコンタクト開口部（４８）の体積よりも大きい、請求項１に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項３】
前記ガス膨張体積（５６）は、ガス交換のために相互接続された少なくとも２つの別個のキャビティ（５８）に分けられる、請求項１または２に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項４】
前記ガス膨張体積（５６）は、前記ゲートコンタクト開口部（４８）を囲む少なくとも１つのトレンチ（５８）を備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つのトレンチ（５８）は、前記コンタクト面（５０）に設けられた少なくとも１つの流路（６０）を介して前記ゲートコンタクト開口部（４８）と相互接続される、請求項４に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項６】
前記ガス膨張体積（５６）は、前記ゲートコンタクト開口部（４８）を囲む少なくとも２つのトレンチ（５８）を備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項７】
前記少なくとも２つのトレンチ（５８）は、前記コンタクト面（５０）に設けられた少なくとも１つの流路（６０）を介して互いに相互接続される、請求項６に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項８】
前記カバー要素（３８）はゲートケーブルトレンチ（５４）を備え、前記ゲートケーブルトレンチの中にゲートケーブル（５２）が配置され、前記ゲートケーブルは前記ゲートコンタクト要素（４６）に電気的に接続され、
前記ゲートコンタクトケーブル（５２）は前記ゲートケーブルトレンチ（５４）を通って前記バイパスサイリスタ装置（２０）の外部に導かれる、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項９】
前記ゲートケーブルトレンチ（５４）の断面積は、前記ゲートコンタクト開口部（４８）を前記ガス膨張体積（５６）と相互接続する１つ以上の流路（６０）の断面積よりも小さい、請求項８に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１０】
前記半導体装置（２２）は円形状であり、前記ゲート電極（３０）は前記円形状の中心に配置され、
前記ガス膨張体積（５６）は、前記ゲート電極（３０）の上方に配置された前記ゲートコンタクト開口部（４８）を囲む１つ以上の円形トレンチ（５８）を備える、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１１】
前記アノード電極（３４）に電気的に接続されたアノード面カバー要素（４０）と、
前記半導体装置（２２）を囲む電気絶縁フランジ（４２）とをさらに備え、前記フランジ（４２）に前記カソード面カバー要素（３８）および前記アノード面カバー要素（４０）が取付けられる、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１２】
前記サイリスタ（２４）は、前記サイリスタ（２４）を流れる電流が最大電流を超えると、前記半導体装置（２２）の活性領域（７０）を通る永続的な導電経路を形成するように適合されている、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１３】
前記サイリスタ（２４）を形成するために、前記半導体装置（２２）は前記カソード面（２８）から前記アノード面（３２）に向かって、
前記カソード電極（２６）に接続された第１の導電型（ｎ＋）のカソード層（６２）と、
前記ゲート電極（３０）に接続された前記第１の導電型とは異なる第２の導電型（ｐ）のベース層（６４）と、
前記第１の導電型（ｎ−）のドリフト層（６６）と、
前記アノード電極（３４）に接続された前記第２の導電型（ｐ）のアノード層（６８）とを備え、
活性領域（７０）において、前記半導体装置（２２）は、前記カソード面（２８）と前記アノード面（３２）との間のキャリア寿命の平均値が第１の値を有する第１の領域（７０ａ）と、前記カソード面（２８）と前記アノード面（３２）との間の前記キャリア寿命の平均値が前記第１の値よりも小さい第２の値を有する第２の領域（７０ｂ）とを備える、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１４】
前記第１の領域（７０ａ）は前記ゲート電極（３０）と前記アノード電極（３４）との間に配置される、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）。
【請求項１５】
コンバータセル（１０）であって、
セルコンデンサ（１４）を前記コンバータセル（１０）の出力（１８）に接続するための、かつ前記セルコンデンサ（１４）を前記出力（１８）から切断するための、少なくとも２つのパワー半導体スイッチ（１６）と、
前記セルコンデンサ（１４）に並列接続された請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のバイパスサイリスタ装置（２０）とを備える、コンバータセル。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
本発明の一実施形態によると、サイリスタを形成するために、半導体装置はカソード面からアノード面に向かって、カソード電極に接続された第１の導電型（ｎ＋など）のカソード層と、ゲート電極に接続された第１の導電型とは異なる第２の導電型（ｐなど）のベース層と、第１の導電型（ｎ−など）のドリフト層と、アノード電極に接続された第２の導電型（ｐなど）のアノード層とを含む。カソード電極がカソード層に接触している活性領域において、半導体装置は、カソード面とアノード面との間のキャリア寿命の平均値が第１の値を有する第１の領域と、カソード面とアノード面との間のキャリア寿命の平均値が第１の値よりも小さい第２の値を有する第２の領域とを含む。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
カソード電極２６がカソード層６２に接触している領域と見なされ得る半導体装置２２の活性領域７０は、カソード面２８からアノード面３２に延在する、カソード面２８とアノード面３２との間のキャリア寿命の平均値が第１の値を有する第１の領域７０ａと、カソード面２８とアノード面３２との間のキャリア寿命の平均値が第１の値よりも小さい場合がある第２の値を有する第２の領域７０ｂとに分けられる。第２の値は第１の値のせいぜい７５％であってもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2020526931.tif 000007
【国際調査報告】
2020526931.tif 000008
2020526931.tif 000009