CH696180A5 - Leistungshalbleitervorrichtung. - Google Patents

Description

  Hintergrund der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungshalbleitervorrichtung, wobei Halbleiterschaltelemente wie Transistor mit isoliertem Basisgate (IGBT) benutzt werden, um die Leistungshalbleitervorrichtung vor Überstrom zu schützen.

Stand der Technik

[0002] Fig. 4 zeigt eine Teilkonfiguration eines Leistungsmoduls des Standes der Technik, wobei ein Leistungshalbleiterschaltelement, wie z.B. ein IGBT, benutzt wird. On/Off-Operationen (Ein/Aus-Operationen) eines Schaltelementes 31, wie z.B. eines IGBT, werden durch eine Gatesteuerungsvorrichtung 33 kontrolliert. In dem konventionellen Strommodul wird ein Widerstand 32 auf der üblichen Seite (emitterseitig) des Schaltelementes 31 zum Überstromschutz geschaltet.

   Ein Spannungsabfall über dem Widerstand 32, der durch einen Hauptstrom erzeugt wird, welcher Hauptstrom durch das Schaltelement 31 fliesst, wird zurück zur Gatesteuerungsvorrichtung 33 geführt. Die Ausgangsleistung der Spannung der Gatesteuerungsvorrichtung 33 wird konstant gehalten und folglich fällt die Spannung zwischen dem Emitter und dem Gate im Wesentlichen durch die Rückführspannung. So wird der Hauptstrom bei einem Kurzschluss des Schaltelementes 31 unterdrückt und folglich kann das Leistungsverhalten bei einem Kurzschluss verbessert werden.

[0003] Im oben beschriebenen Verfahren ist es wichtig, eine Spannung zwischen dem Emitter und dem Gate durch einige Spannungen herabzusetzen, um einen Überschuss des Hauptstroms beim Kurzschluss zu unterdrücken. Folglich muss üblicherweise der Widerstandswert eines Widerstandes zu einigen Milliohms gesetzt werden.

   Solche einige Milliohms erhöhen einen Verlust, der in dem Schaltelement auf dem Widerstand 32 beim normalen Betrieb erzeugt wird. Dieser Verlust kann zu hoch sein, als dass er vernachlässigt werden könnte.

Zusammenfassung der Erfindung

[0004] Diese Erfindung zielt darauf ab, die oben erwähnten Probleme zu lösen, und ein Zweck der Erfindung ist es, eine Leistungshalbleitervorrichtung zu erzeugen, die den Leistungsverlust des Strommoduls bei normalem Betrieb reduzieren kann und bei welchem ein Überstromschutz von hoher Genauigkeit erreicht wurde.

[0005] Die Erfindung sieht eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäss Patentanspruch 1 vor.

   Folglich wird durch die Verwendung der Metallelektrode, die mit dem Stromschaltelement verbunden ist, der Hauptstrom, der durch das Schaltelement fliesst, detektiert, und deshalb ist es möglich, einen Überstrom stabil ohne Abweichung zu detektieren und den bei dem normalen Betrieb erzeugten Verlust zu reduzieren.

[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

[0007] Die U-Form der Metallelektrode(n) der Leistungshalbleitervorrichtung gemäss den zweiten und vierten Patentansprüchen verringert die Induktanz der Metallelektrode, um Rauschen zu unterdrücken, das durch den Wechsel im Strom aufgrund der Schaltoperation erzeugt wurde. Dies kann den Fehlbetrieb beim Normalbetrieb verhindern, ohne dass ein Rauschen auf der Rückflussspannung zur Steuervorrichtung erzeugt wird.

   Weiter kann ein Widerstand der Metallelektrode verkleinert werden, um den Verlust zu verringern.

[0008] Die Konfiguration der Leistungshalbleitervorrichtung gemäss dem dritten Patentanspruch erlaubt, dass ein Überstrom in jeder Phase detektiert wird.

[0009] Gemäss der vorliegenden Erfindung kann die Leistungshalbleitervorrichtung erhalten werden, die einen Verlust, der bei der Schaltoperation erzeugt wird, reduzieren kann und einen Überstrom stabil detektieren kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] 
<tb>Fig. 1<sep>zeigt eine Konfiguration zum Detektieren von Überstrom in einem Strommodul gemäss der vorliegenden Erfindung (erste Ausführungsvariante).


  <tb>Fig. 2<sep>zeigt eine Form der Emitterelektrode im Strommodul (zweite Ausführungsvariante).


  <tb>Fig. 3<sep>zeigt den Ort von Emitterelektroden zum Detektieren von Überstrom in dem Dreiphasen-Umrichter (dritte Ausführungsvariante).


  <tb>Fig. 4<sep>zeigt eine Konfiguration zum Detektieren des Überstroms in einem Strommodul gemäss dem Stand der Technik.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

[0011] Bevorzugte Ausführungsvarianten einer Leistungshalbleitervorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung werden weiter unten mit Referenz zu den begleitenden Figuren beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

[0012] Fig. 1 zeigt eine Konfiguration einer Leistungshalbleitervorrichtung (ein Strommodul) gemäss der vorliegenden Erfindung. Das Strommodul umfasst ein IGBT 11, der ein Stromhalbleiterschaltelement ist, eine Gateantriebsvorrichtung 13 zum Antreiben des IGBT 11 und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Gateantriebsvorrichtung 13. Die Steuervorrichtung 15 ist als integrierter Schaltkreis implementiert.

   Die Steuervorrichtung 15 steuert im Normalfall die Gateantriebsvorrichtung 13 zum Steuern der Schaltoperationen des IGBT 11.

[0013] Im Strommodul gemäss dieser Ausführungsvariante ist eine Metallelektrode (Emitter-Elektrode) 17 zu einem Emitterterminal der IGBT 11 verbunden, welche IGBT 11 eine Schaltvorrichtung ist. Insbesondere wird der Widerstand der Metallelektrode 17 als ein Widerstand zum Detektieren eines Überstroms verwendet. Eine Spannung über der Emitterelektrode 17 wird zur Steuervorrichtung 15 zurückgespiesen. Die Steuervorrichtung 15 detektiert einen Hauptstrom, der zwischen einem Kollektor und einem Emitter des IGBT 11 fliesst und auf einer Spannung über der Emitterelektrode basiert.

   Wenn der detektierte Hauptstrom einen vordefinierten Wert erreicht, bestimmt die Steuervorrichtung, dass sich ein Überstrom ereignet und führt eine Funktion zum Schutz vor einem Überstrom durch. Genauer gesehen gibt die Steuervorrichtung beim Ereignen eines Überstroms ein Steuersignal zur Gateantriebsvorrichtung 13 aus, so dass ein Strom begrenzt wird, der zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT 11 fliesst, indem ein Rückschritt der Spannung zwischen dem Emitter und dem Gate des IGBT 11 erfolgt.

[0014] Der Widerstandswert (Re) der Emitterelektrode 17, die zur Detektierung des Überstroms verwendet wird, wird wie folgt ausgedrückt:
<tb>Re = Vfe/lp <sep>(1)

[0015] Vfe ist eine bestimmte Betriebsspannung für die Steuervorrichtung 15, das heisst eine Referenzspannung zum Bestimmen der Überstrom-Detektierung.

   Ip ist ein Schwellstrom für den Überstromschutz und wird auf einen Referenzstrom gesetzt, der zur Bestimmung, dass ein durch die Vorrichtung fliessender Strom ein Überstrom ist, verwendet wird. Widerstand und Querschnitt werden vom Material der Emitterelektrode 17 bestimmt, so dass der Widerstand Re der Emitterelektrode 17 der oben genannten Formel (1) genügt.

[0016] Wie weiter oben beschrieben, benutzt das Strommodul dieses Ausführungsbeispiels die Emitterelektrode 17 des Schaltelementes 11 als ein Mittel zum Detektieren des Überstroms. Da die Emitterelektrode 17 aus Metall ist, ist der Widerstand (z.B. 1 momega ) klein und stabil ohne Abweichung.

   Folglich kann dieses Ausführungsbeispiel, verglichen mit dem Stand der Technik, in welchem ein Widerstand auf der Emitterseite des Schaltelementes 11 eingerichtet ist, einen Verlust bei der Schaltoperation reduzieren und einen Überstrom stabil detektieren.

Zweites Ausführungsbeispiel

[0017] Fig. 2 zeigt die Form einer Emitterelektrode 17, die zum Detektieren eines Überstroms im oben beschriebenen Strommodul verwendet wird. Wie in der Figur gezeigt wird, wird eine Kollektorelektrode 21 wie auch die Emitterelektrode 17 auf einem isolierenden Substrat 25 erzeugt und diese Elektroden 17, 21 sind durch einen Emitterdraht 23 elektrisch verbunden.

[0018] Wie in Fig. 2 gezeigt wird, hat die Emitterelektrode 17 einen U-för-migen Teil 17a.

   Um einen Widerstand 17 mit U-förmigem Teil 17a zu benutzen, werden beide Enden des U-förmigen Teils 17a mit der Steuervorrichtung 15 verbunden.

[0019] Der Grund, warum die Emitterelektrode 17 einen solchen U-förmigen Teil 17a hat, wird weiter unten beschrieben.

[0020] Um den Verlust, der bei der Schaltoperation erzeugt wird, so gut als möglich zu reduzieren, ist es vorzuziehen, den Widerstand Re zu reduzieren, und so muss die Spannung Vfe gemäss der Formel (1) reduziert werden. Wenn Vfe so reduziert wird, dass sie klein ist, dann tendiert die Steuervorrichtung 15 durch ein Rauschen in der Überstromdetektion beeinflusst zu werden. Zu dieser Zeit, wenn die Induktanzkomponente der Emitterelektrode 17 gross ist, wird eine induzierte Spannung durch die Induktanzkomponente und einen Wechsel im Strom bei der Schaltoperation, die eine Fehlfunktion verursachen kann, erzeugt.

   Dementsprechend wird die Emitterelektrode in einer U-förmigen Form gebildet und folglich kann ein magnetisches Feld, das auf der Elektrode erzeugt wird, aufgehoben werden, um die Induktanz der Emitterelektrode 17 zu verringern. Dies verhindert das Entstehen der Fehlfunktion durch ein Rauschen, das durch eine Änderung im Strom bei der Schaltoperation verursacht wird.

[0021] Wie oben beschrieben, wird die Emitterelektrode 17 in einer U-Form gebildet und folglich kann die Induktanz der Emitterelektrode 17 reduziert werden. So kann die Überstromdetektion erreicht werden, was eine Fehlfunktion verhindert, während der Verlust bei der Schaltoperation reduziert wird.

Drittes Ausführungsbeispiel

[0022] Fig. 3 zeigt ein Strommodul, das einen Dreiphasenumrichter umfasst, welcher sechs IGBTs verwendet.

   Der Dreiphasenumrichter 12 ist eine Vorrichtung zum Konvertieren einer DC-Spannung in eine vordefinierte Dreiphasen-AC-Spannung zum Antrieb einer Motors. Jede IGBT des Umrichters 12 wird durch die Gateantriebsvorrichtung 13 angetrieben, die durch eine Steuervorrichtung 15 gesteuert wird.

[0023] Der Umwandler 12 umfasst Halbbrückenschaltungen, welche jede für jede Phase (U-, V-, W-Phase) erzeugt wurde und zwei IGBTs umfasst. Die Emitterelektroden 17u, 17v bzw. 17w haben einen vordefinierten Widerstand (Re) und sind auf der Emitterseite der IGBTs eines unteren Arms angelegt. Spannungen über den Emitterelektroden 17u, 17v und 17w werden zur Steuervorrichtung 15 zurückgeführt.

[0024] Die oben beschriebene Konfiguration ermöglicht, dass ein Überstrom für jede Phase detektiert wird.

   Folglich ist es möglich, auch wenn ein Überstrom durch einen Kurzschluss des Arms erzeugt wird, während der Umwandler 12 arbeitet, den Umwandler 12 schnell durch ein Heruntersetzen der Spannung der Gates aller IGBTs zu stoppen. Somit kann das Strommodul gegen Durchbruch durch den Überstrom geschützt werden.

[0025] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurde, sind viele andere Modifikationen, Korrekturen und Anwendungen für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich. Folglich ist die vorliegende Erfindung nicht begrenzt durch die Offenbarung in dieser Schrift, sondern nur begrenzt durch den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche.

Claims (4)

1. Eine Leistungshalbleitervorrichtung (10), die ein Stromschaltelement (11, 11u, 11v, 11w) umfasst, das zwei Hauptelektroden und eine Kontrollelektrode umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleitervorrichtung (10) eine mit einer der Hauptelektroden des Stromschaltelements (11, 11u, 11v, 11w) verbundene Metallelektrode (17, 17u, 17v, 17w) umfasst, und dass die Leistungshalbleitervorrichtung (10) eine Steuervorrichtung (15) zum Steuern einer Operation des Stromschaltelements (11) umfasst, so dass ein Hauptstrom zwischen den Hauptelektroden des Stromschaltelements (11) detektierbar ist und der Hauptstrom begrenzbar ist, wenn der detektierte Hauptstrom als ein Überstrom bestimmt wird, wobei die Steuervorrichtung (15) den Hauptstrom detektiert, der durch das Stromschaltelement (11, 11, 11u,11v, 11w) fliesst,

indem eine Spannung zwischen zwei vordefinierten Punkten der Metallelektrode (17, 17, 17u, 17v, 17w) detektiert wird.

2. Eine Leistungshalbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Metallelektrode (17) U-förmig ist.

3. Eine Leistungshalbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Stromschaltelemente (11u, 11v, 11w) umfasst, die seriell miteinander verbunden sind und einen Stromumwandlungsteil (12) zum Umwandeln einer DC-Spannung in eine vordefinierte Dreiphasen-AC-Spannung zum Antreiben eines Motors bilden, wobei der Stromumwandlungsteil (12) Halbbrückenschaltungen umfasst, die jede für jede Phase erzeugt wurde, und wobei jedes Stromschaltelement (11u, 11v, 11w) mit der unteren Seite der Halbbrücke verbunden ist.

4. Eine Leistungshalbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Metallelektroden (17u, 17v, 17w) U-förmig sind.