DE10162242A1 - Leistungshalbleiterbauelement - Google Patents

Leistungshalbleiterbauelement

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Abstract

Ein Leistungshalbleiterbauelement weist folgendes auf: ein Leistungsschaltelement (11) mit zwei Hauptelektroden und einer Steuerelektrode, eine Metallelektrode (17), die mit einer der Hauptelektroden des Leistungsschaltelements (11) verbunden ist, und eine Schutzschaltung (15) zur Steuerung eines Betriebs des Leistungsschaltelements (11), derart, daß ein zwischen den Hauptelektroden des Leistungsschaltelements (11) fließender Hauptstrom detektiert und der Hauptstrom begrenzt wird, wenn bestimmt wird, daß der detektierte Hauptstrom ein Überstrom ist. Die Schutzschaltung (15) detektiert den durch das Leistungsschaltelement (11) fließenden Hauptstrom durch Detektieren einer Spannung zwischen zwei vorbestimmten Punkten der Metallelektrode (17).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Überstromschutz in einem Leistungshalbleiterbauelement, das Halbleiterschaltelemente, wie etwa einen IGBT verwendet.
  • Fig. 4 zeigt eine Teilkonfiguration eines Leistungsmoduls in einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik, wobei ein Leistungshalbleiterschaltelement, wie etwa ein IGBT, verwendet wird. Der Ein-/Aus-Betrieb eines Schaltelements 31, wie etwa eines IGBT, wird von einer Gate-Ansteuerschaltung 33 gesteuert.
  • Bei dem herkömmlichen Leistungsmoduul ist ein Widerstand 32 in Reihe an der gemeinsamen Seite bzw. der Emitterseite des Schaltelements 31 zum Überstromschutz vorgesehen. Ein Spannungsabfall über dem Widerstand 32, der von einem durch das Schaltelement 31 fließenden Hauptstrom erzeugt wird, wird zu der Gate-Ansteuerschaltung 33 rückgeführt.
  • Die Ausgangsspannung der Gate-Ansteuerschaltung 33 wird konstant gehalten, und daher fällt die Spannung zwischen dem Emitter und dem Gate durch die Rückführungsspannung erheblich ab. Somit wird der Hauptstrom bei einem Kurzschluß des Schaltelements 31 unterdrückt, und dadurch kann das Betriebsverhalten bei einem Kurzschluß verbessert werden.
  • Bei dem oben beschriebenen Verfahren muß eine Spannung zwischen dem Emitter und dem Gate um mehrere Spannungen heruntertransformiert werden, um bei einem Kurzschluß einen übermäßig hohen Hauptstrom zu unterdrücken. Daher muß ein Widerstandswert des Widerstands 32 normalerweise auf einige zwanzig Milliohm eingestellt sein. Einige zwanzig Milliohm des Widerstands erhöhen aber den Verlust, der in dem Schaltelement an dem Widerstand 32 im Normalbetrieb erzeugt wird. Der Verlust kann zu hoch sein, um vernachlässigbar zu bleiben.
  • Die Erfindung ist darauf gerichtet, die vorstehenden Probleme zu lösen, und Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Leistungshalbleiterbauelements, das die Energieverluste des Leistungsbausteins im Normalbetrieb verringern und mit hoher Präzision einen Überstromschutz erreichen kann.
  • Ein Leistungshalbleiterbauelement gemäß der Erfindung weist folgendes auf: ein Leistungsschaltelement, das zwei Hauptelektroden und eine Steuerelektrode hat; eine mit einer der Hauptelektroden des Leistungsschaltelements verbundene Metallelektrode; und eine Schutzschaltung zur Steuerung eines Betriebs des Leistungsschaltelements derart, daß ein zwischen den Hauptelektroden des Leistungsschaltelements fließender Hauptstrom detektiert und der Hauptstrom begrenzt wird, wenn der detektierte Hauptstrom als Überstrom detektiert wird.
  • Die Schutzschaltung detektiert den durch das Leistungsschaltelement fließenden Hauptstrom durch Detektieren einer Spannung zwischen zwei vorbestimmten Punkten der Metallelektrode. Durch Verwendung der Metallelektrode, die mit dem Leistungsschaltelement verbunden ist, wird der durch das Schaltelement fließende Hauptstrom detektiert, und es ist daher möglich, einen Überstrom ohne Änderungen auf stabile Weise zu detektieren und die im Normalbetrieb erzeugten Verluste zu verringern.
  • In dem Leistungshalbleiterbauelement kann die Metallelektrode U-förmig sein. Die U-Gestalt verringert die Induktivität der Metallelektrode, um ein Rauschen zu unterdrücken, das durch eine Änderung des Stroms aufgrund des Schaltvorgangs erzeugt wird.
  • Dies kann die Fehlfunktion im Normalbetrieb verhindern, ohne daß auf der Rückführungsspannung zu der Steuerschaltung Rauschen erzeugt wird. Ferner kann der Widerstandswert der Metallelektrode herabgesetzt werden, um die Verluste zu verringern.
  • Das Leistungshalbleiterbauelement kann einen Leistungsumwandlungsbereich zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine vorgegebene Dreiphasenspannung zum Antreiben eines Motors aufweisen, wobei der Leistungsumwandlungsbereich Halbbrückenschaltungen aufweist, die jeweils für jede Phase vorgesehen sind und die in Reihe geschalteten Leistungsschaltelemente aufweisen.
  • Dann kann in jeder Phase die Metallelektrode mit einer der Hauptelektroden des Leistungsschaltelements verbunden sein, die an der unteren Seite der Halbbrücke angeschlossen sind.
  • Diese Konfiguration ermöglicht es, daß in jeder Phase ein Überstrom detektiert werden kann.
  • Gemäß der Erfindung kann das Leistungshalbleiterbauelement so ausgelegt werden, daß ein beim Schaltbetrieb erzeugter Verlust verringert wird und ein Überstrom auf stabile Weise detektiert werden kann.
  • Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
  • Fig. 1 eine Konfiguration zum Detektieren eines Überstroms in einem Leistungsbaustein gemäß der Erfindung (erste Ausführungsform);
  • Fig. 2 die Gestalt einer Emitterelektrode in dem Leistungsbaustein (zweite Ausführungsform);
  • Fig. 3 die Position von Emitterelektroden zum Detektieren von Überstrom in dem Dreiphasen-Wechselrichter (dritte Ausführungsform); und
  • Fig. 4 eine Konfiguration gemäß dem Stand der Technik zum Detektieren eines Überstroms in einem Leistungsbaustein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen des Leistungshalbleiterbauelements gemäß der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
    • Erste Ausführungsform
  • Fig. 1 zeigt eine Konfiguration eines Leistungshalbleiterbauelements (eines Leistungsbausteins oder Leistungsmoduls) gemäß der Erfindung. Der Leistungsbaustein weist folgendes auf: einen IGBT 11, der ein Leistungshalbleiterschaltelement ist, eine Gate-Ansteuerschaltung oder Gate-Treiberschaltung 13 zum Ansteuern des IGBT 11, eine Steuerschaltung zur Steuerung der Gate-Ansteuerschaltung 13.
  • Die Steuerschaltung 15 ist als integrierter Schaltkreis implementiert. Die Steuerschaltung 15 steuert normalerweise die Gate-Ansteuerschaltung 13, um den Schaltbetrieb des IGBT 11 zu steuern.
  • Bei dem Leistungsbaustein dieser Ausführungsform ist eine Metallelektrode (Emitterelektrode) 17 mit einem Emitteranschluß des als Schaltelement dienenden IGBT 11 verbunden. Insbesondere dient der Widerstandswert der Metallelektrode 17 als Widerstand zum Detektieren eines Überstroms. Eine Spannung über der Emitterelektrode 17 wird zu der Steuerschaltung 15 rückgeführt.
  • Die Steuerschaltung 15 detektiert einen zwischen einem Kollektor und einem Emitter des IGBT 11 fließenden Hauptstrom auf der Basis einer Spannung über der Emitterelektrode 17. Wenn der detektierte Hauptstrom einen vorbestimmten Wert annimmt, bestimmt die Steuerschaltung, daß ein Überstrom vorliegt, und führt eine Funktion zum Schutz vor Überstrom aus.
  • Dabei gibt die Steuerschaltung beim Auftreten eines Überstroms ein Steuersignal an die Gate-Ansteuerschaltung 13 ab, um dadurch einen zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT 11 fließenden Strom durch Abwärtstransformieren einer Spannung zwischen Emitter und Gate des IGBT 11 zu begrenzen.
  • Der für die Überstromdetektierung genutzte Widerstandswert Re der Emitterelektrode 17 wird wie folgt ausgedrückt:

    Re = Vfe/Ip (1)

    Vfe ist eine Vorgabespannung für die Steuerschaltung 15, also eine Referenzspannung zur Bestimmung einer Überstromdetektierung. Ip ist ein Grenzstrom zum Überstromschutz und ist mit einem Referenzstrom vorgegeben, der dazu dient, zu bestimmen, daß ein durch die Schaltung fließender Strom ein Überstrom ist.
  • Der spezifische Widerstand und der Querschnitt eines Materials der Emitterelektrode 17 sind so festgelegt, daß der Widerstandswert Re der Emitterelektrode 17 der obigen Gleichung (1) genügt.
  • Wie oben beschrieben, verwendet ein Leistungsbaustein dieser Ausführungsform die Emitterelektrode 17 des Schaltelements 11 als Einrichtung zur Detektierung von Überstrom. Da die Emitterelektrode 17 aus einem Metall besteht, ist der Widerstandswert klein (z. B. 1 Milliohm) und stabil ohne Schwankungen.
  • Im Vergleich mit dem Stand der Technik, bei dem ein Widerstand an der Emitterseite des Schaltelements 11 angeordnet ist, kann daher diese Ausführungsform Verluste beim Schaltvorgang verringern und auf stabile Weise einen Überstrom detektieren.
    • Zweite Ausführungsform
  • Fig. 2 zeigt die Gestalt der Emitterelektrode 17, die in dem oben beschriebenen Leistungsbaustein zur Detektierung von Überstrom dient. Wie die Fig. 2 zeigt, sind eine Kollektorelektrode 21 sowie die Emitterelektrode 17 auf einem isolierenden Substrat 25 vorgesehen, und diese Elektroden 17, 21 sind über einen Emitterdraht 23 elektrisch miteinander verbunden.
  • Wie Fig. 2 zeigt, hat die Emitterelektrode 17 einen U-förmigen Bereich 17a. Um einen Widerstandswert des U-förmigen Bereichs 17a zu nutzen, sind beide Enden des U-förmigen Bereichs 17a mit der Steuerschaltung 15 verbunden.
  • Der Grund für die Verwendung eines solchen U-förmigen Bereichs 17a der Emitterelektrode 17 wird nachstehend beschrieben.
  • Zur möglichst weitgehenden Herabsetzung der beim Schaltbetrieb erzeugten Verluste wird es bevorzugt, den Widerstandswert Re zu verringern, und somit muß unter Berücksichtigung der Gleichung (1) die Spannung Vfe verringert werden.
  • Wenn Vfe auf einen kleinen Wert verringert wird, tendiert die Steuerschaltung 15 dazu, daß sie bei der Überstromdetektierung durch Rauschen beeinflußt wird. Wenn dabei die Induktivitätskomponente der Emitterelektrode 17 groß ist, wird durch die Induktivitätskomponente eine induzierte Spannung und eine Änderung des Stroms beim Schaltvorgang erzeugt, was zu einer Fehlfunktion führen kann.
  • Daher ist die Emitterelektrode 17 U-förmig ausgebildet, so daß ein an der Elektrode erzeugtes Magnetfeld aufgehoben werden kann, um die Induktivität der Emitterelektrode 17 zu verringern. Dadurch wird verhindert, daß durch ein Rauschen, das durch eine Änderung des Stroms beim Schaltvorgang erzeugt wird, eine Fehlfunktion auftritt.
  • Wie oben beschrieben wird, ist die Emitterelektrode 17 U-förmig ausgebildet, und somit kann die Induktivität der Emitterelektrode 17 verringert werden. Dadurch kann ein Überstrom detektiert werden, wodurch eine Fehlfunktion verhindert werden kann, und gleichzeitig werden die Verluste beim Schaltvorgang verringert.
    • Dritte Ausführungsform
  • Fig. 3 zeigt einen Leistungsbaustein, der einen Dreiphasen- Wechselrichter aufweist, der sechs IGBT verwendet. Der Dreiphasen-Wechselrichter 12 ist eine Schaltung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine vorbestimmte Dreiphasenspannung, um einen Motor anzutreiben. Jeder IGBT des Wechselrichters 112 wird von der Gate-Ansteuerschaltung 13 angesteuert, die von der Steuerschaltung 15 gesteuert wird.
  • Der Wechselrichter 12 weist Halbbrückenschaltungen auf, die jeweils für jede Phase (U-, V-, W-Phase) vorgesehen sind und zwei IGBT aufweisen. Die Emitterelektroden 17u, 17v und 17w, die einen vorbestimmten Widerstandswert (Re) haben, sind an der Emitterseite der IGBT eines jeweiligen unteren Zweigs angeordnet. Spannungen über den Emitterelektroden 17u, 17v und 17w werden zu der Steuerschaltung 15 rückgeführt.
  • Die oben beschriebene Konfiguration ermöglicht es, für jede Phase einen Überstrom zu detektieren. Selbst wenn also ein Überstrom von einem Kurzschluß des Zweigs erzeugt wird, während der Wechselrichter 12 aktiv ist, ist es möglich, den Wechselrichter 12 durch Abwärtstransformieren der Spannungen der Gates aller IGBT sehr schnell anzuhalten. Somit kann der Leistungsbaustein vor einem Zusammenbruch aufgrund des Überstroms geschützt werden.

Claims (3)

1. Leistungshalbleiterbauelement, das ein Leistungsschaltelement (11) mit zwei Hauptelektroden und einer Steuerelektrode aufweist, gekennzeichnet durch
eine Metallelektrode (17), die mit einer der Hauptelektroden des Leistungsschaltelements (11) verbunden ist; und
eine Schutzschaltung (15) zur Steuerung des Betriebs des Leistungsschaltelements (11) derart, daß ein zwischen den Hauptelektroden des Leistungsschaltelements (11) fließender Hauptstrom detektiert und der Hauptstrom begrenzt wird, wenn bestimmt worden ist, daß der detektierte Hauptstrom ein Überstrom ist;
wobei die Schutzschaltung (15) den durch das Leistungsschaltelement (11) fließenden Hauptstrom durch Detektieren einer Spannung zwischen zwei vorbestimmten Punkten der Metallelektrode (17) detektiert.
2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (17) U-förmig ist.
3. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Leistungsumwandlungsbereich (12) zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine vorbestimmte Dreiphasenspannung zum Treiben eines Motors, wobei der Leistungsumwandlungsbereich (12) Halbbrückenschaltungen aufweist, die jeweils für jede Phase vorgesehen sind und die die in Reihe geschalteten Leistungsschaltelemente (11u, 11v, 11w) aufweisen,
wobei in jeder Phase die Metallelektrode (17u, 17v, 17w) mit einer der Hauptelektroden des Leistungsschaltelements (11u, 11v, 11w) verbunden ist, das mit der unteren Seite der Halbbrücke verbunden ist.
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