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Die
Erfindung Halbleiterbauelementanordnungen mit in Reihe geschalteten
vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen.
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Reihenschaltungen
vertikaler Leistungshalbleiterbauelemente können beispielsweise in Brückenschaltungen,
die wenigstens zwei Halbbrücken mit
zwei in Reihe geschalteten Leistungsbauelementen aufweisen vorhanden
sein. Solche Brückenschaltungen
können
beispielsweise als Wechselrichter bzw. Stromrichter zur Spannungsversorgung
eines Elektromotors betrieben werden.
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Wechselrichtermodule
mit drei Halbbrücken, die
jeweils zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterbauelemente
umfassen, zur Spannungsversorgung eines Elektromotors sind beispielsweise
in der
EP 1 378 941
A2 oder der
US 4 458
305 beschrieben.
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Ein
grundlegendes Problem bei der Realisierung solcher Halbleiterbauelementanordnungen
besteht darin, eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente
während
des Betriebs sicherzustellen und gleichzeitig an den Bauelementen
während
des Betriebs auftretende unterschiedliche elektrische Potentiale
sicher voneinander zu trennen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach und kostengünstig zu
realisierende Halbleiterbauelementanordnung mit in Reihe geschalteten
Leistungshalbleiterbauelementen zur Verfügung zu stellen, bei der eine
ausreichende Kühlung der
einzelnen Bauelemente gewährleistet
ist und bei der eine elektrische Isolation von Bauelementanschlüssen, an
denen während
des Betriebs unterschiedliche elektrische Potentiale anliegen, sichergestellt
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch Halbleiterbauelementanordnungen mit den Merkmalen
der Ansprüche
1, 2 oder 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Halbleiterbauelementanordnung gemäß einem Aspekt der Erfindung
umfasst wenigstens zwei Reihenschaltungen mit je einem vertikalen
Leistungshalbleiterbauelement eines ersten Leitungstyps und einem
vertikalen Leistungshalbleiterbauelement eines zweiten Leitungstyps,
wobei die Leistungshalbleiterbauelemente jeweils einen Steueranschluss und
eine Laststrecke zwischen jeweils einem ersten Laststreckenanschluss
und einem zweiten Laststreckenanschluss aufweisen und jeweils in
einem Halbleiterkörper
mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite integriert sind und
wobei die ersten Laststreckenanschlüsse der Leistungshalbleiterbauelemente an
den ersten Seiten der Halbleiterkörper und die zweiten Laststreckenanschlüsse der
Leistungshalbleiterbauelemente an den zweiten Seiten der Halbleiterkörper abgreifbar
sind. Die Halbleiterkörper
der Leistungshalbleiterbauelemente des ersten Leitungstyps sind
hierbei mit ihren ersten Seiten auf einen ersten gemeinsamen Träger aufgebracht
und die der Leistungshalbleiterbauelemente des zweiten Leitungstyps
sind mit ihren ersten Seiten auf einen zweiten gemeinsamen Träger aufgebracht,
und der erste und der zweite Träger
sind elektrisch gegeneinander isoliert.
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Der
erste und der zweite Träger
können
bei dieser Bauelementanordnung zum Anlegen von Versorgungspotentialen
zur Spannungsversorgung der Reihenschaltungen und darüber hinaus
zur Kühlung der
Leistungshalbleiterbauelemente genutzt werden. Optional kann der
Träger
auf einem Kühlkörper montiert
werden, um eine verbesserte Wärmeabfuhr
bzw. Kühlung
zu erreichen.
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Bei
einer Halbleiteranordnung, die wenigstens zwei Reihenschaltungen
mit jeweils zwei vertikalen Leistungshalbleiter bauelementen aufweist,
ist gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass die Halbleiterkörper der
Leistungshalbleiterbauelemente einer ersten der Reihenschaltungen mit
ihren ersten Seiten auf einen ersten gemeinsamen Träger aufgebracht
sind und dass die Halbleiterkörper
einer zweiten der Reihenschaltungen mit ihren ersten Seiten auf
einen zweiten gemeinsamen Träger
aufgebracht sind, wobei die Träger
elektrisch gegeneinander isoliert sind.
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Die
Halbleiterbauelementanordnung gemäß einem dritten Aspekt der
Erfindung umfasst eine Reihenschaltung mit wenigstens drei vertikalen
Leistungshalbleiterbauelementen, die wenigstens ein Paar zueinander
komplementärer
Leistungshalbleiterbauelemente umfassen, die unmittelbar aneinander
angeschlossen sind, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente jeweils
einen Steueranschluss und eine Laststrecke zwischen jeweils einem
ersten Laststreckenanschluss und einem zweiten Laststreckenanschluss
aufweisen und jeweils in einem Halbleiterkörper mit einer ersten Seite
und einer zweiten Seite integriert sind, und wobei die ersten Laststreckenanschlüsse der
Leistungshalbleiterbauelemente an den ersten Seiten der Halbleiterkörper und
die zweiten Laststreckenanschlüsse
der Leistungshalbleiterbauelemente an den zweiten Seiten der Halbleiterkörper abgreifbar
sind. Die Halbleiterkörper
des wenigstens einen Paars komplementärer Leistungshalbleiterbauelemente
sind hierbei mit ihren ersten Seiten auf einen gemeinsamen Träger aufgebracht.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
das elektrische Ersatzschaltbild einer als Wechselrichter realisierten
Halbleiterbauelementanordnung, die drei Halbbrücken mit jeweils zwei als IGBT
realisierten Leistungshalbleiterbauelementen aufweist.
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2 veranschaulicht
eine Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente der Schaltung
gemäß 1 auf
zwei separaten Trägern.
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3 zeigt
eine Abwandlung der Bauelementanordnung gemäß
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2,
bei der neben den Leistungshalbleiterbauelementen Freilaufdioden
auf den Trägern
angeordnet sind.
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4 zeigt
eine als Wechselrichter ausgebildete Halbleiterbauelementanordnung
mit drei Halbbrücken,
die jeweils zwei in Reihe geschaltete, als MOSFET ausgebildete Leistungshalbleiterbauelemente
aufweisen.
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5 zeigt
eine Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente der Schaltung
gemäß der 1 oder 4 auf
drei voneinander getrennten Trägern.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementanordnung,
bei dem die Bauelementanordnung als 3-Punkt Stromrichter realisiert
ist, in dem abwechselnd Leistungshalbleiterbauelement eines ersten Leitungstyps
und eines zweiten Leitungstyps in Reihe geschaltet sind.
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7 veranschaulicht
die Anordnung der Bauelementanordnung gemäß 6 auf zwei
getrennten Trägern.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Bauelemente und Bauelementanschlüsse mit gleicher Bedeutung.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementanordnung
ist in 1 dargestellt. Die dargestellte Bauelementanordnung
ist als Wechselrichter mit drei Halbbrückenschaltungen realisiert,
wobei die Halbbrückenschaltungen
jeweils zwischen eine Klemme für
ein erstes Versorgungspotential, bzw. positives Versorgungspotential,
V+ und eine Klemme für
ein zweites Versorgungspotential, bzw. negatives Versorgungspotential,
V– geschaltet
sind und jeweils eine Reihenschaltung eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements 1, 3, 5 eines
ersten Leitungstyps und eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements 2, 4, 6 eines
zweiten Leitungstyps aufweisen. Die vertikalen Leistungshalbleiterbauelemente
sind bei der Schaltung gemäß 1 als
IGBT realisiert, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente des ersten
Leitungstyps 1, 3, 5 als n-Kanal-IGBTs
und die Leistungshalbleiterbauelemente des zweiten Leitungstyps
in dem Beispiel als p-Kanal-IGBTs realisiert sind. Die Leistungshalbleiterbauelemente
weisen jeweils Steueranschlüsse 11, 21, 31, 41, 51, 61 sowie
erste Laststreckenanschlüsse 12, 22, 32, 42, 52, 62 und
zweite Laststreckenanschlüsse 13, 23, 33, 43, 53, 63 auf. Die
Steueranschlüsse
sind bei den in 1 dargestellten IGBTs durch
deren Gateanschlüsse,
die ersten Laststreckenanschlüsse
sind durch die Drain- bzw. Kollektoranschlüsse und die zweiten Laststreckenanschlüsse sind
durch die Source- bzw. Emitteranschlüsse der IGBTs gebildet. Laststrecken
der Leistungshalbleiterbauelemente 1-6 verlaufen
jeweils zwischen den ersten und zweiten Laststreckenanschlüssen, wobei
die zwei Leistungsbauelemente 1, 2 bzw. 3, 4 bzw. 5, 6 der
einzelnen Halbbrücken
dadurch in Reihe geschaltet sind, dass deren Laststrecken in Reihe
zwischen die Klemmen für
das erste und zweite Versorgungspotential V+, V– geschaltet sind.
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Die
den Laststrecken der Leistungshalbleiterbauelemente 1-6 gemeinsamen
Knoten der einzelnen Halbbrücken
bilden Ausgangsanschlüsse
U, V, W des Wechselrichters, an die in nicht näher dargestellter Weise eine
Last, beispielsweise ein 3-Phasen-Elektromotor anschließbar ist.
Aufgabe des in 1 dargestellten Wechselrichters
für die
Ansteuerung eines Elektromotors ist es, an den Ausgängen U,
V, W zur Ansteuerung des Motors geeignete phasenverschobene Spannungen
zu erzeugen. Die einzelnen Leistungsbauelemente 1-6 werden
hierzu in einer grundsätzlich
bekannten Weise in einer vorgegebenen zeitlichen Folge leitend und
sperrend angesteuert. Die Ansteuerung der einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente
erfolgt durch Anlegen geeigneter Ansteuerpotentiale an deren Steueranschlüsse 11, 21, 31, 41, 51, 61.
Die als High-Side-Schalter der in 1 dargestellten
Halbbrücken
verwendeten n-Kanal-IGBT
können
leitend angesteuert werden durch Anlegen eines Ansteuerpotentials,
das wenigstens um den Wert der Einsatzspannung der IGBTs größer ist
als das positive Versorgungspotential V+, während die als Low-Side-Schalter
eingesetzten p-Kanal-IGBT
leitend angesteuert werden können durch
Anlegen von Ansteuerpotentialen, die um den Wert der Einsatzspannungen
der IGBTs 2, 4, 6 geringer ist als das
untere Versorgungspotential V–.
Die als High-Side-Schalter eingesetzten IGBTs 1, 3, 5 sperren
bei Anlegen von Ansteuerpotentialen, die den Potentialen an den
Sourceanschlüssen 23, 43, 63 entsprechen,
d.h. bei Kurzschließen
der Gate- und Sourceanschlüsse.
Entsprechend sperren die als Low-Side-Schalter eingesetzten p-Kanal-IGBT durch
Anlegen von Ansteuerpotentialen, die den Potentialen an den jeweiligen
Sourceanschlüssen
entsprechen, d.h. bei Kurzschließen der Gate- und Sourceanschlüsse.
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Die
einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente 1-6 sind
Bezug nehmend auf 2 jeweils als vertikale Leistungshalbleiterbauelemente
realisiert, die jeweils in einem Halbleiterkörper 101-106 integriert
sind. Diese Halbleiterkörper
weisen jeweils eine erste Seite, die nachfolgend als Rückseite
bezeichnet wird, und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite, die
nachfolgend als Vorderseite bezeichnet wird, auf. Die zwei Laststreckenanschlüsse eines
jeden der Leistungshalbleiterbauelemente 1-6 sind
hierbei an gegenüberliegenden
Seiten der einzelnen Halbleiterkörper 101-106 abgreifbar.
In dem in 2 dargestellten Beispiel sind
die ersten Laststreckenanschlüsse 12, 22, 32, 42, 52, 62 der
Leistungshalbleiterbauelemente 1-6 an den Rückseiten
der Halbleiterkörper 101-106 und
die zweiten Laststreckenan schlösse 13, 23, 33, 43, 53, 63 und
die Steueranschlüsse 11, 21, 31, 41, 51, 61 an
den Vorderseiten der Halbleiterkörper 101-106 abgreifbar.
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Bei
der in 2 dargestellten Bauelementanordnung sind die Leistungshalbleiterbauelemente des
gleichen Leitungstyps mit deren Rückseiten jeweils auf einem
gemeinsamen Träger
aufgebracht. Die Halbleiterkörper 101-106 der
als High-Side-Schalter
der Halbbrücken
dienenden p-Kanal-IGBT sind hierbei mit deren Rückseiten auf einen ersten elektrisch
leitenden Träger 71 aufgebracht
und elektrisch leitend mit diesem ersten Träger 71 verbunden. Entsprechend
sind die Halbleiterkörper 102, 104, 106 der
als Low-Side-Schalter dienenden p-Kanal-IGBT mit deren Rückseiten
auf einen zweiten elektrisch leitenden Träger 72 aufgebracht
und elektrisch leitend mit diesem Träger verbunden. Das Befestigen
der einzelnen Halbleiterkörper 101-106 auf
den beiden Trägern 71, 72 kann
mittels herkömmlicher
Verfahren, beispielsweise mittels eines Lötverfahren oder mittels eines
Klebeverfahren unter Verwendung eines elektrisch leitenden Klebers
erfolgen.
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Die
Träger 71, 72 dienen
bei dieser Anordnung zum Anlegen der Versorgungspotentiale V+, V– an die
ersten Laststreckenanschlüsse 12, 32, 52 bzw. 22, 42, 62 der
auf dem jeweiligen Träger 71, 72 angeordneten
Leistungshalbleiterbauelemente 1, 3, 5 bzw. 2, 4, 6.
Die Träger
sind hierzu an die Klemmen für
das erste und zweite Versorgungspotential V+, V– angeschlossen, was in 2 schematisch
dargestellt ist. Die Träger 71, 72 dienen
darüber
hinaus zur Ableitung der während
des Betriebs der Leistungshalbleiterbauelemente 1-6 in
Wärme umgesetzten Verlustleistung.
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Zur
Verbesserung der Kühlung
können
die Träger 71, 72 jeweils
auf Kühlkörper 73, 74 aufgebracht
sein, was in 2 schematisch dargestellt ist. Zwischen
den Trägern 71, 72 und
den jeweiligen Kühlkörpern 73, 74 ist
hierbei in nicht näher
dargestellter Weise eine wärmeleitende
Verbindung vorhanden, die beispielsweise durch Auflöten der
Träger 71, 72 auf
die Kühlkörper 73, 74 oder
durch Verschrauben der Träger 71, 72 mit
den Kühlkörper 73, 74 erreicht
werden kann.
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Die
weitere Verschaltung der einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente 1-6 zur
Realisierung der in 1 dargestellten Schaltung ist
in 2 lediglich schematisch dargestellt. Die ersten
Laststreckenanschlüsse
je eines Leistungshalbleiterbauelements 1, 3, 5 auf
dem ersten Träger 71 und
je eines Leistungshalbleiterbauelements 2, 4, 6 auf
dem zweiten Träger 72 sind
hierbei elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden jeweils
einen der Anschlüsse
U, V, W des Wechselrichters.
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In
grundsätzlich
bekannter Weise können parallel
zu den Laststrecken der einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente
des Wechselrichters Freilaufelemente, beispielsweise in Form von
Dioden, geschaltet werden. Solche Freilaufdioden sind in 1 gestrichelt
dargestellt und mit den Bezugszeichen 91-96 bezeichnet.
Die parallel zu den Laststrecken geschalteten Freilaufdioden können in
demselben Halbleiterkörper
wie das zugehörige
Leistungsbauelement realisiert sein, wovon bei der Bauelementanordnung
gemäß 2 ausgegangen
wird.
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Bezug
nehmend auf 3 besteht auch die Möglichkeit,
die Freilaufdioden 91-96 getrennt von den Leistungsbauelementen 1-6 in
separaten Halbleiterkörpern
zu integrieren und die Halbleiterkörper mit den Dioden 91-96 zusammen
mit den Halbleiterkörpern
der IGBTs auf den jeweiligen Trägern 71, 72 anzuordnen.
Die Dioden 91-96 sind hierbei als vertikale Leistungsdioden
realisiert, deren einer Anschluss an einer ersten Seite des Halbleiterkörpers abgreifbar
ist und deren zweiter Anschluss an einer zweiten Seite, die nachfolgend
als Vorderseite bezeichnet wird, des Halbleiterkörpers abgreifbar ist. Die Halbleiterkörper mit
den Dioden 91-96 sind hierbei zusammen mit den
Leistungshalbleiterbauelementen 1-6, zu denen
sie parallel geschaltet sind, auf einem gemeinsamen Träger aufge bracht.
Die parallel zu den n-Kanal-IGBT geschalteten Dioden sind hierbei
so verschaltet, dass deren Kathoden-Anoden-Strecke parallel zu der Drain-Source-Strecke des
jeweiligen IGBT liegt, während
die parallel zu den p-Kanal-IGBT geschalteten Dioden so verschaltet sind,
dass deren Anoden-Kathoden-Strecke
parallel zu der Drain-Source-Strecke des jeweiligen IGBT liegt.
Die Träger 71, 72 bewirken
hierbei eine elektrisch leitende Verbindung der Kathoden- bzw. Anodenanschlüsse der
einzelnen Dioden mit den Drainanschlüssen der jeweils zugeordneten
IGBTs 1-6. Die Sourceanschlüsse 13, 23, 33, 43, 53, 63 der
einzelnen IGBTs sind über
externe Leitungsverbindungen mit den Anoden- bzw. Kathodenanschlüssen der jeweils
zugeordneten Freilaufdioden 91-96 verbunden, was
in 3 gestrichelt dargestellt ist.
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Die
einzelnen Träger 71, 72 – und gegebenenfalls
die Kühlkörper – sind elektrisch
gegeneinander isoliert, was in 5 schematisch
durch Isolationsschichten 81, 82 dargestellt ist,
die zwischen diesen Trägern
angeordnet sind.
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Das
zuvor erläuterte
Konzept zur Realisierung einer Bauelementanordnung mit Leistungshalbleiterbauelementen
komplementärer
Leitungstypen ist selbstverständlich
nicht auf die Verwendung von IGBTs beschränkt. Die zuvor erläuterte Schaltung kann
selbstverständlich
auch unter Verwendung von n-Kanal-MOSFET anstelle von n-Kanal-IGBT und unter
Verwendung p-Kanal-MOSFET
anstelle von p-Kanal-IGBT realisiert werden. Darüber hinaus ist das Konzept
selbstverständlich
auch auf Brückenschaltungen
mit lediglich zwei Halbbrücken
anwendbar. Eine solche Brückenschaltung
wird aus der in den 2 und 3 dargestellten
Brückenschaltung
dadurch erhalten, dass eine der Halbbrücken weggelassen wird.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
als Wechselrichter realisierten Bauelementanordnung. Der Wechselrichter
weist drei Halbbrückenschaltungen
auf, die jeweils zwischen Klemmen für das erste bzw. positive Versorgungspo tential
V+ und das zweite bzw. negative Versorgungspotential V– geschaltet
sind. Die einzelnen Halbbrückenschaltungen
weisen jeweils eine Reihenschaltung eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements
eines ersten Leitungstyps 1, 3, 5 und
eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelements eines zweiten Leitungstyps 2, 4, 6 auf.
Die Leistungshalbleiterbauelemente sind in dem in 4 dargestellten
Beispiel jeweils als MOSFET realisiert. Die Leistungsbauelemente
des ersten Leitungstyps 1, 3, 5 sind
dabei n-Kanal-MOSFET und bilden die Low-Side-Schalter der Halbbrückenschaltungen,
während
die Leistungsbauelemente des zweiten Leitungstyps p-Kanal-MOSFET
sind und die High-Side-Schalter der Halbbrückenschaltungen bilden. Die
einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente weisen jeweils Steueranschlüsse 11, 21, 31, 41, 51, 61 sowie
erste Laststreckenanschlüsse 12, 22, 32, 42, 52, 62 und
zweite Laststreckenanschlüsse 13, 23, 33, 43, 53, 63 auf.
Die Steueranschlüsse
sind bei den in 4 dargestellten MOSFET durch
deren Gateanschlüsse,
die ersten Laststreckenanschlüsse sind
durch deren Drainanschlüsse
und die zweiten Laststreckenanschlüsse sind durch deren Sourceanschlüsse gebildet.
Die einzelnen Leistungsbauelemente weisen jeweils Laststrecken auf,
die zwischen den ersten und zweiten Laststreckenanschlüssen verlaufen.
Die Leistungshalbleiterbauelemente einer Halbbrücke sind hierbei dadurch in
Reihe geschaltet, dass deren Laststrecken in Reihe zwischen die
Klemmen für
das erste und zweite Versorgungspotential V+, V– geschaltet sind.
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Jede
der Halbbrücken
weist einen Ausgang auf, der durch einen den Laststrecken der in
Reihe geschalteten Leistungshalbleiterbauelemente 1-6 gemeinsamen
Knoten gebildet ist. Die Ausgänge
der Halbbrücken
bilden dabei die Ausgänge
U, V, W des Wechselrichters, an die eine Last, beispielsweise ein 3-Phasen-Elektromotor,
anschließbar
ist. Zur Spannungsversorgung einer solchen Last werden die einzelnen
Leistungshalbleiterbauelemente des Wechselrichters in einer grundsätzlich bekannten
zeitlichen Abfolge leitend und sperrend angesteu ert, um dadurch
an den einzelnen Ausgängen
phasenverschobene Versorgungsspannungen für die Last zur Verfügung zu
stellen.
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Eine
leitende Ansteuerung der als High-Side-Schalter eingesetzten p-Kanal-MOSFET 2, 4, 6 kann
durch Anlegen von Steuerpotentialen an deren Steueranschlüssen 21, 41, 61 erfolgen,
die mindestens um den Wert der Einsatzspannung dieser p-MOSFET 2, 4, 6 unter
dem positiven Versorgungspotential V+ liegen. Eine sperrende Ansteuerung
dieser p-MOSFET 2, 4, 6 kann durch Anlegen
des positiven Versorgungspotentials an deren Steueranschlüsse 21, 41, 61 erfolgen.
Eine leitende Ansteuerung der als Low-Side-Schalter eingesetzten
n-Kanal-MOSFET 1, 3, 5 kann
durch Anlegen von Ansteuerpotentialen an deren Ansteueranschlüssen 11, 31, 51 erfolgen,
die wenigstens um den Wert der Einsatzspannung dieser n-MOSFET 1, 3, 5 oberhalb
des negativen Versorgungspotentials V– liegt. Eine sperrende Ansteuerung
der n-MOSFET 1, 3, 5 kann durch Anlegen
des negativen Versorgungspotentials V– an deren Steueranschlüsse 11, 31, 51 erfolgen.
Eine Ansteuerschaltung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die einzelnen
Leistungshalbleiterbauelemente 1-6 ist in 4 aus
Gründen
der Übersichtlichkeit nicht
dargestellt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die in 4 dargestellte.
Schaltungsanordnung selbstverständlich
auch unter Verwendung von IGBTs anstelle von MOSFETs realisiert
werden kann. Anstelle der n-MOSFET 1, 3, 5 können entsprechend
n-IGBT und anstelle der p-MOSFET 2, 4, 6 können entsprechend p-IGBT
verwendet werden. Parallel zu den Laststrecken der Leistungshalbleiterbauelemente
können – je nach
Einsatzzweck des Wechselrichters – Freilaufelemente, beispielsweise
in Form von Dioden 91-96 geschaltet sein.
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Diese
Dioden sind hierbei in Sperrrichtung zwischen die Klemme für das positive
Versorgungspotential V+ und die jeweiligen Ausgänge U, V, W des Wechselrichters
bzw. in Sperrrich tung zwischen die Ausgänge U, V, W und die Klemme
für das
negative Versorgungspotential V– geschaltet.
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Die
einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente der in 4 dargestellten
Schaltungsanordnung sind Bezug nehmend auf 5 jeweils
in einem Halbleiterkörper 101-106 integriert.
Die ersten Laststreckenanschlüsse 12, 22, 32, 42, 52, 62,
im vorliegenden Beispiel die Drainanschlüsse, sind dabei an den Rückseiten
der Halbleiterkörper 101-106 abgreifbar,
die Steueranschlüsse 11, 21, 31, 41, 51, 61 und die
zweiten Laststreckenanschlüsse 13, 23, 33, 43, 53, 63,
im vorliegenden Fall die Sourceanschlüsse, sind an den Vorderseiten
dieser Halbleiterkörper
abgreifbar. Die Halbleiterkörper
der zueinander komplementären
Leistungshalbleiterbauelemente einer Halbbrücke sind bei der in 5 dargestellten
Bauelementanordnung jeweils auf einem gemeinsamen elektrisch leitenden
Träger 71, 72, 75 angeordnet. Die
einzelnen Halbleiterkörper 101-106 sind
hierbei über
deren Rückseiten
an dem jeweiligen Träger 71, 72, 75 befestigt
und elektrisch leitend mit diesem Träger 71, 72, 75 verbunden.
Die Befestigung der einzelnen Halbleiterkörper 101-106 auf
dem Träger
erfolgt hierbei beispielsweise unter Verwendung eines Lötverfahrens
oder unter Verwendung eines Klebeverfahrens mittels eines elektrisch
leitenden Klebers.
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Die
einzelnen Träger 71, 72, 75 dienen
dazu, die ersten Laststreckenanschlüsse 12, 22 bzw. 32, 42 bzw. 52, 62 der
Leistungshalbleiterbauelemente einer Halbbrücke elektrisch leitend miteinander
zu verbinden. Die Träger 71, 72, 75 dienen
darüber
hinaus dazu, in Wärme
umgesetzte Verlustleistung von den Halbleiterkörpern 101-106 abzuführen. Zur
verbesserten Kühlung
der Halbleiterbauelemente können die
Träger 71, 72, 75 auf
Kühlkörpern 73, 74, 76 aufgebracht
und wärmeleitend
mit diesen verbunden sein.
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Die
Träger 71, 72, 75 bilden
bei der in 5 dargestellten Bauelementanordnung
die Ausgänge U,
V, W des Wechselrichters.
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Die
Spannungsversorgung der einzelnen Halbbrücken erfolgt über die
an den Vorderseiten der Halbleiterkörper 101-106 angeordneten
zweiten Laststreckenanschlüsse 13, 23, 33, 43, 53, 63.
Wie in 5 schematisch dargestellt ist, sind die zweiten Laststreckenanschlüsse 13, 33, 53 der
n-Kanal-MOSFET an die Klemme für
das negative Versorgungspotential V– und die zweiten Laststreckenanschlüsse 23, 43, 63 der
p-Kanal-MOSFET an
die Klemme für
das positive Versorgungspotential V+ angeschlossen.
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Die
einzelnen Träger 71, 72, 75 – und gegebenenfalls
die Kühlkörper – sind elektrisch
gegeneinander isoliert, was in 5 schematisch
durch Isolationsschichten 81, 82 dargestellt ist,
die zwischen diesen Trägern
angeordnet sind.
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Für die Bauelementanordnung
gemäß 5 wird
angenommen, dass eventuell vorhandene Freilaufdioden (vgl. 4)
in den Halbleiterkörpern
der Leistungshalbleiterbauelemente integrier sind. Selbstverständlich besteht
jedoch auch die Möglichkeit,
diese Freilaufdioden entsprechend der Ausführungen zur 3 in
separaten Halbleiterkörpern
zu integrieren und auf demselben Träger wie das jeweils zugeordnete
Leistungshalbleiterbauelement anzuordnen.
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Das
zuvor anhand der 4 und 5 erläuterte Konzept,
Reihenschaltungen von Leistungshalbleiterbauelementen dadurch zu
realisieren, dass vertikale Leistungshalbleiterbauelemente eines
komplementären
Leitungstyps in Reihe geschaltet werden und dass zwei komplementäre Leistungshalbleiterbauelemente
dadurch leitend miteinander verbunden werden, dass deren Halbleiterkörper auf
einen gemeinsamen elektrisch leitenden Träger aufgebracht und elektrisch
leitend mit diesem verbunden werden, ist nicht auf Bauelementanordnungen
beschränkt,
bei denen zwei Leistungshalbleiterbauelemente in Reihe geschaltet
sind, sondern kann auf Bauelementanordnungen mit einer beliebigen
Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterbauelemente angewendet
werden.
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Die
Anwendung dieses Konzepts auf Bauelementanordnungen mit mehr als
zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterbauelementen wird nachfolgend
anhand eines in 6 dargestellten 3-Punkt-Stromrichters
erläutert.
Dieser Stromrichter weist vier in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterbauelemente 110, 120, 130, 140 auf,
die in dem Beispiel als IGBT realisiert sind, deren Laststrecken
in Reihe zwischen eine Klemme für
ein positives Versorgungspotential V+ und eine Klemme für ein negatives
Versorgungspotential V– geschaltet
sind. Aufeinanderfolgend sind bei dieser Anordnung ein erster IGBT 110,
ein zweiter IGBT 120, ein dritter IGBT 130 und
ein vierter IGBT 140 zwischen die Klemmen für das positive
und das negative Versorgungspotential V+, V– geschaltet. Bei dieser Anordnung
sind abwechselnd Leistungshalbleiterbauelemente eines ersten Leitungstyps,
in dem Beispiel n-Kanal-IGBT, und Leistungshalbleiterbauelemente
eines zweiten Leitungstyps, in dem Beispiel p-Kanal-IGBT, in Reihe geschaltet.
Der erste und dritte IGBT 110, 130 sind hierbei
p-Kanal-IGBT, der zweite und vierte IGBT 120, 140 sind
hierbei n-Kanal-IGBT.
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Ein
Ausgang OUT des Stromrichters wird durch einen den Laststrecken
des dritten und vierten IGBT 130, 140 gemeinsamen
Knoten gebildet. Optional ist bei diesem Stromrichter ein erster
Kondensator 151 vorhanden, der zwischen eine den Laststrecken
des ersten und zweiten IGBT 110, 120 gemeinsamen
Knoten und einen den Laststrecken des dritten und vierten IGBT 130, 140 gemeinsamen
Knoten geschaltet ist. Ein weiterer Kondensator 152 ist
optional zwischen die Klemmen für
die Versorgungspotentiale V+, V– geschaltet.
Die Bezugszeichen 111, 121, 131, 141 bezeichnen
in 6 Steueranschlüsse
der IGBTs, an die während
des Betriebs des Stromrichters eine nicht näher dargestellte Ansteuerschaltung
angeschlossen ist, die die einzelnen IGBTs in einer zeitlich vorgegebenen
Abfolge leitend und sperrend ansteuert, um eine an die Ausgangsklemme
OUT anschließbare
Last zu versorgen.
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Die
Leistungshalbleiterbauelemente 110, 120, 130, 140 sind
jeweils als vertikale Leistungshalbleiterbauelemente realisiert
und Bezug nehmend auf 7 jeweils in einem Halbleiterkörper 201, 202, 203, 204 integriert.
Erste Laststreckenanschlüsse 112, 122, 132, 142,
die Bezug nehmend auf 6 die Drainanschlüsse der
IGBTs bilden, sind an Rückseiten
dieser Halbleiterkörper 201-204 abgreifbar, während die
Steueranschlüsse 111, 121, 131, 141 und
zweite Laststreckenanschlüsse 113, 123, 133, 143,
die Bezug nehmend auf 6 die Sourceanschlüsse der
IGBTs bilden, an Vorderseiten der Halbleiterkörper 201, 202, 203, 204 abgreifbar
sind.
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Die
Halbleiterkörper
zweier unmittelbar in Reihe geschalteter und zueinander komplementärer Leistungshalbleiterbauelemente
sind hierbei über
deren Rückseiten
auf einen elektrisch leitenden Träger 171, 172 aufgebracht
und elektrisch leitend mit diesem Träger 171, 172 verbunden.
Bei dem in 7 dargestellten Beispiel sind
die Halbleiterkörper 201, 202 des
ersten und zweiten IGBT 110, 120 über deren
Rückseiten
auf einen ersten Träger 171 und
die Halbleiterkörper 203, 204 des
zweiten und dritten IGBT 130, 140 auf einen zweiten
Träger 172 aufgebracht.
Der erste und zweite IGBT 110, 120 und der dritte
und vierte IGBT 130, 140 bilden bei dieser Anordnung
jeweils ein Paar zueinander komplementärer und unmittelbar aneinander
angeschlossener IGBT.
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Die
Träger 171, 172 dienen
dazu, die zueinander komplementären
Leistungshalbleiterbauelemente elektrisch leitend miteinander zu
verbinden und darüber
hinaus in Wärme
umgesetzte Verlustleistung abzuführen.
Optional besteht hierbei die Möglichkeit,
die Träger 171, 172 auf
Kühlkörpern 173, 174 anzuordnen.
Eine weitere Verschaltung der Leistungshalbleiterbauelemente 110, 120, 130, 140 zur
Realisierung der in 6 dargestellten Schaltungsanordnung
erfolgt über
die Vorderseiten der Halbleiterkörper 201-204,
was in 7 schematisch dargestellt ist. Die Spannungsversorgung
der Schaltungsanordnung erfolgt hierbei über die Sourceanschlüsse 113 bzw. 143 des
ersten und vierten IGBT 110, 140. Die Sourceanschlüsse 123, 133 des
zweiten und dritten IGBT sind über
die Vorderseiten der Halbleiterkörper
leitend miteinander verbunden und bilden den Ausgang OUT der Schaltungsanordnung.