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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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Die
DE 10 2005 007 373 A1 beschreibt eine Leistungshalbleiterbaugruppe mit wenigstens zwei zueinander komplementären Leistungshalbleiterbauelementen, die auf separaten Trägern angeordnet sind. Dieses Dokument beschreibt außerdem Wechselrichter, die drei solcher Leistungshalbleiterbaugruppen aufweisen.
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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 Leistungshalbleiterbauelementen 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 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 Laststreckenanschlüsse 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 aufgebracht. 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 Versorgungspotential 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 angesteuert, 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 Sperrrichtung 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 5 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 naher 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.
