DE102011086407B4 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul mit:einer ersten Stromversorgung;einer zweiten Stromversorgung;einer ersten Schaltung, die einen ersten IGBT (5a) und eine erste Diode (6a) umfasst, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind, wobei die erste Schaltung einen oberen Arm bildet;einer zweiten Schaltung, die einen zweiten IGBT (5b) und eine zweite Diode (6b) umfasst, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind, wobei die zweite Schaltung einen unteren Arm bildet;einer Zwischenschaltung, die einen ersten rückwärts sperrenden IGBT (7a) und einen zweiten rückwärts sperrenden IGBT (7b) umfasst, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind;wobei die erste Stromversorgung und die zweite Stromversorgung an einem ersten Verbindungspunkt (H) miteinander in Reihe geschaltet sind;wobei ein erstes Ende der ersten Schaltung an einem zweiten Verbindungspunkt (J) mit einer Hochpotenzialseite der ersten Stromversorgung verbunden ist;wobei ein zweites Ende der ersten Schaltung, die zweite Schaltung und die Zwischenschaltung an einem dritten Verbindungspunkt (K) mit einer Last verbunden sind;wobei die zweite Schaltung an einem vierten Verbindungspunkt (L) mit einer Niederpotenzialseite der zweiten Stromversorgung verbunden ist;einem Gehäuse (17);mit mehreren Steueranschlüssen, wobei die Steueranschlüsse (13) mit Gates des ersten IGBT (5a), des zweiten IGBT (5b), des ersten rückwärts sperrenden IGBT (7a) und des zweiten rückwärts sperrenden IGBT (7b) verbunden sind;einem Ausgangsanschluss (8, U), der den dritten Verbindungspunkt (K), einen Kollektor des ersten rückwärts sperrenden IGBT (5a) und einen Emitter des zweiten rückwärts sperrenden IGBT (5b) miteinander verbindet;einem Zwischenanschluss (9, M), der den ersten Verbindungspunkt (H), einen Emitter des ersten rückwärts sperrenden IGBT (7a) und einen Kollektor des zweiten rückwärts sperrenden IGBT (7b) miteinander verbindet;undwobei der Ausgangsanschluss (8, U) und der Zwischenanschluss einander in dem Gehäuse (17) überlappen,dadurch gekennzeichnet, dassder erste IGBT (5a) und die erste Diode (6a) an einem ersten isolierten Substrat befestigt sind;der zweite IGBT (5b) und die zweite Diode (6b) an einem zweiten isolierten Substrat befestigt sind;der erste rückwärts sperrende IGBT (7a) an einem dritten isolierten Substrat befestigt ist;der zweite rückwärts sperrende IGBT (7b) an einem vierten isolierten Substrat befestigt ist;unddas erste bis vierte isolierte Substrat das gleiche elektrische Leitermuster umfassen, das auf ihnen ausgebildet ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsableitermodul mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1. Ein solches gattungsbildendes Leistungshalbleitermodul ist beispielsweise aus der DE 198 33 491 A1 bekannt.
  • HINTERGRUND
  • 18 ist das Schaltungsdiagramm eines Dreipunkt-Wechselrichters, der unter Verwendung einer konventionellen Technik einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt.
  • Die in 18 gezeigte Schaltungskonfiguration ist in dem folgenden Patentdokument 1 offenbart. Die Gleichstromversorgungen 41 und 42 sind miteinander in Reihe geschaltet. In 18 sind das positive Elektrodenpotenzial P, das negative Elektrodenpotential N und ein Neutralpunktpotenzial M beschrieben. Wenn man die Gleichstromversorgung von einem Wechselstromversorgungssystem konfigurieren will, ist es möglich, die Gleichstromversorgung unter Verwendung eines Diodengleichrichters und eines Großkapazitäts-Elektrolytkondensators, die nicht gezeigt sind, zu konfigurieren.
  • Reihenverbindungsschaltungen von IGBTs, die jeweils einen IGBT und eine Diode einschließen, die entgegengesetzt parallel zum IGBT verbunden ist, sind für die drei Phasen zwischen dem positiven Elektrodenpotenzial P und dem negativen Elektrodenpotenzial N verbunden. Im Detail beinhaltet die Reihenverbindungsschaltung 60 für die U-Phase einen oberen Arm einschließlich des IGBT 111 und der Diode 112, die entgegengesetzt parallel zum IGBT 111 verbunden ist, und einen unteren Arm einschließlich des IGBT 113 und der Diode 114, die entgegengesetzt parallel zum IGBT 113 verbunden ist. Die Reihenverbindungsschaltung 61 für die V-Phase beinhaltet einen oberen Arm einschließlich des IGBT 121 und der Diode 122, die entgegengesetzt parallel zum IGBT 121 verbunden ist, und einen unteren Arm einschließlich des IGBT 123 und der Diode 124, die entgegengesetzt parallel zum IGBT 123 verbunden ist. Die Reihenverbindungsschaltung 62 für die V-Phase beinhaltet einen oberen Arm einschließlich des IGBT 131 und der Diode 132, die entgegengesetzt parallel zum IGBT 131 verbunden ist, und einen unteren Arm einschließlich des IGBT 133 und der Diode 134, die entgegengesetzt parallel zum IGBT 133 verbunden ist.
  • Ein AC-Schalter einschließlich einer entgegengesetzten Reihenschaltung von IGBTs, mit denen jeweils eine Diode entgegengesetzt parallel verbunden ist, ist zwischen dem Reihenverbindungspunkt der oberen und unteren Arme in der Reihenverbindung für jede Phase und dem Neutralpunktpotenzial M der Gleichstromversorgung verbunden.
  • Im Detail beinhaltet das IGBT-Modul 63 den IGBT 81 und die Diode 82, die entgegengesetzt parallel mit dem IGBT 81 verbunden ist. Das IGBT-Modul 64 beinhaltet den IGBT 83 und die Diode 84, die entgegengesetzt parallel mit dem IGBT 83 verbunden ist. Eine AC-Schaltkreis, in der der Emitter des IGBT-Moduls 63 und der Emitter des IGBT-Moduls 64 miteinander verbunden sind, ist zwischen dem Reihenverbindungspunkt in der Reihenverbindungsschaltung 60 für die U-Phase und dem Neutralpunktpotenzial M der Gleichstromversorgung verbunden.
  • Das IGBT-Modul 65 beinhaltet den IGBT 85 und die Diode 86, die entgegengesetzt parallel mit dem IGBT 85 verbunden ist. Das IGBT-Modul 66 beinhaltet den IGBT 87 und die Diode 88, die entgegengesetzt parallel mit dem IGBT 87 verbunden ist. Eine AC-Schaltkreis, in der der Emitter des IGBT-Moduls 65 und der Emitter des IGBT-Moduls 66 miteinander verbunden sind, ist zwischen dem Reihenverbindungspunkt in der Reihenverbindungsschaltung 61 für die V-Phase und dem Neutralpunktpotenzial M der Gleichstromversorgung verbunden.
  • Das IGBT-Modul 67 beinhaltet den IGBT 89 und die Diode 90, die entgegengesetzt parallel mit dem IGBT 89 verbunden ist. Das IGBT-Modul 68 beinhaltet den IGBT 91 und die Diode 92, die entgegengesetzt parallel mit dem IGBT 91 verbunden ist. Ein AC-Schaltkreis, in dem der Emitter des IGBT-Moduls 67 und der Emitter des IGBT-Moduls 68 miteinander verbunden sind, ist zwischen dem Reihenverbindungspunkt in der Reihenverbindungsschaltung 62 für die W-Phase und dem Neutralpunktpotenzial M der Gleichstromversorgung verbunden.
  • Die Reihenverbindungspunkte in den Reihenverbindungsschaltungen 60, 61 und 62 speisen AC-Ausgänge, die über Reaktoren 71, 72 und 73, die jeweils für Filter arbeiten, mit einer Last 74 verbunden sind.
  • In der in 18 gezeigten Konfiguration ist es möglich, dass die Reihenverbindungspunkte in den Reihenverbindungsschaltungen 60, 61 und 62 positives Elektrodenpotenzial P bzw. negatives Elektrodenpotenzial N bzw. Neutralpunktpotenzial M ausgeben. Daher speist die in 18 gezeigte Schaltung Dreipunkt-Wechselrichter-Ausgänge. 19 ist die Ausgangsspannungs- (Vout) -Wellenform von der in 18 gezeigten Schaltung. Im Gegensatz zum Zweipunkttyp-Wechselrichter ist der in 18 gezeigte Dreipunkt-Wechselrichter insbesondere durch die von ihm ausgegebene Wechselspannung gekennzeichnet, die drei Spannungspegel mit einigen Oberspannungskomponenten niedriger Ordnung enthält. Daher erleichtert die in 18 gezeigte Dreipunkt-Wechselrichterschaltung die Verkleinerung der Ausgangsfilter 71 bis 73.
  • Wenn der vorstehend beschriebene Dreipunkt-Wechselrichter durch die gegenwärtig verfügbaren IGBT-Module konfiguriert ist, wird ein 2-in-1-Typ-IGBT-Modul für die Reihenverbindungsschaltungen 60 bis 62 und ein 1-in-1-Typ-IGBT-Modul für die IGBT-Module 63 bis 68 verwendet.
  • 20(a) beschreibt die Stromwege in dem in 18 gezeigten Dreipunkt-Wechselrichter, die dazu gebracht werden, mit der Stromversorgung 41 zu arbeiten. 20(b) beschreibt die Stromwege in dem in 18 gezeigten Dreipunkt-Wechselrichter, die dazu gebracht werden, mit der Stromversorgung 42 zu arbeiten.
  • In 20(a) fließt ein Strom 151, der von der Hochpotenzialseite der Stromversorgung 41 eingespeist wird, über den IGBT 111 auf dem oberen Arm zur Last 74. Der Strom 151 kehrt von der Last 74 über einen V-Anschluss und Zwischenvorrichtungen 87 und 86 zur Niederpotenzialseite der Stromversorgung 41 zurück. Im Stromweg fließt der Strom 151 vom V-Anschluss zu den Zwischenvorrichtungen 87 und 86 und fließt dann von den Zwischenvorrichtungen 87 und 86 zu einem M-Anschluss.
  • Im Regenerationsbetriebsmodus fließt ein Strom 152, der von der Last 74 fließt, zur Hochpotenzialseite der Stromversorgung 41 über eine FWD 122 auf dem oberen Arm. Der Strom 152, der in die Last 74 fließt, fließt von der Niederpotenzialseite der Stromversorgung 41 zu den Zwischenvorrichtungen 81 und 84 und dann von den Zwischenvorrichtungen 81 und 84 über einen U-Anschluss in die Last 74. In diesem Fall fließt der Strom 152 vom M-Anschluss zu den Zwischenvorrichtungen 81 und 84 und fließt dann von den Zwischenvorrichtungen 81 und 84 über den U-Anschluss zur Last 74.
  • In jedem Fall fließen die Ströme 151 und 152, die durch die Zwischenvorrichtungen fließen, über die V- und U-Anschlüsse durch die mit der Last 74 verbundene Strecke.
  • In 20(b) fließt ein Strom 153, der von der Hochpotenzialseite der Stromversorgung 42 eingespeist wird, durch die Zwischenvorrichtungen 81 und 84 und den U-Anschluss zur Last 74 und kehrt über den IGBT 123 auf dem unteren Arm von der Last 74 zur Niederpotenzialseite der Stromversorgung 42 zurück. In diesem Stromweg fließt der Strom 153 vom M-Anschluss zu den Zwischenvorrichtungen 81 und 84 und fließt dann von den Zwischenvorrichtungen 81 und 84 über den U-Anschluss in die Last 74.
  • Im Regenerationsbetriebsmodus fließt ein Strom 154, der von der Last 74 fließt, über den V-Anschluss und die Zwischenvorrichtungen 87 und 86 zur Hochpotenzialseite der Stromversorgung 42. Der Strom 154, der in die Last 74 fließt, fließt von der Niederpotenzialseite der Stromversorgung 42 über die FWD 114 auf dem unteren Arm zur Last 74. In diesem Fall fließt der Strom 154 von der Last 74 über den V-Anschluss zu den Zwischenvorrichtungen 87 und 86 und fließt dann von den Zwischenvorrichtungen 87 und 86 zum M-Anschluss. In jedem Fall fließen die Ströme 153 und 154, die durch die Zwischenvorrichtungen fließen, über die V- und U-Anschlüsse durch die mit der Last 74 verbundene Strecke.
  • 21 beschreibt die Stromwege in dem in 18 gezeigten Dreipunkt-Wechselrichter, die dazu gebracht werden, mit den Stromversorgungen 41 und 42 zu arbeiten.
  • Da in diesem Fall keine der Zwischenvorrichtungen an den Vorgängen beteiligt ist, fließt kein Strom durch die Wege, die den M-Anschluss und die Last 74 über den U-Anschluss, den V-Anschluss oder den w-Anschluss verbinden.
  • Es ist notwendig, das in 18 gezeigte Leistungshalbleitermodul 300 mit Leitern zu versehen, die die Leistungsversorgungen 41 und 42 mit den IGBT-Modulen 60, 63 und 64 verbinden. Im Leistungshalbleitermodul 300 werden viele Leiter verwendet, Leiter, die komplizierte Formen haben, werden benötigt, und es werden eine große gegenseitige Induktivität und große Selbstinduktivität verursacht.
  • Um dem vorstehend beschriebenen Problem entgegenzuwirken, offenbart das folgende Patentdokument 1 die Technik, die die Verdrahtungen zwischen den IGBTs, wie in Verbindung mit dem Leistungshalbleitermodul 300 beschrieben, verkürzt, um die Selbstinduktanz zu verringern. Die im Patentdokument 1 offenbarte Technik integriert die Reihen-IGBT-Verbindungsschaltung, die mit dem positiven und negativen Elektrodenpotenzial P und N verbunden ist, und die IGBTs, welche als der Wechselstromschalter funktionieren, der zwischen dem Reihenverbindungspunkt in der Reihen-IGBT-Verbindungsschaltung und dem Neutralpotenzialpunkt M der Gleichstromversorgung verbunden ist, speisen in ein monolithisches IGBT-Modul ein.
  • Weitere Dreiphasen-Wechselrichter sind in der US 2010 / 0 039 843 A1 der US 5 801 936 A sowie der WO 01 / 031 771 A1 beschrieben.
  • [Dokumente, die den Stand der Technik beschreiben]
  • [Patentdokumente]
  • [Patentdokument 1] Ungeprüfte japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. JP 2008 - 193 779 A
  • Jedoch beschreibt das Patentdokument 1 nichts über die Technik zum Verringern der Verdrahtungsinduktivität zwischen den IGBTs im Modul.
  • Obwohl das Patentdokument 1 die Ausrichtung der Anschlüsse, die das Modul bilden, angibt, definiert das Patentdokument 1 weder die Ausrichtungsreihenfolge der Anschlüsse noch beschreibt es die Senkung der Verdrahtungsinduktivität im Modul.
  • Angesichts des Vorstehenden wäre es wünschenswert, den vorstehend beschriebenen Problemen entgegenzuwirken. Es wäre ebenfalls wünschenswert, ein Leistungshalbleitermodul mit geringen Herstellungskosten bereitzustellen, das die Verringerung der gegenseitigen Induktivität in diesem, die Verringerung der in seine Steueranschlüsse eingeführten elektromagnetischen Störgeräusche und das Anbringen externer Verdrahtungen an seinen Anschlüssen auf simple und leichte Weise vereinfacht.
  • Im Lichte des aus der DE 198 33 491 A1 bekannten Halbleitermoduls ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Modul mit einem vereinfachten Aufbau und gleichzeitig effizienter Abschirmung der einzelnen Anschlüsse bereitzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das zuvor beschriebene Problem wird mit einem Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen von An-spruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Leistungshalbleitermodul bereitgestellt, mit:
    • einer ersten Stromversorgung;
    • einer zweiten Stromversorgung;
    • einer ersten Schaltung, die einen ersten IGBT und eine erste Diode umfasst, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind, wobei die erste Schaltung einen oberen Arm bildet;
    • einer zweiten Schaltung, die einen zweiten IGBT und eine zweite Diode umfasst, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind, wobei die zweite Schaltung einen unteren Arm bildet;
    • einer Zwischenschaltung, die einen ersten rückwärts sperrenden IGBT und einen zweiten rückwärts sperrenden IGBT umfasst, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind;
    • wobei die erste Stromversorgung und die zweite Stromversorgung an einem ersten Verbindungspunkt miteinander in Reihe geschaltet sind;
    • wobei das erste Ende der ersten Schaltung an einem zweiten Verbindungspunkt mit der Hochpotenzialseite der ersten Stromversorgung verbunden ist;
    • wobei das zweite Ende der ersten Schaltung, die zweite Schaltung und die Zwischenschaltung an einem dritten Verbindungspunkt mit einer Last verbunden sind;
    • wobei die zweite Schaltung an einem vierten Verbindungspunkt mit der Niederpotenzialseite der zweiten Stromversorgung verbunden ist;
    • einem Gehäuse;
    • mit mehreren Steueranschlüssen, wobei die Steueranschlüsse mit den Gates des ersten IGBT, des zweiten IGBT, des ersten rückwärts sperrenden IGBT und des zweiten rückwärts sperrenden IGBT verbunden sind;
    • einem Ausgangsanschluss, der den dritten Verbindungspunkt, den Kollektor des ersten rückwärts sperrenden IGBT und den Emitter des zweiten rückwärts sperrenden IGBT miteinander verbindet;
    • einem Zwischenanschluss, der den ersten Verbindungspunkt, den Emitter des ersten rückwärts sperrenden IGBT und den Kollektor des zweiten rückwärts sperrenden IGBT miteinander verbindet;
    • wobei
    • der Ausgangsanschluss und der Zwischenanschluss einander in dem Gehäuse überlappen.
  • Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung beinhaltet das Leistungshalbleitermodul weiterhin:
    • einen P-Anschluss, der den ersten Verbindungspunkt, den Kollektor des ersten IGBT und die Kathode der ersten Diode miteinander verbindet;
    • einen N-Anschluss, der den vierten Verbindungspunkt, den Emitter des zweiten IGBT und die Anode der zweiten Diode miteinander verbindet;
    • einen M-Anschluss, der als Zwischenanschluss funktioniert;
    • und/oder
    • einen U-Anschluss, einen V-Anschluss oder einen W-Anschluss, die als Ausgangsanschluss funktionieren.
  • Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung beinhaltet das Leistungshalbleitermodul weiterhin
    einen P-Anschluss, der den ersten Verbindungspunkt, den Kollektor des ersten IGBT und die Kathode der ersten Diode miteinander verbindet, wobei der P-Anschluss bevorzugt einen Konnektorendabschnitt umfasst, der außerhalb des Gehäuses freiliegt;
    einen N-Anschluss, der den vierten Verbindungspunkt, den Emitter des zweiten IGBT und die Anode der zweiten Diode miteinander verbindet, wobei der N-Anschluss bevorzugt einen Konnektorendabschnitt umfasst, der außerhalb des Gehäuses freiliegt;
    einen M-Anschluss, der als Zwischenanschluss funktioniert, wobei der M-Anschluss bevorzugt einen Konnektorendabschnitt umfasst, der außerhalb des Gehäuses freiliegt; und/oder
    einen U-Anschluss, einen V-Anschluss oder einen W-Anschluss, die als Ausgangsanschluss funktionieren, wobei der Ausgangsanschluss einen Konnektorendabschnitt umfasst, der außerhalb des Gehäuses freiliegt;
    wobei
    die freigelegten Konnektorendabschnitte des P-Anschlusses, des M-Anschlusses, des N-Anschlusses und des Ausgangsanschlusses vorzugsweise in der Reihenfolge der Beschreibung weiter weg von den Steueranschlüssen angeordnet sind.
  • Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die Konnektorendabschnitte des P-Anschlusses, des M-Anschlusses, des N-Anschlusses und des Ausgangsanschlusses in der Reihenfolge der Beschreibung weiter weg von den Steueranschlüssen ausgerichtet.
  • Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung beinhaltet das Leistungshalbleitermodul weiterhin:
    • einen P-Anschluss, der den ersten Verbindungspunkt, den Kollektor des ersten IGBT und die Kathode der ersten Diode miteinander verbindet, wobei der P-Anschluss bevorzugt einen Konnektorendabschnitt umfasst, der außerhalb des Gehäuses freiliegt;
    • einen N-Anschluss, der den vierten Verbindungspunkt, den Emitter des zweiten IGBT und die Anode der zweiten Diode miteinander verbindet, wobei der N-Anschluss bevorzugt einen Konnektorendabschnitt umfasst, der außerhalb des Gehäuses freiliegt;
    • einen M-Anschluss, der als Zwischenanschluss funktioniert, wobei der M-Anschluss bevorzugt einen Konnektorendabschnitt umfasst, der außerhalb des Gehäuses freiliegt; und/oder
    • einen U-Anschluss, einen V-Anschluss oder einen W-Anschluss, die als Ausgangsanschluss funktionieren, wobei der Ausgangsanschluss bevorzugt einen Konnektorendabschnitt umfasst, der außerhalb des Gehäuses freiliegt; wobei
    • die freigelegten Konnektorendabschnitte des N-Anschlusses, des M-Anschlusses und des P-Anschlusses in der Reihenfolge der Beschreibung bevorzugt weiter weg von den Steueranschlüssen angeordnet sind;
    • wobei die freigelegten Konnektorendabschnitte des N-Anschlusses, des M-Anschlusses und des P-Anschlusses bevorzugt ausgerichtet sind;
    • und/oder
    • der freigelegte Konnektorendabschnitt des Ausgangsanschlusses bevorzugt neben dem freigelegten Konnektorendabschnitt des P-Anschlusses angeordnet ist.
  • Durch Anordnen des Ausgangsanschlusses und des M-Anschlusses derart, dass der Ausgangsanschluss und der M-Anschluss einander im Gehäuse überlappen, wird die gegenseitige Induktivität im Gehäuse verringert und daher der Dämpfungskondensator verkleinert.
  • Durch Anordnen des P-Anschlusses, des M-Anschlusses und des N-Anschlusses außerhalb des Gehäuses in der Reihenfolge der obigen Beschreibung wird die gegenseitige Induktivität der mit den Anschlüssen verbundenen externen Verbindungsschienen reduziert.
  • Indem der Ausgangsanschluss (zum Beispiel der U-Anschluss), durch den Ströme kräftig ein- und ausfließen, weiter weg als die anderen Anschlüsse von den Steueranschlüssen angeordnet wird und durch Ausrichten des P-Anschlusses, des M-Anschlusses, des N-Anschlusses und des Ausgangsanschlusses werden die den Steueranschlüssen überlagerten elektromagnetischen Störgeräusche reduziert und es wird einfacher, die externen Verbindungsschienen anzubringen.
  • Figurenliste
    • 1(a) ist die Draufsicht von oben auf ein Leistungshalbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
    • 1(b) ist die seitliche Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 2 ist die isometrische Ansicht des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform, die dessen äußere Erscheinung zeigt.
    • 3 ist eine Draufsicht von oben, die eine Kühlerplatte und isolierte Substrate zeigt, die jeweils ein auf ihnen ausgebildetes Elektroleitermuster beinhalten.
    • 4 ist eine Draufsicht von oben, die Chips zeigt, die an den Elektroleitermustern befestigt sind.
    • 5 ist eine Draufsicht von oben, die Anschlüsse zeigt, die an den Elektroleitermustern befestigt sind.
    • 6(a) ist die Draufsicht von oben auf einen U-Anschluss.
    • 6(b) ist die seitliche Draufsicht auf den U-Anschluss.
    • 6(c) ist die Draufsicht von oben auf einen M-Anschluss.
    • 6(d) ist die seitliche Draufsicht auf den M-Anschluss.
    • 7(a) ist die Draufsicht von oben auf einen P-Anschluss.
    • 7(b) ist die seitliche Draufsicht auf den P-Anschluss.
    • 7(c) ist die Draufsicht von oben auf einen N-Anschluss.
    • 7(d) ist die seitliche Draufsicht auf den N-Anschluss.
    • 8 ist die isometrische Ansicht des Leistungshalbleitermoduls, die die Verbindung externer Verbindungsschienen mit demselben beschreibt.
    • 9 ist das äquivalente Schaltungsdiagramm für eine Phase des Dreipunkt-Wechselrichters.
    • 10(a) ist die Draufsicht von oben auf das Leistungshalbleitermodul, die den Strom beschreibt, der vom U-Anschluss zum M-Anschluss fließt.
    • 10(b) ist die Draufsicht von oben auf das Leistungshalbleitermodul, die den Strom beschreibt, der vom M-Anschluss zum U-Anschluss fließt.
    • 11 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, das die Chipanordnung in 1(a) berücksichtigt.
    • 12 ist die Draufsicht von oben auf das Leistungshalbleitermodul, die die Stromwege in der Übergangszeitspanne beschreibt, in der der Vorgang vom Regenerationsmodus zur Leistungseinspeisung zum Lastmodus wechselt.
    • 13 ist die isometrische Ansicht des Leistungshalbleitermoduls, mit dem Dämpfungsschaltungen verbunden sind.
    • 14(a) ist die Draufsicht von oben auf ein Leistungshalbleitermodul gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
    • 14(b) ist die seitliche Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul gemäß der zweiten Ausführungsform.
    • 15 ist die Draufsicht von oben auf ein Gehäuse, das die Anschlussanordnung auf demselben zeigt.
    • 16 ist die Draufsicht von oben auf das Leistungshalbleitermodul gemäß der zweiten Ausführungsform, die die Stromwege in demselben beschreibt.
    • 17 ist das äquivalente Schaltungsdiagramm, das die Chipanordnung in 14(a) berücksichtigt.
    • 18 ist das Schaltungsdiagramm eines Dreipunkt-Wechselrichters, der unter Anwendung einer konventionellen Technik einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt.
    • 19 ist die Ausgangsspannungs- (Vout) -Wellenform von der in 18 gezeigten Schaltung.
    • 20(a) beschreibt die Stromwege in dem in 18 gezeigten Dreipunkt-Wechselrichter, die dazu gebracht werden, mit der Stromversorgung 41 zu arbeiten.
    • 20(b) beschreibt die Stromwege in dem in 18 gezeigten Dreipunkt-Wechselrichter, die dazu gebracht werden, mit der Stromversorgung 42 zu arbeiten.
    • 21 beschreibt die Stromwege in dem in 18 gezeigten Dreipunkt-Wechselrichter, die dazu gebracht werden, mit den Stromversorgungen 41 und 42 zu arbeiten.
    • 22(a) ist eine Draufsicht von oben auf ein isoliertes Substrat gemäß einem ersten modifizierten Beispiel.
    • 22(b) ist eine Draufsicht von oben auf ein isoliertes Substrat gemäß einem zweiten modifizierten Beispiel.
    • 22(c) ist eine Draufsicht von oben auf ein isoliertes Substrat gemäß einem dritten modifizierten Beispiel.
  • BESTE ART UND WEISE DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Nun wird die Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eingehend beschrieben, die die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen.
  • [Erste Ausführungsform]
  • 1(a) ist die Draufsicht von oben auf ein Leistungshalbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 1(b) ist die seitliche Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul gemäß der ersten Ausführungsform. In 1(b) sind zur Vereinfachung der Beschreibung Isoliergate-Bipolartransistor-Chips (nachstehend als „IGBT-Chips“ bezeichnet) und Freilaufdiodenchips (nachstehend als „FWD-Chips“ bezeichnet) nicht gezeigt.
  • 2 ist die isometrische Ansicht des Leistungshalbleitermoduls gemäß der ersten Ausführungsform, die dessen äußere Erscheinung zeigt.
  • 3 ist eine Draufsicht von oben, die eine Kühlerplatte und isolierte Substrate zeigt, die jeweils ein auf ihnen ausgebildetes Elektroleitermuster beinhalten.
  • 4 ist eine Draufsicht von oben, die Chips zeigt, die an den Elektroleitermustern befestigt sind. 5 ist eine Draufsicht von oben, die Anschlüsse zeigt, die an den Elektroleitermustern befestigt sind. 6(a) ist die Draufsicht von oben auf einen U-Anschluss. 6(b) ist die seitliche Draufsicht auf den U-Anschluss. 6(c) ist die Draufsicht von oben auf einen M-Anschluss. 6(d) ist die seitliche Draufsicht auf den M-Anschluss.
  • 7(a) ist die Draufsicht von oben auf einen P-Anschluss. 7(b) ist die seitliche Draufsicht auf den P-Anschluss. 7(c) ist die Draufsicht von oben auf einen N-Anschluss. 7(d) ist die seitliche Draufsicht auf den N-Anschluss.
  • 8 ist die isometrische Ansicht des Leistungshalbleitermoduls, die die Verbindung externer Verbindungsschienen mit demselben beschreibt.
  • Das Leistungshalbleitermodul 100 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung enthält in sich eine Dreipunkt-Wechselrichterschaltung. Nun wird der Aufbau des Halbleiterleistungsmoduls 100 nachstehend beschrieben.
  • Wie in den 1(a) bis 2 gezeigt ist, beinhaltet das Leistungshalbleitermodul 100 eine Kühlerplatte 30; isolierte Substrate 1 bis 4, die jeweils ein auf ihnen ausgebildetes Elektroleitermuster einschließen, wobei die isolierten Substrate 1 bis 4 wie Fliesen auf der Kühlerplatte 30 angeordnet und an der Kühlerplatte 30 befestigt sind; IGBT-Chips 5a, 5b, 7a und 7b, die an den isolierten Substraten 1 bis 4 befestigt sind; und U-, M-, P- und N-Anschlüsse 8, 9, 10 und 11, die mit dem isolierten Substrat 1 bis 4 elektrisch verbunden sind. Das Leistungshalbleitermodul 100 beinhaltet auch das Gehäuse 17, das fast mit einem rechteckigen Parallelepiped geformt und an der Kühlerplatte 30 so befestigt ist, dass die isolierten Substrate in ihm untergebracht sind; Konnektorendabschnitte 8a, 9a, 10a und 11a der U-, M-, P- und N-Anschlüsse 8, 9, 10 und 11, die auf einer größeren Oberfläche des Gehäuses 17 angeordnet sind; und Steueranschlüsse 13, die an einer Seitenwand des Gehäuses 17 ausgerichtet sind (vgl. 8).
  • Wie in den 1(a) und 1(b) gezeigt ist, sind vier rechteckige isolierte Substrate 1, 2, 3 und 4, die jeweils ein auf ihnen ausgebildetes Elektroleitermuster einschließen, auf der Kühlerplatte 30 angeordnet, die beispielsweise als „Kupferbasis“ bezeichnet wird. Auf jedem rechteckigen isolierten Substrat 1, 2, 3 oder 4 ist das gleiche Elektroleitermuster ausgebildet. Beispielsweise beinhaltet das isolierte Substrat 1 das Keramiksubstrat 32, die rückseitige Elektroleiterschicht 31, die auf der Rückseite des Keramiksubstrats 32 ausgebildet ist, und ein Elektroleitermuster auf der Vorderseite des Keramiksubstrats 32.
  • Das Elektroleitermuster beinhaltet die erste Elektroleiterschicht 1a, die zweite Elektroleiterschicht 1b und die dritte Elektroleiterschicht 1c. Auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben beinhaltet das isolierte Substrat 2, 3 oder 4 das Keramiksubstrat 32, die rückseitige Elektroleiterschicht 31, die auf der Rückseite des Keramiksubstrats 32 ausgebildet ist, die erste Elektroleiterschicht 2a, 3a oder 4a, die zweite Elektroleiterschicht 2b, 3b oder 4b und die dritte Elektroleiterschicht 2c, 3c oder 4. Durch Verwenden der gleichen Basisplatten auf unterschiedliche Weisen werden die Herstellungskosten des Leistungshalbleitermoduls gesenkt.
  • Vier isolierte Substrate 1, 2, 3 und 4 sind gegen den Uhrzeigersinn angeordnet, wie in 1(a) gezeigt. Der IGBT-Chip 5a und der FWD-Chip 6a sind an der ersten Elektroleiterschicht 1a auf dem isolierten Substrat 1 befestigt. Der IGBT-Chip 5b und der FWD-Chip 6b sind an der ersten Elektroleiterschicht 2a auf dem isolierten Substrat 2 befestigt. Der rückwärts sperrende IGBT-Chip 7a ist an der ersten Elektroleiterschicht 3a auf dem isolierten Substrat 3 befestigt. Der rückwärts sperrende IGBT-Chip 7b ist an der ersten Elektroleiterschicht 4a auf dem isolierten Substrat 4 befestigt.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform sind die ersten Elektroleiterschichten 1a, 2a, an denen die IGBT-Chips 5a, 5b und die FWD-Chips 6a, 6b, die die Arme bilden, befestigt sind, auf der rechten Seite der Kühlerplatte 30 in Blickrichtung angeordnet. Die ersten Elektroleiterschichten 3a und 4a, an denen die rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a und 7b, die Zwischenvorrichtungen sind, befestigt sind, sind auf der linken Seite der Kühlerplatte 30 in Blickrichtung befestigt. An den ersten Elektroleiterschichten 1a, 2a, 3a und 4a sind die Kollektoren der IGBT-Chips 5a und 5b, die Kathoden der FWD-Chips 6a und 6b und die Kollektoren der rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a und 7b befestigt.
  • Mit den zweiten Elektroleiterschichten 1b, 2b, 3b und 4b sind der Emitter des IGBT-Chips 5a und die Anode des FWD-Chips 6a, der Emitter des IGBT-Chips 5b und die Anode des FWD-Chips 6b, der Emitter des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a und der Emitter des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7 jeweils mit Drähten 19 verbunden. Mit den dritten Elektroleiterschichten 1c, 2c, 3c und 4c sind das Gate des IGBT-Chips 5a, das Gate des IGBT-Chips 5b, das Gate des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a und das Gate des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7b jeweils mit Drähten 20 befestigt.
  • Der U-Anschluss 8, der als Ausgangsanschluss der Wechselrichterschaltung arbeitet, ist mit den zweiten Elektroleiterschichten 1b und 4b und den ersten Elektroleiterschichten 2a und 3a verbunden. Der M-Anschluss 9, der als Zwischenanschluss der Wechselrichterschaltung arbeitet, ist mit der ersten Elektroleiterschicht 4a und der zweiten Elektroleiterschicht 3b verbunden. Der P-Anschluss 10 ist mit der ersten Elektroleiterschicht 1a verbunden. Der N-Anschluss 11 ist mit der zweiten Elektroleiterschicht 2b verbunden.
  • Im Leistungshalbleitermodul 100 sind der IGBT-Chip 5a und der FWD-Chip 6a entgegengesetzt parallel zueinander verbunden, um einen oberen Arm (erste Schaltung) zu bilden. Der IGBT-Chip 5b und der FWD-Chip 6b sind entgegengesetzt parallel zueinander verbunden, um einen unteren Arm (zweite Schaltung) zu bilden. Die rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a und 7b sind entgegengesetzt parallel zueinander verbunden, um einen Zwischenschalter zu bilden.
  • Die IGBT-Chips, die FWD-Chips und die Anschlüsse sind an den Elektroleitermustern durch die Verfahren, die den Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt sind, befestigt oder mit ihnen verbunden, wie etwa dem Verfahren, das ein Lötmetall verwendet, und dem Direktbondingverfahren.
  • Wie in 2 gezeigt, ist das Gehäuse 17 rund um die isolierten Substrate 1, 2, 3 und 4 angeordnet. Das Gehäuse 17 beinhaltet den Rahmen 12 und die Abdeckung 15. Die Steueranschüsse 13 stehen von der Oberseite des Gehäuses 17 entlang einer Seitenwand des Rahmens 12 vor. Die Steueranschlüsse 13 sind mit den dritten Elektroleiterschichten 1c, 2c, 3c und 4c im Gehäuse 17 über Gate-Verdrahtungsleiter 14 (einschließlich eines Hilfsemitter-Verdrahtungsleiters) verbunden, die entlang des Rahmens 12 angeordnet sind. Von der Oberseite der auf den Rahmen 12 geklebten Abdeckung 15 liegen die Endabschnitte der U-, M-, P- und N-Anschlüsse 8, 9, 10 und 11 frei.
  • Die Endabschnitte der in 1(b) gezeigten U-, M-, P- und N-Anschlüsse 8, 9, 10 und 11 werden durch die (nicht gezeigten) Löcher der Abdeckung 15 eingefügt, im rechten Winkel gebogen und an der Oberseite der Abdeckung 15 befestigt, wie in 2 gezeigt. Die Endabschnitte der U-, M-, P- und N-Anschlüsse 8, 9, 10 und 11, die im rechten Winkel gebogen sind, wie in 2 gezeigt, arbeiten als Konnektorendabschnitte 8a, 9a, 10a und 11a zum Verbinden der U-, M-, P- und N-Anschlüsse 8, 9, 10 und 11 mit den externen Leistungsversorgungen und der Last (vgl. 8).
  • Montagelöcher 16 werden durch den Rahmen 12 gebohrt und mit einem nicht gezeigten Gel gefüllt. Ein nicht gezeigter Riegel ist am Rahmen 12 befestigt. Der Riegel befestigt die Positionen der U-, M-, P- und N-Anschlüsse 8, 9, 10 und 11. Die Steueranschlüsse 13 und Gate-Verdrahtungsleiter 14 sind am Rahmen 12 befestigt.
  • Obwohl der Ausgangsanschluss als der vorstehende U-Anschluss 8 beschrieben ist, kann der Ausgangsanschluss der U-Anschluss, der V-Anschluss oder der W-Anschluss im Fall eines Dreiphasen-Wechselrichters sein. Der P-Anschluss 10 ist am positiven Elektrodenpotenzial, der N-Anschluss 11 am negativen Elektrodenpotenzial und der M-Anschluss 9 am Neutralpunktpotenzial vorgespannt. Der U-Anschluss 8 ist am U-Phasenpotenzial, der nicht gezeigte V-Anschluss am V-Phasenpotenzial und der nicht gezeigte W-Anschluss am W-Phasenpotenzial vorgespannt.
  • Nun wird der Hauptaufbau des Leistungshalbleitermoduls 100 nachstehend in Verbindung mit dessen Herstellungsschritten beschrieben.
  • Es wird nun auf 3 Bezug genommen. Es wird eine Kühlerplatte 30 hergestellt. Vier isolierte Substrate 1, 2, 3 und 4 sind auf der Kühlerplatte 30 mit einem nicht gezeigten Lötmetall befestigt. Die Elektroleitermuster auf den isolierten Substraten 1, 2, 3 und 4 bestehen aus einer Kupferfolie. In Blickrichtung nach unten ist die erste Elektroleiterschicht 1a wie der Buchstabe L, die zweite Elektroleiterschicht 1b wie der Buchstabe I und die dritte Elektroleiterschicht 1c wie der Buchstabe I geformt. Die ersten Elektroleiterschichten 2a bis 4a, die zweiten Elektroleiterschichten 2b bis 4b und die dritten Elektroleiterschichten 2c bis 4c sind auf die gleiche Weise wie vorstehend in Verbindung mit den ersten bis dritten Elektroleiterschichte 1a, 1b und 1c beschrieben geformt. Die Elektroleitermuster sind auf die gleiche Weise angeordnet. Beispielsweise ist die zweite Elektroleiterschicht 1b entlang einer Seite des Keramiksubstrats 32 ausgebildet. Die isolierten Substrate 1, 2, 3 und 4 sind so angeordnet, dass die zweiten Elektroleiterschichten 1b, 2b, 3b und 4b einander zugewandt sind.
  • Es wird nun auf 4 Bezug genommen. Der IGBT-Chip 5a und der FWD-Chip 6a sind an der ersten Elektroleiterschicht 1a auf dem isolierten Substrat 1 mit einem Lötmetall befestigt. Der IGBT-Chip 5b und der FWD-Chip 6b sind an der ersten Elektroleiterschicht 2a auf dem isolierten Substrat 2 mit einem Lötmetall befestigt. Der rückwärts sperrende IGBT-Chip 7a ist an der ersten Elektroleiterschicht 3a auf dem isolierten Substrat 3 mit einem Lötmetall befestigt. Der rückwärts sperrende IGBT-Chip 7b ist an der ersten Elektroleiterschicht 4a auf dem isolierten Substrat 4 mit einem Lötmetall befestigt. Die Befestigungen können gleichzeitig mit dem Befestigen der isolierten Substrate 1 bis 4 an der Kühlerplatte 30 durchgeführt werden.
  • Es wird nun auf 5 Bezug genommen. Die Anschlüsse sind an den jeweiligen Elektroleitermustern mit einem Lötmetall befestigt. Im Detail ist der P-Anschluss 10 an der ersten Elektroleiterschicht 1a befestigt, der M-Anschluss 9 ist an der ersten Elektroleiterschicht 4a und der zweiten Elektroleiterschicht 3b befestigt, der N-Anschluss 11 ist an der zweiten Elektroleiterschicht 2b gefestigt, der U-Anschluss 8 ist an den ersten Elektroleiterschichten 2a, 3a und zweiten Elektroleiterschichten 1b, 4b, jeweils mit einem Lötmetall, befestigt. Die Befestigungen können gleichzeitig mit dem Befestigen der isolierten Substrate 1 bis 4 und dem Befestigen der IGBT-Chips 5a, 5b, 7a und 7b ausgeführt werden. Die Befestigungen können mit einem Lötmetall, durch direktes Bonden oder durch Ultraschallbonden ausgeführt werden.
  • Die Konnektorendabschnitte 10a, 9a, 11a und 8a, die von der Abdeckung 15 des Gehäuses 17 freiliegen, um die P-, M-, N- und U-Anschlüsse 10, 9, 11 und 8 mit der Außenseite zu verbinden, sind in der Reihenfolge der obigen Beschreibung von der Seite der Steuerelektroden 13 angeordnet.
  • Es wird nun auf die 6(a) und 6(b) Bezug genommen. Der U-Anschluss 8 beinhaltet einen plattenförmigen Hauptkörperabschnitt, wobei sich der Konnektorendabschnitt 8a senkrecht zum Hauptkörperabschnitt erstreckt, sowie vier Beinabschnitte. Wenn die Beinabschnitte an den ersten Elektroleiterschichten 2a, 3a und den zweiten Elektroleiterschichten 1b, 4b befestigt sind, wie in 5 gezeigt, ist der Hauptkörperabschnitt des U-Anschlusses 8 fast parallel zu den Ebenen der isolierten Substrate 1 bis 4 angeordnet und der Konnektorendabschnitt 8a erstreckt sich fast senkrecht zu den isolierten Substraten 1 bis 4.
  • Es wird nun auf die 6(c) und 6(d) Bezug genommen. Der M-Anschluss 9 beinhaltet einen plattenförmigen Hauptkörperabschnitt, wobei sich der Konnektorendabschnitt 9a fast senkrecht zum Hauptkörperabschnitt erstreckt, sowie zwei Beinabschnitte. Wenn die Beinabschnitte des M-Anschlusses 9 an der ersten Elektroleiterschicht 4a und der zweiten Elektroleiterschicht 3b befestigt sind, wie in 5 gezeigt, ist der Hauptkörperabschnitt des M-Anschlusses 9 fast parallel zu den Ebenen der isolierten Substrate 1 bis 4 angeordnet und der Konnektorendabschnitt 9a erstreckt sich fast senkrecht zu den isolierten Substraten 1 bis 4.
  • Es wird nun auf die 7(a) und 7(b) Bezug genommen. Der P-Anschluss 10 beinhaltet einen plattenförmigen Hauptkörperabschnitt, wobei sich der Konnektorendabschnitt 10a fast senkrecht zum Hauptkörperabschnitt erstreckt, sowie einen Beinabschnitt. Der Beinabschnitt ist an der ersten Elektroleiterschicht 1a befestigt, wie in 5 gezeigt.
  • Es wird nun auf die 7(c) und 7(d) Bezug genommen. Der N-Anschluss 11 beinhaltet einen plattenförmigen Hauptkörperabschnitt, wobei sich der Konnektorendabschnitt 11a fast senkrecht zum Hauptkörperabschnitt erstreckt, sowie einen Beinabschnitt. Der Beinabschnitt ist an der zweiten Elektroleiterschicht 2b befestigt, wie in 5 gezeigt.
  • Wie vorstehend beschrieben, sind die U- und M-Anschlüsse 8 und 9 so angeordnet, dass deren Hauptkörperabschnitte sich parallel zueinander überlappen, wobei noch ein bestimmter Raum zwischen ihnen vorhanden ist. Die Konnektorendabschnitte 8a, 9a, 10a und 11a sind so angeordnet, dass die Konnektorendabschnitte 8a, 9a, 10a und 11a außerhalb des Gehäuses 17 durch die Löcher freiliegen, die in der Abdeckung 15 ausgebildet sind, wenn das Gehäuse 17 an der Kühlerplatte 30 befestigt ist.
  • Die Anschüsse werden durch Prägen und Biegen einer Kupferplatte ausgebildet. Alternativ können der Hauptkörperabschnitt, der Konnektorendabschnitt und der Beinabschnitt getrennt hergestellt und zu einer Einheit kombiniert werden. Obwohl dies in den 6(a) bis 7(d) nicht gezeigt ist, kann ein Schraubloch in den Konnektorendabschnitten 8a, 9a, 10a und 11a ausgebildet sein (vgl. 8).
  • Durch Anordnen des M-Anschlusses 9 über dem U-Anschluss 8 im Gehäuse 17, so dass der M-Anschluss 9 den U-Anschluss 8 überlappt, beinhaltet der Hauptstrom Gegenrichtungskomponenten im M- und U-Anschluss 9 und 8 und die gegenseitige Induktivität zwischen dem U-Anschluss 8 und dem M-Anschluss 9, die dazu neigen, elektromagnetische Störgeräusche stark zu verursachen, ist verringert. Daher sind die elektromagnetischen Störgeräusche verringert. Die isolierten Substrate 3 und 4, an denen die rückwärts sperrenden IGBTs 7a und 7b befestigt sind, sind Seite an Seite entlang der Innenseitenwand des Gehäuses 17 angeordnet, die der Seitenwand des Gehäuses 17 gegenüber zugewandt sind, von der sich Steuerelektroden 13 erstrecken. Durch die Anordnung ist der M-Anschluss 9 so angeordnet, dass der M-Anschluss 9 den U-Anschluss 8 kreuzt und eine Fläche sichergestellt ist, auf der sich die Anschlüsse 8 und 9 überlappen, wobei noch ein bestimmter Raum zwischen ihnen verbleibt.
  • Die Konnektorendabschnitte 8a bis 11a, die von der Abdeckung 15 freiliegen, sind in der Reihenfolge Konnektorendabschnitt 10a für den P-Anschluss 10, Konnektorendabschnitt 9a für den M-Anschluss 9, Konnektorendabschnitt 11a für den N-Anschluss 11 und Konnektorendabschnitt 8a für den U-Anschluss 8 von der Seite der Steuerelektroden 13 ausgerichtet. Wie in 1(a) gezeigt, sind die Konnektorendabschnitte 8a bis 11a in die gleiche Richtung gewandt. Alternativ können die Konnektorendabschnitte 8a bis 11a problemlos in die unterschiedlichen Richtungen gewandt sein, sofern die Konnektorendabschnitte 8a bis 11a von der Seite der Steuerelektroden 13 ausgerichtet sind, wenn die Konnektorendabschnitte 8a bis 11a auf der Abdeckung 15 gebogen sind. Als weitere Alternative können die Anschlüsse 8a bis 11a von der Abdeckung 15 vorstehen, ohne gebogen zu sein.
  • Wie in 8 gezeigt, sind die freigelegten Konnektorendabschnitte 10a, 9a und 11a jeweils mit den externen Verbindungsschienen 18a, 18b und 18c verbunden. Wenn die Konnektorendabschnitte 10a, 9a und 11a in der Reihenfolge der obigen Beschreibung ausgerichtet sind, ist es einfach, die externen Verbindungsschienen 18a, 18b und 18c an den Konnektorendabschnitten 10a, 9a und 11a anzubringen. Der freiliegende Konnektorendabschnitt 8a des U-Anschlusses 8 ist mit einer Last über die externe Verbindungsschiene 18d verbunden. Der Abstand L1 zwischen dem freiliegenden Konnektorendabschnitt 8a des U-Anschlusses 8 und den Steueranschlüssen 13 ist so eingestellt, dass er länger als die Abstände zwischen den freiliegenden Konnektorendabschnitten 10a, 9a und 11a der N-, M- und P-Anschlüsse 10, 9 und 11 und den Steueranschlüssen 13 ist. Durch die Einstellung werden die Störgeräusche, die vom U-Anschluss 8 ausgestrahlt und in die Steueranschlüsse 13 eingeleitet werden, verringert.
  • Nun wird nachstehend die Schaltung im Detail beschrieben, die ein Leistungshalbleitermodul 100 bildet. 9 ist das äquivalente Schaltungsdiagramm für eine Phase des Dreipunkt-Wechselrichters.
  • In 9 sind die Oberarmschaltung (erste Schaltung) T1, die Unterarmschaltung (zweite Schaltung) T2 und die Zwischenschaltung T3 beschrieben. Die Oberarmschaltung T1 beinhaltet den IGBT-Chip 5a und den FWD-Chip 6a. Die Unterarmschaltung T2 beinhaltet den IGBT-Chip 5b und den FWD-Chip 6b. Die Zwischenschaltung T3 beinhaltet die rückwärts sperrenden IGBTs 7a und 7b, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind.
  • In 9 sind ein erster Verbindungspunkt H, ein zweiter Verbindungspunkt J, ein dritter Verbindungspunkt K und ein vierter Verbindungspunkt L beschrieben. Am ersten Verbindungspunkt H sind die nicht gezeigten ersten und zweiten Leistungsversorgungen verbunden. Am zweiten Verbindungspunkt J sind die Hochpotenzialseite der ersten Leistungsversorgung und die erste Schaltung, die den Oberarm T1 bildet, verbunden. Am dritten Verbindungspunkt K sind das andere Ende der ersten Schaltung, die zweite Schaltung, die den Unterarm T2 bildet, die Zwischenschaltung T3 und eine nicht gezeigte Last verbunden. Am vierten Verbindungspunkt L sind die Niederpotenzialseite der zweiten Leistungsversorgung und die zweite Schaltung verbunden.
  • Der dritte Verbindungspunkt K, der Kollektor des ersten rückwärts sperrenden IGBT 7a und der Emitter des zweiten rückwärts sperrenden IGBT 7b sind an dem in den 1(a) und 1(b) gezeigten Ausgangsanschluss 8 verbunden. Der erste Verbindungspunkt H, der Emitter des ersten rückwärts sperrenden IGBT 7a und der Kollektor des zweiten rückwärts sperrenden IGBT 7b sind am Zwischenanschluss 9 verbunden.
  • Im Beharrungszustandsbetrieb fließt der Strom 110 beispielsweise von einer nicht gezeigten Leitung in den freiliegenden Konnektorendabschnitt 8a des U-Anschlusses 8. Der Strom 110 wird zum Strom III, dessen Größe die gleich wie die Größe des Stroms 110 ist, über den Verbindungspunkt K der Ober- und Unterarmschaltungen T1 und T2 und fließt zum Kollektor des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a, der eine Zwischenvorrichtung in der Zwischenschaltung T3 ist. Der Strom I11 wird zum Strom 112, dessen Größe die gleiche wie die Größe des Stroms I11 ist, und fließt vom Emitter des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a in der Zwischenschaltung T3 in den M-Anschluss 9. Der Strom 112 fließt über den freiliegenden Konnektorendabschnitt 9a des M-Anschlusses 9 zur Niederpotenzialseite der nicht gezeigten Leistungsversorgung des Dreipunkt-Wechselrichters.
  • Im Regenerationsbetrieb fließt der Strom l21 von der Niederpotenzialseite der nicht gezeigten ersten Leistungsversorgung zum Kollektor des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7b in der Zwischenschaltung T3 über den freiliegenden Konnektorendabschnitt 9a des M-Anschlusses 9. Vom Emitter des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7b in der Zwischenschaltung T3 fließt der Strom 122, dessen Größe die gleiche wie die Größe des Stroms 121 ist, zum dritten Verbindungspunkt K. Vom dritten Verbindungspunkt K fließt der Strom 120, dessen Größe die gleiche wie die Größe des Stroms 122 ist, in die Lastseite. Der Strom i20 fließt zur Hochpotenzialseite der ersten Stromversorgung des Dreiphasen-Wechselrichters über die FWD-Chips für die anderen Phasen.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist der Strom, der durch den U-Anschluss 8 im Beharrungszustandsbetrieb fließt, der Strom, der über die Last fließt, aber nicht der Strom, der über die Ober- und Unterarmschaltungen T1 und T2 fließt.
  • Nun werden die Ströme, die im Leistungshalbleitermodul 100 fließen, nachstehend beschrieben. 10(a) ist die Draufsicht von oben auf das Leistungshalbleitermodul, die den Strom beschreibt, der vom U-Anschluss zum M-Anschluss fließt. 10(b) ist die Draufsicht von oben auf das Leistungshalbleitermodul, die den Strom beschreibt, der vom M-Anschluss zum U-Anschluss fließt.
  • Wie in 10(a) beschrieben, fließt der Strom 110 vom U-Anschluss 8 zur Elektroleiterschicht 3a. Der Strom 110 wird zum Strom III, der in den Kollektor des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a in der Zwischenschaltung T3 fließt. Der Strom I11 wird zum Strom 112, der vom Emitter des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a zum M-Anschluss 9 fließt. Da der U-Anschluss 8, durch den der Strom 110 fließt, und der M-Anschluss 9, durch den der Strom 112 fließt, die Abschnitte derselben beinhalten, die einander in unmittelbarer Nähe überlappen, ist die gegenseitige Induktivität gering.
  • Wie in 10(b) beschrieben, fließt der Strom l21 vom M-Anschluss 9 zur Elektroleiterschicht 4a. Der Strom l21 wird zum Strom 122, der in den Kollektor des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7b in der Zwischenschaltung T3 fließt. Der Strom 122 wird zum Strom 120, der vom Emitter des rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7b zum U-Anschluss 8 fließt. Der M-Anschluss 9, durch den der Strom l21 fließt, und der U-Anschluss 8, durch den der Strom 120 fließt, beinhalten die Abschnitte derselben, die einander in unmittelbarer Nähe überlappen (in der vertikalen Richtung in der Papierebene in 10(b)). Da die Ströme 120 und 121 einige Komponenten haben, die vertikal, aber in die entgegengesetzte Richtung (in der Papierebene) in den überlappenden Abschnitten des M- und U-Anschlusses 9 und 8 fließen, ist die gegenseitige Induktivität etwas gering.
  • 11 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, das die Chipanordnung in 1(a) berücksichtigt. Da der U- und M-Anschluss 8 und 9 einander kreuzen und einander im Abschnitt überlappen, ist die gegenseitige Induktivität gering.
  • 12 ist die Draufsicht von oben auf das Leistungshalbleitermodul, die die Stromwege in der Übergangsperiode beschreibt, in der der Betrieb vom Regenerationsmodus zur Leistungseinspeisung in den Lastmodus wechselt.
  • In der Übergangsperiode fließt ein umgekehrter Erholungsstrom durch den FWD-Chip 6a, der leitend ist. Der umgekehrte Erholungsstrom I1 wird zum Strom I2 über die Zwischenschaltung T3 und der Strom I2 fließt zum M-Anschluss 9. In diesem Fall wird ein Stromweg vom Arm (hier der P-Anschluss 10) zum M-Anschluss 9 gebildet, wie in 12 gezeigt. Daher sind die Richtung des Stroms I1, der vom P-Anschluss 10 zur Zwischenschaltung T3 fließt, und die Richtung des Stroms I2, der von der Zwischenschaltung T3 zum M-Anschluss 9 fließt, einander entgegengesetzt. Deshalb ist die gegenseitige Induktivität während der Übergangsperiode kleiner als die gegenseitige Induktivität während des normalen Betriebsmodus. Da die Überschwingspannung, die zwischen den Kollektoren und Emittern der IGBT-Chips 5a, 5b, 7a und 7b angelegt ist, durch den umgekehrten Erholungsstrom und die Schaltungsinduktivität klein gemacht wird, ist es möglich, die Größe von Dämpfungskondensatoren 21, die die IGBT-Chips 5a, 5b, 7a und 7b schützen, zu verringern.
  • 13 ist die isometrische Ansicht des Leistungshalbleitermoduls 100, mit dem Dämpfungsschaltungen verbunden sind.
  • Die Dämpfungsschaltung ist der Dämpfungskondensator 21. Die Dämpfungskondensatoren 21 sind zwischen den P- und M-Anschlüssen 10 und 9 und zwischen den M- und N-Anschlüssen 9 und 11 geschaltet.
  • Da die gegenseitige Induktivität im Gehäuse 17 gemäß der Erfindung klein ist, ist es möglich, die Größe des Dämpfungskondensators 21 zu verringern.
  • Obwohl das Leistungshalbleitermodul gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den isolierten Substraten 1, 2, 3 und 4, die an der Kühlerplatte 30 befestigt sind, beschrieben worden ist, können die anderen Arten isolierter Substrate problemlos verwendet werden. Beispielsweise können zwei isolierte Substrate 50 oder 51, die in 22(a) oder 22(b) gezeigt sind, problemlos auf der Kühlerplatte 30 angeordnet und an ihr befestigt werden. Im isolierten Substrat 50 sind Keramiksubstrate 32 der isolierten Substrate 1 und 2 zu einer Einheit kombiniert. Im isolierten Substrat 51 sind die Keramiksubstrate 32 der isolierten Substrate 1 und 4 zu einer Einheit kombiniert. Da die Komponententeile allgemein unter Verwendung der isolierten Substrate, wie vorstehend beschrieben, verwendet werden, werden die Herstellungskosten der Leistungshalbleitermodule gesenkt. Die gleichen Wirkungen werden durch das in 22(c) gezeigte isolierte Substrat erhalten, welches vier isolierte Substrate 1, 2, 3 und 4 zu einer Einheit kombiniert und die Elektroleiterschichten auf die gleiche Weise wie in 1(a) gezeigt anordnet.
  • Durch Verwenden der drei Leistungshalbleitermodule 100 wird ein dreiphasiger Dreipunkt-Wechselrichter, wie in 18 gezeigt, konfiguriert, dessen Ausgangsanschlüsse der U-, V- und W-Anschluss sind. Durch Verwenden von zwei Leistungshalbleitermodulen 100 wird ein einphasiger Dreipunkt-Wechselrichter konfiguriert, dessen Ausgangsanschlüsse der U- und V-Anschluss sind.
  • [Zweites Ausführungsbeispiel]
  • 14(a) ist die Draufsicht von oben auf ein Leistungshalbleitermodul gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 14(b) ist die seitliche Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. 15 ist die Draufsicht von oben auf ein Gehäuse, die die Anschlussanordnung auf derselben zeigt.
  • 16 ist die Draufsicht von oben auf das Leistungshalbleitermodul gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, die die Stromwege in demselben beschreibt. 17 ist das äquivalente Schaltungsdiagramm, das die Chipanordnung in 14(a) berücksichtigt.
  • Das in den 14(a) und 14(b) gezeigte Leistungshalbleitermodul 200 ist mit dem in den 1(a) und 1(b) gezeigten Leistungshalbleitermodul 100 darin gleich, dass jenes Leistungshalbleitermodul 200 die gleichen isolierten Substrate 1, 2, 3 und 4; IGBT-Chips 5a und 5b, FWD-Chips 6a und 6b; und rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a und 7b verwendet. Das Leistungshalbleitermodul 200 unterscheidet sich von dem Leistungshalbleitermodul 100 darin, dass jener U-Anschluss 8 zur Seite des P-Anschlusses 10 und die Steueranschlüsse 13 zur Seite des N-Anschlusses 11 verschoben werden, wie in den 14(a), 14(b) und 15 beschrieben. Daher sind der N-Anschluss 11, der M-Anschluss 9 und der P-Anschluss 10 in der Reihenfolge der obigen Beschreibung von der Seite der Steuerelektroden 13 angeordnet. Der U-Anschluss 8 ist neben dem P-Anschluss 10 angeordnet. Die isolierten Substrate 3 und 4, an denen die rückwärts sperrenden IGBTs 7a und 7b befestigt sind, werden entlang der Innenseitenwand des Gehäuses 17 gegenüber dessen Seitenwand, an der die Steuerelektroden 13 befestigt sind, angeordnet.
  • Aufgrund der vorstehend beschriebenen Konfigurationen sind die Richtung des Stroms 110, der durch den U-Anschluss 8 fließt, und die Richtung des Stroms 120, der durch den U-Anschluss 8 fließt, einander entgegengesetzt, und die Richtung des Stroms 121, der durch den M-Anschluss 9 fließt, und die Richtung des Stroms 112, der durch den M-Anschluss 9 fließt, sind einander entgegengesetzt. Daher wird die gegenseitige Induktivität in dem Leistungshalbleitermodul, das in 1(a) gezeigt ist, kleiner als die gegenseitige Induktivität gemacht.
  • Wie in 15 beschrieben, ist der Abstand L2 zwischen dem freiliegenden Konnektorendabschnitt 8a des U-Anschlusses 8 und den Steuerelektroden 13 der gleiche wie der Abstand zwischen dem freiliegenden Konnektorendabschnitt 10a des P-Anschlusses 10 und den Steuerelektroden 13. Jedoch ist der Abstand L2 länger als der Abstand zwischen dem freiliegenden Konnektorendabschnitt 9a oder 11a und den Steuerelektroden 13. Daher werden die Störgeräusche, die vom U-Anschluss 8 ausgestrahlt und in die Steuerelektroden 13 eingeleitet werden, verringert.
  • Da die durch den Regenerationsbetrieb im Leistungshalbleitermodul 200 verursachten Ströme durch die ähnlichen Wege wie diejenigen in 12 fließen, ist die gegenseitige Induktivität auf die gleiche Weise wie in 12 klein.
  • Da die isolierten Substrate 3 und 4 wie vorstehend beschrieben angeordnet sind und die rückwärts sperrenden IGBT-Chips 7a und 7b auf den Elektroleitermustern auf der Seite der Steuerelektrode 13 angeordnet sind, ist es möglich, den M-Anschluss 9 zu veranlassen, den U-Anschluss 8 zu kreuzen. Daher ist es möglich, die gegenseitige Induktivität im Modul zu verringern.
  • Merkmale, Bestandteile und spezifische Einzelheiten der Aufbauten der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen, Beispiele und modifizierte Beispiele zu bilden, die für den jeweiligen Anwendungszweck optimiert sind. Soweit jene Modifikationen für einen Fachmann auf dem Gebiet leicht erkennbar sind, sollen sie der Kürze und Prägnanz der vorliegenden Beschreibung halber implizit durch die obige Beschreibung offenbart sein, ohne explizit jede mögliche Kombination anzugeben.

Claims (6)

  1. Leistungshalbleitermodul mit: einer ersten Stromversorgung; einer zweiten Stromversorgung; einer ersten Schaltung, die einen ersten IGBT (5a) und eine erste Diode (6a) umfasst, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind, wobei die erste Schaltung einen oberen Arm bildet; einer zweiten Schaltung, die einen zweiten IGBT (5b) und eine zweite Diode (6b) umfasst, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind, wobei die zweite Schaltung einen unteren Arm bildet; einer Zwischenschaltung, die einen ersten rückwärts sperrenden IGBT (7a) und einen zweiten rückwärts sperrenden IGBT (7b) umfasst, die entgegengesetzt parallel zueinander verbunden sind; wobei die erste Stromversorgung und die zweite Stromversorgung an einem ersten Verbindungspunkt (H) miteinander in Reihe geschaltet sind; wobei ein erstes Ende der ersten Schaltung an einem zweiten Verbindungspunkt (J) mit einer Hochpotenzialseite der ersten Stromversorgung verbunden ist; wobei ein zweites Ende der ersten Schaltung, die zweite Schaltung und die Zwischenschaltung an einem dritten Verbindungspunkt (K) mit einer Last verbunden sind; wobei die zweite Schaltung an einem vierten Verbindungspunkt (L) mit einer Niederpotenzialseite der zweiten Stromversorgung verbunden ist; einem Gehäuse (17); mit mehreren Steueranschlüssen, wobei die Steueranschlüsse (13) mit Gates des ersten IGBT (5a), des zweiten IGBT (5b), des ersten rückwärts sperrenden IGBT (7a) und des zweiten rückwärts sperrenden IGBT (7b) verbunden sind; einem Ausgangsanschluss (8, U), der den dritten Verbindungspunkt (K), einen Kollektor des ersten rückwärts sperrenden IGBT (5a) und einen Emitter des zweiten rückwärts sperrenden IGBT (5b) miteinander verbindet; einem Zwischenanschluss (9, M), der den ersten Verbindungspunkt (H), einen Emitter des ersten rückwärts sperrenden IGBT (7a) und einen Kollektor des zweiten rückwärts sperrenden IGBT (7b) miteinander verbindet; und wobei der Ausgangsanschluss (8, U) und der Zwischenanschluss einander in dem Gehäuse (17) überlappen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste IGBT (5a) und die erste Diode (6a) an einem ersten isolierten Substrat befestigt sind; der zweite IGBT (5b) und die zweite Diode (6b) an einem zweiten isolierten Substrat befestigt sind; der erste rückwärts sperrende IGBT (7a) an einem dritten isolierten Substrat befestigt ist; der zweite rückwärts sperrende IGBT (7b) an einem vierten isolierten Substrat befestigt ist; und das erste bis vierte isolierte Substrat das gleiche elektrische Leitermuster umfassen, das auf ihnen ausgebildet ist.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungshalbleitermodul weiterhin umfasst: einen P-Anschluss (10, P), der den zweiten Verbindungspunkt (J), einen Kollektor des ersten IGBT (5a) und eine Kathode der ersten Diode (6a) miteinander verbindet; einen N-Anschluss (11, N), der den vierten Verbindungspunkt (L), einen Emitter des zweiten IGBT (5b) und eine Anode der zweiten Diode (6b) miteinander verbindet; einen M-Anschluss (9, M), der als Zwischenanschluss funktioniert; und einen U-Anschluss, einen V-Anschluss oder einen W-Anschluss, die als Ausgangsanschluss (8, U) funktionieren.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungshalbleitermodul weiterhin umfasst: einen P-Anschluss (10, P), der den zweiten Verbindungspunkt (J), einen Kollektor des ersten IGBT (5a) und eine Kathode der ersten Diode (6a) miteinander verbindet, wobei der P-Anschluss (10, P) einen Konnektorendabschnitt (10a) umfasst, der außerhalb des Gehäuses (17) freiliegt; einen N-Anschluss (11, N), der den vierten Verbindungspunkt (L), einen Emitter des zweiten IGBT (5b) und eine Anode der zweiten Diode (6b) miteinander verbindet, wobei der N-Anschluss (11, N) einen Konnektorendabschnitt (11a) umfasst, der außerhalb des Gehäuses (17) freiliegt; einen M-Anschluss (9, M), der als Zwischenanschluss funktioniert, wobei der M-Anschluss einen Konnektorendabschnitt (9a) umfasst, der außerhalb des Gehäuses (17) freiliegt; einen U-Anschluss, einen V-Anschluss oder einen W-Anschluss, die als Ausgangsanschluss (8,U) funktionieren, wobei der Ausgangsanschluss einen Konnektorendabschnitt (8a) umfasst, der außerhalb des Gehäuses (17) freiliegt; und wobei die freigelegten Konnektorendabschnitte (8a, 9a, 10a, 11a) des P-Anschlusses, des M-Anschlusses, des N-Anschlusses und des Ausgangsanschlusses in der Reihenfolge der Beschreibung weiter weg von den Steueranschlüssen (13) angeordnet sind.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, wobei die Konnektorendabschnitte (9a, 10a, 11a) des P-Anschlusses, des M-Anschlusses, des N-Anschlusses und des Ausgangsanschlusses (8a) in der Reihenfolge der Beschreibung weiter weg von den Steueranschlüssen (13) ausgerichtet sind.
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungshalbleitermodul weiterhin umfasst: einen P-Anschluss (10, P), der den zweiten Verbindungspunkt (J), einen Kollektor des ersten IGBT (5a) und eine Kathode der ersten Diode (6a) miteinander verbindet, wobei der P-Anschluss einen Konnektorendabschnitt (10a) umfasst, der außerhalb des Gehäuses (17) freiliegt; einen N-Anschluss (11, N), der den vierten Verbindungspunkt (L), einen Emitter des zweiten IGBT (5b) und eine Anode der zweiten Diode (6b) miteinander verbindet, wobei der N-Anschluss (11, N) einen Konnektorendabschnitt (11a) umfasst, der außerhalb des Gehäuses (17) freiliegt; einen M-Anschluss (9, M), der als Zwischenanschluss funktioniert, wobei der M-Anschluss einen Konnektorendabschnitt (9a) umfasst, der außerhalb des Gehäuses (17) freiliegt; einen U-Anschluss, einen V-Anschluss oder einen W-Anschluss, die als Ausgangsanschluss (8, U) funktionieren, wobei der Ausgangsanschluss einen Konnektorendabschnitt (8a) umfasst, der außerhalb des Gehäuses (17) freiliegt; wobei die freigelegten Konnektorendabschnitte (9a, 10a, 11a) des N-Anschlusses, des M-Anschlusses und des P-Anschlusses in der Reihenfolge der Beschreibung weiter weg von den Steueranschlüssen (13) angeordnet sind; wobei die freigelegten Konnektorendabschnitte des N-Anschlusses, des M-Anschlusses und des P-Anschlusses ausgerichtet sind; und der freigelegte Konnektorendabschnitt (8a) des Ausgangsanschlusses (8, U) neben dem freigelegten Konnektorendabschnitt (9a) des P-Anschlusses (9, P) angeordnet ist.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerelektroden (13) entlang einer ersten Seitenwand des Gehäuses (17) befestigt sind; und der erste rückwärts sperrende IGBT (7a) und der zweite rückwärts sperrende IGBT (7b) an den elektrischen Leitermustern befestigt sind, die entlang der ersten Seitenwand des Gehäuses angeordnet sind, oder an den elektrischen Leitermustern befestigt sind, die entlang einer zweiten Seitenwand des Gehäuses angeordnet sind, die der ersten Seitenwand des Gehäuses zugewandt ist.
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