DE102014202641A1

DE102014202641A1 - Halbleitermodul und Verstärkungsgleichrichterschaltung

Info

Publication number: DE102014202641A1
Application number: DE102014202641.5A
Authority: DE
Inventors: Shinji Sakai; Masahiro Kato; Tomofumi Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: CN104038083B; US9479049B2; KR101698360B1; CN104038083A; KR20140109263A; US20140247030A1; JP2014171316A; DE102014202641B4

Abstract

Ein Halbleitermodul 11 umfasst einen Spannungsgenerator 15 und einen Wärmeableitungsmechanismus, der beispielsweise aus einer isolierenden Wärmeableitungsplatte 16 und einem Kühlkörper 17 besteht. Der Spannungsgenerator 15 ist in der Lage, unter Verwendung einer eingebauten linearen Reguliererfunktion eine Leistungsquellenspannung zum Ansteuern eines Verstärkungsumsetzers 59 auf der Basis einer durch den Verstärkungsumsetzer 59 verstärkten Spannung zu erzeugen. Der Spannungsgenerator 15 ist am Wärmeableitungsmechanismus angebracht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul, das in der Lage ist, eine Leistungsquellenspannung zu erzeugen, um einen Verstärkungsumsetzer anzusteuern, und eine Verstärkungsgleichrichterschaltung mit diesem Halbleitermodul.
Ein Verstärkungsumsetzer, der üblicherweise als eine von Leistungshalbleitervorrichtungen bekannt ist, verstärkt eine Eingangsspannung auf eine gewünschte Spannung unter Verwendung eines Halbleiterschaltelements wie z. B. eines MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors) und einer Ansteuer-IC (integrierten Schaltung), die das Halbleiterschaltelement ansteuert. Im Allgemeinen wird eine Wechselspannung wie z. B. jene, die von einer Haushalts-Wechselspannungsquelle geliefert wird oder über eine Hilfswicklung angelegt wird, durch eine Gleichrichterglättungsschaltung, die aus einer Diode, einem Kondensator und dergleichen besteht, in eine Gleichspannung umgesetzt und die Gleichspannung wird zum Verstärkungsumsetzer als Leistungsquellenspannung zum Ansteuern des Verstärkungsumsetzers zugeführt, wie beispielsweise in JP 2012-74829-A und JP 2006-53803-A beschrieben.
Die Leistungsquellenspannung, die durch Gleichrichten der Wechselspannung erhalten wird und zum Verstärkungsumsetzer geliefert wird, leidet unter einem Problem wie z. B. ihrer Instabilität. Um die Leistungsquellenspannung zum Ansteuern des Verstärkungsumsetzers zu stabilisieren, kann folglich einem IC-Chip eine eingebaute lineare Reguliererfunktion gegeben werden, die in der Lage ist, eine feste Spannung auszugeben. Eine lineare Reguliererschaltung gibt jedoch im Allgemeinen Wärme ab, die durch eine Differenz zwischen einer Eingangsspannung, die in die lineare Reguliererschaltung eingegeben wird, und einer Ausgangsspannung, die aus der linearen Reguliererschaltung ausgegeben wird, erzeugt wird. Folglich wird eine größere Menge an Wärme in Reaktion auf die Erhöhung dieser Differenz abgegeben.
Dies hat es schwierig gemacht, einen IC-Chip mit einer eingebauten linearen Reguliererfunktion zu schaffen, die eine Leistungsquellenspannung von etwa 15 V, um den Verstärkungsumsetzer anzusteuern, aus einer relativ hohen Eingangsspannung von etwa 100 V oder mehr erzeugt, die beispielsweise durch Gleichrichten einer kommerziellen Wechselspannungsquelle erhalten wird, nämlich angesichts eines Problems wie z. B. einer Temperaturerhöhung, die durch Wärmeerzeugung durch die lineare Reguliererfunktion verursacht wird.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend erwähnten Probleme gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zu schaffen, die in der Lage ist, eine Temperaturerhöhung, die durch eine lineare Reguliererfunktion verursacht wird, zu unterdrücken.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Halbleitermodul nach Anspruch 1 und eine Verstärkungsgleichrichterschaltung nach Anspruch 5 gelöst.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Halbleitermodul mit einem Spannungsgenerator und einem Wärmeableitungsmechanismus gerichtet. Der Spannungsgenerator ist in der Lage, unter Verwendung einer eingebauten linearen Reguliererfunktion eine Leistungsquellenspannung zum Ansteuern eines Verstärkungsumsetzers auf der Basis einer durch den Verstärkungsumsetzer verstärkten Spannung zu erzeugen. Der Spannungsgenerator ist am Wärmeableitungsmechanismus angebracht.
Der Spannungsgenerator mit der eingebauten linearen Reguliererfunktion ist am Wärmeableitungsmechanismus angebracht, so dass eine Temperaturerhöhung, die durch die lineare Reguliererfunktion verursacht wird, unterdrückt werden kann. Ferner wird die Leistungsquellenspannung zum Ansteuern des Verstärkungsumsetzers unter Verwendung der linearen Reguliererfunktion auf der Basis der durch den Verstärkungsumsetzer verstärkten Spannung erzeugt, wodurch eine Verringerung des Leistungsverbrauchs erreicht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
1 und 2 Schaltpläne, die jeweils die Struktur eines Halbleitermoduls und jene einer Verstärkungsgleichrichterschaltung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform zeigen;
3 eine Schnittansicht, die die Struktur des Halbleitermoduls der ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
4 einen Schaltplan, der die Struktur eines Halbleitermoduls und jene einer Verstärkungsgleichrichterschaltung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
5 einen Zeitablaufplan, der die Operation des Halbleitermoduls und jene der Verstärkungsgleichrichterschaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
6 einen Schaltplan, der die Struktur eines Halbleitermoduls und jene einer Verstärkungsgleichrichterschaltung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt; und
7 einen Zeitablaufplan, der die Operation des Halbleitermoduls und jene der Verstärkungsgleichrichterschaltung der dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt.
<Erste bevorzugte Ausführungsform>
1 ist ein Schaltplan, der die Struktur eines Halbleitermoduls und jene einer Verstärkungsgleichrichterschaltung mit diesem Halbleitermodul gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie später im Einzelnen beschrieben, ist eine Verstärkungsgleichrichterschaltung 1 in der Lage, eine Gleichrichtungsfunktion zum Umsetzen einer Wechselspannung, die von einer kommerziellen Wechselspannungsquelle 2 eingegeben wird, in eine Gleichspannung und eine Verstärkungsfunktion zum Verstärken dieser Gleichspannung auszuführen. Ein Dreiphasen-Wechselrichter 3 setzt die in der Verstärkungsgleichrichterschaltung 1 verstärkte Gleichspannung in eine Wechselspannung um und gibt die resultierende Wechselspannung an einen Motor 4 unter der Steuerung einer PWM-Steuereinheit (Impulsbreitemodulations-Steuereinheit) 3a aus, wodurch der Motor 4 angetrieben wird.
Die Struktur der Verstärkungsgleichrichterschaltung 1, die für die vorstehend erwähnte Operation verantwortlich ist, wird als nächstes beschrieben. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Verstärkungsgleichrichterschaltung 1 ein Halbleitermodul 11, eine Diodenbrücke (Gleichrichterschaltung) 51, einen Induktor 52, einen Kondensator 53, eine PWM-Steuereinheit 54 und einen Kondensator 55. Obwohl die Kondensatoren 53 und 55 als in der Verstärkungsgleichrichterschaltung 1 vorgesehen beschrieben werden, können sie auch außerhalb der Verstärkungsgleichrichterschaltung 1 vorgesehen sein.
Das Halbleitermodul 11 ist mit der Diodenbrücke 51, dem Induktor 52, dem Kondensator 53, der PWM-Steuereinheit 54 und dem Kondensator 55 elektrisch verbunden. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Halbleitermodul 11 eine Diode 12, ein Halbleiterschaltelement 13, eine Ansteuer-IC (Treiber) 14 und einen Spannungsgenerator 15.
Die Diode 12 weist eine Kathode, die an einem Punkt P mit einem Ende des Kondensators 55 verbunden ist, und eine Anode, die mit einem Ende des Induktors 52 verbunden ist, auf.
Das Halbleiterschaltelement 13 weist einen Sourceanschluss, der an einem Punkt N mit dem entgegengesetzten Ende des Kondensators 55 verbunden ist, einen Drainanschluss, der mit der Anode der Diode 12 verbunden ist, und einen Gateanschluss, der mit der Ansteuer-IC 14 verbunden ist, auf. In der ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein MOSFET, der aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke wie z. B. SiC oder GaN besteht, als Halbleiterschaltelement 13 verwendet, wodurch eine höhere Durchbruchspannung, eine Größenverringerung und eine höhere Schaltgeschwindigkeit verwirklicht werden.
Die Ansteuer-IC 14 überträgt eine Spannung, die zur Ansteuer-IC 14 (hier Leistungsquellenspannung, die vom Spannungsgenerator 15 geliefert wird) geliefert wird, zum Gateanschluss des Halbleiterschaltelements 13 in Reaktion auf ein PWM-Signal (vorbestimmtes Signal), das von der PWM-Steuereinheit 54 eingegeben wird. Wenn die Ansteuer-IC 14 die Spannung vom Spannungsgenerator 15 zum Gateanschluss des Halbleiterschaltelements 13 in Reaktion auf das PWM-Signal überträgt (zuführt), ist das Halbleiterschaltelement 13 eingeschaltet. Wenn die Ansteuer-IC 14 die Spannung vom Spannungsgenerator 15 nicht zum Gateanschluss des Halbleiterschaltelements 13 in Reaktion auf das PWM-Signal überträgt (zuführt), ist das Halbleiterschaltelement 13 ausgeschaltet. Insbesondere ist die Ansteuer-IC 14 so konfiguriert, dass sie das Halbleiterschaltelement 13 in Reaktion auf das PWM-Signal ansteuert.
Die Gleichrichtungs- und Verstärkungsfunktionen der Verstärkungsgleichrichterschaltung 1 werden als nächstes vor der Beschreibung des Spannungsgenerators 15 beschrieben.
<Gleichrichtungsfunktion>
Die Diodenbrücke 51 ist mit dem Halbleitermodul 11 (hier dem Sourceanschluss des Halbleiterschaltelements 13) und dem Induktor 52 verbunden. Die Diodenbrücke 51 gibt eine Wellenform mit positiver Polarität aus, wie sie von einer von der kommerziellen Wechselspannungsquelle 2 eingegebenen Wechselspannung stammt, und setzt eine Wellenform mit negativer Polarität dieser Wechselspannung in eine Wellenform mit positiver Polarität um und gibt die resultierende Wellenform aus, wodurch die Wechselspannung in eine Gleichspannung umgesetzt wird.
<Verstärkungsfunktion>
Die Verstärkungsgleichrichterschaltung 1 umfasst einen Verstärkungsumsetzer 59, der die durch die Diodenbrücke 51 umgesetzte Gleichspannung verstärkt. Der Verstärkungsumsetzer 59 umfasst die Diode 12, das Halbleiterschaltelement 13, den Induktor 52 und den Kondensator 55.
Insbesondere fließt in Reaktion auf das Umschalten des Halbleiterschaltelements 13 von AUS auf EIN ein Gleichstrom, der sich aus der Gleichspannung von der Diodenbrücke 51 ergibt, in den Induktor 52, um Energie im Induktor 52 zu sammeln. In Reaktion auf das Umschalten des Halbleiterschaltelements 13 von EIN auf AUS wird eine Gleichspannung in Reaktion auf die im Induktor 52 gesammelte Energie im Kondensator 55 über die Diode 12 gespeichert. Wenn das Halbleiterschaltelement 13 danach wieder von AUS auf EIN umgeschaltet wird, unterdrückt die Gleichrichtungsfunktion der Diode 12 die Entladung des Kondensators 55.
Folglich wird eine Gleichspannung über den Anschlüssen des Kondensators 55 (über den Punkten P und N) jedes Mal erhöht, wenn das Halbleiterschaltelement 13 zwischen EIN und AUS umgeschaltet wird. Diese Spannungserhöhung kann auf der Basis eines Tastverhältnisses zwischen EIN und AUS des Halbleiterschaltelements 13, insbesondere eines Tastverhältnisses des PWM-Signals, gesteuert werden. Dies ermöglicht, dass der Verstärkungsumsetzer 59 die Gleichspannung, die durch die Diodenbrücke 51 umgesetzt wird, auf der Basis des Tastverhältnisses des PWM-Signals auf eine gewünschte Spannung verstärkt.
<Spannungsgenerator>
Der Spannungsgenerator 15 wird als nächstes beschrieben. Der Spannungsgenerator 15 ist in der Lage, unter Verwendung einer eingebauten linearen Reguliererfunktion eine Spannungsquellenspannung zum Ansteuern des Verstärkungsumsetzers 59 (zur Ansteuer-IC 14 zuzuführende Spannung) auf der Basis einer Spannung über den Punkten P und N, die durch den Verstärkungsumsetzer 59 verstärkt wird (nachstehend auch in einigen Fällen ”verstärkte Spannung” genannt), zu erzeugen. In der ersten bevorzugten Ausführungsform bilden der Spannungsgenerator 15 und der Kondensator 53 eine lineare Reguliererschaltung, die die Leistungsquellenspannung auf der Basis der verstärkten Spannung erzeugt.
2 zeigt die lineare Reguliererschaltung, die aus dem Spannungsgenerator 15 und dem Kondensator 53 besteht.
Der Spannungsgenerator 15 umfasst einen Widerstand 15a, mehrere Transistoren 15b, eine Zener-Diode 15c, einen Transistor 15d, einen Transistor 15e und einen Widerstand 15f. Der Punkt P, der Widerstand 15a, die Transistoren 15b, die Zener-Diode 15c und der Punkt N sind in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet. Der Transistor 15d weist einen Basisanschluss, der mit einem Knoten zwischen dem Widerstand 15a und dem Transistor 15b an der Oberseite in der Ebene der Zeichnung verbunden ist, und einen Kollektoranschluss, der mit dem Punkt P verbunden ist, auf. Der Transistor 15e ist mit dem Transistor 15d in einer Darlington-Konfiguration verbunden. Der Widerstand 15f ist zwischen den Emitteranschluss des Transistors 15e und ein Massepotential eingefügt.
Der Kondensator 53 ist mit dem Widerstand 15f und der Ansteuer-IC 14 zwischen einem Punkt 21 (Knoten zwischen dem Transistor 15e und dem Widerstand 15f) und einem Punkt N1 (Massepotential) parallel geschaltet.
Selbst wenn eine Spannung, die über die Punkte P und N zugeführt wird, in einem gewissen Grad schwankt, gibt die lineare Reguliererschaltung mit der vorstehend erwähnten Struktur eine feste Spannung, die niedriger ist als die Spannung über den Punkten P und N, an die Ansteuer-IC 14 aus, die zwischen die Punkte P1 und N1 eingefügt ist. Mit Bezug auf das Beispiel von 2 erzeugt unter der Annahme, dass die Spannung über den Punkten P und N etwa 200 V bis etwa 370 V ist, die lineare Reguliererschaltung eine feste Spannung zwischen den Punkten P1 und N1, die im Wesentlichen dieselbe wie eine Leistungsquellenspannung ist, die zur Ansteuer-IC 14 zugeführt wird (beispielsweise 15 V). In dieser Struktur wird unter der Annahme, dass die Ansteuer-IC 14 eine Impedanz von 3 kΩ aufweist, ein Gesamtverlust, der in der linearen Reguliererschaltung erzeugt wird, etwa 3,3 W.
Die lineare Reguliererschaltung gibt Wärme ab, die durch eine Differenz zwischen einer Eingangsspannung, die in die lineare Reguliererschaltung eingegeben wird, und einer Ausgangsspannung, die aus der linearen Reguliererschaltung ausgegeben wird, erzeugt wird. Dies macht es schwierig, das Halbleitermodul 11 mit einer eingebauten linearen Reguliererfunktion, insbesondere dem Spannungsgenerator 15, angesichts eines Problems wie z. B. einer Temperaturerhöhung zu schaffen. Im Gegensatz dazu ist das Halbleitermodul 11 der ersten bevorzugten Ausführungsform in der Lage, eine Temperaturerhöhung zu unterdrücken, die durch die lineare Reguliererfunktion verursacht wird.
3 ist eine Schnittansicht, die die Struktur des Halbleitermoduls der ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt. Das Halbleitermodul 11 umfasst einen Wärmeableitungsmechanismus (isolierende Wärmeableitungsplatte 16 und Kühlkörper 17), einen Metallrahmen (erster Metallrahmen 18a und zweiter Metallrahmen 18b) und eine Harzform 19 zusätzlich zur Diode 12, zum Halbleiterschaltelement 13, zur Ansteuer-IC 14 und zum Spannungsgenerator 15, die vorstehend beschrieben wurden.
Die isolierende Wärmeableitungsplatte 16 ist am Kühlkörper 17 so ausgebildet, dass sie eng mit dem Kühlkörper 17 in Kontakt steht. Der erste und der zweite Metallrahmen 18a und 18b sind an der isolierenden Wärmeableitungsplatte 16 so ausgebildet, dass sie mit der isolierenden Wärmeableitungsplatte 16 eng in Kontakt stehen. Der erste und der zweite Metallrahmen 18a und 18b bestehen beispielsweise aus Kupferrahmen. Die Diode 12 und das Halbleiterschaltelement 13 sind am ersten Metallrahmen 18a ausgebildet. Die Ansteuer-IC 14 und der Spannungsgenerator 15 sind am zweiten Metallrahmen 18b ausgebildet. Insbesondere ist in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Spannungsgenerator 15 am Wärmeableitungsmechanismus (isolierende Wärmeableitungsplatte 16 und Kühlkörper 17) angebracht.
Die Diode 12 und das Halbleiterschaltelement 13, die Ansteuer-IC 14 und der Spannungsgenerator 15 und der erste und der zweite Metallrahmen 18a und 18b (Gehäusestifte) sind über Metalldrähte (in den Zeichnungen nicht gezeigt), die beispielsweise aus Silber, Aluminium und Kupfer bestehen, geeignet miteinander verbunden. Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, sind Komponenten wie z. B. der Induktor 52 und die Kondensatoren 53 und 55 mit dem ersten und dem zweiten Metallrahmen 18a und 18b (Gehäusestifte) außerhalb der Harzform 19 verbunden.
Die Harzform 19 bedeckt die Komponenten des Halbleitermoduls 11 abgesehen von jeweiligen Anschlussabschnitten des ersten und des zweiten Metallrahmens 18a und 18b und einer Oberfläche des Kühlkörpers 17 entgegengesetzt zu einer Oberfläche davon, an der die isolierende Wärmeableitungsplatte 16 angeordnet ist. Die Harzform 19 kann beispielsweise aus einem Epoxidharz bestehen.
Ein Halbleitermodul ohne den vorstehend erwähnten Wärmeableitungsmechanismus weist einen relativ hohen Wärmewiderstand auf.
Eine Temperatur wurde unter einer Betriebsbedingung der linearen Reguliererfunktion des Spannungsgenerators 15 abgeschätzt, während ein Wärmewiderstand beispielsweise als 100°C/W angenommen wurde, und es wurde festgestellt, dass sie auf etwa 330°C zunimmt. Ein solches Halbleitermodul leidet unter einem Problem wie z. B. strengen Begrenzungen für die Temperatur der Umgebung, in der das Halbleitermodul verwendet wird, so dass es nicht mit dem Spannungsgenerator 15 darin versehen werden kann.
Im Gegensatz dazu umfasst das Halbleitermodul 11 der ersten bevorzugten Ausführungsform den vorstehend erwähnten Wärmeableitungsmechanismus, der die Verringerung eines Wärmewiderstandes ermöglicht. Eine Temperatur wurde unter einer Betriebsbedingung der linearen Reguliererfunktion des Spannungsgenerators 15 abgeschätzt, während ein Wärmewiderstand beispielsweise als 3,5°C/W angenommen wurde, und sie wurde als etwa 11,6°C festgestellt. Folglich wurde festgestellt, dass das Halbleitermodul 11 die Temperatur im Vergleich zum Halbleitermodul ohne den vorstehend erwähnten Wärmeableitungsmechanismus verringern kann.
Wie vorstehend beschrieben, ist gemäß dem Halbleitermodul 11 und der Verstärkungsgleichrichterschaltung 1 der ersten bevorzugten Ausführungsform der Spannungsgenerator 15 mit der eingebauten linearen Reguliererfunktion am Wärmeableitungsmechanismus angebracht. Dies kann eine Temperaturerhöhung, die durch die lineare Reguliererfunktion verursacht wird, unterdrücken. Ferner wird eine Leistungsquellenspannung zum Ansteuern des Verstärkungsumsetzers 59 unter Verwendung der linearen Reguliererfunktion auf der Basis einer Spannung, die durch den Verstärkungsumsetzer 59 verstärkt wird, erzeugt, wodurch eine Verringerung des Leistungsverbrauchs (von außen zuzuführende Leistung) ermöglicht wird.
<Zweite bevorzugte Ausführungsform>
4 ist ein Schaltplan, der die Struktur eines Halbleitermoduls und jene einer Verstärkungsgleichrichterschaltung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Komponenten des Halbleitermoduls und jene der Verstärkungsgleichrichterschaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform, die dieselben oder ähnlich wie die in der ersten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen sind, sind durch dieselben Bezugszeichen identifiziert und Unterschiede zur ersten bevorzugten Ausführungsform werden hauptsächlich nachstehend beschrieben.
4 zeigt ein spezifisches Schaltungsbeispiel der Ansteuer-IC 14 und eine Spannungsversorgung 20 und ein Kondensator 56 sind in 4 hinzugefügt. Obwohl der Kondensator 56 als außerhalb der Spannungsversorgung 20 vorgesehen beschrieben wird, kann er auch in der Spannungsversorgung 20 vorgesehen sein.
Die in 4 gezeigte Ansteuer-IC 14 umfasst ein Halbleiterschaltelement 14a und ein Halbleiterschaltelement 14b. Die Spannungsversorgung 20 umfasst eine Diode 20a, einen Widerstand 20b, eine Zener-Diode 20c und ein Halbleiterschaltelement 20d. Das Halbleiterschaltelement 14a besteht aus einem MOSFET vom P-Typ und die Halbleiterschaltelemente 14b und 20d bestehen jeweils aus einem MOSFET vom N-Typ.
Der Punkt P1, die Halbleiterschaltelemente 14a und 14b, die Diode 20a und der Punkt N1 sind in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet. Ein Knoten zwischen den jeweiligen Drainanschlüssen der Halbleiterschaltelemente 14a und 14b ist mit dem Gateanschluss des Halbleiterschaltelements 13 verbunden. Die jeweiligen Gateanschlüsse der Halbleiterschaltelemente 14a und 14b empfangen ein PWM-Signal, das von der PWM-Steuereinheit 54 gegeben wird. Die Diode 20a weist eine Anode, die mit dem Sourceanschluss des Halbleiterschaltelements 14b verbunden ist, und eine Kathode, die mit dem Punkt N1 verbunden ist, auf.
Der Sourceanschluss des Halbleiterschaltelements 14a, der Widerstand 20b, der Kondensator 56 und der Sourceanschluss des Halbleiterschaltelements 14b sind in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet. Die Zener-Diode 20c weist eine Kathode, die mit einem Knoten zwischen dem Widerstand 20b und dem Kondensator 56. verbunden ist, und eine Anode, die mit der Kathode der Diode 20a verbunden ist, auf. Das Halbleiterschaltelement 20d weist einen Gateanschluss, der mit den jeweiligen Gateanschlüssen der Halbleiterschaltelemente 14a und 14b verbunden ist, einen Drainanschluss, der mit der Kathode der Zener-Diode 20c verbunden ist, und einen Sourceanschluss, der mit der Anode der Zener-Diode 20c verbunden ist, auf.
5 ist ein Zeitablaufplan, der Operationen im Halbleitermodul und in der Verstärkungsgleichrichterschaltung der vorstehend erwähnten Strukturen der zweiten bevorzugten Ausführungsform während des Umschaltens zwischen EIN und AUS des Halbleiterschaltelements 13 zeigt. Symbole A, B, C und D von 5 entsprechen den Punkten A, B, C bzw. D von 4.
Ein Steuersignal (PWM-Signal von der PWM-Steuereinheit 54) zum Ein- oder Ausschalten des Halbleiterschaltelements 13 wird an den Punkt A angelegt.
Zum Zeitpunkt des Einschaltens wird ein Potential am Punkt A von H auf L umgeschaltet. In Reaktion wird das Halbleiterschaltelement 14a eingeschaltet (aktiv), wohingegen die Halbleiterschaltelemente 14b und 20d ausgeschaltet (passiv) werden. Folglich wird ein Potential am Punkt D dasselbe wie eine Leistungsquellenspannung (beispielsweise 15 V), die vom Spannungsgenerator 15 zugeführt wird, wodurch das Halbleiterschaltelement 13 eingeschaltet wird. Ferner fließt ein Strom vom Spannungsgenerator 15 in den Widerstand 20b und die Zener-Diode 20c. In Reaktion wird ein Potential am Punkt B durch eine Spannung VF (beispielsweise 5 V) der Zener-Diode 20c erhöht und eine elektrische Ladung, die dieser Spannung (beispielsweise 5 V) entspricht, wird im Kondensator 56 gespeichert.
Zum Zeitpunkt des Ausschaltens wird das Potential am Punkt A von L auf H umgeschaltet. In Reaktion wird das Halbleiterschaltelement 14a ausgeschaltet (passiv), wohingegen die Halbleiterschaltelemente 14b und 20d eingeschaltet (aktiv) werden. Folglich wird das Potential am Punkt B dasselbe wie ein Potential am Punkt N (hier 0 V) und die jeweiligen Potentiale an den Punkten C und D werden auch im Wesentlichen dieselben wie das Potential am Punkt N, wodurch das Halbleiterschaltelement 13 ausgeschaltet wird. Unterdessen wird infolge der Funktion des Ladungspumpsystems unter Verwendung der Spannung des Kondensators 56 das Potential am Punkt C im Vergleich zum Potential am Punkt N durch eine Spannung (beispielsweise 5 V), die im Kondensator 56 gespeichert ist, auf einen negativen Wert verringert. Das Potential am Punkt D wird aus demselben Grund auch um dasselbe Ausmaß auf einen negativen Wert verringert.
Wie vorstehend beschrieben, ist in der zweiten bevorzugten Ausführungsform die Spannungsversorgung 20 in der Lage, eine negative Vorspannung zum Halbleiterschaltelement 13 während einer Nicht-Übertragungs-Periode (vorbestimmte Periode) zuzuführen, in der die Ansteuer-IC 14 keine Leistungsquellenspannung der Ansteuer-IC 14 zum Halbleiterschaltelement 13 überträgt. Dies verhindert, dass eine an den Gateanschluss des Halbleiterschaltelements 13 angelegte Spannung eine Schwellenspannung übersteigt, selbst wenn dieser Gateanschluss ein großes Rauschen und dergleichen empfängt, während das Halbleiterschaltelement 13 ausgeschaltet ist. Insbesondere wird die Rauschtoleranz des Halbleiterschaltelements 13 verbessert, um eine stabile Schaltsteuerung zu verwirklichen.
Dies funktioniert effektiv, insbesondere wenn das Halbleiterschaltelement 13 aus einem Element mit einer relativ niedrigen Schwellenspannung wie z. B. einem MOSFET besteht, der aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke wie z. B. SiC oder GaN besteht.
<Dritte bevorzugte Ausführungsform>
6 ist ein Schaltplan, der die Struktur eines Halbleitermoduls und jene einer Verstärkungsgleichrichterschaltung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Komponenten des Halbleitermoduls und jene der Verstärkungsgleichrichterschaltung der dritten bevorzugten Ausführungsform, die dieselben oder ähnlich wie die in der zweiten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen sind, sind mit denselben Bezugszeichen identifiziert und nachstehend werden hauptsächlich Unterschiede gegenüber der zweiten bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
In der vorstehend erwähnten zweiten bevorzugten Ausführungsform (4) wird das PWM-Signal in den Gateanschluss des Halbleiterschaltelements 20d eingegeben und die Zeitsteuerung des Umschaltens des Halbleiterschaltelements 13 auf die Nicht-Übertragungs-Periode (AUS-Periode) ist synchron mit der Zeitsteuerung des Umschaltens des Halbleiterschaltelements 20d auf die EIN-Periode.
In der dritten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spannungsversorgung 20 zusätzlich einen Signaloszillator 20e. Der Signaloszillator 20e ist so konfiguriert, dass er ein Rechteckwellensignal in den Gateanschluss des Halbleiterschaltelements 20d eingibt. Dieses Rechteckwellensignal macht die Zeitsteuerung des Umschaltens des Halbleiterschaltelements 13 auf die AUS-Periode (Nicht-Übertragungs-Periode) mit der Zeitsteuerung des Umschaltens des Halbleiterschaltelements 20d auf die EIN-Periode asynchron.
7 ist ein Zeitablaufdiagramm, das Operationen im Halbleitermodul und in der Verstärkungsgleichrichterschaltung der vorstehend erwähnten Strukturen der dritten bevorzugten Ausführungsform während des Umschaltens zwischen EIN und AUS des Halbleiterschaltelements 13 zeigt. Symbole A, B, C und D in 7 entsprechen den Punkten A, B, C bzw. D von 6.
In der dritten bevorzugten Ausführungsform gibt der Signaloszillator 20e zum Zeitpunkt 11 vor dem Zeitpunkt T2, wenn ein Potential am Punkt A von L auf H umgeschaltet wird, ein Rechteckwellensignal, das von L auf H umschaltet, in das Halbleiterschaltelement ein. Zum Zeitpunkt T4 nach dem Zeitpunkt T3, wenn das Potential am Punkt A von H auf L umgeschaltet wird, gibt der Signaloszillator 20e ferner ein Rechteckwellensignal, das von H auf L umschaltet, in das Halbleiterschaltelement 20d ein. Die Operation des Halbleitermoduls und jene der Verstärkungsgleichrichterschaltung der dritten bevorzugten Ausführungsform zu jedem der Zeitpunkte T1 bis T4 werden als nächstes im Einzelnen beschrieben.
Zum Zeitpunkt T1 wird das Potential am Punkt A auf L gehalten. Folglich werden die Halbleiterschaltelemente 14a und 14b eingeschaltet bzw. ausgeschaltet gehalten. Unterdessen wird der Gateanschluss des Halbleiterschaltelements 20d von L auf H umgeschaltet, wodurch das Halbleiterschaltelement 20d von AUS auf EIN umgeschaltet wird. Dies veranlasst, dass ein Potential am Punkt B dasselbe wie ein Potential am Punkt N wird, und verringert ein Potential am Punkt C im Vergleich zum Potential am Punkt N auf einen negativen Wert durch eine Spannung (beispielsweise 5 V), die im Kondensator 56 gespeichert ist, infolge der Funktion eines Ladungspumpsystems. Unterdessen sind die Halbleiterschaltelement 14a und 14b eingeschaltet bzw. ausgeschaltet. Folglich wird ein Potential am Punkt D nicht auf dem Potential des Punkts C gehalten, sondern auf einer Leistungsquellenspannung (beispielsweise 15 V), die vom Spannungsgenerator 15 zugeführt wird, so dass das Halbleiterschaltelement 13 eingeschaltet gehalten wird.
Zum Zeitpunkt T2 wird das Potential am Punkt A von L auf H umgeschaltet. Dies schaltet die Halbleiterschaltelemente 14a und 14b von EIN auf AUS bzw. von AUS auf EIN um. Folglich weicht das Potential am Punkt D von der vorstehend erwähnten Leistungsquellenspannung ab und wird dasselbe wie das Potential am Punkt C, wodurch das Halbleiterschaltelement 13 ausgeschaltet wird.
Zum Zeitpunkt T3 wird das Potential am Punkt A von H auf L umgeschaltet. Dies schaltet die Halbleiterschaltelemente 14a und 14b von AUS auf EIN bzw. von EIN auf AUS um. Folglich weicht das Potential am Punkt D vom Potential am Punkt C ab und wird dieselbe wie die vorstehend erwähnte Leistungsquellenspannung, wodurch das Halbleiterschaltelement 13 eingeschaltet wird.
Zum Zeitpunkt T4 wird das Potential am Punkt A auf L gehalten, so dass die Halbleiterschaltelemente 14a und 14b eingeschaltet bzw. ausgeschaltet gehalten werden. Unterdessen wird der Gateanschluss des Halbleiterschaltelements 20d von H auf L umgeschaltet, wodurch das Halbleiterschaltelement 20d von EIN auf AUS umgeschaltet wird. Dann fließt ein Strom vom Spannungsgenerator 15 in den Widerstand 20b und in die Zener-Diode 20c. In Reaktion wird das Potential am Knoten B durch eine Spannung VF (beispielsweise 5 V) der Zener-Diode 20c erhöht und elektrische Ladung, die dieser Spannung (beispielsweise 5 V) entspricht, wird im Kondensator 56 gespeichert. Gleichzeitig wird das Potential am Punkt C 0 V.
Gemäß dem Halbleitermodul 11 und der Verstärkungsgleichrichterschaltung 1 der vorstehend beschriebenen dritten bevorzugten Ausführungsform kann eine negative Vorspannung zum Halbleiterschaltelement 13 während einer Periode zwischen den Zeitpunkten T1 und T4 geliefert werden, die länger ist als eine Nicht-Übertragungs-Periode zwischen den Zeitpunkten T2 und T3, in der eine Leistungsquellenspannung nicht von der Ansteuer-IC 14 zum Halbleiterschaltelement 13 übertragen wird. Dies macht es möglich, eine negative Vorspannung ohne Verzögerung in der Nicht-Übertragungs-Periode zwischen den Zeitpunkten T2 und T3 (AUS-Periode des Halbleiterschaltelements 13) zu liefern, was eine stabile Schaltsteuerung zuverlässig verwirklicht.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können frei kombiniert werden und jede der bevorzugten Ausführungsformen kann gegebenenfalls modifiziert oder weggelassen werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-74829- A [0002]
JP 2006-53803- A [0002]

Claims

Halbleitermodul (11), das Folgendes umfasst: einen Spannungsgenerator (15), der in der Lage ist, unter Verwendung einer eingebauten linearen Reguliererfunktion eine Leistungsquellenspannung zum Ansteuern eines Verstärkungsumsetzers (59) auf der Basis einer durch den Verstärkungsumsetzer verstärkten Spannung zu erzeugen, und einen Wärmeableitungsmechanismus (16, 17), an dem der Spannungsgenerator angebracht ist.
Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Folgendes umfasst: ein Halbleiterschaltelement (13), das ein Teil des Verstärkungsumsetzers ist; einen Treiber (14), der das Halbleiterschaltelement durch Übertragen der Leistungsquellenspannung zum Halbleiterschaltelement in Reaktion auf ein vorbestimmtes Signal ansteuert; und eine Spannungsversorgung (20), die in der Lage ist, eine negative Vorspannung zum Halbleiterschaltelement während einer vorbestimmten Periode, einschließlich einer Nicht-Übertragungs-Periode, zu liefern, in der der Treiber die Leistungsquellenspannung nicht zum Halbleiterschaltelement überträgt.
Halbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Periode länger ist als die Nicht-Übertragungs-Periode.
Halbleitermodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterschaltelement aus einem Material, einschließlich eines Halbleiters mit breiter Bandlücke, besteht.
Verstärkungsgleichrichterschaltung (1), die Folgendes umfasst: das Halbleitermodul (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3; einen Induktor (52), der ein Teil des Verstärkungsumsetzers ist; und eine Gleichrichterschaltung (51), die mit dem Halbleitermodul und dem Induktor verbunden ist.