DE102020132919B4 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Halbleitervorrichtung, aufweisend:eine Inverter-Sektion (11), die ein Vollbrücken-Inverter ist; undeine Rückfluss-Sektion (12), die zwischen Ausgangsanschlüssen (U, V) der Inverter-Sektion (11) kurzschließt, wobeijede der Phasen der Inverter-Sektion (11)ein erstes Schaltelement (21 bis 24) undeine Freilaufdiode (31 bis 34) umfasst, die mit dem ersten Schaltelement (21 bis 24) antiparallel verbunden ist,die Rückfluss-Sektion (12) zwei serielle Verbindungskörper aus zweiten Schaltelementen (25, 26) und Dioden (35, 36) enthält,die beiden seriellen Verbindungskörper zwischen die Ausgangsanschlüsse (U, V) so parallelgeschaltet sind, dass deren Leitungsrichtungen einander entgegengesetzt sind,eine Impedanz (51, 52) zwischen je einer der Freilaufdioden (31, 32) eines oberen Arms und den Ausgangsanschlüssen (U, V) vorgesehen ist und eine Impedanz (53, 54) zwischen je einer der Freilaufdioden (33, 34) eines unteren Arms und Eingangsanschlüssen (P, N) in der Inverter-Sektion (11) vorgesehen ist unddie Impedanzen (51 bis 54) größer sind als eine parasitäre Impedanz einer Verdrahtung unter der Annahme, dass die ersten Schaltelemente und die Ausgangsanschlüsse (U, V) oder die ersten Schaltelemente und der Eingangsanschluss (N) nur mittel der Verdrahtung verbunden sind.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung.
  • Beschreibung der Hintergrundtechnik
  • Auf dem Gebiet von Halbleitervorrichtungen wurde herkömmlicherweise ein Abdünnen von Halbleiterelementen vorgenommen, um einen Temperaturanstieg zu unterdrücken, der erzeugt wird, wenn ein Halbleiter arbeitet. Unter den Umständen, unter denen eine Verkleinerung von Halbleitervorrichtungen fortschreitet, wurde jedoch eine unvermeidliche Reduzierung der Fläche eines Halbleiterelements vorgenommen, und, da sich die Verbesserung der Charakteristiken von Halbleitervorrichtungen der Grenze nähert, ist das thermische Design von Halbleitermodulen noch strenger geworden.
  • In den letzten Jahren wurde in Leistungswandlern wie etwa Invertern eine Schaltung eines hocheffizienten und zuverlässigen Inverter-Konzepts (HERIC), in dem ein Vollbrücken-Inverter und ein Schaltelement, das kurzgeschlossen ist, kombiniert sind, zum Verbessern einer Wärmeabstrahlung vorgeschlagen (siehe JP 2017 - 017 842 A ). Die in JP 2017 - 017 842 A offenbarte Inverter-Schaltung unterdrückt eine übermäßige Spannung wie etwa eine Stoßspannung, indem ein Klemmelement in einer Rückfluss-Sektion der HERIC-Schaltung genutzt wird. In der in JP 2017 - 017 842 A offenbarten Inverter-Schaltung ist nur die halbe Stromversorgungsspannung Vcc als die Spannung zum Schalten erforderlich, und man erwartet den Effekt einer Reduzierung des Schaltverlusts. Der zur Zeit eines Rückflusses in die Inverter-Sektion fließende Strom verursacht eine Potentialfluktuation an den Ausgangsanschlüssen der Inverter-Sektion, und, wenn eine hohe Potentialfluktuation auftritt, kann die Potentialfluktuation das Leitungsrauschen möglicherweise verschlechtern.
  • CN 1 06 849 722 A offenbart einen HERIC-Einphasen-Wechselrichter. Der HERIC-Einphasen-Wechselrichter umfasst eine Gleichstromversorgung, einen H-Brückenzweig, eine Filterschaltung und eine Dauerstromschaltung, wobei zwei Enden des H-Brückenzweigs jeweils mit Plus- und Minuspolen der Gleichstromversorgung verbunden sind. Zwei Enden der Filterschaltung sind jeweils mit dem Mittelpunkt des H-Brückenzweigs verbunden. Der Dauerstromkreis ist parallel zum Filterkreis geschaltet und umfasst zwei Schaltröhren, die in umgekehrter Reihe geschaltet sind, und mindestens einen Induktor. Der Induktor ist mit den Schaltröhren in Reihe geschaltet.
  • Aus US 2016 / 0 241 043 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, welche einen parallel zu einer Gleichstromquelle geschalteten Glättungskondensator; eine Brückenschaltung mit Schaltelementen zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom, in umgekehrter Richtung parallel geschalteten Schwungraddioden und mit den Schwungraddioden in Reihe geschalteten Schwungrad- und Trenndioden, die gleichzeitig als Schwungrad- und Trenndioden dienen; eine Verbindungsdrossel an einer Ausgangsseite, die an Wechselstromausgangsleitungen vorgesehen ist, die die Brückenschaltung und eine Wechselstromquelle verbinden, und eine Trennschaltung zum Trennen des Glättungskondensators und der Verbindungsdrossel voneinander während einer Schwungradperiode der Schwungraddioden aufweist. Die Trennschaltung enthält Trennschaltelemente und das Schwungrad und die Trenndioden. Die Trennschaltelemente sind jeweils zwischen die beiden AC-Ausgangsleitungen und zwei Reihenverbindungspunkte zwischen den Schwungraddioden und den Schwungrad-und-Trenndioden geschaltet, um die AC-Ausgangsleitungen kurzzuschließen.
  • US 2009 / 0 316 457 A1 offenbart einen Wechselrichter zur Einspeisung von Leistung einer Gleichspannungsquelle, insbesondere eines Photovoltaikgenerators (PVG), in ein Wechselspannungsnetz (N), mit einer asymmetrisch getakteten Brückenschaltung mit mindestens zwei ersten Schaltern (S1, S2) getaktet bei Netzfrequenz und mit mindestens zwei mit einer höheren Taktfrequenz getakteten zweiten Schaltern (S3, S4). Dabei werden für die Netzfrequenz langsame Schalter (S1, S2) gleicher Temperaturstabilität und für die höhere Taktfrequenz schnelle Schalter (S3, S4) mit steileren Schaltflanken und höherer Temperaturstabilität verwendet. Aus CN 2 08 094 431 U offenbart eine Verhinderung einer ACRCD-Klemmschaltung einer einphasigen kontravarianten Photovoltaik-Topologie-Leistungsröhrenüberdruckpunktion.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, das Leitungsrauschen in einer Halbleitervorrichtung zu reduzieren.
  • Eine Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Inverter-Sektion, die ein Vollbrücken-Inverter ist, und eine Rückfluss-Sektion. Eine Rückfluss-Sektion schließt zwischen Ausgangsanschlüssen der Inverter-Sektion kurz. Jede der Phasen der Inverter-Sektion umfasst ein erstes Schaltelement und eine Freilaufdiode. Die Freilaufdiode ist mit dem ersten Schaltelement antiparallel verbunden. Die Rückfluss-Sektion enthält zwei serielle Verbindungskörper aus zweiten Schaltelementen und Dioden. Die beiden seriellen Verbindungskörper sind zwischen die Ausgangsanschlüsse so parallelgeschaltet, dass deren Leitungsrichtungen einander entgegengesetzt sind. Die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung enthält eine Impedanz, die zwischen je einer der Freilaufdioden eines oberen Arms und den Ausgangsanschlüssen vorgesehen ist, und eine Impedanz, die zwischen je einer der Freilaufdioden eines unteren Arms und einem Eingangsanschluss der Inverter-Sektion vorgesehen ist. Die Impedanzen sind unter der Annahme, dass die ersten Schaltelemente und die Ausgangsanschlüsse oder die ersten Schaltelemente und der Eingangsanschluss nur mittels einer Verdrahtung verbunden sind, größer als eine parasitäre Impedanz einer Verdrahtung.
  • Die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung enthält eine Impedanz, die zwischen je einer der Freilaufdioden eines oberen Arms und den Ausgangsanschlüssen vorgesehen ist, und eine Impedanz, die zwischen je einer der Freilaufdioden eines unteren Arms und dem Eingang in der Inverter-Sektion vorgesehen ist. Wenn das Schalten jedes der ersten Schaltelemente zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt durchgeführt wird, kann daher der in die Inverter-Sektion fließende und durch die Freilaufdioden fließende Strom unterdrückt werden. Folglich werden die Potentialfluktuationen der Ausgangsanschlüsse unterdrückt, und das Leitungsrauschen wird reduziert.
  • Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung ersichtlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine HERIC-Schaltung gemäß einer zugrunde liegenden Technik veranschaulicht;
    • 2 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Stromweg in einer Periode t1 von 6 in der HERIC-Schaltung gemäß der zugrunde liegenden Technik veranschaulicht;
    • 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Stromweg in einer Periode t2 von 6 in der HERIC-Schaltung gemäß der zugrunde liegenden Technik veranschaulicht;
    • 4 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Stromweg in einer Periode t3 von 6 in der HERIC-Schaltung gemäß der zugrunde liegenden Technik veranschaulicht;
    • 5 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Stromweg in einer Periode t4 von 6 in der HERIC-Schaltung gemäß der zugrunde liegenden Technik veranschaulicht;
    • 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Schaltzuständen der ersten, vierten und sechsten Phasen und dem Strom und der Spannung an den Ausgangsanschlüssen in der HERIC-Schaltung gemäß der zugrunde liegenden Technik veranschaulicht;
    • 7 ist ein Schaltungsdiagramm der Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1;
    • 8 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Stromweg in einer Periode t3 von 9 in der HERIC-Schaltung gemäß der Ausführungsform 1 veranschaulicht;
    • 9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Schaltzuständen der ersten, vierten und sechsten Phasen und dem Strom und der Spannung an den Ausgangsanschlüssen gemäß der Ausführungsform 1 veranschaulicht;
    • 10 ist ein Schaltungsdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen 2 und 3;
    • 11 ist ein Diagramm, das einen internen Aufbau der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 veranschaulicht;
    • 12 ist ein Diagramm, das einen internen Aufbau der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 3 veranschaulicht; und
    • 13 ist ein Schaltungsdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 5.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • <A. Zugrunde liegende Technik>
  • 1 veranschaulicht eine HERIC-Schaltung 100 gemäß einer zugrunde liegenden Technik. Die HERIC-Schaltung 100 ist so konfiguriert, dass sie eine Inverter-Sektion 11, die ein Vollbrücken-Inverter ist, und eine Rückfluss-Sektion 12, die zwischen Ausgangsanschlüssen U und V der Inverter-Sektion 11 kurzschließt, umfasst.
  • Die Inverter-Sektion 11 enthält IGBTs 21 bis 24, die Schaltelemente von vier Phasen sind, Freilaufdioden 31 bis 34, die mit je einem der IGBTs 21 bis 24 antiparallel verbunden sind, und Gate-Ansteuerungsschaltungen 41 bis 44, die je einem der IGBTs 21 bis 24 eine Gatespannung bereitstellen. Der IGBT 21 ist die erste Phase, der IGBT 22 ist die zweite Phase, der IGBT 23 ist die dritte Phase, und der IGBT 24 ist die vierte Phase. Auf die IGBTs 21 bis 24 wird auch als erste Schaltelemente verwiesen. Die Stromversorgungsspannung Vcc wird zwischen Eingangsanschlüssen P und N der Inverter-Sektion 11 angelegt, und eine Last 13 ist zwischen die Ausgangsanschlüsse U und V geschaltet.
  • Die Rückfluss-Sektion 12 enthält IGBTs 25 und 26, Dioden 35 und 36, die mit den IGBTs 25 bzw. 26 in Reihe geschaltet sind, und Gate-Ansteuerungsschaltungen 45 und 46, die den IGBTs 25 und 26 eine Gatespannung bereitstellen. Das heißt, die Rückfluss-Sektion 12 enthält einen seriellen Verbindungskörper aus dem IGBT 25 und der Diode 35 und einen seriellen Verbindungskörper aus dem IGBT 26 und der Diode 36. Die beiden seriellen Verbindungskörper sind zwischen die Ausgangsanschlüsse U und V so parallelgeschaltet, dass deren Leitungsrichtungen einander entgegengesetzt sind. Der IGBT 25 ist die fünfte Phase, und der IGBT 26 ist die sechste Phase. Auf die IGBTs 25 und 26 wird auch als zweite Schaltelemente verwiesen.
  • Ein Mechanismus, wie sich das Leitungsrauschen in der HERIC-Schaltung 100 verschlechtert, wird beschrieben. Der Inverter-Betrieb in der HERIC-Schaltung 100 wird unterteilt in (1) einen Schaltbetrieb durch den IGBT 21 der ersten Phase und den IGBT 24 der vierten Phase und (2) einen Schaltbetrieb durch den IGBT 22 der zweiten Phase und den IGBT 23 der dritten Phase. Im Folgenden wird der Schaltbetrieb von (1) als Beispiel beschrieben.
  • 6 veranschaulicht die Beziehung zwischen den Schaltzuständen der ersten, vierten und sechsten Phasen und dem Strom und der Spannung an den Ausgangsanschlüssen U und V in der HERIC-Schaltung 100. Vge repräsentiert die Gatespannung des IGBT jeder Phase, und Vcin ist die Kollektorspannung des IGBT jeder Phase. lu und Iv repräsentieren die Ströme an den Ausgangsanschlüssen U bzw. V. Vu und Vv repräsentieren das Potential an den Ausgangsanschlüssen U bzw. V.
  • In der Periode t0 von 6 sind der IGBT 21 der ersten Phase und der IGBT 24 der zweiten Phase beide aus. In der Periode t1 von 6 werden dann der IGBT 21 der ersten Phase und der IGBT 24 der zweiten Phase eingeschaltet. Wie durch die Pfeile in 2 angegeben ist, ist zu dieser Zeit der Stromweg derart, dass der IGBT 21 der ersten Phase, die Last 13, der IGBT 24 der vierten Phase, die Stromversorgung und der IGBT 21 der ersten Phase in dieser Reihenfolge durchlaufen werden.
  • Als Nächstes wird in der Phase t2 von 6 der IGBT 26 der sechsten Phase eingeschaltet, unmittelbar bevor der IGBT 21 der ersten Phase und der IGBT 24 der vierten Phase ausgeschaltet werden. Wie durch Pfeile in 3 veranschaulicht ist, ist zu dieser Zeit der Stromweg der gleiche wie vor dem Einschalten des IGBT 26 der sechsten Phase.
  • Als Nächstes führen der IGBT 21 der ersten Phase und der IGBT 24 der vierten Phase eine Ausschaltoperation aus. Idealerweise werden der IGBT 21 der ersten Phase und der IGBT 24 der vierten Phase gleichzeitig ausgeschaltet; jedoch schalten aufgrund von Variationen in der Massenproduktion des IGBT oder Variationen in Eingangssignalen beide IGBTs praktisch zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt aus. Wie in der Periode t3 in 6 veranschaulicht ist, ist beispielsweise, wenn der IGBT 24 der vierten Phase früher als der IGBT 21 der ersten Phase ausschaltet, der Stromweg derart, dass der IGBT 21 der ersten Phase, die Last 13, die Freilaufdiode 32 der zweiten Phase und der IGBT 21 der ersten Phase in dieser Reihenfolge durchlaufen werden, wie durch die dicken Pfeile in 4 veranschaulicht ist. Zusätzlich zu dem in die Inverter-Sektion 11 fließenden Strom wird auch ein durch den IGBT 26 der sechsten Phase und die Diode 36 fließender Rückflussstrom erzeugt, wie durch dünne Pfeile in 4 veranschaulicht ist. Der Rückflussstrom ist jedoch kleiner als der in die Inverter-Sektion 11 fließende Strom. Zu dieser Zeit steigt das Potential Vv des Ausgangsanschlusses V von 0 auf Vcc. In 4 wird die Größenbeziehung zwischen beiden Strömen durch die Dicke der die Wege angebenden Pfeile repräsentiert.
  • Wie in der Periode t4 in 6 veranschaulicht ist, wird als Nächstes der IGBT 21 der ersten Phase ausgeschaltet. Zu dieser Zeit sind die IGBTs aller Phasen in der Inverter-Sektion 11 ausgeschaltet und fließt in die Inverter-Sektion 11 kein Strom. Wie in 5 veranschaulicht ist, ist daher der durch den IGBT 26 der sechsten Phase und die Diode 36 gelangende Rückflussstrom größer als derjenige in der Periode t3. Zu dieser Zeit fällt das Potential Vv des Ausgangsanschlusses V von Vcc auf 1/2 Vcc.
  • Obgleich der Schaltbetrieb durch die IGBTs 21 und 24 der ersten und vierten Phase oben beschrieben wurde, gilt das Gleiche für den Schaltbetrieb durch die IGBTs 22 und 23 der zweiten und dritten Phase. In solch einem Fall wird der Betrieb des IGBT 26 der sechsten Phase in der obigen Beschreibung durch den Betrieb des IGBT 25 der fünften Phase ersetzt.
  • Die HERIC-Schaltung 100 arbeitet ideal, wenn das Potential des Anschlusses U zwischen Vcc und 1/2 Vcc liegt und das Potential des Anschlusses V zwischen 0 und 1/2 Vcc liegt. Falls der IGBT 21 der ersten Phase und der IGBT 24 der vierten Phase die Ausschaltoperation nahezu zur gleichen Zeit ausführen, wäre dies die Realisierung des idealen Betriebs. Falls jedoch der IGBT 24 der vierten Phase früher als der IGBT 21 der ersten Phase ausgeschaltet wird, wie oben beschrieben ist, tritt ein Phänomen auf, bei dem das Potential des Ausgangsanschlusses V von 0 auf Vcc ansteigt, was eine Ursache des Leitungsrauschens ist. Dieses Phänomen wird durch den Strom hervorgerufen, der aufgrund des unterschiedlichen Ausschaltzeitpunktes durch die Freilaufdioden 31 bis 34 in der Inverter-Sektion 11 fließt. Nichtsdestotrotz sind die Freilaufdioden 31 bis 34 der Inverter-Sektion 11 unverzichtbar, um zu verhindern, dass die umgekehrte Stehspannung an die IGBTs 21 bis 24 angelegt wird, und diese können aus der Konfiguration der HERIC-Schaltung 100 nicht ausgeschlossen werden.
  • Daher wird in Halbleitervorrichtungen der im Folgenden beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen das Leitungsrauschen unterdrückt, während die Freilaufdioden 31 bis 34 in der Inverter-Sektion 11 belassen werden.
  • <B. Ausführungsform 1 >
  • <B-1. Konfiguration>
  • 7 ist ein Schaltungsdiagramm einer Halbleitervorrichtung 101 gemäß einer Ausführungsform 1. Die Halbleitervorrichtung 101 wird erhalten, indem eine Impedanz zwischen der Anode jeder Freilaufdiode 31 bis 34 der Inverter-Sektion 11 und die Ausgangsanschlüsse oder den Eingangsanschluss in der HERIC-Schaltung 100 der zugrunde liegenden Technik hinzugefügt wird. Konkret ist im oberen Arm eine Impedanz 51 zwischen die Anode der Freilaufdiode 31 des IGBT 21 der ersten Phase und den Ausgangsanschluss U geschaltet und ist eine Impedanz 52 zwischen die Anode der Freilaufdiode 32 des IGBT 22 der zweiten Phase und den Ausgangsanschluss V geschaltet. Im unteren Arm ist auch eine Impedanz 53 zwischen die Anode der Freilaufdiode 33 des IGBT 23 der dritten Phase und den Eingangsanschluss N geschaltet und ist eine Impedanz 54 zwischen die Anode der Freilaufdiode 34 des IGBT 24 der vierten Phase und den Eingangsanschluss N geschaltet.
  • Die Impedanzen 51 bis 54 sind größer als die parasitäre Impedanz der normalen Verdrahtung (zum Beispiel 0,55 mS2) unter der Annahme, dass der IGBT 21 und der Ausgangsanschluss U, der IGBT 22 und der Ausgangsanschluss V und die IGBTs 23 und 24 und der Eingangsanschluss N jeweils nur mittels einer normalen Verdrahtung verbunden sind. Die Impedanzen 51 bis 54 betragen zum Beispiel 10 mΩ oder mehr.
  • <B-2. Betrieb>
  • 9 veranschaulicht die Beziehung zwischen den Schaltzuständen der ersten, vierten und sechsten Phasen und dem Strom und der Spannung an den Ausgangsanschlüssen U und V in der HERIC-Schaltung 101. Der Betrieb während der Perioden t0 bis t2 in 9 ist der Gleiche wie derjenige der HERIC-Schaltung 100 der zugrunde liegenden Technik, und folglich wird dessen Beschreibung hier weggelassen. Wie in der Periode t3 in 9 veranschaulicht ist, ist, wenn der IGBT 24 der vierten Phase früher als der IGBT 21 der ersten Phase ausschaltet, der Stromweg derart, dass wie durch dünne Pfeile in 8 veranschaulicht der IGBT 21 der ersten Phase, die Last 13, die Freilaufdiode 32 der zweiten Phase und der IGBT 21 der ersten Phase in dieser Reihenfolge durchlaufen werden. Zusätzlich zu dem in die Inverter-Sektion 11 fließenden Strom wird auch ein durch den IGBT 26 der sechsten Phase und die Diode 36 fließender Rückflussstrom erzeugt, wie durch dicke Pfeile in 8 angegeben ist.
  • Im Gegensatz zur HERIC-Schaltung 100 sind in der Halbleitervorrichtung 101 die Impedanzen 51 und 52 hinzugefügt; daher fließt der kleinere Strom in die Inverter-Sektion 11 und fließt der größere Rückflussstrom durch die Rückfluss-Sektion 12. Infolgedessen wird die Potentialfluktuation des Ausgangsanschlusses V so unterdrückt, dass sie kleiner als Vcc ist, und wird das Leitungsrauschen unterdrückt. In 8 wird die Größenbeziehung zwischen beiden Strömen durch die Dicke der die Wege angebenden Pfeile repräsentiert.
  • <B-3. Effekt>
  • Die Halbleitervorrichtung 101 gemäß der Ausführungsform 1 enthält eine Inverter-Sektion 11, die ein Vollbrücken-Inverter ist, und eine Rückfluss-Sektion 12, die zwischen den Ausgangsanschlüssen U und V der Inverter-Sektion 11 kurzschließt. Jede der Phasen der Inverter-Einheit 11 enthält einen IGBT 21 bis 24, der ein erstes Schaltelement ist, und eine Freilaufdiode 31 bis 34, die mit dem ersten Schaltelement antiparallel verbunden ist. Die Rückfluss-Sektion 12 enthält zwei serielle Verbindungskörper aus den IGBTs 25 und 26, die zweite Schaltelemente 25 und 26 sind, und Dioden 35 und 36. Die beiden seriellen Verbindungskörper sind zwischen die Ausgangsanschlüsse U und V so parallelgeschaltet, dass deren Leitungsrichtungen einander entgegengesetzt sind. Die Halbleitervorrichtung 101 enthält die Impedanzen 51 und 52, die zwischen je einer der Freilaufdioden 31 und 32 des oberen Arms und den Ausgangsanschlüssen U und V vorgesehen sind, und die Impedanzen 53 und 54, die zwischen den Freilaufdioden 33 und 34 des unteren Arms und dem Eingangsanschluss N der Inverter-Sektion 11 vorgesehen sind. Die Impedanzen 51 bis 54 sind größer als eine parasitäre Impedanz einer Verdrahtung unter der Annahme, dass der IGBT 21 und der Ausgangsanschluss U, der IGBT 22 und der Ausgangsanschluss V und die IGBTs 23 und 24 und der Eingangsanschluss N jeweils nur mittels der Verdrahtung verbunden sind. Gemäß der obigen Konfiguration kann, wenn das Schalten jedes der IGBTs 21 bis 24 zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt durchgeführt wird, der in die Inverter-Sektion 11 fließende und durch die Freilaufdioden 31 bis 34 fließende Strom unterdrückt werden. Daher werden Potentialfluktuationen der Ausgangsanschlüsse U und V unterdrückt und wird das Leitungsrauschen reduziert.
  • <C. Ausführungsform 2>
  • <C-1. Konfiguration>
  • 10 ist ein Schaltungsdiagramm einer Halbleitervorrichtung 102 gemäß einer Ausführungsform 2. Die Halbleitervorrichtung 102 unterscheidet sich von der Halbleitervorrichtung 101 der Ausführungsform 1 dadurch, dass die IGBTs 21 bis 24 und die Freilaufdioden 31 bis 34 verschiedene Verbindungswege zu den Ausgangsanschlüssen U und V oder zum Eingangsanschluss N aufweisen.
  • Konkret ist in der Halbleitervorrichtung 102 der IGBT 21 mit dem Ausgangsanschluss U über einen Weg verbunden, der sich von demjenigen der mit dem IGBT 21 antiparallel verbundenen Freilaufdiode 31 unterscheidet. Der IGBT 22 ist ebenfalls mit dem Ausgangsanschluss V über einen Weg verbunden, der sich von demjenigen der mit dem IGBT 22 antiparallel verbundenen Freilaufdiode 32 unterscheidet. Auch der IGBT 23 ist mit dem Eingangsanschluss N über einen Weg verbunden, der sich von demjenigen der mit dem IGBT 23 antiparallel verbundenen Freilaufdiode 33 unterscheidet. Der IGBT 24 ist ebenfalls mit dem Eingangsanschluss N über einen Weg verbunden, der sich von demjenigen der mit dem IGBT 24 antiparallel verbundenen Freilaufdiode 34 unterscheidet.
  • Mit dieser Konfiguration arbeiten in der Halbleitervorrichtung 102 die IGBTs 21 bis 24, ohne von den Impedanzen 51 bis 54 beeinflusst zu werden. Ansonsten ist die Halbleitervorrichtung 102 der Halbleitervorrichtung 101 ähnlich.
  • 11 veranschaulicht den internen Aufbau der Halbleitervorrichtung 102. Die Halbleitervorrichtung 102 enthält eine Schaltungsstruktur 61, die eine Metallstruktur ist, eine Impedanzstruktur 62, eine Elektrodenstruktur 63, einen Dioden-Chip 64 und einen IGBT-Chip 65, eine Impedanz 66 und externe Verdrahtungen 67 und 68.
  • Ein Dioden-Chip 64 und ein IGBT-Chip 65 sind auf der oberen Oberfläche der Schaltungsstruktur 61 montiert. Der Dioden-Chip 64 entspricht den Freilaufdioden 31 bis 34, und der IGBT-Chip 65 entspricht den IGBTs 21 bis 24. Obgleich in 11 ein Dioden-Chip 64 und ein IGBT-Chip 65 veranschaulicht sind, ist in Wirklichkeit auf der Schaltungsstruktur 61 die der Anzahl an IGBTs und Freilaufdioden in der Inverter-Sektion 11 entsprechende Anzahl an Chips montiert.
  • Die Schaltungsstruktur 61 fungiert als die Kathoden der Freilaufdioden 31 bis 34 und die Kollektoren der IGBTs 21 bis 24. Die obere Oberfläche des Dioden-Chips 64 bildet die Anoden der Freilaufdioden 31 bis 34, und die obere Oberfläche des IGBT-Chips 65 bildet die Gates oder Emitter der IGBTs 21 bis 24.
  • Die obere Oberfläche des Dioden-Chips 64 und die Impedanzstruktur 62 sind durch eine externe Verdrahtung 67 verbunden. Die Impedanz 66 ist dann zwischen die Impedanzstruktur 62 und die Elektrodenstruktur 63 geschaltet. Die Impedanz 66 entspricht den Impedanzen 51 bis 54. Die Elektrodenstruktur 63 entspricht den Ausgangsanschlüssen U und V oder dem Eingangsanschluss N. Der Emitter auf der oberen Oberfläche des IGBT-Chips 65 und die Elektrodenstruktur 63 sind durch eine externe Verdrahtung 68 verbunden. Auf die externe Verdrahtung 68 wird auch als erste externe Verdrahtung verwiesen.
  • Während die Anoden der Freilaufdioden 31 bis 34 über die Impedanzstruktur 62 mit der Elektrodenstruktur 63 verbunden sind, sind die Emitter der IGBTs 21 bis 24, ohne die Impedanzstruktur 62 dazwischen anzuordnen, mit der Elektrodenstruktur 63 verbunden. Dies ermöglicht den IGBTs 21 bis 24 zu arbeiten, ohne von den Impedanzen 51 bis 54 beeinflusst zu werden. Gemäß der Halbleitervorrichtung 102 der Ausführungsform 2 kann daher zusätzlich zu dem Effekt einer Reduzierung des Leitungsrauschens, der in der Ausführungsform 1 beschrieben wurde, der Effekt einer Reduzierung des Verlusts der IGBTs 21 bis 24 erhalten werden.
  • Die Impedanzen 51 bis 54 sind vorzugsweise größer als die parasitäre Impedanz der externen Verdrahtung 68, die die Emitter der IGBTs 21 bis 24 in der Inverter-Sektion 11 und die Ausgangsanschlüsse U und V oder den Eingangsanschluss N verbindet. Dies gilt, da damit der zur Zeit eines Rückflusses in die Freilaufdioden 31 bis 34 der Inverter-Sektion 11 fließende Strom weiter unterdrückt werden soll und der verbesserte Effekt einer Reduzierung des Leitungsrauschens sichergestellt wird.
  • <C-2. Effekt>
  • In der Halbleitervorrichtung 102 gemäß der Ausführungsform 2 sind im oberen Arm der IGBT 21 und der IGBT 22, die die ersten Schaltelemente sind, mit den Ausgangsanschlüssen U bzw. V über Wege verbunden, die von jenen der mit den IGBTs 21 und 22 antiparallel verbundenen Freilaufdioden 31 und 32 verschieden sind, die mit den Ausgangsanschlüssen U und V zu verbinden sind, und sind im unteren Arm der IGBT 23 und der IGBT 24, die die ersten Schaltelemente sind, jeweils mit dem Eingangsanschluss N über Wege verbunden, die von jenen der mit den IGBTs 23 und 24 antiparallel verbundenen Freilaufdioden 33 und 34 verschieden sind, die mit dem Eingangsanschluss N zu verbinden sind. Daher kann jeder der IGBTs 21 bis 24 der Inverter-Sektion 11 arbeiten, ohne von den Impedanzen 51 bis 54 beeinflusst zu werden, und wird der Verlust des IGBT reduziert.
  • <D. Ausführungsform 3>
  • <D-1. Konfiguration>
  • Das Schaltungsdiagramm der Halbleitervorrichtung 103 einer Ausführungsform 3 ist wie in 10 veranschaulicht und ist ähnlich der Halbleitervorrichtung 102 der Ausführungsform 2.
  • 12 veranschaulicht den internen Aufbau der Halbleitervorrichtung 103. In der Halbleitervorrichtung 103 sind die Anoden der Freilaufdioden 31 bis 34 der Inverter-Sektion 11 durch die externe Verdrahtung 69 mit der Elektrodenstruktur 63 verbunden, die den Ausgangsanschlüssen U und V oder dem Eingangsanschluss N entspricht. Die externe Verdrahtung 69 bildet die Impedanzen 51 bis 54. Ansonsten ist die Halbleitervorrichtung 103 ähnlich der Halbleitervorrichtung 102. Auf die externe Verdrahtung 69 wird auch als zweite externe Verdrahtung verwiesen.
  • <D-2. Effekt>
  • In der Halbleitervorrichtung 103 der Ausführungsform 3 sind im oberen Arm die Anoden der Freilaufdioden 31 und 32 mit den Ausgangsanschlüssen U bzw. V verbunden und sind im unteren Arm die Anoden der Freilaufdioden 33 und 34 mit dem Eingangsanschluss N durch die externe Verdrahtung 69, die die zweite externe Verdrahtung ist, verbunden. Und die externe Verdrahtung 69 bildet die Impedanzen 51 bis 54. Mit solcher einer Konfiguration ist die Größe der Impedanzen 51 bis 54 durch den Durchmesser und die Länge der externen Verdrahtung 69 einstellbar. Daher stellt dies die Anwendung der gewünschten Impedanzen 51 bis 54 sicher, was zu einer Verbesserung der Produktivität in der Modul-Montage führt.
  • Konkret ist die Impedanz der externen Verdrahtung 69 umso höher, je kleiner der Durchmesser der externen Verdrahtung 69 ist, je länger deren Länge ist und je geringer deren Anzahl an Drähten ist. Der Durchmesser, die Länge und die Anzahl an Drähten der externen Verdrahtung 69 werden so eingestellt, dass die Impedanz größer als diejenige der externen Verdrahtung 68 zwischen zumindest den Emittern der IGBTs 21 bis 24 und den Elektroden ist.
  • <E. Ausführungsform 4>
  • <E-1. Konfiguration>
  • Das Schaltungsdiagramm der Halbleitervorrichtung 104 der Ausführungsform 4 ist das gleiche wie das Schaltungsdiagramm der HERIC-Schaltung 100 der zugrunde liegenden Technik, die in 1 veranschaulicht ist. In der Halbleitervorrichtung 104 ist die effektive Fläche der Freilaufdioden 31 bis 34 in der Inverter-Sektion 11 kleiner als die effektive Fläche der IGBTs 21 bis 24, mit denen die Freilaufdioden 31 bis 34 antiparallel verbunden sind.
  • <E-2. Effekt>
  • In der Halbleitervorrichtung 104 ist die effektive Fläche der Freilaufdioden 31 bis 34 in der Inverter-Sektion 11 kleiner als die effektive Fläche der IGBTs 21 bis 24, mit denen die Freilaufdioden 31 bis 34 antiparallel verbunden sind. Je kleiner die effektive Fläche der Freilaufdioden 31 bis 34 ist, desto höher sind die Impedanzen der Freilaufdioden 31 bis 34. Indem man die effektive Fläche der Freilaufdioden 31 bis 34 so einstellt, dass sie kleiner als die effektive Fläche der IGBTs 21 bis 24 ist, weisen daher die Freilaufdioden 31 bis 34 per se Impedanzen auf, die den Impedanzen 51-54 in den Ausführungsformen 1 bis 3 äquivalent sind. Gemäß der Halbleitervorrichtung 104 der Ausführungsform 4 wird deshalb der gleiche Effekt wie bei der mit den Impedanzen 51 bis 54 versehenen Halbleitervorrichtung erhalten, ohne die separaten Impedanzen 51 bis 54 zwischen den Anoden und den Elektroden der Freilaufdioden 31 bis 34 vorzusehen, was zu einer Verbesserung der Produktivität in der Modul-Montage führt.
  • <F. Ausführungsform 5>
  • <F-1. Konfiguration>
  • 13 ist ein Schaltungsdiagramm einer Halbleitervorrichtung 105 gemäß der Ausführungsform 5. In der Halbleitervorrichtung 105 werden für die Schaltelemente der Inverter-Sektion 11 anstelle der IGBTs Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) 71 bis 74 verwendet. Die Freilaufdioden 31 bis 34 der Inverter-Sektion 11 bestehen aus Body-Dioden der MOSFETs 71 bis 74. Die Konfiguration der Halbleitervorrichtung 105 ist abgesehen von dieser Konfiguration die gleiche wie diejenige der Halbleitervorrichtung 101 der Ausführungsform 1.
  • <F-2. Effekt>
  • In der Halbleitervorrichtung 105 gemäß der Ausführungsform 5 sind die ersten Schaltelemente die MOSFETs 21 bis 24 und sind die Freilaufdioden 31 bis 34 die Body-Dioden der MOSFETs 31 bis 34. Die Body-Dioden der MOSFETs 31 bis 34 haben eine höhere parasitäre Impedanz als eine reguläre Diode; daher wird der zur Zeit eines Rückflusses in die Inverter-Sektion 11 fließende Strom weiter unterdrückt, indem die Freilaufdioden 31 bis 34 mit solchen Body-Dioden konfiguriert werden. Infolgedessen wird der verbesserte Effekt einer Reduzierung des Leitungsrauschens sichergestellt.
  • In der Halbleitervorrichtung 105 der Ausführungsform 5 kann ferner das Halbleitermaterial des MOSFET SiC sein. Infolgedessen kann ein Schaltungsverlust signifikant reduziert werden und kann die Halbleitervorrichtung 105 in einer Hochtemperaturumgebung betrieben werden.
  • Es sollte besonders erwähnt werden, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beliebig kombiniert werden können.

Claims (8)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: eine Inverter-Sektion (11), die ein Vollbrücken-Inverter ist; und eine Rückfluss-Sektion (12), die zwischen Ausgangsanschlüssen (U, V) der Inverter-Sektion (11) kurzschließt, wobei jede der Phasen der Inverter-Sektion (11) ein erstes Schaltelement (21 bis 24) und eine Freilaufdiode (31 bis 34) umfasst, die mit dem ersten Schaltelement (21 bis 24) antiparallel verbunden ist, die Rückfluss-Sektion (12) zwei serielle Verbindungskörper aus zweiten Schaltelementen (25, 26) und Dioden (35, 36) enthält, die beiden seriellen Verbindungskörper zwischen die Ausgangsanschlüsse (U, V) so parallelgeschaltet sind, dass deren Leitungsrichtungen einander entgegengesetzt sind, eine Impedanz (51, 52) zwischen je einer der Freilaufdioden (31, 32) eines oberen Arms und den Ausgangsanschlüssen (U, V) vorgesehen ist und eine Impedanz (53, 54) zwischen je einer der Freilaufdioden (33, 34) eines unteren Arms und Eingangsanschlüssen (P, N) in der Inverter-Sektion (11) vorgesehen ist und die Impedanzen (51 bis 54) größer sind als eine parasitäre Impedanz einer Verdrahtung unter der Annahme, dass die ersten Schaltelemente und die Ausgangsanschlüsse (U, V) oder die ersten Schaltelemente und der Eingangsanschluss (N) nur mittel der Verdrahtung verbunden sind.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei im oberen Arm jedes der ersten Schaltelemente (21, 22) jeweils mit den Ausgangsanschlüssen (U, V) über Wege verbunden ist, die von jenen der mit den ersten Schaltelementen (21, 22) antiparallel verbundenen Freilaufdioden (31, 32), die mit den Ausgangsanschlüssen (U, V) zu verbinden sind, verschieden sind, und im unteren Arm jedes der ersten Schaltelemente (23, 24) jeweils mit dem Eingangsanschluss (N) über Wege verbunden ist, die von jenen der mit den ersten Schaltelementen (21, 22) antiparallel verbundenen Freilaufdioden (33, 34), die mit dem Eingangsanschluss (N) zu verbinden sind, verschieden sind.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei durch eine erste externe Verdrahtung (68) jedes der ersten Schaltelemente (21, 22) jeweils mit den Ausgangsanschlüssen (U, V) im oberen Arm verbunden ist und jedes der ersten Schaltelemente (23, 24) jeweils mit dem Eingangsanschluss (N) im unteren Arm verbunden ist und die Impedanz zwischen jeder der Freilaufdioden (31, 32) und den Ausgangsanschlüssen (U, V) oder die Impedanz zwischen jeder der Freilaufdioden (33, 34) und dem Eingangsanschluss (N) größer ist als eine parasitäre Impedanz der ersten externen Verdrahtung (68).
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei durch eine zweite externe Verdrahtung (69) eine Anode jeder der Freilaufdioden (31, 32) jeweils mit den Ausgangsanschlüssen (U, V) im oberen Arm verbunden ist und eine Anode jeder der Freilaufdioden (33, 34) jeweils mit dem Eingangsanschluss (N) im unteren Arm verbunden ist und die zweite externe Verdrahtung (69) die Impedanzen bildet.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine effektive Fläche von jeder der Freilaufdioden (31 bis 34) kleiner ist als eine effektive Fläche des ersten Schaltelements (21 bis 24), mit dem je eine der Freilaufdioden (31 bis 34) antiparallel verbunden ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Schaltelement (21 bis 24) ein IGBT ist.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Schaltelement (21 bis 24) ein MOSFET (71 bis 74) ist und die Freilaufdiode (31 bis 34) eine Body-Diode des MOSFET (71 bis 74) ist.
  8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei ein Halbleitermaterial des MOSFET (71 bis 74) SiC ist.
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