DE102021124632A1

DE102021124632A1 - Halbleitermodul und elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021124632A1
Application number: DE102021124632.6A
Authority: DE
Inventors: Seiya SUGIMACHI; Kazufumi Oki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2022-06-30
Also published as: US20220208663A1; US11710683B2; JP2022100928A; JP7396264B2; CN114678831A

Abstract

Ein Halbleitermodul weist auf: eine Schaltvorrichtung, die eine Gate-Kontaktstelle aufweist; eine Ausgabeeinheit, die eine Ausgabekontaktstelle aufweist, die durch einen Draht mit der Gate-Kontaktstelle der Schaltvorrichtung verbunden ist, und ein Steuersignal von der Ausgabekontaktstelle an die Schaltvorrichtung ausgibt; eine Temperaturschutzschaltung, die eine Temperatur erfasst und einen Schutzbetrieb ausführt; und eine Wärmeleitungsstruktur, die mit der Ausgabekontaktstelle verbunden ist, sich von der Ausgabekontaktstelle in Richtung der Temperaturschutzschaltung erstreckt und Wärme, die an der Schaltvorrichtung erzeugt wird, zu der Temperaturschutzschaltung leitet.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Halbleitermodul und eine elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung, welche eingerichtet sind, eine Temperatur zu erfassen und einen Schutzbetrieb auszuführen.
Hintergrund
Ein neuester integrierter Niederspannungsschaltkreis (LVIC), der auf einem Inverter-Modul montiert ist, weist eine Temperaturerfassungsfunktion für einen Überhitzungsschutz auf. Wärme, die innerhalb des Moduls generiert wird, wird hauptsächlich an einem IGBT-Chip generiert. Die Wärme, die an dem IGBT-Chip generiert wird, erreicht eine Temperaturschutzschaltung des LVICs durch einen Metallrahmen und ein einschließendes Vergussharz (es sei zum Beispiel auf JP 2011-199150 A verwiesen). Die Temperaturschutzschaltung ist eine Schutzfunktion, die essentiell ist für ein Phänomen, wie einen Überlastbetrieb eines Motors oder einen Ausfall eines Kühllüfters, in welchem eine Modultemperatur verhältnismäßig und langsam ansteigt.
Zusammenfassung
In einem Übergangsbetrieb, wie einer Motorblockierungsoperation oder einer Kurzschlussoperation, in welchem eine Grenzschichttemperatur Tj des IGBT-Chips abrupt steigt, tritt jedoch eine Temperaturabweichung zwischen der Grenzschichttemperatur Tj und einer Temperatur Tlvic der Temperaturschutzschaltung auf. Entsprechend wird der Temperaturschutz unzureichend, was ein Problem gewesen ist.
Die vorliegende Offenbarung beabsichtigt, das vorstehend beschriebene Problem zu lösen und ein Halbleitermodul und eine elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung zu erhalten, welche jeweils einen ausreichenden Temperaturschutz erzielen können.
Ein Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Offenbarung weist auf: eine Schaltvorrichtung, die eine Gate-Kontaktstelle aufweist; eine Ausgabeeinheit, die eine Ausgabekontaktstelle aufweist, die mit der Gate-Kontaktstelle der Schaltvorrichtung durch einen Draht verbunden ist, und ein Steuersignal von der Ausgabekontaktstelle zu der Schaltvorrichtung ausgibt; eine Temperaturschutzschaltung, die eine Temperatur erfasst und einen Schutzbetrieb ausführt; und eine Wärmeleitungsstruktur, das mit der Ausgabekontaktstelle verbunden ist, sich von der Ausgabekontaktstelle in Richtung der Temperaturschutzschaltung erstreckt und Wärme, die an der Schaltvorrichtung erzeugt wird, zu der Temperaturschutzschaltung leitet.
In der vorliegenden Offenbarung ist die Wärmeleitungsstruktur, die sich von der Ausgabekontaktstelle in Richtung der Temperaturschutzschaltung erstreckt, vorgesehen, um Wärme, die an der Schaltvorrichtung erzeugt wird, zu der Temperaturschutzschaltung zu leiten. Entsprechend folgt die Temperatur der Temperaturschutzschaltung einer vorübergehenden Änderung der Temperatur jeder der Schaltvorrichtungen, und als eine Folge kann die Temperaturschutzschaltung einen abrupten Anstieg der Temperatur der Schaltvorrichtung genau aufnehmen. Somit ist es möglich, selbst in einem Betriebsmodus, wie einem Motorblockierungsbetrieb oder einem Kurzschlussbetrieb, in welchen die Temperatur der Schaltvorrichtung steil ansteigt, einen ausreichenden Temperaturschutz zu erzielen und einen Ausfall des Halbleitermoduls zu verhindern.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung vollständiger ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
2 ist eine vergrößerte Draufsicht jeder Ausgabekontaktstelle und der Temperaturschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform.
3 ist eine Querschnittansicht, die jede Ausgabekontaktstelle und die Temperaturschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
4 ist Schaltungsdiagramm, das die Temperaturschutzschaltung darstellt.
5 ist ein Ablaufdiagramm einer Laser-Abgleichoperation.
6 ist eine Draufsicht, die eine erste Modifikation der Wärmeleitungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
7 ist eine Draufsicht, die eine zweite Modifikation der Wärmeleitungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
8 ist eine Draufsicht, die eine dritte Modifikation der Wärmeleitungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
9 ist eine Draufsicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.
10 ist eine Draufsicht, die jede Schaltvorrichtung und die korrespondierende Ausgabeeinheit gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt.
11 ist eine vergrößerte Draufsicht jeder Ausgabekontaktstelle und der Temperaturschutzschaltung gemäß der dritten Ausführungsform.
12 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung darstellt, in welcher das Halbleitermodul gemäß der dritten Ausführungsform eingesetzt wird.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Halbleitermodul und eine elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die gleichen Komponenten werden durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und die wiederholte Beschreibung derselben kann weggelassen sein.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Draufsicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt. Das Halbleitermodul ist ein Inverter-Modul. Ein LVIC 1, der für eine Niederdruck-Seitensteuerung verwendet wird, steuert eine U-Phasenschaltvorrichtung 2a, eine V-Phasenschaltvorrichtung 2b und eine W-Phasenschaltvorrichtung 2c. Die Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c sind jeweils zum Beispiel ein IGBT und weisen eine Gate-Kontaktstelle 3 auf. Der LVIC 1 weist eine Eingabeeinheit 4, Ausgabeeinheiten 5a, 5b und 5c, eine Temperaturschutzschaltung 6, eine Energieschaltung 7, eine Überstromschutzschaltung 8 und eine Energieabfallschutzschaltung 9 auf. Die U-Phasenausgabeeinheit 5a, die V-Phasenausgabeeinheit 5b und die W-Phasenausgabeeinheit 5c sind jeweils für die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenschaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c vorgesehen.
Die Eingabeeinheit 4 transferiert ein Steuersignal von außen zu den Ausgabeeinheiten 5a, 5b und 5c. Die Ausgabeeinheiten 5a, 5b und 5c weisen jeweils eine Ausgabekontaktstelle 10 auf. Die Ausgabekontaktstellen 10 der Ausgabeeinheiten 5a, 5b und 5c sind jeweils durch Drähte 11 mit den Gate-Kontaktstellen 3 der Schaltvorrichtung 2a, 2b und 2c verbunden. Die Drähte 11 bestehen aus Metall, wie Au, Ag oder Cu. Die Ausgabeeinheiten 5a, 5b und 5c geben Steuersignale von den Ausgabekontaktstellen 10 an die Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c aus.
Die Temperaturschutzschaltung 6 erfasst eine Temperatur und führt einen Schutzbetrieb aus. Der Schutzbetrieb umfasst einen OT-Schutz und einen VOT-Schutz. In dem OT-Schutz wird ein Betrieb der Ausgabeeinheiten 5a, 5b und 5c der jeweiligen Phasen gestoppt, wenn die Temperatur der Temperaturschutzschaltung 6 steil angestiegen ist. In dem VOT-Schutz führt der LVIC 1 keinen Selbstschutz aus, sondern ein externer Mikro-Computer schaltet ein Steuereingangssignal ab, wenn er einen Anstieg einer Ausgangsspannung VOT der Temperaturschutzschaltung 6 aufnimmt.
Die Energieschaltung 7 erhält eine Versorgungsspannung von außen und transferiert die Versorgungsspannung an jeden Schaltungsblock des LVICs 1. Die Überstromschutzschaltung 8 schaltet die Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c ab, wenn ein Überstrom durch einen extern verbundenen Nebenschlusswiderstand aufgenommen wird. Die Energieabfallschutzschaltung 9 schaltet die Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c ab, wenn die Versorgungsspannung gesunken ist.
2 ist eine vergrößerte Draufsicht jeder Ausgabekontaktstelle und der Temperaturschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform. 3 ist eine Querschnittansicht, die jede Ausgabekontaktstelle und die Temperaturschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Jede Ausgabekontaktstelle 10, die Temperaturschutzschaltung 6 und eine Wärmeleitungsstruktur 13 sind auf einem Halbleitersubstrat 12 des LVICs 1 vorgesehen. Die Wärmeleitungsstruktur 13 ist mit der Ausgabekontaktstelle 10 verbunden, erstreckt sich von der Ausgabekontaktstelle 10 in Richtung der Temperaturschutzschaltung 6 und überlappt mit der Temperaturschutzschaltung 6. Eine isolierende Schicht (nicht dargestellt) ist zwischen der Wärmeleitungsstruktur 13 und der Temperaturschutzschaltung 6 vorgesehen. Entsprechend ist die Wärmeleitungsstruktur 13 nicht elektrisch aber thermisch mit der Temperaturschutzschaltung 6 verbunden. Die Wärmeleitungsstruktur 13 wird durch Aluminium-Sputtern ausgebildet aber kann auch aus anderem Metall ausgebildet werden.
Wärme, die an den Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c erzeugt wird, wird durch die Drähte 11 zu den Ausgabekontaktstellen 10 geleitet und dann durch die Wärmeleitungsstruktur 13 zu der Temperaturschutzschaltung 6 geleitet. Jeder Draht 11 trägt nicht nur zu einer elektrischen Leitung bei sondern auch zu einer Wärmeleitung bei, und weist somit vorzugsweise einen Durchmesser von 200 bis 500 µm auf.
4 ist Schaltungsdiagramm, das die Temperaturschutzschaltung darstellt. Eine Konstantstromschaltung CC und eine Temperatursensordiode D1 sind in Serie zwischen einer DC-Energiequelle und einem Massepunkt angeschlossen. Eine oder eine Mehrzahl von Temperatursensordioden D1 können in Serie verbunden sein. Eine Anodenspannung OTVF der Temperatursensordiode D1 wird durch einen Widerstand R1 in einen „-“ Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers OA eingegeben. Ein Widerstand R2 ist zwischen einem Ausgabeanschluss des Operationsverstärkers OA und dem „-“ Eingangsanschluss angeschlossen. Ein Widerstand Ra, eine Laser-Abgleichschaltung LT und ein Widerstand Rb sind in Serie zwischen einer Referenzspannung VREGOT einer Referenzspannungsschaltung und dem Massepunkt angeschlossen. Eine Ausgangsspannung OTref der Laser-Abgleichschaltung LT wird an einen „+“ Eingangsanschluss des Operationsverstärkers OA eingegeben.
Der Operationsverstärker OA verstärkt invers die Anodenspannung OTVF der Temperatursensordiode D1 und gibt die Ausgangsspannung VOT, welche durch den Ausdruck (1) ausgedrückt wird, als ein analoges Temperatursignal aus. $VOT = OTref \cdot (1 + R2/R1) - OTVF \cdot R2/R1$
Wenn die Temperatur der Temperaturschutzschaltung 6 ansteigt, sinkt eine Vorwärtsspannung der Temperatursensordiode D1, und die Ausgangsspannung VOT des Operationsverstärkers OA steigt.
Die Anodenspannung OTVF und die Referenzspannung VREGOT variieren aufgrund einer Vorrichtungsvarianz oder dergleichen. Somit korrigiert die Laser-Abgleichschaltung LT die Varianz der Anodenspannung OTVF und der Referenzspannung VREGOT, wie nachstehend beschrieben. 5 ist ein Ablaufdiagramm einer Laser-Abgleichoperation.
Zuerst werden die Ausgangsspannung VOT und die Referenzspannung VREGOT gemessen (Schritt S1). Es wird geprüft, ob die Referenzspannung VREGOT innerhalb eines Varianzstandards liegt (Schritt S2), und wenn die Referenzspannung VREGOT außerhalb des Standards liegt, wird bestimmt, dass das Modul ein test-defektes Produkt ist. Es wird geprüft, ob die Ausgangsspannung VOT innerhalb eines Varianzstandards liegt (Schritt S3), und wenn die Ausgangsspannung VOT außerhalb des Standards liegt, wird bestimmt, dass das Modul ein test-defektes Produkt ist. Es wird geprüft, ob die Ausgangsspannung VOT ein definierter Wert ist (Schritt S4), und wenn die Ausgangsspannung VOT der definierte Wert ist, wird bestimmt, dass das Modul ein test-nicht-defektes Produkt ist. Dann wird die Laser-Abgleichschaltung LT an jedem von Punkt A und Punkt B angeschlossen.
Die Ausgangsspannung OTref, in welcher die Laser-Abgleichschaltung LT an Punkt A und Punkt B angeschlossen ist, ist durch den Ausdruck (2) gegeben. $OTref = VREGOT \cdot Rb/ (Ra + Rb)$
Anschließend wird geprüft, ob die Ausgangsspannung VOT größer ist als der definierte Wert (Schritt S5), und wenn die Ausgangsspannung VOT größer ist, wird die Laser-Abgleichschaltung an Punkt A getrennt. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung OTref durch den Ausdruck (3) gegeben. Ein variabler Widerstand RLT, mit welchem eine optimale Ausgangsspannung VOT erhalten wird, wird durch die Ausdrücke (1) und (3) bestimmt. $OTref = VREGOT \cdot Rb/ (Ra + R L T + Rb)$
Wenn die Ausgangsspannung VOT kleiner ist als der definierte Wert, wird die Laser-Abgleichschaltung an Punkt B getrennt. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung OTref durch den Ausdruck (4) gegeben. Der variable Widerstand RLT, mit welchem eine optimale Ausgangsspannung VOT erhalten wird, wird durch die Ausdrücke (1) und (4) bestimmt. $OTref = VREGOT \cdot (RLT + Rb) / (Ra + RLT + Rb)$
Auf diese Weise wird der Widerstandswert des variablen Widerstands RLT, mit welchem die Ausgangsspannung VOT einen optimalen Wert hat, von dem gemessenen Wert der Referenzspannung VREGOT berechnet, um einen Abgleichwert des variablen Widerstands RLT zu bestimmen, wodurch das Abgleichen ausgeführt wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist in der vorliegenden Ausführungsform die Wärmeleitungsstruktur 13, die sich von jeder Ausgabekontaktstelle 10 in Richtung der Temperaturschutzschaltung 6 erstreckt, vorgesehen, um Wärme, die an den Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c erzeugt wird, zu der Temperaturschutzschaltung 6 zu leiten. Entsprechend folgt die Temperatur Tlvic der Temperaturschutzschaltung 6 einer vorübergehenden Änderung der Temperatur Tj jeder der Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c, und als eine Folge kann die Temperaturschutzschaltung 6 einen abrupten Anstieg der Temperatur der Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c genau aufnehmen. Somit ist es möglich, selbst in einem Betriebsmodus, wie einem Motorblockierungsbetrieb oder einem Kurzschlussbetrieb, in welchen die Temperatur der Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c steil ansteigt, einen ausreichenden Temperaturschutz zu erzielen und einen Ausfall des Halbleitermoduls zu verhindern.
Zusätzlich kann eine Temperaturschutzeinstellung in einem kundenseitigen System vereinfacht werden, wenn das Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform in verschiedenen Arten von Produkten für eine Consumer-Anwendung, Industrieanwendung oder dergleichen eingebunden ist. Weiter kann die vorliegende Ausführungsform mit einer existierenden Inverter-Modulkonfiguration erzielt werden, und somit kann die Genauigkeit einer Temperaturerfassung des LVICs, der auf einem Inverter-Modul montiert ist, mit geringen Kosten verbessert werden.
6 ist eine Draufsicht, die eine erste Modifikation der Wärmeleitungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Zwei gerade Wärmeleitungsstrukturen 13 überlappen mit der Temperaturschutzschaltung 6 und andere zwei gerade Wärmeleitungsstrukturen 13 sind auf Seiten der Temperaturschutzschaltung 6 vorgesehen. Wenn die Mehrzahl von Wärmeleitungsstrukturen 13 auf diese Weise bereitgestellt wird, wird das Leistungsvermögen einer Wärmeleitung zu der Temperaturschutzschaltung 6 weiter verbessert.
7 ist eine Draufsicht, die eine zweite Modifikation der Wärmeleitungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Eine Wärmeleitungsstruktur 13 umgibt die Temperaturschutzschaltung 6. Die Wärmeleitungsstruktur 13 und die Temperaturschutzschaltung 6 sind voneinander getrennt, und Wärme wird von der Wärmeleitungsstruktur 13 durch das Halbleitersubstrat 12 zu der Temperaturschutzschaltung 6 geleitet. Die Wärmeleitungsstruktur 13 kann eine Seitenoberfläche der Temperaturschutzschaltung 6 durch eine isolierende Schicht berühren. Mit einer solchen Wärmeleitungsstruktur 13 kann Wärme, die an den Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c erzeugt wird, ebenfalls zu der Temperaturschutzschaltung 6 geleitet werden.
8 ist eine Draufsicht, die eine dritte Modifikation der Wärmeleitungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Zwei Wärmeleitungsstrukturen 13 umgeben die Temperaturschutzschaltung 6. Wenn die Mehrzahl von Wärmeleitungsstrukturen 13 auf diese Weise bereitgestellt wird, wird das Leistungsvermögen einer Wärmeleitung zu der Temperaturschutzschaltung 6 weiter verbessert.
Jede Wärmeleitungsstruktur 13 ist nah an der gesamten Temperaturschutzschaltung 6 vorgesehen. In der Konfiguration der Temperaturschutzschaltung 6 in 4 ändern sich jedoch Vorrichtungstemperaturen und charakteristische Werte der Temperatursensordiode D1, der Laser-Abgleichschaltung LT und der Widerstände Ra und Rb mit einer Änderung der Temperatur des Moduls, was zu der Ausgangsspannung VOT beiträgt. Somit wird die Wärmeleitungsstruktur 13 vorzugsweise nah an diesen Teilen bereitgestellt.
Zweite Ausführungsform
9 ist eine Draufsicht, die ein Halbleitermodul gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt. Die Temperaturschutzschaltung 6 ist verglichen mit anderen Schaltungen, wie der in dem LVIC 1 enthaltenen Leistungsabfallschutzschaltung 9, näher an den Ausgabekontaktstellen 10 der Ausgabeeinheiten 5a, 5b und 5c positioniert. Entsprechend wird das Leistungsvermögen einer Wärmeleitung zu der Temperaturschutzschaltung 6 weiter verbessert, und somit kann ein abrupter Anstieg der Temperatur Tj der Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c genauer aufgenommen werden.
Dritte Ausführungsform
10 ist eine Draufsicht, die jede Schaltvorrichtung und die korrespondierende Ausgabeeinheit gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt. Eine Dummy-Kontaktstelle 14 ist neben der Ausgabekontaktstelle 10 der Ausgabeeinheit 5a, 5b oder 5c vorgesehen. Eine Dummy-Kontaktstelle 15 ist neben der Gate-Kontaktstelle 3 der Schaltvorrichtung 2a, 2b oder 2c vorgesehen.
Die Ausgabekontaktstellen 10 der Ausgabeeinheiten 5a, 5b oder 5c sind durch elektrisch leitfähige Drähte 16 mit den Gate-Kontaktstellen 3 der Schaltvorrichtungen 2a, 2b oder 2c verbunden. Die Dummy-Kontaktstelle 14 der Ausgabeeinheit 5a, 5b oder 5c ist durch einen thermisch leitfähigen Draht 17 mit der Dummy-Kontaktstelle 15 der Schaltvorrichtung 2a, 2b oder 2c verbunden.
11 ist eine vergrößerte Draufsicht jeder Ausgabekontaktstelle und der Temperaturschutzschaltung gemäß der dritten Ausführungsform. Die Wärmeleitungsstruktur 13 ist mit der Dummy-Kontaktstelle 14 verbunden. Die Wärmeleitungsstruktur 13 erstreckt sich von der Dummy-Kontaktstelle 14 in Richtung der Temperaturschutzschaltung 6 und leitet Wärme, die an jeder der Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c erzeugt wird, zu der Temperaturschutzschaltung 6. Die übrige Konfiguration ist die gleiche wie diejenigen der ersten und zweiten Ausführungsformen.
Mit der Konfiguration gemäß der vorliegenden Ausführungsform folgt ebenfalls, ähnlich zu den ersten und zweiten Ausführungsformen 1 und 2, die Temperatur Tlvic der Temperaturschutzschaltung 6 einer vorübergehenden Änderung der Temperatur Tj der Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c. Entsprechend kann die Temperaturschutzschaltung 6 einen abrupten Anstieg der Temperatur der Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c genau aufnehmen. Somit ist es möglich, in einem Betriebsmodus, wie dem Motorblockierungsbetrieb oder dem Kurzschlussbetrieb, in welchen die Temperatur der Schaltvorrichtungen 2a, 2b und 2c steil ansteigt, einen ausreichenden Temperaturschutz zu erzielen und einen Ausfall des Halbleitermoduls zu verhindern.
Um eine ausreichende Wärmeleitung auszuführen, ist bevorzugt, dass der Durchmesser jedes thermisch leitfähigen Drahts 17 größer ist als der Durchmesser des korrespondierenden elektrisch leitfähigen Drahts 16 und zum Beispiel 200 bis 500 µm ist. Der thermisch leitfähige Draht 17 und der elektrisch leitfähige Draht 16 bestehen aus Metall, wie Au, Ag oder Cu. Das Material des thermisch leitfähigen Drahts 17 kann jedoch ein elektrisch nicht leitfähiges Element sein, wie thermisch hochleitfähige Feinkeramiken, die AIN als ein repräsentatives Beispiel einschließen. Um weiter eine effiziente Wärmeleitung auszuführen, ist die Wärmeleitungsstruktur 13 vorzugsweise nicht nur mit jeder Dummy-Kontaktstelle 14 sondern auch jeder Ausgabekontaktstelle 10 verbunden.
Vierte Ausführungsform
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Halbleitermodul gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsform, die vorstehend beschrieben sind, in einer elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung eingesetzt. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf eine bestimmte elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung beschränkt, sondern die nachfolgende Beschreibung ist mit einem Fall ausgeführt, in welchem die vorliegende Offenbarung in einem Drei-Phasen-Inverter eingesetzt wird.
12 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung darstellt, in welche das Halbleitermodul gemäß der dritten Ausführungsform eingesetzt wird.
Die elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung weist eine Energiequelle 100, ein Halbleitermodul 101 für eine elektrische Energiewandlung, eine Induktionslast 102, eine Steuerungsschaltung 103 und eine wärmeableitende Lamelle 104 auf. Die Energiequelle 100 ist eine Gleichstromenergiequelle und liefert eine Gleichstromenergie an das Halbleitermodul 101. Die Energiequelle 100 kann von irgendeiner Art sein und kann zum Beispiel ein Gleichstromsystem, eine Solarbatterie oder eine Speicherbatterie sein, oder kann eine Gleichrichtungsschaltung oder ein AC/DC-Wandler sein, der mit einem Wechselstromsystem verbunden ist. Alternativ kann die Energiequelle 100 ein DC/DC-Wandler sein, der eingerichtet ist, eine Gleichstromenergie, die von einem Gleichstromsystem ausgegeben wird, in eine vorbestimmte elektrische Energie zu konvertieren.
Das Halbleitermodul 101 ist ein Drei-Phasen-Inverter, der zwischen der Energiequelle 100 und der Induktionslast 102 angeschlossen ist. Das Halbleitermodul 101 konvertiert eine Gleichstromenergie, die von der Energiequelle 100 bereitgestellt wird, in eine Wechselstromenergie und liefert die Wechselstromenergie an die Induktionslast 102.
Die Induktionslast 102 ist ein Drei-Phasen-Elektromotor, der durch die Wechselstromenergie angetrieben wird, die von dem Halbleitermodul für eine elektrische Energiewandlung bereitgestellt wird. Die Induktionslast 102 ist nicht auf eine bestimmte Nutzung beschränkt sondern ist ein Elektromotor, der auf verschiedene elektrische Instrumente montiert sein und als ein Elektromotor zum Beispiel für ein Hybrid-Automobil, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, einen Aufzug oder eine Klimaanlage verwendet werden kann.
Details des Halbleitermoduls 101 werden nachfolgend beschrieben. Das Halbleitermodul 101 weist eine Schaltvorrichtung, eine Freilaufdiode und einen IC für eine Steuerung derselben auf. Wenn die Schaltvorrichtung geschaltet wird, wird eine Gleichstromenergie, die von der Energiequelle 100 bereitgestellt wird, in die Wechselstromenergie konvertiert und dann an die Induktionslast 102 bereitgestellt. Obwohl das Halbleitermodul 101 verschiedene Arten von bestimmten Schaltungskonfigurationen aufweisen kann, ist das Halbleitermodul 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Zwei-Stufen-Drei-Phasen-Vollbrückenschaltung und kann aus sechs Schaltvorrichtungen und sechs Freilaufdioden, die antiparallel mit den jeweiligen Schaltvorrichtungen verbunden sind, aufgebaut sein. Die sechs Schaltvorrichtungen bilden Ober-Unter-Arme durch eine Serienverbindung jeder von zwei Schaltvorrichtungen, und jeder Ober-Unter-Arm stellt die korrespondierende Phase (U-, V- und W-Phase) der Vollbrückenschaltung bereit. Ausgabeanschlüsse der jeweiligen Ober-Unter-Arme, mit anderen Worten drei Ausgabeanschlüsse des Halbleitermoduls 101 sind mit der Induktionslast 102 verbunden. Das Halbleitermodul gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben sind, wird als das Halbleitermodul 101 eingesetzt.
Der Steuer-IC, der in dem Halbleitermodul 101 enthalten ist, generiert ein Steuersignal, welches jede Schaltvorrichtung steuert, die in dem Halbleitermodul 101 enthalten ist, auf die gleiche Weise. Insbesondere wird das Steuersignal für ein Einschalten der Schaltvorrichtung oder das Steuersignal für ein Abschalten der Schaltvorrichtung an eine Steuerelektrode jeder Schaltvorrichtung gemäß einem Steuersignal von der Steuerungsschaltung 103 ausgegeben, wie nachfolgend zu beschreiben ist. Wenn die Schaltvorrichtung eingeschaltet gehalten wird, ist das Steuersignal ein Spannungssignal („ein“-Signal) gleich oder höher als eine Schwellenwertspannung der Schaltvorrichtung. Wenn die Schaltvorrichtung ausgeschaltet gehalten wird, ist das Steuersignal ein Spannungssignal („aus“-Signal) gleich oder niedriger als die Schwellenwertspannung der Schaltvorrichtung.
Die Steuerungsschaltung 103 steuert jede Schaltvorrichtung des Halbleitermoduls 101, sodass eine gewünschte elektrische Energie an die Induktionslast 102 bereitgestellt wird.
Insbesondere wird eine Zeit („ein“-Zeit), zu welcher jede Schaltvorrichtung des Halbleitermoduls 101 einzuschalten ist, basierend auf einer an die Induktionslast 102 zu liefernden elektrischen Energie berechnet. Zum Beispiel kann das Halbleitermodul 101 durch eine PWM-Steuerung, welche die „ein“-Zeit jeder Schaltvorrichtung gemäß einer auszugebenden Spannung moduliert, gesteuert werden. Ein Steuerkommando (Steuersignal) wird an den Steuer-IC ausgegeben, der in dem Halbleitermodul 101 enthalten ist, sodass zu jedem Zeitpunkt das „ein“-Signal an eine einzuschaltende Schaltvorrichtung ausgegeben wird und das „aus“-Signal an eine abzuschaltende Schaltvorrichtung ausgegeben wird. Der Steuer-IC gibt das „ein“-Signal oder das „aus“-Signal als das Steuersignal gemäß dem Steuersignal an die Steuerelektrode jeder Schaltvorrichtung aus.
Die Wärmeabgabelamelle 104 führt Wärme, die durch das Treiben des Halbleitermoduls 101 erzeugt wird, nach außen ab. Insbesondere wird ein Verbindungsschmiermittel zwischen der Wärmeabgabelamelle 104 und dem Halbleitermodul 101 aufgebracht, Wärme, die durch das Halbleitermodul 101 erzeugt wird, wird durch die Wärmeleitung der Wärmeabgabelamelle 104 und des Verbindungsschmiermittels nach außen abgeführt. Die Wärmeabgabelamelle 104 kann auf einer oder beiden Seitenoberflächen des Halbleitermoduls für eine elektrische Energiewandlung befestigt werden.
Da das Halbleitermodul gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsformen als das Halbleitermodul 101 in der elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, kann die Genauigkeit einer Temperaturschutzfunktion der elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung verbessert werden.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform das Beispiel beschreibt, in welchem die vorliegende Offenbarung in einem Zwei-Stufen-Drei-Phasen-Inverter eingesetzt wird, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt, und die vorliegende Offenbarung kann in verschiedenen Arten von elektrische-Energie-Wandungsvorrichtungen eingesetzt werden. Die elektrische-Energie-Wandungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine zweistufige elektrische-Energie-Wandungsvorrichtung aber kann eine dreistufige oder mehrstufige elektrische-Energie-Wandungsvorrichtung sein, oder die vorliegende Erfindung kann in einem Einphasen-Inverter eingesetzt werden, wenn eine elektrische Energie an eine einphasige Last bereitgestellt wird. Alternativ kann die vorliegende Offenbarung in einem DC/DC-Wandler oder einem AC/DC-Wandler eingesetzt werden, wenn eine elektrische Energie an eine Gleichstromlast oder dergleichen bereitgestellt wird.
Die elektrische-Energie-Wandungsvorrichtung, in welcher die vorliegende Offenbarung eingesetzt wird, ist nicht auf den vorstehend beschriebenen Fall beschränkt, in welchem eine Last ein Elektromotor ist. Zum Beispiel kann die elektrische-Energie-Wandungsvorrichtung als eine Energievorrichtung einer elektrischen Entladungsmaschine, einer Laser-Maschine, einer Induktionsherdvorrichtung oder eines kontaktlosen Energieversorgungssystems verwendet werden oder kann als Spannungsregler eines Solarenergieerzeugungssystems, ein elektrisches Speichersystem oder dergleichen verwendet werden.
Offensichtlich sind angesichts der vorstehenden Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Offenbarung möglich. Es ist deshalb zu verstehen, dass innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche die Erfindung anders als ausdrücklich beschrieben ausgeführt werden kann.
Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-215215 , eingereicht am 24. Dezember 2020, einschließlich Spezifikation, Ansprüchen, Zeichnungen und Zusammenfassung, auf welchen die Priorität der vorliegenden Anmeldung basiert, ist hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2011199150 A [0002]
JP 2020215215 [0050]

Claims

Halbleitermodul, aufweisend: eine Schaltvorrichtung (2a, 2b, 2c), die eine Gate-Kontaktstelle (3) aufweist; eine Ausgabeeinheit (5a, 5b, 5c), die eine Ausgabekontaktstelle (10) aufweist, die durch einen Draht (11) mit der Gate-Kontaktstelle (3) der Schaltvorrichtung (2a, 2b, 2c) verbunden ist, und ein Steuersignal von der Ausgabekontaktstelle (10) an die Schaltvorrichtung (2a, 2b, 2c) ausgibt; eine Temperaturschutzschaltung (6), die eine Temperatur erfasst und einen Schutzbetrieb ausführt; und eine Wärmeleitungsstruktur (13), die mit der Ausgabekontaktstelle (10) verbunden ist, sich von der Ausgabekontaktstelle (10) in Richtung der Temperaturschutzschaltung (6) erstreckt und Wärme, die an der Schaltvorrichtung (2a, 2b, 2c) erzeugt wird, zu der Temperaturschutzschaltung (6) leitet.
Halbleitermodul gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmeleitungsstruktur (13) mit der Temperaturschutzschaltung (6) überlappt.
Halbleitermodul gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmeleitungsstruktur (13) die Temperaturschutzschaltung (6) umgibt.
Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wärmeleitungsstruktur (13) eine Mehrzahl von Wärmeleitungsstrukturen aufweist.
Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Temperaturschutzschaltung (6) verglichen mit anderen Schaltungen näher an der Ausgabekontaktstelle (10) positioniert ist.
Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Draht (11) einen Durchmesser von 200 bis 500 µm aufweist.
Halbleitermodul, aufweisend: eine Schaltvorrichtung (2a, 2b, 2c), die eine Gate-Kontaktstelle (3) und eine erste Dummy-Kontaktstelle (14), die neben der Gate-Kontaktstelle (3) vorgesehen ist, aufweist; eine Ausgabeeinheit (5a, 5b, 5c), die eine Ausgabekontaktstelle (10), die durch einen elektrisch leitfähigen Draht (16) mit der Gate-Kontaktstelle (3) der Schaltvorrichtung (2a, 2b, 2c) verbunden ist, und eine zweite Dummy-Kontaktstelle (15), die neben der Ausgabekontaktstelle (10) vorgesehen und durch einen thermisch leitfähigen Draht (17) mit der ersten Dummy-Kontaktstelle (14) der Schaltvorrichtung (2a, 2b, 2c) verbunden ist, aufweist und ein Steuersignal von der Ausgabekontaktstelle (10) an die Schaltvorrichtung (2a, 2b, 2c) ausgibt; eine Temperaturschutzschaltung (6), die eine Temperatur erfasst und einen Schutzbetrieb ausführt; und eine Wärmeleitungsstruktur (13), die mit der zweiten Dummy-Kontaktstelle (15) verbunden ist, sich von der zweiten Dummy-Kontaktstelle (15) in Richtung der Temperaturschutzschaltung (6) erstreckt und Wärme, die an der Schaltvorrichtung (2a, 2b, 2c) erzeugt wird, zu der Temperaturschutzschaltung (6) leitet.
Halbleitermodul gemäß Anspruch 7, wobei ein Durchmesser des thermisch leitfähigen Drahts (17) größer ist als ein Durchmesser des elektrisch leitfähigen Drahts (16).
Halbleitermodul gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei ein Material des thermisch leitfähigen Drahts (17) ein elektrisch nicht-leitfähiges Element ist.
Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Wärmeleitungsstruktur (13) mit der Ausgabekontaktstelle (10) verbunden ist.
Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wärmeleitungsstruktur (13) aus Metall ausgebildet ist und nicht elektrisch mit der Temperaturschutzschaltung (6) verbunden ist.
Elektrische-Energie-Wandlungsvorrichtung, aufweisend: das Halbleitermodul (101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, das eine Eingangsenergie konvertiert und eine konvertierte Energie ausgibt; und eine Steuerungsschaltung (103), die ein Steuersignal zum Steuern des Halbleitermoduls an das Halbleitermodul ausgibt.