DE10241711A1

DE10241711A1 - Leistungshalbleiterbaugruppe

Info

Publication number: DE10241711A1
Application number: DE2002141711
Authority: DE
Inventors: Kousuke Yoshimura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2003-07-03

Abstract

Eine Leistungshalbleiterbaugruppe weist folgendes auf: eine Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung (2, 3, 4), an der Steuersignale angelegt werden, und Leistungsbauelement-Treiberschaltungen (11 bis 16), um Leistungsbauelemente (17 bis 22) auf der Basis eines Ausgangssignals der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung einzeln zu treiben. Pegelumsetzungsschaltungen (37, 38, 39, 46, 47, 48) sind einzeln zwischen die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und die Leistungsbauelement-Treiberschaltung auf einer P-Seite und zwischen die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und die Leistungsbauelement-Treiberschaltung auf einer N-Seite eingefügt, um GND-Leitungen auf die P-seitigen und N-seitigen Leitungsbauelement-Treiberschaltungen und eine GND-Leitung für die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung elektrisch zu trennen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter, der aus einer integrierten Hochspannungsschaltung (HVIC) besteht, und insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement, das die Funktion hat, gleichzeitig sowohl P-seitige als auch N-seitige Treiber-Leistungsbauelemente zu steuern.
Fig. 10 zeigt ein Schaltbild eines einen Motor treibenden Wechselrichters, der eine klassische Leistungsumformerschaltung ist, und deren Grundoperationen werden nachstehend beschrieben. Leistungsbauelemente 17, 18, 19, 20, 21 und 22 für die U-, V- und W-Phasen sind zwischen einer P-Seite (Hochspannungsseite) und einer N-Seite (Niederspannungsseite) einer den Wechselrichter treibenden. Energiequelle 23 angeschlossen.
Freilaufdioden (FWDs) 31, 32, 33, 34, 35 und 36 sind mit den jeweiligen Leistungsbauelementen parallelgeschaltet. Eingangssignal-Verarbeitungsschaltungen 2, 3 und 4 sind mit einer Steuersignalerzeugungsschaltung 1, wie etwa einem Mikrocomputer verbunden, der Steuersignale für die jeweiligen Leistungsbauelemente erzeugt. Eine Energiequelle 30 speist die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltungen.
Leistungsbauelement-Treiberschaltungen 11, 12, 13, 14, 15 und 16 und zweckgebundene Energiequellen 24, 25, 26, 27, 28 und 29 zum Treiben der Leistungsbauelementen sind für die jeweiligen Phasen angeschlossen. Da das GND-Potential in der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und der Leistungsbauelement-Treiberschaltung jeweils verschieden ist, werden Optokoppler 5, 6, 7, 8, 9 und 10 verwendet, um sie miteinander zu koppeln.
Bei dem in der Praxis verwendeten Wechselrichter werden die P-seitigen Leistungsbauelemente 17, 19 und 21 und die N-seitigen Leistungsbauelemente 18, 20 und 22 für die U-, V- und W-Phasen gesteuert, um die Umschaltung entsprechend einer Antriebsmethode durchzuführen. Dadurch wird eine Motorsteuerung implementiert.
Fig. 11 zeigt ein Beispiel einer Wechselrichterschaltung, die integrierte Hochspannungsschaltungen gemäß dem in Fig. 10 gezeigten Schaltbild verwendet. Die integrierten Hochspannungsschaltungen sind individuell so ausgebildet, daß sie Eingangssignal-Verarbeitungsschaltungen 2 bis 4, Leistungsbauelement-Treiberschaltungen 11 bis 16 und Pegelumsetzungsschaltungen 37, 38 und 39 aufweisen, die jeweils eine Funktion haben, die der eines Optokopplers äquivalent ist. Außerdem ist das gezeigte Beispiel so konfiguriert, daß es integrierte Einchipschaltungen 50, 51 und 52 für die U-, V- und W-Phasen aufweist.
Der aus der integrierten Hochspannungsschaltung gebildete Wechselrichter hat insofern Vorteile im Vergleich mit einem Optokoppler verwendenden Wechselrichter, als die Zuverlässigkeit der Schaltung durch Einfügen der Pegelumsetzung in den Chip verbessert werden kann und als kostengünstigere Systeme bereitgestellt werden können, indem die Anzahl von Energiequellen und die Anzahl von an dem Wechselrichter angebrachten Komponenten verringert werden kann.
Wie Fig. 11 zeigt, benötigt die Schaltung, die nur die externe Energiequelle 30 als treibende Energiequelle verwendet, nur die folgenden zusätzlichen Komponenten: Bootstrap-Dioden 40, 41 und 42 und Bootstrap-Kondensatoren 43, 44 und 45, die als Energiequellen vorgesehen sind, die die Treiberschaltungen 11, 13 und 15 für die P-seitigen Leistungsbauelemente 17, 19 und 21 für die jeweiligen Phasen mit Energie versorgen.
Fig. 12 zeigt eine schematische Ansicht einer Wechselrichterschaltung, die integrierte Hochspannungsschaltungen verwendet. Die Schaltung ist als Beispiel gezeigt, bei dem Steuersignale von einer Wechselrichter-Treibersteuersignal-Erzeugungsschaltung an jeweilige integrierte Hochspannungsschaltungen 50, 51 und 52 in der U-, V- und W-Phase übertragen werden, um Leistungsbauelemente 17, 18, 19, 20, 21 und 22 zu treiben.
Bei dieser Schaltungskonfiguration sind GNDs der jeweiligen integrierten Hochspannungsschaltungen 50 bis 52 und Emitteranschlüsse der jeweiligen Leistungsbauelemente 18, 20, 22 in jeder von der U-, V- und W-Phase verbunden. L1 bis L12 bezeichnen parasitäre Induktivitäten, wie noch beschrieben wird.
Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines Substrats, auf dem die in Fig. 12 gezeigte Schaltung angebracht ist. Bei einer Wechselrichterschaltung unterscheiden sich Standardwerte wie etwa eine Spannung zwischen P und N, ein Leistungsbauelement-Nennstrom und dergleichen in Abhängigkeit von der Anwendung. Im allgemeinen wird der Betrieb der Wechselrichterschaltung, die hohe Spannungen und hohe Ströme verarbeitet, jedoch durch Hochgeschwindigkeitsschalten unter Verwendung von Leistungsbauelementen implementiert.
Daher ist es dringend erforderlich, Energieverluste in dem Wechselrichter selbst so zu reduzieren, daß sie möglichst klein werden. Normalerweise werden die Energieverluste vom Wechselrichter nach außen als Joulesche Wärme abgegeben.
Bei der in Fig. 13 gezeigten Konfiguration ist der Emitter des Leistungsbauelements 18 in der U-Phase mit der GND der integrierten Hochspannungsschaltung und der Anode einer Freilaufdiode 32 über einen Bonddraht verbunden. Er ist ferner durch einen Bonddraht über die Anode der Freilaufdiode 32 mit einer N-Elektrode 54 einer Leiterschiene (PB) verbunden. Verluste in der Wechselrichterschaltung können in zwei Typen eingeteilt werden, und zwar Gleichstromverluste und Schaltverluste.
Die Gleichstromverluste bestehen aus Verlusten, die in dem Leistungsbauelement auftreten, und Verlusten, die in einem Draht, wie etwa einem Bonddraht auftreten. Die in dem Leistungsbauelement auftretenden Verlusten werden dadurch verursacht, daß Strom gleichmäßig von der P-Elektrode zu der N-Elektrode über das P-seitige Leistungsbauelement, die Last (Induktivität) und das N-seitige Leistungsbauelement fließt.
Fig. 14 zeigt einen Strompfad, der die Verluste in dem Leistungsbauelement verursacht. Da die Verluste in dem Draht oder dergleichen in Abhängigkeit von dem Strom und dem elektrischen Widerstandswert bestimmt werden, muß der elektrische Widerstandswert des Drahts mit zunehmendem Strom stärker gesenkt werden.
Die Schaltverluste sind die Summe von Verlusten, die in dem Leistungsbauelement auftreten, wenn das Leistungsbauelement vom EIN- in den AUS-Zustand und vom AUS- in den EIN-Zustand schaltet. Im allgemeinen steigen die Verluste des Leistungsbauelements mit zunehmender Schaltgeschwindigkeit und abnehmender Spannung zwischen P und N.
Deshalb spielt die Reduzierung der Verluste eine wichtige Rolle, wenn die Wechselrichterschaltung in einem Hochspannungs- und Hochstrombereich verwendet wird; es werden also ständig verschiedene Verbesserungen an dem Leistungsbauelement vorgenommen, insbesondere um die Schaltgeschwindigkeit zu verbessern.
Die Leiterschiene verursacht einen Teil der in dem Wechselrichter auftretenden Verluste. Daher muß die Leiterschiene von möglichst dicker und kurzer Gestalt sein, um den elektrischen Widerstandswert zu senken. Das Leistungsbauelement oder andere Komponenten, die die kleinste Größe haben, die erforderlich ist, um den Nennstrom zu gewährleisten, müssen jedoch an einer Baugruppe angebracht sein. In Anbetracht des Vorstehenden kann allgemein die in Fig. 13 gezeigte Gestalt in Betracht gezogen werden.
Bei der N-Elektrode 54 existieren parasitäre Induktivitäten, die mit L7 und L8 bezeichnet sind. Außerdem existieren die mit L1, L2, L3, L4, L5 und L6 bezeichneter parasitären Induktivitäten in den Drahtverbindungen zwischen den Leistungsbauelementen, den Freilaufdioden und den Leiterschienen (PB).
Ferner existieren zwischen einem Punkt A, einem Punkt B und einem Punkt C von jeweiligen GND-Knoten der integrierten Hochspannungstreiberschaltungen 50, 51 und 52 der U-, V-, W-Phase die parasitären Induktivitäten L9, L10 und L11, die in Drahtverbindungen von GND-Anschlüssen der jeweiligen integrierten Hochspannungsschaltungen mit Emitteranschlüssen der integrierten Hochspannungsschaltungen und Leitungsstrukturen eines Substrats 55 gebildet sind.
Ferner existieren die parasitäre Induktivität L12 (zwischen der U-Phase und der V-Phase) und eine parasitäre Induktivität L13 (zwischen der V-Phase und der W-Phase), die in Leitungsstrukturen gebildet sind, die zwischen den GND- Anschlüssen der jeweiligen integrierten Hochspannungsschaltungen eine Verbindung herstellen.
Wenn der Wechselrichterbetrieb in der in Fig. 12 gezeigten Schaltung durchgeführt wird, kann aufgrund der parasitären Induktivitäten L1 bis L13 eine Störung auftreten. Nachstehend wird der Mechanismus des Auftretens einer Störung unter Bezugnahme auf die Fig. 14 und 15 beschrieben.
Wie Fig. 14 zeigt, sind das P-seitige Leistungsbauelement 17 der U-Phase und das N-seitige Leistungsbauelement 20 der V-Phase im EIN-Zustand, und ein Strom fließt durch einen durch Pfeile gezeigten Pfad. Wie Fig. 15 zeigt, wird selbst nach dem Umschalten des P-seitigen Leistungsbauelements 17 der U-Phase vom EIN-Zustand in den AUS-Zustand bewirkt, daß der Strom aufgrund von Energie, die in einer Last 60 einer Induktivität gespeichert ist, weiter fließt.
Dabei ist das N-seitige Leistungsbauelement 18 der U-Phase im AUS-Zustand. Da die Freilaufdiode 32, die mit dem N-seitigen Leistungsbauelement 18 parallelgeschaltet ist, in einem Vorspannungszustand in Durchlaßrichtung in bezug auf den Strom ist, fließt jedoch in diesem Fall der Strom wie folgt durch den Pfad: Last 60 → N-seitiges Leistungsbauelement 20 der V-Phase → parasitäre Induktivität L7 der N-Elektrode → N-seitige Freilaufdiode 32 der U-Phase → Last 60.
Wie ein Vergleich von Fig. 15 mit Fig. 12 zeigt, fließt außerdem auch Strom zu den parasitären Induktivitäten L1, L2, L3, L4, L9, L10 und L12.
Im obigen Fall wird eine Spannung V, die sich gemäß der folgenden Formel ausdrücken läßt, in jeder der Induktivitäten L erzeugt:

V = L × (di/dt)

(wobei "di/dt" = Stromänderungsverhältnis).
Eine Potentialdifferenz tritt also zwischen dem Punkt A des GND-Knotens der integrierten Hochspannungstreiberschaltung 50 der U-Phase und dem Punkt B des GND- Knotens der integrierten Hochspannungstreiberschaltung 51 der V-Phase auf, die in Fig. 12 gezeigt sind. Digitale Steuersignale werden von der in Fig. 12 gezeigten Steuersignalerzeugungsschaltung 1 an die integrierten Hochspannungsschaltungen 50 bis 52 in den jeweiligen Phasen übertragen.
Aufgrund der oben beschriebenen Änderungen des GND-Potentials kann jedoch der Fall eintreten, daß die integrierten Hochspannungsschaltungen 50 bis 52 in den jeweiligen Phasen die Steuersignale fälschlicherweise erkennen, so daß eine Störung verursacht wird.
Die Erfindung gibt eine Leistungshalbleiterbaugruppe an, die imstande ist zu arbeiten, ohne ein fehlerhaftes Erkennen von Steuersignalen zu bewirken, was sonst aufgrund von Änderungen des Massepotentials auftreten kann.
Die Leistungshalbleiterbaugruppe weist folgendes auf: eine Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung, in die Steuersignale eingegeben werden, und Leistungsbauelement-Treiberschaltungen zum Treiben von Leistungsbauelementen. Pegelumsetzungsschaltungen sind einzeln zwischen die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und die Leistungsbauelement-Treiberschaltung auf einer P-Seite und zwischen die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und die Leistungsbauelement-Treiberschaltung auf einer N-Seite eingefügt, um Masseleitungen für die P-seitigen und N-seitigen Leistungsbauelement-Treiberschaltungen und eine Masseleitung für die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung elektrisch zu isolieren bzw. zu trennen.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Leistungshalbleiterbaugruppe gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Leistungshalbleiterbaugruppe gemäß der Erfindung;
Fig. 3 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform einer Leistungshalbleiterbaugruppe gemäß der Erfindung;
Fig. 4 ein Schaltbild einer vierten Ausführungsform einer Leistungshalbleiterbaugruppe gemäß der Erfindung;
Fig. 5 ein Schaltbild einer fünften Ausführungsform einer Leistungshalbleiterbaugruppe gemäß der Erfindung;
Fig. 6 ein Schaltbild einer sechsten Ausführungsform einer Leistungshalbleiterbaugruppe gemäß der Erfindung;
Fig. 7 ein Schaltbild einer Schaltung, die Bootstrap-Energiequellen verwendet, um P-seitige und N-seitige Leistungsbauelement-Treiberschaltungen einzeln mit Energie zu versorgen;
Fig. 8 ein Schaltbild einer Schaltung, die eine Bootstrap-Energiequelle verwendet, um nur eine P-seitige Leistungsbauelement-Treiberschaltung mit Energie zu versorgen;
Fig. 9 ein Schaltbild einer Schaltung, die diskrete Energiequellen verwendet, um P-seitige und N-seitige Leistungsbauelement-Treiberschaltungen einzeln mit Energie zu versorgen;
Fig. 10 ein Schaltbild, das einen Leistungshalbleiter zeigt, der herkömmliche diskrete Komponenten verwendet;
Fig. 11 ein Schaltbild einer Schaltung, bei der der in Fig. 10 gezeigte Leistungshalbleiter durch integrierte Hochspannungsschaltungen ersetzt ist, die eine herkömmliche Halbbrückenkonfiguration haben;
Fig. 12 ein Schaltbild, das parasitäre Induktivitäten zeigt, die in der in Fig. 11 gezeigten Schaltungskonfiguration enthalten sind;
Fig. 13 eine Komponenten enthaltende Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die Leistungshalbleiterbauelemente auf einem Substrat angebracht sind;
Fig. 14 einen Strompfad im Betrieb eines Leistungshalbleiterbauelements; und
Fig. 15 einen Strompfad im Betrieb eines Leistungshalbleiterbauelements.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Die Figur zeigt ein Schaltbild eines einen Motor treibenden Wechselrichters, der drei integrierte Hochspannungsschaltungen 50, 51 und 52 verwendet und bei dem die Erfindung angewandt wird.
Im Vergleich mit dem in Fig. 10 gezeigten herkömmlichen Beispiel sind die Hauptunterschiede wie folgt: Die für jede U-, V- und W-Phase verwendeten Optokoppler 5 bis 10 sind durch Pegelumsetzungsschaltungen 37, 38, 39, 46, 47 und 48 ersetzt; die Leistungsbauelement-Steuerschaltungen bestehen aus integrierten Hochspannungsschaltungen in jeder U-, V- und W-Phase; die Energiequellen der P-seitigen Treiberschaltungen für die U-, V- und W-Phasen sind mit der Bootstrap-Schaltungsmethode aus Kondensatoren 43, 44 und 45 und Dioden 40, 41 und 42 aufgebaut, so daß die Schaltung mit einer kleineren Anzahl von Energiequellen als herkömmlich ausgebildet ist.
Die obige Konfiguration ermöglicht daher gegenüber derjenigen, bei der die Transformator-Methode angewandt wird, die Verringerung der Anzahl von Komponenten, so daß erwartungsgemäß eine Kostensenkung ermöglicht wird. Da die P-seitigen und die N-seitigen Treiberschaltungen an dem gleichen Halbleiter integriert sind, kann die Laufzeitdifferenz zwischen der P-seitigen Treiberschaltung und der N-seitigen Treiberschaltung verringert werden, und die Totzeit des Wechselrichters kann gegenüber der herkömmlichen Schaltung verkürzt werden.
Integrierte Schaltungskonfigurationen mit externer Energiequelle, die die obige Methode anwenden, sind in den Fig. 7, 8 und 9 gezeigt. Diese Figuren zeigen die Konfigurationen zwar nur in der U-Phase; die Konfigurationen in den anderen Phasen sind jedoch gleich.
Wie Fig. 7 zeigt, versorgt eine Energiequelle 30 für eine Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 2 eine P-seitige Leistungsbauelement-Treiberschaltung 11 über eine Bootstrap-Schaltung, die aus einer Diode 91 und einem Kondensator 94 aufgebaut ist, mit Energie. Gleichermaßen wird eine N-seitige Leistungsbauelement-Treiberschaltung 12 über eine Bootstrap-Schaltung, die aus einer Diode 92 und einem Kondensator 95 aufgebaut ist, mit Energie versorgt.
Da weniger Energiequellen verwendet werden, ist also die Anzahl von Komponenten kleiner. Aufgrund der geringeren Anzahl von Energiequellen unterliegt die Konfiguration jedoch Beschränkungen hinsichtlich der Aktivierungsfunktionen, Steuerungsverfahren und dergleichen.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Konfiguration ist eine N-seitige Treiberenergiequelle 25 nur in einer N-seitigen Leistungsbauelement-Treiberschaltung 12 vorgesehen. Eine P-seitige Leistungsbauelement-Treiberschaltung 11 wird dadurch über eine Bootstrap-Schaltung, die aus einer Diode 40 und einem Kondensator 43 aufgebaut ist, mit Energie versorgt.
Bei dieser Konfiguration ist zwar die Wirkung hinsichtlich der Reduzierbarkeit von Komponenten derjenigen der in Fig. 7 gezeigten Schaltung unterlegen; die Beschränkungen hinsichtlich Aktivierungsfunktionen, Steuerungsverfahren und dergleichen sind jedoch geringer. Die Konfiguration in Fig. 1 wendet die oben beschriebene Versorgungsmethode an.
Die in Fig. 9 gezeigte Konfiguration verwendet Energiequellen 24 und 25, die unabhängig voneinander vorgesehen sind, um die jeweiligen P-seitigen und N-seitigen Leistungsbauelement-Treiberschaltungen 11 und 12 mit Energie zu versorgen. Die Konfiguration hat zwar von den oben beschriebenen Konfigurationen die größte Anzahl von Komponenten, zeichnet sich jedoch dadurch aus, daß sie keinen Beschränkungen hinsichtlich der Aktivierungsfunktionen, Steuerungsverfahren und dergleichen unterliegt, so daß sie sehr gut brauchbar ist.
Nachstehend wird der Betrieb der in dem Schaltbild von Fig. 1 gezeigten Schaltung beschrieben. Steuersignale zum Steuern des einen Motor treibenden Wechselrichters werden in der Steuersignalerzeugungsschaltung 1 erzeugt. Die Steuersignale werden dann in die integrierten Hochspannungsschaltungen 50, 51 und 52 eingeführt. In diesen integrierten Hochspannungsschaltungen ist eine gemeinsame Energiequelle 30 mit Eingangssignal-Verarbeitungsschaltungen 2, 3 und 4 verbunden. Energiequellen 25, 27 und 29 sind mit den N-seitigen Leistungsbauelement-Treiberschaltungen 12, 14 bzw. 16 einzeln verbunden.
Dabei wird Energie der P-seitigen Leistungsbauelement-Treiberschaltung 11 in der integrierten Hochspannungsschaltung 50 für die U-Phase von der Energiequelle 25 für die N-seitige Leistungsbauelement-Treiberschaltung 12 über eine Bootstrap- Schaltung aus einer Diode 40 und einem Kondensator 43 zugeführt. Ebenso wird Energie jeder der anderen integrierten Hochspannungsschaltungen, d. h. den integrierten Hochspannungsschaltungen 51 und 52 in der V- und W-Phase zugeführt.
Die U-, V- und W-Phasen haben die gleiche Schaltungskonfiguration und wirken auf die gleiche Weise. Nachstehend wird der Betrieb der U-Phase als ein repräsentatives Beispiel im einzelnen beschrieben. An die integrierte Hochspannungsschaltung 50 angelegte Signale werden in der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 2 verarbeitet und dann separat in Pegelumsetzungsschaltungen 37 und 46 eingeführt.
Das an die N-seitige Pegelumsetzungsschaltung 46 angelegte Signal ist ein Signal, das eine Spannungsamplitude hat, wobei die Seite (GND) der Energiequelle 30 mit negativer Polarität als Bezugspotential vorgegeben ist. Das Signal erfährt eine Pegelumsetzung zu einem Signal, das eine Spannungsamplitude hat, wobei die Seite der Energiequelle 25 mit negativer Polarität als Bezugspotential vorgegeben ist. Dann unterzieht die P-seitige Pegelumsetzungsschaltung 37 das Eingangssignal einer Pegelumsetzung in ein Signal, das eine Spannungsamplitude hat, wobei die Seite des Kondensators 43 mit negativer Polarität als Bezugspotential vorgegeben ist.
In dem in Fig. 1 gezeigten Schaltbild sind parasitäre Induktivitäten, die in der Baugruppe vorhanden sind, mit L7 und L8 in dem Pfad von einem N-Anschluß zu den Leistungsbauelementen der U-Phase- und W-Phase bezeichnet. Wenn das Leistungshalbleiterbauelement eine Schaftoperation ausführt, fließt ein Motorlaststrom zu den oben genannten parasitären Induktivitäten, und Spannungen treten entsprechend dem Verhältnis di/dt zum Zeitpunkt der Laststromumschaltung auf.
Dadurch treten Potentialdifferenzen in Bereichen auf, die beispielsweise folgendes umfassen: Bereiche an den jeweiligen Seiten der Energiequellen 25, 27 und 29 mit negativer Polarität, die mit den N-Seiten der U-, V- und W-Phasen verbunden sind; Bereiche an den Emitteranschlußseiten der Leistungsbauelemente 32, 34 und 36; und die Knoten an den GND-Seiten der N-seitigen Leistungsbauelement-Treiberschaltungen 12, 14 und 16 der integrierten Hochspannungsschaltungen 50, 51 und 52.
Da jedoch die Pegelumsetzungsschaltung 46 so wirksam ist, daß sie die GND der N-seitigen Leistungsbauelement-Treiberschaltung 12 (d. h. das N-seitige Potential in jeder von den jeweiligen Phasen) gegenüber der GND der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 2 elektrisch isoliert, wird der GND-Knoten der integrierten Hochspannungsschaltung 50, die mit der negativen Elektrode der Energiequelle 30 für die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 2 verbunden ist, nicht durch Änderungen des N-seitigen Potentials beeinflußt, die beim Betrieb des Leistungsbauelements auftreten können. Infolgedessen tritt darin keine Störung auf. Das gleiche gilt auch für jede der anderen integrierten Hochspannungsschaltungen.

Zweite Ausführungsform

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Wie im Fall von Fig. 1 wird nachstehend nur die U-Phase beschrieben, da die U-, V- und W-Phasen die gleichen Funktionen wie in Fig. 1 haben. Bei der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration sind logische Filter/RS-Halteschaltungen 71 und 72 in Ausgangsstufen der Pegelumsetzungsschaltungen 37 bzw. 46 eingefügt.
Aufgrund des Betriebs des Leistungsbauelements variieren Klemmenspannungen der Energiequelle 25 und des Kondensators 45; und wenn die Spannungen abrupt variieren, tritt eine Störung der Pegelumsetzungsschaltungen 46 und 37 auf. Jede logische Filter/RS-Halteschaltung 71 und 72 entfernt jedoch ein fehlerhaftes Signal, das von der Pegelumsetzungsschaltung abgegeben worden ist, so daß dadurch eine Störung des Leistungsbauelements verhindert wird.

Dritte Ausführungsform

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Bei der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration ist eine Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltung 73 in eine Eingangsstufe der Pegelumsetzungsschaltungen eingefügt. Wenn die Pegelumsetzungsschaltungen 37 und 46 die von der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung 2 empfangenen spannungsverstärkten Signale verarbeiten, steigt der Stromverbrauch beim Betrieb der Pegelumsetzungsschaltungen.
Deshalb wird das spannungsverstärkte Signal in der Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltung 73 in ein Impulssignal umgewandelt, und das Impulssignal wird von der Pegelumsetzungsschaltung einer Pegelumsetzung unterzogen. Durch die oben beschriebene Schaltungskonfiguration ist es möglich, den Stromverbrauch in den Pegelumsetzungsschaltungen zu senken.

Vierte Ausführungsform

Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Bei der in Fig. 4 gezeigten Konfiguration wird anstelle der in Fig. 3 gezeigten Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltung 73 eine Strom-Impulsfolge-Umwandlungs/Impuls-Anlegeschaltung 74 verwendet. Während die Pegelumsetzungsschaltungen 37 und 46 zum Übertragen des EIN- oder AUS-Zustands im EIN- oder AUS-Zustand gehalten werden, legt die Strom-Impulsfolge-Umwandlungs/Impuls-Anlegeschaltung 74 periodisch Impulssignale an die Pegelumsetzungsschaltungen 37 und 46 an. Selbst wenn also die Klemmenspannungen der Energiequelle 25 und des Kondensators 43 variieren, können Störungen, die in den Pegelumsetzungsschaltungen 46 und 37 auftreten, verhindert werden.

Fünfte Ausführungsform

Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. Bei der in Fig. 5 gezeigten Konfiguration sind die drei integrierten Hochspannungsschaltungen 50, 51 und 52, die jeweils eine Halbbrückenkonfiguration haben und die bei der in Fig. 1 gezeigten Konfiguration verwendet werden, zu einer integrierten Hochspannungsschaltung 53 integriert.

Sechste Ausführungsform

Fig. 6 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung. Bei der in Fig. 6 gezeigten Konfiguration sind P-seitige und N-seitige Fo-Signalausgangsanschlüsse (Fehlersignalausgangsanschlüsse) hinzugefügt. Die Fo-Signalausgangsanschlüsse übertragen abnormale Signale, die von Leistungsbauelement-Treiber/-Schutzschaltungen 11A und 12A in den integrierten Hochspannungsschaltungen an Steuerschaltungen in der Ausgangsstufe abgegeben worden sind.
Die Leistungsbauelement-Treiber/-Schutzschaltung ist so ausgebildet, daß sie zusätzlich eine Schutzschaltung aufweist, um aufgrund des Detektierens von beispielsweise einem Kurzschluß, einer Überlastung, einer Überspannung und einer Übertemperatur in dem Leistungsbauelement ein Abnormalsignal abzugeben.
In jeweiligen Signalübertragungsbahnen, die dazu dienen, die Fo-Signale abzugeben, sind Pegelumsetzungsschaltungen 76 und 79 zur Pegelumsetzung des Abnormalsignals auf einen gewünschten Pegel und Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltungen 77 und 80 vorgesehen. Jede der Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltungen hat die gleiche Funktion wie die Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltung 73, die bei der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration verwendet wird.
Auch in diesem Fall kann eine Störung aufgrund von Potentialänderungen in der N-seitigen Energiequelle 25 und dem P-seitigen Kondensator 43 auftreten. Um eine Störung zu verhindern, sind logische Filter/RS-Halteschaltungen 75 und 78 in Ausgangsstufen der jeweiligen Pegelumsetzungsschaltungen 76 und 79 vorgesehen. Jede der logische Filter/RS-Halteschaltungen hat die gleiche Funktion wie diejenigen, die bei der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration gezeigt sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Pegelumsetzungsschaltung zwischen die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und jede der P-seitigen und Nseitigen Leistungsbauelement-Treiberschaltungen eingefügt. Selbst wenn ein Rauschen oder dergleichen auf der GND-Leitung auf der N-Seite (untere Seite) überlappt, kann dabei eine Störung verhindert werden, bei der ein Signal von der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung aufgrund des Rauschens oder dergleichen fälschlich erkannt wird, da die GND-Leitung gegenüber der GND-Leitung für die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung getrennt bzw. isoliert ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung können eine Energiequellenleitung für die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und Energiequellenleitungen für die P-seitigen und N-seitigen Treiberschaltungen elektrisch getrennt bzw. isoliert sein. Da die isolierte Energiequellenschaltung keine Bootstrap-Schaltung ist, sondern beispielsweise aus einem Transformator besteht, treten dabei keine für eine Bootstrap- Schaltung spezifischen Probleme, wie etwa Beschränkungen hinsichtlich der Anfangsladung und der Steuerungsmethoden auf. Da außerdem die Energiequellenschaltung mit einer Transformator-Methode kombiniert sein kann, kann ein kostengünstiges Verfahren selektiv implementiert werden, wobei gleichzeitig das Ausmaß der Rauschen verursachenden Störung minimiert wird.
Ferner kann ein dritter Aspekt der Erfindung eine Konfiguration haben, bei der sämtliche Energiequellenleitungen für die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und die P-seitigen und N-seitigen Treiberschaltungen elektrisch getrennt bzw. isoliert sind. Da die isolierte Energiequellenschaltung keine Bootstrap-Schaltung ist, sondern aus einem Transformator oder dergleichen besteht, treten dabei keine für eine Bootstrap-Schaltung spezifischen Probleme wie etwa Beschränkungen hinsichtlich der Anfangsladung und der Steuerungsmethoden auf. Es kann also ein stabiler Betrieb erwartet werden.
Außerdem kann ein vierter Aspekt der Erfindung eine Konfiguration haben, die Halteschaltungen aufweist, die jeweils eine Funktion haben, bei der dann, wenn ein fehlerhaftes Signal, das gleichzeitig die P-seitigen und die N-seitigen Treiber-Leistungsbauelemente einschaltet, von einer externen Quelle in die Eingangssignal- Verarbeitungsschaltung eingeführt wird, die Funktion das fehlerhafte Signal un gültig macht. Durch diese Konfiguration ist es möglich, einen Kurzschluß in dem P/N-seitigen Leistungsbauelement zu verhindern.
Ferner kann ein fünfter Aspekt der Erfindung eine Konfiguration haben, die logische Filter/RS-Halteschaltungen aufweist, die jeweils in der Ausgangsstufe der Pegelumsetzungsschaltung vorgesehen sind. Durch diese Konfiguration ist es möglich, ein fehlerhaftes Signal zu entfernen, das von der Pegelumsetzungsschaltung aufgrund von Potentialänderungen der Energiequelle und der GND abgegeben wird.
Außerdem kann ein sechster Aspekt der Erfindung eine Konfiguration haben, die eine Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltung aufweist, die mit einer Ausgangsstufe der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung verbunden ist, um ein spannungsverstärktes Signal, das von der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung abgegeben wird, in eine Strom-Impulsfolge umzuwandeln. Durch diese Konfiguration ist es möglich, den Stromverbrauch in den Pegelumsetzungsschaltungen zu senken.
Ferner kann ein siebter Aspekt der Erfindung eine Konfiguration haben, die Impulsanlegefunktionen aufweist, die jeweils in der Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltung vorgesehen sind, um Impulssignale periodisch in die Pegelumsetzungsschaltung einzuführen, während gleichzeitig die Pegelumsetzungsschaltung in einem EIN- oder AUS-Zustand gehalten wird. Selbst wenn die Klemmenspannung der Energiequelle oder dergleichen entsprechend dem Betrieb jedes Leistungsbauelements variiert, kann eine fehlerhafte Erkennung in der Pegelumsetzungsschaltung verhindert werden, und daher kann eine Störung verhindert werden.
Außerdem kann ein achter Aspekt der Erfindung eine Konfiguration haben, die Schutzschaltungen aufweist, die jeweils dazu dienen, eine Abnormalität, wie etwa einen Kurzschluß, eine Überlastung oder eine Überspannung in dem P-seitigen oder N-seitigen Treiber-Leistungsbauelement zu detektieren, wobei Detektiersignale von den Schaltungen über zweite Pegelumsetzungsschaltungen an externe Steuerschaltungen abgegeben werden. Bei dieser Konfiguration kann eine Abnormalität, die in dem Leistungsbauelement auftritt, zuverlässig detektiert werden.
Ferner kann ein neunter Aspekt der Erfindung eine Konfiguration haben, die Strom- Impulsfolge-Umwandlungsschaltungen aufweist, die jeweils in einer Eingangsstufe der zweiten Pegelumsetzungsschaltung vorgesehen sind, um ein von der Schutzschaltung abgegebenes spannungsverstärktes Signal in eine Strom-Impulsfolge umzuwandeln. Durch diese Konfiguration ist es möglich, den Stromverbrauch in der zweiten Pegelumsetzungsschaltung zu senken.
Außerdem kann ein zehnter Aspekt der Erfindung eine Konfiguration haben, die logische Filter/RS-Halteschaltungen aufweist, die jeweils in einer Ausgangsstufe der zweiten Pegelumsetzungsschaltung vorgesehen sind, um ein fehlerhaftes Signal zu entfernen, das von der zweiten Pegelumsetzungsschaltung aufgrund von Potentialänderungen der Energiequelle und der GND abgegeben wird. Ein fehlerhaftes Signal, das von der Pegelumsetzungsschaltung aufgrund von Potentialänderungen der Energiequelle und der GND abgegeben wird, kann also entfernt werden.
Ferner kann ein elfter Aspekt der Erfindung so konfiguriert sein, daß eine Vielzahl von Kombinationen der P-seitigen und N-seitigen Treiberschaltungen in einem Leistungshalbleiterbauelement integriert sind. Dadurch kann die Substratanbringfläche verkleinert werden, so daß die Kosten gesenkt werden können.

Claims

1. Leistungshalbleiterbaugruppe, gekennzeichnet durch
eine Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung (2, 3, 4), an die Steuersignale angelegt werden,
Leistungsbauelement-Treiberschaltungen (11 bis 16) zum Treiben von Leistungsbauelementen (17 bis 22) auf der Basis eines Ausgangssignals der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und
Pegelumsetzungsschaltungen (37, 38, 39, 46, 47, 48), die einzeln zwischen die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung (2, 3, 4) und die Leistungsbauelement-Treiberschaltung (11 bis 16) auf einer P-Seite und zwischen die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung und die Leistungsbauelement-Treiberschaltung auf einer N-Seite eingefügt sind, um Masseleitungen für die P-seitigen und N-seitigen Leistungsbauelement-Treiberschaltungen und eine Masseleitung für die Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung elektrisch zu isolieren bzw. zu trennen.

2. Leistungshalbleiterbaugruppe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein logisches Filter und RS-Halteschaltungen (71, 72), die jeweils in einer der Pegelumsetzungsschaltung (37, 46) nachgeschalteten Stufe vorgesehen sind, um ein fehlerhaftes Signal zu entfernen, das von der Pegelumsetzungsschaltung aufgrund von Potentialänderungen der Energiequelle und von Masse abgegeben wird.

3. Leistungshalbleiterbaugruppe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltung (73), die mit dem Ausgang der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung (2) verbunden ist, um ein spannungsverstärktes Signal, das von der Eingangssignal-Verarbeitungsschaltung (2) abgegeben wird, in eine Strom-Impulsfolge umzuwandeln.

4. Leistungshalbleiterbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltung (74) Impulsanlegefunktionen hat, um Impulssignale periodisch an die Pegelumsetzungsschaltung (37, 46) anzulegen, während gleichzeitig die Pegelumsetzungsschaltung (37, 46) in einem EIN- oder AUS-Zustand gehalten wird.

5. Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Schutzschaltungen (11A, 12A), die jeweils eine Abnormalität von einem von einem Kurzschluß, einer Überlastung und einer Überspannung in dein P-seitigen oder N-seitigen Treiber-Leistungsbauelement detektieren, wobei Detektiersignale von den Schaltungen über zweite Pegelumsetzungsschaltungen (76) an externe Steuerschaltungen abgegeben werden.

6. Leistungshalbleiterbaugruppe nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Strom-Impulsfolge-Umwandlungsschaltungen (77), die jeweils in einer der zweiten Pegelumsetzungsschaltung (76) vorgeschalteten Stufe vorgesehen sind, um ein spannungsverstärktes Signal, das von der Schutzschaltung (11A, 12A) abgegeben wird, in eine Strom-Impulsfolge umzuwandeln.

7. Leistungshalbleiterbaugruppe nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch ein logisches Filter und RS-Halteschaltungen (75), die jeweils in einer der zweiten Pegelumsetzungsschaltung (76) nachgeschalteten Stufe vorgesehen sind, um ein fehlerhaftes Signal zu entfernen, das von der zweiten Pegelumsetzungsschaltung (76) aufgrund von Potentialänderungen der Energiequelle und von Masse abgegeben wird.

8. Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kombinationen der P-seitigen und N-seitigen Treiberschaltungen in einer Leistungshalbleiterbaugruppe integriert sind.