DE112014006353B4 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

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Abstract

Leistungshalbleitermodul (100, 400(a), 400(b), 400(c), 500), Folgendes umfassend:positive/negative Zweige als einen positiven Zweig und einen negativen Zweig, die durch eine Reihenschaltung von Halbleiterelementen (6) des lichtbogenselbstlöschenden Typs gebildet sind, wobei der positive Zweig und der negative Zweig an einer Reihenanschlussstelle zwischen den Halbleiterelementen (6) des lichtbogenselbstlöschenden Typs angeschlossen sind;eine positivseitige Elektrode (10), eine negativseitige Elektrode (11) und eine Wechselstromelektrode (12), die an den positiven Zweig und den negativen Zweig angeschlossen sind; undein Substrat (2), auf dem ein Verdrahtungsmuster (3, 4) ausgebildet ist, wobei das Verdrahtungsmuster (3, 4) die Halbleiterelemente (6) des lichtbogenselbstlöschenden Typs des positiven Zweigs und des negativen Zweigs an die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) anschließt,wobei die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) jeweils einen parallelen Flächenabschnitt haben, der parallel zu einer Fläche des Substrats (2) angeordnet ist, auf dem das Verdrahtungsmuster (3, 4) ausgebildet ist,wobei das Substrat (2) und der parallele Flächenabschnitt der positivseitigen Elektrode (10), der negativseitigen Elektrode (11) und der Wechselstromelektrode (12) jeweils voneinander isoliert sind, wobei ein Dichtungsmaterial (50) dazwischen eingesetzt ist,wobei die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) voneinander isoliert und so angeordnet sind, dass zwei, die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) oder die Wechselstromelektrode (12), einander in einem Abstand voneinander zugewandt sind,wobei die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) jeweils einen vertikalen Flächenabschnitt hat, der vertikal zu der Fläche des Substrats (2) angeordnet ist, auf dem das Verdrahtungsmuster (3, 4) ausgebildet ist,der vertikale Flächenabschnitt der positivseitigen Elektrode (10) dem vertikalen Flächenabschnitt der negativseitigen Elektrode (11) zugewandt und parallel zu diesem angeordnet ist, undder parallele Flächenabschnitt der Wechselstromelektrode (12) dem parallelen Flächenabschnitt der positivseitigen Elektrode (10) und dem parallelen Flächenabschnitt der negativseitigen Elektrode (11) zugewandt und parallel zu diesem angeordnet ist,wobei die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) jeweils hat: einen Anschlussabschnitt (40, 41, 42), der an eine externe Schaltung angeschlossen ist; und mehrere Zweigelektrodenabschnitte, die jeweils an das Verdrahtungsmuster (3, 4) angeschlossen und vom parallelen Flächenabschnitt abgezweigt sind,jeder der Zweigelektrodenabschnitte einen flachen Ebenenabschnitt hat, der koplanar zum parallelen Flächenabschnitt ist,das Substrat (2) vom parallelen Flächenabschnitt jeder der positivseitigen Elektrode (10), negativseitigen Elektrode (11) und Wechselstromelektrode (12) isoliert ist,der parallele Flächenabschnitt jeder der positivseitigen Elektrode (10), negativseitigen Elektrode (11) und Wechselstromelektrode (12) auf dem Substrat (2) angeordnet ist,der Zweigelektrodenabschnitt der positivseitigen Elektrode (10) und der Zweigelektrodenabschnitt der Wechselstromelektrode (12) voneinander isoliert sind, zumindest teilweise in der Form identisch sind, und einander zugewandt angeordnet sind, undder Zweigelektrodenabschnitt der negativseitigen Elektrode (11) und der Zweigelektrodenabschnitt der Wechselstromelektrode (12) voneinander isoliert sind, zumindest teilweise in der Form identisch sind, und einander zugewandt angeordnet sind,wobei jeder der mehreren Zweigelektrodenabschnitte, die in jeweils der positivseitigen Elektrode (10), der negativseitigen Elektrode (11) und der Wechselstromelektrode (12) enthalten sind, in einer V-Form ausgebildet ist, die sich als Beginnpunkt von einer längeren Seite einer entsprechenden positivseitigen Elektrode (10), negativseitigen Elektrode (11) und Wechselstromelektrode erstreckt (12), zum Ausgleich der Strompfadlänge vom positiven Elektrodenanschluss (40) und negativen Elektrodenanschluss (41) zu den Verdrahtungsmustern (3, 4).

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Struktur zum Reduzieren einer Induktivität in einem Leistungshalbleitermodul.
  • Stand der Technik
  • Bei einem Leistungshalbleitermodul des Isolationstyps, das in einer Energieumwandlungsvorrichtung wie etwa einem Wechselrichter verwendet wird, ist ein Verdrahtungsmuster auf einer Metallplatte ausgebildet, die als Wärmestrahlungsplatte dient, wobei ein Isoliersubstrat dazwischen eingesetzt ist. Auf diesem Verdrahtungsmuster ist ein Leistungshalbleiterelement vorgesehen und mit einem Drahtanschluss o. dgl. an einen Elektrodenanschluss angeschlossen. Dieses Leistungshalbleiterelement ist mit Harz versiegelt.
  • In dem Leistungshalbleitermodul, das einen Schaltbetrieb bei einem starken Strom und einer hohen Spannung durchführt, wird eine Stoßspannung ΔV = L·di/dt an das Leistungshalbleiterelement entsprechend einer Stromveränderungsrate di/dt des Stroms, der erzielt wird, wenn das Leistungshalbleiterelement ausgeschaltet wird, und entsprechend einer Verdrahtungsinduktivität L angelegt, die in der Energieumwandlungsvorrichtung enthalten ist. Wenn die Verdrahtungsinduktivität relativ groß ist, entsteht eine die Stehspannung des Leistungshalbleiterelements übersteigende Stoßspannung, was zum Bruch des Leistungshalbleiterelements führen kann. Entsprechend muss die Induktivität der Energieumwandlungsvorrichtung gesenkt werden, und auch die Induktivität des Leistungshalbleitermoduls muss gesenkt werden.
  • Das Leistungshalbleitermodul, das einen positiven Zweig und einen negativen Zweig hat, die in seinem Gehäuse vorgesehen sind, umfasst Elemente, die eine relativ große Induktivität aufweisen. Bei diesen Elementen kann es sich um ein positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Ausgangs-(Wechselstrom-(AC)-)-Elektrode handeln, die an eine externe Schaltung angeschlossen sind.
  • Somit werden in den letzten Jahren Elektroden, die in einem Modul vorgesehen sind, gestapelt, so dass ein Magnetfluss zwischen den Elektroden, wenn ein Strom diese durchfließt, aufgehoben wird, wodurch eine Induktivitätsreduktion bewerkstelligt wird (zum Beispiel Patentschrift 1).
  • Die US 2007 / 0 051 974 A1 beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit einer ersten, zweiten und dritten Gruppe von Halbleiterbauelementen, wobei die zweite Gruppe zwischen der ersten und der dritten Gruppe angeordnet ist.
  • Aus der US 2010 / 0 148 298 A1 geht ein Halbleitermodul hervor, das zwei Halbleiterchips aufweist, die parallel und in einer Ebene angeordnet sind.
  • Die US 2012 / 0 188 712 A1 offenbart ein Leistungsmodul, das Halbleitermodule aufweist, wobei die Halbleitermodule an Seiten eines Kühlers angeordnet sind.
  • Die US 2007 / 0 119 820 A1 beschreibt ein Leistungsmodul mit mehreren elektrischen Kreisen, wobei die Kreise über Terminals verfügen und elektrisch und mechanisch über zumindest einen elektrisch leitenden Sattel angeordnet bzw. angeschlossen sind, um die Größe des Moduls zu reduzieren.
  • Aus der EP 0 597 144 A1 geht eine kompakte und mit geringem Material- und Zeitaufwand herzustellende hybride leistungselektronische Anordnung hervor. Anführungsliste
  • Patentschrift 1: JP 3 692 906 B2 (Seite 4, 1)
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Das herkömmliche Leistungshalbleitermodul ist jedoch so ausgelegt, dass eine P-Energieleitung als positive Elektrode, eine N-Energieleitung als negative Elektrode und eine Ausgangsleitung U als Ausgangselektrode in der Reihenfolge P-U-N gestapelt sind. In diesem Fall ist die Richtung des Magnetflusses, der durch den durch die Ausgangsleitung U fließenden Strom erzeugt wird, entgegengesetzt zu der Richtung des Magnetflusses, der durch den durch die P-Energieleitung oder N-Energieleitung fließenden Strom in der Richtung erzeugt wird, die zu derjenigen des durch die Ausgangsleitung U fließenden Stroms entgegengesetzt ist. Entsprechend werden diese Magnetflüsse aufgehoben und dadurch gesenkt, so dass die Induktivität reduziert wird. Der Magnetfluss wird zwischen P-U und zwischen U-N wirksam aufgehoben, so dass die Induktivität reduziert werden kann. Allerdings führt die zwischen P-N bestehende Ausgangsleitung U zu einem Problem, dass die Wirkung, einen Magnetfluss aufzuheben, gesenkt ist, wodurch die Wirkung gesenkt wird, eine Induktivität zu reduzieren.
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, in dem ein Bruch eines Leistungshalbleiterelements durch eine Stoßspannung unterbunden werden kann, indem eine Induktivität zwischen allen Verdrahtungsleitungen reduziert wird.
  • Problemlösung
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegestand der Unteransprüche.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die positivseitige Elektrode, die negativseitige Elektrode und die Wechselstromelektrode so angeordnet, dass eine dieser Elektroden jeweils den zwei anderen Elektroden zugewandt ist. Dementsprechend wird die Richtung von di/dt umgekehrt, und der Magnetfluss zwischen der positivseitigen Elektrode und der Wechselstromelektrode, die einander zugewandt sind, zwischen der Wechselstromelektrode und der negativseitigen Elektrode, die einander zugewandt sind, und zwischen der positivseitigen Elektrode und der negativseitigen Elektrode, die einander zugewandt sind, wird aufgehoben. Folglich kann eine Induktivität zwischen den einander zugewandten Elektroden reduziert werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines Leistungshalbleitermoduls nach der ersten Ausführungsform - nicht anspruchsgemäß.
    • 2 ist eine Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der ersten Ausführungsform, von dem eine Elektrode entfernt ist.
    • 3 ist eine Außendraufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der ersten Ausführungsform.
    • 4 ist ein Ersatzschaltungsschema des Leistungshalbleitermoduls nach der ersten Ausführungsform.
    • 5 ist ein Schaltbetriebschaltungsschema eines Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf der Seite eines positiven Zweigs in einer 2-Stufen-Schaltung des Leistungshalbleitermoduls nach der ersten Ausführungsform.
    • 6 ist ein Schaltungsschema, das eine Kommutierungsschleife während des Schaltbetriebs des Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf der Seite eines positiven Zweigs im Leistungshalbleitermodul nach der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 7 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen einander zugewandten Elektroden während des Entstehens der in 6 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt.
    • 8 ist eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines Leistungshalbleitermoduls nach der zweiten Ausführungsform - nicht anspruchsgemäß.
    • 9 ist ein Ersatzschaltungsschema des Leistungshalbleitermoduls in dem Fall, in dem zwei Isoliersubstrate als ein positiver Zweig und ein negativer Zweig im Leistungshalbleitermodul nach der zweiten Ausführungsform vorgesehen sind.
    • 10 ist ein Schaltbetriebschaltungsschema eines Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf der Seite eines positiven Zweigs in einer 2-Stufen-Schaltung nach der zweiten Ausführungsform.
    • 11 ist ein Schaltungsschema, das eine Kommutierungsschleife während des Schaltbetriebs des Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf der Seite eines positiven Zweigs im Leistungshalbleitermodul nach der zweiten Ausführungsform zeigt.
    • 12 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen einander zugewandten Elektroden während des Entstehens der in 11 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt.
    • 13 ist eine Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines Leistungshalbleitermoduls nach der anspruchsgemäßen dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 14 ist eine Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, von dem eine Elektrode entfernt ist.
    • 15 ist eine Außendraufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 16 ist eine schematische Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den Fall zeigt, in dem ein Schlitz in einem Zweigelektrodenabschnitt des Leistungshalbleitermoduls vorgesehen ist.
    • 17 ist ein Schaltungsschema, das eine Kommutierungsschleife während des Schaltbetriebs eines Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs in einer 3-Stufen-Schaltung eines Leistungshalbleitermoduls nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 18 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen einander zugewandten Elektroden in einem Leistungshalbleitermodul 400(c) während des Entstehens der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt.
    • 19 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen einander zugewandten Elektroden in einem anderen Leistungshalbleitermodul 400(c) während des Entstehens der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt.
    • 20 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen einander zugewandten Elektroden in noch einem anderen Leistungshalbleitermodul 400(a) während des Entstehens der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt.
    • 21 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen einander zugewandten Elektroden in noch einem anderen Leistungshalbleitermodul 400(a) während des Entstehens der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Erste Ausführungsform - nicht anspruchsgemäß
  • 1 ist eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines Leistungshalbleitermoduls nach der ersten Ausführungsform. 1(a) zeigt eine schematische Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul 100. 1(b) zeigt eine schematische Seitenansicht von der B-Seite in 1(a) her gesehen. 1(c) zeigt eine schematische Seitenansicht von der A-Seite in 1(a) her gesehen. 2 ist eine Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der ersten Ausführungsform, von dem eine Elektrode entfernt ist. 3 ist eine Außendraufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der ersten Ausführungsform. In diesem Fall ist die von der B-Seite her gesehene Richtung als B-Richtung definiert, und die von der A-Seite her gesehene Richtung ist als A-Richtung definiert.
  • In 1 bis 3 umfasst das Leistungshalbleitermodul 100 nach der ersten Ausführungsform eine Grundplatte 1, ein Kollektor-(Drain)-Verdrahtungsmuster 3, ein Emitter-(Source)-Verdrahtungsmuster 4, ein keramisches Isoliersubstrat 5, ein Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, eine Rücklaufdiode 7, ein Lötmittel 9, eine positive Elektrode 10, die als positivseitige Elektrode dient, eine negative Elektrode 11, die als negativseitige Elektrode dient, eine Wechselstromelektrode 12, einen Anschlussdraht 21, einen positiven Elektrodenanschluss 40, der als Anschlussabschnitt der positiven Elektrode 10 dient, einen negativen Elektrodenanschluss 41, der als Anschlussabschnitt der negativen Elektrode 11 dient, einen Wechselstromanschluss 42, der als Anschlussabschnitt der Wechselstromelektrode 12 dient, ein Dichtungsmaterial 50, ein Gehäuse 51, eine Abdeckung 52 und eine Schraubenmutter 53.
  • Im Leistungshalbleitermodul 100 nach der vorliegenden ersten Ausführungsform ist das keramische Isoliersubstrat 5 mit Lötmittel 9 an eine Fläche der Grundplatte 1 gebunden, die als Metallwärmestrahler dient, der Wärme abstrahlt, die durch das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs und die Rücklaufdiode 7 erzeugt wird, die das Leistungshalbleitermodul 100 bilden. Dieses keramische Isoliersubstrat 5 besteht aus einem Isoliermaterial, an das eine Metallfolie durch Hartlöten o. dgl. gebunden ist. Andererseits sind die Verdrahtungsmuster 3 und 4 mit Metallfolie durch Hartlöten o. dgl. an die Fläche des keramischen Isoliersubstrats 5 gebunden, die der Fläche entgegengesetzt ist, an welche die Grundplatte 1 gebunden ist. Das Isoliersubstrat 2 ist durch die Verdrahtungsmuster 3 und 4 und das keramische Isoliersubstrat 5 gebildet, an das Metallfolie gebunden ist. Es ist anzumerken, dass das Material des Isoliersubstrats nicht auf Keramik beschränkt ist, sondern auch ein Metallsubstrat sein kann, das aus einem Harzisoliermaterial besteht.
  • Das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs und die Rücklaufdiode 7 sind mit Lötmittel an die Flächen des Kollektor-(Drain)-Verdrahtungsmusters 3 und Emitter-(Source)-Verdrahtungsmusters 4 gebunden, die deren Flächen entgegengesetzt sind, an die das keramische Isoliersubstrat 5 gebunden ist. Darüber hinaus sind die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11, und die Wechselstromelektrode 12 an jeweils das Kollektor-(Drain)-Verdrahtungsmuster 3 und Emitter-(Source)-Verdrahtungsmuster 4 angeschlossen. Obwohl Lötmittel 9 als Anschlussmaterial verwendet wird, lassen sich auch andere Verbindungsverfahren ohne Beschränkung auf das Lötmittel 9 verwenden.
  • Da ein starker Strom durch die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 fließt, wird allgemein eine Schraube verwendet, um diese Elektroden mit einer externen Schaltung zu verbinden. Allerdings können ohne Beschränkung auf eine Schraube, auch andere Verbindungsverfahren zum Einsatz kommen, solange starker Strom zum Fließen gebracht werden kann. In der ersten Ausführungsform umfassen die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 auf ihren Moduloberseiten jeweils einen positiven Elektrodenanschluss 40, einen negativen Elektrodenanschluss 41 und einen Wechselstromanschluss 42, die zum Anschließen dieser Elektroden an eine externe Schaltung verwendet werden. Auch ist der positive Elektrodenanschluss 40, der negative Elektrodenanschluss 41 und der Wechselstromanschluss 42 jeweils mit einer Öffnung versehen, durch die eine Schraube eingesetzt ist. Ein Fach mit einer darin eingebetteten Schraubenmutter ist unter diesen Anschlüssen angeordnet. Darüber hinaus ist das Leistungshalbleitermodul 100 ist mit dem Gehäuse 51 umgeben. Dichtungsmaterial 50 wird in das Gehäuse 51 eingebracht, um im Inneren des Gehäuses 51 eine Isolierung bereitzustellen. Dann wird die Abdeckung 52 auf das Gehäuse 51 aufgesetzt und mit Klebstoff o. dgl. angeklebt.
  • Die Flächen des Halbleiterelements 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs und der Rücklaufdiode 7, die nicht mit Lötmittel an das Emitter-(Source)-Verdrahtungsmuster 4 gebunden sind, sind durch den Anschlussdraht 21 an ein Verdrahtungsmuster u. dgl. angeschlossen.
  • Hier ist eine Ersatzschaltung des Leistungshalbleitermoduls 100 nach der ersten Ausführungsform in 4 gezeigt. Obwohl das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs als MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) gezeigt ist, lässt sich die Wirkung der vorliegenden Wirkung auch im Falle anderer Halbleiterelemente des lichtbogenselbstlöschenden Typs wie etwa einem IGBT (Isolierschicht-Bipolartransistor) oder einem Bipolartransistor immer noch erzielen. Auch kann die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht nur durch ein aus Si (Silicium) als Rohmaterial hergestelltes Halbleiterelement, sondern auch durch ein aus SiC (Siliciumcarbid), GaN (Galliumnitrid) oder Diamant als Rohmaterial hergestelltes Halbleiterelement immer noch erzielt werden. Sich klarer abhebende Wirkungen lassen sich insbesondere dann erzielen, wenn SiC, GaN o. dgl. verwendet wird, das einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht.
  • Das Leistungshalbleitermodul 100 ist ein Leistungshalbleitermodul, das einen positiven Zweig und einen negativen Zweig für eine Energieumwandlungsschaltung im selben Gehäuse (in derselben Umhausung) enthält, das allgemein als „2-in-1“ bezeichnet wird. Jeder Zweig ist als eine Schaltung ausgelegt, in der das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs und die Rücklaufdiode 7 antiparallelgeschaltet sind. Darüber hinaus muss in dem Fall, in dem das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs eine in sich eingebaute Diode hat, die Rücklaufdiode 7 nicht unbedingt separat vorgesehen werden, sondern jeder Zweig kann auch nur durch ein Halbleiterelement des lichtbogenselbstlöschenden Typs mit einer darin eingebauten Diode gebildet sein. Ein Isoliersubstrat 101 bildet einen positiven Zweig, während ein Isoliersubstrat 111 einen negativen Zweig bildet. Bei der Reihenanschlussstelle zwischen den Halbleiterelementen des lichtbogenselbstlöschenden Typs handelt es sich um einen Abschnitt, an dem der positive Zweig und der negative Zweig angeschlossen sind.
  • Ein Isoliersubstrat 2 bildet jeden Zweig im Leistungshalbleitermodul 100 in 1. Jedoch sind die Anzahl der Halbleiterelemente 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs und die Anzahl der Rücklaufdioden 7 je nach der Stromkapazität des Leistungshalbleitermoduls unterschiedlich. Dementsprechend nimmt das Isoliersubstrat, wenn eine große Anzahl von Chips auf dem Isoliersubstrat angeordnet wird, von der Größe her zu. In diesem Fall tritt insofern ein Zuverlässigkeitsproblem auf, als beispielsweise eine Rissbildung im Isoliersubstrat 2 aufgrund eines Unterschieds des Wärmedehnungskoeffizienten zwischen dem Isoliersubstrat 2 und Komponenten wie etwa der Grundplatte 1 und dem Lötmittel 9 im Leistungshalbleitermodul entsteht. Deshalb ist es vorzugsweise in Betracht zu ziehen, dass das Isoliersubstrat 2 je nach der Stromkapazität beispielsweise in dem Fall, in dem eine große Anzahl von Elementen vorgesehen wird, (in mehrere Substrate) unterteilt wird.
  • Im Isoliersubstrat 101, das im positiven Zweig angeordnet ist, ist die positive Elektrode 10 an das Kollektor-(Drain)-Verdrahtungsmuster 3 angeschlossen, während die Wechselstromelektrode 12 an das Emitter-(Source)-Verdrahtungsmuster 4 angeschlossen ist. Darüber hinaus ist im Isoliersubstrat 111, das im negativen Zweig angeordnet ist, die Wechselstromelektrode 12 an das Kollektor-(Drain)-Verdrahtungsmuster 3 angeschlossen, während die negative Elektrode 11 an das Emitter-(Source)-Verdrahtungsmuster 4 angeschlossen ist.
  • Die Wechselstromelektrode 12 hat eine parallele Fläche, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche, die als vertikaler Flächenabschnitt in Bezug auf die Fläche des Isoliersubstrats 2 vorgesehen ist, auf dem die Verdrahtungsmuster 3 und 4 ausgebildet sind. Die parallele Fläche ist an einer Stelle angeordnet, wo der Isolierabstand zwischen dieser parallelen Fläche und dem Isoliersubstrat 2 in jeweils dem positiven und negativen Zweig sichergestellt ist. Darüber hinaus hat die positive Elektrode 10 eine parallele Fläche, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche, die als vertikaler Flächenabschnitt in Bezug auf die Fläche des Isoliersubstrats 2 vorgesehen ist, auf dem die Verdrahtungsmuster 3 und 4 ausgebildet sind, wobei die parallele Fläche parallel zum oberen Abschnitt der parallelen Fläche in der Wechselstromelektrode in dem Zustand angeordnet ist, in dem die parallele Fläche von der Wechselstromelektrode isoliert ist. Darüber hinaus hat die negative Elektrode 11 eine parallele Fläche, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche, die als vertikaler Flächenabschnitt in Bezug auf die Fläche des Isoliersubstrats 2 vorgesehen ist, auf dem die Verdrahtungsmuster 3 und 4 ausgebildet sind, wobei die parallele Fläche parallel zum oberen Abschnitt der parallelen Fläche in der Wechselstromelektrode in dem Zustand angeordnet ist, in dem die parallele Fläche von der Wechselstromelektrode isoliert ist. Die vertikale Fläche der positiven Elektrode und die vertikale Fläche der negativen Elektrode, die voneinander isoliert sind, sind einander zugewandt und parallel zueinander angeordnet.
  • In der folgenden Beschreibung bedeutet die parallele Fläche einen Abschnitt der Elektrode, der parallel zur Fläche des Isoliersubstrats 2 ist, auf dem die Verdrahtungsmuster 3 und 4 ausgebildet sind; und die vertikale Fläche bedeutet einen Abschnitt der Elektrode, der senkrecht zur Fläche des Isoliersubstrats 2 ist, auf dem die Verdrahtungsmuster 3 und 4 ausgebildet sind.
  • Dann wird nachstehend eine 2-Stufen-Schaltung beschrieben, die unter Verwendung eines Leistungshalbleitermoduls 100 des Typs 2-in 1 ausgebildet ist. 4 ist ein Ersatzschaltungsschema des Leistungshalbleitermoduls nach der ersten Ausführungsform. In 4 umfasst das Leistungshalbleitermodul 100 ein Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, eine Rücklaufdiode 7, einen Gate-Widerstand 8, einen positiven Elektrodenanschluss 40, einen negativen Elektrodenanschluss 41, einen Wechselstromanschluss 42, ein Isoliersubstrat 101 auf der Seite des positiven Zweigs und ein Isoliersubstrat 111 auf der Seite des negativen Zweigs. Das Isoliersubstrat 101 auf der Seite des positiven Zweigs und das Isoliersubstrat 111 auf der Seite des negativen Zweigs umfassen jeweils mehrere Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, mehrere Rücklaufdioden 7 und mehrere Gate-Widerstände 8. 4 zeigt das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs beispielhaft als einen MOSFET und die anschließenden Figuren zeigen das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs jeweils auch als einen MOSFET.
  • Es ist anzumerken, dass 4 ein Ersatzschaltungsschema zeigt, das eine Gate-Steuerschaltung des Halbleiterelements 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs umfasst, in der ein Gate 13G auf der Seite der positiven Elektrode, eine Steuerquelle 13A auf der Seite der positiven Elektrode, ein Gate 14G auf der Seite der negativen Elektrode und eine Steuerquelle 14E auf der Seite der negativen Elektrode als Anschlüsse gezeigt sind. In 1 bis 3, die jeweils den Innenaufbau des Moduls zeigen, ist jedoch nur die Struktur gezeigt, die sich auf die Schaltung in einem Hauptschaltkreis bezieht, aber die Struktur, die sich auf die Steuerschaltung bezieht, ist weggelassen und in einer vereinfachten Weise gezeigt. Tatsächlich umfasst sie einen Mechanismus, in dem: ein Verdrahtungsmuster zum Steuern des Halbleiterelements 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf einem Isoliersubstrat 2 ausgebildet ist; und das Gate oder die Steuerquellenelektrode am Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs und das Gate oder die Steuerquellenelektrode zum Anschluss nach außen elektrisch miteinander verbunden sind und von der Oberseite o. dgl. des Leistungshalbleitermoduls freiliegen, um an einen Außenleiter angeschlossen werden zu können. Derartige Auslegungen sind dieselben wie diejenigen in anderen Ausführungsformen und üben keinen Einfluss auf die Wirkung der vorliegenden Erfindung aus. Jedoch unterliegt das Verdrahtungsmuster auf der Steuerschaltung tendenziell einer Induktion durch einen Hauptschaltungsstrom im Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, d. h. einen Strom, der durch die Verdrahtungsmuster 3 und 4 fließt. Dementsprechend ist es, um ein Stromungleichgewicht zu unterbinden, wünschenswert, dass jedes Verdrahtungsmuster auf der Steuerschaltung so ausgebildet ist, dass das Gate und die Steuerquelle parallel angeordnet sind.
  • 5 ist ein Schaltbetriebschaltungsschema eines Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf der Seite eines positiven Zweigs in einer 2-Stufen-Schaltung des Leistungshalbleitermoduls nach der ersten Ausführungsform. 6 ist ein Schaltungsschema, das eine Kommutierungsschleife während des Schaltbetriebs des Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf der Seite eines positiven Zweigs im Leistungshalbleitermodul nach der ersten Ausführungsform zeigt. Mit Bezug auf die in 5(a), 5(b) und 6 gezeigten Betriebsschaltungsschemata wird die Betriebsart, in welcher der MOSFET auf der Seite des positiven Zweigs geschaltet wird, nachstehend beschrieben, indem zum Beispiel der Fall beispielhaft angeführt wird, in dem das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs als MOSFET vorgesehen ist. Auch sind in 5 und 6 mehrere Halbleiterelemente 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, mehrere Rücklaufdioden 7 und mehrere Gate-Widerstände 8 kollektiv in jedem Zweig gezeigt.
  • Wie in 5(a) gezeigt ist, sind beide Enden eines Kondensators 32 zwischen einem positivseitigen Gleichstrom-(DC)-Bus P und einem negativseitigen Gleichstrombus N angeschlossen, wobei der positive Elektrodenanschluss 40 des Leistungshalbleitermoduls 100 an den positivseitigen Gleichstrombus P angeschlossen ist, und der negative Elektrodenanschluss 41 des Leistungshalbleitermoduls 100 an den negativseitigen Gleichstrombus N angeschlossen ist, wodurch eine 2-Stufen-Schaltung gebildet ist. Der in 5(a) mit einer Strichlinie umgebene Abschnitt zeigt das Leistungshalbleitermodul 100, und offene Kreise zeigen den positiven Elektrodenanschluss 40, den negativen Elektrodenanschluss 41 und den Wechselstromanschluss 42, die von der Fläche des Leistungshalbleitermoduls 100 freiliegen. Auch zeigt in 5 jeder über die Schaltung gelegte Pfeil einen Strompfad in dem Fall, in dem ein MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs geschaltet wird.
  • Wenn in 5(a) der MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs eingeschaltet wird, fließt ein Strom von der positiven Elektrode des Kondensators 32 durch den MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs und den Wechselstromanschluss 42 und verläuft durch eine Last 31, wie einen Motor, und fließt dann durch einen negativen Zweig 25N in einer anderen Phase in die negative Elektrode des Kondensators 32. In 5 und 6 ist die Last 31 als eine Induktivität dargestellt. Auch ist in jeder der anschließenden Figuren die Last 31 als eine Induktivität dargestellt. Wenn hingegen, wie in 5(b) gezeigt, der MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs vom Einschalt- auf den Ausschaltzustand umgeschaltet wird, fließt der durch die Last 31 fließende Strom zurück zur Rücklaufdiode 7N auf der Seite des negativen Zweigs. In diesem Fall wird die Kommutierungsschleife, die zu dem Zeitpunkt entsteht, zu dem der MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs ausgeschaltet wird, als eine Schleife gebildet, die sich von der positiven Elektrode des Kondensators 32 durch den MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs und die Rücklaufdiode 7N auf der Seite des negativen Zweigs zurück zur negativen Elektrode des Kondensators 32 erstreckt, wie in 6 gezeigt ist. 5(a), 5(b) und 6 zeigen jeweils nur den MOSFET, die Rücklaufdiode und den Kondensator. Jedoch umfasst die Schaltung tatsächlich eine Induktivität und eine Widerstandskomponente einer Verdrahtungsleitung, die Halbleiterelemente miteinander verbindet, und ihre Kommutierungsschleife umfasst ihre Verdrahtungsinduktivität und Widerstandskomponente.
  • Andererseits wird die Kommutierungsschleife, die entsteht, wenn der MOSFET 6N auf der Seite des negativen Zweigs geschaltet wird, als eine Schleife gebildet, die sich von der positiven Elektrode des Kondensators 32 durch die Rücklaufdiode auf der Seite des positiven Zweigs und den MOSFET 6N auf der Seite des negativen Zweigs zurück zur negativen Elektrode des Kondensators 32 erstreckt. Es lässt sich sagen, dass die Schleifen zwischen dem Fall, in dem der MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs geschaltet wird, und dem Fall, in dem der MOSFET 6N auf der Seite des negativen Zweigs geschaltet wird, in dem Sinne fast identisch sind, als jede Schleife durch den positiven Elektrodenanschluss 40 und den negativen Elektrodenanschluss 41 des Leistungshalbleitermoduls 100 verläuft. Die beim Ausschalten des Halbleiterelements 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs angelegte Stoßspannung ist proportional zur Induktivität in der Kommutierungsschleife. Entsprechend muss die Induktivität der in 6 gezeigten Kommutierungsschleife in der 2-Stufen-Schaltung reduziert werden. Der Faktor der Induktivität in der Kommutierungsschleife wird in drei Faktoren kategorisiert, die umfassen: eine Induktivität der Sammelschiene, die den Kondensator an das Leistungshalbleitermodul anschließt; eine Induktivität des Kondensators selbst; und eine Induktivität im Leistungshalbleitermodul. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den dritten Faktor, der mit einer Reduktion einer Verdrahtungsinduktivität im Leistungshalbleitermodul zusammenhängt.
  • 7 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen einander zugewandten Elektroden während des Entstehens der in 6 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt. In 7 hat die positive Elektrode 10 eine parallele Fläche 10L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 10V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist; die negative Elektrode 11 hat eine parallele Fläche 11L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 11V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist; und die Wechselstromelektrode 12 hat eine parallele Fläche 12L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist. Auch zeigt jeder Pfeil schematisch die Richtung, in der ein Strom fließt, und jedes Verdrahtungsleitungsteil ist als eine Induktivität dargestellt. Darüber hinaus zeigt jeder Doppelkopfpfeil explizit einen Abschnitt jedes Verdrahtungsleitungsteils, wo eine Magnetflussaufhebung stattfindet.
  • Der Strompfad während des Entstehens der vorstehend erwähnten Kommutierungsschleife wird wie folgt beschrieben.
  • 7 zeigt einen Teil der in 6 gezeigten Kommutierungsschleife, der sich im Leistungshalbleitermodul befindet und speziell wie folgt ist: positiver Elektrodenanschluss 40 (nicht gezeigt) → vertikale Fläche 10V der positiven Elektrode 10 → parallele Fläche 10L der positiven Elektrode 10 → Isoliersubstrat 101 auf der Seite des positiven Zweigs → parallele Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 → Isoliersubstrat 111 auf der Seite des negativen Zweigs → parallele Fläche 11L der negativen Elektrode 11 → vertikale Fläche 11V der negativen Elektrode 11 → negativer Elektrodenanschluss 41 (nicht gezeigt). In diesem Prozess wird die Richtung von di/dt umgekehrt und der Magnetfluss aufgehoben (i) zwischen der vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode und der vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11, die einander zugewandt angeordnet sind; (ii) zwischen der parallelen Fläche 10L der positiven Elektrode 10 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12, die einander zugewandt angeordnet sind; und (iii) zwischen der parallelen Fläche 11L der negativen Elektrode 11 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12, die einander zugewandt angeordnet sind. Folglich kann die Induktivität reduziert werden.
  • In dem wie vorstehend beschrieben ausgelegten Leistungshalbleitermodul sind die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 so angeordnet, dass eine dieser Elektroden jeweils den anderen zwei Elektroden zugewandt ist. Demenstprechend wird es möglich, den Magnetfluss aufzuheben, der zwischen den Elektroden in der Zeit entsteht, in der ein Strom durch jede Elektrode fließt. Folglich wird die durch jeweils die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 bewirkte Induktivität reduziert, und die an das Halbleiterelement angelegte Stoßspannung wird reduziert, so dass die Zuverlässigkeit des Leistungshalbleitermoduls verbessert werden kann.
  • Zweite Ausführungsform - nicht anspruchsgemäß
  • In der zweiten Ausführungsform wird eine Schaltung unter Verwendung mehrerer Isoliersubstrate ausgebildet, was sich von der ersten Ausführungsform unterscheidet, in der eine Schaltung unter Verwendung eines einzigen Isoliersubstrats ausgebildet wird. Auch in der Schaltung, die auf diese Weise unter Verwendung mehrerer Isoliersubstrate ausgebildet wird, sind die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 so angeordnet, dass eine Elektrode jeweils den anderen zwei Elektroden zugewandt ist, so dass die Induktivität reduziert werden kann.
  • 8 ist eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines Leistungshalbleitermoduls nach der zweiten Ausführungsform. 8(a) zeigt eine Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul 200. 8(b) zeigt eine schematische Seitenansicht von der B-Seite in 8(a) her gesehen während 8(c) eine schematische Seitenansicht von der A-Seite in 8(a) her gesehen zeigt. 9 ist ein Ersatzschaltungsschema des Leistungshalbleitermoduls in dem Fall, in dem mehrere Isoliersubstrate als ein positiver Zweig und ein negativer Zweig in der zweiten Ausführungsform vorgesehen sind. In dieser Figur ist die von der B-Seite her gesehene Richtung als B-Richtung definiert, während die von der A-Seite her gesehene Richtung als A-Richtung definiert ist.
  • In 8 umfasst das Leistungshalbleitermodul 200 nach der vorliegenden zweiten Ausführungsform eine Grundplatte 1, ein Isoliersubstrat 2, ein Kollektor-(Drain)-Verdrahtungsmuster 3, ein Emitter-(Source)-Verdrahtungsmuster 4, ein Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, eine Rücklaufdiode 7, ein Lötmittel 9, eine positive Elektrode 10, die als positivseitige Elektrode dient, eine negative Elektrode 11, die als negativseitige Elektrode dient, eine Wechselstromelektrode 12, einen Anschlussdraht 21, einen positiven Elektrodenanschluss 40, der als Anschlussabschnitt der positiven Elektrode 10 dient, einen negativen Elektrodenanschluss 41, der als Anschlussabschnitt der negativen Elektrode 11 dient, einen Wechselstromanschluss 42, der als Anschlussabschnitt der Wechselstromelektrode 12 dient, eine positive Zweigelektrode 60, die als Zweigelektrodenabschnitt in der positiven Elektrode 10 dient, und eine negative Zweigelektrode 61, die als Zweigelektrodenabschnitt in der negativen Elektrode 11 dient, eine Wechselstromzweigelektrode 62, die als Zweigelektrodenabschnitt in der Wechselstromelektrode 12 dient, ein Dichtungsmaterial 50, ein Gehäuse 51, eine Abdeckung 52 und eine Schraubenmutter 53.
  • Wie in 8 gezeigt ist, sind die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 so angeordnet, dass sie sich über mehrere Isoliersubstrate 2 erstrecken, um die mehreren Isoliersubstrate 2 zu verbinden. Die positive Elektrode 10 und die negative Elektrode 11 hat jeweils eine in einer in etwa rechteckigen Form ausgebildete parallele Fläche mit einer längeren Seite, die sich in einer Richtung erstreckt, in der mehrere Isoliersubstrate 2 parallel angeordnet sind (A-Richtung). Darüber hinaus hat die Wechselstromelektrode 12 eine in einer in etwa rechteckigen Form ausgebildete parallele Fläche mit: (i) einer kürzeren Seite, die sich in der Richtung erstreckt, in der sich diese kürzere Seite zwischen dem positiven Zweig und dem negativen Zweig erstreckt, um den positiven Zweig und den negativen Zweig in Reihe zu schalten (B-Richtung); und (ii) einer längeren Seite, die sich in der Richtung erstreckt, in der mehrere Isoliersubstrate 2 parallel geschaltet sind (A-Richtung). Darüber hinaus ist jede Elektrode von den parallelen Flächen jeder Elektrode zu Verdrahtungsmustern 3 und 4 abgezweigt und an die Isoliersubstrate 101, 102, 111 und 112 angeschlossen. In solchen abgezweigten Abschnitten ist die Zweigelektrode der positiven Elektrode 10 als positive Zweigelektrode 60 definiert; die Zweigelektrode der negativen Elektrode 10 ist als negative Zweigelektrode 61 definiert; und die Zweigelektrode der Wechselstromelektrode 12 ist als Wechselstromzweigelektrode 62 definiert.
  • Die positive Zweigelektrode 60 und die Wechselstromzweigelektrode 62 sind voneinander isoliert und parallel angeordnet. Auch sind Abschnitte der positiven Zweigelektrode 60 und der Wechselstromzweigelektrode 62, die parallel angeordnet sind, von der Form her identisch. Darüber hinaus sind die negative Zweigelektrode 61 und die Wechselstromzweigelektrode 62 voneinander isoliert und parallel angeordnet. Auch sind Abschnitte der negativen Zweigelektrode 61 und der Wechselstromzweigelektrode 62, die parallel angeordnet sind, von der Form her identisch.
  • Auch in dem Fall, in dem mehrere Isoliersubstrate 2 verwendet werden, kann die Induktivität wie in dem Fall reduziert werden, in dem ein einziges Isoliersubstrat 2 für jeweils einen positiven Zweig und einen negativen Zweig vorgesehen ist.
  • Dann wird im Folgenden der Schaltbetrieb in einer 2-Stufen-Schaltung beschrieben, die unter Verwendung eines Leistungshalbleitermoduls 200 des Typs 2-in-1 ausgebildet ist. Beispielsweise ist das Folgende eine Erklärung über die Betriebsart, in welcher der MOSFET auf der Seite des positiven Zweigs einen Schaltbetrieb durchführt. 9 ist ein Ersatzschaltungsschema des Leistungshalbleitermoduls in dem Fall, in dem zwei Isoliersubstrate als ein positiver Zweig und ein negativer Zweig im Leistungshalbleitermodul nach der zweiten Ausführungsform vorgesehen sind. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der ersten Ausführungsform, dass das Leistungshalbleitermodul 100 in der ersten Ausführungsform durch das Leistungshalbleitermodul 200 ersetzt ist. In 9 umfasst das Leistungshalbleitermodul 200 ein Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, eine Rücklaufdiode 7, einen Gate-Widerstand 8, eine positive Elektrode 10, eine negative Elektrode 11, eine Ausgangselektrode 12, Isoliersubstrate 101, 102 auf der Seite des positiven Zweigs und Isoliersubstrate 111, 112 auf der Seite des negativen Zweigs. Jedes der Isoliersubstrate 101, 102 auf der Seite des positiven Zweigs und der Isoliersubstrate 111, 112 auf der Seite des negativen Zweigs umfasst mehrere Halbleiterelemente 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, mehrere Rücklaufdioden 7 und mehrere Gate-Widerstände 8.
  • 9 zeigt eine Ersatzschaltung, die eine Gate-Steuerschaltung des Halbleiterelements 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs umfasst, in der ein Gate 13G auf der Seite der positiven Elektrode, eine Steuerquelle 13E auf der Seite der positiven Elektrode, ein Gate 14G auf der Seite der negativen Elektrode und eine Steuerquelle 14E auf der Seite der negativen Elektrode als Anschlüsse gezeigt sind. In 8, die den Innenaufbau des Moduls zeigt, ist jedoch nur die Struktur gezeigt, die sich auf die Schaltung in einem Hauptschaltkreis bezieht, aber die Struktur, die sich auf die Steuerschaltung bezieht, ist weggelassen und in einer vereinfachten Weise gezeigt. Tatsächlich umfasst sie einen Mechanismus, in dem: ein Verdrahtungsmuster zum Steuern des Halbleiterelements 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf einem Isoliersubstrat 2 ausgebildet ist; und das Gate oder die Steuerquellenelektrode am Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs und das Gate oder die Steuerquellenelektrode zum Anschluss nach außen elektrisch miteinander verbunden sind und von der Oberseite o. dgl. des Leistungshalbleitermoduls freiliegen, um an einen Außenleiter angeschlossen werden zu können. Derartige Auslegungen sind dieselben wie diejenigen in anderen Ausführungsformen und üben keinen Einfluss auf die Wirkung der vorliegenden Erfindung aus. Jedoch unterliegt das Verdrahtungsmuster auf der Steuerschaltung tendenziell einer Induktion durch einen Hauptschaltungsstrom im Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, d. h. einen Strom, der durch die Verdrahtungsmuster 3 und 4 fließt. Dementsprechend ist es, um ein Stromungleichgewicht zu unterbinden, wünschenswert, dass das Verdrahtungsmuster auf der Steuerschaltung so ausgebildet ist, dass das Gate und die Steuerquelle parallel angeordnet sind.
  • 10 ist ein Schaltbetriebschaltungsschema eines Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf der Seite eines positiven Zweigs in einer 2-Stufen-Schaltung nach der zweiten Ausführungsform. 11 ist ein Schaltungsschema, das eine Kommutierungsschleife während des Schaltbetriebs des Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs auf der Seite eines positiven Zweigs im Leistungshalbleitermodul nach der zweiten Ausführungsform zeigt. Mit Bezug auf die in 10(a), 10(b) und 11 gezeigten Betriebsschaltungsschemata erfolgt nachstehend eine Beschreibung im Hinblick auf die Betriebsart, in welcher der MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs geschaltet wird, indem zum Beispiel der Fall beispielhaft angeführt wird, in dem das Halbleiterelement 6P des lichtbogenselbstlöschenden Typs als MOSFET vorgesehen ist. Auch sind in 10 und 11 mehrere Halbleiterelemente 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, mehrere Rücklaufdioden 7 und mehrere Gate-Widerstände 8 kollektiv in jedem Zweig gezeigt.
  • Wie in 10(a) gezeigt ist, sind beide Enden eines Kondensators 32 zwischen einem positivseitigen Gleichstrom-(DC)-Bus P und einem negativseitigen Gleichstrombus N angeschlossen, wobei der positive Elektrodenanschluss 40 des Leistungshalbleitermoduls 200 an den positivseitigen Gleichstrombus P angeschlossen ist, und der negative Elektrodenanschluss 41 des Leistungshalbleitermoduls 200 an den negativseitigen Gleichstrombus N angeschlossen ist, wodurch eine 2-Stufen-Schaltung gebildet ist. Der in 10(a) mit einer Strichlinie umgebene Abschnitt zeigt das Leistungshalbleitermodul 200, und offene Kreise zeigen externe Anschlüsse des positiven Elektrodenanschlusses 40, des negativen Elektrodenanschlusses 41 und des Ausgangsanschlusses 42, die von der Fläche des Leistungshalbleitermoduls 200 freiliegen. Auch zeigt in 10 jeder über die Schaltung gelegte Pfeil einen Strompfad in dem Fall, in dem ein MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs geschaltet wird.
  • Wenn in 10(a) der MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs eingeschaltet wird, fließt der Strom von der positiven Elektrode des Kondensators 32 durch den MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs und den Ausgangsanschluss 42, verläuft dann über eine Last 31, wie einen Motor, durch einen negativen Zweig 25N in einer anderen Phase, und fließt dann in die negative Elektrode des Kondensators 32. Da die Induktivitätskomponente einen Einfluss auf die Last ausübt, wenn der MOSFET geschaltet wird, ist die Last 31 in 10 als eine Induktivität dargestellt. Wenn hingegen, wie in 10(b) gezeigt, der MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs vom Einschalt- auf den Ausschaltzustand umgeschaltet wird, fließt der durch die Last 31 fließende Strom zurück zur Rücklaufdiode 7N auf der Seite des negativen Zweigs. Deshalb wird die Kommutierungsschleife, die zu dem Zeitpunkt entsteht, zu dem der MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs ausgeschaltet wird, als eine Schleife gebildet, die sich von der positiven Elektrode des Kondensators 32 durch den MOSFET 6P auf der Seite des positiven Zweigs und die Rücklaufdiode 7N auf der Seite des negativen Zweigs zurück zur negativen Elektrode des Kondensators 32 erstreckt, wie in 15 gezeigt ist. 10(a), 10(b) und 11 zeigen jeweils nur den MOSFET, die Rücklaufdiode und den Kondensator, die Schaltung umfasst aber tatsächlich eine Induktivität und eine Widerstandskomponente einer Verdrahtungsleitung, die Halbleiterelemente miteinander verbindet, und ihre Kommutierungsschleife umfasst ihre Verdrahtungsinduktivität und Widerstandskomponente.
  • Andererseits wird die Kommutierungsschleife, wenn der MOSFET 6N auf der Seite des negativen Zweigs geschaltet wird, auf dieselbe Weise wie vorstehend beschrieben als eine Schleife gebildet, die sich von der positiven Elektrode des Kondensators 32 durch die Rücklaufdiode 7P auf der Seite des positiven Zweigs und den MOSFET 6N auf der Seite des negativen Zweigs zurück zur negativen Elektrode des Kondensators 32 erstreckt. Wie vorstehend beschrieben, ist die beim Ausschalten des Halbleiterelements 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs anliegende Stoßspannung proportional zur Induktivität in der Kommutierungsschleife. Entsprechend muss die Induktivität der in 11 gezeigten Kommutierungsschleife in der 2-Stufen-Schaltung reduziert werden. Der Faktor der Induktivität in der Kommutierungsschleife wird in drei Faktoren kategorisiert, die umfassen: eine Induktivität der Sammelschiene, die den Kondensator an das Leistungshalbleitermodul anschließt; eine Induktivität des Kondensators selbst; und eine Induktivität im Leistungshalbleitermodul. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den dritten Faktor, der mit einer Reduktion einer Verdrahtungsinduktivität im Leistungshalbleitermodul zusammenhängt.
  • 12 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen einander zugewandten Elektroden während des Entstehens der in 11 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt. In 12 hat die positive Elektrode 10 eine parallele Fläche 10L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, eine vertikale Fläche 10V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und positive Zweigelektroden 60a und 60b, die jeweils als Zweigelektrodenabschnitt in der positiven Elektrode 10 dienen. Die negative Elektrode 11 hat eine parallele Fläche 11L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, eine vertikale Fläche 11V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und negative Zweigelektroden 61a und 61b, die als Zweigelektrodenabschnitt in der negativen Elektrode 11 dienen. Die Wechselstromelektrode 12 hat eine parallele Fläche 12L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und Wechselstromzweigelektroden 62a, 62b, 62c und 62d, die jeweils als Zweigelektrodenabschnitt in der Wechselstromelektrode 12 dienen. Auch zeigt jeder Pfeil schematisch die Richtung, in der ein Strom fließt, und jedes Verdrahtungsleitungsteil ist als eine Induktivität dargestellt. Darüber hinaus zeigt jeder Doppelkopfpfeil explizit einen Abschnitt jedes Verdrahtungsleitungsteils, wo eine Magnetflussaufhebung stattfindet. Der Strompfad während des Entstehens der vorstehend erwähnten Kommutierungsschleife wird wie folgt beschrieben.
  • 12 zeigt einen Teil der in 11 gezeigten Kommutierungsschleife, der sich im Leistungshalbleitermodul befindet und speziell wie folgt ist: positiver Elektrodenanschluss 40 (nicht gezeigt) → vertikale Fläche 10V der positiven Elektrode 10 → parallele Fläche 10L der positiven Elektrode 10 → positive Zweigelektroden 60a und 60b → Isoliersubstrat 101 auf der Seite des positiven Zweigs (nicht gezeigt) → Wechselstromzweigelektroden 62a und 62b → parallele Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 → Wechselstromzweigelektroden 62c und 62d → Isoliersubstrat 111 auf der Seite des negativen Zweigs (nicht gezeigt) → negative Zweigelektroden 61a und 61b → parallele Fläche 11L der negativen Elektrode 11 → vertikale Fläche 11V der negativen Elektrode 11 → negativer Elektrodenanschluss 41 (nicht gezeigt). In diesem Prozess wird (i) zwischen der vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode 10 und der vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11, (ii) zwischen der parallelen Fläche 10L der positiven Elektrode 10 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12, (iii) zwischen den positiven Zweigelektroden 601, 60b und den Wechselstromzweigelektroden 62a, 62b, (iv) zwischen der parallelen Fläche 11L der negativen Elektrode 11 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12, und (v) zwischen den negativen Zweigelektroden 61a, 61b und den Wechselstromzweigelektroden 62c, 62d, die Richtung von di/dt umgekehrt und der Magnetfluss aufgehoben. Somit kann die Induktivität in jedem der einander zugewandten Abschnitte der positiven Elektrode, 10, der negativen Elektrode 11 und der Wechselstromelektrode 12 reduziert werden, die so angeordnet sind, dass eine Elektrode jeweils den zwei anderen Elektroden zugewandt ist.
  • In diesem Fall haben die vertikale Fläche 10V der positiven Elektrode 10 und die vertikale Fläche 11V der negativen Elektrode 11 eine Fläche, die in der Längsrichtung relativ lang ist. Dementsprechend fließt der Strom in der vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode 10 so, dass er sich in der Längsrichtung ausbreitet. In der vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11 fließt der sich in der Längsrichtung ausbreitende Strom so, dass er sich im negativen Elektrodenanschluss 41 sammelt. Deshalb findet zwischen der vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode 10 und der vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11 eine Aufhebung des Magnetflusses in den gesamten vertikalen Flächen statt, so dass die Induktivität wirksam reduziert werden kann.
  • Darüber hinaus breitet sich der Strom ähnlich in der Längsrichtung auch zwischen der parallelen Fläche 10L der positiven Elektrode 10 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12m und zwischen der parallelen Fläche 11L der negativen Elektrode 11 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 aus. Dementsprechend findet eine Aufhebung des Magnetflusses in den gesamten parallelen Flächen statt, so dass die Induktivität wirksam reduziert werden kann.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann auch in dem Fall, in dem das Leistungshalbleitermodul 200 mehrere Isoliersubstrate 2 als einen positiven Zweig und einen negativen Zweig umfasst, die Induktivität in der Schleife reduziert werden, die sich vom positiven Elektrodenanschluss 10 durch den negativen Elektrodenanschluss 11 erstreckt. Darüber hinaus kann die Induktivität auch dann reduziert werden, wenn sich der Strom in der Längsrichtung ausbreitet.
  • In dem wie vorstehend beschrieben ausgelegten Leistungshalbleitermodul sind die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 so angeordnet, dass eine dieser Elektroden jeweils den anderen zwei Elektroden zugewandt ist. Entsprechend wird es möglich, den Magnetfluss aufzuheben, der zwischen den Elektroden in der Zeit entsteht, in der ein Strom durch jede Elektrode fließt. Folglich wird die durch jeweils die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 bewirkte Induktivität reduziert, und die an das Halbleiterelement angelegte Stoßspannung wird reduziert, so dass die Zuverlässigkeit des Leistungshalbleitermoduls verbessert werden kann.
  • Obwohl eine Erklärung in der vorliegenden Ausführungsform im Hinblick auf den Fall erfolgte, in dem zwei Isoliersubstrate 2 in jeweils dem positiven Zweig und dem negativen Zweig angeordnet sind, lässt sich die Wirkung der vorliegenden Erfindung auch in dem Fall erzielen, in dem zwei oder mehr Isoliersubstrate 2 in jedem der Zweige angeordnet werden. Auch ist in dem Modulaufbau, in dem mehrere Isoliersubstrate 2 in jedem der Zweige angeordnet sind, die Kommutierungsschleife während des Schaltens des Halbleiterelements 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs dieselbe wie in dem Fall, in dem zwei Isoliersubstrate 2 in jedem Zweig angeordnet sind, mit der Ausnahme, dass die Parallelanordnungsanzahl von Zweigelektroden in der Elektrode erhöht ist.
  • Dritte Ausführungsform - anspruchsgemäß
  • Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der zweiten Ausführungsform, dass der positive Elektrodenanschluss 40 und der negative Elektrodenanschluss 41, die in der zweiten Ausführungsform verwendet sind, im Mittelabschnitt des Leistungshalbleitermoduls angeordnet sind. Indem der positive Elektrodenanschluss 40 und der negative Elektrodenanschluss 41 auf diese Weise angeordnet werden, werden die Pfadlängen des Stroms im Hinblick auf mehrere im Leistungshalbleitermodul angebrachte Isoliersubstrate 2 während des Entstehens der Kommutierungsschleife, die sich vom positiven Elektrodenanschluss 40 durch den negativen Elektrodenanschluss 41 erstreckt, so ausgeglichen, dass jeweils die Verdrahtungsinduktivität und der Verdrahtungswiderstand ausgeglichen werden können. Dadurch können Veränderungen beim Strom unterbunden werden, der durch die Verdrahtungsmuster 3 und 4 auf jedem Isoliersubstrat 2 fließt, so dass es möglich wird, Stromveränderungen in Halbleiterelementen wie etwa einem Halbleiterelement des lichtbogenselbstlöschenden Typs und einer Rücklaufdiode zu unterbinden, die in jedem Isoliersubstrat 2 angebracht sind. Darüber hinaus werden Stromveränderungen unterbunden, wodurch eine Unterbindung von Temperaturveränderungen im Halbleiterelement ermöglicht wird, so dass die Wärmezykluslebensdauer verbessert werden kann.
  • 13 ist eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines Leistungshalbleitermoduls nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 13(a) zeigt eine Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul 300. 13(b) zeigt eine schematische Seitenansicht von der B-Seite in 13(a) her gesehen. 13(c) zeigt eine schematische Seitenansicht von der A-Seite in 1(a) her gesehen. In diesen Figuren ist die von der B-Seite her gesehene Richtung als B-Richtung definiert, während die von der A-Seite her gesehene Richtung als A-Richtung definiert ist. 14 ist eine schematische Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, von dem eine Elektrode entfernt ist. 15 ist eine Außendraufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der positive Zweig und der negative Zweig umfassen jeweils vier Isoliersubstrate 2. Der positive Elektrodenanschluss 40 und der negative Elektrodenanschluss 41 sind nahe der Mitte des Moduls angeordnet. Es zeichnet sich dadurch aus, dass ein Wechselstromanschluss 42 an einem Abschnitt angeordnet ist, an dem der positive Elektrodenanschluss 40 und der negative Elektrodenanschluss 41 nicht angeordnet sind. Obwohl die vorliegende Ausführungsform ein Beispiel bietet, in dem vier Isoliersubstrate 2 in jeweils dem positiven Zweig und dem negativen Zweig vorgesehen sind, ist die Anzahl an Isoliersubstraten 2 nicht besonders eingeschränkt. Um die Wirkung der vorliegenden Erfindung klar zu erklären, wird die vorliegende Ausführungsform nachstehend mit Bezug auf 13 bis 16 beschrieben.
  • In 13 umfasst das Leistungshalbleitermodul 300 nach der vorliegenden dritten Ausführungsform eine Grundplatte 1, ein Isoliersubstrat 2, ein Kollektor-(Drain)-Verdrahtungsmuster 3, ein Emitter-(Source)-Verdrahtungsmuster 4, ein Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs, eine Rücklaufdiode 7, ein Lötmittel 9, eine positive Elektrode 10, die als positivseitige Elektrode dient, eine negative Elektrode 11, die als negativseitige Elektrode dient, eine Wechselstromelektrode 12, einen Anschlussdraht 21, einen positiven Elektrodenanschluss 40, der als Anschlussabschnitt der positiven Elektrode 10 dient, einen negativen Elektrodenanschluss 41, der als Anschlussabschnitt der negativen Elektrode 11 dient, einen Wechselstromanschluss 42, der als Anschlussabschnitt der Wechselstromelektrode 12 dient, eine positive Zweigelektrode 60, die als Zweigelektrodenabschnitt in der positiven Elektrode 10 dient, und eine negative Zweigelektrode 61, die als Zweigelektrodenabschnitt in der negativen Elektrode 11 dient, eine Wechselstromzweigelektrode 62, die als Zweigelektrodenabschnitt in der Wechselstromelektrode 12 dient, ein Dichtungsmaterial 50, ein Gehäuse 51, eine Abdeckung 52 und eine Schraubenmutter 53.
  • In 13 sind der positive Elektrodenanschluss 40 und der negative Elektrodenanschluss 41 nahe dem Mittelabschnitt im Leistungshalbleitermodul 300 angeordnet. Auch in dem Fall, in dem die Abstände (Elektrodenstrecken) vom positiven Elektrodenanschluss 40 und negativen Elektrodenanschluss 41 zu den Verdrahtungsmustern 3 und 4 aufgrund der Auslegung der Elektrode nicht gleich oder nicht streng gleich sind, sind die positive Zweigelektrode 60 und die negative Zweigelektrode 61 so ausgelegt, dass die Verdrahtungsinduktivität und der Verdrahtungswiderstand jeweils ausgeglichen sind, und auch die Wechselstromzweigelektrode 62 ist identisch mit und parallel zur positiven Zweigelektrode 60 und negativen Zweigelektrode 61 ausgebildet. Indem darüber hinaus die Positionen der Verdrahtungsmuster 3 und 4, die an jeweils die positive Zweigelektrode 60, die negative Zweigelektrode 61 und die Wechselstromzweigelektrode 62 angeschlossen sind, eingestellt werden, können die Verdrahtungsinduktivität und der Verdrahtungswiderstand jeweils ausgeglichen werden.
  • Auch in dem Fall, in dem die Abstände (Elektrodenstrecken) vom positiven Elektrodenanschluss 40 und negativen Elektrodenanschluss 41 zu den Verdrahtungsmustern 3 und 4 aufgrund der Auslegung der Elektrode nicht gleich oder nicht streng gleich sind, ist die Zweigelektrode, die von beiden Seiten der längeren Seite jeder Elektrode abgezweigt ist, in einer V-Form ausgebildet, die sich von der längeren Seite der Elektrode als Beginnpunkt erstreckt, so dass die Strompfadlänge ausgeglichen werden kann.
  • 16 ist eine schematische Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den Fall zeigt, in dem ein Schlitz in einem Zweigelektrodenabschnitt des Leistungshalbleitermoduls vorgesehen ist. In 16 sind die positive Elektrode 10 und die negative Elektrode 11 jeweils mit einem wie durch eine Strichlinie umgebenen Schlitz 600 versehen. In 13 ist die Elektrode an ungefähr derselben Stelle in zwei Abschnitte unterteilt. Wie jedoch in 16 gezeigt ist, können, auch wenn die Abzweigungsstellen unterschiedlich sind, die Verdrahtungsinduktivität und der Verdrahtungswiderstand auch in dem Fall, in dem die Abstände (Elektrodenstrecken) vom positiven Elektrodenanschluss 40 und negativen Elektrodenanschluss 41 zu den Verdrahtungsmustern 3 und 4 aufgrund der Auslegung der Elektrode nicht gleich oder nicht streng gleich sind, ausgeglichen werden, indem der Schlitz 600 in der parallelen Fläche oder der vertikalen Fläche der Elektrode vorgesehen wird. Darüber hinaus ist ein Schlitz, der dieselbe Form hat wie diejenigen in der positiven Elektrode 10 und negativen Elektrode 11, auch in dem Abschnitt der flachen Ebene der Wechselstromelektrode 12 vorgesehen, der dem Abschnitt der flachen Ebene in jeweils der positiven Elektrode 10 und negativen Elektrode 11 zugewandt ist. Dadurch überlappt sich der Pfad der Kommutierungsschleife, die sich durch die positive Elektrode 10 und die Wechselstromelektrode 12 erstreckt, mit dem Pfad der Kommutierungsschleife, die sich durch die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 erstreckt, so dass die Induktivität effizienter reduziert werden kann. Wie vorstehend beschrieben, kann der Schlitz die Verdrahtungsinduktivität und den Verdrahtungswiderstand jeweils auch in dem Fall ausgleichen, in dem die Abstände (Elektrodenstrecken) vom positiven Elektrodenanschluss 40 und negativen Elektrodenanschluss 41 zu den Verdrahtungsmustern 3 und 4 aufgrund der Auslegung der Elektrode nicht gleich oder nicht streng gleich sind. Zusätzlich dazu sind der positive Elektrodenanschluss 40 und der negative Elektrodenanschluss 41 im Mittelabschnitt des Leistungshalbleitermoduls angeordnet, wodurch eine Wirkung erzielt wird, dass die Abstände zu den Isoliersubstraten eher ausgeglichen werden oder die Verdrahtungsinduktivität bzw. der Verdrahtungswiderstand eher ausgeglichen wird.
  • Da in dem wie vorstehend beschrieben ausgelegten Leistungshalbleitermodul die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 so angeordnet sind, dass eine Elektrode den anderen zwei Elektroden zugewandt ist, wird es möglich, den Magnetfluss aufzuheben, der zwischen den Elektroden in der Zeit entsteht, in der ein Strom durch jede Elektrode fließt. Folglich wird die durch jeweils die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 bewirkte Induktivität reduziert, und die an das Halbleiterelement angelegte Stoßspannung wird reduziert, so dass die Zuverlässigkeit des Leistungshalbleitermoduls verbessert werden kann. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Ausführungsform ein Beispiel zeigt, in dem vier Isoliersubstrate 2 jeweils im positiven Zweig und im negativen Zweig enthalten sind, die Anzahl der Isoliersubstrate 2 aber nicht besonders eingeschränkt ist. Dieselbe Wirkung wie diejenige in der vorliegende Erfindung lässt sich erzielen, solange das Leistungshalbleitermodul einen positiven Zweig und einen negativen Zweig hat, von denen jeder zwei oder mehr Isoliersubstrate enthält.
  • Vierte Ausführungsform
  • Die vierte Ausführungsform unterscheidet sind von der ersten bis dritten Ausführungsform dadurch, dass ein Modul des Typs 2-in-1 verwendet wird, um eine 3-Stufen-Schaltung zu bilden. Auch in dem Fall, in dem eine 3-Stufen-Schaltung auf diese Weis ausgelegt wird, werden die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 so angeordnet, dass eine Elektrode den anderen zwei Elektroden zugewandt ist, so dass während des Betriebs der 3-Stufen-Schaltung die Richtung von di/dt umgekehrt wird und der Magnetfluss an den einander zugewandten Abschnitten der positiven Elektrode 10, der negativen Elektrode 11 und der Wechselstromelektrode 12 aufgehoben wird. Folglich kann die Induktivität an jedem der einander zugewandten Abschnitte der positiven Elektrode 10, der negativen Elektrode 11 und der Wechselstromelektrode 12 reduziert werden.
  • 17 ist ein Schaltungsschema, das eine Kommutierungsschleife während des Schaltbetriebs des Halbleiterelements des lichtbogenselbstlöschenden Typs in einer 3-Stufen-Schaltung des Leistungshalbleitermoduls nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 17 zeigt ein Beispiel einer 3-Stufen-Schaltung. Als Schaltungsauslegung in 17 ist eine 3-Stufen-Schaltung unter Verwendung von drei Leistungshalbleitermodulen 400 (400(a), 400(b), 400(c)) ausgelegt. Bei den derartigen Leistungshalbleitermodulen 400 (400(a), 400(b), 400(c)) kann es sich um irgendwelche Leistungshalbleitermodule 100, 200 und 300 in der ersten bis dritten Ausführungsform handeln.
  • 17 zeigt eine Auslegung, die ausgebildet ist unter Verwendung: eines Leistungshalbleitermoduls 400(a), das an einen positivseitigen Gleichstrombus P angeschlossen ist; eines Leistungshalbleitermoduls 400(b), das an einen negativseitigen Gleichstrombus N angeschlossen ist; und eines Leistungshalbleitermoduls 400(c) als Klemmdiode. Anstatt eine Diode als Klemmdiode zu verwenden, können auch parallel angeordnete MOSFETs als Synchrongleichrichtung verwendet werden, wie im Leistungshalbleitermodul 400(c) in 17 gezeigt ist. Beispiele, die als Synchrongleichrichtung verwendet werden können, sind nicht auf einen im Leistungshalbleitermodul 400(c) angeordneten MOSFET beschränkt, sondern können auch ein im Leistungshalbleitermodul 400(a) angeordneter MOSFET oder ein im Leistungshalbleitermodul 400(b) angeordneter MOSFET sein.
  • 17 zeigt ein Beispiel der Kommutierungsschleife während des Betriebs der 3-Stufen-Schaltung. Die in 17 gezeigte Kommutierungsschleife entsteht, wenn der MOSFET 6P des positiven Zweigs im Leistungshalbleitermodul 400(a) ausgeschaltet wird, und wenn der MOSFET 6N des negativen Zweigs im Leistungshalbleitermodul 400(a) vom Einschalt- zum Ausschaltzustand umgeschaltet wird. Hier erstreckt sich in dem Fall, in dem das Leistungshalbleitermodul 400 in der in 17 gezeigten 3-Stufen-Schaltung als das Leistungshalbleitermodul 100 in der ersten Ausführungsform angenommen ist, diese Kommutierungsschleife vom Wechselstromanschluss 42 im Leistungshalbleitermodul 100, das an der Stelle des Leistungshalbleitermoduls 400(a) angeordnet ist, durch den MOSFET 6P des positiven Zweigs und den positiven Elektrodenanschluss 40, und erstreckt sich dann vom Wechselstromanschluss 42 im Leistungshalbleitermodul 100, das an der Stelle des Leistungshalbleitermoduls 400(a) angeordnet ist, durch den MOSFET 6N des negativen Zweigs und den negativen Elektrodenanschluss 41, und erstreckt sich dann vom positiven Elektrodenanschluss 40 im Leistungshalbleitermodul 100, das an der Stelle des Leistungshalbleitermoduls 400(a) angeordnet ist, durch die Rücklaufdiode 7P des positiven Zweigs, die Rücklaufdiode 7N des negativen Zweigs und den negativen Elektrodenanschluss 41.
  • 18 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen den einander zugewandten Elektroden im Leistungshalbleitermodul 400(c) während des Entstehens der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt. 18 zeigt den Fall, in dem das Leistungshalbleitermodul 400(c) als das Leistungshalbleitermodul 100 in der ersten Ausführungsform angenommen ist. In 18 hat die positive Elektrode 10 eine parallele Fläche 10L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 10V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist; die negative Elektrode 11 hat eine parallele Fläche 11L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 11V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist; und die Wechselstromelektrode 12 hat eine parallele Fläche 12L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist. Auch zeigt jeder Pfeil schematisch die Richtung, in der ein Strom fließt, und jedes Verdrahtungsleitungsteil ist als eine Induktivität dargestellt. Darüber hinaus zeigt jeder Doppelkopfpfeil explizit einen Abschnitt jedes Verdrahtungsleitungsteils, wo eine Magnetflussaufhebung stattfindet. Der Strompfad während des Entstehens der vorstehend erwähnten Kommutierungsschleife wird wie folgt beschrieben.
  • 18 zeigt einen Teil der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife, der sich im Leistungshalbleitermodul befindet und speziell wie folgt ist: Wechselstromanschluss 42 (nicht gezeigt) → parallele Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 → Isoliersubstrat 101 (nicht gezeigt) auf der Seite des positiven Zweigs → parallele Fläche 10L der positiven Elektrode 10 → vertikale Fläche 10V der positiven Elektrode 10 → positiver Elektrodenanschluss 40 (nicht gezeigt).
  • In diesem Prozess bewirkt di/dt, die in der vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode 10 entsteht, die Entstehung eines Wirbelstroms in der vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11, und dann wird der Magnetfluss zwischen der positiven Elektrode 10 und der negativen Elektrode 11 aufgehoben, die einander zugewandt sind, so dass die Induktivität reduziert werden kann. Darüber hinaus wird die Richtung von di/dt umgekehrt und der Magnetfluss zwischen der parallelen Fläche 10L der positiven Elektrode 10 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 aufgehoben, so dass die Induktivität zwischen der positiven Elektrode 10 und der Wechselstromelektrode 12 aufgehoben werden kann, die einander zugewandt angeordnet sind.
  • 19 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen den einander zugewandten Elektroden im anderen Leistungshalbleitermodul 400(c) während des Entstehens der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt. 19 zeigt den Fall, in dem das Leistungshalbleitermodul 400(c) als das Leistungshalbleitermodul 200 in der ersten Ausführungsform angenommen ist. In 19 hat die positive Elektrode 10 eine parallele Fläche 10L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 10V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und positive Zweigelektroden 60a und 60b, die jeweils als Zweigelektrodenabschnitt in der positiven Elektrode 10 dienen; die negative Elektrode 11 hat eine parallele Fläche 11L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 11V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und negative Zweigelektroden 61a und 61b, die jeweils als Zweigelektrodenabschnitt in der negativen Elektrode 11 dienen; und die Wechselstromelektrode 12 hat eine parallele Fläche 12L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und Wechselstromzweigelektroden 62a, 62b, 62c und 62d, die jeweils als Zweigelektrodenabschnitt in der Wechselstromelektrode 12 dienen. Auch zeigt jeder Pfeil schematisch die Richtung, in der ein Strom fließt, und jedes Verdrahtungsleitungsteil ist als eine Induktivität dargestellt. Darüber hinaus zeigt jeder Doppelkopfpfeil explizit einen Abschnitt jedes Verdrahtungsleitungsteils, wo eine Magnetflussaufhebung stattfindet. Der Strompfad während des Entstehens der vorstehend erwähnten Kommutierungsschleife wird wie folgt beschrieben.
  • 19 zeigt einen Teil der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife, der sich im Leistungshalbleitermodul befindet und speziell wie folgt ist: Wechselstromanschluss 42 (nicht gezeigt) → parallele Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 → Wechselstromzweigelektroden 62a und 62b → Isoliersubstrat 101 (nicht gezeigt) auf der Seite des positiven Zweigs → positive Zweigelektroden 60a und 60b → parallele Fläche 10L der positiven Elektrode 10 → vertikale Fläche 10V der positiven Elektrode 10 → positiver Elektrodenanschluss 40 (nicht gezeigt).
  • In diesem Prozess bewirkt di/dt, die in der vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode 10 entsteht, die Entstehung eines Wirbelstroms in der vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11, und dann wird der Magnetfluss zwischen der positiven Elektrode 10 und der negativen Elektrode 11 aufgehoben, die einander zugewandt sind, so dass die Induktivität reduziert werden kann. Darüber hinaus wird die Richtung von di/dt umgekehrt und der Magnetfluss wird aufgehoben (i) zwischen der parallelen Fläche 10L der positiven Elektrode 10 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12, und (ii) zwischen den positiven Zweigelektroden 60a, 60b bzw. den Wechselstromzweigelektroden 62a, 62b. Dadurch kann die Induktivität zwischen der positiven Elektrode 10 und der Wechselstromelektrode 12 reduziert werden, die einander zugewandt angeordnet sind.
  • In diesem Fall haben die vertikale Fläche 10V der positiven Elektrode 10 und die vertikale Fläche 11V der negativen Elektrode 11 jeweils eine Fläche, die in der Längsrichtung relativ lang ist. Entsprechend fließt in der vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode 10 ein Strom so, dass er sich in der Längsrichtung ausbreitet, was zur Entstehung eines Wirbelstroms in der gesamten vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11 führt, und dadurch zur Aufhebung des Magnetflusses in den gesamten vertikalen Flächen der positiven Elektrode 10 und der negativen Elektrode 11 führt. Folglich kann die Induktivität wirksam reduziert werden.
  • Darüber hinaus breitet sich auch ein Strom ähnlich in der Längsrichtung zwischen der parallelen Fläche 10L der positiven Elektrode 10 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 aus. Entsprechend findet eine Aufhebung des Magnetflusses in den gesamten parallelen Flächen der positiven Elektrode 10 und der Wechselstromelektrode 12 statt, so dass die Induktivität wirksam reduziert werden kann.
  • 20 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen den einander zugewandten Elektroden in noch einem anderen Leistungshalbleitermodul 400(a) während des Entstehens der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt. 20 zeigt den Fall, in dem das Leistungshalbleitermodul 400(a) als das Leistungshalbleitermodul 100 in der ersten Ausführungsform angenommen ist. In 20 hat die positive Elektrode 10 eine parallele Fläche 10L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 10V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist; die negative Elektrode 11 hat eine parallele Fläche 11L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 11V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist; und die Wechselstromelektrode 12 hat eine parallele Fläche 12L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist. Auch zeigt jeder Pfeil schematisch die Richtung der zeitlichen Veränderung des Stroms, und jedes Verdrahtungsleitungsteil ist als eine Induktivität dargestellt. Darüber hinaus zeigt jeder Doppelkopfpfeil explizit einen Abschnitt jedes Verdrahtungsleitungsteils, wo eine Magnetflussaufhebung stattfindet. Der Strompfad während des Entstehens der vorstehend erwähnten Kommutierungsschleife wird wie folgt beschrieben.
  • 20 zeigt einen Teil der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife, der sich im Leistungshalbleitermodul befindet und speziell wie folgt ist: Wechselstromanschluss 42 (nicht gezeigt) → parallele Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 → Isoliersubstrat 111 (nicht gezeigt) auf der Seite des negativen Zweigs → parallele Fläche 11L der negativen Elektrode 11 → vertikale Fläche 11V der negativen Elektrode 11 → negativer Elektrodenanschluss 41 (nicht gezeigt).
  • In diesem Prozess bewirkt di/dt, die in der vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11 entsteht, die Entstehung eines Wirbelstroms in der vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode 10, und dann wird der Magnetfluss zwischen der positiven Elektrode 10 und der negativen Elektrode 11 aufgehoben, die einander zugewandt sind, so dass die Induktivität reduziert werden kann. Darüber hinaus wird die Richtung von di/dt umgekehrt und der Magnetfluss zwischen der parallelen Fläche 11L der negativen Elektrode 11 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 aufgehoben, so dass die Induktivität zwischen der negativen Elektrode 11 und der Wechselstromelektrode 12 reduziert werden kann, die einander zugewandt angeordnet sind.
  • 21 ist eine schematische Darstellung, die den Aufhebezustand eines Magnetflusses zwischen den einander zugewandten Elektroden in noch einem anderen Leistungshalbleitermodul 400(a) während des Entstehens der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife zeigt. 21 zeigt den Fall, in dem das Leistungshalbleitermodul 400(a) als das Leistungshalbleitermodul 200 in der zweiten Ausführungsform angenommen ist. In 21 hat die positive Elektrode 10 eine parallele Fläche 10L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 10V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und positive Zweigelektroden 60a und 60b, die jeweils als Zweigelektrodenabschnitt in der positiven Elektrode 10 dienen; die negative Elektrode 11 hat eine parallele Fläche 11L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und eine vertikale Fläche 11V, die als vertikaler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und negative Zweigelektroden 61a und 61b, die jeweils als Zweigelektrodenabschnitt in der negativen Elektrode 11 dienen; und die Wechselstromelektrode 12 hat eine parallele Fläche 12L, die als paralleler Flächenabschnitt vorgesehen ist, und Wechselstromzweigelektroden 62a, 62b, 62c und 62c, die jeweils als Zweigelektrodenabschnitt in der Wechselstromelektrode 12 dienen. Auch zeigt jeder Pfeil schematisch die Richtung, in der ein Strom fließt, und jedes Verdrahtungsleitungsteil ist als eine Induktivität dargestellt. Darüber hinaus zeigt jeder Doppelkopfpfeil explizit einen Abschnitt jedes Verdrahtungsleitungsteils, wo eine Magnetflussaufhebung stattfindet. Der Strompfad während des Entstehens der vorstehend erwähnten Kommutierungsschleife wird wie folgt beschrieben.
  • 21 zeigt einen Teil der in 17 gezeigten Kommutierungsschleife, der sich im Leistungshalbleitermodul befindet und speziell wie folgt ist: Wechselstromanschluss 42 (nicht gezeigt) → parallele Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 → Wechselstromzweigelektroden 62c und 62d → Isoliersubstrat 111 (nicht gezeigt) auf der Seite des negativen Zweigs → negative Zweigelektroden 61a und 61b → parallele Fläche 11L der negativen Elektrode 11 → vertikale Fläche 11V der negativen Elektrode 11 → negativer Elektrodenanschluss 41 (nicht gezeigt).
  • In diesem Prozess bewirkt di/dt, die in der vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11 entsteht, die Entstehung eines Wirbelstroms in der vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode 10, und dann wird der Magnetfluss zwischen der positiven Elektrode 10 und der negativen Elektrode 11 aufgehoben, die einander zugewandt sind, so dass die Induktivität reduziert werden kann. Darüber hinaus wird die Richtung von di/dt umgekehrt und der Magnetfluss aufgehoben (i) zwischen der parallelen Fläche 11L der negativen Elektrode 11 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12, und (ii) zwischen den negativen Zweigelektroden 61a, 61b bzw. den Wechselstromzweigelektroden 62c, 62d. Dadurch kann die Induktivität zwischen der negativen Elektrode 11 und der Wechselstromelektrode 12 reduziert werden, die einander zugewandt angeordnet sind.
  • In diesem Fall haben die vertikale Fläche 10V der positiven Elektrode 10 und die vertikale Fläche 11V der negativen Elektrode 11 jeweils eine Fläche, die in der Längsrichtung relativ lang ist. Entsprechend fließt in der vertikalen Fläche 11V der negativen Elektrode 11 ein Strom so, dass er sich in der Längsrichtung ausbreitet, was zur Entstehung eines Wirbelstroms in der gesamten vertikalen Fläche 10V der positiven Elektrode 10 führt. Dies führt darüber hinaus zur Aufhebung des Magnetflusses in den gesamten vertikalen Flächen der positiven Elektrode 10 und der negativen Elektrode 11, so dass die Induktivität wirksam reduziert werden kann.
  • Darüber hinaus breitet sich auch ein Strom ähnlich in der Längsrichtung zwischen der parallelen Fläche 11L der negativen Elektrode 11 und der parallelen Fläche 12L der Wechselstromelektrode 12 aus. Entsprechend findet eine Aufhebung des Magnetflusses in den gesamten parallelen Flächen der negativen Elektrode 11 und der Wechselstromelektrode 12 statt, so dass die Induktivität wirksam reduziert werden kann.
  • Darüber hinaus ist die Induktivität in der Schleife, die sich vom positiven Elektrodenanschluss 40 durch den Wechselstromanschluss 42 erstreckt, und in der Schleife reduziert, die sich vom negativen Elektrodenanschluss 41 durch den Wechselstromanschluss 42 erstreckt, wodurch eine Unterbindung von Veränderungen bei dem Strom ermöglicht wird, der durch die Verdrahtungsmuster 3 und 4 in jedem Isoliersubstrat 2 fließt. Somit wird es möglich, Veränderungen bei dem Strom zu unterbinden, der durch die Leistungshalbleiterelemente wie etwa das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs und die Rücklaufdiode 7 fließt, die in jedem Isoliersubstrat 2 angebracht sind. Auch können, indem Veränderungen bei dem Strom unterbunden werden, der durch das Leistungshalbleiterelement fließt, die Temperaturveränderungen im Leistungshalbleiterelement unterbunden werden, so dass die Wärmezykluslebensdauer verbessert werden kann.
  • Auch in dem Fall, in dem das Leistungshalbleitermodul 100 nach der ersten Ausführungsform während des Entstehens der Kommutierungsschleife wie in 17 gezeigt an der Stelle des Leistungshalbleitermodul 400(b) angeordnet ist, lässt sich die Wirkung erzielen, die der wie mit Bezug auf 7 in der ersten Ausführungsform beschriebenen Induktivitätsreduktion ähnlich ist. In dem Fall, in dem das Leistungshalbleitermodul 200 nach der zweiten Ausführungsform an der Stelle des Leistungshalbleitermodul 400(b) angeordnet ist, lässt sich die Wirkung erzielen, die der wie mit Bezug auf 12 in der zweiten Ausführungsform beschriebenen Induktivitätsreduktion ähnlich ist. Obwohl nur die in 17 gezeigte Kommutierungsschleife beschrieben wurde, kann davon ausgegangen werden, dass Selbiges auch auf die Kommutierungsschleife zutrifft, die in dem Fall, in dem der MOSFET 6N des negativen Zweigs im Leistungshalbleitermodul 400(b) ausgeschaltet wird, und in dem Fall entsteht, in dem der MOSFET 6P des positiven Zweigs im Leistungshalbleitermodul 400(b) vom Ein- zum Ausschaltzustand umgeschaltet wird. Entsprechend lässt sich die Wirkung der vorliegenden Erfindung erzielen.
  • Wenn eine 3-Stufen-Schaltung in der vierten Ausführungsform ausgelegt wird, entstehen (i) eine Kommutierungsschleife, die sich durch den positiven Elektrodenanschluss 40 und den Wechselstromanschluss 42 erstreckt, und (ii) eine Kommutierungsschleife, die sich durch den negativen Elektrodenanschluss 41 und den Wechselstromanschluss 42 erstreckt, wie vorstehend beschrieben wurde. Wenn sich während des Schaltungsbetriebs die Verdrahtungsinduktivität und der Verdrahtungswiderstand in der Schleife, die sich durch den positiven Elektrodenanschluss 40 und den Wechselstromanschluss 42 erstreckt, jeweils von der Verdrahtungsinduktivität und dem Verdrahtungswiderstand in der Schleife unterscheiden, die sich durch den negativen Elektrodenanschluss 41 und den Wechselstromanschluss 42 erstreckt, entstehen eher Stromveränderungen zwischen dem Fall, in dem der positive Zweig im Leistungshalbleitermodul 400 in Betrieb ist, und dem Fall, in dem der negative Zweig im Leistungshalbleitermodul 400 in Betrieb ist. Das wie in jedem der Leistungshalbleitermodule 100, 200 und 300 in der ersten bis dritten Ausführungsform gezeigte Modul ist so ausgelegt, dass insbesondere der Abstand zwischen dem positiven Elektrodenanschluss 40 und dem Wechselstromanschluss 42 ungefähr gleich dem Abstand zwischen dem negativen Elektrodenanschluss 41 und dem Wechselstromanschluss 42 eingestellt ist. Dadurch wird es möglich, Veränderungen bei jeweils der Verdrahtungsinduktivität und dem Verdrahtungswiderstand zwischen der Schleife, die sich durch den positiven Elektrodenanschluss 40 und den Wechselstromanschluss 42 erstreckt, und der Schleife zu unterbinden, die sich durch den negativen Elektrodenanschluss 41 und den Wechselstromanschluss 42 erstreckt. Dementsprechend wird es möglich, Veränderungen bei dem Strom zu unterbinden, der durch das Leistungshalbleiterelement wie etwa das Halbleiterelement 6 des lichtbogenselbstlöschenden Typs und die Rücklaufdiode 7 fließt, die in jedem Isoliersubstrat 2 angebracht sind. Indem darüber hinaus derartige Stromveränderungen unterbunden werden, können die Temperaturveränderungen im Halbleiterelement unterbunden werden, so dass die Wärmezykluslebensdauer verbessert werden kann.
  • Da in jedem der Leistungshalbleitermodule 100, 200 und 300 der Wechselstromanschluss 42 näher am positiven Elektrodenanschluss 40 und negativen Elektrodenanschluss 41 angeordnet ist, sind die Schleife, die sich durch den positiven Elektrodenanschluss 40 und den Wechselstromanschluss 42 erstreckt, und die Schleife, die sich durch den negativen Elektrodenanschluss 41 und den Wechselstromanschluss 42 erstreckt, von der Größe her reduzierter, mit dem Ergebnis, dass die Verdrahtungsinduktivität und der Verdrahtungswiderstand reduziert werden können. Diese Wirkung kann darüber hinaus beispielsweise dann erzielt werden, wenn der Wechselstromanschluss 42 im Nahbereich des positiven Elektrodenanschlusses 40 und negativen Elektrodenanschlusses 41 angeordnet ist, wie im Leistungshalbleitermodul 100 in der ersten Ausführungsform gezeigt ist. Allerdings müssen diese Anschlüsse in dem Zustand angeordnet werden, in dem jeder Isolierabstand zwischen diesen Anschlüssen sichergestellt ist.
  • In den wie vorstehend beschrieben ausgelegten Leistungshalbleitermodulen 100, 200 und 300 sind die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 so angeordnet, dass eine Elektrode den anderen zwei Elektroden zugewandt ist, und auch ist der Wechselstromanschluss 42 so angeordnet, dass er sich nahe am positiven Elektrodenanschluss 40 und negativen Elektrodenanschluss 41 befindet. Dementsprechend wird es, auch wenn irgendeine Art von Kommutierungsschleife entsteht, möglich, einen Magnetfluss aufzuheben, der zwischen den Elektroden entsteht, wenn ein Strom durch jede Elektrode fließt. Folglich wird die durch jeweils die positive Elektrode 10, die negative Elektrode 11 und die Wechselstromelektrode 12 bewirkte Induktivität reduziert, und die an das Halbleiterelement angelegte Stoßspannung wird gesenkt, so dass die Zuverlässigkeit des Leistungshalbleitermoduls verbessert werden kann.
  • Auch in dem Fall, in dem ein Strom nur durch eine der einander zugewandten Elektroden fließt, entsteht ein Wirbelstrom in der anderen Elektrode, und dann wird der Magnetfluss aufgehoben, so dass die Induktivität zwischen den Elektroden reduziert werden kann.
  • Darüber hinaus sind wie in der dritten Ausführungsform in dem Fall, in dem der positive Elektrodenanschluss 40 und der negative Elektrodenanschluss 41 nahe dem Mittelabschnitt des Moduls angeordnet sind, und in dem Fall, in dem die Abstände (Elektrodenstrecken) vom positiven Elektrodenanschluss 40 und negativen Elektrodenanschluss 41 zu den Verdrahtungsmustern 3 und 4 aufgrund der Auslegung der Elektrode nicht gleich oder nicht streng gleich sind, die positive Zweigelektrode 60 und die negative Zweigelektrode 61 so ausgelegt, dass die Verdrahtungsinduktivität und der Verdrahtungswiderstand jeweils ausgeglichen wird; und die Wechselstromzweigelektrode 62 ist identisch mit der und parallel zur positiven Zweigelektrode 60 und negativen Zweigelektrode 61 angeordnet. Dementsprechend werden während des Entstehens der Kommutierungsschleife, die sich vom positiven Elektrodenanschluss 40 durch den negativen Elektrodenanschluss 41 erstreckt, auch im 3-Stufen-Schaltungsaufbauschema die Pfadlängen im Hinblick auf mehrere im Modul angebrachte Isoliersubstrate ausgeglichen, und die Verdrahtungsinduktivität und der Verdrahtungswiderstand können jeweils ausgeglichen werden. Dementsprechend wird es möglich, Veränderungen bei dem Strom zu unterbinden, der in das Verdrahtungsmuster auf jedem Isoliersubstrat fließt, so dass es möglich wird, Veränderungen bei dem Strom zu unterbinden, der durch Halbleiterelemente wie etwa ein Halbleiterelement des lichtbogenselbstlöschenden Typs und die Rücklaufdiode fließt, die in jedem Isoliersubstrat angebracht sind. Indem die Stromveränderungen unterbunden werden, werden auch Temperaturveränderungen in jedem Halbleiterelement unterbunden, so dass die Wirkung, die Wärmezykluslebensdauer zu verbessern, auch erzielt wird.
  • Zusätzlich lässt sich die Wirkung in der vierten Ausführungsform auch dann erzielen, wenn das Modul, das nur eine Klemmdiode enthält und nicht mit einem MOSFET ausgestattet ist, als Leistungshalbleitermodul 400(c) in 17 verwendet wird. Darüber hinaus lässt sich in dem Fall, in dem ein MOSFET im Leistungshalbleitermodul angebracht ist, die Wirkung in der vierten Ausführungsform auch dann erzielen, wenn der einer Synchrongleichrichtung unterzogene MOSFET verwendet wird. Darüber hinaus lässt sich dieselbe Wirkung in dem in 17 als MOSFET dargestellten Abschnitt auch dann erzielen, wenn es sich um eine andere Art Halbleiterelement des lichtbogenselbstlöschenden Typs wie etwa einen IGBT oder einen Bipolartransistor handelt.
  • Bezugszeichenliste
  • 1 Grundplatte, 2 Isoliersubstrat, 3, 4 Verdrahtungsmuster, 5 keramisches Isoliersubstrat, 6, 6P, 6N Halbleiterelement des lichtbogenselbstlöschendenTyps, 7, 7P, 7N Rücklaufdiode, 8, 8P, 8N Gate-Widerstand, 9 Lötmittel, 10 positive Elektrode, 11 negative Elektrode, 12 Wechslestromlektrode, 13E, 13G Steueranschluss auf der Seite des positiven Zweigs, 14E, 14G Steueranschluss auf der Seite des negativen Zweigs, 21 Anschlussdraht, 22 Drahtanschluss für Steuerung, 25P positiver Zweig in anderer Phase, 25N negativer Zweig in anderer Phase, 31 Last, 32 Kondensator, 40 positiver Elektrodenanschluss, 41 negativer Elektrodenanschluss, 42 Wechselstromanschluss, 50 Dichtungsmaterial, 51 Gehäuse, 52 Abdeckung, 53 Schraubenmutter, 60 positive Zweigelektrode, 61 negative Zweigelektrode, 62 Wechselstromzweigelektrode, 100, 200, 300, 400(a), 400(b), 400(c), 500 Leistungshalbleitermodul, 101, 102, 103, 104 Isoliersubstrat auf der Seite des positiven Zweigs, 111, 112, 113, 114 Isoliersubstrat auf der Seite des negativen Zweigs, 600 Schlitz.

Claims (10)

  1. Leistungshalbleitermodul (100, 400(a), 400(b), 400(c), 500), Folgendes umfassend: positive/negative Zweige als einen positiven Zweig und einen negativen Zweig, die durch eine Reihenschaltung von Halbleiterelementen (6) des lichtbogenselbstlöschenden Typs gebildet sind, wobei der positive Zweig und der negative Zweig an einer Reihenanschlussstelle zwischen den Halbleiterelementen (6) des lichtbogenselbstlöschenden Typs angeschlossen sind; eine positivseitige Elektrode (10), eine negativseitige Elektrode (11) und eine Wechselstromelektrode (12), die an den positiven Zweig und den negativen Zweig angeschlossen sind; und ein Substrat (2), auf dem ein Verdrahtungsmuster (3, 4) ausgebildet ist, wobei das Verdrahtungsmuster (3, 4) die Halbleiterelemente (6) des lichtbogenselbstlöschenden Typs des positiven Zweigs und des negativen Zweigs an die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) anschließt, wobei die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) jeweils einen parallelen Flächenabschnitt haben, der parallel zu einer Fläche des Substrats (2) angeordnet ist, auf dem das Verdrahtungsmuster (3, 4) ausgebildet ist, wobei das Substrat (2) und der parallele Flächenabschnitt der positivseitigen Elektrode (10), der negativseitigen Elektrode (11) und der Wechselstromelektrode (12) jeweils voneinander isoliert sind, wobei ein Dichtungsmaterial (50) dazwischen eingesetzt ist, wobei die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) voneinander isoliert und so angeordnet sind, dass zwei, die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) oder die Wechselstromelektrode (12), einander in einem Abstand voneinander zugewandt sind, wobei die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) jeweils einen vertikalen Flächenabschnitt hat, der vertikal zu der Fläche des Substrats (2) angeordnet ist, auf dem das Verdrahtungsmuster (3, 4) ausgebildet ist, der vertikale Flächenabschnitt der positivseitigen Elektrode (10) dem vertikalen Flächenabschnitt der negativseitigen Elektrode (11) zugewandt und parallel zu diesem angeordnet ist, und der parallele Flächenabschnitt der Wechselstromelektrode (12) dem parallelen Flächenabschnitt der positivseitigen Elektrode (10) und dem parallelen Flächenabschnitt der negativseitigen Elektrode (11) zugewandt und parallel zu diesem angeordnet ist, wobei die positivseitige Elektrode (10), die negativseitige Elektrode (11) und die Wechselstromelektrode (12) jeweils hat: einen Anschlussabschnitt (40, 41, 42), der an eine externe Schaltung angeschlossen ist; und mehrere Zweigelektrodenabschnitte, die jeweils an das Verdrahtungsmuster (3, 4) angeschlossen und vom parallelen Flächenabschnitt abgezweigt sind, jeder der Zweigelektrodenabschnitte einen flachen Ebenenabschnitt hat, der koplanar zum parallelen Flächenabschnitt ist, das Substrat (2) vom parallelen Flächenabschnitt jeder der positivseitigen Elektrode (10), negativseitigen Elektrode (11) und Wechselstromelektrode (12) isoliert ist, der parallele Flächenabschnitt jeder der positivseitigen Elektrode (10), negativseitigen Elektrode (11) und Wechselstromelektrode (12) auf dem Substrat (2) angeordnet ist, der Zweigelektrodenabschnitt der positivseitigen Elektrode (10) und der Zweigelektrodenabschnitt der Wechselstromelektrode (12) voneinander isoliert sind, zumindest teilweise in der Form identisch sind, und einander zugewandt angeordnet sind, und der Zweigelektrodenabschnitt der negativseitigen Elektrode (11) und der Zweigelektrodenabschnitt der Wechselstromelektrode (12) voneinander isoliert sind, zumindest teilweise in der Form identisch sind, und einander zugewandt angeordnet sind, wobei jeder der mehreren Zweigelektrodenabschnitte, die in jeweils der positivseitigen Elektrode (10), der negativseitigen Elektrode (11) und der Wechselstromelektrode (12) enthalten sind, in einer V-Form ausgebildet ist, die sich als Beginnpunkt von einer längeren Seite einer entsprechenden positivseitigen Elektrode (10), negativseitigen Elektrode (11) und Wechselstromelektrode erstreckt (12), zum Ausgleich der Strompfadlänge vom positiven Elektrodenanschluss (40) und negativen Elektrodenanschluss (41) zu den Verdrahtungsmustern (3, 4).
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei mehrere Substrate (2) vorgesehen sind, mehrere der Zweigelektrodenabschnitte vorgesehen sind, die den mehreren Substraten (2) entsprechen, und ein Abstand vom Anschlussabschnitt (40) der positivseitigen Elektrode (10) durch den Zweigelektrodenabschnitt der positivseitigen Elektrode (10) zum Verdrahtungsmuster (3, 4) gleich einem Abstand vom Anschlussabschnitt (41) der negativseitigen Elektrode (11) durch den Zweigelektrodenabschnitt der negativseitigen Elektrode (11) zum Verdrahtungsmuster (3, 4) ist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der parallele Flächenabschnitt in einer rechteckigen Form ausgebildet ist, die einen langen Seitenabschnitt hat, auf dem der Zweigelektrodenabschnitt angeordnet ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Anschlussabschnitt (42) der Wechselstromelektrode (12) so angeordnet ist, dass eine Seite des Anschlussabschnitts (42) der Wechselstromelektrode (12) jeweils dem Anschlussabschnitt (40) der positivseitigen Elektrode (10) und dem Anschlussabschnitt (41) der negativseitigen Elektrode (11) zugewandt ist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Leistungshalbleitermodul eine äußere Form mit einer rechteckigen Ebene hat, und der Anschlussabschnitt (40) der positivseitigen Elektrode (10) und der Anschlussabschnitt (41) der negativseitigen Elektrode (11) in einem Mittelabschnitt in der rechteckigen Ebene angeordnet sind.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere Substrate (2) als der positive Zeig und der negative Zweig vorgesehen sind.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, darüber hinaus eine Diode (7) umfassend, die so am Verdrahtungsmuster (3, 4) angeschlossen ist, dass sie antiparallel zum Halbleiterelement (6) des lichtbogenselbstlöschenden Typs geschaltet ist, wobei der positive Zweig und der negative Zweig aus einer Reihenschaltung von Parallelschaltungen bestehen, die jeweils aus dem Halbleiterelement (6) des lichtbogenselbstlöschenden Typs und der Diode (7) bestehen.
  8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 7, wobei die Diode (7) aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke besteht, dessen Bandlücke größer ist als diejenige von Silicium.
  9. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Halbleiterelement (6) des lichtbogenselbstlöschenden Typs aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke besteht, dessen Bandlücke größer ist als diejenige von Silicium.
  10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 8 oder 9, wobei es sich bei dem Halbleiter mit großer Bandlücke um Siliciumcarbid, ein Galliumnitridmaterial oder Diamant handelt.
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