DE112019005468T9

DE112019005468T9 - Halbleitereinheit, batterieeinheit und fahrzeug

Info

Publication number: DE112019005468T9
Application number: DE112019005468.6T
Authority: DE
Inventors: Mineo Miura; Masashi Hayashiguchi
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-09-02
Also published as: JPWO2020090924A1; WO2020090924A1; US20210354563A1; JP7463285B2; CN112913100A; DE112019005468T5

Abstract

Eine Halbleitereinheit ist zwischen einem Motor und einer Inverter-Schaltung angeordnet, die den Motor steuert. Die Halbleitereinheit beinhaltet einen Transistor und eine Steuereinrichtung. Der Transistor ist zwischen der Inverter-Schaltung und einer positiven Elektrode einer Batterie angeordnet, die der Inverter-Schaltung Leistung zuführt, und steuert das Zuführen von Leistung von der Batterie zu der Inverter-Schaltung. Die Steuereinrichtung ist mit einem Steuer-Terminal des Transistors verbunden und steuert eine Steuer-Spannung, bei der es sich um eine Spannung handelt, die an das Steuer-Terminal angelegt wird. Wenn begonnen wird, Leistung von der Batterie zu der Inverter-Schaltung zuzuführen, steuert die Steuereinrichtung die Steuer-Spannung, um den Transistor intermittierend zu betreiben, und verringert auch die Steuer-Spannung, die an das Steuer-Terminal des Transistors angelegt wird, so dass diese niedriger ist als die Steuer-Spannung, bei der der Transistor vollständig aktiviert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Halbleitereinheit, eine Batterieeinheit und ein Fahrzeug.
STAND DER TECHNIK
Wie es beispielsweise in 53 gezeigt ist, beinhaltet ein Motor-angetriebenes Fahrzeug, wie ein Hybrid-Auto oder ein Elektro-Auto, eine Batterie 210, eine Inverter-Schaltung 230, die einen Motor 220 steuert, der das Motor-angetriebene Fahrzeug antreibt, und eine Relay-Einheit 200, die zwischen einer positiven Elektrode der Batterie 210 und der Inverter-Schaltung 230 angeordnet ist. Die Relay-Einheit 200 beinhaltet ein Haupt-Relay 201, bei dem es sich um ein Relay vom mechanischen Kontakttyp handelt, und eine Relay-Schaltung 202, die parallel zu dem-Relay 201 angeschlossen ist und für ein Vorab-Laden (siehe zum Beispiel Patentdokument 1) verwendet wird. Ein Kondensator 240 ist zwischen der Relay-Einheit 200 und der Inverter-Schaltung 230 angeordnet. Die Vorab-Lade-Relay-Schaltung 202 ist dazu konfiguriert, einen Fluss eines Einschaltstromes („inrush current“) aus der Batterie heraus in die Inverter-Schaltung hinein zu vermeiden, und beinhaltet ein Relay vom mechanischen Kontakttyp 203 und einen Strombegrenzungswiderstand 204, die in Reihe miteinander verbunden sind.
DOKUMENT DES STANDES DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: Japanische offengelegte Patenveröffentlichung mit der Nr. 2010-161009
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösende Probleme
Wenn die Vorab-Lade-Relay-Schaltung 202 den Einschaltstrom begrenzt, der von der Batterie 210 zu dem Kondensator 240 fließt, verbraucht der Strombegrenzungswiderstand 204 den größten Teil der Leistung. Der Strombegrenzungswiderstand 204 muss einen hohen Widerstandswert („resistance value‟) haben, um Einschaltströme zu begrenzen. Da die Leistung von dem Strombegrenzungswiderstand 204 zu verbrauchen ist, muss der Widerstand hinsichtlich seiner Größe vergrößert werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Halbleitereinheit, eine Batterieeinheit und ein Fahrzeug anzugeben, die eine Reduktion der Größe und des Gewichts einer Relay-Einheit erreichen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist eine Halbleitereinheit zwischen einem Motor und einer Inverter-Schaltung angeordnet, die den Motor steuert. Die Halbleitereinheit beinhaltet einen Transistor und eine Steuereinrichtung. Der Transistor ist zwischen der Inverter-Schaltung und einer positiven Elektrode einer Batterie angeordnet, die der Inverter-Schaltung Leistung zuführt. Der Transistor ist dazu konfiguriert, das Zuführen von Leistung aus der Batterie hin zu der Inverter-Schaltung zu steuern. Die Steuereinrichtung ist mit einem Steuer-Terminal des Transistors verbunden. Die Steuereinrichtung steuert eine Steuer-Spannung, bei der es sich um eine Spannung handelt, die an das Steuer-Terminal angelegt wird. Wenn die Zufuhr von Leistung aus der Batterie zu der Inverter-Schaltung beginnt, steuert die Steuereinrichtung die Steuer-Spannung, um den Transistor intermittierend zu betreiben, und verringert auch die Steuer-Spannung, die an das Steuer-Terminal des Transistors angelegt wird, so dass sie niedriger ist als die Steuer-Spannung, bei der der Transistor vollständig aktiviert ist.
Bei dieser Konfiguration wird der Transistor als eine Vorab-Lade-Relay-Schaltung („precharging relay circuit‟) verwendet. Das heißt, die Relay-Einheit muss keinen Strombegrenzungswiderstand beinhalten, der einen Einschaltstrom aus der Batterie begrenzt. Demzufolge ist die Relay-Einheit hinsichtlich Größe und Gewicht verkleinert.
Wirkungen der Erfindung
Wie oben beschrieben, erreichen die Halbleitereinheit, die Batterieeinheit und das Fahrzeug eine Reduktion hinsichtlich der Größe und des Gewichts der Relay-Einheit.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine elektrische Konfiguration eines Teils eines Fahrzeugs zeigt, das eine erste Ausführungsform eines Halbleiterbauteils beinhaltet.
2 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch eine elektrische Konfiguration der in
1 gezeigten Relay-Einheit und deren Umgebung zeigt.
3A ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Kollektor-Strom, der zu einem IGBT des Halbleiterbauteils fließt, und einer Kollektor-Emitter-Spannung während eines antreibenden Betriebs des Fahrzeugs zeigt.
3B ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Strom, der zu einer Diode des Halbleiterbauteils fließt, und einer Vorwärts-Spannung während eines regenerierenden Betriebs des Fahrzeugs zeigt.
4A ist eine schematische Querschnittsansicht des IGBT der ersten Ausführungsform.
4B ist eine schematische Querschnittsansicht eines Vergleichsbeispiels eines IGBT.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Diode.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleitermoduls, das ein Halbleiterbauteil beinhaltet.
7 ist eine schematische Draufsicht des Halbleitermoduls und zeigt ein Layout des Halbleiterbauteils.
8 ist eine Querschnittsansicht des Halbleitermoduls entlang einer Linie 8-8 in 7.
9 ist eine Bodenansicht des Halbleitermoduls.
10 ist eine Seitenansicht einer Halbleitereinheit.
11 ist ein Graph, der eine Kollektor-Emitter-Spannung und eine Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Kondensators in einem ersten Vergleichsbeispiel einer Vorab-Lade-Steuerung zeigt.
12 ist ein Graph, der einen Strom zeigt, der während einer Vorab-Lade-Steuerung des ersten Vergleichsbeispiels zu dem Halbleitermodul fließt.
13 ist ein Graph, der eine Kollektor-Emitter-Spannung und eine Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Kondensators in einem zweiten Vergleichsbeispiel einer Vorab-Lade-Steuerung zeigt.
14 ist ein Graph, der einen Strom zeigt, der während einer Vorab-Lade-Steuerung des zweiten Vergleichsbeispiels zu dem Halbleitermodul fließt.
15 ist ein Graph, der eine Kollektor-Emitter-Spannung und eine Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Kondensators während einer Vorab-Lade-Steuerung der ersten Ausführungsform. zeigt
16 ist ein Graph, der einen Strom zeigt, der während einer Vorab-Lade-Steuerung der ersten Ausführungsform zu dem Halbleitermodul fließt.
17 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Vergleichsbeispiel eines Halbleiterbauteils zeigt.
18 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine zweite Ausführungsform einer Halbleitereinheit zeigt.
19 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleitermoduls.
20 ist eine schematische Draufsicht des Halbleitermoduls und zeigt ein Layout eines Halbleiterbauteils.
21 ist eine Draufsicht eines IGBT und zeigt ein Layout von Elektroden-Pads des IGBT.
22 ist eine Draufsicht einer Diode und zeigt ein Layout eines Elektroden-Pads der Diode.
23 ist eine perspektivische Querschnittsansicht eines RC-IGBT, bei dem es sich um eine dritte Ausführungsform eines Halbleiterbauteils handelt.
24 ist eine Bodenansicht des RC-IGBT.
25 ist eine schematische Draufsicht eines Halbleitermoduls und zeigt ein Layout eines Halbleiterbauteils.
26A ist ein Graph, der einen Strom, der zu einem IGBT und einer Diode des RC-IGBT fließt, und Temperatur des RC-IGBT zeigt.
26B ist ein Graph eines Vergleichsbeispiels, bei dem ein IGBT und eine Diode separat gebildet sind, und zwar mit einem oberen Graph, der einen zu dem IGBT fließenden Strom und eine Temperatur des IGBT zeigt, und mit einem unteren Graph, der einen zu der Diode fließenden Strom und eine Temperatur der Diode zeigt.
27 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine vierte Ausführungsform einer Halbleitereinheit zeigt.
28 ist eine schematische Draufsicht eines Halbleitermoduls und zeigt ein Layout eines Halbleiterbauteils.
29 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine fünfte Ausführungsform einer Halbleitereinheit zeigt.
30 ist eine schematische Draufsicht eines Halbleitermoduls und zeigt ein Layout eines Halbleiterbauteils.
31A ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Antriebsstrom, der zu einem IGBT und einem MOSFET fließt, und einer Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Halbleitermoduls zeigt.
31B ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Strom, der zu einer Diode des Halbleiterbauteils fließt, und einer Vorwärts-Spannung während eines regenerierenden Betriebs des Fahrzeugs zeigt.
32 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine sechste Ausführungsform einer Halbleitereinheit zeigt.
33 ist ein Graph, der ein Gate-Ansteuersignal von jedem IGBT zeigt.
34 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein modifiziertes Beispiel einer Halbleitereinheit zeigt.
35 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein modifiziertes Beispiel einer Halbleitereinheit zeigt.
36 ist eine schematische Draufsicht eines modifizierten Beispiels eines Halbleitermoduls und zeigt ein Layout eines Halbleiterbauteils.
37 ist eine schematische Draufsicht eines modifizierten Beispiels eines Halbleitermoduls und zeigt ein Layout eines Halbleiterbauteils.
38 ist eine Querschnittsansicht des Halbleitermoduls entlang einer Linie 38-38 in 37.
39 ist eine schematische Draufsicht eines modifizierten Beispiels eines Halbleitermoduls.
40 ist eine Bodenansicht eines RC-IGBT eines modifizierten Beispiels eines Halbleiterbauteils.
41 ist eine Bodenansicht eines RC-IGBT eines modifizierten Beispiels eines Halbleiterbauteils.
42 ist eine Bodenansicht eines RC-IGBT eines modifizierten Beispiels eines Halbleiterbauteils.
43 ist eine schematische Draufsicht eines modifizierten Beispiels eines Halbleitermoduls.
44A und 44B sind jeweils eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Kondensators und einer Frequenz während eines intermittierenden Betriebs eines IGBT in einem modifizierten Beispiel einer Halbleitereinheit zeigt.
45 ist eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Kondensators und einer Frequenz während eines intermittierenden Betriebs eines IGBT in einem modifizierten Beispiel einer Halbleitereinheit zeigt.
46A und 46B sind jeweils eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Kondensators und einer Gate-Emitter-Spannung in einem modifizierten Beispiel einer Halbleitereinheit zeigt.
47 ist eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Kondensators und einer Gate-Emitter-Spannung in einem modifizierten Beispiel einer Halbleitereinheit zeigt.
48A und 48B sind jeweils eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Kondensators und einem Tastverhältnis eines IGBT in einem modifizierten Beispiel einer Halbleitereinheit zeigt.
49 ist eine Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer Terminal-zu-Terminal-Spannung eines Kondensators und einem Tastverhältnis eines IGBT in einem modifizierten Beispiel einer Halbleitereinheit zeigt.
50 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch ein modifiziertes Beispiel einer Relay-Einheit und deren Umgebung zeigt.
51 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch ein modifiziertes Beispiel einer Relay-Einheit und deren Umgebung zeigt.
52 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine elektrische Konfiguration eines Teils eines modifizierten Beispiels eines Fahrzeugs zeigt.
53 ist ein Schaltungsdiagramm, das schematisch eine herkömmliche Relay-Einheit und deren Umgebung zeigt.

MODI BZW. AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nachstehend werden Ausführungsformen eines Halbleiterbauteils, eines Halbleitermoduls, einer Halbleitereinheit, einer Relay-Einheit, einer Batterieeinheit und eines Fahrzeugs unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen stellen beispielhafte Konfigurationen und Verfahren zum Ausführen eines technischen Konzeptes dar und sollen das Material, die Form, die Struktur, die Anordnung, die Abmessungen und dergleichen von jeder Komponente nicht auf die Beschreibung beschränken. Die Ausführungsformen, die nachstehend beschrieben sind, können verschiedenen Modifikationen unterzogen werden.
In der vorliegenden Spezifikation beinhaltet, „ein Zustand, bei dem Element A mit Element B verbunden ist,“ einen Fall, bei dem Element A und Element B physikalisch miteinander verbunden sind, und einen Fall, bei dem Element A und Element B indirekt mittels eines anderen Elementes verbunden sind, das den elektrischen Verbindungszustand nicht beeinträchtigt bzw. beeinflusst.
In ähnlicher Weise beinhaltet „ein Zustand, bei dem Element C zwischen Element A und Element B angeordnet ist,“ einen Fall, bei dem Element A direkt mit Element C verbunden ist oder Element B direkt mit Element C verbunden ist, und einen Fall, bei dem Element A indirekt mit Element C mittels eines anderen Elementes verbunden ist, das den elektrischen Verbindungszustand nicht beeinträchtigt, oder bei dem Element B indirekt mit Element C mittels eines anderen Elementes verbunden ist, das den elektrischen Verbindungszustand nicht beeinflusst bzw. beeinträchtigt.
Erste Ausführungsform
Wie es in 1 gezeigt ist, ist ein Fahrzeug 1 ein Motor-angetriebenes Fahrzeug wie ein Hybrid-Auto oder an Elektro-Auto und beinhaltet eine Batterieeinheit 20, einen Motor 11, eine Inverter- bzw. Wechselrichter-Schaltung 12 und einen Kondensator 13. Der Motor 11 ist mit der Inverter-Schaltung 12 verbunden. In einem Beispiel ist der Motor 11 ein dreiphasiger Wechselstrom- (AC)-Motor. Als der dreiphasige AC-Motor kann beispielsweise ein dreiphasiger Induktionsmotor („induction motor“) verwendet werden. Die Inverter-Schaltung 12 ist elektrisch mit der Batterieeinheit 20 mittels einer Hochspannungsleitung HL und einer Niedrigspannungsleitung LL verbunden. Die Inverter-Schaltung 12 wandelt Ausgangsleistung der Batterieeinheit 20 in AC-Leistung (z.B. AC-Leistung mit einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase) um, die den Motor 11 antreibt. Der Kondensator 13 ist zwischen der Batterieeinheit 20 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet. Der Kondensator 13 ist parallel zu der Inverter-Schaltung 12 angeschlossen. Ein Beispiel des Kondensators 13 ist ein Filmkondensator oder ein Elektrolyt-Kondensator.
Die Batterieeinheit 20 beinhaltet ein Batteriemodul 21, bei dem es sich um ein Beispiel einer Batterie handelt, die Batteriezellen enthält, und eine Relay-Einheit 30, die einen Zustand eines Stromflusses aus dem Batteriemodul 21 steuert. Das Batteriemodul 21 und die Relay-Einheit 30 sind in einem Gehäuse („case“) (nicht gezeigt) aufgenommen, so dass es sich bei der Batterieeinheit 20 um eine integrierte Batterieeinheit handelt. Ein Beispiel einer Batteriezelle ist eine Lithium-Ionen-Batterie. Das Batteriemodul 21 weist eine positive Elektrode und eine negative Elektrode auf, die mit der Relay-Einheit 30 verbunden sind. Die Relay-Einheit 30 ist zwischen dem Batteriemodul 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet. Genauer gesagt ist die Relay-Einheit 30 an der Hochspannungsleitung HL und der Niedrigspannungsleitung LL zwischen dem Batteriemodul 21 und dem Kondensator 13 angeordnet. Zwischen der Relay-Einheit 30 und dem Kondensator 13 ist keine Boost-Schaltung angeordnet.
Die Relay-Einheit 30 beinhaltet ein erstes Relay 31, ein zweites Relay 32 und eine Steuerschaltung 33, bei der es sich um ein Beispiel einer Steuereinrichtung handelt. Das erste Relay 31 ist an der Hochspannungsleitung HL zwischen der positiven Elektrode des Batteriemoduls 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet. Das zweite Relay 32 ist an der Niedrigspannungsleitung LL zwischen der negativen Elektrode des Batteriemoduls 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet.
Die Steuerschaltung 33 steuert das erste Relay 31 und das zweite Relay 32. Die Steuerschaltung 33 aktiviert beispielsweise das erste Relay 31 und das zweite Relay 32, wenn ein Startschalter (Hauptschalter) des Fahrzeugs 1 eingeschaltet wird, und deaktiviert das erste Relay 31 und das zweite Relay 32, wenn der Startschalter ausgeschaltet wird. Eine Aktivierung und eine Deaktivierung des ersten Relays 31 und des zweiten Relays 32 steuern die Zufuhr von Strom und eine Unterbrechung dieser Zufuhr aus dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 sowie die Zufuhr von Strom und die Unterbrechung dieser Zufuhr von der Inverter-Schaltung 12 zu dem Batteriemodul 21.
Während eines antreibenden Betriebs („driving operation“) des Fahrzeugs 1, bei dem dem Motor 11 Leistung aus dem Batteriemodul 21 über die Inverter-Schaltung 12 zugeführt wird, beträgt der Wert des Stromes, der von dem Batteriemodul 21 der Inverter-Schaltung 12 zugeführt wird, beispielsweise 400 A. Während eines regenerierenden bzw. regenerativen Betriebs („regenerative operation“), wie beispielsweise beim Bremsen, bei dem kinetische Energie des Motors 11 dem Batteriemodul 21 als elektrische Leistung über die Inverter-Schaltung 12 zugeführt wird, beträgt der Wert des Stromes, der von der Inverter-Schaltung 12 dem Batteriemodul 21 zugeführt wird, beispielsweise 400 A. Demzufolge ermöglicht das erste Relay 31, dass der Strom von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 fließt und von der Inverter-Schaltung 12 zu dem Batteriemodul 21 fließt.
2 ist ein Schaltungsdiagramm der Relay-Einheit 30. Das erste Relay 31, das an der Hochspannungsleitung HL angeordnet ist, beinhaltet ein Halbleitermodul 40. Das zweite Relay 32, das an der Niedrigspannungsleitung LL angeordnet ist, ist ein Relay vom mechanischen Kontakttyp. Die Relay-Einheit 30 beinhaltet eine Halbleitereinheit 41, die das Halbleitermodul 40 und eine Gate-Steuerschaltung 34 aufweist.
Das Halbleitermodul 40 weist ein Halbleiterbauteil 40A auf. Das Halbleiterbauteil 40A ist zwischen der positiven Elektrode des Batteriemoduls 21 (siehe 1) und der Inverter-Schaltung 12 (siehe 1) angeordnet, die mit dem Batteriemodul 21 elektrisch verbunden ist.
Das Halbleiterbauteil 40A beinhaltet einen Bipolar-Transistor 42 mit isoliertem Gate, (IGBT), bei dem es sich um ein Beispiel eines Transistors handelt, und eine Diode 43, die antiparallel mit dem IGBT 42 verbunden ist. Genauer gesagt ist der Emitter des IGBT 42 mit einer Anode der Diode 43 verbunden, und der Kollektor des IGBT 42 ist mit einer Kathode der Diode 43 verbunden.
Der Kollektor des IGBT 42 ist mit der positiven Elektrode des Batteriemoduls 21 verbunden. Genauer gesagt ist der Kollektor des IGBT 42 ein Beispiel eines ersten Terminals des Halbleiterbauteils 40A, das mit der positiven Elektrode des Batteriemoduls 21 verbunden ist. Der Emitter des IGBT 42 ist mit einem oberen Schaltelement der Inverter-Schaltung 12 verbunden. Genauer gesagt ist der Emitter des IGBT 42 ein Beispiel eines zweiten Terminals des Halbleiterbauteils 40A, das mit der Inverter-Schaltung 12 verbunden ist. Der Emitter des IGBT 42 ist auch mit einem ersten Terminal des Kondensators 13 verbunden. Das zweite Relay 32 ist mit einem zweiten Terminal des Kondensators 13 verbunden.
Der IGBT 42 ist aus einem Silicium-(Si)-Bauteil gebildet und ist dazu konfiguriert, in dem Deaktivierungszustand eine Kollektor-Emitter-Stehspannung („collector emitter withstand voltage“) von 600 V zu haben. Die Diode 43 ist aus einem Silicium-(Si)-Bauteil gebildet und ist dazu konfiguriert, eine Stehspannung (Sperrspannung VR) von 600 V zu haben. Das heißt, bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Kollektor-Emitter-Stehspannung des IGBT 42 gleich der Stehspannung der Diode 43.
Die Steuerschaltung 33 beinhaltet die Gate-Steuerschaltung 34 und eine Relay-Steuerschaltung 35. Die Gate-Steuerschaltung 34 ist elektrisch mit dem Gate des IGBT 42 verbunden. Die Gate-Steuerschaltung 34 erzeugt ein Gate-Ansteuersignal Sg, bei dem es sich um ein Spannungssignal handelt, das an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, und gibt das Gate-Ansteuersignal Sg an das Gate des IGBT 42 aus. Der IGBT 42 wird auf der Grundlage des Gate-Ansteuersignals Sg betrieben.
Die Relay-Steuerschaltung 35 ist elektrisch mit dem zweiten Relay 32 verbunden. Die Relay-Steuerschaltung 35 erzeugt ein Steuersignal Sr, das die Aktivierung und Deaktivierung des zweiten Relays 32 steuert, und gibt das Steuersignal Sr an das zweite Relay 32 aus. Das zweite Relay 32 wird auf der Grundlage des Steuersignals Sr aktiviert und deaktiviert.
Ein Strombegrenzungswiderstand 36 ist zwischen der Gate-Steuerschaltung 34 und dem Halbleitermodul 40 angeordnet. Genauer gesagt ist der Strombegrenzungswiderstand 36 zwischen der Gate-Steuerschaltung 34 und dem Gate des IGBT 42 angeordnet. Vorzugsweise ist der Strombegrenzungswiderstand größer oder gleich 100 Ω. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Strombegrenzungswiderstand 36 gleich 500 Ω.
In dem Halbleitermodul 40, das wie oben konfiguriert ist, fließt während des antreibenden Betriebs des Fahrzeugs 1 ein Strom durch den IGBT 42, und während eines regenerierenden Betriebs des Fahrzeugs 1 fließt ein Strom durch die Diode 43. 3A zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen einem Gesamt-Kollektor-Strom Ic, der zu dem IGBT 42 fließt, und einer Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des IGBT 42, und zwar während des antreibenden Betriebs des Fahrzeugs 1. 3B zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen einem Strom If, der zu der Diode 43 fließt, und einer Vorwärts-Spannung Vf der Diode 43, und zwar während eines antreibenden Betriebs des Fahrzeugs 1.
IGBT-Struktur
Die Struktur des IGBT 42 wird unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben. Wie es in 4A gezeigt ist, ist der IGBT 42 ein Graben-Gate-IGBT. Der IGBT 42 beinhaltet ein Halbleitersubstrat 50 vom n-Typ. Das Halbleitersubstrat 50 ist beispielsweise ein Silicium-Substrat und beinhaltet eine Vorderfläche 50A und eine Rückfläche 50B, die auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleitersubstrats 50 angeordnet sind. Das Halbleitersubstrat 50 weist eine Vorderregion auf, in der Einheitszellen 51 als Teil des IGBT 42 gebildet sind.
Das Halbleitersubstrat 50 beinhaltet eine Kollektor-Region vom p⁺-Typ, eine Buffer-Region 53 vom n⁺-Typ und eine Drift-Region 54 vom n-Typ, und zwar ausgehend von der Seite der Rückfläche 50B in dieser Reihenfolge. Die Kollektor-Region 52 und die Buffer-Region 53 sind in der Rückregion bzw. hinteren Region des Halbleitersubstrats 50 gebildet. Die Kollektor-Region 52 liegt an der Rückfläche 50B des Halbleitersubstrats 50 frei. Die Kollektor-Region 52 beinhaltet Bor (B) als eine Verunreinigung vom p-Typ. Die Buffer-Region 53 ist auf der Kollektor-Region 52 gebildet und steht in Kontakt mit der Kollektor-Region 52. Die Drift-Region 54 ist unter Verwendung eines Teils des Halbleitersubstrats 50 gebildet. Ein Teil der Drift-Region 54 (nicht gezeigt) liegt an der Vorderfläche 50A des Halbleitersubstrats 50 frei. Sowohl die Buffer-Region 53 als auch die Drift-Region 54 beinhalten als Verunreinigung vom n-Typ ein Material ausgewählt aus Phosphor (P), Arsen (As) und Antimon (Sb).
In der Vorderregion des Halbleitersubstrats 50 sind Gate-Gräben 55 mit Abständen bzw. Intervallen gebildet. Jeder Gate-Graben 55 erstreckt sich durch eine Basis-Region 59 und weist einen Boden („bottom“) auf, der in der Drift-Region 54 angeordnet ist. Eine Gate-Elektrode 57 ist in dem Gate-Graben 55 eingebettet, wobei ein Gate-Isolierfilm 56 zwischen der Gate-Elektrode 57 und einer Wand des Gate-Grabens 55 angeordnet ist. Ausgehend von der Vorderfläche 50A des Halbleitersubstrats 50 hin zu der Rückfläche 50B sind Emitter-Regionen 58 vom n⁺-Typ, Basis-Regionen 59 vom p^--Typ und die Drift-Region 54 entlang der Gate-Gräben 55 gebildet.
Jede Basis-Region 59 wird von zwei Gate-Gräben 55 gemeinsam genutzt, die auf gegenüberliegenden Seiten der Basis-Region 59 angeordnet sind. Die Emitter-Regionen 58 sind entlang von gegenüberliegenden Seitenflächen von jedem Gate-Graben 55 gebildet und liegen an der Vorderfläche 50A des Halbleitersubstrats 50 frei. Die Emitter-Regionen 58 beinhalten als Verunreinigung vom n-Typ ein Material ausgewählt aus bzw. von Phosphor (P), Arsen (As) und Antimon (Sb). Eine Kontakt-Region 60 vom p⁺-Typ ist in der Vorderregion von jeder Basis-Region 59 zwischen den Emitter-Regionen 58 gebildet. Die Basis-Region 59 und die Kontakt-Region 60 beinhalten als Verunreinigung vom p-Typ Bor (B).
Die Basis-Region 59 beinhaltet eine Region zwischen der Drift-Region 54 und den Emitter-Regionen 58, die eine Kanal-Region 61 bildet. Demzufolge sind die Einheitszellen als Teil des IGBT 42 gebildet. In der Querschnittsansicht von 4A ist jede Einheitszelle 51 als eine Region definiert, die sich zwischen den Mittenlinien von zwei Gate-Gräben erstreckt, die auf gegenüberliegenden Seiten der Einheitszelle 51 angeordnet sind.
Ein Isolierfilm 62 ist beispielsweise aus Siliciumoxid (SiO₂) gebildet und ist auf der Vorderfläche 50A des Halbleitersubstrats 50 gebildet, um die Gate-Gräben 55 zu bedecken. Kontaktlöcher 62a sind in dem Isolierfilm 62 gebildet und legen die Kontakt-Regionen 60 und einen Teil der Emitter-Regionen 58 frei. Eine Emitter-Elektrode 63 ist beispielsweise aus Aluminium (z.B. AlSiCu, AlCu) gebildet und ist auf dem Isolierfilm 62 gebildet. Die Emitter-Elektrode 63 erstreckt sich von dem Isolierfilm 62 in die Kontaktlöcher 62a hinein und ist elektrisch mit den Emitter-Regionen 58 und den Kontakt-Regionen 60 in den Kontaktlöchern 62a verbunden.
Eine Kollektor-Elektrode 64 ist beispielsweise aus Aluminium (z.B. AlSiCu, AlCu) gebildet und ist auf der Rückfläche 50B des Halbleitersubstrats 50 gebildet. Die Kollektor-Elektrode 64 ist elektrisch mit der Kollektor-Region 52 verbunden.
Wie oben beschrieben, wird der IGBT 42 aktiviert, wenn der Startschalter eingeschaltet wird. Daher schaltet der IGBT 42 weniger häufig als beispielsweise die Schaltelemente der Inverter-Schaltung 12. Der IGBT 42, der eine derartige Anwendung hat, muss nicht mit einer hohen Geschwindigkeit arbeiten. Der IGBT 42 hält ausgehend von dem Zeitpunkt, wenn der Startschalter (Hauptschalter) des Fahrzeugs 1 eingeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Startschalter ausgeschaltet wird, den Aktivierungszustand aufrecht. Es ist daher bevorzugt, wenn der IGBT 42 einen kleinen Leitungsverlust („conduction loss“) hat.
In dieser Hinsicht hat der IGBT 42 eine Struktur, die die Betriebsgeschwindigkeit reduziert, wobei der Leitungsverlust reduziert wird. Die Struktur zum Reduzieren des Leitungsverlustes des IGBT 42 wird unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben.
Die 4B zeigt eine Konfiguration eines Vergleichs-IGBT, der zum Zwecke eines Vergleichs mit der Konfiguration des IGBT 42 verwendet wird. Der Vergleichs-IGBT unterscheidet sich dahingehend, dass eine Gitterdefektschicht 65 gebildet wird, und dass die Kollektor-Region 52 eine unterschiedliche Verunreinigungskonzentration hat.
Die Gitterdefektschicht 65 ist zwischen der Drift-Region 54 und der Buffer-Region 53 angeordnet. Die Gitterdefektschicht 65 steht in Kontakt mit der Drift-Region 54 und der Buffer-Region 53. Die Gitterdefektschicht 65 ist eine Hochwiderstandsschicht, in die Gitterdefekte eingeführt sind, und zwar durch einen geladenen Partikel bzw. durch geladene Partikel, um einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand (Widerstandswert, „resistance value“) zu haben als die Kollektor-Region 52 und die Buffer-Region 53. Der geladene Partikel ist beispielsweise eine Verunreinigung vom n-Typ und ist beispielsweise Argon (Ar).
Wenn der geladene Partikel eine Verunreinigung vom n-Typ ist, existiert die Verunreinigung vom n-Typ in der Gitterdefektschicht 65, ohne als ein Donator zu wirken. Das heißt, wenn die Verunreinigung vom n-Typ hinzugegeben wird, verbleibt die Gitterdefektschicht inaktiv, und die Gitterdefekte sind nicht behoben („unrepared“). Demzufolge ist die Gitterdefektschicht 65 eine Hochwiderstandsschicht mit einem erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand (Widerstandswert). Wenn der geladene Partikel Argon (Ar) ist, ist die Gitterdefektkonzentration der Gitterdefektschicht 65 gegenüber einer Gitterdefektkonzentration der Buffer-Region 53 erhöht. Demzufolge ist die Gitterdefektschicht 65 eine Hochwiderstandsschicht mit einem erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand (Widerstandswert). Der geladene Partikel kann ein Proton (H⁺) oder Helium (He) anstelle von Argon (Ar) sein.
Da die Gitterdefektschicht 65 die Lebenszeit von Minoritätsträgern steuert, ist der Vergleichs-IGBT dazu in der Lage, mit hoher Geschwindigkeit zu schalten. Der Leitungsverlust ist jedoch aufgrund des Vorhandenseins der Gitterdefektschicht 65 in dem Halbleitersubstrat 50 erhöht. Der IGBT 42 der vorliegenden Ausführungsform, der die Gitterdefektschicht 65 nicht beinhaltet, ist nicht zum Schalten mit hoher Geschwindigkeit in der Lage, verringert jedoch den Leitungsverlust.
Zusätzlich hierzu ist die Verunreinigungskonzentration in der Kollektor-Region 52 des IGBT 42 höher als die Verunreinigungskonzentration in der Kollektor-Region 52 des Vergleichs-IGBT. In einem Beispiel beträgt die Verunreinigungskonzentration des Vergleichs-IGBT in der Kollektor-Region 52 1E+16cm^-3. Vorzugsweise ist die Verunreinigungskonzentration in der Kollektor-Region 52 des IGBT 42 größer oder gleich 1E+18cm^-3.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Verunreinigungskonzentration in Kollektor-Region 52 des IGBT 42 gleich 1E+18cm^-3.
Diodenstruktur
Die Konfiguration der Diode 43 wird nunmehr beschrieben. 5 zeigt eine Querschnittsstruktur der Diode 43.
Die Diode 43 weist ein Halbleitersubstrat 70 vom n-Typ auf. Das Halbleitersubstrat 70 ist beispielsweise ein Silicium-Substrat und beinhaltet eine Vorderfläche 70A und eine Rückfläche 70B, die auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleitersubstrats 70 angeordnet sind. Das Halbleitersubstrat 70 weist eine Region 71 vom n⁺-Typ und eine Region 72 vom n^--Typ als ein Basis-Substrat auf. Das Halbleitersubstrat 70 ist beispielsweise gebildet, indem die Region 72 vom n^--Typ epitaktisch auf die Region 71 vom n⁺-Typ aufgewachsen wird. Die Region 71 vom n⁺-Typ und die Region 72 vom n^--Typ sind Halbleiterregionen, die eine Verunreinigung vom n-Typ enthalten. Die enthaltene Verunreinigung vom n-Typ kann Stickstoff (N), Phosphor (P) oder Arsen (As) sein. Die Verunreinigungskonzentration der Region 71 vom n⁺-Typ ist höher als die Verunreinigungskonzentration der Region 72 vom n^--Typ. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Dicke der Region 71 vom n⁺-Typ kleiner als die Dicke der Region 72 vom n^--Typ. Die Dicke der Region 71 vom n⁺-Typ kann jedoch größer oder gleich der Dicke der Region 72 vom n^--Typ sein.
Die Region 72 vom n^--Typ hat eine Vorderregion, in der eine Region 73 vom p-Typ gebildet ist. Die Region 73 vom p-Typ ist eine Halbleiterregion, die eine Verunreinigung vom p-Typ enthält. Die enthaltene Verunreinigung vom p-Typ kann beispielsweise Bor (B) sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Verunreinigungskonzentration der Region 73 vom p-Typ erhöht, um den Leitungsverlust der Diode 43 zu reduzieren. In einem Beispiel ist es bevorzugt, wenn die Verunreinigungskonzentration der Region 73 vom p-Typ größer oder gleich 1E+17cm^-3 ist. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt Verunreinigungskonzentration der Region 73 vom p-Typ 1E+17cm^-3. Das Halbleitersubstrat 70 weist zwischen der Region 73 vom p-Typ und der Region 72 vom n^--Typ einen p-n-Übergang auf.
Ein Anoden-Elektroden-Pad 76 ist auf der Vorderfläche 70A des Halbleitersubstrats 70 gebildet. Das Anoden-Elektroden-Pad 76 ist mit der Region 73 vom p-Typ verbunden. Ein Kathoden-Elektroden-Pad 77 ist auf der Rückfläche 70B des Halbleitersubstrats 70 gebildet. Das-Elektroden-Pad 77 ist mit der Region 71 vom n⁺-Typ auf der Rückfläche 70B des Halbleitersubstrats 70 verbunden.
Konfiguration des Halbleitermoduls 40
Die Konfiguration des Halbleitermoduls 40 wird unter Bezugnahme auf die 6 bis 10 beschrieben. Wie es in den 6 und 7 gezeigt ist, weist das Halbleitermodul 40 ein Steuer-Terminal 45, ein Verbindungs-Terminal 46 für die Batterieeinheit 20 (siehe 1) und ein Verbindungs-Terminal 47 für die Inverter-Schaltung 12 (siehe 1) auf, die als externe Terminals gegenüber einem Verkapselungsharz 48 vorstehen. Wie es in 7 gezeigt ist, beinhaltet das Halbleitermodul 40 den IGBT 42 und die Diode 43, die modulartig in einem einzelnen Gehäuse („package“) aufgenommen sind. Das Halbleitermodul 40 beinhaltet ein Metallsubstrat 44. Das Halbleitermodul 40 ist in Draufsicht rechteckförmig. In der nachstehenden Beschreibung ist die Längsrichtung des Halbleitermoduls 40 in der Draufsicht als „die erste Richtung X“ definiert, eine Richtung senkrecht zu der ersten Richtung X in der Draufsicht ist als „die zweite Richtung Y“ definiert, und eine Richtung, die orthogonal ist zu der ersten Richtung X und zu der zweiten Richtung Y, ist als „die dritte Richtung Z“ definiert
Wie es in 8 gezeigt ist, hat das Metallsubstrat 44 eine Konfiguration, bei der eine Wärmedissipations-Platte 44a, ein Isolationssubstrat 44b, ein erster Verdrahtungsabschnitt 44c und ein zweiter Verdrahtungsabschnitt 44d übereinander gestapelt sind. Die Wärmedissipations-Platte 44a ist aus Kupfer (Cu) gebildet. Wie es in den 8 und 9 gezeigt ist, liegt die Wärmedissipations-Platte 44a an einer Bodenfläche 48A des Verkapselungsharzes 48 frei. In der Draufsicht ist die Wärmedissipations-Platte 44a rechteckförmig, so dass sich die langen Seiten der Wärmedissipations-Platte 44a in der ersten Richtung X erstrecken. Die Wärmedissipations-Platte 44a kann beispielsweise aus Aluminium (Al) gebildet sein. Die Wärmedissipations-Platte 44a kann weggelassen werden, und das Isolationssubstrat 44b kann direkt freigelegt sein.
Das Isolationssubstrat 44b ist an der Wärmedissipations-Platte 44a festgelegt. Das Isolationssubstrat 44b ist beispielsweise aus Si₃N₄ gebildet. Wie es in den 8 und 9 in einer Draufsicht gezeigt ist, ist das Isolationssubstrat 44b rechteckförmig, so dass sich die langen Seiten des Isolationssubstrats 44b in der ersten Richtung X erstrecken. In der Draufsicht hat das Isolationssubstrat 44b einen größeren Flächeninhalt als die Wärmedissipations-Platte 44a. Das heißt, das Isolationssubstrat 44b steht zumindest in einer von der ersten Richtung X oder der zweiten Richtung Y gegenüber der Wärmedissipations-Platte 44a vor. In der vorliegenden Ausführungsform steht das Isolationssubstrat 44b gegenüber der Wärmedissipations-Platte 44a in der ersten Richtung X und in der zweiten Richtung Y vor.
Wie es in 8 gezeigt ist, sind der erste Verdrahtungsabschnitt 44c und der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d auf dem Isolationssubstrat 44b festgelegt. Der erste Verdrahtungsabschnitt 44c und der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d sind aus Kupfer (Cu) gebildet. Der erste Verdrahtungsabschnitt 44c ist elektrisch gegenüber dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 44d isoliert. Wie es in 7 in einer Draufsicht gezeigt ist, ist der erste Verdrahtungsabschnitt 44c rechteckförmig, so dass die langen Seiten des ersten Verdrahtungsabschnittes 44c sich in der ersten Richtung X erstrecken.
Das Verbindungs-Terminal 46 ist mit einem Ende des ersten Verdrahtungsabschnittes 44c verbunden, das in der ersten Richtung X auf der gegenüberliegenden Seite von dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 44d angeordnet ist. Das Verbindungs-Terminal 46 ist mit der Hochspannungsleitung HL für das Batteriemodul 21 verbunden. Genauer gesagt ist das Verbindungs-Terminal 46 elektrisch mit der positiven Elektrode des Batteriemoduls 21 verbunden. Das Verbindungs-Terminal 46 ist beispielsweise aus Kupfer (Cu) gebildet. In der Draufsicht ist das Verbindungs-Terminal 46 rechteckförmig, so dass die langen Seiten des Verbindungs-Terminals 46 sich in der ersten Richtung X erstrecken.
Das Verbindungs-Terminal 47 ist mit dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 44d verbunden. Das Verbindungs-Terminal 47 ist mit der Hochspannungsleitung HL für die Inverter-Schaltung 12 verbunden. Genauer gesagt ist das Verbindungs-Terminal 47 elektrisch mit der Inverter-Schaltung 12 verbunden. Das Verbindungs-Terminal 47 ist beispielsweise aus Kupfer (Cu) gebildet. Das Verbindungs-Terminal 47 und das Verbindungs-Terminal 46 sind in der zweiten Richtung Y auf der gleichen Position angeordnet. In der Draufsicht hat das Verbindungs-Terminal 47 die gleiche Form wie das Verbindungs-Terminal 46 und ist rechteckförmig, derart, dass die langen Seiten des Verbindungs-Terminals 47 sich in der ersten Richtung X erstrecken.
Der IGBT 42 und die Diode 43 sind auf dem ersten Verdrahtungsabschnitt 44c des Metallsubstrats 44 montiert. Der IGBT 42 und die Diode 43 sind als separate Halbleiter-Chips bereitgestellt. Die Diode 43 ist näher an dem Verdrahtungsabschnitt 44d angeordnet als der IGBT 42, und zwar gesehen in der zweiten Richtung Y. Die Kollektor-Elektrode 64 (siehe 4A) des IGBT 42 ist elektrisch mit dem ersten Verdrahtungsabschnitt 44c verbunden, und zwar mittels eines leitfähigen Materials wie einem Lötmittel. Das Kathoden-Elektroden-Pad 77 der Diode 43 ist elektrisch mit dem ersten Verdrahtungsabschnitt 44c verbunden, und zwar mittels eines leitfähigen Materials wie Lötmittel.
Der IGBT 42 weist eine Vorderfläche auf, an der ein Emitter-Elektroden-Pad 66 und ein Gate-Elektroden-Pad 67 gebildet sind. Die Diode 43 hat eine Vorderfläche, auf der ein Anoden-Elektroden-Pad 76a gebildet ist. Das Emitter-Elektroden-Pad 66 des IGBT 42, das Anoden-Elektroden-Pad 76a der Diode 43 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d sind mittels mehrfacher (in 7 sechs) Leistungsdrähte 49a elektrisch verbunden. In der Draufsicht erstrecken sich die Leistungsdrähte 49a in der zweiten Richtung Y. Die Leistungsdrähte 49a sind beispielsweise Bond-Drähte, die aus Aluminium (Al) gebildet sind.
Das Emitter-Elektroden-Pad 66, das Gate-Elektroden-Pad 67 und das Anoden-Elektroden-Pad 76a sind beispielsweise Aluminium (Al) oder Nickel (Ni) gebildet. Eine erste Metallelektrodenschicht (nicht gezeigt) ist auf dem Emitter-Elektroden-Pad 66 gebildet. Eine zweite Metallelektrodenschicht (nicht gezeigt) ist auf dem Gate-Elektroden-Pad 67 gebildet. Eine dritte Metallelektrodenschicht (nicht gezeigt) ist auf dem Anoden-Elektroden-Pad 76a gebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Steuer-Terminal 45 ein Gate Terminal. Das Steuer-Terminal 45 und die Diode 43 sind in der zweiten Richtung Y auf gegenüberliegenden Seiten des IGBT 42 angeordnet. Das Steuer-Terminal 45 ist bei einer Position getrennt bzw. beabstandet von dem ersten Verdrahtungsabschnitt 44c in der zweiten Richtung Y angeordnet. Das Steuer-Terminal 45 ist elektrisch mit der Gate-Steuerschaltung 34 (siehe 2) verbunden.
Das Gate-Elektroden-Pad 67 ist auf der Vorderfläche des IGBT 42 an einer Position nahe dem Steuer-Terminal 45 gebildet. Das Gate-Elektroden-Pad 67 des IGBT 42 und das Steuer-Terminal 45 sind elektrisch mittels eines Steuerdrahts 49b verbunden. Der Steuerdraht 49b ist beispielsweise ein Bond-Draht, der aus Aluminium (Al) gebildet ist.
Wie es in den 6 und 10 gezeigt ist, ist jedes Steuer-Terminal 45 L-förmig. Wie es in 10 gezeigt ist, beinhaltet die Steuerschaltung 33 ein Steuersubstrat 33a, an dem wenigstens die Gate-Steuerschaltung 34 (siehe 2) gebildet ist. Die Relay-Steuerschaltung 35 (siehe 2) kann an dem Steuersubstrat 33a gebildet sein. Das Steuersubstrat 33a ist mit dem Steuer-Terminal 45 verbunden. Das Steuersubstrat 33a ist in der dritten Richtung Z von dem Halbleitermodul 40 beabstandet und dem Halbleitermodul 40 gegenüberliegend angeordnet. Genauer gesagt hat das Verkapselungsharz 48 des Halbleitermoduls 40 eine obere Fläche 48B, die auf der der Bodenfläche 48A gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, und das Steuersubstrat 33a liegt der oberen Fläche 48B gegenüber. Wie oben beschrieben, wenn das Halbleitermodul 40 mit der Steuerschaltung 33 (Steuersubstrat 33a) gekoppelt ist, ist die Halbleitereinheit 41 gebildet.
Vorab-Laden
Unter Bezugnahme auf die 1, 2 sowie 11 bis 16 wird eine Steuerung beschrieben, die an dem Halbleitermodul 40 durchgeführt wird, wenn der Startschalter eingeschaltet wird.
Wenn der Ladezustand des Kondensators 13 Null oder nahezu Null ist und wenn der Startschalter eingeschaltet wird, kann dann, wenn Leistung von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 zugeführt wird, ein Einschaltstrom („inrush current“) zu dem Halbleitermodul 40 fließen, und zwar aufgrund der Potentialdifferenz zwischen dem Batteriemodul 21 und dem Kondensator 13. Um den Einschaltstrom zu begrenzen, der zu dem Halbleitermodul 40 fließt, wird eine Vorab-Lade-Steuerung ausgeführt. Bei der Vorab-Lade-Steuerung beschränkt die Gate-Steuerschaltung 34 dann, wenn das Batteriemodul 21 beginnt, der Inverter-Schaltung 12 Leistung zuzuführen, einen Strom, der von dem Batteriemodul 21 zu dem Halbleitermodul 40 fließt, derart, dass der Kondensator 13 allmählich bzw. graduell aufgeladen wird. Die Vorab-Ladesteuerung beginnt und endet, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 größer oder gleich einem Schwellenwert wird. Der Schwellenwert ist ein Spannungswert, der dazu verwendet wird, um zu bestimmen, dass der Kondensator 13 vollständig geladen ist. Ein Beispiel des Schwellenwertes ist eine Spannung, die größer oder gleich 80% der Spannung des Batteriemoduls 21 (nachstehend als „die Batteriespannung VB“ bezeichnet) ist.
Wenn der Startschalter (Hauptschalter) des Fahrzeugs 1 eingeschaltet wird, veranlasst die Steuerschaltung 33, dass die Gate-Steuerschaltung 34 ein Gate-Ansteuersignal Sg erzeugt und das Gate-Ansteuersignal Sg an den IGBT 42 ausgibt. Während der Vorab-Lade-Steuerung steuert die Gate-Steuerschaltung 34 den IGBT 42 derart, dass der Kondensator 13 allmählich aufgeladen wird. Genauer gesagt steuert die Gate-Steuerschaltung 34 eine Spannung, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, derart, dass sie kleiner ist als eine Spannung, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, wenn der IGBT 42 vollständig aktiviert ist. Während der Vorab-Lade-Steuerung ist es bevorzugt, dass die Spannung, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, etwas höher ist als eine Schwellenspannung Vth des IGBT 42. Das heißt, während der Vorab-Lade-Steuerung wird die an das Gate des IGBT 42 angelegte Spannung so eingestellt, dass ein Strom zu dem IGBT 42 fließt, der Strom jedoch wesentlich kleiner ist als ein Strom, der zu dem IGBT 42 dann fließt, wenn der IGBT 42 vollständig aktiviert ist („fully acitivated“). In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Spannung, die an das Gate angelegt wird, wenn der IGBT 42 vollständig aktiviert ist, 20 V. Während der Vorab-Lade-Steuerung beträgt die Spannung, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, 8 bis 10 V. Zusätzlich hierzu führt die Gate-Steuerschaltung 34 eine intermittierende Steuerung bzw. absatzweise Steuerung aus, um den IGBT 42 intermittierend zu betreiben. Vorzugsweise ist die Frequenz des intermittierenden Betriebs des IGBT 42 kleiner oder gleich 1000 Hz. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Frequenz des intermittierenden Betriebs des IGBT 42 gleich 200 Hz. Vorzugsweise ist das Tastverhältnis („duty ratio“) des IGBT 42 kleiner als 50%. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Tastverhältnis des IGBT 42 gleich 5%.
Wenn die Vorab-Lade-Steuerung vollständig bzw. abgeschlossen ist, ist die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 größer oder gleich dem Schwellenwert und ist adäquat hoch. Die Gate-Steuerschaltung 34 erzeugt ein Gate-Ansteuersignal Sg, derart, dass der IGBT 42 vollständig aktiviert wird, und gibt das Gate-Ansteuersignal Sg an den IGBT 42 aus.
Die Bedingung zum Beenden bzw. Vervollständigen der Vorab-Lade-Steuerung kann auf beliebige Art und Weise geändert werden. Die Vorab-Lade-Steuerung kann beispielsweise vervollständigt oder abgeschlossen sein, wenn eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, seit die Ausführung der Vorab-Lade-begonnen hat. Die vorbestimmte Zeit, die es für die Vorab-Lade-Steuerung benötigt, um den Kondensator 13 von Null in den vollständig geladenen Zustand zu laden, wird vorab durch Tests oder dergleichen bestimmt.
Die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13, die Spannung des IGBT 42 und der Strom, der zu dem Halbleitermodul 40 fließt, und zwar während Vorab-Lade-Steuerung, werden nunmehr beschrieben. In einem ersten Vergleichsbeispiel hält eine erste Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung den IGBT 42 konstant in dem Aktivierungszustand, während eine Spannung von 10 V an das Gate des IGBT 42 angelegt wird. In einem zweiten Vergleichsbeispiel legt eine zweite Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung eine Spannung von 20 V an das Gate des IGBT 42 an und betreibt den IGBT 42 intermittierend. In der zweiten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung wird der IGBT 42 durch die intermittierende Steuerung intermittierend betrieben. Die Frequenz, mit der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, beträgt 10kHz, und das Tastverhältnis ist 50%. Bei der ersten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung und bei der zweiten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung hat der Strombegrenzungswiderstand 36, der zwischen der Gate-Steuerschaltung 34 und dem Halbleitermodul 40 angeordnet ist, einen Wert von 50 Ω.
Wie es in 11 gezeigt ist, nimmt im Verlauf der Zeit ausgehend von dem Zeitpunkt des Startens der Steuerung die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des IGBT 42 bei der ersten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung allmählich bzw. graduell ab, und die Terminal-zu-Terminal-Spannung VC des Kondensators 13 nimmt zu. Die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE und die Terminal-zu-Terminal-Spannung VC des Kondensators 13 ändern sich nach der Art einer linearen Funktion.
Wie es in 12 gezeigt ist, fließt bei der ersten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung ein hoher Strom konstant zu dem Halbleitermodul 40, und zwar ausgehend von dem Zeitpunkt des Startens der Steuerung, bis der Kondensator 13 vollständig geladen ist. In 11 fließt ein Strom von etwa 70 A zu dem Halbleitermodul 40 bei 400 V, und zwar für 3 msec. Im Ergebnis wird die Temperatur des IGBT 42 übermäßig hoch.
Wie es in 13 gezeigt ist, betreibt die zweite Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung den IGBT 42 intermittierend mit einer hohen Geschwindigkeit, so dass eine Stoßspannung („surge voltage“) in der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des IGBT 42 erzeugt wird. Der Spitzenwert der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE fällt graduell mit dem Ablauf von Zeit ausgehend von dem Zeitpunkt des Startens der zweiten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung. Im Gegensatz hierzu nimmt die Terminal-zu-Terminal-Spannung VC des Kondensators 13 zu, und zwar mit dem Verlauf von Zeit ausgehend von dem Zeitpunkt des Startens der zweiten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung.
Wie es in 14 gezeigt ist, fließt bei der zweiten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung ein großer Strom intermittierend zu dem Halbleitermodul 40, und zwar ausgehend von dem Zeitpunkt des Startens der Steuerung, bis der Kondensator 13 vollständig geladen ist. Der Spitzenwert der zweiten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung fällt graduell mit dem Ablauf der Zeit. Zum Zeitpunkt des Startens der zweiten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung fließt ein Strom von größer als 800 A zu der Hochspannungsleitung HL. Es fließt folglich ein hoher Strom intermittierend zu dem Halbleitermodul 40, und der Strom ändert sich schnell. Dies erhöht eine Stoßspannung, die durch eine parasitäre Induktanz („inductance“) an der Schaltung und die schnellen Stromänderungen erzeugt wird. Da Perioden, während derer kein Strom zu dem IGBT 42 fließt, kurz sind, wird die Temperatur des IGBT 42 zusätzlich hierzu übermäßig hoch.
In dieser Hinsicht wird bei der vorliegenden Ausführungsform die an das Gate des IGBT 42 angelegte Spannung verringert, und der IGBT 42 wird intermittierend langsamer als bei der zweiten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung betrieben. In diesem Fall, wie es in 15 gezeigt ist, nimmt die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des IGBT 42 stufenförmig mit dem Ablauf der Zeit ausgehend von dem Starten der Vorab-Lade-Steuerung ab. Im Gegensatz hierzu nimmt die Terminal-zu-Terminal-Spannung VC des Kondensators 13 stufenförmig mit dem Ablauf der Zeit ausgehend von dem Zeitpunkt des Startens der Vorab-Lade-Steuerung der vorliegenden Ausführungsform zu.
Wie es in 16 gezeigt ist, fließt während der Vorab-Lade-Steuerung der vorliegenden Ausführungsform ein Strom intermittierend zu dem Halbleitermodul 40, und zwar ausgehend von dem Zeitpunkt des Startens der Steuerung, bis der Kondensator 13 vollständig geladen ist. Der zu dem Halbleitermodul 40 fließende Strom beträgt etwa 80 A bis 100 A. Genauer gesagt ist der während der Vorab-Lade-Steuerung der vorliegenden Ausführungsform zu dem Halbleitermodul 40 fließende Strom wesentlich kleiner als der Strom, der in der zweiten Vergleichs-Vorab-Lade-Steuerung zu dem Halbleitermodul 40 fließt. Zusätzlich hierzu sind die Perioden, während derer kein Strom zu dem IGBT 42 fließt, lang, und der IGBT 42 kühlt in den Perioden ab, während derer kein Strom fließt. Dies beschränkt einen übermäßigen Anstieg der Temperatur des IGBT 42.
Der erste Betrieb bzw. die erste Operation der vorliegenden Ausführungsform wird nunmehr beschrieben. 17 ist ein Halbleiterbauteil 40X, bei dem es sich um ein Vergleichsbeispiel eines ersten Relays handelt, und zwar verglichen mit dem Halbleiterbauteil 40A der vorliegenden Ausführungsform. Die Konfiguration des Halbleiterbauteils 40X des Vergleichsbeispiels wird nunmehr beschrieben.
Das Halbleiterbauteil 40X beinhaltet Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) 42x und 42y, die in Reihe miteinander verbunden sind. Genauer gesagt ist das Drain des MOSFET 42x mit dem Batteriemodul 21 verbunden, und die Source des MOSFET 42x ist mit der Source des MOSFET 42y verbunden. Das Drain des MOSFET 42y ist mit der Inverter-Schaltung 12 verbunden. Der MOSFET 42x beinhaltet eine Körperdiode 43x. Der MOSFET 42y beinhaltet eine Körperdiode 43y. Die Körperdiode 43x hat eine Anode für die Source des MOSFET 42x und eine Kathode für den Drain des MOSFET 42x. Die Körperdiode 43y hat eine Anode für die Source des MOSFET 42y und eine Kathode für das Drain des MOSFET 42y. Wenn ein Strom von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 fließt, oder wenn ein Strom von der Inverter-Schaltung 12 zu dem Batteriemodul 21 fließt, werden der MOSFET 42x und der MOSFET 42y simultan aktiviert, so dass der Strom durch den MOSFET 42x und den MOSFET 42y fließt. Das heißt, das Halbleiterbauteil 40X ist in zwei Richtungen leitfähig.
Jeder der MOSFETs 42x und 42y ist aus einem Siliciumcarbid-(SiC)-Bauteil gebildet, um gleichzeitig eine hohe Stehspannung und einen niedrigen Einschaltwiderstand („onresistance“) zu erreichen. Die Konfiguration des Halbleiterbauteils 40X, bei der der MOSFET 42x und der MOSFET 42y in Reihe miteinander verbunden sind, erhöht jedoch den Einschaltwiderstand und erhöht die Kosten des Halbleiterbauteils 40X.
In dieser Hinsicht beinhaltet bei der vorliegenden Ausführungsform das Halbleiterbauteil 40A den IGBT 42 und die Diode 43, die invers mit dem IGBT 42 verbunden ist. Demzufolge ist die Anzahl von Transistorelementen verglichen mit dem Halbleiterbauteil 40X verringert. Demgemäß sind die Kosten reduziert.
Nunmehr wird die zweite Betriebsweise der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wenn die Inverter-Schaltung 12 einen Kurzschluss („Kurzschluss“) bildet, fließt ein großer Strom von dem Batteriemodul 21 hin zu der Inverter-Schaltung 12. Der große Strom fließt auch zu dem Halbleitermodul 40, das zwischen dem Batteriemodul 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet ist.
Wenn ein großer Strom von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 fließt, wird der IGBT 42 des Halbleitermoduls 40 deaktiviert, um den großen Strom zu begrenzen, der von dem Batteriemodul 21 der Inverter-Schaltung 12 fließt. Beim Deaktivieren des IGBT 42, und zwar dann, wenn der IGBT 42 schnell von dem Aktivierungszustand in den Deaktivierungszustand ändert, ändert sich die Strommenge, die zu dem IGBT 42 fließt, stark, und es wird eine Stoßspannung erzeugt.
In dieser Hinsicht hat bei der vorliegenden Ausführungsform der Strombegrenzungswiderstand 36, der zwischen dem Gate des IGBT 42 und der Gate-Steuerschaltung 34 angeordnet ist, einen größeren Widerstandswert als beispielsweise ein Strombegrenzungswiderstand, der zwischen dem Gate eines Schaltelementes (z.B. IGBT) der Inverter-Schaltung 12 und einer Gate-Steuerschaltung angeordnet ist, die das Schaltelement steuert. Genauer gesagt ist der Strombegrenzungswiderstand 36 größer oder gleich 100 Ω. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Wert des Strombegrenzungswiderstandes 36 gleich 500 Ω. Dies verringert die Geschwindigkeit, mit der der IGBT 42 von dem Aktivierungszustand in den Deaktivierungszustand wechselt. Im Ergebnis ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Strom, der zu dem IGBT 42 ändert, reduziert, so, dass das Auftreten einer Stoßspannung beschränkt ist.
Ferner hat die vorliegende Ausführungsform die folgenden Vorteile. (1-1) Das Halbleiterbauteil 40A ist zwischen dem Batteriemodul 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet und beinhaltet den IGBT 42 und die invers mit dem IGBT 42 verbundene Diode 43. Der Kollektor des IGBT 42 ist mit der positiven Elektrode des Batteriemoduls 21 verbunden. Der Emitter des IGBT 42 ist mit der Inverter-Schaltung 12 verbunden. Die Stehspannung des Halbleiterbauteils 40A ist größer oder gleich der Batteriespannung VB. Bei dieser Konfiguration wird das Halbleiterbauteil 40A als ein Haupt-Relay und als eine Vorab-Lade-Relay-Schaltung verwendet. Genauer gesagt muss die Relay-Einheit keinen Strombegrenzungswiderstand zum Beschränken eines Einschaltstromes aus dem Batteriemodul 21, kein Relay vom mechanischen Kontakttyp einer Vorab-Lade-Relay-Schaltung, und kein Haupt-Relay vom mechanischen Kontakttyp aufweisen. Dies eliminiert die Nachteile, die die niedrige Verlässlichkeit von Relays beinhalten, das heißt ein Fehler beim Blockieren eines Stromes, was durch einen geschweißten Kontakt eines Haupt-Relays vom mechanischen Kontakttyp hervorgerufen ist, das Erzeugen eines elektrischen Lichtbogens, und die begrenzte Anzahl von Malen, die ein Relay öffnen und schließen kann, sowie Rauschen, das erzeugt wird, wenn das Haupt-Relay und die Vorab-Lade-Relay-Schaltung öffnen und schließen. Demgemäß wird trotz der Tatsache, dass das Verringern der Verlässlichkeit und das Erzeugen von Rauschen beschränkt werden, die Relay-Einheit 30 hinsichtlich Größe und Gewicht reduziert bzw. verkleinert.
Wenn ein Relay vom mechanischen Kontakttyp an der Hochspannungsleitung HL angeordnet ist, durch die ein Strom von 400 A aus dem Batteriemodul 21 hin zu der Inverter-Schaltung 12 fließt, hat das Relay einen Körper bzw. Grundkörper, derart, dass dessen Länge größer oder gleich 100 mm, dessen Breite größer als 60 mm, und dessen Höhe größer als 70 mm ist, und zwar in einer Draufsicht des Relays. In einem Beispiel hat das Relay eine Länge von 111mm, eine Breite von 63 mm und eine Höhe von 75 mm.
Das Halbleitermodul 40, das das Halbleiterbauteil 40A beinhaltet, hat eine Abmessung in der ersten Richtung X, die kleiner oder gleich 60 mm ist, eine Abmessung in der zweiten Richtung Y, die kleiner oder gleich 60 mm ist, und eine Höhe, die kleiner oder gleich 12 mm ist. Das erste Relay 31 ist hinsichtlich der Größe reduziert, und zwar verglichen mit einem Relay vom mechanischen Kontakttyp.
(1-2) Während der Vorab-Lade-Steuerung arbeitet der IGBT 42 in dem Halbleiterbauteil 40A intermittierend, und die an das Gate des IGBT 42 angelegte Spannung ist kleiner als die Spannung, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, wenn der IGBT 42 vollständig aktiviert ist. Diese Konfiguration beschränkt den Strom, der aus dem Batteriemodul 21 hin zu dem Kondensator 13 fließt, wodurch ein großer Strom beschränkt wird, der aus dem Batteriemodul 21 zu dem Kondensator 13 fließt.
(1-3) In dem Halbleiterbauteil 40A ist dann, wenn der IGBT 42 während der Vorab-Lade-Steuerung intermittierend arbeitet, die Frequenz kleiner oder gleich 1000 Hz, und das Tastverhältnis ist kleiner als 50%. Diese Konfiguration beschränkt den Strom weiter, der aus dem Batteriemodul 21 hin zu Kondensator 13 fließt, wodurch ein großer Strom weiter beschränkt wird, der aus dem Batteriemodul 21 hin zu dem Kondensator 13 fließt. Als ein Ergebnis hiervon werden Zunahmen der Temperatur des IGBT 42 begrenzt. In dem Halbleiterbauteil 40A der vorliegenden Ausführungsform ist dann, wenn der IGBT 42 während der Vorab-Lade-Steuerung intermittierend arbeitet, das Tastverhältnis 5%. Dies begrenzt einen großen Strom weiter, der aus dem Batteriemodul 21 hin zu dem Kondensator 13 fließt.
(1-4) Der Strombegrenzungswiderstand 36, der zwischen dem Gate des IGBT 42 des Halbleiterbauteils 40A und der Gate-Steuerschaltung 34 angeordnet ist, ist größer oder gleich 100 Ω. Diese Konfiguration reduziert die Geschwindigkeit, mit der der IGBT 42 aus dem Aktivierungszustand in den Deaktivierungszustand wechselt, wenn er ausgeschaltet wird. Demzufolge wird das Auftreten einer Stoßspannung begrenzt. In der vorliegenden Ausführungsform hat der Strombegrenzungswiderstand 36 einen Wert von 500 Ω. Demzufolge ist das Auftreten einer Stoßspannung weiter begrenzt.
(1-5) Der IGBT 42 des Halbleiterbauteils 40A hat eine Struktur, die die Gitterdefektschicht 65 zwischen der Buffer-Region 53 und der Drift-Region 54 nicht enthält. Der Leitungsverlust des IGBT 42 ist reduziert verglichen mit einem IGBT 42, der die Gitterdefektschicht 65 beinhaltet.
(1-6) Die Verunreinigungskonzentration in der Kollektor-Region 52 des IGBT 42 ist erhöht, um den Leitungsverlust des IGBT 42 zu reduzieren. Wenn ein Antriebsstrom aus dem Batteriemodul 21 hin zu der Inverter-Schaltung 12 oder dem Kondensator 13 fließt, ist folglich ein Verlust in dem IGBT 42 reduziert.
(1-7) Die Verunreinigungskonzentration in der Region 73 vom p-Typ, bei der es sich um eine Anoden-Region der Diode 43 handelt, ist erhöht, um den Leitungsverlust der Diode 43 zu reduzieren. Wenn ein regenerierender Strom aus der Inverter-Schaltung 12 hin zu dem Batteriemodul 21 fließt, ist folglich ein Verlust in der Diode 43 reduziert.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform einer Halbleitereinheit 41 wird unter Bezugnahme auf die 18 bis 22 beschreiben. Die Halbleitereinheit 41 der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der Halbleitereinheit 41 der ersten Ausführungsform in der Temperatur des IGBT 42 und in der Erfassung eines Überstroms. In der nachstehenden Beschreibung sind jenen Komponenten, bei denen es sich um die gleichen handelt wie die entsprechenden Komponenten der Halbleitereinheit 41 der ersten Ausführungsform, die gleichen Bezugszeichen zugewiesen. Derartige Komponenten sind gegebenenfalls nicht im Detail beschrieben.
Wie es in 18 gezeigt ist, weist der IGBT 42 eine Temperatur-Erfassungs-Diode („temperature-sensing diode“) 80, die dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des IGBT 42 zu erfassen, und ein Stromerfassungs-Element („current sense element“) 81 auf, das dazu konfiguriert ist, einen Strom zu erfassen, der zu dem IGBT 42 fließt. Das Stromerfassungs-Element 81 ist so angeordnet, dass ein Stromerfassungs-Verhältnis, bei dem es sich um ein Verhältnis eines Stromes, der aus dem Stromerfassungs-Element 81 fließt, zu einem Strom handelt, der aus dem Emitter des IGBT 42 fließt, beispielsweise gleich 1/1000 ist. Ein Erfassungs-Widerstand („sense resistor“) 83 ist zwischen der Gate-Steuerschaltung 34 und dem Stromerfassungs-Element 81 angeordnet. Die Gate-Steuerschaltung 34 ist mit gegenüberliegenden Enden des Erfassungs-Widerstands 83 verbunden, um einen Strom zu erfassen, der aus dem Emitter des IGBT 42 fließt, und zwar auf der Grundlage eines Stromes, der zu dem Erfassungs-Widerstand 83 fließt. Wenn der zu dem Erfassungs-Widerstand 83 fließende Strom größer oder gleich einem Schwellenwert ist, deaktiviert die Gate-Steuerschaltung 34 den IGBT 42.
Die Steuerschaltung 33 beinhaltet eine Temperatur-Erfassungsschaltung 37. Die Temperatur-Erfassungsschaltung 37 ist mit einer Anode und einer Kathode der Temperatur-Erfassungs-Diode 80 verbunden. Genauer gesagt führt die Temperatur-Erfassungsschaltung 37 der Temperatur-Erfassungs-Diode 80 einen vorbestimmten Strom zu, um eine Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden der Temperatur-Erfassungs-Diode 80 zu messen. Die Temperatur-Erfassungs-Diode 80 hat eine derartige Charakteristik, dass die Schwellenspannung abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt. Die Temperatur-Erfassungsschaltung 37 gibt beispielsweise ein Signal an die Gate-Steuerschaltung 34, wenn die Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden der Temperatur-Erfassungs-Diode 80 größer oder gleich einem Schwellenwert wird, der einem Temperatur-Schwellenwert des IGBT 42 entspricht. Der Temperatur-Schwellenwert ist eine Temperatur, die dazu führen kann, dass der IGBT 42 kaputt geht bzw. ausschaltet(„break“), und wird durch Tests oder dergleichen vorab bestimmt.
Wie es in den 19 und 20 gezeigt ist, beinhaltet das Halbleitermodul 40 fünf Steuer-Terminals 45, die mit dem IGBT 42 verbunden sind. Wie es in 19 gezeigt ist, ist jedes Steuer-Terminal 45 L-förmig. Die Steuer-Terminals 45 sind elektrisch mit der Steuerschaltung 33 (siehe 18) verbunden.
Wie es in 20 gezeigt ist, sind der IGBT 42 und die Diode 43 durch sechs Leistungsdrähte 49a verbunden. Die Leistungsdrähte 49a sind mit dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 44d verbunden. Der IGBT 42 ist mit den fünf Steuer-Terminals 45 durch fünf Steuerdrähte 49b verbunden.
21 zeigt die Konfiguration von Elektroden des IGBT 42. Ein Schutzring 90 ist auf einem Umfangsabschnitt der Vorderfläche des IGBT 42 gebildet, der gegenüber dem Metallsubstrat 44 auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist (siehe 20). Der Schutzring 90 beinhaltet bzw. umfasst eine Region Rg1, in der zwei Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B, ein Gate-Elektroden-Pad 92, eine Temperatur-Erfassungs-Diode 80, ein Anoden-Elektroden-Pad 93, ein Kathoden-Elektroden-Pad 94, das Stromerfassungs-Element 81, ein Stromerfassungs-Pad 95 und ein Emitter-Ppotential-Pad 96 gebildet sind. Eine Kollektor-Elektrode (nicht gezeigt) ist an der Rückfläche des IGBT 42 gebildet, die auf der Seite des Metallsubstrats 44 angeordnet ist. Die Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B, das Gate-Elektroden-Pad 92, das Anoden-Elektroden-Pad 93, das Kathoden-Elektroden-Pad 94, das Stromerfassungs-Pad 95 und das Emitter-Potential-Pad 96 beinhalten eine Metallelektrodenschicht ähnlich zu der ersten Metallelektrodenschicht des Emitter-Elektroden-Pads 66 oder der zweiten Metallelektrodenschicht des Gate-Elektroden-Pads 67 in der ersten Ausführungsform.
Die Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B sind elektrisch durch die Emitter-Elektrode 63 (siehe 4A) verbunden. Die Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B sind mit den jeweiligen Leistungsdrähten 49a (siehe 20) verbunden. Die Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B sind in der ersten Richtung X voneinander um einen kleinen Spalt beabstandet. Die Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B beinhalten ausgeschnittene Abschnitte 97, die gebildet sind durch Ausschneiden bzw. Ausnehmen der Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B von einer Seite in der zweiten Richtung Y, genauer gesagt auf einer Seite, auf der die Steuer-Terminals 45 (siehe 20) an dem IGBT 42 angeordnet sind. Die ausgeschnittenen Abschnitte 97 definieren eine ausgenommene Region, die in einer Richtung (zweite Richtung Y) orthogonal zu einer Anordnungs- bzw. Aufreihungsrichtung ausgenommen sind. In einer Region, die von dieser Region und dem Schutzring 90 umgeben ist, sind das Gate-Elektroden-Pad 92, das Anoden-Elektroden-Pad 93, das Kathoden-Elektroden-Pad 94, das Stromerfassungs-Pad 95 und das Emitter-Potential-Pad 96 in der ersten Richtung X angeordnet bzw. aufgereiht. Das Gate-Elektroden-Pad 92, das Anoden-Elektroden-Pad 93, das Kathoden-Elektroden-Pad 94 und das Stromerfassungs-Pad 95 sind jeweils mit den Steuer-Terminals 45 durch die Steuerdrähte 49b verbunden (siehe 20).
Das Gate-Elektroden-Pad 92 ist elektrisch mit der Gate-Elektrode 57 (siehe 4A) verbunden und ist elektrisch mit der Gate-Steuerschaltung (siehe 18) verbunden, und zwar durch das Steuer-Terminal 45 (siehe 20). Das Anoden-Elektroden-Pad 93 und das Kathoden-Elektroden-Pad 94 sind elektrisch mit der Temperatur-Erfassungsschaltung 37 (siehe 18) verbunden, und zwar durch die Steuer-Terminals 45. Das Stromerfassungs-Element 81 ist aus einem Muster gebildet, das von der Emitter-Elektrode 63 (siehe 4A) getrennt ist, die mit den Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B verbunden ist. Das Stromerfassungs-Element 81 ist elektrisch mit dem Stromerfassungs-Pad 95 verbunden. Das Stromerfassungs-Pad 95 ist elektrisch mit der Gate-Steuerschaltung 34 verbunden, und zwar durch das Steuer-Terminal 45. Das Emitter-Potential-Pad 96 wird als eine Referenzspannung verwendet, wenn das Gate-Ansteuersignal Sg erzeugt wird. Das Emitter-Potential-Pad 96 ist elektrisch mit der Gate-Steuerschaltung 34 verbunden, und zwar durch das-Terminal 45.
Ein Abschnitt des Emitter-Elektroden-Pads 91B, der einem zentralen Abschnitt der Vorderfläche des IGBT 42 entspricht, ist in einer Richtung weg von dem Emitter-Elektroden-Pad 91A in der ersten Richtung X ausgenommen, wodurch eine Ausnehmung 98 definiert wird. Die Temperatur-Erfassungs-Diode 80 ist in der Ausnehmung 98 angeordnet. Das heißt, die Temperatur-Erfassungs-Diode 80 ist in dem zentralen Abschnitt der Vorderfläche des IGBT 42 angeordnet. Die Temperatur-Erfassungs-Diode 80 ist zwischen den Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B angeordnet. Der Flächeninhalt bzw. die Fläche der Temperatur-Erfassungs-Diode 80 ist kleiner als der Flächeninhalt bzw. die Fläche von jedem von dem Gate-Elektroden-Pad 92, dem Anoden-Elektroden-Pad 93, dem Kathoden-Elektroden-Pad 94, dem Stromerfassungs-Pad 95 und dem Emitter-Potential-Pad 96. Die Temperatur-Erfassungs-Diode 80 ist elektrisch mit dem Anoden-Elektroden-Pad 93 und dem Kathoden-Elektroden-Pad 94 verbunden. Genauer gesagt ist ein Verdrahtungsmuster auf der Vorderfläche des IGBT 42 gebildet. Das Verdrahtungsmuster verbindet die Temperatur-Erfassungs-Diode 80, das Anoden-Elektroden-Pad 93 und das Kathoden-Elektroden-Pad 94 in Reihe miteinander. Demzufolge ist die Temperatur-Erfassungs-Diode 80 elektrisch mit der Temperatur-Erfassungsschaltung 37 verbunden (siehe 18).
22 zeigt die Konfiguration von Elektroden der Diode 43. Ein Schutzring 100 ist an einem Umfangsabschnitt der Vorderfläche der Diode 43 gebildet, der auf der dem Metallsubstrat 44 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist (siehe 20). Der Schutzring 100 beinhaltet bzw. umfasst eine Region Rg2, in der ein Anoden-Elektroden-Pad 101 gebildet ist. Eine Kathoden-Elektrode (nicht gezeigt) ist an der Rückfläche der Diode 43 gebildet, die auf der Seite des Metallsubstrats 44 angeordnet ist. Auf die gleiche Art und Weise wie bei dem Anoden-Elektroden-Pad 76 der ersten Ausführungsform ist die dritte Metallelektrodenschicht auf dem Anoden-Elektroden-Pad 101 gebildet.
Wenn die Inverter-Schaltung 12 einen Kurzschluss bildet, fließt ein großer Strom von dem Batteriemodul 21 hin zu der Inverter-Schaltung 12. Der große Strom kann auch zu dem Halbleitermodul 40 fließen, das zwischen dem Batteriemodul 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet ist.
Wenn ein großer Strom von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 fließt, schaltet die Steuerschaltung 33 den IGBT 42 des Halbleitermoduls 40 von dem Aktivierungszustand in den Deaktivierungszustand, um den großen Strom zu begrenzen, der von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 fließt. In einem Beispiel, und zwar dann, wenn die Temperatur des IGBT 42 größer oder gleich dem Temperatur-Schwellenwert wird, das heißt, wenn ein Signal von der Temperatur-Erfassungsschaltung 37 empfangen wird, schaltet die Steuerschaltung 33 den IGBT 42 von dem Aktivierungszustand in den Deaktivierungszustand. Genauer gesagt gibt die Steuerschaltung 33 ein Gate-Ansteuersignal Sg (Stromverringerungssignal), das den IGBT 42 deaktiviert, durch die Gate-Steuerschaltung 34 an das Gate des IGBT 42 aus.
Wenn beim Deaktivieren des IGBT 42 der IGBT 42 schnell von dem Aktivierungszustand in den Deaktivierungszustand wechselt, ändert sich die Strommenge, die zu dem IGBT 42 fließt, stark, und es wird eine Stoßspannung erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform hat der Strombegrenzungswiderstand 36, der zwischen dem Gate des IGBT 42 und der Gate-Steuerschaltung 34 angeordnet ist, einen größeren Widerstandswert als beispielsweise ein Strombegrenzungswiderstand, der zwischen dem Gate eines Schaltelementes (z.B. IGBT) der Inverter-Schaltung 12 und einer Gate-Steuerschaltung angeordnet ist, die eine Aktivierung und Deaktivierung des Schaltelementes steuert. Genauer gesagt hat der Strombegrenzungswiderstand, der zwischen dem Schaltelement und der Gate-Steuerschaltung angeordnet ist, einen Widerstandswert von einigen wenigen Ω bis zu wenigen Dutzend Ω, wohingegen der Strombegrenzungswiderstand 36 einen Widerstandswert von 100 Ω oder größer hat. In der vorliegenden Ausführungsform hat der Strombegrenzungswiderstand 36 einen Wert von 500 Ω. Dies reduziert die Geschwindigkeit, mit der der IGBT 42 von dem Aktivierungszustand in den Deaktivierungszustand wechselt. Im Ergebnis wird die Geschwindigkeit, mit der sich der zu dem IGBT 42 fließende Strom ändert, reduziert, so dass das Auftreten einer Stoßspannung begrenzt wird.
Die vorliegende Ausführungsform hat die folgenden Vorteile. (2-1) Der IGBT 42 beinhaltet das Stromerfassungs-Element 81, in welches ein Strom proportional zu einem Strom fließt, der aus dem Emitter des IGBT 42 fließt. Die Gate-Steuerschaltung 34 erfasst einen Strom, der zu dem IGBT 42 fließt, und zwar auf der Grundlage des Stromes, der zu dem Erfassungs-Widerstand 83 fließt, der mit dem Stromerfassungs-Element 81 verbunden ist. Wenn der Strom größer oder gleich dem Schwellenwert ist, wird der IGBT 42 deaktiviert. Wenn bei dieser Konfiguration ein Überstrom zu dem IGBT 42 fließt, wird der IGBT 42 deaktiviert, um den Strom zu sperren. Dies gewährleistet, dass der Strom in einer kurzen Zeit blockiert bzw. gesperrt wird, und zwar verglichen mit einem Relay vom mechanischen Kontakttyp, und folglich eine Sicherung („fuse“) unnötig macht. Zusätzlich hierzu ist die Größe verglichen mit einem Relay vom mechanischen Kontakttyp reduziert.
(2-2) Wenn die Temperatur des IGBT 42 größer oder gleich dem Temperatur-Schwellenwert ist, wird der IGBT 42 deaktiviert. Wenn bei dieser Konfiguration ein großer Strom zu dem IGBT 42 fließt und zu einer Zunahme der Temperatur des IGBT 42 führt, wird der zu dem IGBT 42 fließende Strom gesperrt.
Dritte Ausführungsform
Eine dritte Ausführungsform einer Halbleitereinheit 41 wird unter Bezugnahme auf die 23 bis 26B beschrieben. Die Halbleitereinheit 41 der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der Halbleitereinheit 41 der zweiten Ausführungsform hinsichtlich der Konfiguration des Halbleitermoduls 40. In der nachstehenden Beschreibung sind jene Komponenten, bei denen es sich um die gleichen handelt wie die entsprechenden Komponenten der Halbleitereinheit 41 der zweiten Ausführungsform, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Derartige Komponenten werden gegebenenfalls nicht im Detail beschrieben.
25 zeigt die vorliegende Ausführungsform eines Halbleitermoduls 40, das einen umgekehrt leitenden Bipolartransistor mit isoliertem Gate („reverse-conduction insulated gate bipolar transistor“, RC-IGBT) aufweist, der als das Halbleiterbauteil 40A verwendet wird, das den IGBT 42 und die Diode 43 beinhaltet. Das Layout der Elektroden-Pads des RC-IGBT ist das gleiche wie das Layout der Elektroden-Pads des IGBT 42 der zweiten Ausführungsform. Den Elektroden-Pads des Halbleiterbauteils 40A sind die gleichen Bezugszeichen zugewiesen wie den Elektroden-Pads des IGBT 42.
23 zeigt ein Beispiel einer Querschnittsstruktur des RC-IGBT, der den IGBT 42 und die Diode 43 in dem Halbleitermodul 40 beinhaltet. Wie es in 23 gezeigt ist, sind der IGBT 42 und die Diode 43 auf dem gleichen Halbleitersubstrat 110 gebildet. Das heißt, der IGBT 42 und die Diode 43 sind in einem einzelnen Chip gebildet.
Wie es in 23 gezeigt ist, hat das Halbleitersubstrat 110 eine Vorderfläche 110A, und eine Kanal-Region 111 vom p^--Typ ist an einem Flächenschichtabschnitt des Halbleitersubstrats 110 gebildet, der auf der Seite der Vorderfläche 110A angeordnet ist. Das Halbleitersubstrat 110 weist eine Rückfläche 110B auf. Eine Drift-Region 112 vom p^--Typ ist auf einer Seite der Kanal-Region 111 gebildet, die an der Rückfläche 110B angeordnet ist, derart, dass sie elektrisch mit der Kanal-Region 111 verbunden ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Halbleitersubstrat vom n^--Typ als das Halbleitersubstrat 110 verwendet, und ein Teil des Halbleitersubstrats 110 wird verwendet, um die Drift-Region 112 zu bilden.
Eine Kollektor-Region 113 vom n⁺-Typ und eine Kathoden-Region 114 vom n⁺-Typ sind an einem Flächenschichtabschnitt des Halbleitersubstrats 110 gebildet, der auf der Seite der Rückfläche 110B angeordnet ist, derart, dass sie elektrisch mit der Drift-Region 112 verbunden sind. In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich eine Buffer-Region 115 vom n-Typ zwischen der Drift-Region 112 und der Kollektor-Region 113 und zwischen der Drift-Region 112 und der Kathoden-Region 114. Die Kollektor-Region 113 und die Kathoden-Region 114 sind elektrisch mit der Drift-Region 112 über die Buffer-Region 115 verbunden. Die Kollektor-Region 113 und die Kathoden-Region 114 liegen gegenüber der Rückfläche 110B des Halbleitersubstrats 110 frei.
Die Kathoden-Region 114 quert bzw. überschreitet die Grenze der Kollektor-Region 113 und der Buffer-Region 115. Das Ende der Kathoden-Region 114, das auf der Seite der Vorderfläche 110A des Halbleitersubstrats 110 angeordnet ist, ist in der Buffer-Region 115 angeordnet.
Der Flächenschichtabschnitt des Halbleitersubstrats 110, der auf der Seite der Vorderfläche 110A angeordnet ist, beinhaltet Graben-Gate-Strukturen 116, die sich in der Draufsicht wie Gürtel bzw. Bänder erstrecken. Jede Graben-Gate-Struktur 116 beinhaltet einen Gate-Graben 117, der gebildet ist durch Eingraben in das Halbleitersubstrat 110, eine Gate-Elektrode 119, die in dem Gate-Graben 117eingebettet ist, und einen Gate-Isolierfilm 118, der zwischen der Gate-Elektrode 119 und der Wand des Gate-Grabens 117 angeordnet ist. Der Gate-Graben 117 erstreckt sich durch die Kanal-Region 111 hindurch und weist einen Boden auf, der in der Drift-Region 112 angeordnet ist. In der vorliegenden Ausführungsform bedeckt der Gate-Isolierfilm 118 auch die Vorderfläche 110A des Halbleitersubstrats 110.
Neben jeder Graben-Gate-Struktur 116 ist eine Emitter-Region 120 vom n⁺-Typ in einem Flächenschichtabschnitt der Kanal-Region 111 gebildet und liegt an der Vorderfläche 110A des Halbleitersubstrats 110 frei. Demzufolge sind neben der Graben-Gate-Struktur 116 die Emitter-Region 120 vom n⁺-Typ, die Kanal-Region 111 vom p^--Typ und die Drift-Region 112 vom n^--Typ gebildet, und zwar in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite der Vorderfläche 110A des Halbleitersubstrats 110 hin zu der Rückfläche 110B. Die benachbarten Graben-Gate-Strukturen 116 teilen sich die Kanal-Region 111. Die Gate-Elektrode 119 liegt der Emitter-Region 120, der Kanal-Region 111 und der Drift-Region 112 gegenüber, wobei der Gate-Isolierfilm 118 dazwischen angeordnet ist, und zwar in dem Gate-Graben 117.
Der Flächenschichtabschnitt der Kanal-Region 111 beinhaltet Kontaktausnehmungen 121, die zwischen den Graben-Gate-Strukturen 116 angeordnet sind. Die Kontaktausnehmungen 121 erstrecken sich wie Gürtel bzw. Bänder in der Draufsicht und erstrecken sich in die gleiche Richtung wie die Graben-Gate-Strukturen 116. Der Flächenschichtabschnitt des Halbleitersubstrats 110, der auf der Seite der Vorderfläche 110A angeordnet ist, ist ausgehoben bzw. ausgegraben, um die Kontaktausnehmungen 121 zu bilden, deren Boden in der Kanal-Region 111 angeordnet ist. In Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 110 ist die Tiefe der Kontaktausnehmungen 121 kleiner als die Tiefe der Graben-Gate-Strukturen 116 (Gate-Graben 117).
Die Emitter-Region 120 liegt an Seitenwänden von jeder Kontaktausnehmung 121 frei. In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich eine Kontakt-Region 122 vom p⁺-Typ in der Kanal-Region 111 ausgehend von einem unteren Abschnitt der Emitter-Region 120 entlang der Seitenwände und dem Boden der Kontaktausnehmung 121 und hat eine höhere Verunreinigung vom p-Typ als die Kanal-Region 111. Die Emitter-Region 120 kann an den Seitenwänden der Kontaktausnehmung 121 insgesamt frei liegen, und die Kontakt-Region 122 kann sich entlang von nur dem Boden der Kontaktausnehmung 121 erstrecken.
Eine Isolierschicht 123 ist an der Vorderfläche 110A des Halbleitersubstrats 110 gebildet, um die Graben-Gate-Strukturen 116 zu bedecken. Die Isolierschicht 123 kann eine Stapelstruktur, bei der Isolierfilme übereinander gestapelt sind, oder kann eine Monoschichtstruktur haben, die nur aus einem einzigen Isolierfilm gebildet ist. Die Isolierschicht 123 kann beispielsweise einen Oxidfilm (SiO₂) oder einen Nitridfilm (SiN) beinhalten. Die Isolierschicht 123 weist Kontaktlöcher 124 auf, die die Kontaktausnehmungen 121 freilegen, die in dem Halbleitersubstrat 110 gebildet sind.
Die Kontaktlöcher 124 erstrecken sich wie Gürtel bzw. Bänder in der Draufsicht und erstrecken sich in die gleiche Richtung wie die Kontaktausnehmungen 121 und stehen in Kommunikation bzw. in Verbindung mit den Kontaktausnehmungen 121, die in dem Flächenschichtabschnitt des Halbleitersubstrats 110 gebildet sind, der auf der Seite der Vorderfläche 110A angeordnet ist. Wände der Kontaktlöcher 124 sind bündig ausgerichtet mit den Wänden der Kontaktausnehmungen 121.
Eine Emitter-Elektrode 126 ist auf der Isolierschicht 123 gebildet, wobei eine Barriere-Metallschicht 125 zwischen der Emitter-Elektrode 126 und der Isolierschicht 123 angeordnet ist. Die Barriere-Metallschicht 125 hemmt eine Dispersion der Emitter-Elektrode 126 aus den Kontaktlöchern 124 und den Kontaktausnehmungen 121 heraus. In der vorliegenden Ausführungsform hat die Barriere-Metallschicht 125 eine Stapelstruktur mit einer Titan-Schicht und einer Titannitrid-Schicht, die sequentiell ausgehend von der Seite des Halbleitersubstrats 110 aus übereinander gestapelt sind. Die Barriere-Metallschicht 125 hat eine Vorderfläche, die der auf der Seite des Halbleitersubstrats 110 angeordnet ist, und eine Rückfläche, die auf der Vorderfläche der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Die Vorderfläche und die Rückfläche der Barriere-Metallschicht 125 sind entlang der Wände der Kontaktausnehmungen 121, der Wände der Kontaktlöcher 124 und der Fläche der Isolierschicht 123 gebildet, die außerhalb der Kontaktlöcher 124 angeordnet ist.
Die Emitter-Elektrode 126 ist auf der Barriere-Metallschicht 125 gebildet, um die Kontaktausnehmungen 121 und die Kontaktlöcher 124 zu füllen und die gesamte Fläche der Isolierschicht 123 zu bedecken. Die Emitter-Elektrode 126 ist elektrisch beispielsweise mit der Kanal-Region 111, der Emitter-Region 12 und der Kontakt-Region 122, und zwar über die Barriere-Metallschicht 125 in den Kontaktausnehmungen 121, verbunden.
Eine Kollektor-Elektrode 127 ist an der Rückfläche 110B des Halbleitersubstrats 110 gebildet und ist elektrisch mit der Kollektor-Region 113 und der Kathoden-Region 114 verbunden.
Die Diode 43 ist aus einem p-n-Übergang zwischen der Kanal-Region 111 und der Drift-Region 112 gebildet. Die Diode 43 beinhaltet die Kanal-Region 111 als eine Anoden-Region. Die Diode 43 ist elektrisch mit der Emitter-Elektrode 126 über die Kanal-Region 111 verbunden und ist über die Kathoden-Region 114 elektrisch mit der Kollektor-Elektrode 127 verbunden. Wie oben beschrieben, hat der RC-IGBT der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration, bei der die Diode 43 eine Anode hat, die elektrisch mit der Emitter-Elektrode 126 des IGBT 42 verbunden ist, und eine Kathode hat, die elektrisch mit der Kollektor-Elektrode 127 des IGBT 42 verbunden ist.
24 zeigt die Rückfläche 110B des Halbleitersubstrats 110. In der nachstehenden Beschreibung wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit eine Richtung, die sich entlang der Rückfläche 110B erstreckt, als „die W-Richtung“ definiert. Wenn das Halbleitersubstrat 110 von der Rückfläche 110B aus betrachtet wird, wird eine Richtung senkrecht zu der W-Richtung als „die V-Richtung“ definiert
Wie es in 24 gezeigt ist, beinhaltet der Flächenschichtabschnitt des Halbleitersubstrats 110, der auf der Seite der Rückfläche 110B angeordnet ist, die Kathoden-Region 114 (kreuz-schraffierter Abschnitt) und die Kollektor-Region 113. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Verunreinigungskonzentration vom n-Typ der Kathoden-Region 114 höher als die Verunreinigungskonzentration vom p-Typ der Kollektor-Region 113, so dass die Verunreinigung vom p-Typ in der Kollektor-Region 113 durch die Verunreinigung vom n-Typ ausgelöscht („cancelled“) wird.
Die Kathoden-Region 114 ist in einem vorbestimmten Muster gebildet. Genauer gesagt hat die Kathoden-Region 114 ein lineares Muster, das kontinuierlich verlegt ist. Genauer gesagt beinhaltet die Kathoden-Region 114 erste Linien bzw. Leitungen 114a und zweite Leitungen 114b. Die ersten Leitungen 114a erstrecken sich in der W-Richtung und sind voneinander in der V-Richtung beabstandet. Die zweiten Leitungen 114b erstrecken sich in der V-Richtung und verbinden jene ersten Leitungen 114a, die in der W-Richtung benachbart zueinander sind. Einige der ersten Leitungen 114a sind in der W-Richtung länger als die verbleibenden ersten Leitungen 114a. Einige der ersten Leitungen 114a sind in der V-Richtung in einem Zentrum der Rückfläche 110B des Halbleitersubstrats 110 angeordnet. Die zweiten Leitungen 114b, die benachbarte der ersten Leitungen 114a in der V-Richtung an einem Ende in der W-Richtung verbinden, wechseln in der V-Richtung mit jenen zweiten Leitungen 114b ab, die benachbarte der ersten Leitungen 114a in der V-Richtung an dem anderen Ende in der W-Richtung verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Kathoden-Region 114 nicht in einer Region Rp gebildet, in der das Gate-Elektroden-Pad 92, das Anoden-Elektroden-Pad 93, das Kathoden-Elektroden-Pad 94, das Stromerfassungs-Pad 95 und das Emitter-Potential-Pad 96 (siehe 21) angeordnet sind.
Die Kathoden-Region 114 hat eine Linienbreite, die durch die Breite der ersten Leitung 114a in der V-Richtung und die Breite der zweiten Leitung 114b in der W-Richtung spezifiziert ist. Beispielsweise ist die Linienbreite der Kathoden-Region 114 vorzugsweise größer oder gleich 1 µm und kleiner oder gleich 100 µm und ist noch bevorzugter größer oder gleich 10 µm und kleiner oder gleich 50 µm. Die Kathoden-Region 114 kann eine einheitliche Linienbreite haben, wie es in 24 gezeigt ist, oder kann eine nichteinheitliche Linienbreite haben, die in den Figuren nicht gezeigt ist. In einem Beispiel der nicht-gleichförmigen Linienbreite kann sich die Linienbreite der Kathoden-Region 114 zwischen einigen der ersten Leitungen 114a und den verbleibenden ersten Leitungen 114a unterscheiden. Die Linienbreite der Kathoden-Region 114 kann sich zwischen einigen der zweiten Leitungen 114b und den verbleibenden zweiten Leitungen 114b unterscheiden.
25 zeigt ein Layout des Halbleitermoduls 40 der vorliegenden Ausführungsform. In bzw. an dem Metallsubstrat 44 ist das Halbleiterbauteil 40A, bei dem es sich um einen RC-IGBT handelt, an den ersten Verdrahtungsabschnitt 44c montiert, der auf dem Isolationssubstrat 44b gebildet ist. Genauer gesagt ist die Kollektor-Elektrode 127 (siehe 23) des Halbleiterbauteils 40A elektrisch mit dem ersten Verdrahtungsabschnitt 44c verbunden, und zwar durch Lötmittel oder dergleichen.
Die Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B des Halbleiterbauteils 40A und der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d sind durch Leistungsdrähte 49a verbunden. In einem Beispiel beträgt die Anzahl der Leistungsdrähte 49a sechs.
Das Halbleiterbauteil 40A ist mit den fünf Steuer-Terminals 45 durch fünf Steuerdrähte 49b verbunden. Genauer gesagt sind das Gate-Elektroden-Pad 92, das Stromerfassungs-Pad 95, das Anoden-Elektroden-Pad 93, das Kathoden-Elektroden-Pad 94 und das Emitter-Potential-Pad 96 (siehe 21) des Halbleiterbauteils 40A mit den fünf Steuer-Terminals 45 durch die jeweiligen Steuerdrähte 49b verbunden.
Eine Betriebsweise der vorliegenden Ausführungsform wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 26A und 26B beschrieben. In 26A zeigt der Graph schematisch die Temperatur des RC-IGBT, der den IGBT 42 und die Diode 43 beinhaltet. In 26A zeigt das untere Balkendiagramm Änderungen in dem absoluten Wert eines Stromes, der zu dem RC-IGBT fließt. In dem unteren Balkendiagramm in 26A zeigen schraffierte Balken einen Strom, der zu der Diode 43 in den RC-IGBT fließt, und volle („solid“) Balken zeigen einen Strom, der zu dem IGBT 42 in dem RC-IGBT fließt. In 26B zeigt der obere Graph Änderungen der Temperatur des IGBT 42, wenn der IGBT 42 und die Diode 43 auf separaten Halbleiter-Chips gebildet sind. In 26B zeigt das obere Balkendiagramm Änderungen in dem Strom, der zu dem IGBT 42 fließt. In 26B zeigt der obere Graph Änderungen in der Temperatur der Diode 43, wenn der IGBT 42 und die Diode 43 aus separaten Halbleiter-Chips gebildet sind. In 26B zeigt das untere Balkendiagramm Änderungen in dem Strom, der zu der Diode 43 fließt.
In einer Konfiguration, bei der Halbleiterelemente wie ein IGBT und eine Diode mit Bond-Drähten verbunden bzw. gefügt sind, verursachen Änderungen in der Temperatur der gefügten Abschnitte der Halbleiterelemente und der Bond-Drähte, dass sich die Halbleiterelemente von den Bond-Drähten trennen. Die Halbleiterelemente trennen sich mit größerer Wahrscheinlichkeit von den Bond-Drähten, wenn eine Wiederholung von Änderungen der Temperatur der gefügten Abschnitte der Halbleiterelemente und der Bond-Drähte zunimmt. Die Beziehung zwischen der Trennung der Halbleiterelemente von den Bond-Drähten und der Anzahl von Wiederholungen von Änderungen der gefügten Abschnitte der Halbleiterelemente und der Bond-Drähte lässt sich als ein Leistungszyklustolerierbarer Betrag ausdrücken. Wenn ein Änderungsbetrag der Temperatur der gefügten Abschnitte der Halbleiterelemente und der Bond-Drähte zunimmt, nimmt die Anzahl von Malen der Wiederholung der Änderungen der Temperatur der gefügten Abschnitte der Halbleiterelemente und der Bond-Drähte ab, bis die Halbleiterelemente sich von den Bond-Drähten trennen. Das heißt, wenn der Änderungsbetrag der Temperatur der gefügten Abschnitte der Halbleiterelemente und der Bond-Drähte zunimmt, nimmt der Leistungszyklus-tolerierbare Betrag ab.
Wie es in 26B gezeigt ist, wenn ein Antriebsstrom von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 fließt, fließt der Antriebsstrom zu dem IGBT 42, fließt jedoch nicht zu der Diode 43. Während die Temperatur des IGBT 42 zunimmt, nimmt daher die Temperatur der Diode 43 nicht zu. Wenn ein regenerierender Strom von der Inverter-Schaltung 12 zu dem Batteriemodul 21 fließt, fließt der regenerierende Strom bzw. der Regenerationsstrom zu der Diode 43, fließt jedoch nicht zu dem IGBT 42. Während die Temperatur der Diode 43 zunimmt, nimmt die Temperatur des IGBT 42 daher nicht zu.
Wenn folglich der Antriebsstrom fließt und wenn der regenerierende Strom fließt, wiederholen sich Änderungen der Temperatur des IGBT 42 und wiederholen sich Änderungen in der Temperatur der Diode 43. Wenn der regenerierende Strom fließt, nimmt die Temperatur des IGBT 42 ab. Dies erhöht den Änderungsbetrag der Temperatur des IGBT 42. Wenn der Antriebsstrom fließt, nimmt die Temperatur der Diode 43 ab. Dies erhöht den Änderungsbetrag der Temperatur der Diode 43. Als ein Ergebnis hiervon nimmt der Leistungszyklus-tolerierbare Betrag ab.
In dieser Hinsicht sind bei der vorliegenden Ausführungsform der IGBT 42 und die Diode 43 auf dem gleichen Halbleiter-Chip gebildet, so dass die Temperatur des RC-IGBT sowohl gemäß einer Zunahme der Temperatur des IGBT 42 als auch gemäß einer Zunahme der Temperatur der Diode 43 zunimmt. Demzufolge, wie es in 26A gezeigt ist, sind Änderungen in der Temperatur des RC-IGBT klein, und zwar zwischen einem Fall, wenn der Antriebsstrom fließt und dann, wenn der regenerierende Strom fließt. Zusätzlich hierzu, so lange der Antriebsstrom und der regenerierende Strom fließen, sind Änderungen in der Temperatur des IGBT 42 und der Diode 43, die den Leistungszyklus-tolerierbaren Betrag beeinträchtigen, klein. Dies reduziert die Anzahl von Wiederholungen von Änderungen in der Temperatur des IGBT 42 und der Diode 43. Im Ergebnis wird der RC-IGBT für eine lange Zeitspanne verwendet.
Die vorliegende Ausführungsform hat die folgenden Vorteile. (3-1) Der IGBT 42 und die Diode 43 sind auf dem gleichen Halbleitersubstrat 110 gebildet. Diese Konfiguration eliminiert die Notwendigkeit eines Leistungsdrahtes, der den IGBT 43 und die Diode 43 elektrisch verbindet, und zwar verglichen mit einer Konfiguration, bei der der IGBT 42 und die Diode 43 auf separaten Halbleitersubstraten gebildet sind. Dies vereinfacht die Konfiguration des Halbleitermoduls 40. Zusätzlich hierzu werden Änderungen der Temperatur von jedem Halbleiterelement reduziert, wodurch die Verlässlichkeit von Leistungszyklen verbessert wird.
Vierte Ausführungsform
Eine vierte Ausführungsform einer Halbleitereinheit 41 wird unter Bezugnahme auf die 27 bis 28 beschrieben. Die Halbleitereinheit 41 der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der Halbleitereinheit 41 der zweiten Ausführungsform hinsichtlich der Konfiguration des Halbleitermoduls 40 und der Steuerschaltung 33. In der nachstehenden Beschreibung sind jene Komponenten, bei denen es sich um die gleichen handelt wie die entsprechenden Komponenten der Halbleitereinheit 41 der zweiten Ausführungsform, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Derartige Komponenten sind gegebenenfalls nicht im Detail beschrieben.
Wie es in 27 gezeigt ist, beinhaltet das Halbleiterbauteil 40A des Halbleitermoduls 40 den IGBT 42 und einen rückwärts sperrenden Bipolartransistor mit isoliertem Gate 42rb („reverse blocking insulating gate bipolar transistor“, RB-IGBT), der parallel mit dem IGBT 42 verbunden ist. In einem Beispiel ist der Emitter des RB-IGBT 42rb mit dem Kollektor des IGBT 42 verbunden, und der Kollektor des RB-IGBT 42rb ist mit dem Emitter des IGBT 42 verbunden.
Das Gate des IGBT 42 ist mit dem Strombegrenzungswiderstand 36 verbunden. Das Gate des IGBT 42rb ist mit dem Strombegrenzungswiderstand 36rb verbunden. In einem Beispiel ist der Widerstandswert des Strombegrenzungswiderstands 36 gleich dem Widerstandswert des Strombegrenzungswiderstandes 36rb. Das Gate-Ansteuersignal Sg von der Gate-Steuerschaltung 34 wird simultan dem Gate des IGBT 42 und dem Gate des RB-IGBT 42rb über die Strombegrenzungswiderstände 36 bzw. 36rb zugeführt. Demzufolge werden der IGBT 42 und der RB-IGBT 42rb synchron betrieben, und zwar beispielsweise simultan aktiviert und simultan deaktiviert. Der RB-IGBT 42rb hat eine dielektrische Stärke bzw. Festigkeit in zwei Richtungen, das heißt in einer Vorwärtsrichtung und in einer Rückwärtsrichtung. Der Widerstandswert des Strombegrenzungswiderstands 36 kann sich von dem Widerstandswert des Strombegrenzungswiderstandes 36rb unterscheiden.
Wie es in 27 gezeigt ist, beinhaltet der RB-IGBT 42rb eine Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb, die dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des RB-IGBT 42rb zu erfassen, und ein Stromerfassungs-Element 81rb, das dazu konfiguriert ist, einen Strom zu erfassen, der zu dem RB-IGBT 42rb fließt. Das Stromerfassungs-Element 81rb ist so angeordnet, dass ein Stromerfassungs-Verhältnis, bei dem es sich um ein Verhältnis eines Stromes, der von dem Stromerfassungs-Element 81rb fließt, zu einem Strom handelt, der von dem Emitter des RB-IGBT 42rb fließt, beispielsweise gleich 1/1000 ist. Ein Erfassungs-Widerstand 83rb ist zwischen der Gate-Steuerschaltung 34 und dem Stromerfassungs-Element 81rb angeordnet. Die Gate-Steuerschaltung 34 ist mit gegenüberliegenden Enden des Erfassungs-Widerstandes 83rb verbunden, um einen Strom zu erfassen, der von dem Emitter des RB-IGBT 42rb fließt, und zwar auf der Grundlage einer Spannung zwischen den gegenüberliegenden Enden des Erfassungs-Widerstandes 83rb. Wenn die Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden des Erfassungs-Widerstandes 83rb größer oder gleich einem ersten Schwellenwert ist, deaktiviert die Gate-Steuerschaltung 34 den RB-IGBT 42rb.
Die Steuerschaltung 33 weist eine Temperatur-Erfassungsschaltung 37rb auf. Die Temperatur-Erfassungsschaltung 37rb ist mit einer Anode und einer Kathode der Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb verbunden. Die Temperatur-Erfassungsschaltung 37rb führt der Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb einen vorbestimmten Strom zu, um eine Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden der Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb zu messen. Die Temperatur-Erfassungsschaltung 37rb gibt die gemessene Spannung der Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb an die Gate-Steuerschaltung 34 aus. Die Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb hat eine solche Charakteristik, dass die Schwellenspannung abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt. Demzufolge wird aus der Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden der Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb die Temperatur der Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb erhalten, das heißt die Temperatur des RB-IGBT 42rb. Die Temperatur-Erfassungsschaltung 37rb gibt beispielsweise ein Signal an die Gate-Steuerschaltung 34 aus, wenn die Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden der Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb größer oder gleich einem Schwellenwert wird, der einem Temperatur-Schwellenwert des IGBT 42rb entspricht. Der Temperatur-Schwellenwert ist eine Temperatur, die dazu führen kann, dass der IGBT 42rb fehlerhaft wird („break“), und wird durch Tests oder dergleichen vorab bestimmt.
In einem Beispiel, wenn die Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden der Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb größer oder gleich dem Schwellenwert wird, schaltet die Steuerschaltung 33 den RB-IGBT 42rb von dem Aktivierungszustand in den Deaktivierungszustand. Genauer gesagt gibt die Steuerschaltung 33 ein Gate-Ansteuersignal Sg (Stromverringerungssignal) über die Gate-Steuerschaltung 34 an das Gate des RB-IGBT42rb aus, das den RB-IGBT 42rb deaktiviert. Wenn die Temperatur von wenigstens einem von dem IGBT 42 und dem RB-IGBT 42rb größer oder gleich dem Temperatur-Schwellenwert wird, werden folglich bei der vorliegenden Ausführungsform der IGBT 42 und der RB-IGBT 42rb deaktiviert.
28 zeigt ein Layout des Halbleitermoduls 40 der vorliegenden Ausführungsform. In der nachstehenden Beschreibung sind jene Komponenten, bei denen es sich um die gleichen handelt wie die entsprechenden Komponenten des Halbleitermoduls 40 der zweiten Ausführungsform, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Derartige Komponenten sind gegebenenfalls nicht im Detail beschrieben.
Wie es in 28 gezeigt ist, unterscheiden sich der Verdrahtungsabschnitt 44c und der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d, die auf dem Isolationssubstrat 44b des Metallsubstrats 44 gebildet sind, hinsichtlich der Form von dem ersten Verdrahtungsabschnitt 44c und dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 44d der zweiten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform haben der erste Verdrahtungsabschnitt 44c und der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d eine identische Form. In der Draufsicht sind sowohl der erste Verdrahtungsabschnitt 44c als auch der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d rechteckförmig, derart, dass sich die langen Seiten in der ersten Richtung X erstrecken.
Der IGBT 42 ist auf dem ersten Verdrahtungsabschnitt 44c montiert. Der RB-IGBT 42rb ist auf dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 44d montiert. Die Montageposition des IGBT 42 unterscheidet sich von der Montageposition des RB-IGBT 42rb in der ersten Richtung X. In einem Beispiel, wie es in 28 gezeigt ist, ist der IGBT 42 in der ersten Richtung X näher an dem Verbindungs-Terminal 46 angeordnet als der RB-IGBT 42rb.
Die Emitter-Elektroden-Pads 91A und 91B des IGBT 42 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d sind durch Leistungsdrähte 49a verbunden. In einem Beispiel beträgt die Anzahl der Leistungsdrähte 49a sechs. In einem Beispiel ist, und zwar auf die gleiche Art und Weise wie bei dem IGBT 42, eine Kollektor-Elektrode (nicht gezeigt) an einer Fläche (Rückfläche) des RB-IGBT 42rb gebildet, die in der dritten Richtung Z auf der Seite des ersten Verdrahtungsabschnittes 44c angeordnet ist, und Emitter-Elektroden-Pads 91rbA und 91rbB sind auf einer Vorderfläche des RB-IGBT 42rb gebildet, die in der dritten Richtung Z auf der der Rückfläche gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Zusätzlich hierzu, und zwar auf die gleiche Art und Weise wie bei dem IGBT 42, sind das Gate-Elektroden-Pad 92, die Temperatur-Erfassungs-Diode 80rb, ein Anoden-Elektroden-Pad 93rb, ein Kathoden-Elektroden-Pad 94rb, das Stromerfassungs-Element 81rb, ein Stromerfassungs-Pad 95rb und ein Emitter-Potential-Pad 96rb an der Vorderfläche des RB-IGBT 42rb gebildet.
Die Emitter-Elektroden-Pads 91rbA und 91rbB des RB-IGBT 42rb und der erste Verdrahtungsabschnitt 44c sind durch Leistungsdrähte 49c verbunden. In einem Beispiel beträgt die Anzahl der Leistungsdrähte 49c sechs.
Das Halbleitermodul 40 beinhaltet Steuer-Terminals 45A und 45B. Es sind fünf Steuer-Terminals 45A und fünf Steuer-Terminals 45B vorgesehen. Die Steuer-Terminals 45A sind elektrisch mit dem IGBT 42 verbunden. Die Steuer-Terminals 45B sind elektrisch mit dem RB-IGBT 42rb verbunden. Die Montageposition der fünf Steuer-Terminals 45A unterscheidet sich von der Montageposition der fünf Steuer-Terminals 45B in der ersten Richtung X. In einem Beispiel, wie es in 28 gezeigt ist, sind die fünf Steuer-Terminals 45A in der ersten Richtung X näher an dem Verbindungs-Terminal 46 angeordnet als die fünf Steuer-Terminals 45B. Die Steuer-Terminals 45A und der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d sind in der zweiten Richtung Y auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Verdrahtungsabschnittes 44c angeordnet. Die Steuer-Terminals 45B und der erste Verdrahtungsabschnitt 44c sind in der zweiten Richtung Y auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten Verdrahtungsabschnittes 44d angeordnet. Die fünf Steuer-Terminals 45B sind so angeordnet, das sie bei einer Betrachtung in der ersten Richtung X mit dem RB-IGBT 42rb überlappen.
In dem IGBT 42 sind, und zwar wie bei der zweiten Ausführungsform, das Gate-Elektroden-Pad 92, das Stromerfassungs-Pad 95, das Anoden-Elektroden-Pad 93, das Kathoden-Elektroden-Pad 94 und das Emitter-Potential-Pad 96 mit den fünf Steuer-Terminals 45A durch die Steuerdrähte 49b verbunden.
In dem RB-IGBT 42rb, und zwar auf die gleiche Art und Weise wie bei dem IGBT 42, sind ein Gate-Elektroden-Pad 92rb, ein Stromerfassungs-Pad 95rb, ein Anoden-Elektroden-Pad 93rb, ein Kathoden-Elektroden-Pad 94rb und ein Emitter-Potential-Pad 96rb mit den fünf Steuer-Terminals 45B durch Steuerdrähte 49d verbunden.
Die vorliegende Ausführungsform hat zusätzlich zu den Vorteilen der zweiten Ausführungsform die die folgenden Vorteile. (4-1) Der RB-IGBT 42rb beinhaltet das Stromerfassungs-Element 81rb, zu dem ein Strom fließt, der proportional ist zu einem Strom, der von dem Emitter des RB-IGBT 42rb fließt. Die Gate-Steuerschaltung 34 erfasst einen Strom, der zu dem RB-IGBT 42rb fließt, und zwar auf der Grundlage eines Stromes, der zu dem Erfassungs-Widerstand 83rb fließt, der mit dem Stromerfassungs-Element 81rb verbunden ist. Wenn der Strom größer oder gleich dem Schwellenwert ist, wird der RB-IGBT 42rb deaktiviert. Wenn bei dieser Konfiguration ein Überstrom zu dem RB-IGBT 42rb fließt, wird RB-IGBT 42rb deaktiviert, um den Strom zu sperren bzw. zu blockieren. Diese Konfiguration ermöglicht eine Reduktion der Größe und gewährleistet, dass der Strom verglichen mit einem Relay vom mechanischen Kontakttyp in einer kurzen Zeit gesperrt wird.
(4-2) Wenn die Temperatur des RB-IGBT 42rb größer oder gleich dem Temperatur-Schwellenwert ist, wird der RB-IGBT 42rb deaktiviert. Wenn bei dieser Konfiguration ein großer Strom zu dem RB-IGBT 42rb fließt und zu einer Zunahme der Temperatur des RB-IGBT 42rb führt, wird der zu dem RB-IGBT 42rb fließende Strom gesperrt. Das heißt, wenn ein regenerierender Strom einen Überstrom oder einen exzessiven Temperaturanstieg hervorruft, sperrt der RB-IGBT 42rb den Strom.
Fünfte Ausführungsform
Eine fünfte Ausführungsform einer Halbleitereinheit 41 wird unter Bezugnahme auf die 29 bis 31B beschrieben. Die Halbleitereinheit 41 der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der Halbleitereinheit 41 der ersten Ausführungsform hinsichtlich der Konfiguration des Halbleitermoduls 40. In der nachstehenden Beschreibung sind jene Komponenten, bei denen es sich um die gleichen handelt wie die entsprechenden Komponenten der Halbleitereinheit 41 der ersten Ausführungsform, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Derartige Komponenten werden gegebenenfalls nicht im Detail beschrieben.
Wie es in 29 gezeigt ist, beinhaltet das Halbleiterbauteil 40A des Halbleitermoduls 40 bei der vorliegenden Ausführungsform den IGBT 42, die Diode 43 und einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor 140 (MOSFET). Ein Beispiel des MOSFET 140 ist aus einem Siliciumcarbid-(SiC)-Halbleitersubstrat gebildet, das heißt einem Halbleiter mit breiter bzw. großer Bandlücke. In der vorliegenden Ausführungsform ist der MOSFET 140 ein N-Kanal-MOSFET. Der MOSFET 140 beinhaltet eine Körperdiode 140a. Der MOSFET 140 kann ein MOSFET sein, der aus einem Nitrid-Halbleiter wie Galliumnitrid (GaN) gebildet ist.
In dem Halbleiterbauteil 40A ist die Diode 43 antiparallel mit dem IGBT 42 verbunden, und der MOSFET 140 ist parallel mit dem IGBT 42 verbunden. Genauer gesagt sind eine Anode der Diode 43 und die Source des MOSFET 140 mit dem Emitter des IGBT 42 verbunden. Eine Kathode der Diode 43 und das Drain des MOSFET 140 sind mit dem Kollektor des IGBT 42 verbunden.
Das Gate des IGBT 42 und das Gate des MOSFET 140 sind mit der Gate-Steuerschaltung 34 verbunden. Der Strombegrenzungswiderstand 36 ist zwischen dem Gate des IGBT 42 und der Gate-Steuerschaltung 34 angeordnet. Ein Strombegrenzungswiderstand 36m ist zwischen dem Gate des MOSFET 140 und der Gate-Steuerschaltung 34 angeordnet. Die Gate-Steuerschaltung 34 gibt ein Gate-Ansteuersignal Sg sowohl an das Gate des IGBT 42 als auch an das Gate des MOSFET 140 aus. Das Gate-Ansteuersignal Sg ist ein gemeinsames Signal zu dem IGBT 42 und dem MOSFET 140. Demgemäß werden der IGBT 42 und der MOSFET 140 synchron auf der Grundlage des Gate-Ansteuersignals Sg betrieben.
30 zeigt ein Layout des Halbleitermoduls 40 der vorliegenden Ausführungsform. Wie es in 30 gezeigt ist, sind ein erster Verdrahtungsabschnitt 143, ein zweiter Verdrahtungsabschnitt 144 und zwei dritte Verdrahtungsabschnitte 170 und 171 auf dem Isolationssubstrat 44b des Metallsubstrats 44 angeordnet. In einem Beispiel sind der erste Verdrahtungsabschnitt 143 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 144 in der ersten Richtung X voneinander bestandet und liegen einander gegenüber. Das Verbindungs-Terminal 46 ist mit dem ersten Verdrahtungsabschnitt 143 verbunden. Das Verbindungs-Terminal 47 ist mit dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 144 verbunden. In einem Beispiel sind die dritten Verdrahtungsabschnitte 170 und 171 angeordnet, um bei einer Betrachtung in der zweiten Richtung Y mit dem Verbindungs-Terminal 46 zu überlappen.
Der IGBT 42, die Diode 43 und der MOSFET 140 sind auf dem ersten Verdrahtungsabschnitt 143 angeordnet und sind voneinander in der zweiten Richtung Y beabstandet. Die Kollektor-Elektrode 64 des IGBT 42, das Kathoden-Elektroden-Pad 77 der Diode 43 und eine Drain-Elektrode des MOSFET 140 sind elektrisch durch Lötmittel oder dergleichen mit dem ersten Verdrahtungsabschnitt 143 verbunden.
Der IGBT 42 beinhaltet das Emitter-Elektroden-Pad 66 und das Gate-Elektroden-Pad 67. Obgleich in dem IGBT 42 der vorliegenden Ausführungsform nicht enthalten, können das Anoden-Elektroden-Pad 93, das Kathoden-Elektroden-Pad 94, das Stromerfassungs-Pad 95 und das Emitter-Potential-Pad 96 als Pads verwendet werden. Die Diode 43 beinhaltet das Anoden-Elektroden-Pad 76a. Der MOSFET 140 beinhaltet ein Source Elektroden-Pad 145 und ein Gate-Elektroden-Pad 146. Das Emitter-Elektroden-Pad 66 des IGBT 42 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 144 sind durch Leistungsdrähte 147a verbunden. Das Anoden-Elektroden-Pad 76a der Diode 43 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 144 sind durch Leistungsdrähte 147b verbunden. Das Source Elektroden-Pad 145 des MOSFET 140 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 144 sind durch Leistungsdrähte 147c verbunden. In einem Beispiel beträgt die Anzahl der Leistungsdrähte 147a vier, die Anzahl der Leistungsdrähte 147b beträgt zwei, und die Anzahl der Leistungsdrähte 147c beträgt zwei.
Das Halbleitermodul 40 beinhaltet Steuer-Terminals 149a und 149b. Das Gate und der Emitter des IGBT 42 und das Gate und die Source des MOSFET 140 sind elektrisch mit den Steuer-Terminals 149a bzw. 149b verbunden. Genauer gesagt ist das Gate-Elektroden-Pad 67 des IGBT 42 elektrisch mit dem dritten Verdrahtungsabschnitt 170 durch einen Steuerdraht 148a verbunden. Das Gate-Elektroden-Pad 146 des MOSFET 140 ist elektrisch mit dem dritten Verdrahtungsabschnitt 170 mittels eines Steuerdrahts 148b verbunden. Das Emitter-Elektroden-Pad 66 des IGBT 42 ist elektrisch mit dem dritten Verdrahtungsabschnitt 171 mittels eines Steuerdrahts 148c verbunden. Das Source Elektroden-Pad 145 des MOSFET 140 ist elektrisch mit dem dritten Verdrahtungsabschnitt 171 mittels eines Steuerdrahts 148d verbunden. Der dritte Verdrahtungsabschnitt 170 ist mit dem Steuer-Terminal 149a mittels eines Steuerdrahts 148e verbunden. Der dritte Verdrahtungsabschnitt 171 ist mit dem Steuer-Terminal 149b mittels eines Steuerdrahts 148f verbunden.
Der MOSFET 140 hat eine Charakteristik, die es ermöglicht, dass ein Strom in einem Spannungsbereich fließt, bei dem die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 niedriger ist als eine Offset-Spannung. Der zu dem MOSFET 140 fließende Strom ist kleiner als ein Strom, der zu dem IGBT 42 fließt. Zusätzlich hierzu ist ein Zunahmebetrag des zu dem MOSFET 140 fließenden Stromes in Relation zu Zunahmen der Drain-Source Spannung des MOSFET 140 kleiner als ein Zunahmebetrag des Stromes, der zu dem IGBT 42 in Relation zu Zunahmen der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 fließt.
Wenn das Gate des MOSFET 140 eingeschaltet wird, wird der MOSFET 140 als ein Pfad verwendet, durch den der regenerierende Strom aus der Source zu dem Drain fließt. Der MOSFET 140 hat eine rückwärts leitende Charakteristik („reverse conduction characteristic“), die es ermöglicht, dass ein Strom bei einer Spannung fließt, die niedriger ist als eine Aktivierungsspannung der Diode 43. Der Strom, der zu dem MOSFET 140 in der Rückwärtsrichtung fließt, ist kleiner als der Strom, der zu der Diode 43 fließt. Zusätzlich hierzu ist ein Zunahmebetrag des Stromes, der in der Rückwärtsrichtung in Relation zu Zunahmen der Source-Drain Spannung des MOSFET 140 fließt, kleiner als ein Zunahmebetrag des Stromes, der in Relation zu Zunahmen der Spannung zwischen Terminals der Diode 43 fließt.
Wenn ein Antriebsstrom von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 zugeführt wird, fließt der Antriebsstrom zu dem IGBT 42 und dem MOSFET 140. 31A zeigt eine Beziehung zwischen dem Antriebsstrom, der zu dem IGBT 42 und dem MOSFET 140 fließt, und einer Terminal-zu-Terminal-Spannung des Halbleitermoduls 40. In dem in 31A gezeigten Graph zeigt die unterbrochene Linie Änderungen des Stromes, der zu dem MOSFET 140 fließt, die einfach gestrichelte Linie zeigt Änderungen des Stromes, der zu dem IGBT 42 fließt, und die durchgezogene Linie zeigt Änderungen in dem Gesamtstrom (Antriebsstrom) des MOSFET 140 und des IGBT 42.
Wie es in 31A gezeigt ist, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 kleiner ist als die Offset-Spannung (in 31A 0,7 V), fließt der Antriebsstrom zu dem MOSFET 140 und fließt nicht zu dem IGBT 42. Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 größer oder gleich der Offset-Spannung ist, fließt der Antriebsstrom zusätzlich zu dem MOSFET 140 zu dem IGBT 42.
Wenn ein regenerativer bzw. regenerierender Strom von der Inverter-Schaltung 12 zu dem Batteriemodul 21 zugeführt wird, fließt der regenerierende Strom zu der Diode 43 und dem MOSFET 140. 31B zeigt eine Beziehung zwischen dem regenerierenden Strom, der zu der Diode 43 und dem MOSFET 140 in der Rückwärtsrichtung fließt, und einer Terminal-zu-Terminal-Spannung des Halbleitermoduls 40. In dem in 31B gezeigten Graph zeigt die unterbrochene Linie („broken line“) Änderungen des Stromes, der zu dem MOSFET 140 in der Rückwärtsrichtung fließt, die einfach gestrichelte Linie („singledashed line“) zeigt Änderungen des Stromes, der zu der Diode 43a fließt, und die durchgezogene Linie zeigt Änderungen des Gesamtstromes (regenerierender Strom) der Diode 43a und des MOSFET 140.
Wie es in 31B gezeigt ist, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung der Diode 43a kleiner ist als Aktivierungsspannung (in 31B 0,7 V), fließt der regenerierende Strom zu dem MOSFET 140 und fließt nicht zu der Diode 43a. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung der Diode 43a größer oder gleich der Aktivierungsspannung ist, fließt der regenerierende Strom zusätzlich zu dem MOSFET 140 zu der Diode 43a. Demzufolge reduziert das Hinzufügen des MOSFET 140 zu dem Halbleiterbauteil 40A den Leitungsverlust, wenn der Antriebsstrom und der regenerierende Strom niedrig bzw. klein sind.
Die vorliegende Ausführungsform hat die folgenden Vorteile. (5-1) Das Halbleiterbauteil 40A beinhaltet den IGBT 42, die Diode 43, die antiparallel mit dem IGBT 42 verbunden ist, und den MOSFET 140, der parallel mit dem IGBT 42 verbunden ist. Wenn bei dieser Konfiguration ein Antriebsstrom von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 zugeführt wird, fließt der Antriebsstrom in einem Spannungsbereich, bei dem die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 kleiner ist als die Offset-Spannung, durch den MOSFET 140. Wenn ein regenerierender Strom von der Inverter-Schaltung 12 zu dem Batteriemodul 21 zugeführt wird, fließt der regenerierende Strom in einem Spannungsbereich, der kleiner ist als die Aktivierungsspannung der Diode 43a, zu dem MOSFET 140. Demzufolge wird der Antriebsstrom unverzüglicher („more promptly‟) von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 zugeführt, und der regenerierende Strom wird unverzüglicher von der Inverter-Schaltung 12 zu dem Batteriemodul 21 zugeführt.
Sechste Ausführungsform
Eine sechste Ausführungsform der Halbleitereinheit 41 wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 32 und 33 beschrieben. Die Halbleitereinheit 41 der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der Halbleitereinheit 41 der ersten Ausführungsform hinsichtlich der Konfiguration der Steuerschaltung 33 und der Steuerung der Halbleitereinheit 41. In der nachstehenden Beschreibung sind jene Komponenten, bei denen es sich um die gleichen handelt wie die entsprechenden Komponenten der Halbleitereinheit 41 der ersten Ausführungsform, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Derartige Komponenten werden gegebenenfalls nicht im Detail beschrieben.
Wie es in 32 gezeigt ist, beinhaltet die Halbleitereinheit 41 der vorliegenden Ausführungsform ein erstes Halbleiterbauteil 40A, ein zweites Halbleiterbauteil 40B und ein drittes Halbleiterbauteil 40C. Das erste Halbleiterbauteil 40A beinhaltet einen IGBT 42a und die Diode 43a. Das zweite Halbleiterbauteil 40B beinhaltet einen IGBT 42b und eine Diode 43b. Das dritte Halbleiterbauteil 40C beinhaltet einen IGBT 42c und eine Diode 43c. Die IGBTs 42a bis 42c sind parallel verbunden. Die Dioden 43a bis 43c sind parallel verbunden.
In dem ersten Halbleiterbauteil 40A ist die Diode 43a antiparallel mit dem IGBT 42a verbunden. Genauer gesagt ist eine Anode der Diode 43a mit dem Emitter des IGBT 42a verbunden, und eine Kathode der Diode 43a ist mit dem Kollektor des IGBT 42a verbunden.
In dem zweiten Halbleiterbauteil 40B ist die Diode 43b antiparallel mit dem IGBT 42b verbunden. Genauer gesagt ist eine Anode der Diode 43b mit dem Emitter des IGBT 42b verbunden, und eine Kathode der Diode 43b ist mit dem Kollektor des IGBT 42b verbunden.
In dem dritten Halbleiterbauteil 40C ist die Diode 43c antiparallel mit dem IGBT 42c verbunden. Genauer gesagt ist eine Anode der Diode 43c mit dem Emitter des IGBT 42c verbunden, und eine Kathode der Diode 43c ist mit dem Kollektor des IGBT 42c verbunden.
Die Steuerschaltung 33 beinhaltet eine erste Gate-Steuerschaltung 34A, eine zweite Gate-Steuerschaltung 34B und eine dritte Gate-Steuerschaltung 34C. Die erste Gate-Steuerschaltung 34A ist elektrisch mit dem Gate des IGBT 42a verbunden. Die zweite Gate-Steuerschaltung 34B ist mit dem Gate des IGBT 42b verbunden. Die dritte Gate-Steuerschaltung 34C ist mit dem Gate des IGBT 42c verbunden. Zwischen der ersten Gate-Steuerschaltung 34A und dem Gate des IGBT 42a, zwischen der zweiten Gate-Steuerschaltung 34B und dem Gate des IGBT 42b und zwischen der dritten Gate-Steuerschaltung 34C und dem Gate des IGBT 42c sind Strombegrenzungswiderstände 36 angeordnet. Die drei Strombegrenzungswiderstände 36 haben den gleichen Widerstandswert. Vorzugsweise ist der Widerstandswert der Strombegrenzungswiderstände 36 größer oder gleich 100 Ω. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Widerstandswert der Strombegrenzungswiderstände 36 500 Ω.
Die erste Gate-Steuerschaltung 34A gibt ein Gate-Ansteuersignal Sga an das Gate des IGBT 42a aus. Die zweite Gate-Steuerschaltung 34B gibt ein Gate-Ansteuersignal Sgb an das Gate des IGBT 42b aus. Die dritte Gate-Steuerschaltung 34C gibt ein Gate-Ansteuersignal Sgc an das Gate des IGBT 42c aus. Demzufolge werden die IGBTs 42a bis 42c von den Gate-Steuerschaltungen 34A bis 34C separat gesteuert.
Wie es in 33 gezeigt ist, unterscheiden sich während einer Vorab-Lade-Steuerung der vorliegenden Ausführungsform eine Zeit, während der das Gate-Ansteuersignal Sga in das Gate des IGBT 42a eingegeben wird, eine Zeit, während der das Gate-Ansteuersignal Sgb in das Gate des IGBT 42b eingegeben wird, und eine Zeit, während der das Gate-Ansteuersignal Sgc in das Gate des IGBT 42c eingegeben wird, voneinander. Genauer gesagt wird zunächst das Gate-Ansteuersignal Sga in das Gate des IGBT 42a eingegeben. Nachdem der IGBT 42a erneut deaktiviert ist, wird das Gate-Ansteuersignal Sgb in das Gate des IGBT 42b eingegeben. Nachdem der IGBT 42b erneut deaktiviert ist, wird das Gate-Ansteuersignal Sgc in das Gate des IGBT 42c eingegeben. Nachdem der IGBT 42c erneut deaktiviert ist, wird das Gate-Ansteuersignal Sga in das Gate des IGBT 42a eingegeben. Die Vorab-Ladesteuerung wird durch Wiederholen dieses Zyklus ausgeführt.
Die vorliegende Ausführungsform hat die folgenden Vorteile. (6-1) Während der Vorab-Lade-Steuerung steuert die Steuerschaltung 33 die IGBTs 42a bis 42c separat bzw. unabhängig. Genauer gesagt legt die Steuerschaltung 33 während der Vorab-Lade-Steuerung eine Spannung an die Gates der jeweiligen IGBTs 42a bis 42c zu einem jeweiligen Zeitpunkt an, der sich zwischen den IGBTs 42a bis 42c unterscheidet. Da die Zeiten, während derer ein Strom zu den IGBTs 42a bis 42c fließt, sich bei dieser Konfiguration voneinander unterscheiden, wird Wärme durch den zu den IGBTs 42a bis 42c at fließenden Strom zu unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugt. Demzufolge beschränkt die Vorab-Lade-Steuerung eine exzessive Zunahme der Temperatur der IGBTs 42a bis 42c. Da die IGBTs 42a bis 42c ferner nicht durch eine einzelne Gate-Ansteuerschaltung angesteuert werden, das heißt die IGBTs 42a bis 42c nicht simultan aktiviert und desaktiviert werden, wird ein konzentrierter Stromfluss zu einem der IGBTs 42a bis 42c vermieden. Verglichen mit einer Konfiguration, bei der die Halbleitereinheit 41 einen einzelnen IGBT 42 beinhaltet, ist zusätzlich hierzu der Betrag des Stromes, der von den jeweiligen IGBTs 42a bis 42c gesperrt wird, etwa 1/3 so groß. Die nicht-gleichzeitige Aktivierung und Deaktivierung der IGBTs 42a bis 42c vermeidet eine Überlappung von Stoßspannungen, wodurch eine Stoßspannung des Kollektors von jedem der IGBTs 42a bis 42c reduziert wird.
Modifizierte Beispiele
Die Beschreibung, die sich auf die obigen Ausführungsformen bezieht, stellt beispielhaft, ohne jede Absicht auf eine Beschränkung, anwendbare Ausführungsformen eines Halbleiterbauteils, eines Halbleitermoduls, einer Halbleitereinheit, einer Relay-Einheit, einer Batterieeinheit und eines Fahrzeugs gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Zusätzlich zu den obigen Ausführungsformen können das Halbleiterbauteil, das Halbleitermodul, die Halbleitereinheit, die Relay-Einheit, die Batterieeinheit und das Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung auf modifizierte Beispiele angewendet werden, die nachstehend beschrieben werden, und auf wenigstens zwei der modifizierten Beispiele, die einander nicht widersprechen.
Bei der ersten bis fünften Ausführungsform kann die Anzahl von IGBTs 42 in dem Halbleiterbauteil 40A auf beliebige Art und Weise geändert werden. Beispielsweise kann das Halbleiterbauteil 40A mehrfache IGBTs 42 beinhalten, die parallel verbunden sind. Bei diesem modifizierten Beispiel kann die Konfiguration der Steuerschaltung 33 auf die Konfiguration der Steuerschaltung 33 der sechsten Ausführungsform geändert werden.
Die Konfiguration des Halbleiterbauteils 40A ist nicht auf jene der obigen Ausführungsformen beschränkt und kann beispielsweise eine der Konfigurationen sein, die in 34 und 35 gezeigt sind. Wie es in 34 gezeigt ist, beinhaltet das Halbleiterbauteil 40A einen MOSFET 140 und eine Diode 43, die antiparallel mit dem MOSFET 140 verbunden ist. Genauer gesagt ist eine Anode der Diode 43 mit der Source des MOSFET 140 verbunden, und eine Kathode der Diode 43 ist mit dem Drain des MOSFET 140 verbunden. Die Source und der Drain des MOSFET 140 sind mit der Hochspannungsleitung HL verbunden. Der MOSFET 140 ist beispielsweise ein N-Kanal-MOSFET. Der Drain des MOSFET 140 entspricht einem ersten Terminal des Halbleiterbauteils 40A, das mit der positiven Elektrode des Batteriemoduls 21 verbunden ist. Die Source des MOSFET 140 entspricht einem zweiten Terminal des Halbleiterbauteils 40A, das mit der Inverter-Schaltung 12 verbunden ist. Das Gate des MOSFET 140 ist mit der Gate-Steuerschaltung 34 verbunden. Der MOSFET 140 kann ein MOSFET sein, der aus einem Silicium-(Si)-Halbleitersubstrat gebildet ist, oder ein MOSFET, der aus einem Siliciumcarbid-(SiC)- oder einem Galliumnitrid-(GaN)-Halbleitersubstrat gebildet ist. Der Silicium-(Si)-MOSFET kann eine Super-Übergangsstruktur („super junction structure“) haben. Der Galliumnitrid-(GaN)-MOSFET kann eine Struktur eines Transistors mit hoher Elektronenmobilität („high electronic mobility transistor“, HEMT) haben.
Wenn ein Strom von dem Batteriemodul 21 zu der Inverter-Schaltung 12 fließt, fließt der Strom zu dem MOSFET 140. Wenn ein Strom von der Inverter-Schaltung 12 hin zu dem Batteriemodul 21 fließt, fließt der Strom zu der Diode 43 und dem MOSFET 140 in der Rückwärtsrichtung und fließt zu der Körperdiode 140a.
Wie es in 35 gezeigt, beinhaltet das Halbleiterbauteil 40A einen MOSFET 140, der eine Körperdiode 140a beinhaltet. Die Source und das Drain des MOSFET 140 sind mit der Hochspannungsleitung HL verbunden. Das Gate des MOSFET 140 ist mit der Gate-Steuerschaltung 34 verbunden. Der MOSFET 140 ist beispielsweise ein N-Kanal-MOSFET. Der Drain des MOSFET 140 entspricht einem ersten Terminal des Halbleiterbauteils 40A, das mit der positiven Elektrode des Batteriemoduls 21 verbunden ist. Die Source des MOSFET 140 entspricht einem zweiten Terminal des Halbleiterbauteils 40A, das mit der Inverter-Schaltung 12 verbunden ist.
Wenn ein Strom von dem Batteriemodul 21 hin zu der Inverter-Schaltung 12 fließt, fließt der Strom zu dem MOSFET 140. Wenn ein Strom von der Inverter-Schaltung 12 hin zu dem Batteriemodul 21 fließt, fließt der Strom zu dem MOSFET 140 in der Rückwärtsrichtung und fließt zu der Körperdiode 140a.
Bei den modifizierten Beispielen, die in den 34 und 35 gezeigt sind, kann der MOSFET 140 ein Stromerfassungs-Element aufweisen, das dazu konfiguriert ist, einen Strom zu detektieren bzw. zu erfassen, der zu dem MOSFET fließt. Ein Strom fließt zu dem Stromerfassungs-Element proportional zu einem Strom, der zu dem MOSFET fließt. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass der MOSFET, der das Stromerfassungs-Element beinhaltet, das Stromerfassungs-Pad 95 aufweist.
Bei den modifizierten Beispielen, die in den 34 und 35 gezeigt sind, kann der MOSFET 140 eine Temperatur-Erfassungs-Diode haben, die dazu konfiguriert ist, die Temperatur des MOSFET zu erfassen. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn der MOSFET, der die Temperatur-Erfassungs-Diode beinhaltet, das Anoden-Elektroden-Pad 93 und das Kathoden-Elektroden-Pad 94 aufweist.
Bei den modifizierten Beispielen, die in den 34 und 35 gezeigt sind, kann die Konfiguration der Gate-Steuerschaltung 34 auf die Konfiguration der Gate-Steuerschaltung 34 in der sechsten Ausführungsform geändert werden. Die Anzahl von Halbleiterbauteilen in dem Halbleitermodul 40 kann auf jede beliebige Art und Weise geändert werden. In einem Beispiel beinhaltet das Halbleitermodul 40 mehrfache Halbleiterbauteile. In diesem Fall sind die Halbleiterbauteile parallel miteinander verbunden.
36 zeigt eine Konfiguration des Halbleitermoduls 40, das zwei Halbleiterbauteile 40A und 40B zeigt. Ein erster Verdrahtungsabschnitt 150 und ein zweiter Verdrahtungsabschnitt 151 sind auf dem Isolationssubstrat 44b des Metallsubstrats 44 angeordnet. Der erste Verdrahtungsabschnitt 150 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 151 sind in der ersten Richtung X angeordnet bzw. aufgereiht. Das Verbindungs-Terminal 46 ist mit einem Ende des ersten Verdrahtungsabschnittes 150 verbunden, das in der ersten Richtung X auf der dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 151 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Das Verbindungs-Terminal 47 ist mit dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 151 verbunden.
Der IGBT 42a und die Diode 43a des Halbleiterbauteils 40A und der IGBT 42b und die Diode 43b des Halbleiterbauteils 40A bzw. 40B sind auf dem ersten Verdrahtungsabschnitt 150 montiert. Der IGBT 42a ist in der ersten Richtung X von der Diode 43a beabstandet. Der IGBT 42b ist in der Richtung X von der Diode 43b beabstandet. Der IGBT 42a ist in der zweiten Richtung Y von dem IGBT 42b beabstandet. Die Diode 43a ist in der zweiten Richtung Y von der Diode 43b beabstandet.
Das Emitter-Elektroden-Pad 66a des IGBT 42a, das Anoden-Elektroden-Pad 76a der Diode 43a und der zweite Verdrahtungsabschnitt 151 sind durch mehrfache Leistungsdrähte 49a (in 36 sechs Leistungsdrähte 49a) verbunden. Das Emitter-Elektroden-Pad 66b des IGBT 42b, das Anoden-Elektroden-Pad 76b der Diode 43b und der zweite Verdrahtungsabschnitt 151 sind durch mehrfache Leistungsdrähte 49e (in 36 sechs Leistungsdrähte 49e) verbunden.
Das Halbleitermodul 40 beinhaltet zwei Steuer-Terminals 45a und 45b. Das Steuer-Terminal 45a ist elektrisch mit dem Gate-Elektroden-Pad 67a des IGBT 42a mittels des Steuerdrahts 49b verbunden. Das Steuer-Terminal 45b ist elektrisch mit dem Gate-Elektroden-Pad 67b des IGBT 42b mittels eines Steuerdrahts 49f verbunden.
In dem Halbleiterbauteil 40A können der IGBT 42, die Diode 43 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 44d unter Verwendung eines Plattenclips („plate clip“) anstelle durch Leistungsdrähte miteinander verbunden werden. Genauer gesagt, wie es in 37 gezeigt ist, ist ein Clip 152 mit dem Emitter-Elektroden-Pad 66 des IGBT 42, dem Anoden-Elektroden-Pad 76a der Diode 43 und dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 44d verbunden. In einem Beispiel ist der Clip 152 aus Kupfer (Cu) gebildet. Wie es in 38 gezeigt ist, beinhaltet der Clip 152 einen ersten Kontakt 153, der dazu konfiguriert ist, das Emitter-Elektroden-Pad 66 zu kontaktieren, einen zweiten Kontakt 154, der dazu konfiguriert ist, das Anoden-Elektroden-Pad 76a zu kontaktieren, und einen dritten Kontakt 155, der dazu konfiguriert ist, den zweiten Verdrahtungsabschnitt 44d zu kontaktieren.
Bei der ersten Ausführungsform kann, wie es in 39 gezeigt ist, das Halbleitermodul 40 beispielsweise ein Emitter Terminal 45x aufweisen, das elektrisch mit dem Emitter des IGBT 42 verbunden ist, und zwar zusätzlich zu dem Steuer-Terminal 45, das mit dem Gate des IGBT 42 verbunden ist. Das Emitter Terminal 45x ist mit dem Emitter-Elektroden-Pad 66 des IGBT 42 durch einen Draht 49x verbunden. Das Emitter Terminal 45x hat beispielsweise eine Form, die identisch ist zu jener des Steuer-Terminals 45.
Bei der ersten Ausführungsform kann das Layout des Steuer-Terminals 45 auf beliebige Art und Weise geändert werden. In einem Beispiel, und zwar in einer Draufsicht des Halbleitermoduls 40, kann das Steuer-Terminal 45 in der zweiten Richtung Y benachbart zu einem von dem Verbindungs-Terminal 46 und dem Verbindungs-Terminal 47 angeordnet sein. Die Steuer-Terminals 45 (45A, 45B) der zweiten bis sechsten Ausführungsform können auf die gleiche Art und Weise geändert werden.
Bei der dritten Ausführungsform kann das Layout der Kathoden-Region 114 in dem RC-IGBT des Halbleiterbauteils 40A auf jede beliebige Art und Weise geändert werden. In einem Beispiel kann die Kathoden-Region 114 eines der Layouts haben, die in den 40 bis 42 gezeigt sind.
40 zeigt ein erstes modifiziertes Beispiel einer Kathoden-Region 114, die die ersten Leitungen bzw. Linien 114a, die sich in der W-Richtung erstrecken und in der V-Richtung voneinander beabstandet sind, und die zweiten Leitungen 114b beinhaltet, die sich in der V-Richtung erstrecken und die ersten Leitungen 114a verbinden, die in der V-Richtung benachbart zueinander sind, wie bei der dritten Ausführungsform. In der Kathoden-Region 114, die in 40 zeigt ist, haben die Leitungen 114a die gleiche Länge in der W-Richtung. Auch haben die zweiten Leitungen 114b die gleiche Länge in der V-Richtung. Wie es in 40 gezeigt ist, ist die Kathoden-Region 114 in der W-Richtung näher an einem Ende der Rückfläche 110B des Halbleitersubstrats 110 angeordnet als die Region Rp.
41 zeigt ein zweites modifiziertes Beispiel einer Kathoden-Region 114, die die ersten Leitungen 114a, die sich in der W-Richtung erstrecken und in der V-Richtung voneinander beabstandet sind, und die zweiten Leitungen 114b beinhaltet, die sich in der V-Richtung erstrecken und die die ersten Leitungen 114a verbinden, die in der V-Richtung benachbart zueinander sind, wie bei der dritten Ausführungsform. Bei der Kathoden-Region 114 des zweiten modifizierten Beispiels verbinden die zweiten Leitungen 114b die ersten Leitungen 114a, die in der V-Richtung benachbart zueinander sind, an einem Ende in der W-Richtung.
42 zeigt ein drittes modifiziertes Beispiel, bei dem die Region Rp in einer Mitte des Halbleitersubstrats 110 angeordnet ist. Die Kathoden-Region 114 des dritten modifizierten Beispiels ist als tetragonale Schleife bzw. Windung geformt, die sich in der Draufsicht um die Region Rp herum erstreckt. Die Kathoden-Region 114 des dritten modifizierten Beispiels beinhaltet die ersten Leitungen 114a, die sich in der W-Richtung erstrecken und in der V-Richtung voneinander beabstandet sind, und die zweiten Leitungen 114b, die sich in der V-Richtung erstrecken und die die ersten Leitungen 114a verbinden, die in der V-Richtung benachbart zueinander sind.
Bei der zweiten bis vierten Ausführungsform kann die Reihenfolge des Anordnens des Gate-Elektroden-Pads 92 des IGBT 42, des Anoden-Elektroden-Pads 93, des Kathoden-Elektroden-Pads 94, des Stromerfassungs-Pads 95 und des Emitter-Potential-Pads 96 in der ersten Richtung X auf beliebige Art und Weise geändert werden.
Bei der zweiten bis vierten Ausführungsform kann das Layout der Temperatur-Erfassungs-Diode 80 des IGBT 42 auf beliebige Art und Weise geändert werden. Bei der zweiten bis vierten Ausführungsform kann die Temperatur-Erfassungs-Diode 80 oder das Stromerfassungs-Element 81 von dem IGBT 42 weggelassen werden. Wenn die Temperatur-Erfassungs-Diode 80 von dem IGBT weggelassen wird, können auch das Anoden-Elektroden-Pad 93 und das Kathoden-Elektroden-Pad 94 weggelassen werden. Wenn das Stromerfassungs-Element 81 von dem IGBT weggelassen wird, kann das Stromerfassungs-Pad 95 ebenfalls weggelassen werden.
Bei der fünften Ausführungsform kann das Layout des IGBT 42, der Diode 43 und des MOSFET 140 in dem Halbleitermodul 40 auf beliebige Art und Weise geändert werden. In einem Beispiel, wie es in 43 gezeigt ist, und zwar bei einer Betrachtung in der ersten Richtung X, können der IGBT 42 und die Diode 43 so angeordnet werden, dass der IGBT 42 mit der Diode 43 überlappt. In diesem Fall sind das Emitter-Elektroden-Pad 66 des IGBT 42, das Anoden-Elektroden-Pad 76a der Diode 43 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 144 durch die Leistungsdrähte 147a verbunden.
Bei der sechsten Ausführungsform, und zwar in dem ersten Halbleiterbauteil 40A, können der IGBT 42a und die Diode 43a aus einem RC-IGBT, wie bei der dritten Ausführungsform gebildet sein. In dem zweiten Halbleiterbauteil 40B können der IGBT 42b und die Diode 43b aus einem RC-IGBT wie bei der dritten Ausführungsform gebildet sein. In dem dritten Halbleiterbauteil 40C können der IGBT 42c und die Diode 43c aus einem RC-IGBT gebildet sein, wie bei der dritten Ausführungsform.
In jeder der Ausführungsform können die IGBTs 42 und 42a bis 42c IGBTs mit planarem Gate sein anstelle von Graben-Gate-IGBTs. Bei der sechsten Ausführungsform kann die Steuerschaltung 33 eine Spannung an die Gates des IGBTs 42a bis 42c anlegen, so dass die Zeit, während der die Spannung an das Gate von einem der IGBTs 42a bis 42c angelegt wird, sich von der Zeit unterscheidet, während der die Spannung an die Gates der anderen IGBTs 42a bis 42c angelegt wird. Beispielsweise kann sich die Zeit, zu der eine Spannung an das Gate des IGBT 42b angelegt wird, von der Zeit unterscheiden, während der eine Spannung an die Gates der IGBTs 42a und 42c angelegt wird. Der IGBT 42a und der IGBT 42c sind auf gegenüberliegenden Seiten des IGBT 42b angeordnet, das heißt, der IGBT 42a und der IGBT 42c sind voneinander beabstandet. Daher sind thermische Wirkungen bzw. Einflüsse, die von dem IGBT 42a und dem IGBT 42c aneinander erzeugt werden, klein. Eine übermäßige Zunahme der Temperatur der IGBTs 42a bis 42c wird eingeschränkt, indem eine Spannung an den IGBT 42b zu einer unterschiedlichen Zeit angelegt wird.
Wenn der Strom, der zu dem IGBT 42 fließt, größer oder gleich dem Schwellenwert ist, oder wenn die Temperatur des IGBT 42 größer oder gleich dem Temperatur-Schwellenwert ist, deaktiviert die Steuerschaltung 33 den IGBT 42. Der Prozess des Deaktivierens des IGBT 42 kann geändert werden, wie es in (A1) und (A2) beschrieben ist.
(A1) Die Anzahl und der Durchmesser von jedem Typ von Leistungsdraht 49a sind so eingestellt, dass die Leistungsdrähte 49a ausfallen bzw. brechen („are broken“), wenn der Strom, der zu dem IGBT 42 fließt, größer oder gleich einem Schwellenwert ist. Die Anzahl und der Durchmesser von jedem Typ von Leistungsdrähten 49a werden innerhalb eines Bereiches eingestellt, der den Leitungsverlust des Halbleitermodule 40 nicht übermäßig erhöht. Die Anzahl und der Durchmesser von Leistungsdrähten 49a werden so eingestellt, dass dann, wenn ein Antriebstrom und ein regenerierender Strom größer oder gleich dem Nennstrom („rated current“) und kleiner als das Zwei-Fache des Nennstromes sind, die Leistungsdrähte 49a nicht ausfallen, und zwar selbst dann, wenn der Strom für eine gewisse Zeit oder länger fließt. Vorzugsweise ist der Schwellenwert größer oder gleich dem Zwei-Fachen des Nennstromes und kleiner oder gleich dem Vier-Fachen des Nennstromes. In einem Beispiel ist der Nennstrom ein Strom, der von dem Batteriemodul 21 zu dem Kondensator 13 fließt, wenn das Batteriemodul 21 vollständig geladen ist und wenn die in dem Kondensator 13 gespeicherte Ladungsmenge Null ist. In einem Beispiel werden die Anzahl und die Durchmesser der Leistungsdrähte 49a so eingestellt, dass die Leistungsdrähte 49a ausfallen, wenn der Schwellenwert ein Strom ist, der das Zwei-Fache eines vorbestimmten Neu-Nennstromes bzw. Nennstromes(„rerated current“) ist und wenn der Strom für eine gewisse Zeit fließt. In einem anderen Beispiel werden die Anzahl und die Durchmesser der Leistungsdrähte 49a so eingestellt, dass die Leistungsdrähte 49a ausfallen, wenn der Schwellenwert ein Strom ist, der das Drei-Fache des Nennstromes ist und wenn der Strom für eine gewisse Zeit fließt.
Wenn bei dieser Konfiguration ein großer Strom von dem Batteriemodul 21 hin zu der Inverter-Schaltung 12 fließt und falls der große Strom zu dem Halbleitermodul 40 fließt, fallen die Leistungsdrähte 49a aus bzw. brechen, um die Zufuhr des großen Stromes zu der Inverter-Schaltung 12 zu sperren bzw. blockieren. Dies deaktiviert den IGBT 42. Da die Leistungsdrähte 49a als Schmelzsicherungen („fuses“) verwendet werden, können Schmelzsicherungen weggelassen werden.
Das in (A1) beschriebene modifizierte Beispiel kann auf die Konfigurationen der Halbleitereinheiten 41 angewendet werden, die in den 34 und 35 gezeigt sind. In diesem Fall werden die Anzahl und der Durchmesser der Leistungsdrähte so eingestellt, dass die mit dem MOSFET 140 verbundenen Leistungsdrähte ausfallen, wenn ein Strom, der zu dem MOSFET 140 anstelle zu dem IGBT 42 fließt, größer oder gleich einem Schwellenwert ist. Die Einstellungen der Anzahl und des Durchmessers der Leistungsdrähte sind die gleichen wie die Einstellungen der Anzahl und des Durchmessers der Leistungsdrähte 49a, die in (A1) beschrieben worden sind.
(A2) Eine Spannung, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, wird so eingestellt, dass sie kleiner oder gleich einer an das Gate angelegten Spannung ist, bei der der Kollektor-Strom Ic auf einen bestimmten Strom gesättigt ist. Genauer gesagt steuert die Steuerschaltung 33 die Spannung zwischen dem Emitter und dem Gate des IGBT 42, so dass sie kleiner oder gleich einer Spannung ist, bei der der Strom, der zu dem IGBT 42 fließt, auf den vorbestimmten Strom gesättigt ist. Ein Beispiel der an das Gate des IGBT 42 angelegten Spannung, bei der der Kollektor-Strom Ic auf den vorbestimmten Strom gesättigt ist, beträgt 10 V.
Selbst wenn bei dieser Konfiguration ein großer Strom von dem Batteriemodul 21 hin zu der Inverter-Schaltung 12 fließt, wird der von dem Halbleitermodul 40 zu der Inverter-Schaltung 12 fließende Strom auf einen Strom begrenzt, der der an das Gate des IGBT 42 angelegten Spannung entspricht, die eingestellt worden ist, wie oben beschrieben. Dies vermeidet eine Situation, in der ein großer Strom zu der Inverter-Schaltung 12 fließt und die Inverter-Schaltung 12 ausfällt bzw. beschädigt wird („breaks“), wodurch eine Schmelzsicherung unnötig wird.
Das in (A2) beschriebene modifizierte Beispiel kann auf die Konfigurationen der Halbleitereinheiten 41 angewendet werden, die in den 34 und 35 gezeigt sind. In diesem Fall wird die an das Gate des MOSFET 140 anstelle des IGBT 42 angelegte Spannung so eingestellt, dass sie kleiner oder gleich einer Spannung ist, wenn die Spannung an das Gate angelegt ist und der Drain-Strom auf den vorbestimmten Strom gesättigt ist.
In den modifizierten Beispielen, die in (A1) und (A2) beschrieben worden sind, kann die Anzahl von IGBTs 42 (die Anzahl jeder Art von MOSFETs 140) auf jede beliebige Art und Weise geändert werden. In einem Beispiel beinhaltet das Halbleitermodul 40 mehrfache IGBTs (mehrfache MOSFETs).
In jeder der Ausführungsformen kann eine Vorab-Lade-Steuerung geändert werden, wie es in (B1) bis (B6) beschrieben ist. Darüber hinaus können (B1) bis (B6) miteinander kombiniert werden, so lange es keine technische Inkonsistenz gibt.
(B1) Die Steuerschaltung 33 wird auf eine Frequenz eingestellt, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 größer oder gleich einem Schwellenwert Xc ist, wobei die Frequenz höher ist als eine Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 kleiner ist als der Schwellenwert Xc. Der Schwellenwert Xc ist ein Wert, der vorab durch Tests oder dergleichen eingestellt wird, um zu bestimmen, dass ein großer Strom, der durch die Potentialdifferenz zwischen dem Batteriemodul 21 und dem Kondensator 13 hervorgerufen wird, nicht fließen wird. Die Steuerschaltung 33 stellt eine Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, aus der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Frequenz zeigt, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet. 44A ist eine Karte bzw. eine Abbildung, die ein erstes Beispiel von Information zeigt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Frequenz zeigt, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet. Wie es in 44A gezeigt ist, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der kleiner ist als der Schwellenwert Xc, wird die Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, auf eine erste Frequenz f1 eingestellt. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der größer oder gleich dem Schwellenwert Xc ist, wird die Frequenz, mit der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, auf eine zweite Frequenz f2 eingestellt, die höher ist als die erste Frequenz f1. 44B ist eine Karte bzw. Abbildung, die ein zweites Beispiel von Information zeigt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Frequenz zeigt, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet. Wie es in 44B gezeigt ist, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der kleiner ist als der Schwellenwert Xc, wird die Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, auf die erste Frequenz f1 eingestellt. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der größer oder gleich dem Schwellenwert Xc ist und kleiner oder gleich einem oberen Grenzwert Xd, der größer ist als der Schwellenwert Xc, nimmt die Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, zu, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 zunimmt. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der größer oder gleich dem Schwellenwert Xd ist, wird die Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, auf die zweite Frequenz f2 eingestellt. Der Schwellenwert Xd wird auf beliebige Art und Weise innerhalb eines Bereiches geändert, der größer ist als der Schwellenwert Xc und der kleiner oder gleich der Terminal-zu-Terminal-Spannung ist, wenn der Kondensator 13 vollständig geladen ist.
In einer Konfiguration, die die Karte bzw. Abbildung verwendet, die in 44A gezeigt ist, arbeitet der IGBT 42 intermittierend mit der zweiten Frequenz f2, um die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13 zu erhöhen. In einer Konfiguration, die die Karte bzw. Abbildung verwendet, die in 44B gezeigt ist, und zwar bei dem Schwellenwert Xc oder größer, nimmt die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13 zu, wenn die Geschwindigkeit des intermittierenden Betriebs des IGBT 42 zunimmt. Im Ergebnis wird der Kondensator 13 schneller vollständig geladen als bei einer Konfiguration, bei der die erste Frequenz f1 konstant aufrechterhalten wird, und der Kondensator 13 wird während einer Vorab-Lade-Steuerung geladen.
(B2) Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 zunimmt, erhöht die Steuerschaltung 33 die Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet. Die Steuerschaltung 33 stellt eine Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, aus der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Frequenz handelt, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet. 45 ist eine Karte bzw. Abbildung, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Frequenz zeigt, bei der der IGBT 42 in der Konfiguration (B2) intermittierend arbeitet. In einem ersten Beispiel, wie es durch die durchgezogene Linie in 45 gezeigt ist, ist die Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, durch eine lineare Funktion ausgedrückt. In einem zweiten Beispiel, wie es durch eine Einzelstrich- bzw. Strichpunktlinie in 45 gezeigt ist, wird die Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, durch eine quadratische Funktion ausgedrückt. Wenn in dem zweiten Beispiel die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem niedrigen Bereich befindet, ist die Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, generell die erste Frequenz f1. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem hohen Bereich befindet, nimmt die Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, steil zu, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung zunimmt.
Diese Konfiguration erhöht die Geschwindigkeit des intermittierenden Betriebs des IGBT 42, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 zunimmt, wodurch die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13 erhöht wird. Als ein Ergebnis hiervon wird der Kondensator 13 schneller vollständig geladen, als bei einer Konfiguration, bei der die erste Frequenz f1 konstant aufrechterhalten wird, und der Kondensator 13 wird während einer Vorab-Lade-Steuerung geladen.
(B3) Die Steuerschaltung 33 stellt eine Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, dann, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 größer oder gleich dem Schwellenwert Xc ist, so ein, dass sie höher als eine Spannung Vge ist, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 kleiner ist als der Schwellenwert Xc. Die Steuerschaltung 33 stellt die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, aus der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Spannung Vge zeigt, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird. 46A ist eine Karte bzw. Abbildung, die ein erstes Beispiel der Information zeigt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Spannung Vge zeigt, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird. Wie es in 46A gezeigt ist, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der kleiner ist als der Schwellenwert Xc, wird die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, auf eine erste Spannung Vgel eingestellt. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der größer oder gleich dem Schwellenwert Xc ist, wird die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, auf eine zweite Spannung Vge2 eingestellt, die höher bzw. größer ist als die erste Spannung Vgel. 46B ist eine Karte bzw. Abbildung, die ein zweites Beispiel von Information zeigt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Spannung Vge zeigt, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird. Wie es in 46B gezeigt ist, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der kleiner ist als der Schwellenwert Xc, wird die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, auf die erste Spannung Vgel eingestellt. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der größer oder gleich dem Schwellenwert Xc ist und kleiner oder gleich dem oberen Grenzwert Xd ist, wird die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, erhöht, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 zunimmt. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der größer oder gleich dem Schwellenwert Xd ist, wird die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, auf die zweite Spannung Vge2 eingestellt.
In einer Konfiguration, die eine Karte bzw. Abbildung verwendet, die in 46A gezeigt ist, nimmt dann, wenn die zweite Spannung Vge2 an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, der zu dem IGBT 42 fließende Strom zu. Dies erhöht die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13. In einer Konfiguration, die die Karte bzw. Abbildung verwendet, die in 46B gezeigt ist, nimmt der Strom, der zu dem IGBT 42 fließt, bei dem Schwellenwert Xc oder größer, zu. Dies erhöht die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13. Als ein Ergebnis wird der Kondensator 13 schneller vollständig geladen als bei einer Konfiguration, bei der die Spannung, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, konstant auf der ersten Spannung Vgel gehalten wird, und der Kondensator 13 wird während einer Vorab-Lade-Steuerung geladen.
(B4) Die Steuerschaltung 33 erhöht die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 zunimmt. Die Steuerschaltung 33 stellt die Spannung Vge, die an den IGBT 42 angelegt wird, aus der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um eine Funktion handelt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Spannung Vge zeigt, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird. 47 ist eine Karte bzw. Abbildung, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Spannung Vge zeigt, die an das Gate des IGBT 42 in (B4) angelegt wird. In einem ersten Beispiel, wie es durch die durchgezogene Linie in 47 gezeigt ist, wird die Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, durch eine lineare Funktion ausgedrückt. In einem zweiten Beispiel, wie durch eine Strichpunktlinie in 47 gezeigt ist, wird die Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und der Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, durch eine quadratische Funktion ausgedrückt. Wenn in dem zweiten Beispiel die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem niedrigen Bereich befindet, ist die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, generell die erste Spannung Vgel. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem hohen Bereich befindet, nimmt die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, steil zu, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung zunimmt.
Diese Konfiguration erhöht die Spannung, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 zunimmt, wodurch die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13 erhöht bzw. gesteigert wird. Als ein Ergebnis hiervon wird der Kondensator 13 schneller vollständig geladen als bei einer Konfiguration, bei der die Spannung, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, konstant auf der ersten Spannung Vgel gehalten wird, und der Kondensator 13 wird währende einer Vorab-Lade-Steuerung geladen.
(B5) Die Steuerschaltung 33 stellt ein Tastverhältnis des IGBT 42 dann, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 größer oder gleich dem Schwellenwert Xc ist, auf einen Wert höher als ein Tastverhältnis des IGBT 42 ein, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 kleiner ist als der Schwellenwert Xc. Die Steuerschaltung 33 stellt das Tastverhältnis des IGBT 42 aus der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und dem Tastverhältnis des IGBT 42 zeigt. 48A ist eine Karte bzw. Abbildung, die ein erstes Beispiel von Information zeigt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und dem Tastverhältnis des IGBT 42 zeigt. Wie es in 48A gezeigt ist, wird dann, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der kleiner ist als der Schwellenwert Xc, das Tastverhältnis des IGBT 42 auf ein erstes Tastverhältnis D1 eingestellt. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der größer oder gleich dem Schwellenwert Xc ist, wird das Tastverhältnis des IGBT 42 auf ein zweites Tastverhältnis D2 eingestellt, das höher ist als das erste Tastverhältnis D1. 48B ist eine Karte bzw. Abbildung, die ein zweites Beispiel von Information zeigt, die eine Beziehung zwischen der Terminalzu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und dem Tastverhältnis des IGBT 42 zeigt. Wie es in 48B gezeigt ist, wird dann, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der kleiner ist als der Schwellenwert Xc, das Tastverhältnis des IGBT 42 auf das erste Tastverhältnis D1 eingestellt. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der größer oder gleich dem Schwellenwert Xc und kleiner oder gleich einem oberen Grenzwert Xd ist, der größer ist als der Schwellenwert Xc, nimmt das Tastverhältnis des IGBT 42 zu, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 zunimmt. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem Bereich befindet, der größer oder gleich dem Schwellenwert Xd ist, wird das Tastverhältnis des IGBT 42 auf das zweite Tastverhältnis D2 eingestellt.
In einer Konfiguration, die die Karte bzw. Abbildung verwendet, die in 48A gezeigt ist, nimmt dann, wenn das Tastverhältnis des IGBT 42 auf das zweite Tastverhältnis D2 eingestellt ist, der zu dem IGBT 42 fließende Strom zu. Dies erhöht die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13. In einer Konfiguration, die die Karte bzw. Abbildung verwendet, die in 48B gezeigt ist, und zwar bei dem Schwellenwert Xc oder größer, nimmt das Tastverhältnis des IGBT 42 zu. Dies erhöht die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13. Demzufolge wird der Kondensator 13 schneller vollständig geladen als bei einer Konfiguration, bei der das Tastverhältnis des IGBT 42 konstant auf dem ersten Tastverhältnis D1 gehalten wird, und der Kondensator 13 wird während einer Vorab-Lade-Steuerung geladen.
(B6) Die Steuerschaltung 33 erhöht das Tastverhältnis des IGBT 42, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 zunimmt. Die Steuerschaltung 33 stellt das Tastverhältnis des IGBT 42 aus der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um eine Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und dem Tastverhältnis des IGBT 42 zeigt. 49 ist eine Karte bzw. Abbildung, bei der es sich um eine Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und dem Tastverhältnis des IGBT 42 in (B6) zeigt. In einem ersten Beispiel, das durch die durchgezogene Linie in 49 gezeigt ist, ist die Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und dem Tastverhältnis des IGBT 42 durch eine lineare Funktion ausgedrückt. In einem zweiten Beispiel, wie es durch die Strichpunktlinie in 49 gezeigt ist, ist die Beziehung zwischen der Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 und dem Tastverhältnis des IGBT 42 durch eine quadratische Funktion ausgedrückt. Wenn sich in dem zweiten Beispiel die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 in einem unteren Bereich befindet, ist das Tastverhältnis des IGBT 42 generell das erste Tastverhältnis D1. Wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 sich in einem hohen Bereich befindet, nimmt das Tastverhältnis des IGBT 42 steil zu, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung zunimmt.
Diese Konfiguration erhöht das Tastverhältnis des IGBT 42, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 zunimmt, wodurch die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 13 erhöht wird. Demzufolge wird der Kondensator 13 schneller vollständig geladen als bei einer Konfiguration, bei der das Tastverhältnis des IGBT 42 konstant auf dem ersten Tastverhältnis D1 beibehalten wird, und der Kondensator 13 wird während einer Vorab-Lade-Steuerung geladen.
In (B1) bis (B6), die oben beschrieben wurden, wird die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators 13 überwacht, um den IGBT 42 zu steuern. Stattdessen kann die Steuerung beispielsweise auf der Grundlage einer Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 ausgeführt werden. In diesem Fall kann die Steuerung in (B1) bis (B6) geändert werden, wie es in (C1) bis (C6) beschrieben ist. Selbst wenn die Steuerung in (B1) bis (B6) geändert wird, wie in (C1) bis (C6) beschrieben ist, lassen sich die gleichen Vorteile wie bei (B1) bis (B6) erhalten.
(C1) Die Steuerschaltung 33 stellt eine Frequenz, mit der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, dann, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 kleiner ist als ein Schwellenwert, so ein, dass sie höher ist als eine Frequenz, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 größer oder gleich dem Schwellenwert ist. Die Steuerschaltung 33 stellt die Frequenz, mit der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, aus der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 und der Frequenz zeigt, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet.
(C2) Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 abnimmt, erhöht die Steuerschaltung 33 die Frequenz, mit der der IGBT 42 intermittierend arbeitet. Die Steuerschaltung 33 stellt die Frequenz, mit der der IGBT 42 intermittierend arbeitet, aus der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 und der Frequenz zeigt, bei der der IGBT 42 intermittierend arbeitet.
(C3) Die Steuerschaltung 33 stellt die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, ein, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 kleiner ist als ein Schwellenwert, auf einen höheren Wert ein als die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 größer oder gleich dem Schwellenwert ist. Die Steuerschaltung 33 stellt die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, aus der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 und der Spannung Vge zeigt, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird.
(C4) Die Steuerschaltung 33 erhöht die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 abnimmt. Die Steuerschaltung 33 stellt die Spannung Vge, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird, aus der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 und der Spannung Vge zeigt, die an das Gate des IGBT 42 angelegt wird.
(C5) Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 kleiner ist als ein Schwellenwert, erhöht die Steuerschaltung 33 das Tastverhältnis des IGBT 42 verglichen mit einem Fall, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 größer oder gleich dem Schwellenwert ist. Die Steuerschaltung 33 stellt das Tastverhältnis des IGBT 42 aus der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 und dem Tastverhältnis des IGBT 42 zeigt.
(C6) Die Steuerschaltung 33 erhöht das Tastverhältnis des IGBT 42, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 abnimmt. Die Steuerschaltung 33 stellt das Tastverhältnis des IGBT 42 aus der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 unter Verwendung einer Karte bzw. Abbildung oder einer Funktion ein, bei der es sich um Information handelt, die eine Beziehung zwischen der Kollektor-Emitter-Spannung des IGBT 42 und dem Tastverhältnis des IGBT 42 zeigt.
Bei jeder der Ausführungsformen kann die Konfiguration der Relay-Einheit 30 geändert werden, wie es in (D1) und (D2) beschrieben ist. (D1) Wie es in 50 gezeigt ist, ist das zweite Relay 32 von der Relay-Einheit 30 weggelassen. Das heißt, die Niedrigspannungsleitung LL verbindet direkt die negative Elektrode des Batteriemoduls 21 und ein unteres Schaltelement der Inverter-Schaltung 12.
(D2) Wie es in 51 gezeigt ist, beinhaltet das zweite Relay 32 das Halbleitermodul 40 einschließlich eines Halbleiterbauteils, das einen Transistor wie einen IGBT oder einen MOSFET beinhaltet, und zwar anstelle eines Relays vom mechanischen Kontakttyp. Bei diesem modifizierten Beispiel ist die Relay-Einheit 30 eine Relay-Einheit, die ein positivseitiges Halbleitermodul, das zwischen der positiven Elektrode des Batteriemodule 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet ist, und ein negativseitiges Halbleitermodul beinhaltet, das zwischen der negativen Elektrode des Batteriemodule 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet ist. In anderen Worten ist die Relay-Einheit 30 dieses modifizierten Beispiels eine Relay-Einheit, die ein positivseitiges Halbleiterbauteil, das zwischen der positiven Elektrode des Batteriemodule 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet ist, und ein negativseitiges Halbleiterbauteil aufweist, das zwischen der negativen Elektrode des Batteriemodule 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet ist. Das Halbleitermodul 40 des zweiten Relays 32 kann die gleiche Konfiguration haben wie das Halbleitermodul 40 des ersten Relays 31 oder kann sich hinsichtlich der Konfiguration von dem Halbleitermodul 40 unterscheiden. Das Halbleiterbauteil des zweiten Relays 32 kann die gleiche Konfiguration haben wie das Halbleiterbauteil 40A oder kann sich hinsichtlich der Konfiguration von dem Halbleiterbauteil 40A unterscheiden. Die Anzahl von Halbleiterbauteilen in dem Halbleitermodul des zweiten Relays 32 kann sich von der Anzahl von Halbleiterbauteilen in dem Halbleitermodul 40 des ersten Relays 31 unterscheiden.
In jeder der Ausführungsformen sind das Halbleiterbauteil, das Halbleitermodul und die Halbleitereinheit in der Relay-Einheit 30 enthalten, die zwischen dem Batteriemodul 21 und der Inverter-Schaltung 12 angeordnet ist. Das Halbleiterbauteil, das Halbleitermodul und die Halbleitereinheit können jedoch in anderen Orten enthalten bzw. vorgesehen sein. Wie es beispielsweise in 52 gezeigt ist, können mehrfache Relays, die an dem Fahrzeug 1 montiert sind, das Halbleiterbauteil, das Halbleitermodul und die Halbleitereinheit von jeder Ausführungsform bzw. jeder beliebigen Ausführungsform beinhalten.
Genauer gesagt ist das in 52 gezeigte Fahrzeug 1 dazu konfiguriert, das Batteriemodul 21 aus einer Schnellladestation („quick charging station“) SQC zu laden, bei der es sich um eine externe Leistungsversorgung handelt. Das Fahrzeug 1 beinhaltet einen normalen Ladestecker 4 und eine Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlungseinrichtung 5, die elektrisch mit dem normalen Ladestecker 4 verbunden ist. Wenn beispielsweise der normale Ladestecker 4 mit einer kommerziellen Wechselstrom-Leistungsversorgung verbunden ist, wird dem normalen Ladestecker 4 Wechselstrom-Leistung zugeführt und von der Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlungseinrichtung 5 in Gleichstrom-Leistung gewandelt, um das Batteriemodul 21 zu laden. In einem Fahrzeug 1, das eine derartige Konfiguration hat, können Relays 161 und 162 zwischen dem Batteriemodul 21 und einem Verbindungs-Port 160 für einen Ladestecker (nicht gezeigt) der Schnellladestation SQC angeordnet sein. Die Relays 161 und 162 können das Halbleiterbauteil, das Halbleitermodul und die Halbleitereinheit von jeder beliebigen Ausführungsform beinhalten. Zusätzlich hierzu können Relays 163 und 164 zwischen der Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlungseinrichtung 5 und dem Batteriemodul 21 angeordnet sein. Die Relays 163 und 164 können das Halbleiterbauteil, das Halbleitermodul und die Halbleitereinheit von jeder beliebigen Ausführungsform beinhalten. Zusätzlich hierzu kann ein Relay 165 zwischen dem Batteriemodul 21 und einem an Bord befindlichen Gerät (z.B. Zubehörgerät 6) angeordnet sein, dem Leistung aus dem Batteriemodul 21 zugeführt wird. Das Relay 165 kann das Halbleiterbauteil, das Halbleitermodul und die Halbleitereinheit von jeder beliebigen Ausführungsform beinhalten. Das Zubehörgerät 6 ist beispielsweise ein Audiogerät oder ein Fahrzeugnavigationsgerät. Zusätzlich hierzu können in dem in 52 gezeigten modifizierten Beispiel dann, wenn die Relays 161 bis 164 das Halbleiterbauteil von jeder Ausführungsform beinhalten, die Relays 161 bis 164 in einem einzelnen Gehäuse enthalten sein.
KLAUSELN
Die technischen Aspekte, die sich aus den Ausführungsformen und den modifizierten Beispielen ergeben, werden nachstehend beschrieben.
Klausel A1. Ein Halbleiterbauteil beinhaltet ein erstes Terminal für eine Batterie, ein zweites Terminal für eine Inverter-Schaltung und einen Transistor. Das Halbleiterbauteil ist dazu konfiguriert, eine Spannung zu steuern, die an ein Steuer-Terminal des Transistors angelegt wird, um die Zufuhr eines Stroms von dem ersten Terminal zu dem zweiten Terminal zu ermöglichen und die Zufuhr eines Stroms von dem zweiten Terminal zu dem ersten Terminal zu ermöglichen. Eine Stehspannung („withstand voltage“) zwischen dem ersten Terminal und dem zweiten Terminal ist größer oder gleich einer Spannung zwischen der Batterie und der Inverter-Schaltung.
Klausel A2. Halbleiterbauteil nach Klausel A1, wobei der Transistor ein Bipolar-Transistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist, wobei das Halbleiterbauteil ferner eine Diode beinhaltet, die antiparallel mit dem IGBT verbunden ist, und wobei der IGBT einen Kollektor aufweist, der als das erste Terminal verwendet wird, und einen Emitter aufweist, der als das zweite Terminal verwendet wird.
Klausel A3. Halbleiterbauteil nach Klausel A2, wobei der IGBT und die Diode als separate Halbleiter-Chips vorgesehen sind.
Klausel A4. Halbleiterbauteil nach Klausel A2, wobei der IGBT und die Diode auf einem gleichen Halbleitersubstrat gebildet sind.
Klausel A5. Halbleiterbauteil nach einer beliebigen der Klauseln A2 bis A4, ferner mit einem Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der parallel mit dem IGBT verbunden ist, wobei der MOSFET eine Körperdiode beinhaltet, die als eine Freilaufdiode („flyback diode“) verwendet wird.
Klausel A6. Halbleiterbauteil nach Klausel A5, wobei der IGBT und der MOSFET gleichzeitig aktiviert und gleichzeitig deaktiviert werden.
Klausel A7. Halbleiterbauteil nach Klausel A1, wobei der Transistor ein IGBT ist, wobei das Halbleiterbauteil ferner einen MOSFET aufweist, der parallel mit dem IGBT verbunden ist, wobei der MOSFET eine Körperdiode ist, die als eine Freilaufdiode verwendet wird, und wobei dann, wenn der Druck bzw. die Spannung („pressure“) kleiner ist als der Schwellenwert, die Frequenz erhöht wird, und zwar verglichen mit einem Fall, bei dem der Transistor intermittierend arbeitet.
Klausel A8. Halbleiterbauteil nach Klausel A7, wobei der IGBT und der MOSFET gleichzeitig aktiviert und gleichzeitig deaktiviert werden.
Klausel A9. Halbleiterbauteil nach Klausel A1, wobei der Transistor ein MOSFET ist, und wobei das Halbleiterbauteil ferner eine Diode beinhaltet, die antiparallel mit dem MOSFET verbunden ist.
Klausel A10. Halbleiterbauteil nach Klausel A9, wobei der MOSFET und die Diode als separate Halbleiter-Chips vorgesehen sind.
Klausel A11. Halbleiterbauteil nach Klausel A9 oder A10, wobei der MOSFET eine Körperdiode beinhaltet, die als eine Freilaufdiode verwendet wird.
Klausel A12. Halbleiterbauteil nach Klausel A1, wobei der Transistor ein MOSFET ist, der eine Körperdiode beinhaltet, die als eine Freilaufdiode verwendet wird.
Klausel A13. Halbleiterbauteil, das eine positive Elektrode einer Batterie, einen IGBT, der zwischen der Batterie und einer elektrisch verbundenen Inverter-Schaltung angeordnet ist, und einen in Rückwärtsrichtung sperrenden Bipolartransistor mit isoliertem Gate („reverse blocking insulated gate bipolar transistor“, RB-IGBT) beinhaltet, der antiparallel mit dem IGBT verbunden ist.
Klausel A14. Halbleiterbauteil nach Klausel A13, wobei der IGBT und der RB-IGBT gleichzeitig aktiviert und gleichzeitig deaktiviert werden.
Klausel A15. Halbleitermodul mit Halbleiterbauteilen, die parallel miteinander verbunden sind, wobei jedes der Halbleiterbauteile das Halbleiterbauteil nach einer beliebigen der Klauseln A1 bis A14 ist.
Klausel A16. Relay-Einheit mit dem Halbleitermodul gemäß Klausel A15.
Klausel A17. Relay-Einheit mit dem Halbleiterbauteil gemäß einer beliebigen der Klauseln A1 bis A14.
Klausel A18. Relay-Einheit nach Klausel A16 oder A17, ferner mit einem Relay vom mechanischen Kontakttyp, das zwischen einer negativen Elektrode der Batterie und der Inverter-Schaltung angeordnet ist.
Klausel A19. Relay-Einheit mit einem positivseitigen Halbleiterbauteil, das zwischen einer positiven Elektrode der Batterie und der Inverter-Schaltung angeordnet ist, und einem negativseitigen Halbleiterbauteil, das zwischen einer negativen Elektrode der Batterie und der Inverter-Schaltung angeordnet ist, wobei das positivseitige Halbleiterbauteil das Halbleiterbauteil gemäß einer beliebigen der Klauseln A1 bis A14 ist.
Klausel A20. Relay-Einheit mit einem positivseitigen Halbleitermodul, das zwischen einer positiven Elektrode der Batterie und der Inverter-Schaltung angeordnet ist, und einem negativseitigen Halbleitermodul, das zwischen einer negativen Elektrode der Batterie und der Inverter-Schaltung angeordnet ist, wobei das positivseitige Halbleitermodul das Halbleitermodul gemäß Klausel A15 ist.
Klausel A21. Batterieeinheit mit der Batterie und der Relay-Einheit gemäß einer beliebigen der Klauseln A16 bis A20.
Klausel A22. Fahrzeug mit der Batterieeinheit gemäß Klausel A21, der Inverter-Schaltung und einem Motor, der von der Inverter-Schaltung angesteuert wird.
Klausel B1. Halbleitereinheit mit einem Halbleiterbauteil, das einen Transistor beinhaltet, der zwischen einer positiven Elektrode einer Batterie und einer Inverter-Schaltung angeordnet ist, die elektrisch mit der Batterie verbunden ist, einem Controller bzw. einer Steuereinrichtung, die mit einem Steuer-Terminal des Transistors verbunden ist und die dazu konfiguriert ist, den Transistor zu steuern, und einem Widerstand, der zwischen dem Steuer-Terminal und der Steuereinrichtung angeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung den Transistor derart steuert, dass dann, wenn ein Strom, der zu dem Transistor fließt, größer oder gleich einem Schwellenwert ist, der Transistor deaktiviert wird, und wobei der Widerstand einen Widerstandswert hat, der größer oder gleich 100 Ω ist.
Klausel B2. Halbleitereinheit nach Klausel B1, wobei der Transistor ein Stromerfassungs-Element beinhaltet, durch das ein Strom proportional zu jenem Strom fließt, der zu dem Transistor fließt.
Klausel B3. Halbleitereinheit nach Klausel B1 oder B2, wobei der Transistor ferner eine Temperatur-Erfassungs-Diode beinhaltet.
Klausel B4. Halbleitereinheit nach Klausel B3, wobei die Steuereinrichtung ferner eine Temperatur-Erfassungsschaltung beinhaltet, die eine Temperatur des Transistors aus der Temperatur-Erfassungs-Diode erfasst, und wobei dann, wenn die von der Temperatur-Erfassungsschaltung erfasste Temperatur größer oder gleich einem Temperatur-Schwellenwert ist, die Steuereinrichtung ein Stromverringerungssignal an das Steuer-Terminal des Transistors bereitstellt.
Klausel B5. Halbleitereinheit nach Klausel B3 oder B4, wobei der Transistor als ein Halbleiter-Chip vorgesehen ist, und wobei die Temperatur-Erfassungs-Diode in einer Mitte des Halbleiter-Chips des Transistors angeordnet ist.
Klausel B6. Halbleitereinheit nach Klausel B5, wobei der Transistor ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist, wobei der IGBT einen Halbleiter-Chip mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche beinhaltet, wobei die Vorderfläche des Halbleiter-Chips ein Emitter-Elektroden-Pad aufweist, wobei die Rückfläche des Halbleiter-Chips eine Kollektor-Elektrode beinhaltet, wobei das Emitter-Elektroden-Pad bei einer Mitte der Vorderfläche des Halbleiter-Chips in zwei Emitter-Elektroden-Pads unterteilt ist, und wobei die Temperatur-Erfassungs-Diode zwischen den zwei Emitter-Elektroden-Pads angeordnet ist.
Klausel B7. Halbleitereinheit nach Klausel B6, wobei der Transistor ein Stromerfassungs-Element beinhaltet, durch das ein Strom proportional zu jenem Strom fließt, der zu dem Transistor fließt, wobei die Vorderfläche des Halbleiter-Chips ein Gate-Elektroden-Pad beinhaltet, wobei ein Stromerfassungs-Pad elektrisch mit dem Stromerfassungs-Element verbunden ist, wobei ein Anoden-Elektroden-Pad elektrisch mit einer Anode der Temperatur-Erfassungs-Diode verbunden ist, und wobei ein Kathoden-Elektroden-Pad elektrisch mit einer Kathode der Temperatur-Erfassungs-Diode verbunden ist, wobei die zwei Emitter-Elektroden-Pads einen ausgeschnittenen Abschnitt beinhalten, der in einer Richtung senkrecht zu einer Anordnungsrichtung bzw. Aufreihungsrichtung der zwei Emitter-Elektroden-Pads ausgeschnitten ist, und zwar gesehen in einer Draufsicht des Transistors, und wobei der ausgeschnittene Abschnitt eine Region definiert, die in der Richtung orthogonal zu der Anordnungsrichtung ausgenommen bzw. zurückversetzt ist, und wobei das Gate-Elektroden-Pad, das Stromerfassungs-Pad, das Anoden-Elektroden-Pad und das Kathoden-Elektroden-Pad in einer Richtung parallel zu der Anordnungsrichtung in jener Region angeordnet bzw. aufgereiht sind
Klausel B8. Halbleitereinheit nach einer beliebigen der Klauseln B1 bis B7, wobei die Halbleitereinheit eine Mehrzahl der Halbleiterbauteile aufweist, und wobei die Transistoren der mehrfachen Halbleiterbauteile parallel miteinander verbunden sind.
Klausel B9. Halbleitereinheit nach Klausel B8, wobei jeder der Transistoren der mehrfachen Halbleiterbauteile eine Temperatur-Erfassungs-Diode aufweist. Klausel B10. Halbleitereinheit nach Klausel B9, wobei die Steuereinrichtung Temperatur-Erfassungsschaltungen beinhaltet, wobei die Temperatur-Erfassungsschaltungen jeweilige Temperaturen der Transistoren der mehrfachen Halbleiterbauteile aus den bzw. auf der Basis der Temperatur-Erfassungs-Dioden der mehrfachen Halbleiterbauteile erfassen, und wobei dann, wenn wenigstens eine der Temperaturen, die von den Temperatur-Erfassungsschaltungen erfasst sind, größer oder gleich einem Temperatur-Schwellenwert ist, die Steuereinrichtung ein Stromverringerungssignal an jedes der Steuer-Terminals der Transistoren der mehrfachen Halbleiterbauteile bereitstellt.
Klausel B11.Batterieeinheit mit der Batterie und der Halbleitereinheit gemäß einer beliebigen der Klauseln B1 bis B10. Klausel B12. Fahrzeug mit der Batterieeinheit gemäß Klausel B11, der Inverter-Schaltung und einem Motor, der von der Inverter-Schaltung angesteuert ist.
Klausel C1. Halbleitereinheit mit einem Halbleiterbauteil, das einen Transistor aufweist, der zwischen einer positiven Elektrode einer Batterie und einer Inverter-Schaltung angeordnet ist, die elektrisch mit der Batterie verbunden ist, und einer Steuereinrichtung, die mit einem Steuer-Terminal des Transistors verbunden und dazu konfiguriert ist, den Transistor zu steuern, wobei der Transistor ein IGBT oder ein MOSFET ist, wobei die Steuereinrichtung eine Spannung zwischen einem Emitter oder einer Source des Transistors und einem Gate des Transistors steuert, und zwar derart, dass diese kleiner oder gleich einer Spannung ist, bei der ein zu dem Transistor fließender Strom kleiner oder gleich einem Sättigungsstrom ist.
Klausel C2. Halbleitereinheit nach Klausel C1, wobei die Halbleitereinheit eine Mehrzahl der Halbleiterbauteile beinhaltet, und wobei die Transistoren der mehreren Halbleiterbauteile parallel miteinander verbunden sind.
Klausel C3. Halbleitereinheit nach Klausel C2, wobei die Steuereinrichtung eine Spannung zwischen einem Emitter oder einer Source und einem Gate von jedem der Transistoren der mehrfachen Halbleiterbauteile derart steuert, dass ein Strom, der zu jedem der Transistoren fließt, kleiner oder gleich einem Sättigungsstrom ist.
Klausel C4. Batterieeinheit mit der Batterie und der Halbleitereinheit gemäß einer beliebigen der Klauseln C1 bis C3.
Klausel C5. Fahrzeug mit der Batterieeinheit gemäß Klausel C4, der Inverter-Schaltung und einem Motor, der von der Inverter-Schaltung angesteuert wird.
Klausel D1. Halbleiterbauteil mit einem Transistor, der zwischen einer positiven Elektrode einer Batterie und einer Inverter-Schaltung angeordnet ist, die elektrisch mit der Batterie verbunden ist, und mit wenigstens einem Bond-Draht, der mit dem Transistor verbunden ist, wobei die Anzahl von Bond-Drähten und ein Durchmesser des Bond-Drahtes derart eingestellt sind, dass der Bond-Draht ausfällt, wenn ein zu dem Transistor fließender Strom größer oder gleich einem Schwellenwert ist.
Klausel D2. Halbleiterbauteil nach Klausel D1, wobei der Schwellenwert das Zwei- oder Mehr-Fache eines Nennstromes des Transistors und das Vier- oder Weniger-Fache des Nennstromes des Transistors ist.
Klausel D3. A Halbleitereinheit mit dem Halbleiterbauteil gemäß Klausel D1 oder D2 und einer Steuereinrichtung, die das Halbleiterbauteil steuert.
Klausel D4. Halbleitereinheit nach Klausel D3, wobei die Halbleitereinheit eine Mehrzahl der Halbleiterbauteile beinhaltet, und wobei die Transistoren der mehreren Halbleiterbauteile parallel miteinander verbunden sind.
Klausel D5. Batterieeinheit mit der Batterie und der Halbleitereinheit gemäß Klausel D3 oder D4.
Klausel D6. Fahrzeug mit der Batterieeinheit nach Klausel D5, der Inverter-Schaltung und einem Motor, der von der Inverter-Schaltung angesteuert ist.
Bezugszeichenliste

1): Fahrzeug,
11): Motor,
12): Inverter-Schaltung,
13): Kondensator,
20): Batterieeinheit,
21): Batteriemodul (Batterie),
30): Relay-Einheit,
32): zweites Relay (Relay vom mechanischen Kontakttyp),
33): Steuerschaltung (Steuereinrichtung),
34): Gate-Steuerschaltung,
36): Strombegrenzungswiderstand,
37): Temperatur-Erfassungsschaltung,
40): Halbleitermodul,
40A): erstes Halbleiterbauteil (Halbleiterbauteil),
40B): zweites Halbleiterbauteil (Halbleiterbauteil),
40C): drittes Halbleiterbauteil (Halbleiterbauteil),
41): Halbleitereinheit,
42, 42rb, 42a, 42b, 42c): IGBT,
43, 43a, 43b, 43c): Diode,
49a): Leistungsdraht,
50, 110): Halbleitersubstrat,
64): Kollektor-Elektrode,
66): Emitter-Elektroden-Pad,
67): Gate-Elektroden-Pad,
76a): Anoden-Elektroden-Pad,
80): Temperatur-Erfassungs-Diode,
81): Stromerfassungs-Element,
91A, 91B): Emitter-Elektroden-Pad,
92): Gate-Elektroden-Pad,
93): Anoden-Elektroden-Pad,
94): Kathoden-Elektroden-Pad,
95): Stromerfassungs-Pad,
97): ausgeschnittener Abschnitt,
101): Anoden-Elektroden-Pad,
102): Stromerfassungs-Pad,
140): MOSFET,
140a): Körperdiode,
X): erste Richtung(Anordnungsrichtung),
Y): zweite Richtung (Richtung orthogonal zu einer Anordnungsrichtung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010161009 [0003]

Claims

Halbleitereinheit, die zwischen einem Motor und einer Inverter-Schaltung angeordnet ist, die den Motor steuert, wobei die Halbleitereinheit aufweist: einen Transistor, der zwischen der Inverter-Schaltung und einer positiven Elektrode einer Batterie angeordnet ist, die der Inverter-Schaltung Leistung zuführt, wobei der Transistor dazu konfiguriert ist, die Zufuhr von Leistung von der Batterie zu der Inverter-Schaltung zu steuern; und eine Steuereinrichtung, die mit einem Steuer-Terminal des Transistors verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung eine Steuer-Spannung steuert, bei der es sich um eine Spannung handelt, die an das Steuer-Terminal angelegt wird, und wobei die Steuereinrichtung dann, wenn begonnen wird, Leistung von der Batterie zu der Inverter-Schaltung zuzuführen, die Steuer-Spannung steuert, um den Transistor intermittierend zu betreiben, und ferner die Steuer-Spannung verringert, die an das Steuer-Terminal des Transistors angelegt wird, so dass diese niedriger ist als jene Steuer-Spannung, bei der der Transistor vollständig aktiviert ist.
Halbleitereinheit nach Anspruch 1, wobei die Steuer-Spannung, bei der der Transistor intermittierend arbeitet, etwa eine Hälfte der Steuer-Spannung ist, bei der der Transistor vollständig aktiviert ist.
Halbleitereinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Frequenz, mit der der Transistor intermittierend arbeitet, kleiner oder gleich 1000 Hz ist.
Halbleitereinheit nach Anspruch 3, wobei die Frequenz, bei der der Transistor intermittierend arbeitet, 200 Hz beträgt.
Halbleitereinheit nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Tastverhältnis, mit dem der Transistor intermittierend arbeitet, kleiner ist als 50%.
Halbleitereinheit nach Anspruch 5, wobei das Tastverhältnis, mit dem der Transistor intermittierend arbeitet, 5% beträgt.
Halbleitereinheit nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Kondensator zwischen der Batterie und der Inverter-Schaltung angeordnet und parallel mit der der Inverter-Schaltung verbunden ist, und die Steuereinrichtung eine Frequenz, mit der der Transistor intermittierend arbeitet, dann, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators größer oder gleich einem Schwellenwert ist, höher einstellt als eine Frequenz, bei der der Transistor intermittierend arbeitet, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators kleiner ist als der Schwellenwert.
Halbleitereinheit nach Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung die Frequenz, mit der der Transistor intermittierend arbeitet, erhöht, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators ansteigt.
Halbleitereinheit nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Kondensator zwischen der Batterie und der Inverter-Schaltung angeordnet und parallel mit der Inverter-Schaltung verbunden ist, und die Steuereinrichtung die Steuer-Spannung des Kondensators bzw. Transistors dann, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators größer oder gleich einem Schwellenwert ist, auf einen Wert höher als eine Steuer-Spannung des Kondensators bzw. des Transistors einstellt, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators kleiner ist als der Schwellenwert.
Halbleitereinheit nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung die Steuer-Spannung des Transistors erhöht, wenn die Terminal-zu-Terminal-Spannung des Kondensators zunimmt.
Halbleitereinheit nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Kondensator zwischen der Batterie und der Inverter-Schaltung angeordnet und parallel mit der Inverter-Schaltung verbunden ist, und die Steuereinrichtung die-Spannung, die angelegt ist, wenn der Kondensator vollständig geladen ist, auf den gleichen Wert steuert wie die Steuer-Spannung, bei der der Transistor vollständig aktiviert ist,.
Halbleitereinheit nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11, mit: einer Mehrzahl der Transistoren; wobei die mehreren Transistoren parallel miteinander verbunden sind.
Halbleitereinheit nach Anspruch 12, wobei die Steuereinrichtung die mehreren Transistoren separat bzw. unabhängig voneinander steuert.
Halbleitereinheit nach Anspruch 13, wobei die Steuereinrichtung die Steuer-Spannung so steuert, dass die Steuer-Spannung, die zu einem Zeitpunkt an einen jeweiligen der mehreren Transistoren angelegt wird, sich zwischen den mehreren Transistoren unterscheidet.
Batterieeinheit, mit: der Batterie; und der Halbleitereinheit gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 14.
Fahrzeug, mit: der Batterieeinheit nach Anspruch 15; der Inverter-Schaltung; einem Kondensator, der parallel mit der Inverter-Schaltung verbunden ist; und dem Motor.