DE19703457A1 - Halbleiterbauteil-Kombination mit einem IGBT und einer Freilaufdiode - Google Patents

Halbleiterbauteil-Kombination mit einem IGBT und einer Freilaufdiode

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterbauteil-Kombina­ tion der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
Die Verwendung von IGBT-Bauteilen (dipolare Transistoren mit isoliertem Gate) und entsprechenden antiparallel geschalteten Freilaufdioden ist für viele Schaltungen, beispielsweise für Motorsteuerschaltungen, gut bekannt. Die IGBT- und Dioden- Chips können in getrennten Gehäusen angeordnet sein, oder sie können auf einem gemeinsamen Kühlkörper zusammengepackt sein. Die für die Diode gewählte Chip- oder Halbleiterplättchen-Größe entspricht üblicherweise ungefähr der halben Chip-Größe für das IGBT-Bauteil, um die zu erwartenden Verlustleistungen zu verarbeiten, die im Betrieb auftreten können. Es wäre sehr wünschenswert, die in diesen beiden Halbleiter-Chips erzeugten Verluste soweit wie wirtschaftlich möglich zu verringern, damit man in der Lage ist, die Teile auf gedruckten Schaltungsplatten zu befestigen, anstatt auf aufwendigeren IMS-(isolierten Metall­ substrat-) Platten, wobei möglicherweise Kühlkörper vermieden werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterbau­ teil-Kombination der eingangs genannten Art zu schaffen, die gegebenenfalls eine direkte Befestigung auf gedruckten Schal­ tungsplatten ermöglicht und verringerte Leistungsverluste hervorruft.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der IGBT-Chip für die betreffende Anwendung mit Übermaß ausgebildet (vorzugsweise mit ungefähr der zwei- bis dreifachen üblichen Größe), so daß dieser Chip mit einer geringeren Stromdichte und einem ge­ ringeren Strom-Nennwert arbeitet, als dies bisher der Fall war.
Weiterhin wird gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung der Freilaufdioden-Chip mit einer kleineren als der üblichen Größe ausgebildet, die üblicherweise für die vorgegebene Anwendung verwendet würde.
Das IGBT-Bauteil wird mit einer geringen Stromdichte betrieben, weil der Durchlaßspannungsabfall. VCEON bei geringen Strom­ dichten relativ niedrig ist. Daher sind die Durchlaßverluste geringer. Weiterhin neigt der Abschalt-Überschwingstrom dazu, bei geringer Stromdichte zu verschwinden, wodurch Schaltverluste verringert werden.
Gleichzeitig wird der Chip der antiparallel geschalteten Frei­ laufdiode wesentlich kleiner als üblich gemacht, und er wird kleiner gemacht als der IGBT-Chip, so daß er ungefähr 10%-25% der Größe des IGBT-Chips hat. Dies wird teilweise durch den niedrigeren Betriebsstrom und die geringeren Verluste in dem IGBT-Chip möglich gemacht, wodurch der IGBT-Chip mit niedrigerer Temperatur arbeitet, was es ermöglicht, die Größe des Dioden-Chips zu verringern.
Andererseits sei bemerkt, daß bei speziellen Anwendungen der hier betrachteten Art, bei denen die Betriebsstromdichte der Diode relativ niedrig ist, die Diodengröße in vorteilhafter Weise unabhängig davon verringert werden kann, ob die Größe des IGBT-Chips in der vorstehend beschriebenen Weise vergrößert wird. Der kleinere Dioden-Chip weist eine geringere Sperr­ verzögerungsladung auf, was zu einer Verringerung der IGBT- Einschaltverluste führt, wodurch der gesamte Verlust der IGBT-/Dioden-Kombination weiter verringert wird.
Durch Abändern der Größen des IGBT-Chips und/oder des Freilauf­ dioden-Chips in der vorstehend beschriebenen Weise ist es möglich, den Bauteil-Gesamtverlust zu verringern, so daß es möglich wird, falls erwünscht, das Gesamt-Halbleiterbauteil aus dem IGBT und der Diode auf einer gedruckten Schaltungsplatte, wie zum Beispiel einer FR-4-Platte, möglicherweise ohne einen Kühlkörper, zu befestigen, statt auf einer Platte vom IMS-Typ, die häufig verwendet wird, um die höheren Verluste abzu­ leiten, die von den in üblicher Weise ausgebildeten IGBT- und Dioden-Chips erzeugt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Endansicht einer für eine Oberflächenbe­ festigung bestimmten Bauteil-Kombination, die sowohl einen IGBT als auch eine anti-parallel geschaltete Freilaufdiode enthält,
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Gehäuse nach Fig. 1, die die in enthaltenen IGBT- und Dioden-Chips strichpunktiert zeigt,
Fig. 3 ein Schaltbild der IGBT- und Dioden-Kombination, die in dem Gehäuse nach den Fig. 1 und 2 angeordnet ist,
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die typische Abschaltenergie gegenüber dem Strom für IGBT-Chips der Größe 3 und der Größe 4 zeigt,
Fig. 5(a) und 5(b) graphische Darstellungen, die die Spannung und den Strom beim Abschalten eines IGBT der Größe 7 bei 10A bzw. 20A zeigen.
In den Fig. 1 und 2 ist ein zur Oberflächenbefestigung bestimm­ tes Gehäuse 10, wie zum Beispiel ein Gehäuse vom Typ SMD-10 gezeigt, das von der Firma International Rectifier Corporation, El Segundo, Calif., USA hergestellt wird. Das Gehäuse 10 weist eine Leiter-Bodenplatte 11 auf, die eine lötbare Unterseite 11a aufweist. Die Leistungs-Halbleiter-Chips 12 und 13 sind auf der Bodenplatte 11 befestigt. Die Chips 12 und 13 sind dann z. B. durch Verbindung ihrer Leitungen mit einem (nicht gezeigten) Leiterrahmen miteinander verbunden, und das Gehäuse wird dann durch ein geformtes Isoliergehäuse oder eine Kappe 15 eingekap­ selt. Geeignete Anschlüsse, wie zum Beispiel die Leistungsan­ schlüsse 17 und 18 und die Steueranschlüsse 19 und 20, erstrecken sich aus dem Gehäuse 15 heraus. Randstreifen 11b und 11c erstrecken sich über den Rand des Gehäuses 15 hinaus.
Typischerweise können die Chips 12 und 13 eine Diode bzw. ein IGBT sein, die anti-parallel geschaltet sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Fig. 3 zeigt auch schematisch die Anschlüsse 17 bis 20, die von der Innenseite zur Außenseite des Gehäuses 15 vorspringen.
Üblicherweise würde die Fläche des IGBT-Chips ungefähr doppelt so groß sein, wie die Fläche des entsprechenden Dioden-Chips, was beispielsweise zu einem IGBT-Chip 13 von der Größe 3 und einer HEXFRED-Diode 12 von der Größe 20 führen würde, die jeweils von der Firma International Rectifier Corporation hergestellt werden, und zwar für einen vorgegebenen Nennstrom. Diese Werte können in üblicher Weise mit einem Motor-Nennstrom von beispielsweise 4 Ampere verwendet werden, doch können sie auch mit anderen Nennstromen in Abhängigkeit von dem speziellen Aufbau des Bauteils verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und für den gleichen vorgegebenen Nennstrom ist der IGBT-Chip 13 ein IGBT-Chip der Größe 4, wie er von der Firma International Rectifier Corpo­ ration, El Segundo, Calif. hergestellt wird, während der anti­ parallel geschaltete Dioden-Chip 12 eine HEXFRED-Diode der Größe 10 mit kurzer Sperrverzögerungszeit ist, die ebenfalls von der Firma International Rectifier Corporation hergestellt wird.
Die Tabelle 1 zeigt die Abmessungen von IGBT-Chips der Größe 3, 4 und 7. Die Tabelle 2 zeigt die Abmessungen der HEXFRED- Dioden-Chips der Größe 10 und 20.
Tabelle 1
Tabelle 2
Die Größe der Chip-Fläche des HEXFRED-Bauteils der Größe 10 beträgt ungefähr 20% der Fläche eines IGBT-Chips der Größe 4. Durch Verwendung des IGBT-Chips mit der größeren Größe 4 und des HEXFRED-Dioden-Chips der kleineren Größe 10, kann die Gesamt-Schaltenergie der verbesserten IGBT- und Dioden-Kombi­ nation um mehr als 30% gegenüber der normal ausgelegten Kom­ bination bei dem gleichen Strom verringert werden.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die typische Abschalt- Energie gegenüber dem Kollektor-Strom für IGBT-Bauteile der Chip-Größe 3 und 4 für 600 V zeigt. Der Chip mit der Größe 4 weist eine niedrigere Abschalt-Energie bei niedrigem Strom auf, weil die Abschaltflanken-Überschwinger-Energie bei einer niedri­ geren Stromdichte unproporational kleiner wird. Bei höheren Strömen neigen die beiden Kurven dazu, ineinanderzulaufen.
Die Fig. 5(a) und 5(b) sind graphische Darstellungen, die die Spannung und den Strom beim Abschalten eines IGBT-Chips der Größe 7 für 1200 V zeigen. Wie dies gezeigt ist, sind die Überschwingungsverluste bei einer niedrigen Stromdichte von geringerer Bedeutung. Wenn 10A abgeschaltet werden, so beträgt die Amplitude des anfänglichen Überschwingers ungefähr 2A, während, wenn 20A abgeschaltet werden, die Amplitude des anfänglichen Überschwingers ungefähr 8A beträgt, d. h. es tritt ein 4-facher Anstieg des Überschwinger-Stromes für eine zwei­ fache Vergrößerung des abgeschalteten Stromes auf.
Die Größe der Diode sollte diese nicht größer als erforderlich sein, um den Strom ohne Überhitzung zu führen.
Die Schaltverluste aufgrund der Dioden-Erholung können als Qrr * Vdc * f betrachtet werden, wobei Qrr die Speicherladung der Diode, Vdc die Versorgungsgleichspannung und f die Schalt­ frequenz ist. Je größer die Diode ist, desto größer ist Qrr bei einem vorgegebenen Laststrom, so daß die Schaltverluste aufgrund von Qrr um so größer werden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Vergrößerung des IGBT-Chips dessen Verlustleistungsbeitrag verringert, während eine Verringerung der Größe der Diode (innerhalb von Grenzen) deren Verlustleistungsbeitrag verringert. Daher sind ein IGBT-Chip der Größe 4 und ein Dioden-Chip der Größe 10 sehr gut aneinander angepaßt, um die Gesamtverlustleistung in dem angegebenen Beispiel zu verringern.
Obwohl die Erfindung anhand von gemeinsam miteinander in einem Gehäuse angeordneten Chips 12 und 13 gezeigt und be­ schrieben wurde, ergeben sich die gleichen Vorteile, wenn die Chips 12 und 13 in getrennten Gehäusen angeordnet sind.

Claims (13)

1. Halbleiterbauteil-Kombination mit einem IGBT und einer anti­ parallel geschalteten Freilaufdiode, die jeweilige Chip- Flächen-Größen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der IGBT-Chip- Fläche größer als die doppelte Größe der Chip-Fläche der Diode ist.
2. Halbleiterbauteil-Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Fläche des Dioden-Chips ungefähr 10%-25% der Größe der Fläche des IGTB-Chips beträgt.
3. Halbleiterbauteil-Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das IGBT-Bauteil einen Chip der Größe 4 und die Diode einen Chip der Größe 10 hat.
4. Halbleiterbauteil-Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der IGBT-Chip und der Dioden- Chip zusammen auf einer gemeinsamen Bodenplatte verpackt sind.
5. Verfahren zum Abgleich der jeweiligen Chip-Größen eines IGBT und einer hierzu anti-parallel geschalteten Freilauf- Diode, gekennzeichnet durch die Schritte der:
Bestimmung der jeweiligen Ausgangswerte von Chip-Größen für den IGBT und die Diode, und
Verringerung der Größe des Dioden-Chips gegenüber dem Ausgangswert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt der Vergrößerung der Größe des IGBT-Chips gegenüber dem Aus­ gangswert umfaßt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des IGBT-Chips ausreichend vergrößert wird, um die Stromdichte, die Durchlaß-Verluste und die Schaltverluste in dem IGBT zu verringern, und
daß die Chip-Größe der Diode in Abhängigkeit von der verringerten Stromdichte in dem IGBT verringert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Dioden-Chips ausreichend verringert wird, um die Sperrverzögerungs­ ladung der Diode zu verringern, um auf diese Weise die Schaltverluste in dem IGBT weiter zu verringern.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Dioden-Chips auf eine minimale Größe verringert wird, die ausreicht, um den Anti-Parallel-Strom ohne Überhitzung zu führen.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des IGBT-Chips auf die Größe 4 und erhöht und die Größe des Dioden-Chips auf die Größe 10 verringert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgrößen der IGBT- und Dioden-Chips die Größen 3 bzw. 2 sind.
12. Verfahren nach Anspruch 5, 6, 7, 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltenergie des IGBT und der Diode durch die genannten Schritte um zumindestens 30% verringert wird.
13. Verfahren nach nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Dioden-Chips auf ungefähr 10%-25% der Größe des IGBT-Chips ver­ ringert wird.
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