DE19706798B4

DE19706798B4 - Halbleiter-Leistungsmodul

Info

Publication number: DE19706798B4
Application number: DE19706798A
Authority: DE
Inventors: Noriho Terasawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: US5896286A; DE19706798A1; JPH09233853A; JP3411437B2

Abstract

Halbleiter-Leistungsmodul mit mehreren eine Brückenschaltung bildenden Halbleiterelementen und einer Schaltungsanordnung zur deren Steuerung, umfassend in einem gemeinsamen Gehäuse (60):
mehrere jeweils eines der Halbleiterelemente enthaltende Elementenchips (10),
mehrere, integrierte Schaltungen enthaltende Treiberchips (20), von denen jedes einem der Halbleiterelemente zugeordnet ist und auf einem von diesem abhängigen Potential betrieben wird,
ein Signalverarbeitungschip (30) mit einer integrierten Schaltung, die gemeinsam für alle Treiberchips vorgesehen ist und ihnen zugeordnete Signale dem Betriebspotential des jeweiligen Treiberchips anpaßt,
Verdrahtungsleiter (40) für den Anschluß der Halbleiterelemente, und
Signalleitungen (50) zur Verbindung der Treiberchips (20) und des Signalverarbeitungschips (30) miteinander,
wobei der Signalverarbeitungschip (30) eine Schaltung zur Verschiebung des Pegels von Signalen enthält, die über die Signalleitungen (50) zwischen dem Signalverarbeitungschip und den Treiberchips (20) ausgetauscht werden, die den Halbleiterelementen der Brückenzweige der Brückenschaltung zugeordnet sind, die an höherem Potential liegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiter-Leistungsmodul, das mehrere eine Brückenschaltung bildende Halbleiterelemente und zugehörige Schaltungen enthält und zur Ansteuerung einer Last, etwa eines elektrischen Motors, verwendet wird. Bei den Halbleiterelementen handelt es sich um bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT), bipolare Transistoren, MOS-Transistoren etc..
Halbleiter-Leistungselemente, etwa die oben erwähnten IGBTs, die zur Ansteuerung verschiedener Lasten, etwa elektrischer Motoren, verwendet werden, werden normalerweise als einzelne in einer Packung untergebrachte Elemente in Vorrichtungen eingesetzt. Bei Zwei- oder Dreiphasen-Brückenschaltungen, die vier bis sechs Halbleiterelemente verwenden, können diese Halbleiterelemente jedoch auch als ein Chip auf einem Kühlkörper oder einem mit diesem thermisch gut gekoppelten isolierenden Substrat montiert werden und dann in einem Gehäuse untergebracht werden. Diese Modulkofiguration ist im Hinblick auf ihre verringerte Größe und thermische Abstrahlung vorteilhaft. Seit einiger Zeit besteht die Tendenz, in dieses Modul einen integrierten Schaltungschip einzusetzen, der eine Kombination der Halbleiter-Leistungselemente und zugehöriger Schaltungen, etwa Treiberschaltungen für die Elemente enthält. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf solch ein Halbleitermodul, das mehrere Halbleiter-Leistungselemente und ihre zugehörigen Schaltungen enthält. Ein typisches Beispiel eines bekannten Halbleiter-Moduls dieser Arten wird nachfolgend anhand von 2 beschrieben.
Das in 2 gezeigte Modul 70 umfaßt eine Dreiphasen-Brückenschaltung mit sechs IGBTs 10, die zusammen mit zugehörigen Schaltungen in ein Gehäuse 60 eingesetzt sind. Das Modul 70 stellt einen kleinen Leitungswechselrichter dar, der an seinen positiven und negativen Eingangsanschlüssen P und N eine Gleichspannung von einer Stromquelle 1 zur Ansteuerung einer Last 2, etwa eines elektrischen Motors, empfängt, welcher mit drei Ausgangsanschlüssen U, V und W verbunden ist. Dieser Wechselrichter wird von einem Controller 3, bei dem es sich um einen Mikrocomputer handelt, gesteuert.
Die IGBTs, die die drei Halbleiterelemente 10 jeweils der oberen und der unteren Zweige der Brückenschaltung bilden, weisen jeweils einen Hilfsemitter 10a zur Strommessung auf und sind mit einer Freilaufdiode 11 antiparallel geschaltet, damit das Modul die Funktion eines Wechselrichters erhält. Diese Halbleiterelemente 10 und Dioden 11 sind als ein Chip auf einem Kühlkörper oder einem mit diesem thermisch gut gekoppelten Keramiksubstrat montiert, die ihrerseits in dem rahmenartigen Kunststoffgehäuse 60 zusammen mit Verdrahtungsleitern 40 untergebracht sind, welche zur Verbindung der Elemente untereinander und mit den Anschlüssen erforderlich sind. Das Gehäuse wird dann mit Epoxyharz aufgefüllt, um die Elemente zu einem Modul 70 robusten Aufbaus zu integrieren. Zum Zwecke der Erläuterung sind die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse als seitlich von dem Gehäuse abstehend dargestellt, während sie tatsächlich aus der Oberseite herausragen.
Eine Schaltung zur Steuerung der Halbleiter-Leistungselemente ist als ein einzelner Chip integriert und als Controller 80 in das Gehäuse 60 des Moduls 70 eingesetzt. Der Controller 80, der Treiberschutzschaltungen 81 und 82 für die Halbleiterelemente 10 der oberen bzw. der unteren Brückenzweige enthält, ist über einen Bus 3a und eine Gruppe von Anschlüssen Tc mit dem Controller 3 verbunden und empfängt drei Steuersignale u, v und w für die Ausgangsanschlüsse U, V bzw. W von den Dreiphasen-Ausgangsanschlüssen des Controllers 3 und gibt über die Treiberschutzschaltungen 81 und 82 jeweilige Treiberbefehle Sd an die entsprechenden Halbleiterelemente 10 aus. Wenn ein Fehler auftritt, empfängt der Controller 80 ein elektrisches Signal Si von dem Hilfsemitter 10a des betroffenen Halbleiterelements 10 an der jeweiligen der Treiberschutzschaltungen 81 und 82 und stoppt den Treiberbefehl Sd, um die Halbleiterelemente 10 zu schützen, während zugleich ein Warnsignal Sa an den Controller 3 geschickt wird.
Die Grundschaltung des Controllers 80 kann mittels einer niedrigen Speisespannung Ed betrieben werden, und das Massepotential Ee der Grundschaltung kann auf dasselbe Potential wie der negative Eingangsanschluß N der Brückenschaltung gesetzt werden, wie in der Figur gezeigt. Da jedoch die Treiberschutzschaltungen 81 und 82 auf demselben Potential betrieben werden müssen wie die zugehörigen Halbleiterelemente 10, wird das Emitterpotential der Halbleiterelemente 10 diesen Schaltungen über eine jeweilige Potentialübertragungsleitung 42 geliefert. Da die drei Halbleiterelemente der oberen Brückenzweige auf unterschiedlichen Emitterpotentialen arbeiten, werden den entsprechenden Treiberschutzschaltungen 81 über eine jeweilige Speiseleitung 41 Stromquellenspannungen Eu, Ev bzw. Ew geliefert. Die drei Halbleiterelemente 10 der unteren Brückenzweige werden dagegen auf demselben Emitterpotential betrieben, so daß eine Stromquellenspannung Ec diesen Treiberschutzschaltungen 82 gemeinsam über die Speiseleitung 41 zugeführt wird. Das Bezugspotential für die Stromquellenspannungen Eu, Ev und Ew muß eine höhere Spannung ähnlich derjenigen am positiven Eingangsanschluß P der Brückenschaltung sein.
Obwohl Größe und Kosten des oben beschriebenen bekannten Moduls 70 im Vergleich mit einem Aufbau mit einzelnen Elementen deutlich verbessert sind, hat sich herausgestellt, daß auch dieses Modul Kosten- und Leistungsfähigkeitsprobleme mit sich bringt, wenn sein Anwendungsbereich erweitert wird. Das größte Kostenproblem liegt in der Schwierigkeit, die Größe des Controllerchips 80 und die damit verbundenen hohen Kosten zu verringern. Dies liegt daran, daß eine große Chipfläche erforderlich ist, um die Isolation (etwa mittels pn-Übergängen) zwischen der Controllerhauptschaltung und den Treiberschutzschaltungen 81 und 82 zu bewirken, die, wie oben beschrieben, auf unterschiedlichen Potentialen arbeiten (insbesondere die Schaltungen 811, wenn diese Komponenten in den Controller 80 eingebaut werden. Mit anderen Worten, die für diese Isolation erforderliche Fläche kann nicht verringert werden, unabhängig davon, wie hoch der Integrationsgrad dieser Schaltungen ist. Dementsprechend kann die Chipgröße nicht unter eine bestimmte Grenze reduziert werden, was eine ausreichende Kostenreduzierung verhindert.
Ein zweites Kostenproblem liegt in der großen Anzahl von Leitungen, einschließlich der Signalleitungen 50, zwischen der Vielzahl der die Brückenschaltung bildenden Halbleiterelemente 10 und dem Controller 80, der Speiseleitungen 41 und der Potentialübertragungsleitungen 42 zum Controller 80 sowie in dem zum Anschluß dieser Leitungen bzw. Drähte erforderlichen Arbeitsumfang. Insbesondere die Verbesserung des Schutzniveaus der Halbleiterelemente 10 ist in der letzten Zeit verlangt worden. Damit nicht nur ein Überstromschutz, sondern auch ein Kurzschluß- und Überhitzungsschutz geboten werden kann, muß die Anzahl von Signalleitungen 50 entsprechend erhöht werden, was in einer Erhöhung des Arbeitsaufwands resultiert. Damit verhindert wird, daß sich Signale auf den internen Verbindungsleitungen gegenseitig beeinflussen, muß die Größe des Gehäuses 60 und damit die des Moduls 70 erhöht werden.
Ein Leistungsfähigkeitsproblem ist die hohe Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion aufgrund des Eintritts von Störungen in die Signalleitungen 50 bzw. der gegenseitigen Beeinflussung der Signale untereinander. Da die Signalleitungen 50 aufgrund der Struktur des Moduls 70 so kurz wie möglich sein müssen, nehmen sie unvermeidlich Störungen auf. Die Treiberbefehle Sd und die Stromsignale Si sind beide steile impulsartige Signale, die dazu neigen, in anderen Leitungen Störimpulse hervorzurufen, wenn eine große Anzahl Signalleitungen 50 vorhanden ist. Zur Vermeidung von Störungen und Signalinterferenzen kann eine elektrostatische Abschirmung für die Signalleitungen 50 und den Controllerchip 80 vorgesehen werden. Hier muß jedoch zwischen Größe einerseits und Kosten andererseits abgewogen werden.

Aus der DE 41 24 757 A1 ist Halbleiter-Leistungsmodul mit einer Leistungs-Brückenschaltung bekannt, bei der auf einem gemeinsamen Substrat sechs Halbleiterschalter und ihnen jeweils zugeordnete Treiberschaltungen angeordnet sind. Jede Treiberschaltung hat dasselbe Bezugspotential wie der von ihr angesteuerte Halbleiterschalter. Zur Vermeidung der oben angesprochenen Störsignale sind die Treiberschaltungen über einer Abschirmschicht angeordnet, die auf das Bezugspotential der jeweiligen Treiberschaltung gelegt sind. Die Treiberschaltungen ihrerseits werden mit Steuersignalen versorgt, die extern an das Modul angelegt werden müssen.

Angesichts der vorgenannten Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Halbleiter-Leistungsmodul für eine Leistungs-Brückenschaltung zu schaffen, das die oben erwähnten Vorteile aufweist, aber hinsichtlich der Kosten und der Leistungsfähigkeit verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleiter-Leistungsmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Gemäß dem Prinzip der Erfindung wird ein Halbleiter-Leistungsmodul mit einer Mehrzahl von eine Brückenschaltung bildenden Leistungs-Halbleiterelementen und zugeordneten Schaltungen vorgesehen, der umfaßt:

– eine Mehrzahl von in Halbleiterelementgruppen aufgeteilten Elementenchips,
– mehrere, integrierte Schaltungen enthaltende Treiberchips, von denen jedes einem der Halbleiterelemente zugeordnet ist und auf einem von diesem abhängigen Potential betrieben wird, N:\A\RO\A9766410.DOC – 29. July 2005/09:54
– ein Signalverarbeitungschip mit einer integrierten Schaltung, die gemeinsam für die Treiberchips vorgesehen ist und ihnen zugeordnete Signale in einer solchen Weise verarbeitet, daß die Signale dem Betriebspotential des jeweiligen Treiberchips angepaßt sind,
– Verdrahtungsleiter für die mehreren Halbleiterelemente, und
– Signalleitungen zur Verbindung der mehreren Treiberchips und des Signalverarbeitungschips miteinander,
– wobei alle diese Elemente in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und der Signalverarbeitungschip eine Schaltung zur Verschiebung des Pegels von Signalen enthält, die über die Signalleitungen zwischen dem Signalverarbeitungschip und einem der Treiberchips übertragen ' werden, die den Halbleiterelementen der oberen Brückenzweige zugeordnet sind.

Gemäß einer Ausführungsform zeichnet sich das Modul nach dem ersten Aspekt dadurch aus, daß alle Treiberchips innerhalb der die mehreren Halbleiterelemente umfassenden Brückenschaltung gleichen Schaltungsaufbau aufweisen, jeweils nahe dem zugehörigen Elementenchip angeordnet sind und auf demselben Potential wie dieser Elementenchip zu arbeiten.

Gemäß einer dritten Ausführungsform zeichnet sich das Modul nach ersten oder dem zweiten Aspekt dadurch aus, daß in den oberen Brückenzweigen für jeden Treiberchip eine eigene Speiseleitung zur Zuführung einer Stromquellenspannung an den jeweiligen Treiberchip vorgesehen ist, während in den unteren Brückenzweigen für alle Treiberchips eine gemeinsame Speiseleitung vorgesehen ist.

Gemäß einer vierten Ausführungsform zeichnet sich das Modul nach einem der vorhergehenden Aspekte dadurch aus, daß die Treiberschaltungen eine Schutzschaltung zum Schutz des jeweils zugeordneten Halbleiterelements, falls dieses Halbleiterelement defekt wird, enthalten, und daß der Signalverarbeitungschip über die Signalleitungen Treiberbefehle an die Treiberchips schickt, die ihrerseits im Fall des Auftretens eines Defektes ein diesen anzeigendes Fehlersignal an den Signalverarbeitungschip senden.

Gemäß einenr fünften Ausführungsform zeichnet sich das Modul nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch aus, daß jeder Treiberchip auf demselben Bezugspotential wie das zugehörige Halbleiterelement betrieben wird, daß für jedes Halbleiterelement in den oberen Brückenzweigen eine Potentialübertragungsleitung zur Übertragung dieses Potentials an den Signalveraibeitungschip vorgesehen ist, und daß für alle Halbleiterelemente in den unteren Brückenzweigen eine gemeinsame Potentialübertragungsleitung vorgesehen ist.

Gemäß einer sechsten Ausführungsform zeichnet sich das Modul nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch aus, daß in der Nähe jedes Elementenchips ein Freilaufdiodenchip montiert und antiparallel mit dem Halbleiterelement verbunden ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Modul übernehmen die Treiberchips und der Signalverarbeitungschip zusammen die Funktion des Controllers 80 des bekannten Moduls von 2. Für jedes Halbleiterelement ist ein Treiberchip vorgesehen, das auf demselben Potential wie das Halbleiterelement betrieben wird. Daher erfordert die Erfindung keine interne Isolation zwischen der Hauptschaltung und den Treiberschutzschaltungen, wie dies bei den bekannten Controllerchips der Fall ist. Hierdurch wird ein hoher Integrationsgrad der Treiberchips und des Signalverarbeitungschips und damit eine Verringerung von Größe und Kosten der Chips ermöglicht. Weiterhin ist bei der Erfindung die Notwendigkeit, Signale zum und von dem Signalverarbeitungschip zu übertragen, ungeachtet der beim Stand der Technik nicht vorhandenen erweiterten Funktion der Treiberchips für den Schutz der Halbleiterelemente verringert. Somit kann die Anzahl von Signalleitungen verbunden mit einer Vereinfachung der internen Verdrahtung des Moduls und dadurch einer Verringerung der Kosten minimiert werden. Ebenfalls kann die Gefahr von Fehlfunktionen aufgrund des Eindringens von Störungen und der Interferenz von Signalen untereinander verringert und damit die Leistungsfähigkeit verbessert werden.

Die Treiberchips enthalten vorzugsweise eine Schutzschaltung sowie eine Treiberschaltung für das jeweilige Halbleiterelement. Wenn ein Fehler auftritt kann diese Schutzschaltung das Halbleiterelement schützen und zugleich ein das Auftreten eines Fehlers signalisierendes Fehlersignal an den Signalverarbeitungschip senden. Vorzugsweise weisen die jeweiligen Treiberchips für alle Halbleiterelemente in der Brückenschaltung jeweils denselben Aufbau auf und sind dem zugehörigen Halbleiterelementen-Chip so nahe wie möglich angeordnet. Bei der Brückenschaltung muß eine Freilaufdiode zu jedem Halbleiterelement antiparallel geschaltet werden. Dieser Diodenchip ist vorzugsweise dem jeweiligen Halbleiterelementenchip so nahe wie möglich angeordnet. Für die Treiberchips, die den Halbleiterelementen in den oberen Brückenzweigen zugeordnet sind, sind gesonderte Speiseleitungen vorgesehen, während die Treiberchips für die Halbleiterelemente in den unteren Brückenzweigen mit einer gemeinsamen Speiseleitung verbunden sind.

Erfindungsgemäß wird jeder Treiberchip auf demselben Potential wie das zugehörige Halbleiterelement der Brückenschaltung betrieben. Zum Austausch von Signalen zwischen den Treiberchips und dem Signalverarbeitungschip muß daher ein Signalpotentialausgleich erfolgen. Zu diesem Zweck kann das Betriebspotential jedes Halbleiterelements über eine Potentialübertragungsleitung an den Signalverarbeitungschip angelegt werden. Vorzugsweise ist für jedes Halbleiterelement in den oberen Brückenzweigen eine gesonderte Potentialübertragungsleitung vorgesehen, während für die Halbleiterelemente der unteren Brückenzweige eine gemeinsame Potentialübertragungsleitung vorhanden ist. Eine Pegelschieberschaltung ist vorzugsweise in dem Signalverarbeitungschip eingebaut, um die Potentiale der Signale zwischen dem Signalverarbeitungschip und den Treiberchips anzupassen, die einem der Halbleiterelemente in den oberen Brückenzweigen, die auf höheren Spannungen liegen, zugeordnet sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Leistungs-Halbleitermoduls gemäß der Erfindung und
2 ein entsprechendes Schaltbild eines bekannten Halbleiter-Leistungsmoduls.
Einander entsprechende Teile in den 1 und 2 sind mit denselben Bezugszahlen versehen und nachfolgend nur insoweit noch einmal erläutert, als dies erforderlich ist. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem die Brückenschaltung bildenden Halbleiter-Leistungselementen in gleicher Weise wie in 2 um IGBTs. Dieses Ausführungsbeispiel ist aber gleichermaßen auf Bipolartransistoren und MOS-Transistoren anwendbar.
Die drei Halbleiterleistungs-Elementenchips 10 jeweils der oberen und der unteren Zweige der Dreiphasen-Brückenschaltung sind auf einem Metall- oder Keramiksubstrat montiert, das zur Wärmeabstrahlung thermisch gut mit einem Kühlkörper gekoppelt ist. Die von den Elementenchips 10 gesonderten Freilaufdioden 11 sind jeweils nahe dem zugehörigen Elementenchip 10 montiert und zu ihm beispielsweise durch Bonden antiparallel geschaltet. Die sechs Elementenchips 10 sind fest mit einem positiven und einem negativen Eingangsanschluß P und N sowie die drei Ausgangsanschlüssen U, V und W über jeweilige Verdrahtungsleiter 40 verbunden (bei denen es sich wie in Stand der Technik um Kupferstangen handelt). Jedes Elementenchip 10 in einem oberen Brückenzweig ist mit dem Elementenchip 10 des zugehörigen unteren Brückenzweigs über einen jeweiligen Verdrahtungsleiter 40 verbunden.
Erfindungsgemäß ist für jedes Elementenchip 10 ein Treiberchip 20 vorgesehen, der in 1 als Block dargestellt ist und auf demselben Potential wie der zugehörige Elementenchip 10 betrieben wird. Der Treiberchip 20 ist eine integrierte Schaltung, die Treiberschaltungen zur Ansteuerung des Gates des zugehörigen Halbleiterelements enthält. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich auf dem Treiberchip so nahe wie möglich zum jeweiligen Elementenchip 10 eine Schutzschaltung, die mit dem Gate und dem Hilfsemitter 10a des Halbleiterelements verbunden ist, so daß das Gate des Halbleiterelements angesteuert wird und ein Schutzbetrieb (etwa ein Notstopp) ausgeführt wird, der erforderlich ist, wenn ein Fehler, etwa ein Überstrom oder ein Lastkurzschluß auftritt.
Die Treiberchips 20 für die verschiedenen Halbleiterelemente können alle denselben Schaltungsaufbau besitzen. Da jedoch die Halbleiterelementgruppe der oberen Brückenzweige und die der unteren Brückenzweige unterschiedliche Betriebsspannungen haben, werden die drei Treiberchips der oberen Brückenzweige über eine jeweilige Speiseleitung 41 mit einer Speisespannung Eu, Ev bzw. Ew versorgt, während den drei Treiberchips 20 in den unteren Brückenzweigen über die gemeinsame Speiseleitung 41 eine Speisespannung Ec geliefert wird, wie in der Figur dargestellt. Diese Spannungen können etliche Volt bis zu etlichen 10 Volt betragen. Damit jeder Treiberchip auf demselben Potential wie das zugehörige Halbleiterelement betrieben wird, wird den Treiberchips 20 in den oberen Brückenzweigen das Emitterpotential des jeweils zugehörigen Halbleiterelements geliefert, während allen drei Treiberchips 20 in den unteren Brückenzweigen das gemeinsame Emitterpotential der ihnen zugeordneten Halbleiterelemente geliefert wird.
Der Signalverarbeitungschip 30 ist ein einzelner integrierter Schaltungschip, der für alle Treiberchips 20 gemeinsam vorgesehen und in dem Gehäuse 60 des Moduls 70 zusammen mit den Elementenchips 10 und den Treiberchips 20 untergebracht ist. Der Signalverarbeitungschip 30 ist mit dem Controller 3 über den Bus 3a und die Anschlußgruppe Tc verbunden. Der Signalverarbeitungschip 30 empfängt die Steuersignale u, v und w von dem Controller 3 und verteilt das Treiberbefehlssignal Sd auf der Basis der Steuersignale auf die Vielzahl von Treiberchips 20 über die Signalleitungen 50. Wenn ein Defekt auftritt, empfängt der Signalverarbeitungschip 30 das Fehlersignal Sa von dem Treiberchip 20, um den Treiberbefehl Sd zu stoppen oder zu ändern, während es zugleich an den Controller 3 als Warnsignal Sa geliefert wird. Eine Pegelschieberschaltung ist ebenfalls in dem Signalverarbeitungschip 30 untergebracht, um die Anpassung von Potentialpegeln auszuführen, die erforderlich ist, um den Treiberbefehl Sd und das Fehlersignal zu bzw. von den Treiberchips 20 zu übertragen, die Halbleiterelementen in den oberen Brückenzweigen zugeordnet sind, welche mit einer höheren Spannung verbunden sind.
Der Signalverarbeitungschip 30 empfängt die niedrige Stomquellenspannung Ed, um auf demselben Massepotential Ee wie der negative Eingangsanschluß N der Brückenschaltung zu arbeiten, empfängt aber über die Signalübertragungsleitungen 42 die Emitterpotentiale der einzelnen Halbleiterelemente, das heißt sein Referenzbetriebspotential für die oberen Brückenzweige in Verbindung mit der Pegelschieberschaltung. In den unteren Brückenzweigen mit niedriger Spannung werden alle Halbleiterelemente bei einem gemeinsamen Potential, das gleich dem Potential des negativen Eingangsanschlusses N ist, betrieben, so daß keine Pegelschieberschaltung für den Treiberbefehl Sd und das Fehlersignal Sa in die Signalverarbeitungsschaltung 30 eingebaut zu werden braucht. Da somit die Emitterpotentiale dieser Halbleiterelemente nicht an den Signalverarbeitungschip 30 geliefert zu werden brauchen, ist in der Figur keine Potentialübertragungsleitung hierfür dargestellt. Falls diese Leitung zur Stabilisierung des Signalpotentials vorgesehen wird, kann eine einzige Leitung gemeinsam für alle Halbleiterelemente in den unteren Brückenzweigen vorgesehen werden. Die Pegelschieberschaltung kann einen herkömmlichen Spannungsteiler mit Widerständen und Schalttransistoren umfassen, die von einem Signal oder Befehl geschaltet werden, der direkt von der Nieder- oder Hochspannungsseite des Teilers angelegt wird.
Gemäß dieser Erfindung sind die mehreren Elementenchips 10 und Treiberchips 20 und der einzelne Signalverarbeitungschip 30 zusammen mit Verbindungsleitern 40 und Signalleitungen 50 in einem gemeinsamen Gehäuse 60 untergebracht, und Harz wird zum Erhalt eines soliden einstückigen Halbleitermoduls 70 eingegossen. Das Modul 70 kann in einem weiten Anwendungsfeld eingesetzt werden, indem die Elementenchips 10 mit Spannungs- und Stromnennwerten ausgelegt werden, die zur Ansteuerung der Last 2 geeignet sind, während die Treiberchips 20 und der Signalverarbeitungschip 30 verschiedene Lasten 2 ohne Änderung ihres Schaltungsaufbaus ansteuern können. Durch Verwendung eines Mikrocomputers als Controller 3 können Inhalt und Form der Steuerung, die individuell an verschiedene Anwendungen des Moduls 70 und verschiedene Arten von Lasten angepaßt sind, vorteilhaft als Software für den Mikrocomputer gespeichert werden.
Da, wie oben beschrieben, bei dem Modul 70 gemäß der Erfindung die Treiberchips 20 auf demselben Potential betrieben werden wie der jeweils zugehörige Elementenchip 10, ist die oben erwähnte Isolation nicht erforderlich. Folglich können kleine und billige Treiberchips mit hohem Integrationsgrad hergestellt werden. Die Kosten des Signalverarbeitungschips 30 können in ähnlicher Weise unter Verwendung eines hohen Integrationsgrads dadurch verringert werden, daß lediglich eine Isolation für die Pegelschieberschaltung ausgeführt wird. Wenn ferner die Treiberchips eine erweiterte Schutzfunktion aufweisen, kann das Fehlersignal Sa, bei dem es sich um ein logisches Signal handelt, das das Auftreten eines Fehlers und die Art des Fehlers anzeigt, an den Signalverarbeitungschip 30 übertragen werden. Als Folge davon kann die Anzahl von Signalleitungen 50 minimiert werden, und die Möglichkeit einer Fehlfunktion infolge des Eindringens von Störungen oder der Interferenz von Befehlen oder Signalen untereinander kann deutlich verringert werden. Gemäß der Erfindung können die Signalleitungen 50 und die Potentialübertragungsleitungen 42, die oben beschrieben wurden, Verdrahtungsleiter für gedruckte Schaltungsplatten umfassen, um die Kosten für die Montage des Moduls 70 zu verringern.
Dadurch, daß

– Elementenchips, die in Gruppen der mehreren die Brückenschaltung bildenden Halbleiterelemente unterteilt sind,
– Treiberchips, die integrierte Treiberschaltungen enthalten und einem jeweiligen Elementenchip zugeordnet vorgesehen sind und die auf demselben Potential wie der zugehörige Elementenchip betrieben werden,
– ein Signalverarbeitungschip umfassend eine integrierte Schaltung, der für die Treiberchips gemeinsam vorgesehen ist und ein mit dem jeweiligen Treiberchip verbundenes Signal in einer Weise verarbeitet, daß das Signal mit dem Betriebspotential des Treiberchips kompatibel ist, und
– Verdrahtungsleiter für die Vielzahl von Halbleiterelementen, und Signalleitungen zur Verbindung der Vielzahl von Treiberchips und des Signalverarbeitungschips miteinander, in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, können mit dem Halbleiter-Leistungsmodul dieser Erfindung folgende Wirkungen erreicht werden: (a) Da für jedes Halbleiterelement in der Brückenschaltung ein Treiberchip vorgesehen ist und auf demselben Potential wie das Halbleiterelement betrieben wird, braucht innerhalb des Moduls keine Isolationsstruktur ausgebildet zu werden, und die Größe und Kosten der Treiberchips können unter Einsatz einer hochgradigen Integration reduziert werden. (b) Die Größe der in den Signalverarbeitungschip einzusetzenden Schaltungen ist sehr viel kleiner als beim Stand der Technik, und eine Isolationsstruktur ist lediglich für den Pegelschieberschaltungsabschnitt erforderlich. Somit können Größe und Kosten des Signalverarbeitungschips unter Einsatz hochgradiger Integration reduziert werden, um die Größe des gesamten Moduls und die Herstellungskosten zu verringern. (c) Selbst wenn die Treiberchips eine Funktion zum Schutz der Halbleiterelemente enthalten, kann das Fehlersignal dem Signalverarbeitungschip in der Form eines logischen Signals geliefert werden. Damit wird die Gefahr einer Fehlfunktion aufgrund des Eintritts von Störungen oder der gegenseitigen Einwirkung der Signale untereinander im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verringert. Selbst wenn weiterhin die Treiberchips eine erweiterte Schutzfunktion aufweisen, braucht die Anzahl von Signalleitungen zwischen den Treiberchips und den Signalverarbeitungschip nicht speziell erhöht zu werden. Folglich kann die interne Verdrahtung des Moduls verbunden mit einer Verringerung der Herstellungskosten vereinfacht werden. (d) Da der Signalverarbeitungschip eine Pegelschieberfunktion aufweist, um die Potentiale der zwischen dem Signalverarbeitungschip und den Treiberchips auf der Hochspannungsseite der Brückenschaltung ausgetauschten Signale anzupassen, kann die interne Verdrahtung des Moduls unter Einsatz einer Signalübertragung mittels eines Fotokopplers bei gleichzeitiger Kostenverringerung vereinfacht werden.

Eine Realisierung, bei der alle Treiberchips denselben Schaltungsaufbau aufweisen und jeweils in der Nähe des zugehörigen Elementenchips angeordnet sind, ist im Hinblick auf die Verringerung der Kosten und Größe des Moduls vorteilhaft. Wenn eine Funktion zum Schutz der Halbleiterelemente eingebaut wird, stellen die Treiberchips eine Verbindung mit dem Signalverarbeitungschip über das Fehlersignal in der Form eines logischen Signal her, wodurch die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen erhöht und die gegenseitige Einwirkung der Treiberbefehle verringert werden, wodurch die Betriebszuverlässigkeit des Moduls erhöht wird.

Claims

Halbleiter-Leistungsmodul mit mehreren eine Brückenschaltung bildenden Halbleiterelementen und einer Schaltungsanordnung zur deren Steuerung, umfassend in einem gemeinsamen Gehäuse (60): mehrere jeweils eines der Halbleiterelemente enthaltende Elementenchips (10), mehrere, integrierte Schaltungen enthaltende Treiberchips (20), von denen jedes einem der Halbleiterelemente zugeordnet ist und auf einem von diesem abhängigen Potential betrieben wird, ein Signalverarbeitungschip (30) mit einer integrierten Schaltung, die gemeinsam für alle Treiberchips vorgesehen ist und ihnen zugeordnete Signale dem Betriebspotential des jeweiligen Treiberchips anpaßt, Verdrahtungsleiter (40) für den Anschluß der Halbleiterelemente, und Signalleitungen (50) zur Verbindung der Treiberchips (20) und des Signalverarbeitungschips (30) miteinander, wobei der Signalverarbeitungschip (30) eine Schaltung zur Verschiebung des Pegels von Signalen enthält, die über die Signalleitungen (50) zwischen dem Signalverarbeitungschip und den Treiberchips (20) ausgetauscht werden, die den Halbleiterelementen der Brückenzweige der Brückenschaltung zugeordnet sind, die an höherem Potential liegen.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Treiberchips (20) den gleichen Schaltungsaufbau aufweisen, jeweils in der Nähe des zugehörigen Elementenchips (10) angeordnet sind und auf demselben Potential wie das Halbleiterelement dieses Elementenchips arbeiten.
Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brückenzweigen, die an höherem Potential liegen, für jeden Treiberchip (20) eine eigene Speiseleitung (41) zur Zuführung einer Stromquellenspannung (Ew, Ev, Eu) an den jeweiligen Treiberchip vorgesehen ist, während in den Brückenzweigen, die an niedrigerem Potential liegen, für alle Treiberchips eine gemeinsame Speiseleitung (41) vorgesehen ist.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltungen eine Schutzschaltung zum Schutz des jeweils zugeordneten Halbleiterelements enthalten, und daß der Signalverarbeitungschip (30) über die Signalleitungen (50) Treiberbefehle an die Treiberchips (20) schickt, die ihrerseits im Fall des Auftretens eines Defektes ein diesen anzeigendes Fehlersignal an den Signalverarbeitungschip (30) senden.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Treiberchip (20) auf demselben Bezugspotential wie das zugehörige Halbleiterelement betrieben wird, daß für jedes Halbleiterelement in den Brückenzweigen, die an höherem Potential liegen, eine Potentialübertragungsleitung (42) zur Übertragung dieses Bezugspotentials an den Signalverarbeitungschip (30) vorgesehen ist, und daß für alle Halbleiterelemente in den Brückenzweigen, die an niedrigerem Potential liegen, eine gemeinsame Potentialübertragungsleitung vorgesehen ist.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe jedes Elementenchips (10) ein Freilaufdiodenchip (11) montiert und dessen Freilaufdiode in Antiparallel-Schaltung mit dem Halbleiterelement des jeweiligen Elementenchips (10) verbunden ist.