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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungshalbleiterbaustein,
der in einer Stromwandlerausrüstung
wie einem Wechselrichter und Gleichrichter verwendet wird.
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Der
Leistungshalbleiterbaustein umfasst ein MOSFET-Modul mit mehreren
darin eingebauten MOSFET-Vorrichtungen (MOSFET – Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor),
ein Diodenmodul mit mehreren darin eingebauten Diodenvorrichtungen, ein
IGBT-Modul mit mehreren darin eingebauten IGBT-Vorrichtungen (IGBT – Isolierschicht-Bipolartransistor)
und mehreren darin eingebaute Diodenvorrichtungen. Nun wird der
Innenaufbau des Leistungshalbleiterbausteins im Falle eines IGBT-Moduls
mit mehreren parallel angeschlossenen IGBT- und Diodenvorrichtungen
beschrieben.
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In 10 ist
eine Draufsicht und die nähere Umgebung
einer Halbleitervorrich tung eines herkömmlichen IGBT-Moduls (nachstehend
als das Modul bezeichnet) im Schnitt gezeigt. In 11 ist
eine Querschnittsansicht eines Paars bestehend aus einer IGBT- und
Diodenvorrichtung und deren nähere Umgebung
im Baustein gezeigt. In dem Baustein sind vier IGBT- und vier Diodenvorrichtungen
parallel angeschlossen, um einen einzelnen Baustein bereitzustellen.
Eine angrenzende IGBT- und Diodenvorrichtung sind umgekehrt parallel
angeschlossen, so dass sich der Emitter der IGBT-Vorrichtung und
die Anode der Diodenvorrichtung, und der Kollektor der IGBT-Vorrichtung
und die Kathode der Diodenvorrichtung auf demselben Potential befinden.
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In
den 10 und 11 bezeichnet
Bezugszahl 1 eine aus Kupfer bestehende Wärmeableitungsplatte
zum Kühlen
der Halbleitervorrichtungen, Bezugszahl 2 bezeichnet ein
Aluminiumnitridsubstrat als Isoliersubstrat, Bezugszahl 21 bezeichnet
eine Elektrodenmaske, die jeweils auf den entgegengesetzten Seiten
des Aluminiumnitridsubstrats vorgesehen ist, Bezugszahl 3 bezeichnet
eine IGBT-Vorrichtung, und Bezugszahl 4 bezeichnet eine
Diodenvorrichtung. Die IGBT-Vorrichtung 3 und die Diodenvorrichtung 4 sind
Seite an Seite an der Elektrodenmaske 21 angelötet. Das
Aluminiumnitridsubstrat 2 ist durch Anlöten an der Wärmeableitungsplatte 1 befestigt.
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Jede
der IGBT-Vorrichtungen 3 weist eine Emitterelektrode 31 auf,
die durch Ausbilden einer Maske daran vorgesehen ist, und jede der
Diodenvorrichtungen 4 weist eine Anodenelektrode 41 auf, die
durch Ausbilden einer Maske daran vorgesehen ist. Die Emitterelektrode
ist durch Aluminiumdrähte an
die Anodenelektrode und noch an ein Emitterstammsubstrat 7 angeschlossen.
Die Elektrodenmaske 21 ist auf einem Aluminiumnitridsubstrat 2,
an das die IGBT-Vorrichtung 3 und die Diodenvorrichtung 4 angelötet sind,
durch Aluminiumdrähte 52 an eines
der Kollektorstammsubstrate 8 angeschlossen. Bezugszahl 25 bezeichnet
ein Gehäuse,
das aus Harzmaterial besteht und an der Wärmeableitungsplatte 1 befestigt
ist. Die Kollektorstammsubstrate 8 haben daran angebrachte
Elektrodenmasken, und die jeweiligen Elektrodenmasken sind an eine
Bausteinkollektorelektrode 9 angeschlossen. An das Emitterstammsubstrat 7 ist
eine Bausteinemitterelektrode 10 angeschlossen. Die Bausteinemitterelektrode 10 und
die Bausteinkollektorelektrode 9 sind an eine Last oder
dergleichen außerhalb
des Gehäuses 25 angeschlossen.
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Um
eine Gatespannung für
den EIN- und AUS-Betrieb der IGBT-Vorrichtungen 3 zu regeln,
erstrecken sich Aluminiumdrähte 53 von
Verdrahtungsleiterplatten 11 zu Gate-Anschlüssen 32 der IGBT-Vorrichtungen 3.
Bezugszahl 19 bezeichnet eine Bausteingateelektrode, die über die
Verdrahtungsleiterplatten 11 im Baustein an die Gate-Anschlüsse 32 der
jeweiligen IGBT-Vorrichtungen 3 angeschlossen ist. Bezugszahl 33 bezeichnet
einen Stromfühleranschluss,
der an einer der IGBT-Vorrichtungen 3 vorgesehen ist, und
durch den ein im Verhältnis
zu einem durch die Emitterelektrode 31 der einen IGBT-Vorrichtung 3 fließenden Strom
geringer Strom fließt.
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In
dem Baustein mit den wie vorstehend festgestellt vorgesehenen IGBT-Vorrichtungen
fließt während des
Betriebs in manchen Fällen
ein Überstrom
mit einem Wert jenseits eines Nennstroms, oder es kann übermäßiger Strom
aufgrund eines Kurzschlusses auf der Lastseite im Baustein fließen. Fließt übermäßiger Strom
mit einem Wert jenseits eines Nennstroms im Baustein, werden die
IGBT-Vorrichtungen so heiß,
dass sie kaputtgehen können, was
dann den Austausch des Bausteins erforderlich macht. Um zu verhindern,
dass der Baustein aufgrund eines Überstroms zerstört wird,
muss ein durch die IGBT-Vorrichtungen fließender Strom erfasst und die
IGBT-Vorrichtungen müssen
unverzüglich,
bevor ein übermäßiger Strom
fließt,
abgeschaltet werden. Es ist eine Schutzschaltung vorgesehen, um
die Zerstörung
der IGBT-Vorrichtungen zu verhindern, die vom Auftreten eines solchen Überstroms
oder eines Kurzschlusses auf einer Lastseite verursacht werden könnte.
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In 12 ist
ein Blockschema einer solchen Schutzschaltung gezeigt. Bezugszahl 12 bezeichnet den
Baustein, und Bezugszahl 13 bezeichnet die eine IGBT-Vorrichtung 3 mit
dem Stromfühleranschluss 33.
Der Stromfühleranschluss 33 wird
dazu verwendet, einen Primärstrom
zu erfassen, der durch die Bausteinemitterelektrode 10 fließt. Der
Stromfühleranschluss 33 erfasst
einen Strom, der durch die einzelne IGBT-Vorrichtung 13 unter
den vier IGBT-Vorrichtungen 3 in dem Baustein 12 fließt, und
der erfasste Strom wird in eine Schutzschaltung 16 gegen Über- oder
Kurzschlussstrom eingegeben. Unter der Wirkung der Schutzschaltung
gibt eine Gate-Spannungssteuerschaltung 17 eine Gate-Spannung
mit einem Wert ab, der die IGBT-Vorrichtung 3 zum Abschalten
bringt, um je nach Erfordernis den gesamten Baustein 2 zu
schützen.
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Die
jeweiligen IGBT-Vorrichtungen 3 haben eine große Anzahl
(nicht gezeigter) IGBT-Feinzellen, die darin parallel angeschlossen
sind. Die Emitterelektrode 31 und der Stromfühleranschluss 33 sind
jeweils an eine große
Anzahl von IGBT-Zellen in der entsprechenden IGBT-Vorrichtung 13 angeschlossen.
Das Verhältnis
der Anzahl der an die Emitterelektrode 31 angeschlossenen
IGBT-Zellen zu der Anzahl der an den Stromfühleranschluss 33 angeschlossenen
IGBT-Zellen ist auf ca. 1.000 zu 1 eingestellt. Beide Gruppen der
IGBT-Zellen sind separat, und der Strom, der durch die Emitterelektrode 31 fließt, wird
auf Grundlage des Stroms ermittelt, der durch den Stromfühleranschluss 33 fließt.
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Als
weiterer Stand der Technik besteht ein Verfahren, bei dem ein (nicht
gezeigtes) Widerstandselement an einer Stelle in einem Primärstrompfad vorgesehen
ist und der Wert des Primärstroms
auf Grundlage eines Spannungsabfalls am Widerstandselement erfasst
wird.
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Ein
durch den Stromfühleranschluss
fließender
Strom und der durch die Emitterelektrode fließende Strom haben nicht unbedingt
das Verhältnis,
das dem Verhältnis
der Anzahl der IGBT-Zellen entspricht, die an die jeweiligen Anschlüsse angeschlossen
sind. Der Grund dafür
ist, dass sich die IGBT-Vorrichtungen während des Betriebs erhitzen
und eine gewisse Temperaturverteilung auf einer Geräteoberfläche verursachen,
und die Temperatur der an den Stromfühleranschluss angeschlossenen
IGBT-Zellen eine andere ist als die Temperatur der an die Emitterelektrode
angeschlossenen IGBT-Zellen, weil sich die an den Stromfühleranschluss
angeschlossenen IGBT-Zellen an einer bestimmten Stelle auf der Geräteoberfläche befinden.
Aus diesem Grund spiegelt der am Stromfühleranschluss erfasste Stromwert
in manchen Fällen
den tatsächlichen
durch die Bausteinemitterelektrode fließenden Strom nicht genau wider.
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Zusätzlich besteht
insofern ein Problem, als der durch den Stromfühleranschluss fließende Strom aufgrund
von Schwankungen bei der Geräteherstellung
variiert.
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Bei
dem Verfahren zur Bereitstellung eines Widerstandselements in einem
Primärstrompfad können die
Schwankungen bei den erfassten Werten auf ein Mindestmaß reduziert
werden, weil der Spannungsabfall am Widerstandselement erfasst wird.
Ein herkömmliches,
flaches, plattenförmiges
Widerstandselement wirft jedoch insofern ein Problem auf, als die
Hochfrequenzeigenschaften nicht gut sind, weil das Widerstandselement
eine hohe Induktivität hat.
Im Falle eines Leistungshalbleiterbausteins wie dem IGBT-Modul,
wird beispielsweise ein bis zu ca. 100 A hoher Strom an jeder IGBT-Vorrichtung gemessen.
Um den Leistungsverlust zu senken, der durch das Einführen des
Widerstandselements verursacht wird, muss das Widerstandselement
einen Widerstandswert haben, der im niedrigen mΩ-Bereich liegt. Das flache,
plattenförmige
Widerstandselement mit einem solchen Widerstandswert wirft insofern
ein Problem auf, als die Impedanz aufgrund von Induktivität vorherrschender
ist als die Impedanz aufgrund von Widerstand bei hohen Frequenzen
von 100 kHz bis 1 MHz, und die Erfassungseigenschaften von den Frequenzen
abhängen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leistungshalbleiterbaustein
mit einer Stromfühlereinheit
bereitzustellen, die in der Lage ist, einen Primärstrom auch in einem hohen
Frequenzbereich mit guter Genauigkeit zu erfassen.
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Die
EP 0 680 147 erörtert einen
Leistungshalbleiterbaustein, der eine Schutzvorrichtung besitzt,
die dazu ausgelegt ist, zu verhindern, dass eine Uberspannung den
Leistungsbaustein schädigt.
Der Stromfühler
nutzt einen Stromsensor und eine Sensoreinheit, um einen Potentialunterschied
an einem bekannten Widerstand zu messen.
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Die
DE 3 611 595 offenbart ein
System, um parallele Flachplatten zur Messung eines Potentialunterschieds
beim Einsatz in einem Hochfrequenzsystem zu verwenden. Dies wird
im Hinblick auf die Ausschaltung der Wirkung von Hochfrequenzen
auf Widerstandsmessungen und die Auswirkungen induktiven Widerstands
erörtert.
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Die
US 5 061 863 stellt eine
Transistoreinheit vor, die mit einer Integralstromerfassungsfunktion ausgestattet
ist. Statt auf eine externe Widerstandsmessung zurückzugreifen,
wird festgestellt, dass das System als Teil der Verdrahtung für Widerstandsmessungen
verwendet wird.
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Keines
der obigen Dokumente offenbart jedoch ein System, das mit zwei Strommessvorrichtungen
mit unterschiedlichen Widerstandswerten aber derselben Induktivität ausgestattet
ist und die Spannungsdifferenz misst.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungshalbleiterbaustein
mit einem Isoliersubstrat, mehreren Halbleitervorrichtungen, die
auf dem Isoliersubstrat vorhanden sind, mehreren Bausteinelektroden,
die auf dem Isoliersubstrat vorgesehen und an die Halbleitervorrichtungen
angeschlossen sind, einer Stromfühlereinheit,
die einen ersten Stromfühler
umfasst, wobei der Stromfühler
einen Leiter umfasst, der in einem ersten Strompfad vorgesehen ist,
bereitgestellt, und der Leiter parallele Flachplatten beinhaltet,
um eine im Schnitt im Wesentlichen U-förmige Gestalt zu haben, wobei
ein Primärstrom
aus einem Potentialunterschied zwischen Innenabschnitten des Leiters
erfasst wird, und darüber
hinaus die Stromfühlereinheit
einen zweiten, in Reihe geschalteten Stromfühler beinhaltet und die beiden
Stromfühler über gleiche
Induktivität
aber unterschiedlichen Widerstand verfügen, wobei der Primärstrom aus
einem Unterschied zwischen Potentialunterschieden an Innenabschnitten
der jeweiligen Stromfühler
erfasst wird.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines ersten Leistungshalbleiterbausteins;
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die 2(a) und (b) sind perspektivische Ansichten
zur Erläuterung
einer Stromfühlereinheit
des Leistungshalbleiterbausteins;
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bei
den 3(a) und (b) handelt es sich um eine
grafische Darstellung, die die Frequenzkennlinien einer herkömmlichen
Stromfühlereinheit
zeigt, und eine grafische Darstellung, die die Frequenzkennlinien
der Stromfühlereinheit
des Leistungshalbleiterbausteins zeigt;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines zweiten Leistungshalbleiterbausteins;
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5 ist
eine Draufsicht eines dritten Leistungshalbleiterbausteins,
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6 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI von 5;
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7 ist
eine Draufsicht einer IGBT-Vorrichtung des Leistungshalbleiterbausteins;
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8 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie VIII-VIII von 7;
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9 ist
eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleiterbausteins
nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10 ist
eine Draufsicht eines herkömmlichen
Leistungshalbleiterbausteins;
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11 ist
eine Teilquerschnittsansicht des herkömmlichen Leistungshalbleiterbausteins;
und
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12 ist
ein Blockschema, das die Schutzschaltung des herkömmlichen
Leistungshalbleiterbausteins zeigt.
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In 1 ist
eine perspektivische Ansicht eines ersten Leistungshalbleiterbausteins
gezeigt. Obwohl der in 1 gezeigte Baustein in der Praxis
wie in 11 gezeigt an einer Wärmeableitungsplatte 1 angebracht
und mit einem Gehäuse 25 abgedeckt
ist, sind diese Teile in 1 weggelassen, worin eine IGBT-Vorrichtung
und eine Stromfühlereinheit
im Baustein zusammen mit ihrer unmittelbaren Umgebung gezeigt sind.
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In 1 bezeichnet
Bezugszahl 2 ein Aluminiumnitridsubstrat als Isoliersubstrat,
Bezugszahl 21 bezeichnet eine Elektrodenmaske, die auf
dem Aluminiumnitridsubstrat 2 vorgesehen ist, die Bezugszahlen 3 und 4 bezeichnen
die IGBT-Vorrichtung bzw. eine Diodenvorrichtung als Halbleitervorrichtungen,
die an der Elektrodenmaske 21 angelötet sind, Bezugszahl 26 bezeichnet
ein Emitterstammsubstrat als Isoliersubstrat, Bezugszahl 29 bezeichnet
eine Elektrodenmaske, die auf dem Emitterstammsubstrat 26 vorgesehen
ist, und Bezugszahl 27 bezeichnet eine Bausteinemitterelektrode
als Bausteinelektrode, die an eine externe Vorrichtung angeschlossen
ist, um einen Primärstrom
fließen
zu lassen, und die so gezeigt ist, dass ein Teil von ihr weggelassen
wurde. Bezugszahl 28 bezeichnet die Stromfühlereinheit,
die einen (in diesem Fall aus Kupfer bestehenden) Leiter mit einer
parallelen Flachplatte umfasst, die im Querschnitt eine im Wesentlichen
U-förmige
Gestaltung hat. Die Stromfühlereinheit
umfasst eine erste und eine zweite Flachplatte 28a, 28c als
parallele Flachplatten, und einen umgebogenen Abschnitt 28b,
der zwischen einem Ende der ersten Flachplatte 28a und einem
Ende der zweiten Flachplatte 28c angeschlossen ist. Das
andere Ende der ersten Flachplatte 28a ist an die Elektrodenmaske 29 angelötet, um
einen Erfassungsanschluss 34 bereitzustellen. Das andere Ende
der zweiten Flachplatte 28c ist integral mit der Bausteinemitterelektrode 27 ausgebildet,
um einen anderen Erfassungsanschluss 35 bereitzustellen.
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Die
Elektrodenmaske 29 auf dem Emitterstammsubstrat 26 ist über Aluminiumdrähte 51 an
die Anodenelektrode 41 der Diodenvorrichtung 4 und
die Emitterelektrode 31 der IGBT-Vorrichtung 3 angeschlossen.
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Bezugszahl 16 bezeichnet
eine Schutzschaltung gegen Überstrom/Kurzschlussstrom.
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Nun
wird der Betrieb des Leistungshalbleiterbausteins erklärt. Der
Primärstrom,
der durch den Leistungshalbleiterbaustein (im Folgenden einfach als
Baustein bezeichnet) fließt,
läuft durch
die Emitterelektrode 31 der IGBT-Vorrichtung 3,
durch die Aluminiumdrähte 51,
durch den Stromfühler 28 der Elektrodenmaske 29 auf
dem Emitterstammsubstrat 26, und fließt dann in die Bausteinemitterelektrode 27.
Ein Potentialunterschied zwischen inneren Abschnitten des Stromfühlers, d.h.
ein Spannungsabfall im Primärstrom
zwischen den beiden Erfassungsanschlüssen 34, 35 wird
erfasst und ein den erfassten Spannungsabfall angebendes Signal
in die Schutzschaltung gegen Uberstrom/Kurzschlussstrom eingegeben.
Die erfasste Spannung wird durch den Widerstandswert zwischen den
Erfassungsanschlüssen 34, 35 bestimmt,
weil die Induktivität
zwischen den beiden Erfassungsanschlüssen 34, 35 durch
Ausbilden des Strompfads im Stromfühler 28 durch die
Verwendung der einander gegenüberliegenden
parallelen Flachplatten gering ausgelegt ist. Dementsprechend wird
ein Ausgang zwischen den beiden Erfassungsanschlüssen 34, 35 erzeugt,
der im Verhältnis zum
Primärstrom
eine flache Frequenzkennlinie und Amplitude hat. Auf diese Weise
kann der Schutz für den
Baustein bei einem bestimmten Stromwert richtig erfolgen. Der Betrieb
der Stromfühlereinheit
wird eingehender beschrieben.
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In
den 2(a) und 2(b) sind
perspektivische Ansichten zur Erläuterung der Stromfühlereinheit
gezeigt, die in einem Stromerfassungsverfahren durch den Einsatz
eines eingefügten
Widerstandselements verwendet wird. In 2(a) ist
ein flachplattenförmiges
Widerstandselement gezeigt, das zur Stromerfassung im Stand der
Technik verwendet wurde. In 2(b) ist
die Stromfühlereinheit
nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, worin die parallelen Flachplatten
mit der im Querschnitt im Wesentlichen U-förmigen Gestaltung als Widerstand
verwendet werden. Die Symbole A, B, C und D bezeichnen Anschlüsse und
der Fluss eines Stroms ist durch dicke Pfeile angezeigt. Die Stromfühlereinheit
hat eine zur Reihenschaltung einer Widerstands- und einer induktiven
Komponente gleichwertige Impedanz. Die Spannung V zwischen den entgegengesetzten
Anschlüssen
jedes der Schaltkreise, die entsteht, wenn ein Strom fließt, wird
durch die folgende Gleichung ausgedrückt: V =
(R + jωL)
I worin das Symbol R der Widerstand zwischen den entgegengesetzten
Anschlüssen,
j eine imaginäre Einheit,
das Symbol ω eine
Winkelfrequenz, das Symbol L die Induktivität zwischen den entgegengesetzten
Anschlüssen,
und das Symbol I ein Strom ist. Vorausgesetzt, dass die Platte in 2(a) eine Dicke t, eine Breite w und eine
Länge Le
hat, wird der Widerstand dieses Aufbaus durch die folgende Gleichung
ausgedrückt: R = R0 × Le/(t × w)worin
das Symbol R0 der spezifische Widerstand der Platte ist. Vorausgesetzt,
dass t 0,1 mm, Le 10 mm und w 10 mm beträgt und die Platte aus Kupfer
besteht, beträgt
der spezifische Widerstand R0 ca. 1,5 × 10–6 Ω·cm. Dementsprechend
beträgt
der Widerstand zwischen den Anschlüssen A und B 0,3 × 10–3 Ω.
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Die
Induktivität
LAB zwischen den Anschlüssen A und B lässt sich
in etwa durch die folgende Gleichung ausdrücken: LAB = u(log(2Le/(w + t) + 0,5))/2πworin
u eine Raumpermeabilität
darstellt.
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Entsprechend
wird die Impedanz ZAB zwischen den Anschlüssen A und
B durch die folgende Gleichung ausgedrückt: ZAB = 0,3 × 10–3 +
j2 × 3,14 × f × 2,4 × 10–7 Ω.
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In
dieser Gleichung stellt f eine Frequenz dar.
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Hingegen
lässt sich
die Induktivität
LCD der Flachplatten, die im Querschnitt
eine wie in 2(b) gezeigte im Wesentlichen
U-förmige
Gestaltung haben, in etwa durch die folgende Gleichung ausdrücken: LCD = u × d × Le/wworin
d den Zwischenraum zwischen den entgegengesetzten Flachplatten darstellt.
Bei der Berechnung von LCD wird die Dicke
der Platten der Einfachheit halber vernachlässigt. Vorausgesetzt, dass
d 0,1 mm beträgt,
ist die Induktivität
LCD 1,3 × 10–10 H.
Entsprechend wird die Impedanz ZCD zwischen
den Anschlüssen
C und D durch die folgende Gleichung ausgedrückt: ZCD = 0,6 × 10–3 +
j2 × 3,14 × f × 1,3 × 10–10 Ω.
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Der
Einfachheit halber wurde der Skineffekt vernachlässigt, der sich durch einen
hochfrequenten Strom ergibt.
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Die
Absolutwerte der Impedanz im Hinblick auf die Frequenzen werden
in beiden Fällen
berechnet, und die Berechnungsergebnisse sind in den 3(a) und (b) gezeigt.
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Im
Falle des flachplattenförmigen
Widerstandselements, das allgemein verwendet wurde und in 2(a) gezeigt ist, hängt der Wert von Frequenzen
erst ab 300 Hz ab, wie in 3(a) gezeigt
ist. Hingegen weist der in 2(b) gezeigte
Aufbau mit den parallelen Flachplatten, die im Querschnitt im Wesentlichen
U-förmig
gestaltet sind, wie in 3(b) gezeigt
eine flache Kennlinie auf, ohne von Frequenzen bis zu einem Hochfrequenzbereich
von 600 kHz abzuhängen.
Wie dargestellt ist, kann der Aufbau mit den parallelen Flachplatten,
die im Querschnitt im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sind, die
Induktivität
im Vergleich zu einer Widerstandskomponente reduzieren, um die Frequenzabhängigkeit
von der Spannung zwischen den Erfassungsanschlüssen stark zu verbessern.
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Wie
bereits erläutert,
kann ein Stromfühler mit
flacher Frequenzlinie und guter Erfassungsgenauigkeit bereitgestellt
werden, indem der Primärstrompfad
so aus parallelen Flachplatten hergestellt wird, dass sie im Querschnitt
eine im Wesentlichen U-förmige
Gestaltung haben.
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Da
der Stromfühler
einen Spannungsabfall durch einen Primärstrom an einem Leiter erfasst,
ist der Stromfühler
frei von einer Nichtübereinstimmung zwischen
dem Emitterstrom einer IGBT-Vorrichtung und einem in der Praxis
erfassten Wert, was im Stande der Technik für gewöhnlich bei dort verwendeten Stromfühleranschlüssen der
Fall war.
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In 4 ist
eine perspektivische Ansicht eines zweiten Bausteins gezeigt. In
dieser Figur bezeichnen die Bezugszahlen 44 und 45 eine
erste und eine zweite Elektrodenmaske, die auf dem Emitterstammsubstrat 26 vorgesehen
und durch einen kleinen Zwischenraum beabstandet sind. Bezugszahl 38 bezeichnet
einen Isolierkörper,
der zwischen der ersten und zweiten Flachplatte 28a, 28c des
Stromfühlers 28 vorgesehen
ist. Ein Ende der ersten Flachplatte 28a ist an die erste
Elektrodenmaske 44 angelötet, und ein Ende der zweiten
Flachplatte 28c ist an die zweite Elektrodenmaske 45 angelötet. Die
Bausteinemitterelektrode 27 ist an die zweite Elektrodenmaske 45 angelötet. Die
erste Elektrodenmaske 44 ist über einen Aluminiumdraht 51 an
die Anodenelektrode 41 der Diodenvorrichtung 4 und
die Emitterelektrode 31 der IGBT-Vorrichtung 3 angeschlossen. Die
Erläuterung
der anderen Elemente unterbleibt, weil diese denjenigen des ersten
Bausteins ähnlich sind.
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Der
durch die IGBT-Vorrichtung 3 fließende Strom läuft von
der ersten Elektrodenmaske 44 am Emitterstammsubstrat 26 durch
den Stromfühler 28, dann
durch die zweite Elektrodenmaske 45 und in die Bausteinemitterelektrode 27.
Ein Spannungsabfall im Primärstrom
zwischen den beiden Erfassungsanschlüssen 34, 35 des
Stromfühlers 28 wird
erfasst und ein den erfassten Spannungsabfall anzeigendes Signal
in die Schutzschaltung 16 gegen Überstrom/hurzschlussstrom eingegeben.
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Die
erfasste Spannung wird durch den Widerstand zwischen den Erfassungsanschlüssen 34, 35 bestimmt,
da die Induktivität
zwischen den beiden Erfassungsanschlüssen 34, 35 dadurch
gering ausgelegt ist, dass der Primärstrompfad im Stromfühler 28 durch
Verwendung der einander gegenüberliegenden
parallelen Flachplatten ausgebildet ist. Dementsprechend wird ein
Ausgang zwischen den beiden Erfassungsanschlüssen erzeugt, der im Verhältnis zum
Primärstrom
eine flache Frequenzlinie und Amplitude hat.
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Der
Stromfühler 28 ist
auf dem Emitterstammsubstrat 26 von der Bausteinemitterelektrode 27 getrennt
vorgesehen, um einen Freiheitsgrad im Hinblick auf die Anordnung
des Stromfühlers 28 zu erhöhen, der
sich dadurch vielseitig auf Bausteine mit unterschiedlichen Strukturen
anwenden lässt.
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In 5 ist
eine Draufsicht eines dritten Bausteins gezeigt. 6 ist
eine Querschnittsansicht des Bausteins entlang der Linie VI-VI von 5.
Der Stromsensor 28, der durch Einsatz eines Dünnfilmausbildungsverfahrens
parallele Flachplatten mit im Querschnitt im Wesentlichen U-förmiger Gestaltung umfasst,
ist auf dem Emitterstammsubstrat 26 vorgesehen. Speziell
bezeichnet Bezugszahl 61 eine erste Isolierschicht, die
auf einer Elektrodenmaske 29 auf dem Emitterstammsubstrat 26 vorgesehen
ist. Die erste Flachplatte 28a des Stromfühlers 28 besteht aus
einer Metallschicht auf der ersten Isolierschicht. Ein Ende der
ersten Flachplatte 28a ist an die Elektrodenmaske 29 angeschlossen.
Bezugszahl 62 bezeichnet eine zweite Isolierschicht, die
auf der ersten Flachplatte 28a vorgesehen ist. Die zweite
Flachplatte 28c des Stromfühlers besteht aus einer Metallschicht
auf der zweiten Isolierschicht. Die erste und zweite Flachplatte 28a, 28c sind
einander gegenüberliegend
vorgesehen, und beide Flachplatten sind durch den umgebogenen Abschnitt 28b miteinander verbunden.
Die Erfassungsanschlüsse 34, 35 sind
an Seitenteilen der ersten und zweiten Flachplatte 28a, 28c vorgesehen,
die einander gegenüberliegen.
Die Bausteinemitterelektrode 27 ist auf dem Emitterstammsubstrat 26 vorgesehen,
und die Bausteinemitterelektrode ist an die zweite Flachplatte 28c angeschlossen.
Das Emitterstammsubstrat 26, die Elektrodenmaske 29,
die erste Isolierschicht 61, die erste Flachplatte 28a,
die zweite Isolierschicht 62 und die zweite Flachplatte 28c sind aufeinanderfolgend
in engem Kontakt schichtweise angeordnet. Die Metallschicht kann
aus Aluminium bestehen, und bei der ersten und zweiten Isolierschicht
kann es sich um eine Siliziumoxidschicht handeln. Die Erläuterung der
anderen Elemente entfällt,
da diese denjenigen des ersten Bausteins ähnlich sind.
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Der
Stromfühler 28 mit
den einander gegenüberliegenden
Flachplatten ist in engem Kontakt auf dem Emitterstammsubstrat 26 vorgesehen.
Im Allgemeinen hat das Emitterstammsubstrat 26 zur Erhöhung des
Kühlwirkungsgrads
eine mit der Wärmeableitungsplatte 1 versehene
Rückseite,
wie in den 10 und 11 gezeigt
ist. In diesem Fall kann der Stromfühler 28 vor einer
Zerstörung
aufgrund von Selbsterhitzung bewahrt werden, wodurch eine Messung
selbst in einem Strombereich möglich
wird, durch den ein hoher Primärstrom
fließt.
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Die
Induktivität
des Aufbaus mit den einander gegenüberliegenden Flachplatten ist
proportional zum Abstand zwischen den gegenüberliegenden Seiten, wie bereits
vorher festgestellt wurde. Mit anderen Worten ist die Induktivität des Stromfühlers 28 geringer
ausgelegt, je dünner
die Dicke der zweiten Isolierschicht 62 wird, welche den
Abstand zwischen der ersten und zweiten Flachplatte 28a, 28c bestimmt.
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Der
parallele und in engem Kontakt befindliche Aufbau auf dem Emitterstammsubstrat 26 kann ein
Dünnfilmausbildungsverfahren
wie Aufdampfen zur Ausbildung der Isolier- und Metallschichten verwenden,
wodurch der Abstand zwischen der ersten und zweiten Flachplatte 28a, 28c extrem
klein ausgelegt wird. Durch den Einsatz eines geläufigen Dünnfilmausbildungsverfahrens
wie Aufdampfen können die
Isolier- und Metallschichten so ausgebildet werden, dass sie extrem
dünn, also
im μm-Bereich
sind. Dementsprechend kann der Stromfühler eine gesenkte Induktivität haben,
so dass er sich auch auf höhere
Frequenzen anwenden lässt.
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In 7 ist
eine Draufsicht einer IGBT-Vorrichtung gezeigt. In 8 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie VIII-VIII von 7 gezeigt.
Der Stromfühler 28 ist
auf einer Fläche
der IGBT-Vorrichtung vorgesehen und umfasst wie in der dritten Ausführungsform
parallele Flachplatten in einer durch den Einsatz eines Dünnfilmausbildungsverfahrens
im Querschnitt im Wesentlichen U-förmigen Gestaltung.
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In
den 7 und 8 bezeichnet Bezugszahl 91 eine
Isolierschicht, die zwischen der ersten und zweiten Flachplatte 28a, 28c des
Stromfühlers 28 vorgesehen
ist. Die erste Flachplatte 28a ist in engem Kontakt auf
der IGBT-Vorrichtung 3 vorgesehen, die Isolierschicht 91 und
die zweite Flachplatte 28c sind aufeinanderfolgend in engem
Kontakt auf die erste Flachplatte aufgebracht, und die erste und zweite
Flachplatte 28a, 28c sind so ausgebildet, dass sie
einander gegenüberliegen.
Die erste und zweite Flachplatte 28a, 28c sind
durch den umgebogenen Abschnitt 28b miteinander verbunden,
und die erste Flachplatte 28a ist an die Emitterelektrode 31 der
IGBT-Vorrichtung 3 als einstückiger Aufbau angeschlossen.
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Bezugszahl 92 bezeichnet
Aluminiumdrähte für eine Verbindung
von den Erfassungsanschlüssen 34, 35 zu
einer nicht gezeigten Schutzschaltung gegen Uberstrom/Kurzschlussstrom.
Die Erläuterung der
anderen Elemente entfällt,
weil diese denjenigen des dritten Bausteins ähnlich sind.
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Die
erste und zweite Flachplatte 28a, 28c des Stromfühlers 28 können so
vorgesehen sein, dass sie wie in der dritten Ausführungsform
die Isolierschicht 91 in engem Kontakt sandwichartig einschließen, wodurch
die Induktivität
des Stromfühlers 28 gesenkt
wird, und er sich dementsprechend auch auf höhere Frequenzen anwenden lässt, wie
bereits im Hinblick auf den dritten Baustein erläutert wurde.
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Der
Stromfühler 28 ist
an der IGBT-Vorrichtung 3 vorgesehen. Diese Anordnung kann
einen zusätzlichen
Platzbedarf für
den Stromfühler 28 im
Baustein abschaffen, wodurch sich der Vorteil bietet, den Baustein
kleiner auslegen zu können.
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Obwohl
der Stromfühler 28 an
der IGBT-Vorrichtung 3 vorgesehen ist, kann er auch an
einer Diodenvorrichtung (in 1 durch 4 angegeben)
im Baustein vorgesehen sein, um einen ähnlichen Vorteil zu bieten.
Im Falle eines MOSFET-Moduls, kann der Stromfühler am MOSFET-Modul zur Verbindung mit
einer Source-Elektrode vorgesehen werden, wodurch sich ein ähnlicher
Vorteil bietet.
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In 9 ist
eine perspektivische Ansicht des Bausteins nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform
sind zwei Stromfühler
im Primärstrompfad
vorgesehen, und der Primärstrom
wird aus einem Unterschied zwischen von beiden Stromfühlern erfassten Ausgängen erfasst.
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In
dieser Figur bezeichnet Bezugszahl 73 eine dritte Elektrodenmaske,
die auf dem Emitterstammsubstrat 26 vorgesehen und mit
kleinen Zwischenräumen
von der ersten und zweiten Elektrodenmaske 44, 45 beabstandet
ist. Bezugszahl 75 bezeichnet einen ersten Stromfühler, der
aus parallelen Flachplatten gebildet ist, eine im Querschnitt im
Wesentlichen U-förmige
Gestaltung hat und eine erste und zweite Flachplatte 75a, 75c und
einen umgebogenen Abschnitt 75b umfasst, der die erste
und zweite Flachplatte 75a, 75c verbindet. Bezugszahl 76 bezeichnet
einen zweiten Stromfühler ähnlich dem
ersten Stromfühler,
der eine erste und zweite Flachplatte 76a, 76c und
einen umgebogenen Abschnitt 76b umfasst, der die erste
und zweite Flachplatte 76a, 76c verbindet. Ein
Ende des ersten Flachteils 75a und eine Ende des zweiten
Flachteils 75c des ersten Stromfühlers 75 ist an die
erste Elektrodenmaske 44 bzw. die dritte Elektrodenmaske 73 angelötet. Ein Ende
der ersten Flachplatte 76a und eine Ende der zweiten Flachplatte 76c des
zweiten Stromfühlers 76 ist
an die dritte Elektrodenmaske 73 bzw. die zweite Elektrodenmaske 45 angelötet.
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Der
erste und zweite Stromfühler 75, 76 sind so
ausgebildet, dass sie bei der Induktivität identisch und im Widerstand
voneinander verschieden sind. Konkret ausgedrückt haben beide Stromfühler 75, 76 dieselbe
Form, bestehen aber aus verschiedenen Werkstoffen. Beispielsweise
besteht der erste Stromfühler 75 aus
Kupfer, während
der zweite Stromfühler 76 aus
Aluminium besteht.
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Ein
Potentialunterschied V1 wird von Erfassungsanschlüssen 81, 82 an
beiden Enden des ersten Stromfühlers 75 ausgegeben,
und ein Potentialunterschied V2 wird von Erfassungsanschlüssen 83, 84 an
beiden Enden des zweiten Stromfühlers 76 ausgegeben.
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Bezugszahl 78 bezeichnet
einen Differenzverstärkerkreis,
in welchen die Potentialunterschiede V1, V2 aus den Erfassungsanschlüssen 81–84 des ersten
und zweiten Fühlers 75, 76 eingegeben
werden, und welcher einen Unterschied zwischen den eingegebenen
Potentialunterschieden an die Schutzschaltung 16 gegen Überstrom/Kurzschlussstrom ausgibt.
Die Erläuterung
der anderen Elemente entfällt,
da diese denjenigen des zweiten Bausteins ähnlich sind.
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Der
durch die IGBT-Vorrichtung 3 fließende Primärstrom läuft durch den Pfad, der sich
von den Aluminiumdrähten 51 über den
ersten und zweiten Stromfühler 75, 76 zur
Bausteinemitterelektrode 27 erstreckt. Der aus dem ersten
Stromfühler 75 ausgegebene
Potentialunterschied V1 und der aus dem zweiten Stromfühler 76 ausgegebene
Potentialunterschied V2 werden in den Differenzverstärkerkreis 78 eingegeben,
und der Unterschied zwischen beiden Potentialunterschieden wird
an die Schutzschaltung 16 gegen Überstrom/Kurzschlussstrom ausgegeben.
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Vorausgesetzt,
die Induktivität
und der Widerstand des ersten Stromfühlers 75 ist L1 bzw.
R1, und die Induktivität
und der Widerstand des zweiten Stromfühlers 76 ist L2 bzw.
R2, werden die Ausgangsspannungen V1, V2, die am ersten und zweiten Stromfüh ler 75, 76 entstehen,
wenn der Primärstrom i
durch beide Stromfühler
fließt,
jeweils wie folgt ausgedrückt: V1 = R1 · i
+ L1 · di/dt V2 = R2 ·i
+ L2 · di/dt.
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Der
Unterschied ΔV
zwischen beiden Ausgangsspannungen wird wie folgt ausgedrückt: ΔV
= V1 – V2
= (R1 – R2)i
+ (L 1 – L2)
di/dt.
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Der
erste und zweite Stromfühler 75, 76 haben
denselben Induktivitätswert,
da beide Stromfühler 75, 76 in
derselben Form hergestellt sind. Dementsprechend wird ΔV = (R1 – R2)i erhalten.
Dies bedeutet, dass der Unterschied zwischen den Ausgangsspannungen
V1, V2 unabhängig
von der Induktivität
in jedem der Stromfühler 75, 76 ist
und nur durch den Unterschied zwischen den Widerständen bestimmt
wird. Somit ist es möglich,
den Primärstrom auch
in höheren
Frequenzen zu messen, da die Ausgangsspannung nach der Differenzverstärkung nicht von
Frequenzen abhängt.
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Bei
dem für
die Stromfühlereinheit
geeigneten Werkstoff handelt es sich um einen Werkstoff, der im
Hinblick auf Widerstandsfähigkeit
im Temperaturbereich von –40°C bis 125°C als Betriebstemperatur für den Leistungshalbleiterbaustein
unter Berücksichtigung
einer durch eine Temperaturveränderung bewirkte
Widerstandsfähigkeitsveränderung
weniger von Temperaturen abhängt.
Beispielsweise eignen sich eine Legierung aus Kupfer und Nickel,
eine Legierung aus Kupfer, Mangan und Nickel und eine Legierung
aus Kupfer, Nickel und Zink.
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Offensichtlich
sind zahlreiche Modifizierungen und Varianten der vorliegenden Erfindung
von dem Hintergrund der vorstehenden Lehre möglich. Es ist deshalb selbstverständlich,
dass sich die Erfindung im Rahmen den beigefügten Ansprüche anders als hier speziell
beschrieben in die Praxis umsetzen lässt.