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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung (conversion)/Invertierung (inversion)
von elektrischer Energie bzw. Leistung, wie einen Inverter bzw.
Wechselrichter, usw., und insbesondere eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie bzw. Leistung, die als eine Motorantriebsvorrichtung
zur Verwendung in einem Automobil verwendet wird, wo eine hohe Zuverlässigkeit
erforderlich ist.
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Ein
Inverter gemäß der herkömmlichen Technik
1, wie durch ein drittes Ausführungsbeispiel in
dem veröffentlichten
japanischen Patent Nr. Hei 11-346480 (1999) gezeigt wird, weist
auf: zwei Energieversorgungsschienen (bus bars) zur Eingabe von elektrischer
DC-Energie (Gleichstrom)
von einer DC-Energiequelle und einem Kondensator; eine Vielzahl
von Ausgabeschienen zur Ausgabe einer elektrischen Dreiphasen-AC-Energie
(Wechselstrom) an einen Motor; eine Vielzahl von Halbleiterschaltmodulen,
die elektrisch mit den Energieversorgungsschienen und den Ausgabeschienen
verbunden sind, zum Invertieren bzw. Umpolen der eingegebenen elektrischen
DC-Energie in die elektrische Dreiphasen-AC-Energie, die ausgegeben
werden soll; und eine Wärmesenke,
auf der die Halbleiterschaltmodule, die Energieversorgungsschienen
und die Ausgabeschienen befestigt sind.
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Die
Invertervorrichtung gemäß der herkömmlichen
Technik 1 wird detaillierter erläutert.
Die Vielzahl von Energieversorgungsschienen weist eine positive
(+) Energieversorgungsschiene und eine negative (–0235-56.485EP-WR Energieversorgungsschiene
auf. Die Vielzahl der Ausgabeschienen beträgt drei (3), um so die drei
Phasen zu bilden. Das Halbleitermodul weist drei (3) parallele Schaltungen auf,
wobei jeweils ein IGBT und die umgekehrt-parallele Diode verbunden
sind, wodurch jeder der Arme eines Dreiphasen-Inverters gebildet
wird. Eine der Phasen der Dreiphasen-Brücke wird gebildet aus zwei
(2) der Arme und es sind Halbleitermodule, welche diese beiden Arme
bilden, auf der Wärmesenke über ein
Isolatorsubstrat, ein gemeinsames Elektrodenmuster und eine Hochtemperatur-Lötung vorgesehen,
um so an beiden Seiten parallel angeordnet zu werden. Die Ausgabeschienen
und die positive (+) Energieversorgungsschiene sind auf der Wärmesenke über eine
in Kontakt stehende Isolatorplatte vorgesehen und umgeben die parallel
vorgesehenen Halbleiterschaltmodule. Weiter ist die negative (–) Energieversorgungsschiene
auf den Ausgabeschienen über
einer Isolatorplatte vorgesehen, die damit in Kontakt steht. Ebenso
ist die negative (–)
Energieversorgungsschiene in der Mitte der parallel vorgesehenen
Halbleiterschaltmodule angeordnet. Und die Ausgabeschienen oder
die Energieversorgungsschienen und die Halbleiterschaltmodule sind
untereinander über
eine Drahtverbindung verbunden.
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Ferner
sind in der Invertervorrichtung gemäß dieser herkömmlichen
Technik 1 die Halbleiterschaltmodule, die eine Inverter-Hauptschaltung
bilden, und die Sammelschienen auf der Oberfläche der Wärmesenke befestigt und stehen
in Kontakt, während
ein Kühlwasserpfad
auf deren Rückseite
zur Kühlung
gebildet wird, wodurch eine geringe Größe und eine Langlebigkeit der
Invertervorrichtung für
ein elektrisches Auto erlangt wird.
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Ebenso
weist die Halbleitervorrichtung mit den Halbleiterschaltelementen
gemäß der herkömmlichen
Technik 2, wie in dem veröffentlichten
japanischen Patent Nr. 2000-49281 gezeigt wird, auf: ein Paar Halbleiterschaltelemente,
die jeweils eine positive Elektrode auf einer Oberfläche und
eine negative auf der anderen Oberfläche haben; eine Leiterplatte, auf
der das Paar von Halbleiterschaltelementen in unterschiedlichen
Richtungen zueinander befestigt ist, mit einer gemeinsamen Anschlussfläche (land), an
der die positive Elektrode eines der Halbleiterschaltelemente und
die negative Elektrode des anderen Halbleiterschaltelements durch
Löten verbunden sind;
und eine Verdrahtung, die sich über
der gemeinsamen Anschlussfläche
befindet und sich dazu parallel erstreckt, auf der die negative
Elektrode eines der Halbleiterschaltelemente und die positive Elektrode des
anderen Halbleiterschaltelements durch Löten verbunden sind.
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Die
Halbleitervorrichtung gemäß dieser
herkömmlichen
Technik 2 ist vorgesehen zum Zweck einer Eliminierung einer Verdrahtung
in einer „L"-Form, die eine Komponente
oder einen Teil hat, die/der sich in einer orthogonalen Richtung
zu dem Substrat erstreckt, wodurch verhindert werden soll, dass
eine Induktivität
und/oder ein Verdrahtungs-Widerstand erhöht wird aufgrund derselben
Verdrahtung in der orthogonalen Richtung zu dem Substrat, sowie
eine Verkleinerung eines Gehäuses
erreicht werden soll durch Verringern der Entfernung zwischen den
Halbleiterschaltelementen.
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Jedoch
sind in der herkömmlichen
Technik 1 die Ausgangsschienen und die positive (+) Energieversorgungsschiene
derart vorgesehen, dass sie die parallel vorgesehenen Halbleiterschaltmodule
umgeben, während
die negative (–)
Energieversorgungsschiene in der Mitte der parallel vorgesehenen
Halbleiterschaltmodule vorgesehen ist, wodurch ein Flächenraum
der Halbleitervorrichtung als Ganzes das Gesamte jedes Flächenbereichs
der Halbleiterschaltmodule, der Ausgangsschienen und der positiven
(+) und negativen (–)
Energieversorgungsschienen ist oder mehr. Dies führt zu einem Problem, insbesondere
in einem Fall, in dem sie als der Inverter für elektrische Energie zur Verwendung
in einem Automobil angewendet oder verwendet wird, da der Raum,
in dem sie installiert wird, sehr eingeschränkt ist.
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Ebenso
sind in gemäß der herkömmlichen Technik
1 die parallel vorgesehenen Halbleiterschaltmodule und die dort
entlang vorgesehenen Ausgangsschienen oder die Energieversorgungsschienen
dort miteinander über
eine Drahtverbindung verbunden, dadurch wird die Verdrahtung als
Ganzes zu komplex, wodurch die Schaltungsinduktivität und deren
Verdrahtungs-Widerstand zunimmt.
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Ferner
muss gemäß der herkömmlichen Technik
1, da Wärme
von der Wärmesenke
auf einer Seite der Halbleiterschaltmodule abgestrahlt wird, die
Kühlung
der Halbleiterschaltmodule als Ganzes durch eine Menge an Wärmeabstrahlung
durch die Wärmesenke
auf dieser Seite durchgeführt
werden, deswegen gibt es das Problem, dass die Wärmeabstrahlung nicht mit Gewissheit
erlangt werden kann. Weiter gibt es ein Problem, da die Halbleiterschaltmodule
auf den gemeinsamen Elektroden nur über die Lötung vorgesehen sind und da
im Allgemeinen die Halbleiterschaltmodule und die Elektroden sich stark
in ihrem linearen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden, dass die
Lötung
aufgrund des intermittierenden AN-AUS-Betriebs der Halbleiterschaltmodule
von thermischen Zyklen eine starke thermische Ermüdung erleidet.
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Gemäß der herkömmlichen
Technik 2 gibt es keine Beschreibung über die detaillierte Konstruktion zum
Erlangen einer Verkleinerung der Invertervorrichtung als Ganzes,
aber die Halbleiterschaltelemente und die Anschlussfläche oder
die Verdrahtung stehen nur über
die Lötung
in Kontakt, deswegen gibt es auch das Problem, dass die Lötung eine
starke thermische Ermüdung
von thermischen Zyklen auf grund des intermittierenden AN-AUS-Betriebs
der Halbleiterschaltelemente erleidet.
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US 4 224 663 zeigt einen
Aufbau für
unter Druck verpackte (presspacked) Gleichrichter (rectifier) basierend
auf Halbleiterelementen, wobei die Gleichrichter thermisch alle
mit derselben Wärmesenke
durch Verwendung eines isolierenden Mediums verbunden sind und untereinander
durch Verwendung von gemeinsamen Sammelschienen elektrisch verbunden
sind.
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In
US 4 458 305 wird eine Dreiphasen-Brückenschaltung
einschließlich
von zwei Sätzen
von Transistor/Dioden-Aufbauten gezeigt. Die Diode jedes Aufbaus
ist in einem Sperrstrom-Modus über
den Hauptstrompfad des Transistors verbunden.
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US 5 517 063 offenbart eine
Energiebrücke, die
auf einer laminierten Sammelschiene errichtet wird. Eine obere Platte
der Sammelschiene ist mit einer Seite einer Hochspannungsbatterie
verbunden, eine untere Platte der Sammelschiene ist mit der anderen
Seite der Hochspannungsbatterie verbunden und eine Isolationsschicht
befindet sich zwischen der oberen und der unteren Platte. Elektrische
Schaltungen und Kondensatoren umgeben (sandwich) die laminierte
Sammelschiene. Die Sandwich-Struktur eliminiert eine parasitäre Induktivität von den
elektrischen Verbindungen.
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Ein
hermetisch versiegeltes Halbleitergehäuse wird in
US 5 347 160 gezeigt.
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In
US 5 168 425 wird ein Aufbau
für ein
Paar von unter Druck verpackten Halbleitern für relativ hohe Spannung gezeigt,
die mit Abstand zueinander auf einer Trägerfläche einer Wärmesenke befinden, der ein
Gehäuse
aufweist, das aus elektrisch isolierendem Material gebildet wird,
mit einer Befestigungsfläche,
die zu der Trägerfläche der
Wärmesenke
passt. Die in diesem Dokument gezeigte Struktur reduziert die erforderliche
Kriechstrecke und die Größe des Gehäuses und
der Wärmesenke
zur Befestigung von Energiehalbleitern, während die Anzahl von Klemmen
reduziert wird, die zur Befestigung der Halbleiter an der Wärmesenke
erforderlich ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie vorzusehen, die eine Reduzierung der Schaltungsinduktivität und deren
Verdrahtungs-Widerstand erzielt, während die Vorrichtung als Ganzes
eine kompakte Größe erhalten
soll, wodurch eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie erhalten wird, die eine gute Installation wie auch eine
hohe Zuverlässigkeit
und Effizienz bei der Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie vorzusehen, die eine Reduzierung der Schaltungsinduktivität und deren
Verdrahtungs-Widerstand erzielt, und ebenso die thermische Ermüdung gegen
die thermischen Zyklen zu verringern, während die Vorrichtung als Ganzes
eine kompakte Größe erhalten soll,
wodurch eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie erhalten wird, die eine gute Installation wie auch eine
hohe Zuverlässigkeit
und Effizienz bei der Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie vorzusehen, die eine Reduzierung der Schaltungsinduktivität und deren
Verdrahtungs-Widerstand erzielt, und ebenso die Elektrodenoberflächen der
Halbleiterchips vor einer Verschlechterung aufgrund des Zeitablaufs
zu schützen,
während
dadurch eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie erhalten wird, die eine gute Installation wie auch eine
hohe Zuverlässigkeit
und Effizienz bei der Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist zum Erreichen einer der obigen Aufgaben eine Vorrichtung
zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie bzw. Leistung
vorgesehen, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Vorzugsweise
sind in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie, wie oben definiert, die positive Eingangsschiene und die
negative Eingangsschiene in einer geraden Linie verlängert und
parallel zueinander auf derselben Fläche angeordnet, während die
Ausgangsschienen in einer geraden Linie verlängert und parallel zueinander
auf derselben Fläche
angeordnet sind, so dass die Ausgangsschienen die positiven und
negativen Eingangsschienen in ungefähr rechten Winkeln in der longitudinalen
bzw. Längsrichtung
dazu überqueren.
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Ebenso
sind vorzugsweiser in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie, wie oben definiert, die positive Eingangsschiene
und die negative Eingangsschiene mit einem positiven Eingangsanschluss
und einem negativen Eingangsanschluss verbunden, der in einer geschichteten
bzw. laminierten Weise geformt ist, von einer jeweils selben Seite
in der Längsrichtung
davon, während
die Vielzahl von Ausgangsschienen jeweils mit Ausgangsanschlüssen verbunden
sind, von einer Seite, die hierzu gleich ist, aber anders als die der
positiven und negativen Eingangsanschlüsse in der Längsrichtung
dazu.
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Ebenso
sind vorzugsweiser in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie, wie oben definiert, die Halbleiterchips,
wobei jeder mit einem MOSFET mit einem Halbleiterschaltelement und
einer damit in umgekehrt paralleler Richtung verbundenen Diode konstruiert
ist, zwischen den Eingangsschienen und den Ausgangsschienen verbunden,
während
die Ausgangsschienen als drei in der Anzahl ausgebildet sind, so
dass die Halbleiterchips eine Dreiphasenbrücke bilden, wodurch eine eingegebene
elektrische Gleichstrom(DC)-Energie bzw. -Leistung in eine elektrische Dreiphasen-Wechselstrom(AC)-Energie
bzw. -Leistung invertiert bzw. umgepolt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie vorgesehen, die aufweisen kann: eine Vielzahl von Eingangsschienen
zur Zufuhr von elektrischer Energie von außen; eine Vielzahl von Ausgangsschienen
zur Abgabe von elektrischer Energie nach außen; und eine Vielzahl von
Halbleiterchipträgern,
die mit den Eingangsschienen und den Ausgangsschienen elektrisch
verbunden sind, zur Umwandlung/Invertierung der eingegebenen elektrischen
Energie an einen Ausgang, wobei die Vielzahl von Eingangsschienen
eine positive Eingangsschiene und eine negative Eingangsschiene
enthalten, die sich parallel zueinander erstrecken, während die Vielzahl
von Ausgangsschienen derart vorgesehen sind, dass sie sich parallel
zueinander erstrecken und die positive und die negative Eingangsschiene
in Längsrichtung überqueren,
wobei die Vielzahl von Halbleiterchipträgern, die jeweils einen Halbleiterchip mit
einem Halbleiterschaltelement und ein elektrisch und thermisch mit
einer positiven Fläche
und einer negativen Fläche
auf beiden Seiten des Halbleiterchips verbundenes Metallelement
aufweisen, derart angeordnet ist, dass sie sich zwischen der positiven Eingangsschiene
oder der negativen Eingangsschiene und der Vielzahl von Ausgangsschienen
an den Kreuzungspunkten dieser befindet, und elektrisch und thermisch
verbunden ist mit der positiven Eingangsschiene in einer Polungsrichtung
konsistent mit dieser und mit der negativen Eingangsschiene in einer
Polungsrichtung konsistent mit dieser und weiter mit den gemeinsamen
Ausgangsschienen in einer Polungsrichtung, die von Seite zu Seite
unterschiedlich ist.
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Vorzugsweiser
ist in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie, wie oben definiert, ein Metallglied bzw. Metallelement aus
einem niedrig thermalen bzw. thermischen Ausdehnungsmetallmaterial
gebildet, das einen niedrigen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt,
der dem des Halbleiterchips nahe ist, und das mit dem Halbleiterchip
durch ein Verbindungsmaterial verbunden ist.
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Auch
ist vorzugsweiser in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie, wie oben definiert, das Metallelement
aus einem niedrig-thermischen Ausdehnungsmetallmaterial gebildet,
dass einen niedrigen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
in einem Bereich von 3 bis 10 besitzt.
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Auch
stehen vorzugsweiser in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie, wie oben definiert, ein Projektionsabschnitt und
ein Eingriffsabschnitt des Halbleiterchipträgers und der Eingangsschiene
oder der Ausgangsschiene in Eingriff, wodurch ein Positionierungsmechanismus für die Fixierung
beider Positionen vorgesehen wird.
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Auch
hat vorzugsweiser in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie, wie oben definiert, das Metallelement
einen Bereich, der größer ist
als der Projektionsbereich des Halbleiterchips, und dessen Dicke
dünn ist
und zwischen 1 mm bis 2 mm der Dicke davon liegt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie vorgesehen, die aufweisen kann: eine Vielzahl von Eingangsschienen
zur Zufuhr von elektrischer Energie von außen; eine Vielzahl von Ausgangsschienen
zur Abgabe von elektrischer Energie nach außen; eine Vielzahl von Halbleiterchipträgern, die
mit den Eingangsschienen und den Ausgangsschienen elektrisch verbunden
sind, zur Umwandlung/Invertierung der eingegebenen elektrischen
Energie an einen Ausgang; und einen Unterdrückungsmechanismus bzw. Druckmechanismus zum
Drücken
der Eingangsschienen und der Ausgangsschienen auf die Halbleiterchipträger, wobei die
Vielzahl von Eingangsschienen eine positive Eingangsschiene und
eine negative Eingangsschiene enthalten, die sich parallel zueinander
erstrecken, während
die Vielzahl von Ausgangsschienen derart vorgesehen sind, dass sie
sich parallel zueinander erstrecken und die positive und die negative
Eingangsschienen in Längsrichtung überqueren,
wobei die Vielzahl von Halbleiterchipträgern, die jeweils einen Halbleiterchip
mit einem Halbleiterschaltelement und ein niedrig- thermisches Ausdehnungsmetallelement
umfassen, die mit einer positiven Oberfläche und einer negativen Oberfläche an beiden
Seiten des Halbleiterchips verbunden sind, derart angeordnet ist,
dass sie sich zwischen der positiven Eingangsschiene oder der negativen
Eingangsschiene und der Vielzahl von Ausgangsschienen an den Kreuzungspunkten
dieser befindet, und elektrisch und thermisch verbunden ist mit
der positiven Eingangsschiene in einer Polungsrichtung konsistent
mit dieser und mit der negativen Eingangsschiene in einer Polungsrichtung
konsistent mit dieser und weiter mit den gemeinsamen Ausgangsschienen
in einer Polungsrichtung, die von Seite zu Seite unterschiedlich
ist.
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Vorzugsweiser
ist in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie, wie oben definiert, ein Verhältnis zwischen einer Breite und
einer Dicke der Eingangsschiene innerhalb eines Bereiches von 5
bis 10 festgelegt.
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Die
Eingangsschienen oder die Ausgangsschienen liegen über einer
elektrisch isolierenden Schicht offen.
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Vorzugsweiser
sind in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie, wie oben definiert, Druckmechanismen (pressure mechanisms),
die im Folgenden auch als „Unterdrückungsmechanismen" (suppression mechanisms) bezeichnet
werden, auf den Eingangsschienen und den Ausgangsschienen vorgesehen,
die mit dem Gehäuse
als ein Körper
geformt sind, zum Ausüben
von Druck, um die Ausgangsschienen oder die Eingangsschienen und
den Halbleiter an der Stelle zu halten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Querschnitt, um die Struktur einer Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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2 ist
ein Querschnitt entlang des in 1 gezeigten
A-A-Schnitts;
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3 ist
ein Querschnitt entlang des in 1 gezeigten
B-B-Schnitts;
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4 ist
ein Querschnitt, der orthogonal zu einer Schichtungsrichtung eines
in 2 gezeigten Chipträgers 11 ist;
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5 ist
ein Querschnitt entlang des in 4 gezeigten
C-C-Schnitts;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht der Hauptschaltungsverdrahtungen und
der Chipträger aus
dem ersten Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 ist
eine Ansicht der Konstruktion der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie und deren peripherer Einrichtungen gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
ein Graph, um charakteristische Kurven von Temperaturen des Halbleiterchips
und der Oberfläche
einer Wärmesenke
in der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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9 ist
ein Graph, um charakteristische Kurven von thermischem Widerstand
und Induktivität hinsichtlich
einem Verhältnis
zwischen Breite und Dicke einer Eingangschiene in der Vorrichtung
zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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10 ist
ein Querschnitt, um die Struktur einer Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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11 ist
ein Querschnitt, um die Struktur einer Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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12 ist
ein Querschnitt, um die Struktur einer Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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13 ist
ein Querschnitt, um die Struktur einer Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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14 ist
ein Querschnitt, um die Struktur eines Chipträgers in einer Vorrichtung zur
Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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15 ist
eine Konstruktionsansicht, die in der Richtung D der 14 gezeigt
wird;
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16 ist
ein Querschnitt der Konstruktion, welche die Sammelschienen mit
der in 14 gezeigten Konstruktion kombiniert;
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17 ist
ein Querschnitt, um die Struktur eines Chipträgerabschnitts in einer Vorrichtung
zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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18 ist
ein Querschnitt entlang des in 17 gezeigten
E-E-Querschnitts;
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19 ist
ein Querschnitt, um die Struktur einer Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß einem
achten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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20 ist
ein Querschnitt, um die Struktur einer Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß einem
neunten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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21 ist
ein Querschnitt entlang des in 20 gezeigten
A-A-Schnitts;
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22 ist
ein Querschnitt entlang des in 20 gezeigten
B-B-Schnitts; und
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23 ist
ein Schaltplan der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie in einem Motorantriebssystem zur Verwendung in einem Automobil,
in dem die Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie gemäß den verschiedenen
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
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Detaillierte Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden
Erfindung vollständig
erläutert
unter Bezugnahme auf die angefügten
Zeichnungen. Jedoch werden ab dem zweiten Ausführungsbeispiel die Strukturen
oder Elemente, die gleich zu denen des ersten Ausführungsbeispiels
sind, in den Figuren sowie deren doppelte Erläuterung weggelassen. Bezugszeichen
oder -marken, die in jedem Ausführungsbeispiel
gleich sind, zeigen das Gleiche oder gleiche Elemente und/oder die
dazu entsprechenden.
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Zuerst
wird eine Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie in einem Motorantriebssystem zur Verwendung in einem Automobil,
in dem jede der Vorrichtungen zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie gemäß den verschiedenen
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, unter Bezugnahme
auf 23 erläutert. 23 ist
ein Schaltplan, um die Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von
elektrischer Energie in einem Motorantriebssystem zur Verwendung
in einem Automobil zu zeigen.
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In
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird ein DC-Strom
(Gleichstrom) von einer Batterie 303 in einen AC-Strom (Wechselstrom)
verändert
oder invertiert durch eine Inverter-Schaltung 306, die
in Spannung und Frequenz variabel ist, um so eine elektrische rotierende AC-Dreiphasen-Maschine 305 zu
steuern. Eine Batteriespannung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird auf ungefähr
42 V festgesetzt, die erhalten wird durch Verbinden von Batterien
in Serie, zum Beispiel in einer Anzahl von drei (3), die jeweils
eine Ausgabe von 14 V haben, und weit verbreitet sind und oft in
einem Auto verwendet werden, unter Berücksichtigung der Tatsache,
dass eine Dauerspannung eines Halbleiterchips 1, der aus
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) konstruiert
ist, bei ungefähr
100 V im Maximum liegt.
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Auf
einer DC-Seite der Inverter-Schaltung 306 ist ein Filter-Kondensator 302 verbunden
zum Entfernen von Welligkeitskomponenten (ripple components) des
DC-Stroms von der Batterie 303. Ebenso ist eine Hauptschaltung
der Inverter-Schaltung 306 aus drei (3) Sätzen von
Schaltungen 301u, 301v und 301w aufgebaut,
wobei jede eine Ausgabe einer Phase des Dreiphasen-AC-Stroms erzeugt
und parallel zu einem DC-Eingang verbunden ist. In der Zeichnung
werden die Suffixe „u", „v" und „w" nach den Referenzzeichen
oder -marken zum Zweck einer Unterscheidung zwischen den drei (3)
Phasen angefügt,
jedoch gibt es Fälle,
in denen die Suffixe „u", „v" und „w" weggelassen werden,
insbesondere, wenn sie in der folgenden Erläuterung allgemein oder repräsentativ
angegeben werden. Eine Schaltung 301 für eine (1) Phase ist aufgebaut
aus einem positiven Halbleiterchip 1p zum Erzeugen einer
Ausgabe einer Plus-Seite hinsichtlich einem elektrischen Referenzpotential
und einem negativen Halbleiterchip 1n zum Erzeugen einer
Ausgabe einer Minus-Seite, die in Serie als ein Satz verbunden sind,
wodurch eingegebener DC-Strom in Impulse mit drei Pegeln verändert wird,
d.h. ein positiver, ein negativer und ein neutraler. In der Zeichnung
werden die Suffixe „p" und „n" nach den Bezugszeichen
oder -marken zum Zweck einer Unterscheidung zwischen dem Positiven
und dem Negativen angefügt,
jedoch gibt es Fälle,
in denen diese Suffixe „p" und „n" weggelassen werden, insbesondere,
wenn sie in der folgenden Erläuterung allgemein
oder repräsentativ
angegeben werden. Mittels der oben erwähnten drei Sätze von
Schaltungen 301u, 301v und 301w wird
ein PWM-modulierter Dreiphasen-AC-Strom, der in Spannung und Frequenz
variabel ist, aus der Inverter-Schaltung 306 ausgegeben.
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Die
elektrische rotierende Maschine 305 wird hier als ein elektrischer
Motor zur Verwendung in einem Automobil verwendet. Wenn diese elektrische rotierende
Maschine 305 als der elektrische Motor betrieben werden
soll, wird der Dreiphasen-AC-Strom mit variabler Spannung und Frequenz an
diese eingegeben, wodurch deren Rotation gesteuert wird, um so daraus
eine Antriebskraft zu erzeugen. Es ist jedoch auch möglich, die
elektrische rotierende Maschine 305 als einen Generator
oder einen Dynamo zu verwenden, und während eines regenerativen Betriebs
fließt,
im Gegensatz zu dem oben erwähnten
Betrieb, dadurch erzeugte Energie in die Batterie 303,
die dadurch geladen wird.
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In
der oben erläuterten
Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
sind Wärme-erzeugende
elektrische Teile hauptsächlich die
Halbleiterchips 1 und es ist erforderlich, die Halbleiterchips 1 vor
einem Anstieg der Temperatur durch Verwendung eine Wärmeabstrahlungsmittels
zu schützen,
so dass die Temperatur nicht eine maximale Wärmetemperatur des Halbleiterchips 1 überschreitet.
Ebenso besitzt ein Wärmewiderstand
eines Inverter-Moduls,
in dem die Halbleiterchips 1 installiert oder angebracht
sind, einen großen
Teil eines Verhältnisses
zu einem Gesamt-Wärmewiderstand. Somit
muss der Wärmewiderstand
des Inverters der Struktur, in dem die Halbleiterchips installiert
sind, gesenkt werden.
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Die
in einem Automobil verwendete Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie wird hauptsächlich betrieben, um elektrische Energie
in kurzen Abständen
zu liefern zum Zweck eines Fliessens von viel Strom in einer kurzen
Zeitdauer, zum Beispiel, wenn die elektrische Energie geliefert
wird, um einen Motor zu unterstützen,
der daraus durch die elektrische rotierende Maschine 305 in
der kurzen Zeitdauer ein Drehmoment erzeugt, und zum Liefern der
elektrischen Energie, um den Motor durch die elektrische rotierende
Maschine 305 anzutreiben, wenn er selbst startet. Aufgrunddessen
erhält
die Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
und insbesondere die Halbleiterchips 1, die daraus Wärme erzeugen, sehr
starke thermische Zyklen. Folglich ist es notwendig, das Inverter-Modul
vor der thermischen Ermüdung
und einem Ausfall aufgrund der Wärmezyklen
zu schützen,
die intermittierend bzw. periodisch über eine lange Zeit auftreten.
Aufgrunddessen ist erforderlich, dass das Modul gegenüber den
thermischen Zyklen in der Struktur widerstandsfähig ist.
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Im
Allgemeinen ist die Dauerspannung des Halbleiterchips 1 ungefähr 100 V,
somit ist sie nur zwei (2) Mal so groß wie die Batteriespannung,
wenn sie auf 42 V gesetzt ist, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
Bei einer derartigen Betriebsbedingung gibt es die Möglichkeit,
wenn die Schaltungsinduktivität
groß ist,
dass die Spannung stark ansteigt, wenn geschaltet wird, und eine
Größe erreicht,
dass die den Halbleiterchip 1 zerstört. Folglich ist notwendig,
dass der Inverter eine niedrige Schaltungsinduktivität in dessen
Struktur aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung ist vorgesehen, derartige oben angeführte Anforderungen
zu erfüllen.
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Im
Folgenden wird ein erstes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert,
unter Bezugnahme auf die angefügten 1 bis 7,
wobei 1 ein Querschnitt ist, um die Struktur einer Vorrichtung
zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen; 2 ein Querschnitt entlang
des in 1 gezeigten A-A-Schnitts ist; 3 ein
Querschnitt entlang des in 1 gezeigten B-B-Schnitts
ist; 4 ein Querschnitt ist, der orthogonal zu einer
Schichtungsrichtung eines in 2 gezeigten
Chipträgers 11 ist; 5 ein
Querschnitt entlang des in 4 gezeigten
C-C-Schnitts ist; 6 eine perspektivische Ansicht
der Hauptschaltungsverdrahtungen und der Chipträger aus dem ersten Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und 7 eine Ansicht der Konstruktion der
Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
und deren peripherer Einrichtungen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist.
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Zuerst
wird die Struktur des Chipträgers 11 unter
Bezugnahme auf die 4 und 5 erläutert. Der
Chipträger 11 ist
aufgebaut aus dem Halbleiterchip 1 und Metallelementen 3s und 3d,
die eine niedrige thermische Ausdehnung haben, wobei sie über Verbindungselemente
(zum Beispiel Lötmetall,
usw.) 2s und 2d auf den Oberflächen beider Seiten verbunden
sind. In der 4 ist die obere Fläche des
Halbleiterchips 1 eine Elektrodenoberfläche auf einer Source-Seite,
während
die untere Fläche
eine Elektrodenoberfläche
auf einer Drain-Seite ist. In der Zeichnung wird ein Suffix „s" an ein Element angefügt, das
sich auf der Quellen(source)seite befindet, während „d" an ein Element angefügt wird,
das sich auf der Drain-Seite befindet, wobei es jedoch Fälle gibt,
in denen sie weggelassen werden, insbesondere, wenn sie in der folgenden
Erläuterung
allgemein oder repräsentativ
dargestellt werden. Im Folgenden bedeutet niedrig-thermisches Ausdehnungsmetall ein
Metall, das einen geringen Koeffizienten einer linearen thermischen
Ausdehnung hat, der gleich oder ähnlich
zu dem von Silizium ist (ungefähr 3),
das als ein Material des Halbleiterchips 1 verwendet wird, zum
Beispiel kann Molybdän
mit dem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizient von ungefähr 5 oder
eine Legierung von Kupferoxid mit dem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizient
von ungefähr 10
oder Ähnliches
verwendet werden.
-
Hinsichtlich
der Elektrodenoberfläche
auf der Quellenseite des Halbleiterchips 1, da eine Vielzahl von
Steuerelektroden und Sensorelektroden aus dieser Elektrodenoberfläche abgenommen
werden müssen,
anders als der Hauptschaltungsstrom, usw., wird das Gebiet der Fläche der
Quellen-Elektrode, das mit der Verdrahtung in Kontakt steht, kleiner
als die Vorderseite dieses Teils. Ferner ist ein Steuerungsanschluss 4 mit
einer Steuerelektrode des Halbleiterchips 1 über ein
Verbindungselement 2g aus zum Beispiel Lötmetall,
usw., elektrisch verbunden, um ein Signal der Steuerelektrode weiterzuleiten.
-
Im
Gegensatz dazu ist, da der Hauptschaltungsstrom durch die Elektrodenoberfläche auf
der Drain-Seite des Halbleiterchips 1 über die gesamte Fläche fließt, die
gesamte Fläche
mit dem niedrigthermischen Ausdehnungsmetallelement 3d durch das
Verbindungselement 2d (zum Beispiel aus Lötmetall,
Silbermasse, usw.) verbunden.
-
Zum
Zweck einer Diffusion von Wärme,
die von dem Halbleiterchip 1 erzeugt wird, in eine Richtung
einer Ebene, ist vorzugsweise das niedrig-thermische Ausdehnungsmetallelement 3 in
derartigen Größen ausgebildet,
dass es eine Fläche
hat, die größer als
die Projektionsfläche
des Halbleiterchips 1 darauf ist. Ebenso wird dessen Dicke
vorzugsweise auf ungefähr
1 mm bis ungefähr
2 mm gesetzt unter Berücksichtigung,
dass die thermische Widerstandskomponente in der vertikalen Richtung
zu groß wird im
Vergleich zu dem Effekt, der als eine thermische Diffusionsplatte
erhalten wird, wenn sie zu dick ist, und dass das niedrig-thermische
Ausdehnungsmetallelement 3 im Allgemeinen aus einem teuren
Material gemacht wird.
-
Im
Folgenden wird die Struktur des Inverter-Moduls, einschließlich der
Chipträger 11 und
des Layouts der Sammelschienen, die eine Eingangs/Ausgangsschaltungsplatte
bilden, unter Bezugnahme auf die 3, 6 und 7 erläutert.
-
Zuerst
werden zwei Eingangsschienen 14p und 14n parallel
angeordnet, die sich zueinander in Längsrichtung erstrecken. In
der Zeichnung werden die Suffixe „p" und „n" nach den Referenzzeichen oder -marken
angefügt
zum Zweck einer Unterscheidung zwischen Positiv und Negativ, wobei
es jedoch Fälle
gibt, in denen die Suffixe „p" und „n" weggelassen werden,
insbesondere, wenn sie in der folgenden Erläuterung allgemein oder repräsentativ
dargestellt werden. Die Eingangsschienen 14 bestehen aus
einem Material wie Kupfer oder Aluminium.
-
Eine
Seitenfläche
der positiven Eingangsschiene 14p, die keinen Kontakt zu
dem Chipträger 11 hat,
ist in einem Gehäuse 20 auf
dessen unterer Fläche
angebracht, die als eine kühlende
Fläche dient, über die
das Gehäuse
auf der metallischen Wärmesenke 103 angebracht
ist (siehe 7), die eine Kühleinrichtung
darstellt. Das Gehäuse 20 wird durch
Giessen von Harz, usw., hergestellt und ist mit der positiven Eingangsschiene 14p und
der negativen Eingangsschiene 14n als ein Körper geformt;
somit sind diese fest auf der Basis 20. Aufgrund des Kontakts
mit der metallischen Wärmesenke 103 werden
kühlende
Seitenflächen
der positiven Eingangsschiene 14p und der negativen Eingangsschiene 14n zum
Zweck der Sicherstellung einer elektrischen Isolation mit einer
Isolatorschicht 15 darauf gebildet, die zum Beispiel aus
Harz, das hauptsächlich
aus Epoxid, usw., besteht, oder keramischem Pulver besteht. Die
positive Eingangsschiene 14p und die negative Eingangsschiene 14n sind
mit dem Gehäuse 20 als ein
Körper
ausgebildet, jedoch wird bei der Konstruktion des Gehäuses 20 nicht
nur die Kühlfläche freigelassen, über die
es über
die Isolatorschicht 15 mit der Kühlung 103 verbunden
ist, sondern auch eine obere Fläche
zum Kontakt mit dem Chipträger 11.
Jedoch ist die Wärmesenke 103 mit
Kontakt auf der kühlenden
Seitenflächen
der positiven Eingangsschiene 14p und der negativen Eingangsschiene 14n unter Verwendung
einer in dem Modulgehäuse 20 offenen Befestigungsbohrung 25 und
einem Bolzen befestigt, der in der Zeichnung nicht gezeigt wird.
In diesem Beispiel wird zum Zweck einer Reduzierung des thermischen
Kontaktwiderstands zwischen ihnen ein thermisch leitfähiges Fett 102 in
eine Öffnung
oder Apertur eingeführt,
die zwischen der Isolatorschicht 15 auf den kühlenden
Seitenflächen
der positiven Eingangsschiene 14p und der negativen Eingangsschiene 14n und
der Wärmesenke 103 definiert
wird.
-
Auf
der positiven Eingangsschiene 14p sind drei (3) Chipträger 11 angeordnet,
wobei sie jeweils die Drain-Seite mit der positiven Eingangsschiene 14p kontaktieren,
um so mit dieser elektrisch verbunden zu sein, und sie sind in der
Längsrichtung
ausgerichtet. Auf der negativen Eingangsschiene 14n sind drei
(3) Chipträger 11 auf
dieselbe Weise angeordnet, wobei jeder jedoch die Quellenseite mit
der negativen Eingangsschiene 14n kontaktiert, um so mit dieser
elektrisch verbunden zu sein, und sie sind in der Längsrichtung
ausgerichtet.
-
Ferner
sind über
einem der Chipträger 11 auf der
positiven Eingangsschiene 14p und einem der Chipträger 11 auf
der negativen Eingangsschiene 14n die Ausgangsschienen 18 auf
deren oberen Flächen
angeordnet, während
sie elektrisch verbunden sind. Die Ausgangsschienen 18 sind
derart angeordnet, dass sie die Eingangsschienen 14 in
ungefähr rechten
Winkeln in Bezug auf deren Längsrichtung überkreuzen.
Derartige Kombinationen der Chipträger 11 gibt es insgesamt
drei (3) an der Zahl und die Ausgangsschienen 18 sind paarweise
auf jedem der Chipträger 11 angeordnet.
-
Auf
der laminierten Schichtstruktur der Chipträger 11, Eingangsschienen 14 und
Ausgangsschienen 18, wie oben erwähnt, ist weiter ein Unterdrückungskörper 24 auf
die obere Fläche
der Ausgangsschienen 18 geschichtet, wie in 2 gezeigt.
In der geschichteten Struktur weist der Unterdrückungskörper bzw. Druckkörper 24 eine
Bohrung in seiner Mitte auf und in diese Bohrung ist ein Verbindungsmittel 21 (zum
Beispiel eine Schraube, usw.) eingefügt, das hindurch geht, wodurch
das Verbindungsmittel 21 mit dem Mutternteil 22 verbunden
wird, das in dem Gehäuse 20 vorgesehen
ist, das mit den Eingangsschienen 14 einen Körper bildet.
Dadurch werden die Chipträger 11 mittels
der Eingangsschienen 14 und der Aus gangsschienen 18,
mit denen sie verbunden werden sollen, gedrückt bzw. gepresst, wodurch
die elektrische und thermische Verbindung zwischen ihnen mit Sicherheit
erlangt wird. Zwischen den Eingangsschienen 14 und dem
Druckkörper 24 sind
jedoch eine Isolatorschicht 19 und ein elastischer Körper 23,
wie eine Tellerfeder, usw., eingefügt, um den Druck vor einer
abrupten Verringerung aufgrund einer Lockerung der Schraube, usw.,
zu schützen.
-
Die
Eingangsschienen 14p und 14n sind, wie aus der 1 offensichtlich
ist, mit einem positiven Eingangsanschluss 12p und einem
negativen Eingangsanschluss 12n verbunden, die mit dem
Gehäuse 20 als
ein Körper
ausgebildet sind, über
Verdrahtungselemente 13p und 13n zur Verwendung
bei der Verbindung. Hier befinden sich zum Zweck einer Reduzierung
der Induktivität
die positiven und die negativen Eingangsanschlüsse 12p und 12n nahe
zusammen, soweit die Isolierung an beiden Verdrahtungsflächen sichergestellt
werden kann, d.h. in einer Form der geschichteten Struktur. Es ist
jedoch möglich,
abhängig
von der Form der Eingangsschienen 14, die Verdrahtungselemente 13 zu
eliminieren, die dadurch mit den Eingangsanschlüssen 12 in einem Körper konstruiert
werden. Die Ausgangsschienen 18u, 18v und 18w sind
mit den Ausgangsanschlüssen 16u, 16v und 16w,
die ebenso mit dem Gehäuse 20 in
einem Körper
ausgebildet sind, über
Verdrahtungselemente 17u, 17v und 17w verbunden.
-
Die
Steuerungsanschlüsse 4,
die von jedem Chipträger 11 ausgehen
sollen, sind mit Steuerungsverdrahtungskörpern 26 verbunden,
die an dem Gehäuse 20 angebracht
sind, und weiter über
Steuerungsanschlussstifte (pins) 27, die auf diesen Verdrahtungskörpern 26 ausgebildet
sind, wobei Steuersignale über
die obere Fläche
der Module weitergeleitet werden. Über der oberen Fläche der
Module ist in deren Nähe
ein Steuerungssubstrat 104 angebracht (siehe 7)
und die Steuerungspins 27 sind damit verbunden.
-
Im
Folgenden werden Funktionen und Effekte erläutert, die mit der Struktur
des oben angeführten Ausführungsbeispiels
erzielt werden.
-
Zuerst
werden die Funktionen und die Effekte erläutert, gesehen von deren Schaltungsinduktivität.
-
Die
Inverter-Schaltung, die auf das vorliegende Ausführungsbeispiel zum Weiterleiten
einer Dreiphasen-AC-Ausgabe von der DC-Energiequelle mit den positiven und
negativen Polungen angewendet wird, ist in seiner Struktur sehr
einfach. Die Polaritäten
der Chipträger 11,
die auf den positiven und negativen Eingangschienen 14p und 14 angebracht sind,
werden unterschiedlich zueinander gemacht und mit ihnen werden die
AC-Ausgangsschienen 18 elektrisch verbunden, wodurch die
Inverter-Schaltung für
eine Phase erstellt wird. Ferner ist es durch Anordnen der Ausgangsschienen 18 derart,
dass deren Längsrichtung
die Längsrichtung
der Eingangsschienen, d.h. die Richtung, in der die Chipträger 11 darauf
ausgerichtet sind, ungefähr
mit rechtem Winkel überkreuzt,
möglich,
die Ausgangsschienen 18 für diese drei Phasen in der
kompaktesten Form anzuordnen. Natürlich kann diese Konfiguration
nicht nur zur Verkleinerung des Inverter-Moduls beitragen, sondern
ermöglicht
auch eine niedrige Induktivität der
gesamten Schaltung, da überhaupt
keine derartige Stromkomponente an anderen als den Teilen des Chipträgers 11 auftritt,
der die Eingangsverdrahtung mit rechtem Winkel überkreuzt, sondern tritt notwendigerweise
auf, wenn alle Chipträger 11 in
derselben Polarität
installiert sind, somit gibt es keine Notwendigkeit, die Dauerspannung
für die
Elemente um mehr als einen Wert zu erhöhen, der von dem Standpunkt
der Schaltung erforderlich ist. Ebenso muss der Widerstand des Halbleiterelements
nicht größer sein
als dessen erforderlicher Wert und dies ermöglicht eine Verbesserung der
Effizienz einer Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
als die grundlegende Leistung der Inverter-Schaltung.
-
Im
Folgenden werden die Funktionen und die Effekte von einem Standpunkt
einer Zuverlässigkeit der
Modulstruktur aus erläutert.
-
In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden
die Chipträger 11 erhalten
durch Verbinden der Halbleiterchips 1 mit dem niedrigthermischen Ausdehnungsmetallelement 3,
das dessen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizient hat. Dadurch ist
es möglich,
den Lötverbindungsteil
vor der thermischen Ermüdung
und Zerstörung
aufgrund der thermischen Zyklen zu schützen.
-
Als
Material zur Herstellung der Ausgangsschienen 18 wird im
Allgemeinen ein Metallmaterial verwendet, das einen hohen linearen
thermischen Ausdehnungskoeffizient hat (ungefähr 20) im Vergleich
zu dem des Halbleiterchips 1 und des niedrig-thermischen
Ausdehnungsmetallelements 3, wie Kupfer oder Aluminium,
und in diesem Fall ist es möglich,
da die Ausgangsschienen 18 unter Druck mit der Oberfläche des
niedrig-thermischen Ausdehnungsmetallelements 3 der Chipträger 11 in
Kontakt stehen, die Verbindungsabschnitte vor der Ermüdung und
Zerstörung
zu schützen,
die aufgrund einer Inkonsistenz in dem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizient
zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem niedrig-thermischen
Ausdehnungsmetallelement und den Ausgangsschienen 18 verursacht
wird. In einer derartigen unter Druck stehenden Kontakt-Struktur
ist es vorzuziehen, eine Reduzierung insbesondere des thermischen
Kontaktwiderstands zu erzielen durch Behandeln einer Lötschicht
mit einem weichen Metall, wie Silber, oder durch Einfügen einer
weichen Metallfolie auf die Kontaktflächen. Ein Herstellen einer
derartigen teilweisen Verbindungs- und/oder teilweisen unter Druck
stehenden Kontakt-Struktur, wie oben erwähnt, unter Verwendung der Schienen 18,
welche die elektrischen Verdrahtungen bilden, als die Druckelemente,
erzielt die Struktur zum Erreichen sowohl der niedrigen Induktivität als auch
deren thermische Beständigkeit.
-
Ferner
ist es bei der Luftdichte des Inverter-Moduls, da es die Verbindungsstruktur
annimmt, in der das niedrig-thermische Ausdehnungsmetallelement 3 mit
den Elektrodenoberflächen
des Halbleiterchips 1 verbunden sind, die im Wesentlichen
in kontaminierten Umgebungen am empfindlichsten sind, weswegen sie
abgedeckt werden müssen, möglich, die
Elektrodenteile des Halbleiterchips 1 vor einer Verschlechterung über die
Zeit zu schützen. Dadurch
kann, da es keine Notwendigkeit gibt, die vollständig abdichtende Struktur derart
anzuwenden, die in der unter Druck stehenden Kontakt-Struktur gemäß der herkömmlichen
Technik erforderlich ist, das Inverter-Modul in seiner Struktur einfacher sein
und als ein Ergebnis wird ermöglicht,
die Kosten zu senken. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel führt ein
Injizieren in das Inverter-Modul von Abdichtungsmaterial, wie Gel
oder Harz, das oft in dem gewöhnlichen
Inverter-Modul mit
einer derartigen Verbindungsstruktur verwendet wird, und/oder Anwenden eines
Füllmaterials
auf der freiliegenden Fläche
der Chipträger 11,
außer
auf den Lötverbindungsteilen, dazu,
dass die Struktur vollständig
Explosions-geschützt
oder -frei ist.
-
Als
nächstes
werden die Funktionen und Effekte vom Standpunkt einer Kühlcharakteristik
in der Struktur des Inverter-Moduls erläutert. Die vorliegende Aufbaustruktur
ist eine Einseiten-Kühl-Struktur, welche
die Kühlfläche nur
auf einer Seite hat, jedoch führen
das niedrig-thermische Ausdehnungsmetallelement 3 und die
Ausgangsschienen 18 die Funktion einer thermischen Speicherung
durch, wenn eine Leitungszeit kurz ist, deswegen gibt es ein Merkmal, dass
der thermische Übergangswiderstand
im Vergleich zu der normalen einseitigen Kühlstruktur gering gehalten
werden kann. In 8 werden als ein Beispiel zur
detaillierteren Darstellung des Merkmals berechnete Ergebnisse der Übergangszunahmen der
Temperaturen gezeigt, d.h. die Temperatur Tj des Halbleiterchips
und die Temperatur Tf der Wärmesenke
in einem Fall, in dem Kupferschienen jeweils mit einer Dicke von
2 mm und einer Breite von 15 mm als die Ausgangsschienen 18 verwendet
werden, die durch eine Chip-Temperatur
unter einer normalen Bedingung normalisiert werden. Gemäß der vorliegenden
Berechnung kann im Gegensatz zu einem Fall, in dem die Ausgabeschienen 18 nicht
auf der oberen Fläche
der nicht kühlenden
Fläche
vorgesehen sind, gesehen werden, dass die Übergangszunahmen der Temperaturen
des Halbleiterchips 1 und der Kühleinrichtung 103 während einer
Zeitdauer von zehn (10) Sekunden von dem Beginn einer Wärmeerzeugung
an Werte zeigen, die um etwa 20% geringer sind. Das Merkmal funktioniert
somit effektiv, insbesondere, wenn es auf die Steuerung für zum Beispiel eine
Automobilvorrichtung oder einen Motor zur Verwendung in einem Automobil
angewendet wird, der hauptsächlich
verwendet wird als Rate für
eine kurze Zeit. Ebenso werden in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
deswegen zwei Eingangsschienen 14p und 14n als
die Kühlfläche verwendet,
weil es möglich
ist, sicherzustellen, dass deren Breite größer ist als die Breite der
Schienen, die erreichbar ist, wenn die drei (3) Ausgangsschienen 18 völlig fest
sind in der Richtung der Breite als die Kühlfläche, und als Ergebnis kann
der thermische Widerstand viel weiter reduziert werden.
-
Auch
liegt gemäß der vorliegenden
Aufbaustruktur dort der thermische Kontaktwiderstand zwischen den
Chipträgern 11 und
den Eingangsschienen 14, jedoch kann dieser thermische
Kontaktwiderstand reduziert werden auf eine Größe, die der Lötschicht
mit einer Dicke von etwa 0.1 mm entspricht, unter einem Druck innerhalb
einer Grenze eines Drucks auf den Halbleiter 1.
-
Wie
oben erwähnt
müssen
die Eingangsschienen 14, da sie einen großen Einfluss
auf die Kühlleistung
haben sowie einen großen
Einfluss auf die Schaltungsinduktivität, mit einer Optimierung ihrer
Größe gestaltet
werden. In 9 werden Ergebnisse der thermischen
Widerstände
und Induktivitäten
gezeigt, die berechnet werden durch Setzen des Verhältnisses
zwischen der Breite der Eingangsschiene und der Dicke als Parameter,
wenn die Breite der Eingangsschiene mit einem konstanten Wert gesetzt
wird. Auf der vertikalen Achse dieses Graphen werden relative Werte
angezeigt, die durch eine Normalisierung der jeweiligen Werte durch
zulässige
Gestaltungswerte erlangt werden. Demgemäß ist, je geringer die Dicke
der Eingangsschiene ist, desto geringer die Induktivität, jedoch
zeigt der thermische Widerstand eine Tendenz zur Zunahme, wodurch
die Funktion als die Wärme-
oder thermisch abstrahlende Platte reduziert wird. Im Gegensatz
dazu ist, je größer die
Dicke der Eingangsschiene, desto höher die Induktivität. Unter
Berücksichtigung
dieser Tendenzen ist zu sehen, dass ein geeigneter Bereich in dem
Verhältnis
der Schiene vorzugsweise in dem Bereich von etwa 5 bis etwa 20 im
Verhältnis
zwischen der Breite und der Dicke der Eingangsschiene liegt.
-
Obwohl
in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Fall erläutert
wird, in dem MOSFET angewendet wird, können selbstverständlich dieselben Effekte,
wie oben gezeigt, erreicht werden, wenn andere Schaltelemente angewendet
werden, einschließlich
IGBT, usw. Ferner ist möglich,
wenn die Halbleiterschaltelemente angewendet werden, die aus dem
Material SiC hergestellt sind, da dieses eine Hochtemperatur-Struktur
erzielen kann aufgrund eines hervorragenden Merkmals von SiC, das
einen Hochtemperaturbetrieb ermöglicht,
die Verkleinerung des Halbleiterchips 1 und ferner der
Kühleinrichtung 103 zu
erzielen.
-
Im
Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 10 erläutert. 10 ist
ein Querschnitt, um die Struktur der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
-
Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird der elastische Körper 23,
wie eine Tellerfeder, usw., zwischen dem Bolzen 21 und
der Ausgangsschiene 18 eingefügt. Dadurch ist es möglich, da
im Allgemeinen die Ausgangsschiene 18 auch selbst als der
Unterdrückungskörper wirkt,
statt des Unterdrückungskörpers 24,
der in dem ersten Ausführungsbeispiel
erforderlich ist, zu erreichen, dass die unter Druck stehende Kontakt-Struktur
in ihrer Struktur vereinfacht wird.
-
Im
Folgenden wird ein drittes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 11 erläutert. 11 ist
ein Querschnitt, um die Struktur der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
-
Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird der elastische Körper 23 in
dem zweiten Ausführungsbeispiel
eliminiert und die Ausgangsschiene 18 dient selbst sowohl
als der elastische Körper
als auch der Unterdrückungskörper und
genauso als die Ausgangsschiene 18, allgemein in dessen Konstruktion,
wodurch erreicht wird, dass die unter Druck stehende Kontakt-Struktur
sehr viel stärker vereinfacht
wird. In diesem Fall ist es vorzuziehen, da die Flexibilität der Ausgangsschienen 18 benutzt wird,
eine flache-Oberflächen-Bearbeitung an beiden Kontaktflächen des
Chipträgers 11 und
der Ausgangsschiene 18 durchzuführen unter Berücksichtigung
der Änderung
der Parallelität
zwischen den zwei (2) ebenen Flächen
aufgrund der Flexibilität. Aus
demselben Grund ist es für
die elektrische Verbindung zwischen der Ausgangsschiene 18 und
der Ausgangsschiene 16 ebenfalls vorzuziehen, einen Verbindungsdraht 17 mit
einer weichen oder flexiblen Struktur zu verwenden, wie zum Beispiel
ein Aluminiumdraht oder eine Kupferfolie.
-
Im
Folgenden wird ein viertes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 12 erläutert. 12 ist
ein Querschnitt, um die Struktur der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
-
Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
werden in der Konstruktion des ersten Ausführungsbeispiels die Chipträger 11 unter
Verwendung einer Gehäuseabdeckung 28 unter
Druck gesetzt und das Gehäuse 20 und
die Gehäuseabdeckung 28 sind
mittels des Verbindungsmittels 21 (wie ein Bolzen, usw.)
miteinander verbunden. In der vorliegenden Struktur ist es im Allgemeinen
möglich,
da das Verbindungsmittel, das für
den Druck erforderlich ist, mit einem Abdichtungsmittel kombiniert
werden kann, um zu verhindern, dass das Inverter-Modul im Inneren
kontaminiert wird, das Inverter-Modul zu realisieren, das bei der
Charakteristik eines feindlichen Umfelds noch besser geeignet ist.
Ebenso werden die drei (3) Ausgangsschienen 18 durch nur
eine (1) Gehäuseabdeckung 28 unter
Druck gesetzt, dadurch ist möglich,
den Druckmechanismus zu vereinfachen.
-
Im
Folgenden wird ein fünftes
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 13 erläutert. 13 ist
ein Querschnitt, um die Struktur der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
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Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
sind die Unterdrückungskörper bzw.
Druckkörper 24 zum
unter Druck setzen der Ausgangsschienen 18 in einem Körper integriert
und sie bestehen weiter aus dem Material eines Metalls. Dadurch
wird der Druckkörper 24 zu
einer Metallplatte, welche die sechs (6) Chipträger 11 als Ganzes
abdeckt, um so als ein Schild gegen eine elektromagnetische Welle zu
wirken, die erzeugt wird, wenn der Halbleiterchip 1 umgeschaltet
wird, somit kann sie die Rolle annehmen, zu verhindern, dass das
Steuersubstrat 104 (siehe 7), usw.,
das sich in der Nähe
des Inverter-Moduls befindet, schlecht arbeitet bzw. versagt.
-
Im
Folgenden wird ein sechstes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 14 bis 16 erläutert. 14 ist
ein Querschnitt, um die Struktur des Chipträgers in der Vorrichtung zur
Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie gemäß dem sechsten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen. 15 ist
eine Konstruktionsansicht, die in der Richtung D der 14 gezeigt
wird. 16 ist ein Querschnitt der Konstruktion,
welche die Sammelschienen mit der in 14 gezeigten
Konstruktion kombiniert.
-
Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
ist ein Positionierungsmechanismus zum Zweck einer Durchführung der
Positionierung der Chipträger 11 mit
hoher Genauigkeit vorgesehen, wenn das Inverter-Modul hergestellt
wird. Auf der Kontaktfläche des
Chipträgers 11 werden
zumindest zwei (2) oder mehrere Projektions- bzw. Vorsprungsteile
vorgesehen, während
dazu entsprechende Eingriff steile (zum Beispiel Öffnungen, usw.) an den Seiten
der Schienen 14 und 18 vorgesehen werden. Dadurch
ist es bei der Herstellung möglich,
die Chipträger 11 auf
der Eingangsschiene 14 mit hoher Genauigkeit anzuordnen
und weiter die Ausgangsschienen 18 auf den Chipträgern 11 zu
kombinieren. Der Positionierungsmechanismus ist vorzugsweise unterschiedlich
in Größen und/oder
Positionen auf beiden Flächen
des Chipträgers 11.
Genauer, um eine Befestigung des Chipträgers 11 unmöglich zu
machen, auch wenn versehentlich versucht wird, ihn in der Polarität umzudrehen,
oder den Fehler leicht zu erfassen, ist es wünschenswert, den Abstand zwischen
zwei (2) Projektionen oder deren Größe auf beiden Oberflächen unterschiedlich
zu gestalten.
-
Im
Folgenden wird ein siebtes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 17 und 18 erläutert. 17 ist
ein Querschnitt, um die Struktur eines Chipträgerabschnitts in der Vorrichtung
zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung zu zeigen. 18 ist
ein Querschnitt entlang des in 17 gezeigten E-E-Querschnitts.
-
Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird eine Druckführung 7 zwischen
die Chipträger 11 und
die Ausgangsschienen 18 eingefügt, um die Druckkraft, die
auf die Halbleiterchips 1 ausgeübt wird, im Vergleich zu der
Druckkraft zu minimieren, die auf die Kontaktfläche zwischen den Chipträgern 11 und
den Eingangsschienen 18 erzeugt wird. Dadurch können, da
die Druckkraft auf die Chipträger 11 und
die Ausgangsschienen 18 größer gemacht werden kann als
die Druckgrenze des Halbleiterchips 1, der thermische Kontaktwiderstand
und der elektrische Kontaktwiderstand reduziert werden.
-
Im
Folgenden wird ein achtes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 19 erläutert. 19 ist
ein Querschnitt, um die Struktur der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß dem achten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
-
Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird, statt die Isolatorschicht auf der Kühlfläche der Eingangsschienen 14 vorzusehen,
ein Isolatorsitz 105 abnehmbar zwischen den Eingangsschienen 14 und
der Wärmesenke 103 eingefügt. Dadurch kann
eine dielektrische Stärke
der Isolierung einfach durch Ändern
der Dauerspannung der Elemente verändert werden, wodurch eine
Inverter-Modulstruktur erlangt wird, die bei den Elementmodulen
gängig
ist, mit unterschiedlichen Dauerspannungen als MOSFET.
-
Im
Folgenden wird ein neuntes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 20 bis 22 erläutert. 20 ist
ein Querschnitt, um die Struktur der Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu zeigen. 21 ist
ein Querschnitt entlang des in 20 gezeigten
A-A-Schnitts. 22 ist
ein Querschnitt entlang des in 20 gezeigten
B-B-Schnitts.
-
Gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird im Gegensatz zu 1 die Reihenfolge der Schichtung
der Ausgangsschienen 18 und der Eingangsschienen 14 umgekehrt.
Genauer, die Ausgangsschiene 18 weist die kühlende Fläche auf.
In diesem Fall wird, obwohl die Kühlleistung im Vergleich zu
dem ersten Ausführungsbeispiel
sinkt, da die Eingangsschienen 14, die einen großen Einfluss auf
die Induktivität
haben, nicht soviel zur Kühlleitung beitragen,
die Struktur vorgesehen, die in einem Fall geeignet ist, in dem
die Induktivität
noch geringer sein muss.
-
In
den oben erwähnten
Ausführungsbeispielen
ist, obwohl nur ein Beispiel gezeigt wurde, in dem ein (1) Teil
von MOSFET in dem Chipträger 11 installiert
ist, es selbstverständlich
möglich,
eine Vielzahl von Halbleiterschaltelementen in dem einen (1) Chipträger 11 zu
installieren oder eine Umschaltschaltung durch parallele Verbindung
einer Vielzahl von Chipträgern 11 zu
bilden. Ferner ist es ebenfalls möglich, das niedrig-thermische
Ausdehnungsmetallelement wegzulassen, das in dem Chipträger verwendet
wird, durch Durchführen
eines Prozesses zum Schutz der Elektrodenoberfläche des Halbleiterschaltelements vor
einer Verschlechterung aufgrund des Vergehens von Zeit oder eine
Metallfolie mit einer ähnlichen Funktion
einzufügen
statt dem niedrig-thermischen Ausdehnungsmetallelement, nachdem
es entfernt wurde.
-
In
den oben erläuterten
Ausführungsbeispielen
sind die Halbleiterchips 1 zwischen der positiven Eingangsschiene 14p und
der negativen Eingangsschiene 14n und der Ausgangsschienen 18 an
deren Kreuzungspunkten angeordnet und sind elektrisch und thermisch
verbunden mit der positiven Eingangsschiene 14p in einer
Polungsrichtung, die dazu konsistent ist, und mit der negativen
Eingangsschiene 14n in einer Polungsrichtung, die dazu
konsistent ist, und weiter mit den gemeinsamen Ausgangsschienen 18 in
Polungsrichtungen, die von Seite zu Seite verschieden sind, somit
können
die benachbarten Halbleiterchips, die benachbarten Eingangsschienen 14 und
die benachbarten Ausgangsschienen 18 jeweils zueinander
in der Nähe
angeordnet werden, um das Ganze sehr kompakt zu gestalten. Dadurch
ist es möglich,
eine gute Installierbarkeit der Vor richtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie zu erzielen, sowie eine Reduzierung der
Schaltungsinduktivität
und des Verdrahtungswiderstands zu erlangen. Aufgrund dieser Reduzierung
der Schaltungsinduktivität
ist es möglich,
das sprunghafte Ansteigen der Spannung zu unterdrücken, wenn
das Halbleiterschaltelement umgeschaltet wird, um so einen Schaden
zu verhindern, und folglich ist es möglich, die Vorrichtung zur
Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie mit einer hohen
Zuverlässigkeit
vorzusehen, die ebenso eine hohe Effizienz bei der Umwandlung von
elektrischer Energie aufweist aufgrund der Verringerung des Verdrahtungswiderstands.
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Die
positive Eingangsschiene 14p und die negative Eingangsschiene 14n sind
mit einem positiven Eingangsanschluss 12p und einem negativen Eingangsanschluss 12n verbunden,
die auf eine geschichtete Weise gebildet werden, jeweils von derselben
Seite in der Längsrichtung,
während
die Ausgangsschienen 18 jeweils mit Ausgangsanschlüssen 16 verbunden
sind von einer Seite, die dazu gleich ist, aber verschieden zu der
der positiven und negativen Eingangsanschlüsse 12p und 12n,
in deren Längsrichtung,
deswegen ist es möglich,
einen Schichtungsbereich des positiven Eingangsanschlusses 12p und
des negativen Eingangsanschlusses 12n zu vergrößern durch
Verwendung von Räumen
zwischen der positiven Eingangsschiene 14p und der negativen
Eingangsschiene 14n, die parallel angeordnet sind, ohne
Einschränkung
aufgrund der Ausgangsanschlüsse 16.
Dadurch ist es möglich, eine
weitere Reduzierung der Schaltungsinduktivität zu erzielen.
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Ein
Halbleiterchipträger 11 ist
aufgebaut aus dem Halbleiterchip 1 mit einem Halbleiterschaltelement
und Metallelementen 3, die mit einer positiven und einer
negativen Elektrodenoberfläche
auf beiden Seiten des Halbleiterchips 1 verbunden sind,
und wobei die Halblei terchips 1 zwischen der positiven
Eingangsschiene 14p und der negativen Eingangsschiene 14n und
den Ausgangsschienen 18 an deren Kreuzungspunkten angeordnet
sind und elektrisch und thermisch verbunden sind mit der positiven
Eingangsschiene 14p in einer Polungsrichtung, die dazu konsistent
ist, und mit der negativen Eingangsschiene 14n in einer
Polungsrichtung, die dazu konsistent ist, und weiter mit den gemeinsamen
Ausgangsschienen 18 in Polungsrichtungen, die von Seite
zu Seite verschieden sind, wodurch die thermische und elektrische
Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 1 und den Eingangs-
und Ausgangsschienen 14 und 18 auf beiden Seiten über die
Metallelemente 3 erreicht wird mit einer hohen Effizienz
und mit Gewissheit, während
der Gesamtkörper
kompakt gehalten wird und die Schaltungsinduktivität gering
ist und der Widerstand gering ist, wodurch eine Gewissheit und Zuverlässigkeit
bei dem Betrieb der Halbleiterschaltungselemente sichergestellt
wird und ein Schutz der Elektrodenoberflächen des Halbleiterchips 1,
die sehr empfindlich sind gegenüber
einer Verschmutzung über
den Lauf der Zeit, durch deren Versiegelung durch das Metallelement 3 ermöglicht wird.
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Das
Metallelement 3 wird gebildet aus einem niedrig-thermischen
Ausdehnungsmetallmaterial mit einem niedrigen linearen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, der nahe dem des Halbleiterchips 1 liegt,
und ist mit dem Halbleiterchip 1 über eine Lötung 2 zur Verwendung
bei einer Verbindung verbunden, wodurch der Halbleiterchipträger 11 gebildet wird,
deswegen ist der Unterschied zwischen dem Halbleiterchip 1 und
dem Metallelement 3 gering hinsichtlich einer Änderung
deren thermischen Ausdehnung, wodurch eine thermische Ermüdung verringert wird,
die auf eine Lötung 2 zur
Verwendung bei einer Verbindung wirkt. Dadurch ist es möglich, den
Halbleiterchipträger 11 vor
einem Schaden bzw. einer Zerstörung
aufgrund seiner thermischen Ermüdung
zu schützen.
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Ferner
hat das Metallelement 3 einen Bereich, der größer ist
als der eines Projektionsbereichs des Halbleiterchips, und seine
Dicke ist gering, etwa 1 mm bis 2 mm, deswegen ist es möglich, eine
von dem Halbleiterchip 1 erzeugte Wärme in der Fläche weit
zu verteilen und die verwendete Menge des niedrig-thermischen Ausdehnungsmetallmaterials 3 gering
zu halten, das im Allgemeinen teuer ist.
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Weiter
wird ein Unterdrückungsmechanismus
vorgesehen zum Nieder-Drücken
der Eingangsschienen 14 und der Ausgangsschienen 18 auf
die Halbleiterchipträger 11,
deswegen ist es möglich,
die Eingangsschienen 14 und die Ausgangsschienen 18 auf
den Halbleiterchipträgern 11 elektrisch
und thermisch ohne ein verbindendes Lötmetall, usw., zu verbinden
sowie Probleme aufgrund der thermischen Ermüdung des Verbindungslötmetalls
zu lösen,
wodurch eine einfache und günstige
Herstellung der Vorrichtung möglich
ist.
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Weiter
sind die Eingangsschienen 14 und die Ausgangsschienen 18 mit
dem Gehäuse 20 in
einem Körper
ausgebildet, wenn es aus Kunststoff besteht, und die Kühleinrichtung 103 ist
thermisch verbunden über
die elektrische Isolationsschicht auf der Oberfläche der Seite gegenüberliegend
zu den Halbleiterchipträgern 11 (d.h.
eine Anti-Halbleiterchipträger-Seite),
auf der die Eingangsschienen 14 oder die Ausgangsschienen 18 offenliegen,
deswegen ist es möglich,
die Halbleiterchipträger 11 vor
einer Verschmutzung mit Staub von außen zu schützen und gleichzeitig die Halbleiterchipträger 11 in
dem Gehäuse 20 über die
Eingangsschienen 14 oder die Ausgangsschienen 18 mit
Gewissheit zu kühlen
und die Zuverlässigkeit
der Halbleiterchipträger 11 sicherzustellen.
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Weiter
stellen die Eingangsschienen 14 oder die Ausgangsschienen 18,
die mit dem Gehäuse 20 als
ein Körper
ausgebildet sind, einen Druckmechanismus zum Nieder-Drücken der
Ausgangsschienen 18 oder der Eingangsschienen 14,
die an der gegenüberliegenden
Seite vorgesehen sind, wodurch der Druck mit einer einfachen Struktur
erzielt wird.
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Wie
oben vollständig
erläutert
wurde, ist gemäß der vorliegenden
Erfindung die Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie vorgesehen, die eine Reduzierung der Schaltungsinduktivität und des
Verdrahtungswiderstands erreicht, während die Vorrichtung als Ganzes
kompakt ist, wodurch erreicht wird, dass die Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie einfach installiert werden kann, sowie
eine hohe Zuverlässigkeit
und eine Effizienz bei der Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie erzielt wird.
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Ebenso
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung die Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie vorgesehen, die eine Reduzierung der Schaltungsinduktivität und des
Verdrahtungswiderstands erreicht und ebenso die thermische Ermüdung in
dem thermischen Zyklus verringert, während die Vorrichtung als Ganzes
kompakt ist, wodurch erreicht wird, dass die Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung
von elektrischer Energie einfach installiert werden kann, sowie
eine hohe Zuverlässigkeit
und eine Effizienz bei der Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie erzielt wird.
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Ferner
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung die Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie vorgesehen, die eine Reduzierung der Schaltungsinduktivität und des
Verdrahtungswiderstands erreicht und ebenso einen Schutz der Elektrodenoberflächen der
Halbleiterchips vor einer Verschlechterung über den Verlauf de Zeit, während die
Vorrichtung als Ganzes kompakt ist, wodurch erreicht wird, dass
die Vorrichtung zur Umwandlung/Invertierung von elektrischer Energie
einfach installiert werden kann, sowie eine hohe Zuverlässigkeit
und eine Effizienz bei der Umwandlung/Invertierung von elektrischer
Energie erzielt wird.