Gebiet der industriellen Anwendung
-
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung für
Leistungskonvertierung, wie einen VVVF-Inverter.
Stand der Technik
-
Der Aufbau einer Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik ist in
Fig.3 und ein Inverterschaltkreis der Halbleitervorrichtung ist in Fig.4 gezeigt.
-
In Fig.3 bezeichnet 1 einen Block mit rechteckigen Seiten; 2 einen
positiven Gleichstrom-Anschluß (P); 3 einen negativen Gleichstrom-Anschluß (N); 4
Wechselstrom-Ausgangs-Anschlüsse (U, V, W); und 5 einen
Steuerungsanschluß eines Halbleiterchips (z.B. eines bipolaren Transistors mit isoliertem
Gate (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor), der im Block 1 montiert ist. Die
Anschlüsse 2, 3, 4 und 5 sind auf der oberen Seite des Blocks 1 angeordnet,
wie in Fig.3 gezeigt. im Block 1 ist ein Schalt-Halbleiterchip montiert, wie er in
Fig.4 gezeigt ist, der sechs Paare eines bipolaren Transistors mit isoliertem Gate
(IGBT) 6 und eine Freilaufdiode 7 aufweist, welche einen drei-Phasen-Brücken-
Schaltkreis bilden. In Fig.4 bezeichnet 8 einen Gleichrichterschaltkreis einer
Gleichstromquelle und 9 einen Motor, der mit der Wechselstrom-Ausgangsseite
verbunden und mit variabler Geschwindigkeit gesteuert ist.
-
Die Geschwindigkeit des Motors 9 wird eingestellt, indem man die
Spannung und Frequenz des Ausgangs-Wechselstromes an den
Wechselstrom-Ausgangsanschlüssen 4 variabel steuert, wobei die IGBT 6 ein- und ausgeschaltet
werden.
-
Wenn ein Strom im Hauptschaltkreis von der Gleichstromseite über die
IGBT 6 zur Wechselstromseite oder von der Wechselstromseite über die IGBT 6
und die Freilaufdioden 7 zur Gleichstromseite fließt, indem die IGBT 6 schalten,
verursacht die Störinduktivität 10 (Induktanzwert L) der inneren Verdrahtung auf
der Gleichstromseite eine Stoßspannung L x di/dt, da die
Veränderungsgeschwindigkeit des Stroms di/dt der Innenverdrahtung zusammen mit der
hohen Schaltgeschwindigkeit der IGBT 6 auf der Gleichstromseite hoch ist. Die
Stoßspannung addiert sich zur Gleichstromeingangsspannung und die den Chip
bildenden Elemente werden zerstört, wenn die Stoßspannung die
Spannungsfestigkeit des Chips übersteigt. Um dieses Problem zu lösen, werden
Dämpfungskondensatoren 11 zur Stoßspannungsdämpfung zwischen die positiven
und negativen Gieichstrom-Eingangs-Anschlüsse 2 und 3 geschaltet, wie in
Fig.4 gezeigt, um die durch die Störinduktivität 10 der Innenverdrahtung
verursachte Stoßspannung zu dämpfen.
Aufgabe der Erfindung
-
In dem in Fig.4 gezeigten Stoßspannungs-Schutzschaltkreis bewirkt der
zwischen einem Paar der Gleichstrom-Eingangs-Anschlüsse 2, 3 auf der von der
Gleichstromquelle entfernten Seite (rechte Seite der Figur) verbundene
Dämpfungskondensator 11 eine geringere Stoßspannungsdämpfung als der zwischen
einem Paar der Gleichstrom-Eingangs-Anschlüsse 2, 3 nahe beim Anschluß der
Gleichstromquelle verbundene Kondensator 11. Dieses Problem wird gelöst
durch Leiterschienen 12, von denen eine die positiven Anschlüsse miteinander
und eine andere die negativen Anschlüsse miteinander verbindet. Bei dieser
Konfiguration wird der Strom im Hauptkreis der Gleichstromseite in zwei Pfade
geteilt, welche die Leiterschienen 12 einschließen, wodurch die Stoßspannung
wirksamer gedämpft wird.
-
Wenn man die oben beschriebene Innenkonfiguration bei der
Halbleitervorrichtung der Fig.3 anwenden will, können die Schienen 12 nicht in der
kürzesten geraden Entfernung verdrahtet werden, da die Wechselstrom-Ausgangs-
Anschlüsse 4 und die zwischen den Anschlüssen angeordneten und zwischen
den Gleichstrom-Eingangs-Anschlüssen 3 ausgerichteten isolierenden
Trennwände 13 eine gerade Verdrahtung der Leiterschienen 12 behindern. Diese
Hindernisse verlängern die Leiterschiene, was den Induktionsanteil erhöht und den
Stoßspannungsdämpfungseffekt des Dämpfungskondensators 11 verschlechtert.
Dieses Problem ist noch bedeutender in einem großen Block für eine
Halbleitervorrichtung für größere Stromkapazität, deren Innenverdrahtung länger ist.
-
Im Hinblick auf das vorangehende ist es ein Zweck der Erfindüng, eine
Halbleitervorrichtung zu schaffen, die eine besonders wirksame
Anschluß-Anordnung aufweist, um die durch Störinduktivität der Innenverdrahtung
verursachte
Stoßspannung durch die Kombination der Dämpfungskondensatoren und
der je mit den entsprechenden Gleichstrom-Eingangsanschlüssen verbundenen
Leiterschienen zu dämpfen.
Lösung der Erfindung
-
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Halbleitervorrichtung
mit einem Block, in welchem eine Mehrzahl von Schalt-Halbleiterchips, die
gepaart sind mit einer Mehrzahl von freilaufenden Dioden-Chips, eingebaut und
Gleichstrom-Eingangs-Anschlüsse, Wechselstrom-Ausgangs-Anschlüsse und
Steueranschlüsse der Halbleiterchips auf einer rechteckigen oberen Fläche des
Blocks angeordnet sind, wo ein Paar von positiven Anschlüssen und ein Paar
von negativen Anschlüssen der Gleichstrom-Eingangs-Anschlüsse auf
Randabschnitten eines Paars von gegenüberliegenden Seiten der rechteckigen oberen
Fläche angeordnet sind,wobei je die positiven Anschlüsse gegenüberliegend und
einander zugewandt und die negativen Anschlüsse gegenüberliegend und
einander zugewandt angeordnet sind und die Wechselstrom-Ausgangs-Anschlüsse
auf einem Randabschnitt auf einer Seite des anderen Paars der
gegenüberliegenden Seiten der rechteckigen oberen Fläche und die Steuerungsanschlüsse
der Halbleiterchips auf einem Randabschnitt der anderen Seite des anderen
Paars der gegenüberliegenden Seiten der rechteckigen oberen Fläche angeordnet
sind.
-
Vorzugsweise wird eine gerade Leiterschiene außerhalb des Blocks mit
dem Paar der positiven Anschlüsse auf der Seite der oberen Fläche und eine
andere gerade Leiterschiene außerhalb des Blocks mit dem Paar der negativen
Anschlüsse über der oberen Fläche verbunden. Auch sind bevorzugt die
Gleichstrom-Anschlüsse eine Stufe höher als ein Mittelbereich der oberen Fläche.
Funktionsweise
-
In der oben beschriebenen Konfiguration, bei der eine Leiterschiene von
außen ein Paar von positiven Gleichstrom-Eingangs-Anschlüssen miteinander
verbindet und eine andere Leiterschiene ein Paar von negativen
Gleichstrom-Eingangs-Anschlüssen miteinander verbindet, wird ein Strom, der von der
Gleichstromquelle über die Gleichstrom-Eingangs-Anschlüsse zu den
Schalt-Halbleiterchips (IGBT) fließt, oder ein Strom, der von der Wechselstromquelle über die
schaltenden Halbleiterchips oder die freilaufenden Dioden zur Gleichstromquelle
fließt, gleichmäßig auf das positive Paar und das negative Paar der Gleichstrom-
Eingangs-Anschlüsse aufgeteilt. Die Leiterschienen verringern im
Zusammenwirken mit zwischen dem positiven Paar und dem negativen Paar der Gleichstrom-
Eingangs-Anschlüsse verbundenen Dämpfungskondensatoren die Stoßspannung,
die durch Störinduktivität der Innenverdrahtung zwischen den
Gleichstrom-Eingangs-Anschlüssen und den Halbleiterchips erzeugt wird, auf die Hälfte der
Stoßspannung, die auftritt, wenn keine Leiterschienen verwendet werden.
-
Ein Paar von je einem positiven und negativen Gleichstromanschluß ist auf
einer Seite des Blocks und ein anderes Paar von je einem positiven und
negativen Gleichstromanschluß ist auf einer anderen, nämlich der gegenüberliegenden,
der ersten Seite zugewandten Seite des Blocks so angeordnet, daß die
Anschlüsse gleicher Polarität einander gegenüberliegen und daß keine Hindernisse
in den Verdrahungswegen der Leiterschienen vorhanden sind. Daher wird durch
die kürzeste Verdrahtung durch die geraden Leiterschienen ein Minimum an
Störinduktivität und damit eine höhere Stoßspannungsdämpfungswirkung
erreicht.
Ausführungsformen
-
Die Erfindung wird nun mit Einzelheiten mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, welche bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Figuren 1(a), 1(b) und 1(c) zeigen eine äußere Block-Konfiguration der
erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung, wobei Fig.1(a) eine Draufsicht,
Fig.1(b) eine Seitenansicht und Fig.1(c) eine Vorderansicht ist.
-
Fig.2 ist ein Schaltdiagramm des inneren Kreises der Halbleitervorrichtung
der Fig.1;
-
die Figuren 3(a) und 3(b) zeigen eine äußere Block-Konfiguration der
Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik, und zwar Fig.3(a) eine
Draufsicht und Fig.3(b) eine Vorderansicht;und
-
Fig.4 ist ein Schaltungsdiagramm des inneren Kreises der
Halbleitervorrichtung der Fig.3.
Bezugszeichenliste
-
1 Block
-
2,3 Gleichstrom-Eingangs-Anschluß
-
4 Wechselstrom-Ausgangs-Anschluß
-
5 Steuerungsanschluß
-
6 IGBT (Schalt-Halbleiterchip)
-
7 Freilaufdiode
-
11 Dämpfungskondensator
-
12 Leiterschiene
-
in den Zeichnungen sind gleiche Teile wie jene in den Figuren 2 - 4 jeweils
mit den gleichen Bezugszahlen versehen.
-
Wie die Figuren 1(a), 1(b) und 1(c) zeigen, sind je ein Paar von einem
positiven und negativen Anschluß 2, 3 auf dem Randabschnitt auf der linken
Seite einer rechteckigen oberen Fläche des Blocks 1 und ein anderes Paar von je
einem positiven und negativen Anschluß 2, 3 auf dem Randabschnitt der
rechten Seite angeordnet, wobei jeweils die positiven Anschlüsse 2, 2 einander
gegenüberliegend und die negativen Anschlüsse 3, 3 einander gegenüberliegend
angeordnet sind. Wechselstrom-Ausgangs-Anschlüsse 4 sind in einer Linie an
einer Seite des anderen Paars der Seiten (der oberen Seite) und
Steuerungsanschlüsse 5 sind an einer anderen Seite des anderen Paars von Seiten
angeordnet. Die Gleichstrom-Eingangs-Anschlüsse 2, 3 sind eine Stufe höher als der
Mittelbereich der oberen Seite des Blocks 1 auf Vorsprüngen 1a angeordnet, die
am Randabschnitt der oberen Fläche ausgebildet sind. Ein Brückenkreis, der
sechs Paare von IGBT 6 und Freilaufdioden 7 aufweist, wie in Fig.4 gezeigt, ist
im Block 1 montiert.
-
Wenn diese Halbleitervorrichtung als ein Umwandler verwendet wird, wird
eine Leiterschiene 12 zwischen die positiven Anschlüsse 2, 2 und eine andere
Leiterschiene 12 zwischen die negativen Anschlüsse 3, 3 angeschlossen.
Zwischen den positiven und negativen Paaren (jeweils 2, 3) der
Gleichstrom-Eingangs-Anschlüsse sind Dämfpungskondensatoren 11, 11 verbunden, wie in
Fig.2 gezeigt. Durch diese Konfiguration wird eine Stoßspannung, die durch
Störinduktivität der Innenverdrahtung beim Betrieb der Halbleitervorrichtung
verursacht wird, wirksam gedämpft. Wie in Fig.1 gezeigt, können gerade
Leiterschienen auf dem kürzesten Weg zwischen den positiven Anschlüssen 2, 2 und
den negativen Anschlüssen 3, 3 verbunden werden, wodurch eine höhere
Stoßspannungsdämpfung erreicht wird, da keine Hindernisse vorhanden sind, die in
die Verdrahtungswege zwischen den Anschlüssen 2 und 2 und den Anschlüssen
3 und 3 vorstehen.
Wirkung der Erfindung
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung,welche es erleichtert, die Gleichstrom-
Eingangs-Anschlüsse gleicher Polarität mit einer kürzesten Leiterschiene zu
verbinden, ohne durch die Wechselstrom-Ausgangs-Anschlüsse und die
Steuerungsanschlüsse behindert zu sein, um im Zusammenwirken mit den
Dämpfungskondensatoren
die Stoßspannung zu dämpfen, die durch die
Störinduktivität der Innenverdrahtung verursacht wird, wird eine hohe
Stoßspannungsdämpfungswirkung erhalten. Da die Erfindung es erleichtert, die innere Stoßspannung
in einer Halbitervorrichtung mit großer Stromkapazität, die in einem großen
Block montiert ist, zu dämpfen und dabei die erforderliche Spannungsfestigkeit
(withstand voltage) des Halbleiterchips bei einem nicht zu hohen Wert zu halten,
ist die Konfiguration der Erfindung wirksam, um die Leistung der
Halbleitervorrichtung zu verbessern, beispielsweise durch Herabsetzung der
ON-Spannung, durch Verkürzung der Schaltzeit und Verringerung von Schaltverlusten.