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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Treiberschaltungsmodule und
betrifft insbesondere Einheitsvorrichtungen die eine Hauptschaltung,
welche eine Vielzahl von in einer Brückenschaltung verbundenen Leistungshalbleiterelementen
beinhaltet, für
Antriebswechselrichter [inverter] etc.
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Leistungsumwandlungsapparate
wie beispielsweise Wechselrichter und ähnliche werden vielfältig zum
Antrieb von Motoren etc. verwendet. Üblicherweise sind die Treiberschaltungsvorrichtungen zum
Treiben von Leistungsumwandlungsapparaten als dreiphasige oder zweiphasige
Brückenschaltungen
aufgebaut, und umfassen Leistungshalbleiterelemente wie Insulated
Gate Bipolar Transistoren, bipolare Transistoren, Feldeffekt-Transistoren,
etc. In der Praxis ist es ziemlich vorteilhaft, die Leistungshalbleiterelemente
integral mit zugehörigen
Elementen wie Freilaufdioden etc. in ein Modul zu integrieren. Die Halbleiterelemente,
aus denen das Modul aufgebaut ist, können individuelle Elemente
sein, die individuell innerhalb einer Baueinheit angebracht sind.
Wie auch immer, es ist zum Reduzieren der Größe und der Kosten des Treiberschaltungsmoduls
sehr viel effektiver, sie als konstituierende Halbleiterelementchips
auf einer Basis des Moduls anzuordnen, und dann die Basis in einem
Baueinheitengehäuse
anzubringen, um ein gesamtes Treiberschaltungsmodul zu bilden.
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Herkömmliche
Treiberschaltungsmodule haben eine metallische Basisplatte, die
aus Kupfer o. ä., was
eine hohe thermische Leitfähigkeit
aufweist, gemacht ist. Eine notwendige Anzahl von aus Kupfer o. ä. gemachten
Elektrodenplatten werden auf der metallischen Basisplatte durch
Isolationsplatten gehalten, welche aus Keramik oder etc., welche
großen thermischen
Widerstand zeigen, gemacht sind. Chips der konstituierenden Elemente
wie beispielsweise Transistoren, angefügte Dioden, etc., die Komponenten
der Module, sind auf den Elektrodenplatten angebracht und verbunden
[bonded]. Ausgangs- und Eingangsanschlüsse sind mit den Elektrodenplatten durch
Leitungen verbunden. Die so zusammengefügte Treiberschaltungsvorrichtung
ist umhüllt
mit oder eingepasst in ein gegossenes Harzgehäuse. Ein Harz wird in den Raum
zwischen dem Gehäuse
und der Basisplatte eingebracht, und ausgehärtet, um ein festes einheitliches
Modul zu bilden. Wie wohlbekannt, werden die Treiberschaltungsmodule
allgemein so benutzt, dass ihre Basisplatten an einer Hitzesenke
oder einem Kühler
aus Aluminium mit festem thermischen Kontakt befestigt sind und
ihre Gehäuse
an einem Wechselrichter, [inverter] etc. angebracht sind.
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Zum
Einsatz der Treiberschaltungsmodule in unterschiedlichen Anwendungen
ist es notwendig, eine Steuerschaltung in das Treiberschaltungsmodul zu
integrieren und detaillierte Ein-Aus-Operationen eines jeden die
Brückenschaltung
bildenden Halbleiterelements zu steuern, abhängig von der Anwendung und
dem Status der Last. Deshalb wurde zum Vereinfachen der Gesamtstruktur
des Systems einschließlich
der Steuerschaltung gefordert, die Treiberschaltung als ein intelligentes
Modul zu gestalten, welches mindestens einige Funktionen ausführt, die die
Steuerschaltung tut.
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Da
die Steuerschaltung eine elektronische Schaltung sein kann, die
wenig elektrische Leistung verbraucht, ermöglichen die gängigen Schaltungsintegrationstechniken
die Integration der Steuerschaltung in einen sehr kleinen Chip und
das Anbringen des Chips auf einem Modul, auch wenn die Steuerschaltung
sehr kompliziert sein kann. Das ernsthafteste Problem ist, dass
die Steuersignalverdrahtung so kompliziert ist, dass es zum Bereitstellen
von Vielzwecktreiberschaltungsmodulen notwendig ist, extra Steuersignalleitungen
herauszuleiten.
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Die
Komplexität
der Verdrahtung kann durch Verwendung von Verdrahtungsplatten vermieden werden.
Aber die Verdrahtungsplatten erhöhen
die Größe des Moduls
durch Verlängerung
der Verdrahtungslängen
in den herkömmlichen
Modulstrukturen. Die verlängerten
Verdrahtungsstrukturen erhöhen die
Kosten für
die Kompensation der Verdrahtungsinduktivität durch Einbau einer oder mehrerer
Kondensatoren. Eine Reduktion des Raums zwischen den Verdrahtungsleitern
führt dazu,
Fehlfunktionen durch gegenseitige Interferenz der Steuersignale
zu verursachen. Obschon der Platz durch Verwenden der Basisplatte
als Verdrahtungsplatte reduziert werden kann, wird es sehr schwierig,
die Spannungsfestigkeit [withstand voltage] zwischen den Hochspannungsleistungshalbleiterelementen
und der Steuerschaltung zu sichern.
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Im
Hinblick auf das Vorangegangene ist es Gegenstand der vorliegenden
Erfindung, ein Treiberschaltungsmodul bereitzustellen, in das die
Steuerfunktion integriert ist, und das es ermöglicht, die internen Verdrahtungslängen der
Steuersignalleitungen zu verkürzen,
um den Anstieg von Größe und Kosten des
Moduls so weit wie möglich
zu unterdrücken.
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Das
US-Patent Nr. 5,313,150 offenbart ein Treiberschaltungsmodul, welches
Halbleiterelemente umfasst, die in einer Brückenschaltung mit oberen und
unteren Armen zwischen einem Paar von Leistungsversorgungspunkten
verbunden sind. Die Halbleiterelemente werden alle durch eine Steuerschaltung
gesteuert und sind auf einer quadratischen Basisplatte angeordnet.
Es gibt dort keinen Ansatz, eine maximale Ausnutzung der Basisplattenfläche zu machen
oder die Verbindungslänge
zwischen den Komponenten zu minimieren.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Treiberschaltungsmodul eine
Treiberschaltungsvorrichtung mit einer Hauptschaltung, die Halbleiterelemente
enthält,
welche in einer Brückenschaltung
angschlossen sind, welche obere und untere Arme hat, die zwischen
einem Paar von Leistungsversorgungspunkten verbunden sind; Steuereingangsschaltungen
zum Steuern der jeweiligen Halbleiterelemente; eine rechteckige
Basisplatte; Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Hauptschaltung, die
mit den korrespondierenden Halbleiterelementen durch entsprechende
Leitungen verbunden sind; und Steuereingangsanschlüsse, welche
mit ihren jeweiligen Steuereingangsschaltungen über eine Verdrahtungsplatte
oder -platten verbunden sind dadurch gekennzeichnet, dass Chips
für die
Halbleiterelemente der oberen Arme der Brückenschaltung bereitgestellt
sind und Chips für
die Halbleiterelemente des unteren Arms der Brückenschaltung bereitgestellt
sind und dass jedes in einer Zeile, die parallel zu zwei gegenüberliegenden
Seiten der rechteckigen Basis ist, angeordnet sind, Zeilen von Chips
der Steuereingangsschaltungen für
den oberen und unteren Arm der Brückenschaltung sind bereitgestellt, jede
Schaltung ist in Linie mit seinem entsprechenden Halbleiterelement
in einer Richtung rechtwinklig zu der Zeile der Halbleiterelemente
angeordnet, und in welcher die Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse entlang
einer Seite oder paralleler Seiten der Basisplatte angeordnet sind
und in der die Steuereingangsanschlüsse entlang einer oder mehrerer Seiten
der Basisplatte angeordnet sind, die nicht für die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse verwendet werden.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat
die rechteckige Basisplatte zwei lange und zwei kürzere Seiten,
und jeweilige Zeilen von Chips für
die Halbleiterelemente der oberen und unteren Arme sind in einer
einzelnen Linie angeordnet.
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Mit
dieser Anordnung können
die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
entlang einer langen Seite der Basisplatte benachbart der Halbleiterelemente angeordnet
werden und die Steuereingangsanschlüssen sind entlang der anderen
Seite angeordnet.
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In
einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die rechteckige Basisplatte quadratisch sein und die Zeile
für Chips
für die
Halbleiterelemente des oberen Arms der Brückenschaltung ist in einer Zeile
parallel zu der Zeile der Chips für die Halbleiterelemente des
unteren Arms der Brückenschaltung angeordnet,
wobei die Zeilen parallel zu zwei Seiten der quadratischen Basisplatte
sind.
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Bei
dieser Gestaltung können
die Eingangsanschlüsse
und Ausgangsanschlüsse
auf gegenüberliegenden
parallelen Seiten der Basisplatte rechtwinklig zu den Seiten, zu
denen die Zeilen der Halbleiterbauelemente parallel sind, angeordnet
werden, und die zentralen Eingangsanschlüsse sind entlang der anderen
zwei Seiten des Quadrats und parallel zu den Zeilen der Halbleiterelemente
und benachbart der Zeilen der Chips der zentralen Eingangsschaltungen
angeordnet.
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Es
ist vorzuziehen, die Chips der Steuereingangsschaltung auf eigenen
Elektrodenplatten, die auf der Basisplatte separat von den Chips
der Halbleiterelemente angeordnet sind, anzubringen, und die Steuereingangsschaltungen
mit ihren korrespondierenden Halbleiterelementen zu verbinden.
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Zum
Vermeiden einer komplizierten Verdrahtung zwischen den Eingangs-
und Ausgangsanschlüssen
der Hauptschaltung und den Halbleiterelementen vorzuziehen, die
den oberen Arm der Hauptschaltung bildenden Halbleiterelemente in
einem ersten Bereich anzuordnen, und die den unteren Arm der Hauptschaltung
bildenden Halbleiterelemente in einem zweiten Bereich anzuordnen,
der von dem ersten Bereich getrennt ist.
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Um
das Anbringen der Halbleiterelemente zu ermöglichen, ist es ebenso vorzuziehen,
eine erste gemeinsame Elektrodenplatte; erste individuelle Elektrodenplatten;
eine zweite gemeinsame Elektrodenplatte; und zweite individuelle
Elektrodenplatten, wobei die Halbleiterelemente, die den oberen
Arm der Hauptschaltung bilden, auf der ersten gemeinsamen Elektrodenplatte
angeordnet sind und mit den jeweiligen ersten individuellen Elektrodenplatten
verbunden sind, und wobei die Halbleiterelemente, die den unteren
Arm der Hauptschaltung bilden, auf den jeweiligen zweiten individuellen
Elektrodenplatten angeordnet sind und mit der zweiten gemeinsamen Elektrodenplatte
verbunden sind, bereitzustellen.
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Es
ist vorzuziehen, einen der zu den Leistungsversorgungspunkten korrespondierenden
Eingangsanschlüsse
mit der ersten gemeinsamen Elektrodenplatte, den anderen Eingangsanschluss
mit der zweiten gemeinsamen Elektrodenplatte, und die Ausgangsanschlüsse gemeinsam
mit den jeweiligen ersten individuellen Elektrodenplatten und den
jeweiligen zweiten individuellen Elektrodenplatten zu verbinden.
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Es
ist vorzuziehen, die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse an den
Enden der jeweiligen Leiter zum Verbinden der Eingangsanschlüsse und
der Ausgangsanschlüsse
mit den korrespondierenden Elektrodenplatten auszubilden.
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Die
Steuereingangsanschlüsse
beinhalten vorzugsweise Leistungsversorgungsanschlüsse, die aus
den Steuereingangsschaltungen hinausleiten, um unterschiedliche
Anwendungen des Moduls zu ermöglichen.
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Es
ist vorzuziehen, ein Gehäuse
an die Basisplatte anzupassen, das Gehäuse ist mit einem Rahmen geformt,
der ein Fenster korrespondierend zu dem Befestigungsbereich der
darin angebrachten Basisplatte, der Halbleiterelemente und der Steuereingangsschaltungen
hat.
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Es
ist vorteilhaft, um ein festes und einheitliches Modul zu erhalten,
ein flüssiges
Harz zwischen das Gehäuse
und die Basisplatte einzubringen und das flüssige Harz auszuhärten.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein intelligentes Treiberschaltungsmodul
durch Ergreifen der folgenden Maßnahmen bereit. Jedes der Halbleiterelemente,
das die Brückenschaltung
der Treiberschaltung bildet, ist mit einer exklusiven Steuereingangsschaltung
versehen, die direkt das Paarungs-Halbleiterelement exklusiv steuert.
Die Steuereingangsschaltungen sind in der Nähe ihrer gepaarten Halbleiterelemente
angebracht. Die Steuereingangsschaltungen sind in dem Randbereich
des Anbringungsbereichs der Basisplatte angeordnet, und die Steuereingangsanschlüsse sind
im Randbereich der Basisplatte und in der Nähe der korrespondierenden Steuereingangsschaltungen
angeordnet, so dass eine kleine Verdrahtungsplatte verwendet werden
kann, die die Steuereingangsanschlüsse und die Steuereingangsschaltungen über den
kürzesten
Weg verbindet. Folglich sind die Dimensionen des Moduls durch die
Verwendung der kleinen Verdrahtungsplatte reduziert. Ebenso werden
die Kosten des Moduls reduziert, da die verkürzten Verdrahtungslängen die
Elimination der herkömmlichen
Kapazitäten
zum Kompensieren der Verdrahtungsinduktanz erlauben.
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Kurz
festgestellt, sind in einem ersten Ausführungsbeispiel die Chips der
Halbleiterelemente in einer Zeile angebracht, die sich parallel
zu den Längsseiten
der rechteckigen Basisplatte in einem ersten Ausführungsbeispiel
erstreckt. Die Chips der Steuereingangsschaltung sind von den Halbleiterbauelementen
in die Richtung der kurzen Seite der Basisplatte versetzt und in
einer Zeile angebracht, die sich parallel zu den langen Seiten der
Basisplatte erstreckt. Die Steuereingangsanschlüsse sind auf der langen Seite
der Basisplatte benachbart der Zeile der Steuereingangsschaltungen
angeordnet. In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Chips
der Halbleiterelemente und der Steuereingangsschaltungen getrennt
und in gegenüberliegenden,
einander zugewandten Zeilen angebracht, die Zeilen erstrecken sich
parallel mit einem Paar der Seiten einer quadratischen Basisplatte.
Die Steuereingangsschaltungen sind benachbart ihrer korrespondierenden Halbleiterelemente
platziert, aber an den Randbereich des Anbringungsbereichs der Basisplatte
versetzt. Die Steuereingangsanschlüsse sind ebenso getrennt und
an den Seiten der Basisplatte angeordnet, entlang welcher die korrespondierenden
Steuereingangsschaltungen angeordnet sind. In den gezeigten Ausführungsbeispielen
sind die Steuereingangsschaltungen mit den Steuereingangsanschlüssen über eine
Verdrahtungsplatte oder Verdrahtungsplatten verbunden.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
sind die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Hauptschaltung entlang
einer langen Seite der Basisplatte angeordnet, parallel zu der Zeile,
in der die Halbleiterelemente angebracht sind. Im zweiten Ausführungsbeispiel
sind die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Hauptschaltung an einem
Paar von Seiten der quadratischen Basisplatte angeordnet, die einander gegenüberliegen
und sich rechtwinklig zu den Zeilen der Halbleiterelemente erstrecken.
In beiden Ausführungsbeispielen
sind die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse einfach mit den Halbleiterelementen über Leiter
verbunden, die sich oberhalb der Chipanbringungsfläche der
Basisplatte erstrecken, ohne die anderen Leiter zu kreuzen.
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In
den oben beschriebenen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung
sind die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse, die
Verdrahtungsplatte oder -platten, und die Steuereingangsanschlüsse durch effektive
Verwendung des randseitigen Raums der Chipanbringungsbereich der
Basisplatte angeordnet. Das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung reduziert die Modulfläche
auf ein Minimum durch Anordnen der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse, der
Verdrahtungsplatten, und der Steuereingangsanschlüsse an der
Längsseite
der rechteckförmigen
Basisplatte. Das zweite Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung reduziert die Modulfläche auf ein Minimum durch Verteilen
der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse,
der Verdrahtungsplatten, und der Steuereingangsanschlüsse auf
die vier Seiten der quadratischen Basisplatte. Die Steuereingangsschaltung
als das Schlüsselelement
der vorliegenden intelligenten Treiberschaltungsmodule kann in einen
kleinen Chip, der sehr viel kleiner als der Halbleiterelementchip
ist, integriert werden. Folglich kann der Chipanbringungsbereich
des Moduls um höchstens
10 % anwachsen, selbst wenn die Steuerfunktion auf eine Vielzahl
von Steuereingangsschaltungen verteilt wird, die so angeordnet sind,
um mit den Halbleiterelementen zu korrespondieren.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen erläutert,
in denen die bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung illustriert sind. In den Figuren:
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1(a) ist eine Draufsicht
die den Anbringungszustand der Chips eines ersten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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1(b) ist eine Draufsicht,
die die Anschlussanordnung und -verbindungen des ersten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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1(c) ist eine Draufsicht,
die das innerhalb des Gehäuses
angebrachte Modul des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2(a) ist eine Draufsicht
die den Anbringungszustand der Chips eines zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2(b) ist eine Draufsicht,
die die Anschlussanordnung und -verbindungen des zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2(c) ist eine Draufsicht,
die das innerhalb des Gehäuses
angebrachte Modul des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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3 ist ein Schaltungsdiagramm,
das die Treiberschaltung mit einer Brückenverbindung und angebracht
auf dem ersten Modul des ersten Ausführungsbeispiels oder des zweiten
Ausführungsbeispiels
zeigt.
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Mit
Bezug auf 3 wird nun
das erste und zweite Ausführungsbeispiel
zum Ermöglichen
des Verständnisses
beschrieben.
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3 zeigt eine dreiphasige
Brückenschaltung
entsprechend einer Treiberschaltung eines Wechselrichters [inverter]
zum Antreiben eines dreiphasigen Motors. Die Schaltung von 3 enthält eine Bremsschaltung zum
Absorbieren der in der Induktivität auf der Seite der Last, beispielsweise
einem Motor, gespeicherten Energie. Die die Brückenschaltung bildende Halbleiterelemente 10 in 3 sind Insolated Gate Bipolar
Transistoren. Wie üblich, ist
jedes Halbleiterelement 10 eines oberen Armes in Reihe
mit einem dazu paarweisen Halbleiterelement 10a eines unteren
Arms verbunden. Drei Paare von Halbleiterelementen aus oberen und
unteren Armen sind parallel zwischen einem positiven Eingangsanschluss
P und einem negativen Eingangsanschluss N einer DC-Leistungsversorgung
verbunden. Der Kollektor eines jeden Halbleiterelements 10 eines oberen
Arms ist mit dem positiven Eingangsanschluss P verbunden, während der
Emitter eines jeden Halbleiterelements 10a eines unteren
Arms mit dem negativen Eingangsanschluss N verbunden ist. Der Emitter
eines jeden Halbleiterelements 10 eines oberen Arms ist
mit dem Kollektor des jeweiligen Halbleiterelements 10a des
unteren Arms verbunden. Drei Ausgangsanschlüsse U, V und W sind von den
Verbindungspunkten zwischen den jeweiligen Paaren von Halbleiterelementen
der oberen und unteren Arme individuell herausgeleitet. Eine Freilaufdiode 11 ist
in Rückwärtsrichtung
parallel mit jedem Halbleiterelement 10 verbunden.
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Die
vorliegende Erfindung verbindet eine Steuereingangsschaltung 20, 20a,
dargestellt durch einen rechteckförmigen Block, mit dem Gate
[gate] eines jeden Halbleiterelements 10a. Die Steuereingangsschaltung 20 oder 20a enthält eine
Gate-Treiberschaltung, welche direkt das Halbleiterelement 10a treibt.
Ein Paar von Leistungsversorgungsanschlüssen Tc und ein Steuersignalanschluss
Tc sind von jeder Steuereingangsschaltung 20, die an dem oberen
Arm angeordnet ist, hinausgeleitet. Ein Paar von Leistungsversorgungsanschlüssen Tc
und zwei Steuersignalanschlüsse
Tc sind von jeder Steuereingangsschaltung 20a, die an dem
unteren Arm angeordnet ist, hinausgeleitet. Zum Erhöhen der
Freiheit des Treiberschaltungsmoduls für vielfältige Anwendungen sind drei
Steuereingangsanschlüsse
Tc unabhängig
von den Steuereingangsschaltungen 20 des oberen Arms hinausgeleitet
und vier Steuereingangsanschlüsse
Tc sind von den Steuereingangsschaltungen 20a des unteren
Arms unabhängig
hinausgeleitet, in 3.
Wie in der Figur gezeigt, sind Verbindungen zu den unabhängig hinausgeleiteten Leistungsversorgungsanschlüssen Tc
der Steuereingangsschaltungen 20 außerhalb des Moduls gemacht,
wie durch die feinen Linien in der Figur gezeigt, außer dass
die negativen Leistungsversorgungsanschlüsse der am unteren Arm angeordneten Steuereingangsschaltungen 20a innerhalb
des Moduls mit den Emittern der korrespondierenden Halbleiterelemente 10a verbunden
sind.
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Ein
Halbleiterelement 12 mit einer geringen Kapazität, gezeigt
auf der linken Seite der 3,
ist zum Bremsen angeordnet wie vorher beschrieben. Eine Diode 13 ist
in Rückwärtsrichtung
parallel mit dem Halbleiterelement 12 verbunden. Ein Emitter des
Halbleiterelements 12 ist mit dem negativen Eingangsanschluss
N verbunden. Ein Bremsanschluss B ist von einem Kollektor des Halbleiterelements 12 hinausgeleitet.
Das Halbleiterelement 12 ist mit einer Steuereingangsschaltung 20a,
die vier Steuereingangsanschlüsse
Tc hat, versehen. Wenn das Halbleiterelement 12 durch die
Gate-Steuerung der
korrespondierenden Steuereingangsschaltung 20a eingeschaltet
wird, fließt
ein Strom durch einen Bremswiderstand (nicht gezeigt), der zwischen
dem positiven Eingangsanschluss P und dem Bremsanschluss B verbunden
ist. In Verbindung mit diesem Stromfluss wird die gespeicherte Energie
von der Lastseite über die
Dioden 11 der Brückenschaltung
absorbiert. Eine Diode 14 ist zwischen den Anschlüssen P und
B für einen
Freilauf befestigt, wenn während
des Bremsbetriebs ein Rückwärtsstrom
verursacht wird.
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Mit
Bezug nun zu den 1(a), 1(b) und 1(c), zeigt 1(a) den angebrachten Status der Chips. 1(b) zeigt die Anschlussverbindungen und 1(c) das Modul innerhalb
eines Gehäuses angebracht.
Wie in 1(a) gezeigt,
ist eine Basis 30 mit einer rechteckförmigen Form gebildet. Halbkreisförmige Ausschnitte
sind entlang einer langen Seite der Basis 30 zum Aufnehmen
der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
gebildet. Vierteilkreisförmige Ausschnitte
sind an den vier Ecken der Basis 30 zum Befestigen des
Moduls gebildet. Die Basis 30 umfasst eine dicke Metallplatte,
die aus Kupfer o. ä.,
was eine hohe thermische Leitfähigkeit
aufweist, gemacht ist. In 1(a) sind
zwei rechteckförmige
keramische Isolatorplatten 32 seitlich zueinander angeordnet,
mit ihren langen Seiten im zentralen Teil der Basis 30 ausgerichtet,
und sicher an der Basis 30 befestigt, z. B. durch Hartlöten [brazing]
oder Löten
[soldering]. Die Isolatorplatte 32 ist aus Tonerde o. ä. gemacht. Metallische
Elektrodenplatten mit einer Vielzahl von Formen sind in den vorherbestimmten
Stellen auf der Isolatorplatte 32 angeordnet. Die metallischen
Elektrodenplatten sind aus Kupfer o. ä. gemacht, was eine hohe elektrische
Leitfähigkeit
zeigt. Die metallischen Elektrodenplatten sind an der Isolatorplatte 32 mit
ihren oberen Flächen
auf gleicher Höhe
befestigt.
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Der
obere Arm der Brückenschaltung
ist auf der Isolatorplatte 32, die auf der rechten Seite
der Figur gezeigt ist, angebracht. Diese Isolatorplatte 32 nimmt
drei Halbleiterelemente 10, drei Dioden 11, eine
gemeinsame Elektrodenplatte 33, die den Halbleiterelementen 10 und
den Dioden 11 gemeinsam ist, und drei individuelle Elektrodenplatten 34 auf.
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Der
untere Arm der Brückenschaltung
ist auf der Isolatorplatte 32, die auf der linken Seite
der Figur gezeigt ist, angebracht. Die Isolatorplatte 32 des
unteren Arms nimmt eine gemeinsame Elektrodenplatte 35 und
drei individuelle Elektrodenplatten 37 auf. Zusätzlich nimmt
die Isolatorplatte 32 des unteren Arms eine zweite Elektrodenplatte 37 für die Bremshalbleiterelemente 12,
und Elektrodenplatten 38 für vier Steuereingangsschaltungen 20a,
einschließlich
der einen zum Bremsen, auf.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, die Chips der Halbleiterelemente und
der jeweiligen Steuereingangsschaltungen in großer Nähe anzubringen. Spezieller,
die Halbleiterelemente 10 und 10a sind in einer
Zeile ausgerichtet, die sich entlang der Längsseiten der Basis 30 erstreckt
und die korrespondierenden Steuereingangsschaltungen 20 sind
benachbart ihrer korrespondierenden Halbleiterelemente 10 in
einer Zeile angeordnet, die sich parallel zu den Längsseiten
der Basis erstreckt, und jede ist in Linie mit ihrem entsprechenden
Halbleiterelement in Richtung der kürzeren Seite der Basis 30 von
der Zeile der Halbleiterelemente 10 versetzt, wie in 1(a) gezeigt, d. h. normal
zu der Zeile der Halbleiterelemente.
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Aufgrund
dieser Anordnung sind drei Halbleiterelemente 10 des oberen
Arms in lateraler Richtung von 1(a) ausgerichtet,
und auf die gemeinsame Elektrodenplatte 33 gelötet. Da
das Halbleiterelement 10 ein vertikales Leistungshalbleiterelement
ist, das seinen Kollektor an der unteren Fläche des Chips hat, ist der
Kollektor gleichzeitig mit der gemeinsamen Elektrodenplatte 33 verbunden,
wenn das Halbleiterelement 10 an der gemeinsamen Elektrodenplatte 33 angebracht
ist. Deshalb wird das Anbringen des Halbleiterelements 10 durch
Verbinden seines Emitters mit der individuellen Elektrodenplatte 34 und seines
Steuereingangs [gates] mit der Steuereingangsschaltung 20 durch
Drahtverbindung vervollständigt.
Es ist vorzuziehen, die Dioden 11 in der Nachbarschaft
ihrer korrespondierenden Halbleiterelemente 10 anzubringen.
Die Dioden 11 sind mit den entsprechenden individuellen
Elektrodenplatten 34 durch Drahtverbindung verbunden, nachdem
die Dioden 11 auf der gemeinsamen Elektrodenplatte 33 angebracht
und befestigt sind. Es ist vorzuziehen, die Elektrodenplatten 38 für die Steuereingangsschaltungen 20 in
den Ausnehmungen einzusetzen, die im Randbereich der gemeinsamen
Elektrode 33 gebildet sind. Eine integrierte Schaltung
der Steuereingangsschaltung 20 kann in den Chip des Halbleiterelements 10 integriert
werden, da das Halbleiterelement 10, obschon für Leistungsanwendungen
entworfen, sehr oft wiederholte feine Einheitsstrukturen hat, die
durch die Herstellungstechnik der hoch integrierten Schaltungen
gebildet sind.
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Drei
Halbleiterelemente 10a des unteren Arms sind entlang der
linken Seite der Basis 30 ausgerichtet, und die entsprechenden
Dioden 11 sind in der Nachbarschaft der entsprechenden
Halbleiterelemente angeordnet. Auf der Seite des unteren Arms sind
die Chips jedes Halbleiterelements und die korrespondierende Diode 11 auf
den individuellen Elektroden 36 angebracht, und mit der
gemeinsamen Elektrodenplatte 35 durch Drahtverbindung verbunden.
Das Bremshalbleiterelement 12 ist auf der Elektrodenplatte 37 angebracht
und mit der gemeinsamen Elektrodenplatte 35 verbunden.
Die Diode 13, die das Halbleiterelement 12 begleitet,
ist auf der gemeinsamen Elektrodenplatte 33 auf der Seite
des oberen Arms angebracht und mit der Elektrodenplatte 37 auf
der Seite des unteren Arms durch Drahtverbindung verbunden.
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Auf
der Seite des unteren Arms sind die Steuereingangsschaltungen 20a auf
den entsprechenden Elektrodenplatten 38 angebracht, die
unmittelbar unter (wie in der Figur zu sehen) den individuellen
Elektrodenplatten 36 oder der Platte 37 angeordnet
sind, so dass die Steuereingangsschaltungen 20 in größter Nähe zu ihren
korrespondierenden Halbleiterelementen 10 und 12 angeordnet
werden können.
Die Steuereingangsschaltungen 20 sind mit den entsprechenden
Halbleiterelementen 10 und 12 durch Drahtverbindung
verbunden. Die gemeinsame Elektrodenplatte 33 des oberen
Arms und die individuellen Elektrodenplatten 36 des unteren
Arms, auf denen die Chips angeordnet sind, sind in dem vertikalen
Zentrum der Isolatorplatte 32 angebracht. Die Elektrodenplatten
38 zum Anbringen der Chips der Steuereingangsschaltungen 20a sind
im unteren Bereich ihrer jeweiligen Isolatorplatte 32 angeordnet, und
die individuellen Elektrodenplatten 34 des oberen Arms
und die gemeinsame Elektrodenplatte 35 des unteren Arms,
an denen keine Chips angebracht sind, sind im oberen Bereich ihrer
jeweiligen Isolatorplatte 32 angeordnet. Durch diese Anordnung
kann der Chipanbringungsbereich der Basis 30 auf einen kleinen
Bereich beschränkt
werden, ohne irgendeine Fläche
ungenutzt zu lassen.
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Folglich
kann gesehen werden, dass die Halbleiterelemente 10a des
unteren Arms ebenso in einer Linie parallel zu der Längsseite
der Platte 30 angeordnet sind und jede der korrespondierenden Steuereingangsschaltungen 20a ist
in Linie mit ihrem entsprechenden Halbleiterelement 10a in
einer Richtung normal zu der Zeile der Halbleiterelemente 10a angeordnet.
Es kann ebenso gesehen werden, dass die Halbleiterelemente 10 des
oberen Arms und die Halbleiterelemente 10a des unteren
Arms in einer einzigen Linie angeordnet sind.
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Mit
Bezug nun zu 1(b), 1(b) zeigt die Anschlüsse des
Moduls, die aus dem Chipanbringungsbereich herausführen. Die
Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
der Hauptschaltung des ersten Ausführungsbeispiels sind wie in
der Figur gezeigt, an der Längsseite
der Basis 30 gegenüber
der Längsseite,
in deren Nähe
die Steuereingangsschaltungen 20 angeordnet sind, ausgerichtet.
Zum Herausführen
der Anschlüsse
ist es vorzuziehen, einen Kupferleiter 40 an dem Ende zu
verwenden, an dem der Anschluss gebildet ist. Der Leiter 40 ist
mit einer vorbestimmten Elektrodenplatte verbunden, die in den Chipanbringungsbereich
durch Löten
angeordnet ist. Spezieller, die Leiter 40 für die Eingangsanschlüsse P und
N sind mit den jeweiligen gemeinsamen Elektrodenplatten 33 und 35 an
den in der 1(b) durch
X-Symbole gekennzeichneten Stellen verbunden. Der Leiter 40 für den Bremsanschluss
B ist mit der an der Seite des oberen Arms angeordneten Elektrodenplatte 37 verbunden.
Jeder der Ausgangsanschlüsse
U, V und W ist mittels eines Leiters 40 zu den korrespondierenden
individuellen Elektrodenplatten 34 auf der Seite des oberen
Arms und mit den korrespondierenden individuellen Elektrodenplatten 36 auf
der Seite des unteren Arms verbunden. Folglich sind die Eingangs-
und Ausgangsanschlüsse
der Hauptschaltung durch effektive Ausnutzung nur des Raums auf
und oberhalb der Chipanbringungsfläche verbunden.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
sind die Steuereingangsanschlüsse
Tc auf der Längsseite
der Basis 30 auf der Seite, auf der die Steuereingangsschaltungen 20 und 20a angeordnet
sind, ausgerichtet. Die Steuereingangsanschlüsse Tc sind mit den Steuereingangsschaltungen 20 und 20a über eine
Verdrahtungsplatte 50 verbunden. In der Praxis ist es vorzuziehen,
die Steuereingangsanschlüsse
Tc in einem Teil der Verdrahtungsplatte 50 wie in 1(b) gezeigt anzuordnen.
Da alle Steuereingangsschaltungen 20 und 20a ausgerichtet
sind, sind die Steuereingangsschaltungen 20 und 20a einfach
mit den Steuereingangsanschlüssen
Tc über
die Verdrahtungsplatte 50 und Verbindungsdrähte verbunden. Da
die Steuereingangsschaltungen 20 und 20a und die
Steuereingangsanschlüsse
Tc auf der gleichen Seite der Basis 30 angeordnet sind,
kann die Verdrahtungsplatte 50 eine kleine sein, und ihre
internen Verdrahtungsleiterlängen
können
kurz sein. In dem illustrierten Beispiel sind die Steuereingangsanschlüsse Tc in
zwei Gruppen für
den oberen Arm und den unteren Arm aufgeteilt, um somit die Verdrahtungsleiterlängen der
Verdrahtungsplatte 50 so weit wie möglich zu verkürzen. Falls
notwendig, kann eine integrierte Schaltung zum Steuern der gesamten
Steuerschaltungsvorrichtung zusätzlich
zu der Steuerung durch die Steuereingangsschaltungen 20 und 20a auf
der Verdrahtungsplatte 50 angebracht werden.
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Mit
Bezug nun zu 1(c), 1(c) zeigt ein fast vollständiges Modul 70,
in dem die Basis in ein Gehäuse 60 eingepasst
ist. Das Gehäuse 60 ist
ein gegossener Harzrahmen, der ein Fenster 61 hat, das im
wesentlichen zu dem Chipanbringungsbereich der Basis 30 korrespondiert.
Das Gehäuse 60 hat
ebenso eine Umhüllung 62,
die das Fenster 61 umgibt. Trennwände 63 stehen von
der Umhüllung 62 heraus,
um die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse voneinander zu trennen.
Fixierungslöcher 64 sind
in den vier Ecken des Gehäuses 60 angeordnet.
Da Ausnehmungen auf der Rückseite
des Gehäuses 60 angeordnet
sind, so dass das Gehäuse 60 mit
den Konturen der Basis 30 zusammenpasst, kann das Gehäuse 60 und
die Basis 30, wie in der Figur gezeigt, einfach durch Einpassen
des Gehäuses 60 und der
Basis 30 aneinander zusammengesetzt werden. Obwohl 1(b) zum Nutzen eines klareren
Verständnisses
vor 1(c) beschrieben
wurde, ist es vorzuziehen, das Gehäuse 60 in die Basis 30 aus 1(a) einzupassen, und die
Anordnung wie in 1(c) gezeigt
zu vervollständigen,
durch Anordnungen der Anschlüsse
und deren Verbindung wie mit Bezug auf 1(b) erläutert. Abschließend wird ein
sehr festes Treiberschaltungsmodul 70 durch Einbringen
eines flüssigen
Harzes in das Gehäuse 60 zum
Füllen
des Fensters 61 und das Aushärten des flüssigen Harzes erhalten.
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Die 2(a), 2(b) und 2(c) zeigen
Draufsichten auf ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. In den 2(a), 2(b) und 2(c) werden die gleichen Teile wie die
in den 1(a), 1(b) und 1(c) mit den gleichen Referenzziffern
oder Symbolen bezeichnet und ihre doppelte Beschreibung wird vermieden.
Mit Bezug nun auf 2(a), eine
Basis 30 des zweiten Ausführungsbeispiels hat einen fast
quadratischen Hauptkörper 31.
Eine fast quadratische Isolatorplatte 32, die korrespondierend zu
dem quadratischen Hauptkörper 31 geformt
ist, ist mit dem quadratischen Hauptkörper 31 auf der Basis 30 verbunden.
Chips von Halbleiterelementen 10 und 10a sind
in zwei Reihen, die sich parallel zu einem Paar von gegenüberliegenden
Seiten der Basis 30 erstrecken, angebracht, wie in der
Figur gezeigt. Steuereingangsschaltungen 20 und 20a sind
auf der oberen Seite oder unteren Seite ihrer korrespondierenden
Halbleiterelemente 10 angeordnet.
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Die
obere Hälfte
der Isolatorplatte 32 (wie in diesen Figuren zu sehen)
korrespondiert zu der Seite des oberen Arms, die unter Hälfte zu
der Seite des unteren Arms. Chips von drei Halbleiterelementen 10 und
zugehörigen
Dioden 11 sind auf einer gemeinsamen Elektrodenplatte 33 auf
der Seite des oberen Arms angebracht. Chips von drei Halbleiterelementen
und zugehörigen
Dioden 11 sind auf jeweiligen individuellen Elektrodenplatten 36 auf
der Seite des unteren Armes angebracht. Individuelle Elektrodenplatten 34 auf
der Seite des oberen Arms und eine gemeinsame Elektrodenplatte 35 auf
der Seite des unteren Arms sind zwischen der gemeinsamen Elektrodenplatte 33 und
den individuellen Elektrodenplatten 36 angeordnet. Die
Halbleiterelemente 10 des oberen Arms sind mit ihren jeweiligen
individuellen Elektrodenplatten 34 durch Drahtverbindung
verbunden, und die Halbleiterelemente 10a des unteren Arms
mit der gemeinsamen Elektrodenplatte 35 durch Drahtverbindung.
Eine lange Elektrodenplatte 37 ist entlang der linken Seite
der Isolatorplatte 32 angeordnet. Ein Halbleiterelement 12 zum
Bremsen ist auf dem unteren Ende der Elektrodenplatte 37 angebracht
und mit der Elektrodenplatte 35 durch Drahtverbindung verbunden.
Eine dem Halbleiterelement 12 zugeordnete Diode 13 ist
an dem linken Ende der gemeinsamen Elektrodenplatte 33 angebracht,
und mit dem zentralen Teil der Elektrodenplatte 37 durch Drahtverbindung
verbunden. Steuereingangsschaltungen 20 des oberen Arms
sind auf entsprechenden individuellen Elektrodenplatten 38 angebracht,
die unmittelbar oberhalb der gemeinsamen Elektrodenplatte 33 angeordnet
und mit den entsprechenden Halbleiterelementen 10 durch
Drahtverbindung verbunden sind. Steuereingangsschaltungen 20a des unteren
Arms sind auf individuellen Elektrodenplatten 38 angebracht,
die unmittelbar unterhalb der individuellen Elektrodenplatte 36 und
der Elektrodenplatte 37 angeordnet sind, und mit den entsprechenden Halbleiterelementen 10 und 12 durch
Drahtverbindung verbunden sind.
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Wie
in 2(b) gezeigt, sind
der Bremsanschluss B und die Eingangsanschlüsse P und N der Hauptschaltung
in einer Zeile auf der linken Seite der Basis 30 angeordnet,
die sich rechtwinklig zu der Ausrichtung der Halbleiterelemente 10 und 10a des oberen
und unteren Arms erstreckt. Die Ausgangsanschlüsse U, V und W der Hauptschaltung
sind in einer Zeile auf der rechten Seite der Basis 30 angeordnet,
die sich rechtwinklig zu der Ausrichtung der Halbleiterelemente 10 und 10a des
oberen und unteren Arms erstreckt.
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Steuereingangsanschlüsse Tc sind
aufgeteilt und an den Seiten der Basis 30 angeordnet, die
sich parallel zu der Ausrichtung der Halbleiterelemente 10 und 10a erstreckt.
Da die Verbindung der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse mit
dem Chipanbringungsbereich über
Leiter 40 in der gleichen Art wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
gemacht ist, wird die Erläuterung
ausgelassen. Zwei Verdrahtungsplatten 50 werden in dem
zweiten Ausführungsbeispiel
zum Anbringen der Steuereingangsanschlüsse Tc verwendet. Eine der
Verdrahtungsplatten 50 ist im oberen Teil der Basis 30 angeordnet,
und die andere in dem unteren Teil der Basis 30. Die Steuereingangsanschlüsse Tc sind
als Teil der Verdrahtungsplatten 50 konstruiert. Die Verdrahtungsplatten 50 sind
klein genug, um die interne Verdrahtungslänge wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
zu verkürzen.
Da das wie in 2(c) zusammengefügte Modul
fast das gleiche ist wie das in 1(c),
außer
dass das Modul im zweiten Ausführungsbeispiel
quadratisch ist, wird die Erläuterung
bezüglich
der 2(c) weggelassen. Das
zweite Ausführungsbeispiel
ist dem ersten Ausführungsbeispiel
vorzuziehen, da das Modul 70 als ein Quadrat geformt ist,
was weitere Reduzierung der Größe des Moduls
im Vergleich mit dem rechteckförmigen
Modul des ersten Ausführungsbeispiels
ermöglicht.
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Obwohl
die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung wurden durch Verwendung des Insolated
Gate Bipolar Transistors als das Halbleiterelement 10, 10a erläutert, kann
es leicht verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung auf
Treiberschaltungsmodule anwendbar ist, die Bipolare Transistoren,
Feldeffekt-Transistoren etc. beinhalten. Es ist ebenso verständlich,
dass die vorliegende Erfindung auf Treiberschaltungsmodule anwendbar
ist, die eine zweiphasige Brückenschaltungskonfiguration
haben.
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Wie
oben beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung eine Treiberschaltungsvorrichtung
bereit, die eine Brückenverbindung
hat, mit einer Schaltungskonfiguration, die jedes Leistungshalbleiterelement
mit einer Steuereingangsschaltung versieht. Im ersten Ausführungsbeispiel
sind die Halbleiterelemente entlang der Längsseite der rechteckförmigen Basisplatte
angebracht. Die Chips der Steuereingangsschaltung sind von den Halbleiterelementen zur
kurzen Seite der Basisplatte versetzt und entlang der Längsseite
der Basisplatte angebracht. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der
Hauptschaltung sind auf einer Seite der Basisplatte angeordnet, entlang
derer die Halbleiterelemente ausgerichtet sind. Die Steuereingangsanschlüsse sind
auf der anderen Seite der Basisplatte angeordnet, entlang derer
die Steuereingangsschaltungen ausgerichtet sind.
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Im
zweiten Ausführungsbeispiel
sind die Chips der Halbleiterelemente und der Steuereingangsschaltungen
aufgeteilt und entlang einem Paar der Seiten der quadratischen Basisplatte,
die einander gegenüberliegen,
angebracht. Die Steuereingangsschaltungen sind auf der Randseite
der korrespondierenden Halbleiterelemente angebracht. Die Steuereingangsanschlüsse sind
ebenso aufgeteilt und auf der Seite angeordnet, entlang derer die
Steuereingangsschaltungen angeordnet sind. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der
Hauptschaltung sind auf dem anderen Paar der Seiten der quadratischen
Basisplatte, die einander gegenüberliegen,
angeordnet. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse sind mit den Halbleiterelementen über Leiter
verbunden. Und die Steuereingangsschaltungen sind mit den Steuereingangsanschlüssen über Verdrahtungsplatten
verbunden.
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Die
vorliegende Erfindung, die die oben beschriebenen Modulstrukturen
einführt,
zeigt die folgenden Effekte.
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Die
Chips der Steuereingangsschaltungen sind im Randbereich des Chipsanbringungsbereichs angebracht,
und die Steuereingangsanschlüsse
sind im Randbereich der Basis in großer Nähe zu den entsprechenden Steuereingangsschaltungen
angeordnet. Folglich ist die Steuersignalverdrahtung zwischen den
Steuereingangsschaltungen und ihren entsprechenden Anschlüssen auf
eine Länge
verkürzt,
die kurz genug ist, um die herkömmlichen
Kondensatoren zum Kompensieren der Verdrahtungsinduktivitäten zu eliminieren.
Dies macht es möglich, ein
kleine Verdrahtungsplatte für
die Steuersignalverdrahtung einzuführen. Als Folge werden die
Kosten und die Größe des Moduls
reduziert.
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Die
Steuereingangsschaltung mit kleiner Chipgröße ist ausreichend genug zum
direkten Steuern der entsprechenden Leistungshalbleiterelemente.
Und die Steuereingangsschaltungen sind in großer Nähe zu den gepaarten Halbleiterelementen
angeordnet. Folglich ist die Vergrößerung des Chipanbringungsbereichs
durch die Integration der Steuerfunktion klein. Da die Steuereingangsschaltungen und
die entsprechenden Halbleiterelemente mittels kurzer Verbindungsdrähte verbunden
werden, werden Störungen
daran gehindert, von der Eingangsseite der Halbleiterelemente einzudringen
und das Modul wird vor Fehlfunktionen geschützt.
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Durch
Anordnung der den oberen Arm und den unteren Arm bildenden Halbleiterelemente
in der vorherbestimmten Ordnung wird Kreuzverdrahtung der Leiter
zwischen den Halbleiterelementen und den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen der
Hauptschaltung verhindert. Folglich wird der Chipanbringungsbereich
der Basis effektiv genutzt und eine einfache Anordnung der bildenden
Elemente wird ermöglicht.
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Der
Chipanbringungsbereich wird weiter reduziert durch Anordnung von
zwei Sätzen
der herkömmlichen
Elektrodenplatte und der individuellen Elektrodenplatten, ein Satz
für die
Halbleiterelemente des oberen Arms bzw. ein anderer Satz für die Halbleiterelemente
des unteren Armes, durch Anordnung der Halbleiterelemente des oberen
Armes auf der gemeinsamen Elektrodenplatte und Verbinden der Halbleiterelemente
des oberen Armes mit den entsprechenden individuellen Elektrodenplatten, durch
Anordnung der Halbleiterelemente des unteren Armes auf den entsprechenden
individuellen Elektrodenplatten und Verbinden der Halbleiterelemente des
unteren Armes mit der gemeinsamen Elektrodenplatte.
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Die
Herstellung der Chips der integrierten Steuereingangsschaltung wird
durch Trennen der Halbleiterelementchips von den Steuereingangsschaltungschips,
und durch Anbringen der Steuereingangsschaltungschips auf Elektrodenplatten
getrennt von den Halbleiterelementchips ermöglicht.
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Weiter
wird die Anwendungsfreiheit des Treiberschaltungsmoduls durch Einschließen der
Leistungsversorgungsanschlüsse,
die von jedem Steuereingangsanschluss in die Steuereingangsanschlüsse hinausgeführt werden,
vergrößert.