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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Wechselrichter-Halbleitermodul, das diskrete
externe Komponenten und eine Halbleiter-Wechselrichtereinrichtung
hat, die ein Paar von Halbleiter-Schaltelementen aufweist, die miteinander in
Reihe geschaltet sind, um alternierend zu leiten und abzuschalten.
Das Halbleitermodul ist durch den Einbau einer solchen Halbleitereinrichtung
in ein Schaltungssubstrat gebildet, und die Erfindung betrifft speziell
die Miniaturisierung der Halbleitereinrichtung.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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US
5 280 228 zeigt eine integrierte Halbleiter-Wechselrichterschaltung
mit einer Drehstrombrücke
zur Steuerung eines drehzahlgeregelten Motors. Insbesondere beschreibt
dieses Patent eine Möglichkeit,
wie der Wechselrichter miniaturisiert werden kann, indem der Drehstrom-Brückenwechselrichter, die
Treiberschaltungen und eine Schutzschaltung auf einem einzigen isolierenden
dielektrischen Substrat in Form einer monolithischen integrierten
Schaltung bzw. IC gebildet sind. Um den hohen Spannungen standzuhalten,
die von den Halbleiter-Schaltelementen geschaltet werden, sind diese
Elemente voneinander dadurch getrennt, daß sie in einem durch einen dielektrischen
Körper
getrennten Halbleiterbereich ausgebildet sind.
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8 ist
ein Schaltbild, das den Aufbau einer den Hintergrund der vorliegenden
Erfindung bildenden herkömmlichen
Halbleitereinrichtung zeigt. Die Einrichtung 150 weist
IGBT 11 bis 16 auf, die als Leistungsschaltelemente
dienen. Reihenschaltungen der IGBT 11 und 14,
der IGBT 12 und 15 sowie der IGBT 13 und 15 sind
zwischen Energieversorgungsanschlüssen P und N eingefügt, die
mit einer externen Gleichstromquelle verbunden sind, so daß sie zueinander
parallel sind. Ein Stromfühler- Widerstandselement 27 mit
einem kleinen Widerstandswert ist zwischen Emitterelektroden der
IGBT 14 bis 16 und dem Energieversorgungsanschluß N eingefügt.
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Die Verbindungspunkte der Paare von
IGBT, die die jeweiligen Reihenschaltungen bilden, sind mit Ausgängen U,
V und W verbunden, die jeweils mit einer internen Drehstromlast
verbunden sind. Freilaufdioden 21 bis 26 sind
mit den IGBT 11 bis 16 jeweils parallelgeschaltet,
um die IGBT 11 bis 16 gegen Bruch infolge von
Rückwärtsströmen zu schützen.
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Steuerschaltungen 31 bis 33 sind
jeweils mit den P-seitigen IGBT 11 bis 13 verbunden.
Gleichermaßen
ist eine Steuerschaltung 34 mit den N-seitigen IGBT 14 bis 16 verbunden.
Diese Steuerschaltungen 31 bis 34 empfangen externe
Signale, die unabhängig
voneinander durch Signaleingangsstifte IN in sechs Signaleingänge UP,
VP, WP, UN, VN und WN eingegeben werden, die in der Einrichtung 150 vorgesehen
sind, und geben Spannungssignale zum Treiben der IGBT 11 bis 16 durch
Signalausgangsstifte OUT in Abhängigkeit
von den jeweiligen Signalen ab. Die Steuerschaltung 34 hat
ferner eine Funktion des Abschaltens der IGBT 14 bis 16,
wenn ein übergroßer Laststrom
fließt,
und zwar auf der Basis eines Spannungsabfalls über dem Widerstandselement 27,
der in die Fühlersignalstifte
CIN eingeführt wird.
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Die externen Signale werden so eingegeben, daß sie die
Paare von IGBT, die zu den drei Reihenschaltungen gehören, jeweils
alternierend einschalten (das Leiten zulassen) und ausschalten (sperren). Infolgedessen
ergeben sich hinsichtlich der Potentiale der Ausgangsanschlüsse U, V
und W Übergänge zwischen
hohen und niedrigen Potentialen, die den jeweiligen Energieversorgungsanschlüssen P bzw.
N zugeführt
werden. Ferner werden die externen Signale so eingegeben, daß die Ausgänge U, V
und W um 120° voneinander
phasenverschoben sind. Infolgedessen geben die Ausgänge U, V
und W Dreiphasenspannungen und -ströme ab.
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Die Steuerschaltungen 31 bis 34 werden
mit Energie betätigt,
die über
hochpotentialseitige Quellenstifte Vcc und niedrigpotentialseitige
Quellenstifte COM und GND zugeführt
wird. Die Einrichtung 150 weist ferner vier Steuerquellenanschlüsse Vcc
auf, die mit den Quellenstiften Vcc der Steuerschaltungen 31 bis 34 jeweils
direkt verbunden sind, sowie einen einzigen Steueranschluß GND, der
gemeinsam mit den vier Quellen stiften COM und GND verbunden ist. Die
externe Gleichstromversorgung ist mit den vier Steuerquellenanschlüssen Vcc
und dem Steueranschluß GND
verbunden.
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Die Steuerschaltungen 31 bis 33 weisen
weiterhin potentialfreie Quellenstifte VD und VS auf, die weitere
Paare von Quellenstiften sind, da es notwendig ist, Spannungssignale
auf der Basis der Potentiale der Ausgänge U, V und W zu Gateelektroden
der IGBT 11 bis 13 zu übertragen. Die drei potentialfreien Quellenstifte
VS sind jeweils mit den Ausgängen
U, V und W verbunden. Die Einrichtung 150 weist ferner drei
Paare von potentialfreien Quellenanschlüssen VD und VS auf, die mit
den drei Paaren von potentialfreien Quellenstiften VD bzw. VS verbunden
sind.
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Die drei potentialfreien Quellenanschlüsse VD sind
mit den Steuerquellenanschlüssen
Vcc durch Diodenelemente 61 bis 63, die im äußeren Teil der
Einrichtung 150 vorgesehen sind, und Widerstandselemente 55 verbunden,
die damit jeweils in Reihe verbunden sind. Ferner sind kapazitive
Elemente 51 bis 53 zwischen den drei Paaren von
potentialfreien Quellenanschlüssen
VD bzw. VS im äußeren Bereich
der Einrichtung 150 angeordnet. Wenn die Potentiale der
Ausgänge
U, V und W auf das Potential des Energiequellenanschlusses N abfallen,
werden die kapazitiven Elemente 51 bis 53 durch
das Leiten der jeweiligen Diodenelemente 61 bis 63 aufgeladen.
Die kapazitiven Elemente 51 bis 53 sind so ausgebildet,
daß sie
Spannungen über den
potentialfreien Quellenstiften VD und VS der Steuerschaltungen 31 bis 33 über einen
Zeitraum bis zu einer nächsten
Aufladeperiode auf Werten halten, die einen vorbestimmten Wert überschreiten.
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Wie oben beschrieben wird, sind die
drei potentialfreien Quellenanschlüsse VS unabhängig von den
Ausgängen
U, V und W bei der herkömmlichen Einrichtung 150 vorgesehen,
obwohl die ersteren auf den gleichen Potentialen wie die letzteren
sind. Die drei potentialfreien Quellenanschlüsse VS sind mit den Ausgängen U,
V und W jeweils durch Leiterstrukturen im Inneren der Einrichtung 150 verbunden.
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Eine Fläche, die zur Bereitstellung
dieser potentialfreien Quellenanschlüse VS und der Leiterstrukturen
in der Einrichtung notwendig ist, hat jedoch eine nicht vernachlässigbare
Größe, und
die Dimensionen der herkömmlichen
Einrichtung sind daher unvorteilhaft groß. Speziell in einer Einrichtung, die
durch Befestigen verschiedener Arten von Elementen an Leiterrahmen,
die Anschlüsse
und Verdrahtungsstrukturen bilden, und durch dichtes Abschließen derselben
mit Harz gebildet ist, tritt das vorgenannte Problem verstärkt auf,
da die Flächen der
Leiterrahmen unmittelbar die Fläche
der Einrichtung definieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Wechselrichter-Halbleitermodul angegeben, das diskrete
externe Komponenten und eine einheitliche Halbleiter-Wechselrichtereinrichtung
hat, wobei die einheitliche Halbleiter-Wechselrichtereinrichtung folgendes
aufweist: ein erstes Halbleiter-Schaltelement; ein zweites Halbleiter-Schaltelement,
das mit dem ersten Halbleiter-Schaltelement in Reihe geschaltet
ist; einen ersten Steuerschaltkreis, der eine erste Treiberschaltung
aufweist, die über
einen ersten potentialfreien Quellenstift und einen zweiten potentialfreien
Quellenstift zugeführt
wird, wobei der erste Steuerschaltkreis so ausgebildet ist, daß er das
erste Halbleiter-Schaltelement treibt; einen zweiten Steuerschaltkreis,
der so ausgebildet ist, daß er
das zweite Halbleiter-Schaltelement unabhängig treibt; einen Ausgangsanschluß, der mit
dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Halbleiter-Schaltelement und
dem zweiten Halbleiter-Schaltelement verbunden ist, die in Reihe
geschaltet sind, wobei der Ausgangsanschluß ferner mit dem ersten potentialfreien
Quellenstift des ersten Steuerschaltkreises verbunden ist; und einen
Quellenanschluß,
der mit dem zweiten potentialfreien Quellenstift des ersten Steuerschaltkreises
verbunden ist; wobei die diskreten externen Komponenten folgendes
aufweisen: eine externe Kapazität
zum Zweck des Stabilisierens der Spannung über dem ersten potentialfreien
Quellenstift und dem zweiten potentialfreien Quellenstift des ersten
Steuerschaltkreises; dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsanschluß außen mit
dem zweiten potentialfreien Quellenstift durch die externe Kapazität verbunden
ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Wechselrichter-Halbleitermodul bereitgestellt, das
diskrete externe Komponenten und eine Halbleiter-Wechselrichtereinrichtung hat, wobei
die Halbleiter-Wechselrichtereinrichtung (101) folgendes
aufweist: erste Halbleiter-Schaltelemente; zweite Halbleiter-Schaltelemente,
wobei jedes der ersten Halbleiter-Schaltelemente mit einem der zweiten
Halbleiter-Schaltelemente
jeweils einzeln in Reihe geschaltet ist; erste Steuerschaltkreise,
die ers te Treiberschaltungen aufweisen, die durch Energie betrieben
werden, die über
erste potentialfreie Stifte und zweite potentialfreie Quellenstifte
zugeführt
wird, wobei jeder der ersten Steuerschaltkreise so ausgebildet ist,
daß er
eines der ersten Halbleiter-Schaltelemente
treibt; einen zweiten Steuerschaltkreis, der so ausgebildet ist,
daß er
die zweiten Halbleiter-Schaltelemente unabhängig treibt; Ausgangsanschlüsse, wobei
jeder der Ausgangsanschlüsse
mit einem der Verbindungspunkte zwischen den ersten Halbleiter-Schaltelementen
und den zweiten Halbleiter-Schaltelementen, die in Reihe geschaltet
sind, jeweils einzeln verbunden ist, wobei jeder der Ausgangsanschlüsse ferner
mit den ersten potentialfreien Quellenstiften des entsprechenden
ersten Steuerschaltkreises verbunden ist; und Quellenanschlüsse, wobei
jeder der Quellenanschlüsse
mit einem der zweiten potentialfreien Quellenstifte der ersten Steuerschaltkreise
jeweils einzeln verbunden ist; wobei die diskreten externen Komponenten
folgendes aufweisen: externe Kapazitäten zum Zweck des Stabilisierens
der Spannung über
jedem der ersten potentialfreien Quellenstifte und der zweiten potentialfreien Quellenstifte
der entsprechenden ersten Steuerschaltkreise; dadurch gekennzeichnet,
daß die
Ausgangsanschlüsse
außen
jeweils mit den entsprechenden einen der zweiten potentialfreien
Quellenstifte durch die entsprechenden einen der externen Kapazitäten verbunden
sind.
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Bevorzugt weist das Wechselrichter-Halbleitermodul
ferner folgendes auf: einen elektrisch leitfähigen Leiterrahmen, der in
Form einer Platte mit einer Strukturgestalt ist, der die ersten
und zweiten Halbleiter-Schaltelemente und die ersten und zweiten
Steuerschaltkreise hat, die daran befestigt sind und die Ausgangsanschlüsse aufweisen,
und der die Quellenanschlüsse
VD in seinem Außenbereich
als Teile davon hat; und ferner aufweist: einen Abdichtkörper, der
die ersten und zweiten Halbleiter-Schaltelemente und die ersten
und zweiten Steuerschaltkreise gemeinsam mit dem Leiterrahmen so
abdichtet, daß die Ausgangsanschlüsse und
die Quellenanschlüsse
VD freiliegen.
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Ebenfalls bevorzugt sind sowohl die
ersten als auch die zweiten Halbleiter-Schaltelemente Isolierschicht-Halbleiter-Schaltelemente.
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Ebenfalls bevorzugt sind ein dritter
Quellenanschluß und
ein vierter Quellenanschluß beide
mit dem zweiten Steuerschaltkreis verbunden, und ein Diodenelement
ist anodenseitig mit dem dritten und vierten Quellenanschluß verbunden
und kathodenseitig mit einem entsprechenden der Quellenanschlüsse VD in
einer solchen Richtung verbunden, daß ein Durchlaßstrom eine
der externen Kapazitäten
auflädt,
und jede der externen Kapazitäten
ist jeweils einzeln mit den ersten potentialfreien Stiften bzw.
den zweiten potentialfreien Quellenstiften der ersten Steuerschaltkreise
verbunden.
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Ebenfalls bevorzugt ist ein Widerstandselement
mit dem Diodenelement in Reihe geschaltet.
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Bei dem Modul gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist eine einheitliche Halbleiter-Wechselrichtereinrichtung
vorgesehen, wobei ein Ausgangsanschluß, der den ersten des Paars von
potentialfreien Quellenstiften der ersten Steuerschaltung mit der
externen Einrichtung verbindet, mit dem Verbindungspunkt zwischen
dem ersten und dem zweiten Halbleiter-Schaltelement verbunden ist. Daher
ist im Vergleich mit der herkömmlichen
Einrichtung die Zahl der Anschlüsse
verringert, so daß die
Zahl von internen Leiterstrukturen ebenfalls verringert ist. Dadurch
wird die Miniaturisierung der Einrichtung realisiert.
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Das Modul nach dem zweiten Aspekt
der vorliegenden Erfindung weist eine Vielzahl von einheitlichen
Halbleiter-Einrichtungen auf, die jeweils die gleiche Struktur wie
die Einrichtung nach dem ersten Aspekt haben, wobei die Steuerschaltkreise des
ersten und des zweiten zugehörigen
Halbleiter-Schaltelements zueinander parallel geschaltet sind, so
daß sie
als Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselrichter wirksam sind. Die
Miniaturisierung der Einrichtung wird ferner auf die gleiche Weise wie
bei dem ersten Aspekt implementiert.
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Bei der Ausführungsform, bei der verschiedene
Elemente und verschiedene Schaltkreise an dem Leiterrahmen befestigt
sind, weist der Leiterrahmen die Ausgangsanschlüsse auf. Somit resultiert eine
Verringerung der Zahl von Anschlüssen
und Verdrahtungsstrukturen in einer Verringerung der Fläche des
Leiterrahmens. Da die Fläche
des Leiterrahmens unmittelbar die Größe der Einrichtung definiert,
wird eine Miniaturisierung der Einrichtung erzielt.
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Bei diesem Modul können das
erste und das zweite Halbleiter-Schaltelement Isolierschicht-Halbleiter-Schaltelemente
vom spannungsgesteuerten Typ aufweisen. Auf diese Weise ist die
Struktur des ersten und des zweiten Steuerschaltkreises vereinfacht.
Außerdem
wird der Stromverbrauch dieser Steuerschaltkreise vermindert, so
daß insbesondere die
Kapazität
der externen Kapazität,
die mit den Paaren von Quellenstiften des ersten Steuerschaltkreises
verbunden ist, unterdrückt
werden kann.
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Bei der weiteren Ausführungsform,
bei der die Halbleiter-Einrichtung ferner zweite und dritte Quellenanschlüsse aufweist,
wird eine Quellenspannung des ersten Steuerschaltkreises regelmäßig dadurch
aufrechterhalten, daß eine
Gleichstromversorgung zwischen den zweiten und den dritten Quellenanschluß geschaltet
ist. Ferner ist das Schaltungssubstrat, das die Einrichtung aufweist,
weiterhin mit der Kapazität
bestückt,
die zwischen den ersten und zweiten potentialfreien Quellenstiften
eingefügt
ist, während
das Diodenelement zwischen dem zweiten Quellenanschluß und dem
Quellenanschluß eingefügt ist.
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Wenn das Potential des zweiten Quellenanschlusses
anschließend
an EIN/AUS-Vorgänge des ersten
und zweiten Halbleiter-Schaltelements geändert wird, wird die Kapazität durch
das Leiten des Diodenelements aufgeladen. Die Quellenspannung des
ersten Steuerschaltkreises wird durch die Kapazität über eine
konstante Periode aufrechterhalten. Daher wird die Quellenspannung
des ersten Steuerschaltkreises regelmäßig auf einem erforderlichen Pegel
gehalten, indem der Wert der Kapazität richtig eingestellt wird.
Somit werden die Operationen des ersten und des zweiten Steuerschaltkreises
regelmäßig richtig
aufrechterhalten.
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Bei der Halbleiter-Einrichtung ist
nur der zweite Ausgangsanschluß mit
einem von dem Paar von potentialfreien Quellenstiften des ersten
Steuerschaltkreises und der Kapazität verbunden, die auf dem Schaltungssubstrat
angebracht ist. Im Vergleich mit der Alternative des Vorsehens eines
Anschlusses unabhängig
von dem zweiten Anschluß,
so daß die Kapazität mit diesem
Anschluß verbunden
ist, ist es nicht notwendig, die Fläche des Schaltungssubstrats aufgrund
der Kapazität
und der damit verbundenen Leiterstruktur zu vergrößern. Nach
der Verkleinerung der Halbleiter-Einrichtung wird somit auch die
Fläche des
Schaltungssubstrats an sich verkleinert. Somit wird auch die Miniaturisierung
des Moduls implementiert.
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Bei der Ausführungsform, bei der das Widerstandselement
in Reihe mit dem Diodenelement verbunden ist, kann ein übergroßer Strom
verhindert werden, wenn das Diodenelement leitet. Somit können das
Diodenelement und die Kapazität
vor Bruch und verminderter Lebensdauer infolge eines Überstroms
geschützt
werden.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Halbleiter bereitzustellen, der durch Vereinfachen von Leiterstrukturen
miniaturisiert ist, und ein Halbleiter-Modul bereitzustellen, in
das die Halbleiter-Einrichtung eingebaut ist.
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Die vorstehenden und weitere Ziele,
Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden genauen Beschreibung der vorliegenden
Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Schaltbild einer Halbleiter-Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Schaltbild eines in 1 gezeigten
Steuerschaltkreises;
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3 ist
ein Schaltbild eines anderen in 1 gezeigten
Steuerschaltkreises;
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4 ist
eine vordere Schnittansicht der in 1 gezeigten
Einrichtung,
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5 ist
eine vordere Schnittansicht eines Halbleitermoduls gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
ein Verdrahtungsdiagramm des in 5 gezeigten
Moduls;
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7 ist
ein Schaltbild einer Halbleiter-Einrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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8 ist
ein Schaltbild einer herkömmlichen Halbleiter-Einrichtung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsform 1
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1 ist
ein Schaltbild, das die Struktur einer Halbleiter-Einrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
zeigt. Die Einrichtung 101 ist als ein Dreiphasen-Wechselrichter
ausgebildet. 1 zeigt außerdem einen
Hauptteil einer peripheren Schaltung, die mit der Einrichtung 101 zu
verbinden ist. Die periphere Schaltung und die Einrichtung 101 bilden ein
Halbleiter-Modul 102, das noch im einzelnen beschrieben
wird.
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Wie 1 zeigt,
weist die Einrichtung 101 IGBT 11 bis 16 auf,
die als Leistungsschaltelemente dienen. Die IGBT 11 und 14 bilden
eine erste Reihenschaltung, während
eine zweite und eine dritte Reihenschaltung auf gleiche Weise von
den IGBT 12 und 15 bzw. den IGBT 13 und 16 gebildet
sind.
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Diese erste bis dritte Reihenschaltung
sind miteinander parallelgeschaltet und zwischen einem Paar von
Versorgungsanschlüssen
P und N angeordnet, die mit einer externen Gleichstromquelle verbunden
sind. Dabei sind Kollektorelektroden der P-seitigen IGBT (die jeweils
ein erstes Halbleiter-Schaltelement sind) 11 bis 13 mit dem Versorgungsanschluß P einer
Hochpotentialseite verbunden, wogegen Emitterelektroden der N-seitigen IGBT (die
jeweils ein zweites Halbleiter-Schaltelement sind) 14 bis 16 mit dem
Versorgungsanschluß N
einer Niederpotentialseite verbunden sind. Ein Fühler-Widerstandselement 27 ist zwischen
den Emitterelektroden der IGBT 14 bis 16 und dem
Versorgungsanschluß N
angeordnet. Der Widerstandswert des Widerstandselements 27 ist
mit einem hinreichend niedrigen Wert eingestellt, so daß im Vergleich
mit einer Gleichspannung über
den Versorgungsanschlüssen
P und N ein durch das Widerstandselement 27 verursachter
Spannungsabfall nicht-vernachlässigbar
verringert wird.
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Der Verbindungspunkt zwischen den
beiden IGBT, die die erste Reihenschaltung bilden, d. h. der Verbindungspunkt
zwischen der Emitterelektrode des IGBT 1 und der Kollektorelektrode
des IGBT 14, ist mit einem Ausgangsanschluß (dem zweiten
Anschluß)
U verbunden. Gleichermaßen
sind die Verbindungspunkte zwischen den Paaren von IGBT, die die
zweite bzw. die dritte Reihenschaltung bilden, mit Ausgangsanschlüssen (die
jeweils der zweite Anschluß sind)
V bzw. W verbunden. Dabei sind die erste bis dritte Reihenschaltung
jeweils für
eine einzelne der drei Phasen zuständig und haben die Funktionen des
unabhängigen
Schaltens von Gleichströmen,
die durch die Versorgungsanschlüsse
P und N zugeführt werden,
und deren Abgabe durch die Ausgangsanschlüsse U, V bzw. W. Die Ausgangsanschlüsse U, V und
W sind mit einer externen Dreiphasenlast wie beispielsweise einem
Drehstrommotor verbunden.
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Freilaufdioden 21 bis 26 sind
in Reihe mit den IGBT 11 bis 16 geschaltet. Diese
Freilaufdioden 21 bis 26 sind so ausgebildet,
daß sie
die IGBT 11 bis 16 jeweils vor Bruch infolge von
Rückströmen schützen.
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Steuerschaltkreise 31 bis 33 sind
mit den P-seitigen IGBT 11 bis 13 verbunden. Ebenso
ist ein Steuerschaltkreis 34 mit den N-seitigen IGBT 14 bis 16 verbunden.
Diese Steuerschaltkreise 31 bis 34 sind so ausgebildet,
daß sie
jeweils unabhängig
die IGBT 11 bis 16 in Abhängigkeit von externen Signalen
treiben, die jeweils unabhängig
sechs Signaleingangsanschlüssen
UP, VP, WP, UN, VN und WN zugeführt
werden, die in der Einrichtung 101 vorgesehen sind.
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Dabei geben die Steuerschaltkreise 31 bis 34 Ausgangs-Gatespannungen
zum Ein- oder Ausschalten der IGBT 11 bis 16 durch
Signalausgangsstifte OUT in Abhängigkeit
von den externen Signalen ab, die Signaleingangsstiften IN durch
die Signaleingangsanschlüsse
UP, VP, WP, UN, VN und WN zugeführt
werden. Gateelektroden der IGBT 11 bis 16 sind
mit den Signalausgangsstiften OUT verbunden.
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Die externen Signale werden so eingeführt, daß sie die
Paare von IGBT, die zu der ersten bis dritten Reihenschaltung gehören, jeweils
alternierend ein- und ausschalten. Danach werden die Potentiale der
Ausgangsanschlüsse
U, V und W zwischen den Potentialen der Versorgungsanschlüsse P und
N umgeschaltet. Außerdem
werden die externen Signale so eingeführt, daß die Ausgangsanschlüsse U, V
und W um 120° phasenverschoben
sind. Infolgedessen geben die Ausgangsanschlüsse U, V und W Dreiphasen-Spannungen
und -Ströme
ab.
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Die Einrichtung 101 weist
ferner vier Steuerquellenanschlüsse
Vcc (die jeweils der dritte Anschluß sind) der Hochpotentialseite
und einen Steuerquellenanschluß (den
vierten Anschluß)
GND der Niedrigpotentialseite auf, der damit gepaart ist, und zwar
unabhän gig
von den Versorgungsanschlüssen P
und N, die mit der externen Energieversorgung verbunden sind. Die
vier Steuerquellenanschlüsse
Vcc sind jeweils unabhängig
mit hochpotentialseitigen Quellenstiften Vcc der vier Steuerschaltkreise 31 bis 34 verbunden,
während
der Steuerquellenanschluß GND
mit niedrigpotentialseitigen Quellenstiften COM und GND der Steuerschaltkreise 31 bis 34 zusammengeschaltet
ist.
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Die vier Steuerquellenanschlüsse Vcc
sind miteinander durch Leiterstrukturen verbunden, die Teile der
peripheren Schaltung bilden. Die externe Gleichstromquelle ist mit
den Steuerquellenanschlüssen
Vcc und dem Steuerquellenanschluß GND verbunden. Infolgedessen
werden die Spannung und der Strom, die von der Gleichstromversorgung
ausgegeben werden, direkt den Steuerschaltkreisen 31 bis 34 zugeführt.
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Kapazitive Elemente 41 bis 44 zum
Unterdrücken
von Spannungsschwankungen sind zwischen die jeweiligen Quellenstifte
Vcc und die Quellenstifte COM und GND der Steuerschaltkreise 31 bis 34 geschaltet.
Von den vier Steuerschaltkreisen 31 bis 34 weisen
die Steuerschaltkreise 31 bis 33 zur Steuerung
der P-seitigen IGBT 11 bis 13 zusätzliche Paare
von potentialfreien Quellenstiften (Sourceelektroden) VD und VS
zusätzlich
zu den Paaren von Quellenstiften Vcc und COM auf. Dabei benötigt jeder
der Steuerschaltkreise 31 bis 33 zwei Systeme von
Energieversorgungen.
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Die Einrichtung 101 weist
ferner drei potentialfreie Quellenanschlüsse VD (die jeweils der erste Anschluß sind)
auf, die direkt mit den potentialfreien Quellenstiften VD der Steuerschaltkreise 31 bis 33 verbunden
sind. Diese drei potentialfreien Quellenanschlüsse VD sind mit den Steuerquellenanschlüssen Vcc
durch Diodenelemente 61 bis 63, die in der peripheren
Schaltung vorgesehen sind, und ein Widerstandselement 55 verbunden,
die damit jeweils in Reihe verbunden sind, und gleichzeitig mit
den Ausgangsanschlüssen
U, V und W durch kapazitive Elemente 51 bis 53 verbunden,
die jeweils in der peripheren Schaltung vorgesehen sind. Weiterhin
sind potentialfreie Quellenstifte VS der Steuerschaltkreise 31 bis 33 mit
den jeweiligen Ausgangsanschlüssen U,
V und W im Inneren der Einrichtung 101 direkt verbunden.
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2 zeigt
die innere Struktur des Steuerschaltkreises 31, und zwar
repräsentativ
für die
Steuerschaltkreise 31 bis 33. Der Steuerschaltkreis 31 ist durch
einen einzigen Halbleiterchip gebildet, so daß in den Halbleiterchip eine
Impulserzeugungsschaltung
35, die mit Energie betrieben
wird, die durch die Quellenstifte Vcc und COM zugeführt wird,
eine Treiberschaltung (erste Treiberschaltung) 37, die
mit von den potentialfreien Quellenstiften VD und VS zugeführter Energie
betrieben wird, ein Pegelumsetzer 36, der diese weiterleitet,
und ein Gate-Widerstandselement 38, das mit einem Ausgang
der Treiberschaltung 37 verbunden ist, eingebaut sind.
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Die Impulserzeugungsschaltung 35 gibt
ein Impulssignal mit einem Pegel auf der Basis der Potentiale der
Quellenstifte Vcc und COM als Reaktion auf das externe Signal ab,
das dem Signaleingangsstift IN zugeführt wird, der mit dem Signaleingangsanschluß UP direkt
verbunden ist. Dieses Impulssignal wird von dem Pegelumsetzer 36 einer
Pegelumsetzung unterzogen und in die Treiberschaltung 37 eingeführt. Die
Treiberschaltung 37 gibt eine Gatespannung aus, die auf
dem Potential des potentialfreien Quellenstifts VS basiert, und
zwar in Abhängigkeit
von dem eingeführten
Impulssignal. Diese Gatespannung wird durch das Gate-Widerstandselement 37 zu
dem Signalausgabestift OUT übertragen.
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Wie oben beschrieben wird, sind die
Potentiale der Ausgangsanschlüsse
U, V und W entsprechend den EIN/AUS-Operationen der IGBT 11 bis 16 veränderlich.
Die potentialfreien Quellenstifte VS der Steuerschaltkreise 31 bis 33 sind
jeweils mit den Ausgangsanschlüssen
U, V und W verbunden, so daß das
die Basis jeder Treiberschaltung 37 bildende Potential
in bezug auf das Potential veränderlich
ist, das die Basis jeder Impulserzeugungsschaltung 35 ist.
Somit sind die Impulserzeugungsschaltung 35 und die Treiberschaltung 37 in
zwei Inseln eingebaut, die in dem einzelnen Halbleiterchip in bezug
aufeinander elektrisch isoliert sind. Wegen der Änderung des Referenzpotentials
der Treiberschaltung 37 ist der Pegelumsetzer 36 zur
Pegeleinstellung zwischen die Impulserzeugungsschaltung 35 und
die Treiberschaltung 37 eingefügt.
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Es wird erneut auf 1 Bezug genommen; das Diodenelement 61 wird
leitend, wenn das Potential des Ausgangsanschlusses U wegen der
Operationen der IGBT 11 und 14, die jeweils in
den AUS- und EIN-Zustand gelangen, auf dasjenige des Versorgungsanschlusses
N abfällt.
Zu diesem Zeitpunkt fließt
ein durch das Widerstandselement 55 begrenzter Strom in
das kapazitive Element 51 und lädt dadurch das kapazitive Element 51 auf.
Die übrigen
kapazitiven Elemente 52 und 53 werden auf die
gleiche Weise aufgeladen, wenn die Potentiale der Ausgangsanschlüsse V und
W auf das Potential des Versorgungsanschlusses N abfallen.
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Die kapazitiven Elemente 51 bis 53 sind
so ausgebildet, daß sie
die Spannungen über
den potentialfreien Quellenstiften VD und VS der Steuerschaltkreise 31 bis 33 über eine
Periode bis zu einer nächsten
Aufladeperiode auf Werten halten, die einen vorgegebenen Wert überschreiten.
Infolgedessen können
die Steuerschaltkreise 31 bis 33 die richtigen
Operationen regelmäßig aufrechterhalten.
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Der Steuerschaltkreis 34 zum
Treiben der N-seitigen IGBT 14 bis 16 weist drei
Fühler-Signalstifte CIN
auf. Verbindungspunkte zwischen den IGBT 14 bis 16 und
dem Widerstandselement 27 sind mit den Fühler-Signalstiften
CIN verbunden.
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Das Schaltbild von 3 zeigt den inneren Aufbau des Steuerschaltkreises 34.
Dieser Steuerschaltkreis 34 ist ebenfalls durch einen einzigen Halbleiterchip
gebildet. Drei Schaltungsteile 71 bis 73 zum jeweils
unabhängigen
Treiben der drei IGBT 14 bis 16 sind in diesen
Halbleiterchip eingebaut. Unter Bezugnahme auf den Schaltungsteil 71 als
repräsentatives
Beispiel weist dieser Schaltungsteil 71 ferner eine Überstromschutzschaltung 39 zusätzlich zu
Teilen der gleichen Struktur wie der Steuerschaltkreis 31 auf.
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Wenn die Potentialdifferenz zwischen
dem Potential, das dem Fühler-Signalstift
CIN zugeführt wird,
und demjenigen des Quellenstifts GND einen bestimmten Referenzwert überschreitet,
verringert die Überstromschutzschaltung 39 die
Ausgangsspannung des Signalausgangsstifts OUT, d. h. die Gatespannung
des IGBT 14, auf Null oder einen negativen Wert, und zwar
ungeachtet des Ausgangs der Treiberschaltung (der zweiten Treiberschaltung) 37.
Somit wird der IGBT 14 ohne Rücksicht auf den Wert des externen
Signals, das dem Signaleingangsanschluß UN zugeführt wird, ausgeschaltet.
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Die Potentialdifferenz zwischen dem
Fühler-Signalstift
CIN und dem Quellenstift GND stimmt mit der Größe des Spannungsabfalls überein,
die über
dem Widerstandselement 27 bewirkt wird. Der Spannungsabfall,
der über
dem Widerstandselement 27 bewirkt wird, ist zu der Größe des durch
das Widerstandselement 27 fließenden Stroms, d. h. des durch
die Last fließenden
Stroms, proportional. Daher sind die Überstromschutz schaltungen 39 so
ausgebildet, daß sie
die IGBT 14 bis 16 ausschalten, wenn der Laststrom über den
bestimmten Referenzwert hinaus ansteigt, so daß ein Bruch der IGBT 11 bis 16 verhindert
wird, d. h. die Einrichtung 101 wird vor Bruch infolge
eines Überlaststroms
geschützt.
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Es wird erneut auf 1 Bezug genommen; die kapazitiven Elemente 51 bis 53 sind
zwischen die potentialfreien Quellenanschlüsse VD, die wie oben beschrieben
mit den Steuerschaltkreisen 31 bis 33 und den
Ausgangsanschlüssen
U, V und W verbunden sind, und die potentialfreien Quellenanschlüsse VS geschaltet,
und die in der herkömmlichen
Einrichtung 150 vorgesehenen potentialfreien Quellenanschlüsse VS sind
entfernt. Anders ausgedrückt
sind die drei potentialfreien Quellenanschlüsse VS und die Ausgangsanschlüsse U, V
und W in der Einrichtung 101 gemeinsam miteinander vorgesehen.
Daher sind auch Leiterzüge
entfernt, die bei der herkömmlichen
Vorrichtung 150 zum Verbinden der drei potentialfreien
Quellenanschlüsse
VS und der Ausgangsanschlüsse
U, V und W angeordnet waren. Somit ist die für diese Leiterzüge und potentialfreien Quellenanschlüsse VS erforderliche
Fläche
bei der Einrichtung verringert, und die Einrichtung 101 ist
gegenüber
der herkömmlichen
Einrichtung 150 miniaturisiert.
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4 ist
eine vordere Schnittansicht einer beispielhaften Struktur der Einrichtung 101.
Bei diesem Beispiel ist die Einrichtung 101 als sogenannte Dual-in-line-
oder DIP-Einrichtung
ausgebildet. In der Einrichtung 101 sind die Schaltungselemente
wie etwa die IGBT 11 bis 16 und die Steuerschaltkreise 31 bis 34 mit
einer Vielzahl von Bereichen an einem plattenähnlichen Leiterrahmen 3 aus
Kupfer, der eine vorbestimmte Strukturgestalt hat, verlötet.
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Diese Elemente sind ferner mit verschiedenen
Bereichen des Leiterrahmens 3 beispielsweise durch einen
Bonddraht 17 aus Aluminium, einen Bonddraht 18 aus
Gold und dergleichen verbunden. Von diesen Elementen sind in 4 der IGBT 11 und der
Steuerschaltkreis 31 zu sehen. Der Leiterrahmen 3 bildet
die Leitungsmuster der Einrichtung 101 und bildet gleichzeitig
einen nach außen
vorspringenden Anschluß.
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Die Einrichtung 101 weist
ferner eine plattenähnliche
Wärmesenke 1 auf,
die einer Hauptoberfläche
des Leiterrahmens 3 gegenüberliegen soll, die mit einem
Zwischenraum derjenigen gegenüberliegt, die
mit den Elementen versehen ist. Elektrisch isolie rendes Abdichtharz 2 dichtet
Teile des Leiterrahmens 3 ausschließlich des Anschlusses, der
verschiedenen daran angebrachten Elemente und der Wärmesenke 1 ab.
Das Abdichtharz 2 füllt
ferner den Zwischenraum zwischen dem Leiterrahmen 3 und
der Wärmesenke 1 aus,
wodurch der Leiterrahmen 3 und die Wärmesenke 1 thermisch
miteinander verbunden sind, und bewirkt gleichzeitig die elektrische
Isolierung derselben in bezug aufeinander.
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Wie oben beschrieben wird, sind die
potentialfreien Quellenanschlüsse
VS sowie die Leiterzüge, die
die potentialfreien Quellenanschlüsse VS mit den Ausgangsanschlüssen U,
V und W verbunden, entfernt, so daß diese potentialfreien Quellenanschlüsse VS und
Leiterzüge
von dem Leiterrahmen 3 nicht gebildet werden können. Daher
ist die Fläche
des Leiterrahmens 3 verringert. Infolgedessen ist die Einrichtung 101 miniaturisiert.
Die Fläche
des Leiterrahmens 3 definiert unmittelbar die Größe der Gesamteinrichtung 101,
so daß der
Effekt einer Verkleinerung der Dimensionen der Einrichtung 101 bei
dieser Einrichtung 101 deutlich erkennbar ist.
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Ausführungsform 2
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Ein Halbleitermodul 102,
das durch Einbau der Einrichtung 101 in ein Schaltungssubstrat
gebildet ist, wird nachstehend beschrieben. Die 5 und 6 sind
eine Schnittansicht bzw. ein Schaltdiagramm des Moduls 102. 5 entspricht einer Schnittansicht
entlang der Linie A-A in 6.
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Wie diese Figuren zeigen, weist das
Modul 102 ein Schaltungssubstrat 80 auf, und die
Einrichtung 101 ist an einem vorbestimmten Bereich dieses Schaltungssubstrats 80 befestigt.
Eine Abstrahlungsrippe 91 aus einem wärmeleitfähigen Material wie etwa Aluminium
ist an der Einrichtung 101 so befestigt, daß sie mit
der Wärmesenke 1 in
Berührung
ist. Wärmeverluste,
die in den IGBT 11 bis 16 verursacht werden, werden
von der Wärmesenke 1 zu
der Abstrahlungsrippe 91 übertragen und wirkungsvoll
nach außen
abgestrahlt.
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Die verschiedenen Schaltungselemente,
die in der peripheren Schaltung der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Einrichtung 101 vorgesehen
sind, sind auf einer Hauptoberfläche
des Schaltungssubstrats 80 angeordnet, die derjenigen gegenüber liegt, die mit der Einrichtung 101 und
der Abstrahlungsrippe 91 (der Abstrahlungseinrichtung) versehen
ist. Das Schaltungssubstrat 80 ist auf seinen beiden Hauptoberflächen mit
Leiterzügen
versehen, die die Stifte der verschiedenen Schaltungselemente, die
auf dem Schaltungssubstrat 80 angebracht sind, und den
verschiedenen Anschlüssen
der Einrichtung 101, die von dem Leiterrahmen 3 gebildet ist,
richtig verbinden. 6 verdeutlicht
in Vollinien die typischen Leiterzüge, die auf dem Schaltungssubstrat 80 angeordnet
sind.
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Das Schaltungssubstrat 80 weist
ferner äußere Anschlüsse 81 bis 89,
TP, TN, TU, TV und TW auf, die die äußere Einrichtung und die Einrichtung 101 miteinander
verbinden. Von diesen sind die äußeren Anschlüsse 81 bis 83 und 85 bis 87 dazu
ausgebildet, eine äußere Signaleingabeeinrichtung
mit den Signaleingangsanschlüssen
UP, VP, WP, UN, VN und WN zu verbinden. Andererseits sind die äußeren Anschlüsse 84 bis 89 dazu
ausgebildet, eine äußere Steuerenergiequelle
und die Steuerquellenanschlüsse
Vcc und GND miteinander zu verbinden. Ferner sind die äußeren Anschlüsse TP und
TN dazu ausgebildet, eine äußere Gleichstromquelle
wie etwa einen beispielsweise in 6 gezeigten
Umrichter 93 mit den Versorgungsanschlüssen P und N zu verbinden. Zusätzlich sind
die äußeren Anschlüsse TU,
TV und TW dazu ausgebildet, eine äußere Last 94 mit den Ausgangsanschlüssen U,
V und W zu verbinden.
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Der Umrichter 93 weist Dioden
D1 bis D6 auf und gibt eine gleichgerichtete Vollwellen-Dreiphasenspannung
durch Verbinden einer Drehstromquelle 92 mit der Eingangsseite
ab. Somit ist das Schaltungssubstrat 80 außerdem mit
einem kapazitiven Glättungselement 56 versehen,
das zwischen den äußeren Anschlüssen TP
und TN eingefügt
ist. Bevorzugt ist auch ein kapazitives Glättungselement 57 zwischen
den äußeren Anschlüssen 84 und 89 eingefügt.
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Wie aus dem Verdrahtungsdiagramm
von 6 klar ersichtlich
ist, sind die kapazitiven Elemente 51 bis 53 mit
den drei potentialfreien Quellenanschlüssen VD und den Ausgangsanschlüssen U,
V und W jeweils durch die Leiterzüge verbunden. Das gilt auch
für den
Fall der Verwendung der herkömmlichen
Vorrichtung 150. Dabei sind die kapazitiven Elemente 51 bis 53 mit
den drei potentialfreien Quellenanschlüssen VD und den drei potentialfreien Quellenanschlüssen VS
jeweils auch dann durch die Leiterzüge verbunden, wenn die herkömmliche
Vorrichtung 150 verwendet wird.
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Wenn ferner die Einrichtung 101 durch
die herkömmliche
Vorrichtung 150 ersetzt wird, ist es also nicht notwendig,
die Fläche
des Schaltungssubstrats 80 zu vergrößern, um die kapazitiven Elemente 51 bis 53 und
die Leiterzüge
vorzusehen. Die Fläche des
Schaltungssubstrats 80 kann außerdem aufgrund der Verringerung
der Fläche
verkleinert werden, die von der Einrichtung 101 nach Verringerung ihrer
Anschlüsse
eingenommen wird. Somit bietet die Einrichtung 101 den
Effekt, daß nicht
nur die Einrichtung 101 selber, sondern auch das Modul 102,
an dem sie angebracht ist, miniaturisiert wird.
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Ausführungsform 3
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Die Einrichtung 101 gemäß der ersten
Ausführungsform
ist als ein Drehstrom-Wechselrichter ausgebildet.
Die charakteristische Struktur, bei der die potentialfreien Quellenstifte
VS gemeinsam mit den Ausgangsanschlüssen ausgebildet und interne Drähte zwischen
ihnen entfernt sind, ist jedoch nicht auf den Drehstrom-Wechselrichter
beschränkt,
sondern auch an einem allgemeinen Mehrphasen- oder einem Einphasen-Wechselrichter anwendbar.
Dieser wird gebildet durch geeignete Erhöhung/Verringerung der Zahl
von Schaltungsteilen entsprechend den jeweiligen Phasen des in 1 gezeigten Dreiphasen-Wechselrichters.
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Die vorliegende Erfindung ist außerdem nicht
auf den Wechselrichter beschränkt,
sondern auch bei der sogenannten Brückenschaltung ausführbar, die
ein Paar von in Reihe geschalteten Schaltelementen hat, die alternierend
ein- und ausgeschaltet werden. Diese Brückenschaltung ist hier dargestellt.
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Eine Halbleiter-Einrichtung 103,
deren Schaltbild in 7 gezeigt
ist, ist als Brückenschaltung
ausgebildet. In 7 sind
Teile, die mit denen der Einrichtung und der peripheren Schaltung
von 1 identisch sind,
mit den gleichen Bezugszeichen versehen, um eine Doppelbeschreibung
zu vermeiden. In dieser Einrichtung 103 ist ein Paar von
in Reihe liegenden IGBT 11 und 14 zwischen den
Versorgungsanschlüssen
P und N angeordnet. Ein Fühler-Widerstandselement 27 liegt
zwischen einer Emitterelektrode des IGBT 14 und dem Versorgungsanschluß N.
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Die Einrichtung 103 weist
ferner Steuerschaltkreise 31 und 46 zur Steuerung
der IGBT 11 bzw. 14 auf. Der Steuerschaltkreis 46 ist
zu einem der Schaltungsteile 71 bis 73, beispielsweise
dem Schaltungsteil 71 in dem Schaltbild von 3 äquivalent. Die Einrichtung 103 entspricht
also einer Schaltung für
eine Phase der Einrichtung 101, die als Dreiphasen-Wechselrichter
dient.
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Auch bei dieser Einrichtung 103 sind
die potentialfreien Quellenstifte VS, die in der herkömmlichen
Einrichtung 150 vorgesehen sind, sowie die Leiterzüge, die
die potentialfreien Quellenstifte VS mit einem Ausgangsanschluß U verbinden,
entfernt worden. Ein kapazitives Element 51, das in der
peripheren Schaltung enthalten ist, ist mit einem potentialfreien
Quellenanschluß VD
und dem Ausgangsanschluß U
verbunden. Daher ist ähnlich
wie bei der Einrichtung 101 die Miniaturisierung der Einrichtung implementiert.
Auch bei einem (nicht gezeigten) Halbleitermodul, das durch eine
Kombination der Einrichtung 103 mit ihrer peripheren Schaltung
entsprechend dem Modul 102 gebildet ist, ist die Miniaturisierung ähnlich wie
bei dem Modul 102 implementiert.
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Modifikation
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Bei den obigen Ausführungsformen
werden zwar die IGBT als Halbleiter-Schaltelemente verwendet, die
Halbleiter-Schaltelemente sind aber nicht auf die IGBT beschränkt, sondern
alternativ können
allgemeine Isolierschicht-Halbleiter-Schaltelemente einschließlich MOSFET
usw. verwendet werden. Die Halbleiter-Schaltelemente sind ferner
nicht auf Isolierschicht-Typen beschränkt, sondern können alternativ
aus breiteren Halbleiter-Schaltelementen wie beispielsweise Bipolartransistoren
bestehen. Bei einer Einrichtung, die Isolierschicht-Halbleiter-Schaltelemente
verwendet, die von einem Spannungstreibertyp sind, können die
Kapazitäten
der kapazitiven Elemente 51 bis 53 unterdrückt und
die Struktur der Treiberschaltungen vereinfacht werden.