JP2002518858A - ハーフ−ブリッジモジュール - Google Patents

ハーフ−ブリッジモジュール

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アンドレアス グリュンドル
ベルンハルト ホフマン
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コンチネンタル アイエスエイディ エレクトロニック システムズ ゲーエムベーハー ウント ツェーオー オーハーゲー
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、電気絶縁冷却液中に配置され、2つの半導体スイッチがハーフ−ブリッジを形成するハーフ−ブリッジモジュールに関する。第1半導体スイッチは、そのソース端子により高電位に接続されることができ、第2半導体スイッチは、そのドレイン端子により低電位に接続されることができる。各々の第1半導体スイッチのドレイン端子は、各々の第2半導体スイッチのソース端子へ接続される。それによって、各々の第1半導体スイッチは、それらのソース端子を高電位に接続されることができる共通の第1金属導体レールに接して配置される。各々の第2半導体スイッチは、それらのソース端子を、第1導体レールに並んでそこから間を隔てて配置された第2金属導体レールに接して配置される。各々の第2半導体スイッチは、それらのドレイン端子により、低電位に接続されることができ、第1及び第2導体レールと並んでそこから間を隔てて配置された共通の第3金属導体レールへ接続される。コンデンサ配列は、第1及び第3導体レールに接続され、半導体スイッチが対応する導体レールとバックアップコンデンサの間に空間的に位置するように第1及び第2半導体スイッチに重なるバックアップコンデンサから成る。制御入力は導体レールの第1前面付近のトリガ装置に接続するための端子から成り、出力は第2導体レールの第2前面付近の端子から成る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、電気出力のスイッチングのためのハーフ−ブリッジモジュールに関
し、それは電気絶縁冷却液が入っているハウジング内に配置され、そこでは少な
くとも2つの半導体スイッチが直列に接続され、ハーフ−ブリッジを形成する。
各々の半導体スイッチは、トリガ装置に接続するための制御入力から成る。第1
半導体スイッチは、そのソース端子により高電位に接続されることができ、第2
半導体スイッチは、そのドレイン端子により低電位に接続されることができる。
出力を形成するため、各々の第1半導体スイッチのドレイン端子は、各々の第2
半導体スイッチのソース端子に接続されている。加えて、少なくとも1つのコン
デンサ配列が、高電位と低電位の間に配置されている。そのようなハーフ−ブリ
ッジモジュールは、DE−A−42 30 510から知られている。
【0002】 そのような型のハーフ−ブリッジ配列は、極めて多様な適用の分野、例えば、
給電誘導機、永久磁石モーター等のためのインバータを構成するために用いられ
る(例えば、DE−A−40 27 969も参照)。
【0003】 US−PS5,132,896より、コンデンサ及び半導体スイッチの接続に
用いられる導体の分布インダクタンスを減少させるため、大面積を有する板状供
給線から成るインバータ装置が知られている。この方法により、線のインダクタ
ンスを相殺するためのコンデンサの大損失を防ぐことができる。加えて、板状供
給線の大面積設計のため放熱も改善され得る。さらに、板状供給線は、板状供給
線を通る電流の大きさと方向が分布インダクタンスの影響を最小化するように設
計されている。
【0004】 しかし、このインバータ装置に関しては、大面積供給線は干渉インダクタンス
を低減するためのみに役立ち、大型電解コンデンサに通じる供給線として用いら
れる。
【0005】 前置きで述べたハーフ−ブリッジモジュールの電力密度をさらに増加させるた
め、及びさらに適切なものとするため、特に、大規模な使用のために、前記ハー
フ−ブリッジモジュールはさらに、各々の第1半導体スイッチは、それらのソー
ス端子を高電位に接続されることができる共通の第1金属導体レールに接して配
置され、各々の第2半導体スイッチは、それらのソース端子を出力を構成する共
通の第2金属導体レールに接して配置され、第2導体レールは第1導体レールと
並んで、そこから間を隔てて配置されるという結果に発達した。
【0006】 さらに、各々の第2半導体スイッチは、それらのドレイン端子により、低電位
へ接続されることができ第1及び第2導体レールと並んでそれらから間を隔てて
配置される共通の第3金属導体レールに接続される。
【0007】 コンデンサ配列は、第1及び第3導体に端子により接続され半導体スイッチが
対応する導体レールとバックアップコンデンサの間に空間的に位置するように第
1及び第2半導体スイッチに重なるバックアップコンデンサから成る。
【0008】 加えて、制御入力は導体レールの第1前面付近のトリガ装置に接続するための端
子から成り、出力は、第1前面の反対側に位置する第2導体レールの第2前面付
近の電気負荷に接続するための端子から成る。
【0009】 このハーフ−ブリッジモジュールの本発明による構造によって、特に、従来の
解決策によっては匹敵できない実装密度を可能とする小型配列が実現される。故
に、総体積に関係する必要な冷却液の体積を小さいままにして、全体的な装置の
小型化が達成でき、移動物適用においても非常に経済的になるように本発明を使
用することができる。この事については、この構造によって、一方では電力伝導
線(または導体レール)と端子の、他方ではトリガ線の、三次元、空間的分離の
実現が可能となるという事実によって、重要な役割も果たされる。これは、著し
く高められた干渉に対する免疫となる。さらなる本発明の顕著な側面は、問題が
ない拡張と特定の要求に沿ったハーフ−ブリッジモジュールの改造を可能とする
モジュラー構造である。
【0010】 好ましい実施の形態において、半導体スイッチは、高速スイッチング、低損失
電界効果トランジスタ(FET)、または絶縁ゲート端子を有する高速スイッチ
ング、低損失バイポーラトランジスタ(IGBT)により構成される。特に、一
体化されたフリーホイールダイオードまたはトランジスタに並列に接続された追
加の外部フリーホイールダイオードを有するMOSFETを用いることができる
。それらの外部フリーホイールダイオードは、半導体スイッチと同じ方法で、導
体レールのうちの1つの後の方に隣接した付近に都合の良いように配置される。
【0011】 電気的伝導スペーサは、特に幾つかのハーフ−ブリッジモジュールの機械的及
び電気的並列接続のために、第1及び第3伝導レール上に配置される。それゆえ
、同じ型のハーフ−ブリッジモジュールは厳密に互いに連結され、同時に、その
ような方法で連結された全てのハーフ−ブリッジモジュールへの高及び低電位の
供給を簡単な方法で実現できる。本発明の1つの実施態様において、スペーサは
、各々の導体レールが接続(ネジ連結、リベット、溶接等)された分離要素とし
て実現される。この代わりに、スペーサは、個別のハーフ−ブリッジモジュール
間に要求される間隔ができ、各々の導体レールの直接結合により一定に保たれる
ように、導体レールと一体化していても良い。
【0012】 本発明の好ましい実施態様において、第1、第2及び第3導体レールは、電気
的絶縁支持基板によって、互いに機械的に堅固に連結されている。この代わりに
、第1、第2及び第3導体レールは、個々の導体レール間に配置された電気絶縁
架橋部材によって、互いに機械的に堅固に接続されていても良い。支持基板は、
半導体へ制御信号を供給するため、または試験点あるいは測定点を導き出すため
に導体路を支えることにも役立つことができる。支持基板は、半導体スイッチの
各々の制御入力とトリガ装置に接続するための端子との間の接続線を支えるため
にも役立つ。この場合、好ましくは支持基板には、導体レールに直接取付けられ
た半導体(トランジスタ、ダイオード)が少なくともその接触点で露出する−す
なわち、これらは支持基板によって覆われていない−ような寸法とされた穴が設
けられている。この結果として、半導体及び支持基板の実際の全ての高さが加え
られない。それゆえ、支持基板は、導体レールとそれらの間の機械的結合と電気
的配線配置の両方のために役立つ。支持基板上に配置された導体路と半導体の接
触点との接続は好ましくは結合線により確立される。
【0013】 この代わりに、支持基板の代わりに、各々の制御入力とトリガ装置に接続する
ための端子との間の配線を有する電気的絶縁箔が導体レール上に配置されていて
も良い。箔は、個別の導体レール間の機械的に厳密または堅固な連結を確立する
ためには適当ではないため、導体レール配置の必要な強度を生む観点から、互い
に面するそれらの側面において導体レールの連結が付加的に備えられていなけれ
ばならない。これは、前記架橋部材または電気絶縁接着剤により、実現すること
ができる。
【0014】 本発明の好ましい実施形態において、電気的絶縁支持基板または箔は、半導体
スイッチのトリガ線における電流制限抵抗を支持し、前記(ゲート)抵抗は各々
の制御入力とトリガ装置に接続するための端子との間に備えられる。
【0015】 本発明によって、上記型式の少なくとも2つのハーフ−ブリッジモジュールが
互いに機械的に割り当てられ、ハーフ−ブリッジ配列を形成するために電気的に
並列に接続される。本発明によるモジュラー概念により、高電力出力への簡単な
拡張が可能である。適当な数のハーフ−ブリッジモジュールの単純な並列接続に
より、あるいは追加のハーフ−ブリッジモジュールによるハーフ−ブリッジ配列
の拡張により、高電力出力または多数の相を供給することもできる。
【0016】 本発明は、したがって、多相電動機のトリガ装置の電力出力段にも関連し、そ
こではハーフ−ブリッジ配列は電動機の各相を供給するため備えられ、ハーフ−
ブリッジ配列は互いに並んで配置される。本発明の好ましい実施形態において、
制御電子工学モジュールは空間的に電力出力段に割り当てられ、同じハウジング
内に配置されている多相電動機のトリガ装置の電力出力段が与えられる。それゆ
え、特に機能的な全装置の小さな構造が造られ、この場合、制御電子工学モジュ
ール及びそれら複数のハーフ−ブリッジ配列あるいはハーフ−ブリッジモジュー
ルを有する電力出力段は同じ冷却媒体に収容され、また制御線も極めて短くなる
ように配線されることができ、干渉に過敏でなくなる。
【0017】 本発明のため使用される半導体は、好ましくは、高速スイッチング、低損失電
界効果トランジスタ(FET)または絶縁ゲート端子を持つ高速スイッチング、
低損失バイポーラトランジスタ(IGBT)により構成される。この場合、直列
に接続された半導体スイッチのうちの数組は並列に接続されていても良い。加え
て、半導体スイッチは、各々低スイッチング能力である多くの個々の半導体スイ
ッチ要素により形成されていても良い。多くの個々の要素は冷却媒体がよく行き
渡るため、各々比較的に低スイッチング能力ではあるが並列に接続することが容
易な多くの半導体スイッチを使用を通して、効果的な冷却が実現できる。
【0018】 本発明の内容の好ましい実施形態は図面によって示される。 図1は、半導体スイッチとして動作する並列に接続されたn−チャネルMOS
FETの4組12a、12b、12c、12dから成るハーフ−ブリッジ10を
示す。各々の場合、各々の組を形成する2つのMOSFET14,12;16,
24;18;26,20;28は直列に接続されている。各々の組の第1MOS
FET14;16;18;20は高電位VSSにそのソース端子によって取付け
られ、各々の組のそれぞれの第2MOSFET22;24;26;28は低電位
DDに取付けられている。この接続において、出力Aを形成するため、各々の
第1MOSFET14;16;18;20のドレイン端子と各々の第2MOSF
ET22;24;26;28のソース端子は互いに接続されている。各々のMO
SFETのゲート端子がゲート抵抗36;38;40;42及び44;46;4
8;50を介して各々選択され、制御入力32;34は第1MOSFET14;
16;18;20のグループと第2MOSFET22;24;26;28のため
各々備えられる。
【0019】 高および低電位VSS及びVDDの間に配置されているのは、並列に接続され
た個別のバックアップコンデンサ52a、52b、52c、52dによって形成
されるバックアップコンデンサ配列である。コンデンサ配列52a、52b、5
2c、52dの実施は、以下により詳細に述べられる。MOSFETの各々のグ
ループのトリガは、20kHzより大きいスイッチング周波数を持つ(パルス幅
変調された)制御信号に関して有効となる。スイッチング周波数は好ましくは1
00kHz以上の値となる。
【0020】 図2に示すように、第1MOSFET14;16;18;20は、それらのソ
ース端子Sを高電位VSSに接続されることができる共通の第1金属導体レール
60に接してハンダ付けされている。導体レール60は、断面が略長方形である
外形を有し、銅あるいは電流と熱を同様によく伝導する金属から製造されている
【0021】 第2MOSFET22;24;26;28は、それらのソース端子(S)を出
力Aを構成する共通の第2金属導体レール62上に接してハンダ付けされ、第2
導体レール62は第1導体レール60と並んでそこから間を隔てて配置される。
第2導体レール62もまた断面が略長方形である外形を有し、第1導体レール6
0と同じ材料から製造される。
【0022】 第2MOSFET22;24;26;28は、1以上の結合線64を介して、
それらのドレイン端子Dにより、低電位VDDへ接続されることができ、第2導
体レール62と並んでそこから間を隔てて配置された共通の第3金属導体レール
66に各々接続されている。
【0023】 第1MOSFET14;16;18;20は、1以上の結合線68を介して、
それらのドレイン端子Dにより第2導体レール62に各々接続されている。
【0024】 コンデンサ配列52は、第1及び第3導体レール60、66に階段状の連結板
72、74によって接続された幾つかのブロック状の箔コンデンサ52a..5
2dにより構成されている。それらの自由端において、連結板72、74は、各
々の導体レールとスペーサ86、88の間の連結板72、74を留めるためのネ
ジ96、98を通す穴を表わす。階段状の連結板72、74は、半導体スイッチ
が対応する導体レールと各々のブロック状箔コンデンサの間に空間的に位置する
ように、ブロック状箔コンデンサ52a..52dが各々の第1及び第2半導体
スイッチと重なるような寸法とされる。この場合、半導体スイッチと箔コンデン
サとの間に小さな間隔も保たれるので、冷却液はそれらの間を通って流れること
ができる。
【0025】 図2に示された実施態様において、図1に示されるダイオード14a..28
aはMOSFET内に一体とされて実現され、それゆえ個別に示されてはいない
。そうでなければ、個々のダイオード14a..28aは、各々第1及び第2導
体レール60、62と同様に、MOSFET14...28と並んでハンダ付け
される。
【0026】 個々に製造でき、取り扱うことができるハーフ−ブリッジモジュールから成る
ユニットを入手できるようにするために、第1、第2及び第3導体レール60、
62、66は、電気的絶縁支持基板90によって、互いに機械的に堅固に連結さ
れる。この最後に、支持基板90は、半導体スイッチと同じ表面上で導体レール
に貼り付けられる。支持基板90は、さらに、半導体スイッチの各々の制御入力
Gとトリガ装置に接続するためのストリップ76のピンとの間の結合線32、3
4を支えるためにも役立つ。
【0027】 図2に示すように、端子ストリップ76上のテストピンの数と同じ各々の制御
入力Gが、導体レール60、62、66の第1前面(図2の下)付近のトリガ装
置に接続するために支持基板90上に導き出され、一方、出力Aは、第1前面7
8の反対側に位置する第2導体レール62の第2前面82(図2の上)付近の電
気負荷に接続するため端子80に導き出される。
【0028】 ゲート抵抗36..50(図1参照)もまた、各々のMOSFETの制御入力
Gと対応する端子ストリップ76のピンの間に、SMD要素(表面固定装置)と
して支持基板90上に配置されている。MOSFETの制御入力Gへのゲート抵
抗の接続は結合線70を介して同様に有効になる。
【0029】 図2から判るように、支持基板90は、半導体スイッチまたはダイオードが通
って突出るための長方形の穴92が設けられている。それゆえ、全体の構造は比
較的平坦である。
【0030】 ハーフ−ブリッジ配列を形成するために、幾つかの上記ハーフ−ブリッジモジ
ュールが互いに機械的に堅固に連結され、電気的に並列に接続される。これは図
3に、2つの同じハーフ−ブリッジモジュールが上に互いに重ねられ、互いにネ
ジ接合されることが示されている。明らかなように、外側の導体レール60、6
6とそれらの間に配置されたスペーサ86、88もまた、半導体スイッチのため
の共通の電流供給のため役立ち、一方、個々のハーフ−ブリッジモジュールの出
力Aは個々に直列で供給される。
【0031】 図3に示す装置は、共通のハウジングに収容される小型のユニットを形成する
ために、端子ストリップ76(図2参照)を介して共通の制御電子工学モジュー
ルへと、−電気的接続の各相のため−接続される。この場合、ハウジングは防水
及び不活性の冷却媒体、例えばフッ化塩化炭化水素を入れることができるように
構成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ハーフ−ブリッジの電気回路図である。
【図2】 ハーフ−ブリッジモジュールの上面概略図である。
【図3】 図2の2つのハーフ−ブリッジモジュールの前面からII−II線に
沿った断面概要図である。
【符号の説明】
12…ハーフ−ブリッジ、 14,16,18,20…第1半導体スイッチ、 22,24,26,28…第2半導体スイッチ、 52…コンデンサ配列、 60…第1導体レール、 62…第2導体レール 66…第3導体レール、 78…第1前面、 82…第2前面 G…制御入力、 A…出力、 S…ソース端子、 D…ドレイン端子、 VSS…高電位、 VDD…低電位。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年3月27日(2000.3.27)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H007 AA01 AA06 BB06 CA02 CB12 CC07 DB03 HA03 HA04 HA06 【要約の続き】 ように第1及び第2半導体スイッチに重なるバックアッ プコンデンサから成る。制御入力は導体レールの第1前 面付近のトリガ装置に接続するための端子から成り、出 力は第2導体レールの第2前面付近の端子から成る。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電力のスイッチングのためのハーフ−ブリッジモジュールであ
    って、電気絶縁冷却液が入ったハウジング内に配置され、 ハーフ−ブリッジ(12a,12b,12c,12d)を形成する少なくとも
    2つの半導体スイッチ(14,22;16,24;18,26;20,28)が
    直列に接続され、 各々の半導体スイッチ(14,22;16,24;18,26;20,28)
    はトリガ装置に接続するための制御入力(G)から成り、 第1半導体スイッチ(14,16,18,20)は、そのソース端子(S)に
    より高電位(VSS)に接続されることができ、 第2半導体スイッチ(22,24,26,28)は、そのドレイン端子(D)
    により低電位(VDD)に接続されることができ、 出力(A)を形成するため、各々の第1半導体スイッチ(14,16,18,
    20)のドレイン端子(D)は、各々の第2半導体スイッチ(22,24,26
    ,28)のソース端子(S)に接続され、および 少なくとも1つのコンデンサ配列(52)が、高および低電位(VSS,V )の間に配置され、 各々の第1半導体スイッチ(14,16,18,20)は、それらのソース端
    子(S)を高電位(VSS)に接続されることができる共通の第1金属導体レー
    ル(60)に接して配置され、 各々の第2半導体スイッチ(22,24,26,28)は、それらのソース端
    子(S)を出力(A)を構成する共通の第2金属導体レール(62)に接して配
    置され、第2金属導体レール(62)は第1金属導体レール(60)と並んでそ
    こから間を隔てて配置され、 各々の第2半導体スイッチ(22,24,26,28)は、それらのドレイン
    端子(D)により、低電位(VDD)に接続されることができ第1及び第2金属
    導体レール(60,62)と並んでそこから間を隔てて配置された共通の第3金
    属導体レール(66)に接続され、 コンデンサ配列(52)は、第1及び第3導体レール(60,66)に端子に
    より接続され半導体スイッチが対応する導体レール(60,66)とバックアッ
    プコンデンサ(52a〜52d)の間に空間的に位置するように第1及び第2半
    導体スイッチ(14,22;16,24;18,26;20,28)に重なるバ
    ックアップコンデンサ(52a〜52d)から成り、 制御入力(G)は、導体レール(60,62,68)の第1前面(78)付近
    のトリガ装置に接続するための端子(76)から成り、および 出力(A)は、第1前面の反対側に位置する第2導体レール(62)の第2前
    面(82)付近の電気負荷に接続するための端子から成ることを特徴とするハー
    フ−ブリッジモジュール
  2. 【請求項2】 請求項1のハーフ−ブリッジモジュールであって、電気的伝導
    スペーサ(86,88)が第1および/または第3導体レール(60,66)上
    に配置されていることを特徴とするハーフ−ブリッジモジュール。
  3. 【請求項3】 請求項1のハーフ−ブリッジモジュールであって、第1、第2
    及び第3導体レール(60,62,66)は、電気的絶縁支持基板(90)によ
    り、互いに機械的に堅固に連結されていることを特徴とするハーフ−ブリッジモ
    ジュール。
  4. 【請求項4】 請求項1のハーフ−ブリッジモジュールであって、第1、第2
    及び第3導体レール(60,62,66)は、別個の導体レールの間に配置され
    た電気的絶縁架橋部材により互いに機械的に堅固に連結されていることを特徴と
    するハーフ−ブリッジモジュール。
  5. 【請求項5】 請求項4のハーフ−ブリッジモジュールであって、各々の制御
    入力とトリガ装置に接続するための端子との間の接続線を有する電気的絶縁箔が
    導体レール(60,62,66)上に配置されていることを特徴とするハーフ−
    ブリッジモジュール。
  6. 【請求項6】 請求項3のハーフ−ブリッジモジュールであって、電気的絶縁
    支持基板(90)は、各々の制御入力とトリガ装置に接続するための端子との間
    の接続線から成ることを特徴とするハーフ−ブリッジモジュール。
  7. 【請求項7】 請求項3または請求項5のハーフ−ブリッジモジュールであっ
    て、電気的絶縁支持基板または箔は、各々の制御入力とトリガ装置に接続するた
    めの端子との間に備えられたゲート抵抗を支持することを特徴とするハーフ−ブ
    リッジモジュール。
  8. 【請求項8】 ハーフ−ブリッジ配列であって、1またはそれ以上の先行する
    請求項の少なくとも2つのハーフ−ブリッジモジュールが互いに機械的に割当て
    られ、電気的に並列に接続されていることを特徴とするハーフ−ブリッジ配列。
  9. 【請求項9】 多相電動機のトリガ装置の電力出力段であって、電動機の各相
    のために、互いに並んで配置された請求項8のハーフ−ブリッジ配列が備えられ
    ていることを特徴とする多相電動機のトリガ装置の電力出力段。
  10. 【請求項10】 多相電動機のトリガ装置の電力出力段であって、制御電子工
    学モジュールは空間的に電力出力段に割当てられ、同じハウジング内に配置され
    ていることを特徴とする多相電動機のトリガ装置の電力出力段。
  11. 【請求項11】 1またはそれ以上の先行する請求項のハーフ−ブリッジ配列
    であって、半導体スイッチ(14,22;16,24;18,26;20,28
    )は、高速スイッチング、低損失電界効果トランジスタ(FET)により、また
    は絶縁されたゲート端子を有する高速スイッチング、低損失バイポーラトランジ
    スタ(IGBT)により構成されていることを特徴とするハーフ−ブリッジ配列
  12. 【請求項12】 1またはそれ以上の先行する請求項のハーフ−ブリッジ配列
    であって、直列に接続された半導体スイッチの幾つかの組は並列に接続されてい
    ることを特徴とするハーフ−ブリッジ配列。
  13. 【請求項13】 1またはそれ以上の先行する請求項のハーフ−ブリッジ配列
    であって、半導体スイッチは、各々低スイッチング能力である多くの個々の半導
    体スイッチ要素から構成されていることを特徴とするハーフ−ブリッジ配列。
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