DE10005754A1 - Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit schwingungsgedämpfter Parallelschaltung - Google Patents
Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit schwingungsgedämpfter ParallelschaltungInfo
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Abstract
Es wird eine Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit Hilfsemitteranschluss beschrieben, die ein schwingungsdämpfendes Verhalten bei Parallelschaltung von IGBT-Leistungshalbleiterbauelementen zeigt sowie ein schwingungsfreies Verhalten in der Teilstrom-Phase des Abschaltens der Leistungsschalter zeigt. DOLLAR A Bei Schaltungsanordnungen nach dem Stand der Technik treten bei Parallelschaltungen der Leistungsschalter Oberwellenschwingungen auf, die empfindliche Störungen in der Schaltungsansteuerung oder dem Umfeld der Schaltungsanordnung auslösen können. DOLLAR A Die Schwingungsfreiheit wird durch eine gezielt lokalisierte elektrisch isolierte Kaschierungsinsel (18) definierte Größe auf jeder DCB-Keramik erreicht, wodurch insbesondere die parasitären Induktivitäten und Wirbelströme so verändert werden, daß im Zusammenspiel mit den Leistungsschaltern keine Schwingungsneigung gegeben ist. Diese elektrisch isolierte Kaschierungsinsel dient gleichzeitig als Hilfsemitteranschluss.
Description
Die Erfindung beschreibt eine Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach den Merkmalen
des Anspruches 1 der DE 199 38 302. Schaltungsanordnungen mit Leistungsschaltern
insbesondere IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) sind mehrfach aus der Literatur
durch Beschreiben bekannt. Die zwischenzeitlich erlangte Komplexität des Aufbaus und der
Vielfältigkeit der Wirkprinzipien von Schaltungsanordnungen ermöglichen es, nur Teilgebiete
dieses umfangreichen Wissensfeldes zum Gegenstand von erfinderischen Lösungen zu
behandeln.
So können die aktiven Leistungsbauelemente, wie Leistungsschalter und/oder Freilaufdioden,
die passiven Bauelemente, wie Widerstände und/oder Kondensatoren, deren Aufbauten auf
Isolierkeramiken mit den dazugehörenden Verbindungstechniken zu den äußeren Anschlüssen
oder die Ansteuerung der Schaltungsanordnung Gegenstand der beschreibenden Erklärungen
sein. In jedem Falle wird durch jede neue Veröffentlichung der weiteren Entwicklung von
Schaltungsanordnungen durch Optimieren eines Teilfachgebietes Rechnung getragen.
Der Stand der Technik zu dieser Zusatzanmeldung wird bereits in DE 199 38 302 dargestellt.
Neben dem beabsichtigten und konstruktiv geplanten Verhalten von Schaltungsanordnungen,
insbesondere solcher mit hoher Packungsdichte und hohen Leistungsaufnahmen, ergeben sich
Wechselwirkungen und Nebeneffekte, die meist im Nachgang bei der Erprobung oder im
Einsatzfall sichtbar werden und einer Nachbesserung bedürfen. Beispielhaft kann eine hohe
Packungsdichte ungewollte Nebeneffekte in Form von hochfrequenten Schwingungen mit
unterschiedlichen Ursachen und Folgen bewirken.
Parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten sind in jeder Schaltungsanordnung durch die
geometrische Anordnung der Einzelbauelemente und deren Zusammenschalten gegeben und es
ist eine Frage des Wissens auf diesem Gebiet, um eine berechenbare Kalkulation mit
entsprechenden Gegensteuerungen in die Schaltungen einzubauen. In jedem Fall sollte ein
induktivitätsarmer Aufbau angestrebt und parasitäre Induktivitäten müssen weitgehend
reduziert werden.
Bei Parallelschaltungen von mindestens zwei Leistungsschaltern, insbesondere bei Einsatz von
IGBT, treten in solchem Maße größere Probleme auf, wie der Integrationsgrad wächst. Bereits
bei zwei parallel geschalteten eng benachbarten IGBT können sich hochfrequente
Schwingungen bemerkbar machen.
Das Auftreten von hochfrequenten Schwingungen wird bereits in DE 195 49 011 beschrieben.
Durch mindestens eine weitere Verbindungsleitung, die die Emitterkontakte zweier
benachbarter IGBT-Chips elektrisch direkt miteinander verbindet, werden diese
Schwingungen verhindert.
In der DE 199 38 302 wird die Vermeidung von hochfrequenten Schwingung durch Einbringen
definierter unkaschierter Bereiche in das Kupfergebiet des DCB-Substrats (direct copper
bonded) z. B. des Kollektorbereiches beschrieben.
Bei der typische Ansteuerung eines IGBT-Leistungsschalter wird der Emitter auf das Gate
rückgekoppelt. Dabei sind zwei mögliche Varianten zu unterscheiden. Für langsames Schalten
des IGBT-Leistungsschalters wird die induktive Emittergegenkopplung eingesetzt. Dabei führt
die Induktivität zwischen dem Emitterkontakt und dem Rückkoppelanschluss für das Gate zu
einem Gegegenstrom in der Ansteuerung des IGBT-Leistungsschalters. Dieser führt dann zu
einem langsamen Schaltverhalten des IGBT-Leistungschalters. Für Anforderungen in denen
ein sehr schnelles Schalten gewünscht ist wird der Rückkoppelanschluss nicht nach der
Induktivität sondern direkt am Emitterkontakt angeschlossen. Für diese Schaltvariante ist ein
zusätzlicher Hilfsemitteranschluss notwendig.
Die vorliegende Zusatzerfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die schwingungsvermeidenden
Mechanismen der DE 199 38 302 mit dem zur Verfügung stellen eines Hilfsemitteranschlusses
zu verbinden.
Die spezielle Ausgestaltung der erfinderischen Lösung der Zusatzanmeldung soll auf der
Grundlage der nachfolgenden Figuren näher erläutert werden.
Fig. 1 skizziert den Schaltungsausschnitt bei zwei parallel geschalteten und in Reihe
aufgebauten Chips von Leistungsschaltern gemäß Anspruch 1.
Fig. 2 stellt ein Ausschnittsvergrößerung gemäß Fig. 1 nach den Merkmalen des
Anspruchs 2 dar.
Fig. 3 stellt ein Ausschnittsvergrößerung gemäß Fig. 1 nach den Merkmalen des
Anspruchs 3 dar.
Fig. 1. Das die Kaschierung (6) unterbrechende unkaschierte Feld (12) zwischen den IGBT-
Schaltern besitzt eine eigene kaschierte Insel derart, dass diese gegenüber der umgebenden
Kaschierung elektrisch isoliert ist (Fig. 1). Diese elektrisch isolierte Kaschierungsinsel (18)
dient als Anschluß für den Hilfsemitter. Der Hilfsemitter verbindet die Emitterkontakte (15)
der IGBT-Leistungsschalter (7) mit der entsprechenden Hilfsemittermetallisierung (14) auf der
DCB. Zur Herstellung dieser Verbindung werden die nächstliegenden Emitterkontakte (15) der
beiden benachbarten IGBT-Leisungsschalter (7) mit dieser Kaschierungsinsel (18) durch
mindesten eine Bondverbindung (16) je IGBT kontaktiert. Die weitere Kontaktierung des
Hilfsemitters wird durch mindestens eine Bondverbindung (13) ausgehend von der elektrisch
isolierten Kaschierungsinsel (18) zum entsprechenden Hilfsemitteranschluß (14) des DCB-
Substrats hergestellt. Spezielle Ausgestaltungen der Bondverbindungen (16) finden sich in den
Fig. 2 und 3. Der Vorteil dieses Ausgestaltung des Hilfsemitteranschlusses für schnelles
Schalten liegt in der direkt benachbarten Anordnung der Anschlüsse des Gates (9) und des
Hilfsemitters (14) auf der DCB. Der minimale Abstand von Gate- und Hilfsemitteranschluss
führt zu einer geringen umschlossenen Fläche und damit zu einer minimierten Induktivität.
Dadurch wird vermieden, das größere Spannungen in der Schleife Gate-Hilfsemitter induziert
werden. Somit ist eine weitere Voraussetzung für störungsfreies Schalten, d. h. frei von
hochfrequenten Schwingungen, gewährleistet.
Fig. 2 stellt die Ausführung der Verbindungen zwischen den Emitterkontakten der IGBT-
Leistungsschalter zur elektrisch isolierten Kaschierungsinsel nach Anspruch 2 dar. Ausgehend
von dem jeweils nächst benachbarten Emitterkontakt (15) jedes IGBT-Leistungsschalters (7)
wird mindestens eine Bondverbindung (16) zur Kaschierungsinsel (18) hergestellt.
Fig. 3 stellt die Ausführung der Verbindungen zwischen den Emitterkontakten der IGBT-
Leistungsschalter zur elektrisch isolierten Kaschierungsinsel nach Anspruch 3 dar. Ausgehend
von einem der nächst benachbarten Emitterkontakte (15) eines IGBT-Leistungsschalters (7)
wird eine Bondverbindung (17) zur elektrisch isolierten Kaschierungsinsel (18) und von dort
weiter zum nächst benachbarten Emitterkontakt des weiteren IGBT-Leistungsschalters
geführt.
Claims (3)
1. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung schwingungsfrei nach DE 199 38 302 aufgebaut mit
mindestens zwei Halbleiterbauelementen (7) in Form von IGBT-Leistungsschaltern in
Parallelschaltung auf aufbauseitig mit Kupfer kaschierter und strukturierter Isolierkeramik
(6) mit jeweils mindestens einem die Kaschierung unterbrechenden Bereich (12) zwischen
benachbarten IGBT-Leistungsschaltern,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einer der die Kaschierung unterbrechenden Bereiche (12) eine eigene, gegenüber
der umgebenende Kaschierung isolierte, Kaschierung (Kaschierungsinsel) (18) zur
Verwendung als Hilfsemitteranschluss aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontaktierung aller elektrisch isolierten Kaschierungsinseln (18) durch mindestens
jeweils einen Verbindungsdraht der beiden direkt benachbarten Emitterkontaktfenster der
jeweils benachbarten IGBT-Leistungsschalter vorgenommen wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontaktierung einer jeden elektrisch isolierten Kaschierungsinsel (18) durch mindestens
einen Verbindungsdraht, der eine Kontaktierung des Emitterkontaktfensters des einen direkt
benachbarten IGBT-Leistungsschalter zur Kaschierungsinsel und weiter zum direkt
benachbarten Emitterkontaktfenster des weiteren IGBT-Leistungsschalter herstellt,
vorgenommen wird.
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