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Die
Erfindung betrifft Leistungsmodule mit einem isolierenden Substrat,
die eine mit ihrer Oberfläche
verbundene Grundplatte und eine auf der anderen Oberfläche als
Elektrodenschicht ausgebildete Schaltkreisstruktur besitzten, wobei
die Schaltkreisstruktur ein Halbleiterschaltelement, eine Freilaufdiode,
die mit dem Halbleiterschaltelement antiparallel geschaltet ist,
und eine integrierte Steuerschaltung zur Steuerung des Halbleiterschaltelements
aufweist.
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Ein
derartiges Leistungsmodul ist dem Prinzip nach bereits aus der Druckschrift
US-A-4 947 234 bekannt.
Bei diesem herkömmlichen
Leistungsmodul ist auf einem Kühlkörper über eine
Klebschicht ein Halbleiterschaltelement angeordnet. Darüber befinden
sich eine Klebschicht sowie eine Isolierschicht, auf der wiederum
eine integrierte Steuerschaltung ausgebildet ist. Sowohl das Halbleiterschaltelement als
auch die Steuerschaltung sind über
entsprechende Kontakte und Bondingdrähte an äußere Verbindungen angeschlossen,
um ihre Funktion zu gewährleisten.
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Ferner
ist aus der Druckschrift
EP-A-1
006 578 ein Halbleiter-Leistungsmodul
bekannt, welches einen Aufbau aufweist, bei dem sandwichartige Anordnungen
von Leistungs-Halbleiterschaltelementen und Dioden verwendet werden.
Die Dioden sind dabei auf den Halbleiterschaltelementen angeordnet.
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Die
Druckschrift
DE-PS-41 24 757 betrifft
einen Halbleiter-Leistungsmodul,
bei dem es darum geht, Fehlfunktionen zu vermeiden, die durch Rauschen
hervorgerufen werden können.
Zu diesem Zweck wird dort eine spezielle Schaltungsanordnung in
Sandwichbauweise verwendet, wobei mehrere Leistungs-Halbleiterschaltelemente
getrennt voneinander angeordnet sind.
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Herkömmlicherweise
hat ein intelligentes Leistungsmodul (IPM), das einen Leistungsstromkreis,
der von einem Halbleiterschaltelement gebildet ist, und eine Steuerschaltung
zur Steuerung des Leistungsstromkreises enthält, einen Aufbau, bei dem der
Leistungsstromkreis und die Steuerschaltung, die aus einer als steuernde
integrierte Schaltung ausgebildeten integrierten Schaltung (IC)
besteht, getrennt als zwei Stufen (7) ausgebildet sind,
oder die Steuerschaltung und der Leistungsstromkreis integral auf
einem Substrat ausgebildet sind (6 und 8).
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Ferner
hat ein in 6 gezeigtes Leistungsmodul einen
Aufbau, bei dem ein MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) 100 mit
einer Elektrodenschicht 6 auf einer Wärmesenke 2 verbunden
ist und eine integrierte Steuerschaltung 12 durch eine
Kleberschicht 16 über
eine Isolierschicht 14 auf dem MOSFET 100 damit
verbunden ist.
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Dabei
hat ein in 8 gezeigtes Leistungsmodul den
folgenden Aufbau: ein Halbleiterschaltelement 8, eine Freilaufdiode
(FWDi) 10, ein gedrucktes Substrat 110 und ein
Gehäuse 102 auf einem
isolierenden Substrat 4 auf einer Wärmesenke 2. Eine integrierte
Steuerschaltung 12 ist auf dem gedruckten Substrat 110 montiert.
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Die
Freilaufdiode 10 ist mit dem Halbleiterschaltelement 8 und
dem gedruckten Substrat 110 durch Bonddrähte 20 verbunden.
Das Halbleiterschaltelement 8 und das gedruckte Substrat 110 sind mit
nicht gezeigten Anschlüssen
an dem Gehäuse 102 durch
jeweilige Bonddrähte 20 verbunden.
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Ein
in 7 gezeigtes Leistungsmodul hat eine Anordnung,
bei der ein Halbleiterschaltelement 8 und ein Gehäuse 102 auf
einem isolierenden Substrat 4 angeordnet sind, das mit
einer Wärmesenke 2 verbunden
ist, und ein Steuersubstrat 104, das von einem Relaisanschluß 106 an
dem Gehäuse 102 abgestützt ist,
ist installiert. Dabei ist das Halbleiterschaltelement 8 mit
einem Relaisanschluß 106 durch einen
Bonddraht 20 verbunden.
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Das
Steuersubstrat 104 enthält
eine integrierte Steuerschaltung zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8 usw.
Der Relaisanschluß 106 dient
dazu, Eingangstreibersignale, Ausgangstreibersignale, Detektiersignale
für Strom,
Spannung und Temperatur usw. des Halbleiterschaltelements 8 zwischen
diesem und der integrierten Steuerschaltung auf dem Steuersubstrat 104 zu übertragen.
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In
bezug auf ein Halbleiterbauelement, bei dem eine aus Halbleiterelementen
gebildete Steuerschaltung und ein Leistungsstromkreis usw. integral ausgebildet
sind, zeigen ferner die
JP-Offenlegungsschriften
6-181286 ,
63-87758 ,
3-226291 ,
11-163256 und
8-167838 einen solchen Aufbau.
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Die
JP-OS 6-181286 zeigt ein
Halbleiterbauelement, bei dem ein IC-Steuerchip über Bondhügel mit einem IC-Leistungschip
ver bunden ist, der durch ein Dünnschichtsubstrat
an einer Wärmesenke
befestigt ist.
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Die
JP-OS 63-87758 zeigt ein
Halbleiterbauelement, bei dem eine integrierte Steuerschaltung mit
einem Leistungs-MOSFET verbunden ist, der an einer Wärmesenke
befestigt ist.
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Die
JP-OS 3-226291 zeigt ein
Halbleiterbauelement, bei dem ein Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT),
eine Freilaufdiode und eine integrierte Steuerschaltung zu einem
Chip ausgebildet sind.
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Die
JP-OS 11-163256 zeigt
ein Halbleiterbauelement, bei dem ein Halbleiterchip auf einer Wärmeabstrahlungsplatte über einem
weiteren Halbleiterchip angeordnet ist, was als Chip-auf-Chip-Konstruktion
bezeichnet wird, und die
JP-OS
8-167838 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei dem eine Vielzahl von
Leistungs-MOSFET und eine Steuerschaltung in Form eines einzigen
Chips integriert sind.
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Wenn
beispielsweise bei einem Aufbau eines Halbleiterbauelements gemäß 6 eine
integrierte Steuerschaltung 12 an einem MOSFET 100 (entweder
IGBT oder Leistungs-MOSFET) mittels eines Höckers, einer Isolierschicht 14,
einer Kleberschicht 16 oder einer Preßverbindung usw. angebracht
ist, tritt das Problem von Fehlfunktionen der integrierte Steuerschaltung
infolge von Wärme
auf, die durch das Halbleiterschaltelement 8 erzeugt wird. Dabei
dient der MOSFET 100 als das Halbleiterschaltelement, das
von einem Leistungsstromkreis gebildet ist.
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Wenn
ferner die integrierte Steuerschaltung
12 ebenfalls im
Inneren des Halbleiterschaltelements
8 untergebracht ist,
tritt das gleiche Problem auf, wobei Fehlfunktionen des IC infolge
von Wärme
auftreten, die von dem Halbleiterschaltelement
8 erzeugt wird.
Daher besteht das Problem bei den Halbleiterbauelementen, die die
Konstruktionen haben, die in den
JP-Offenlegungsschriften
6-181286 und
63-87758 angegeben
sind, darin, daß die
integrierte Steuerschaltung zu Fehlfunktionen infolge von Wärme tendiert.
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Ferner
besteht auch bei dem Halbleiterbauelement gemäß der
JP-OS
3-226291 ein Problem, da die integrierte Steuerschaltung
aufgrund der von dem IGBT erzeugten Wärme Fehlfunktionen zeigen kann, und
zwar in Abhängigkeit
von der Lagebeziehung zwischen dem IGBT und der integrierten Steuerschaltung.
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Wenn
ferner, wie in 7 gezeigt ist, in einem Leistungsmodul
der MOSFET oder der IGBT, der als Halbleiterschaltelement 8 dient,
die Freilaufdiode 10 und die integrierte Steuerschaltung 12 usw. voneinander
getrennt ausgebildet sind, nimmt die Zahl der die Konstruktion bildenden
Teile zu, und die Konstruktion wird komplex, was zu hohen Stückkosten
des Moduls führt.
Ein weiteres Problem ist, daß das
Leistungsmodul insgesamt vergleichsweise groß wird.
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Im
Fall des in 8 gezeigten Leistungsmoduls
stellt sich ebenfalls das Problem, daß das Leistungsmodul insgesamt
relativ groß wird.
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Bei
der Anordnung des herkömmlichen,
aus der Druckschrift
US-A-4 947 234 bekannten
Leistungsmoduls ist die Steuerschaltung zwangsläufig der Wärmeentwicklung des Halbleiterschaltelements ausgesetzt,
auch wenn letzteres zumindest einen Teil seiner Wärmeenergie über einen
Kühlkörper abgeben
kann. Damit ist die Funktionstüchtigkeit
der Anordnung beeinträchtigt.
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Die
vorliegende Erfindung dient dazu, die oben angegebenen Probleme
zu lösen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul der eingangs genannten
Art, und wie es beispielsweise aus der Druckschrift
US-A-4 947 234 bekannt ist,
dahingehend weiterzubilden, dass eine thermisch bedingte Beeinträchtigung
der Funktionstüchtigkeit
des Leistungsmoduls wirksam verhindert werden kann. Dabei soll das
Leistungsmodul kostengünstig
und insgesamt kompakt ausgebildet sein, wobei Fehlfunktionen der
integrierten Steuerschaltung infolge der von dem Halbleiterschaltelement
erzeugten Wärme
vermieden werden, während
gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Rauschen von dem Halbleiterschaltelement aufrechterhalten wird.
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Zur
Lösung
der oben angegebenen Probleme wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein
Leistungsmodul angegeben, welches die im Patentanspruch 1 genannten
Merkmale aufweist.
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Da
bei dem Leistungsmodul nach dem ersten Aspekt der Erfindung das
Halbleiterschaltelement auf der Freilaufdiode angeordnet ist, die
im Gebrauch die geringste Wärme
erzeugt, ist es möglich,
eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung infolge der von
dem Halbleiterschaltelement erzeugten Wärme zu verhindern. Es wird
somit möglich,
die Zuverlässigkeit
des Leistungsmoduls zu verbessern.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Leistungsmodul angegeben,
welches die im Patentanspruch 2 genannten Merkmale aufweist.
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Da
bei dem Leistungsmodul nach dem zweiten Aspekt der Erfindung das
Halbleiterschaltelement und die Freilaufdiode als monolithische
integrierte Schaltung ausgebildet sind, ist es möglich, das Leistungsmodul kompakt
zu bauen und seinen Aufbau zu vereinfachen. Es wird somit möglich, die
Produktivität im
Waferfertigungsverfahren und im Montageablauf des Halbleiters zu
steigern und infolgedessen den Stückpreis des Leistungsmoduls
zu senken.
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Das
Leistungsmodul nach einem dritten Aspekt der Erfindung weist die
im Patentanspruch 3 genannten Merkmale auf.
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Bei
dem Leistungsmodul nach dem dritten Aspekt der Erfindung sind das
Halbleiterschaltelement, die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung
als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet; daher ist es
möglich,
das gesamte Leistungsmodul kompakt zu bauen und außerdem seinen Aufbau
zu vereinfachen. Es wird damit möglich,
die Produktivität
beim Waferherstellungsverfahren und beim Montageablauf des Halbleiters
zu steigern und damit den Stückpreis
des Leistungsmoduls zu senken.
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Diese
Art von Leistungsmodul ermöglicht
es ferner, wirkungsvoll zu verhindern, daß die von dem Halbleiterschaltelement
erzeugte Wärme
durch Wärmeleitung
zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, so daß Fehlfunktionen
der integrierten Steuerschaltung vermieden werden können. Es
wird damit möglich,
die Zuverlässigkeit
des Leistungsmoduls zu verbessern.
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Das
Leistungsmodul nach einem vierten Aspekt der Erfindung weist die
im Patentanspruch 4 genannten Merkmale auf.
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Bei
dem Leistungsmodul nach dem vierten Aspekt der Erfindung sind die
Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als monolithische
integrierte Schaltung ausgebildet; somit ist es möglich, das
gesamte Leistungsmodul kompakt zu bauen und seine Konstruktion außerdem zu
vereinfachen. Es wird dadurch möglich,
die Produktivität
des Waferfertigungsverfahrens und des Montageablaufs des Halbleiters
zu steigern und somit den Stückpreis
des Leistungsmoduls zu senken.
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Außerdem ermöglicht es
diese Art von Leistungsmodul, das Leiten der von dem Halbleiterschaltelement
erzeugten Wärme
zu der integrierten Steuerschaltung wirksam zu verhindern und damit
eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung zu verhindern.
Es wird dadurch möglich,
die Zuverlässigkeit des
Leistungsmoduls zu verbessern.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leistungsmodule ist in
dem abhängigen
Patentanspruch 5 angegeben.
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Bei
dieser Weiterbildung wird als Halbleiterschaltelement ein Element
vom Isolierschicht-Typ (z. B. ein IGBT, ein Leistungs-MOSFET usw.) verwendet.
Das ermöglicht
den Gebrauch des Leistungsmoduls bei vergleichsweise großen Betriebsfrequenzen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform
1 erklärt;
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2 eine
schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform
2 erklärt;
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3 eine
schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform
3 erklärt;
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4 eine
schematische Darstellung, die den Aufbau eines Leistungsmoduls gemäß Ausführungsform
4 erklärt;
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5 ein
Schaltbild, das einen Bereich des Leistungsmoduls zeigt;
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6 eine
schematische Darstellung, die den Aufbau eines herkömmlichen
Leistungsmoduls erklärt;
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7 eine
weitere schematische Darstellung, die den Aufbau des herkömmlichen
Leistungsmoduls erklärt;
und
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8 noch
eine weitere schematische Darstellung, die den Aufbau des herkömmlichen
Leistungsmoduls erklärt.
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AUSFÜHRUNGSFORM
1
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird nachstehend eine erste
Ausführungsform
des Leistungsmoduls nach der Erfindung beschrieben.
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1 zeigt
den Aufbau des Leistungsmoduls der Ausführungsform 1. Dabei besteht
das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2,
die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4,
einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6,
einem Halbleiterschaltelement 8, einer Freilaufdiode 10,
einer Isolierschicht 14, einer Kleberschicht 16, einer
integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8,
einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsan schluß 30,
der an dem isolierenden Substrat 4 befestigt ist, einem
Emitteranschluß 31 und
einem Kollektoranschluß 32.
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Die
Wärmesenke 2 ist
mit einer der Oberflächen
des isolierenden Substrats 4 verbunden. Das isolierende
Substrat 4 besteht bevorzugt aus einem Material mit hoher
Wärmeleitfähigkeit,
um dadurch die Temperatur des Leistungsmoduls insgesamt zu regulieren.
Die Elektrodenschicht 6, die auf der anderen Oberfläche des
isolierenden Substrats 4 angebracht ist, bildet eine Schaltkreisstruktur.
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In
dieser Schaltkreisstruktur sind das Halbleiterschaltelement 8 und
die Freilaufdiode 10 voneinander getrennt angeordnet. Die
integrierte Steuerschaltung 12 ist von der Freilaufdiode 10 durch
die isolierende Schicht 14 elektrisch isoliert und mit
der Freilaufdiode 10 durch die Kleberschicht 16 mechanisch
verbunden.
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Die
Isolierschicht 14 besteht beispielsweise aus Siliciumnitrid
Si3N4, und die Kleberschicht 16 besteht
aus einem isolierenden Klebstoff. Da hierbei die integrierte Steuerschaltung 12 von
dem Halbleiterschaltelement 8 getrennt ist, tendiert die
integrierte Steuerschaltung 12 weniger zu Fehlfunktionen
infolge der von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugten Wärme.
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Das
Halbleiterschaltelement 8 ermöglicht einen Stromfluß zu der
Freilaufdiode 10 aufgrund einer Gegen-EMK, die zum Zeitpunkt
eines Schaltvorgangs erzeugt wird, durch den Bonddraht 20.
Die integrierte Steuerschaltung 12 sendet ein Halbleiterschalter-Treiberausgangssignal
zu dem Halbleiterschaltelement 8 durch den Bonddraht 20 und
empfängt
außerdem
Detektiersignale eines durch das Halbleiterschaltelement 8 fließenden Stroms
und einer Temperatur desselben.
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Die
integrierte Steuerschaltung 12 erhält ein Halbleiterschaltelement-Treibereingangssignal
und eine Treiberspannung von dem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 durch
den Bonddraht 20 und gibt ein Fehlersignal ab. Außerdem werden eine
Spannung und ein Strom von dem Kollektoranschluß 32 durch den Bonddraht 20 an
die Elektrodenschicht 6 geführt, und die Spannung und der
Strom werden von der Freilaufdiode 10 an den Emitteranschluß 31 abgegeben.
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Die
vorliegende Ausführungsform
zeigt beispielhaft einen Fall, in dem das Halbleiterschaltelement
ein IGBT ist; und wenn das Halbleiterschaltelement 8 ein
MOSFET ist, wird anstelle des Emitteranschlusses 31 ein
Sourceanschluß 31 und
anstelle des Kollektoranschlusses 32 ein Drainanschluß 32 verwendet.
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Die
folgende Beschreibung erläutert
das Halbleiterschaltelement, die Freilaufdiode und die integrierte
Steuerschaltung des Leistungsmoduls der Erfindung. Wie 5 zeigt,
wird bei dieser Ausführungsform
der IGBT 40 als Halbleiterschaltelement 8 verwendet;
es kann aber auch jedes andere Halbleiterschaltelement verwendet
werden, unter der Voraussetzung, daß es einen Schaltvorgang zur
Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ausführen kann. Beispielsweise kann
ein Element vom Isolierschicht-Typ, wie etwa ein Leistungs-MOSFET, verwendet
werden.
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In 5 ist
der Aufbau innerhalb der Strichlinien 60 und 70 weggelassen;
der Aufbau innerhalb dieser beiden Strichlinien 60 und 70 ist
jedoch der gleiche wie der Aufbau innerhalb der Strichlinie 50. Die
Strichlinie 50 umfaßt
zwei Gruppen von Konstruktionen, und jede Gruppe besteht aus einem IGBT 40,
einer Freilaufdiode 10, die mit dem IGBT 40 antiparallel
geschaltet ist, einer integrierten Steuerschaltung 12 und
einer Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41.
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Die
Strichlinien 50, 60 und 70 bilden einen Wechselrichter.
Dieser Wechselrichter ist mit dem negativen Pol (N) 72 und
dem positiven Pol (P) 74 einer Gleichspannung verbunden,
die von einem Gleichstrom stammt, der durch Gleichrichten eines Wechselstromes
erhalten wird, oder ist von einer Batterie usw. abgeleitet.
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Die
integrierte Steuerschaltung 12 erhält eine Niederspannung Vcc
als Speisespannung zum Treiben der integrierte Steuerschaltung 12.
Der Wechselrichter, der die Gleichspannung erhält, die aus einem durch Gleichrichten
eines Wechselstromes erhaltenen Gleichstrom oder von einer Batterie usw.
gewonnen ist, wandelt den Gleichstrom in Drehstrom (U-Phase, V-Phase
und W-Phase) mit einer gewünschten
Frequenz und Spannung um, und zwar unter Nutzung des Schaltelement-Treiberausgangssignals
von der integrierten Steuerschaltung 12, und führt diesen
einem Motor (nicht gezeigt) usw. zu.
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Dabei
erhält
die integrierte Steuerschaltung 12 das Halbleiterschaltelement-Treibereingangssignal
durch einen Halbleiterschaltelement-Treibereingangssignalanschluß IN und
gibt entsprechend diesem Treibereingangssignal ein Halbleiterschaltelement-Treiberausgangssignal
an einem Halbleiterschaltelement-Treiberausgangssignalanschluß OUT an
den IGBT 40 ab.
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Dieses
Treiberausgangssignal ermöglicht
es dem IGBT 40, Schaltvorgänge auszuführen, so daß er einen Strom mit einer
Spannung von dem positiven Pol (P) 74 zu der U-Phase (V-Phase,
W-Phase) abgibt oder einen Strom mit einer Spannung von der U-Phase
(V-Phase, W-Phase) an den negativen Pol (N) 72 abgibt.
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Der
IGBT 40 führt
einen Strom, der beispielsweise einem Tausendstel des durch den
IGBT 40 fließenden
Stroms entspricht, zu einem Stromdetektiereingang SC der integrierten
Steuerschaltung 12, so daß der durch den IGBT 40 fließende Strom
in einem Stromdetektierkreis (normalerweise einem Widerstand) (nicht
gezeigt) im Inneren der integrierten Steuerschaltung 12 überwacht
wird.
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Bei
Detektierung eines abnormalen Stroms in dem Stromdetektierkreis
gibt die integrierte Steuerschaltung 12 das Fehlersignal
an dem Fehlerausgang FO ab.
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Auf
die gleiche Weise ist eine Chiptemperatur-Detektiereinrichtung (Diode,
Widerstand usw.) 41 zum Detektieren der Chiptemperatur
in dem IGBT 40 vorgesehen, um die Wärmeerzeugung des IGBT 40 zu überwachen.
Wenn eine anormale Temperatur detektiert wird, gibt daher die integrierte
Steuerschaltung 12 das Fehlersignal an dem Fehlerausgang
FO ab.
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In
der Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 ändert sich
der Wert des spezifischen Widerstands, während der IGBT 40 Wärme erzeugt
und seine Temperatur sich ändert.
Daher ist beispielsweise der durch die Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 fließende Strom
so eingestellt, daß er
konstant ist, so daß detektiert
werden kann, ob die Temperatur des IGBT 40 anormal ist,
indem die Potentialdifferenz zwischen dem REG-Anschluß und dem OT-Anschluß gemessen
wird.
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Dabei
sind in 5 der IGBT 40 und die Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 so
dargestellt, als ob es sich um getrennte Teile handelte; tatsächlich sind
jedoch der IGBT 40 und die Chiptemperatur-Detektiereinrichtung 41 zu
einem Ein-Chip-Halbleiterelement ausgebildet.
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Dabei
ist der Emitter des IGBT 40 mit dem Masseanschluß GND der
integrierten Steuerschaltung 20 verbunden, und die Spannung
zwischen Gate und Emitter ist als Potentialdifferenz des Masseanschlusses
GND und des Halbleiterschaltelement-Treiberausgangssignalanschlusses
OUT gegeben.
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Der
Leistungs-MOSFET kann bei einer Betriebsfrequenz von höchstens
ungefähr
2 MHz verwendet werden, und der IGBT kann bei einer Betriebsfrequenz
von höchstens
ungefähr
30 kHz verwendet werden.
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Um
dabei einen fehlerhaften Betrieb der integrierten Steuerschaltung 12 aufgrund
von Rauschen zu verhindern, sind die jeweiligen Halbleiterbauelemente
bevorzugt in dem Leistungsmodul angeordnet, um die Verdrahtungen
zu verkürzen.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist bei dem Leistungsmodul der Ausführungsform
1 das Halbleiterschaltelement 8 an der Freilaufdiode 10 angeordnet,
die im Gebrauch kaum wärme
erzeugt; es ist somit möglich,
eine Funktionsstörung
in der integrierten Steuerschaltung 12 infolge der von
dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugten Wärme zu verhindern.
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Dadurch
wird es möglich,
die Zuverlässigkeit des
Leistungsmoduls zu steigern. Wenn das Leistungsmodul ferner so ausgebildet
ist, daß die
Verdrahtung kürzer
ist, wird es auch möglich,
Störsignale bzw.
Rauschen zu verringern.
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AUSFÜHRUNGSFORM
2
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird nachstehend ein Leistungsmodul
gemäß einer
Ausführungsform
2 der Erfindung beschrieben.
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2 ist
eine erläuternde
Darstellung, die den Aufbau des Leistungsmoduls der Ausführungsform
2 zeigt.
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In 2 besteht
das Leistungsmodul aus einer Wärmesenke 2,
die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4,
einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6,
einer Freilaufdiode 10, einer Isolierschicht 14,
einer Klebmittelschicht 16, einer integrierten Steuerschaltung 12 zur
Steuerung des Halbleiterschaltelements 8, einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30,
der an dem isolierenden Substrat 4 befestigt ist, einem
Emitteranschluß 31 und
einem Kollektoranschluß 32.
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Dabei
wird beispielhaft der Fall beschrieben, bei dem das Halbleiterschaltelement 8 ein
IGBT ist; wenn das Halbleiterschaltelement 8 ein MOSFET
ist, wird anstelle des Emitteranschlusses 31 ein Sourceanschluß 31 und
anstelle des Kollektoranschlusses 32 ein Drainanschluß 32 verwendet.
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Die
Ausführungsform
2 unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 nur dadurch, daß das Halbleiterschaltelement 8 und
die Freilaufdiode 10 als monolithische integrierte Schaltung
ausgebildet sind. In bezug auf diejenigen Teile und Funktionen der
Ausführungsform
2, die die gleichen wie bei der Ausführungsform 1 sind, entfällt eine
Beschreibung.
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Da
die integrierte Steuerschaltung 12 an einer Position angeordnet
ist, die von dem Halbleiterschaltelement 8 entfernt ist,
können
Fehlfunktionen in der integrierten Steuerschaltung 12,
die auf die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte
Wärme zurückgehen,
verringert werden.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, sind bei dem Leistungsmodul der Ausführungsform
2 das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 als
monolithische integrierte Schaltung ausgebildet, und die integrierte
Steuerschaltung 12 ist auf der Freilaufdiode 10 angeordnet;
es wird dadurch möglich,
das gesamte Leistungsmodul kompakter zu bauen und auch seinen Aufbau
zu vereinfachen.
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Es
ist dadurch möglich,
den Stückpreis
des Leistungsmoduls zu senken. Außerdem kann wirkungsvoll verhindert
werden, daß die
von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme durch
Wärmeleitung
zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, und in folgedessen kann
eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung 12 verhindert
werden.
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Es
wird dadurch möglich,
die Zuverlässigkeit des
Leistungsmoduls zu verbessern. Wenn das Leistungsmodul ferner so
aufgebaut ist, daß die
Verdrahtungen kürzer
sind, kann auch das Rauschen verringert werden.
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AUSFÜHRUNGSFORM
3
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Unter
Bezugnahme auf 3 folgt nun die Beschreibung
eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform
3 der Erfindung.
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3 ist
eine erläuternde
Darstellung, die den Aufbau der Ausführungsform 3 des Leistungsmoduls
zeigt. In 3 besteht das Leistungsmodul aus
einer Wärmesenke 2,
die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4,
einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6,
einem Halbleiterschaltelement 8, einer Freilaufdiode 10,
einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8,
einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30,
der an dem isolierenden Substrat 4 angebracht ist, einem Emitteranschluß 31 und
einem Kollektoranschluß 32.
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Die
Wärmesenke 2 ist
mit einer der Oberflächen
des isolierenden Substrats 4 verbunden. Die Elektrodenschicht 6,
die auf der anderen Oberfläche des
isolierenden Substrats 4 angeordnet ist, bildet eine Schaltkreisstruktur.
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In
dieser Schaltkreisstruktur sind das Halbleiterschaltelement 8,
die Freilaufdiode 10 und die integrierte Steuerschaltung 12 als
monolithische integrierte Schaltung ausgebildet, und mindestens
ein Bereich der Freilaufdiode 10 ist sandwichartig zwischen
dem Halbleiterschaltelement 8 und der integrierten Steuerschaltung 12 angeordnet.
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Dabei
ist die integrierte Steuerschaltung 12 außer Berührung mit
dem Halbleiterschaltelement 8. Da die integrierte Steuerschaltung 12 an
einer von dem Halbleiterschaltelement 8 entfernten Position angeordnet
ist, können
Fehlfunktionen in der integrierten Steuerschaltung 12,
die auf die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte
Wärme zurückgehen,
verringert werden.
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Um
eine Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung 12 infolge
von Rauschen zu verhindern, sind dabei die jeweiligen Halbleiterbauelemente
bevorzugt in dem Leistungsmodul angeordnet, um die Verdrahtungen
zu verkürzen.
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Das
Halbleiterschaltelement 8 ist mit der Freilaufdiode 10 durch
den Bonddraht 20 verbunden und ist ferner mit der integrierten
Steuerschaltung 12 durch einen weiteren Bonddraht 20 verbunden.
Die integrierte Steuerschaltung 12 ist mit dem Halbleiterschaltelement 8 durch
einen Bonddraht 20 verbunden und ist ferner durch einen
weiteren Bonddraht 20 mit dem äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 verbunden.
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Die
Freilaufdiode 10 ist mit dem Halbleiterschaltelement 8 durch
einen Bonddraht 20 verbunden und ist ferner durch einen
weiteren Bonddraht 20 mit dem Emitteranschluß 31 verbunden.
Die Elektrodenschicht 6 ist mit dem Kollektoranschluß 32 durch einen
Bonddraht 20 verbunden.
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In
diesem Fall ist das Halbleiterschaltelement 8 ein IGBT;
wenn das Halbleiterschaltelement 8 ein MOSFET ist, wird
anstelle des Emitteranschlusses 31 ein Sourceanschluß 31 und
anstelle des Kollektoranschlusses 32 ein Drainanschluß 32 verwendet.
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Als
nächstes
folgt die Erläuterung
der Funktionsweise des Leistungsmoduls.
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Die
integrierte Steuerschaltung 12 erhält eine Niederspannung als
Speisespannung durch den äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30.
Die integrierte Steuerschaltung 12 erhält ein Halbleiterschaltelement-Treibereingangssignal
durch den äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 und
sendet entsprechend diesem Eingangssignal ein Halbleiterschaltelement-Treiberausgangssignal
an das Halbleiterschaltelement 8.
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Dieses
Treiberausgangssignal ermöglicht
es dem Halbleiterschaltelement 8, Schaltvorgänge auszuführen, so
daß es
einen von dem Kollektoranschluß 32 zugeführten Strom
mit einer Spannung über
die Elektrodenschicht 6 zu dem Emitteranschluß 31 durch
die Freilaufdiode 10 abgibt. Dabei kann ein Strom durch
die Freilaufdiode 10 aufgrund einer Gegen-EMK fließen, die
zum Zeitpunkt eines Schaltvorgangs erzeugt wird.
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Das
Halbleiterschaltelement 8 führt der integrierten Steuerschaltung 12 einen
Strom zu, der beispielsweise einem Tausendstel des durch das Halbleiterschaltelement 8 fließenden Stroms
entspricht, so daß der
durch das Halbleiterschaltelement fließende Strom in einem Stromdetektierkreis
(normalerweise einem Widerstand) (nicht gezeigt) in der integrierten
Steuerschaltung 12 überwacht
wird.
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Wenn
ein anormaler Strom in dem Stromdetektierkreis detektiert wird,
gibt die integrierte Steuerschaltung 12 ein Fehlersignal
an den äußeren Eingangs-Ausgangsanschluß 30 ab.
Auf die gleiche Weise ist in dem IGBT 40 eine Chiptemperatur-Detektiereinrichtung
(Diode, Widerstand usw.) 41 zum Detektieren der Chiptemperatur
installiert, um die Wärmeerzeugung
des IGBT zu überwachen.
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Wenn
eine anormale Temperatur detektiert wird, gibt daher die integrierte
Steuerschaltung 12 das Fehlersignal an dem Fehlerausgang
FO ab. Die genauen Operationen des Leistungsmoduls sind bei der
Ausführungsform
1 erörtert
und werden nicht erneut beschrieben.
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Wie
vorstehend beschrieben, hat das Leistungsmodul gemäß der Ausführungsform
3 eine solche Anordnung, daß das
Halbleiterschaltelement 8, die Freilaufdiode 10 und
die integrierte Steuerschaltung 12 als monolithische integrierte
Schaltung derart ausgeführt
sind, daß mindestens
ein Bereich der Freilaufdiode 10 sandwichartig zwischen
dem Halbleiterschaltelement 8 und der integrierten Steuerschaltung 12 angeordnet
ist; es wird dadurch möglich,
das gesamte Leistungsmodul kompakt zu bauen und seinen Aufbau zu
vereinfachen.
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Dadurch
wird es möglich,
den Stückpreis
des Leistungsmoduls zu senken. Außerdem kann wirkungsvoll verhindert
werden, daß von
dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme durch
Wärmeleitung
zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, und dadurch kann eine
Fehlfunktion der integrierte Steuerschaltung 12 verhindert
werden. Die Zuverlässigkeit
des Leistungsmoduls kann dadurch verbessert werden. Wenn ferner
das Leistungsmodul so aufgebaut ist, daß die Verdrahtungen verkürzt sind,
kann auch Rauschen verringert werden.
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AUSFÜHRUNGSFORM
4
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird eine Ausführungsform
4 des Leistungsmoduls der Erfindung beschrieben.
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4 ist
eine erläuternde
Darstellung, die den Aufbau des Leistungsmoduls der Ausführungsform
4 zeigt. In 4 besteht das Leistungsmodul aus
einer Wärmesenke 2,
die eine Grundplatte ist, einem isolierenden Substrat 4,
einer eine Schaltkreisstruktur bildenden Elektrodenschicht 6,
einem Halbleiterschaltelement 8, einer Freilaufdiode 10,
einer integrierten Steuerschaltung 12 zur Steuerung des Halbleiterschaltelements 8,
einem Bonddraht 20 und einem äußeren Eingangs-Ausgangsan schluß 30,
der an dem isolierenden Substrat befestigt ist, einem Emitteranschluß 31 und
einem Kollektoranschluß 32.
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Die
Ausführungsform
4 gleicht in vieler Hinsicht der Ausführungsform 3. Bei der Ausführungsform
3 sind jedoch das Halbleiterschaltelement 8, die Freilaufdiode 10 und
die integrierte Steuerschaltung 12 als monolithische integrierte
Schaltung ausgebildet, während
bei der Ausführungsform
4 das Halbleiterschaltelement 8 und die Freilaufdiode 10 getrennt ausgebildet
und die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als monolithische
integrierte Schaltung ausgebildet sind.
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Mit
anderen Worten, es unterscheiden sich Ausführungsform 3 und Ausführungsform
4 dadurch voneinander, daß das
Halbleiterschaltelement und die Freilaufdiode 10 voneinander
getrennt sind oder nicht. Auch hier entfällt unter Bezugnahme auf gleiche
Aspekte wie bei der Ausführungsform
2 deren Beschreibung.
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Da
die integrierte Steuerschaltung 12 in einer von dem Halbleiterschaltelement 8 entfernten
Position angeordnet ist, können
Fehlfunktionen der integrierten Steuerschaltung 12, die
auf die von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte Wärme zurückgehen,
verringert werden.
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Da,
wie vorstehend beschrieben, das Halbleiterschaltelement 8 und
die Freilaufdiode 10 voneinander getrennt aufgebaut und
die Freilaufdiode und die integrierte Steuerschaltung als monolithische integrierte
Schaltung ausgebildet sind, ermöglicht dieser
Aufbau eine Miniaturisierung des gesamten Leistungsmoduls und eine
Vereinfachung seiner Konstruktion. Es wird dadurch möglich, den
Stückpreis
des Leistungsmoduls zu senken.
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Außerdem kann
wirkungsvoll verhindert werden, daß von dem Halbleiterschaltelement 8 erzeugte
Wärme durch
Wärmeleitung
zu der integrierten Steuerschaltung gelangt, und infolgedessen kann eine
Fehlfunktion der integrierten Steuerschaltung 12 verhindert
werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des
Leistungsmoduls verbessert werden. Wenn das Leistungsmodul so aufgebaut
ist, daß die
Verdrahtung verkürzt
ist, wird es ferner möglich,
Rauschen zu verringern.
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Jede
der vorstehenden Ausführungsformen hat
eine einreihige Anordnung von Anschlüssen, wobei die Eingangs-Ausgangsanschlüsse, der
Kollektor- und der Emitteranschluß an einem Ende des Leistungsmoduls
angeordnet sind; die Erfindung soll jedoch durch die Anordnung nicht
eingeschränkt
werden, und es kann auch eine doppelreihige Anordnung vorgesehen
sein, bei der die Eingangs-Ausgangsanschlüsse an dem einen Ende des Leistungsmoduls und
der Kollektoranschluß und
der Emitteranschluß an
dem anderen Ende angeordnet sind.