DE102011004898A1

DE102011004898A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102011004898A1
Application number: DE201110004898
Authority: DE
Inventors: Kousuke Komatsu
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2011-09-15
Also published as: US20110222325A1; JP5533068B2; JP2011193646A; US9036388B2

Abstract

Offenbart ist eine Technik, die dazu imstande ist, die Anzahl von Leistungsversorgungen zum Ansteuern von IGBTs in einer Halbleitervorrichtung einer Dreipunkt-Inverterschaltung zu reduzieren und die Halbleitervorrichtung zu testen. Eine Halbleitervorrichtung beinhaltet eine in Reihe geschaltete Schaltung von IGBTs zwischen P und N einer DC-Leistungsversorgung und ein AC-Schaltelement, das zwischen einem Reihenschaltpunkt der in Reihe geschalteten Schaltung und einem neutralen Punkt der DC-Leistungsversorgungverbunden ist. Die in Reihe geschaltete Schaltung und das AC-Schaltelement sind in einem Modul integriert. Das Wechselstrom-Schaltelement wird durch Verbinden eines Kollektors eines ersten IGBT 41, mit dem eine Diode antiparallel verbunden ist, und einem Kollektor eines zweiten IGBT 42, mit dem eine Diode 44 antiparallel verbunden ist, ausgebildet, und an einem Verbindungspunkt zwischen den Kollektoren ist ein Zwischenanschluss 5 vorgesehen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung einer Dreipunkt-Leistungswandlungsschaltung, die für einen Dreipunkt-Inverter oder einen Resonanzinverter verwendet wird.
2. Beschreibung der verwandten Technik
4 zeigt ein Beispiel eine Schaltung eines Dreipunkt-Dreiphasen-Inverters, der einen Gleichstrom (DC) in einen Wechselstrom (AC) gemäß der verwandten Technik umwandelt. DC-Leistungsversorgungen 1 und 2 sind in Reihe geschaltet, in denen ein positives Potenzial P ist, ein negatives Potenzial N ist und ein neutrales Potenzial M ist. Wenn eine DC-Leistungsversorgung als AC-Leistungsversorgungsystem konfiguriert ist, kann es im Allgemeinen unter Verwendung eines Aufbaus realisiert werden, bei dem ein (nicht gezeigter) Diodengleichrichter eingesetzt wird, um den Wechselstrom vollweggleichzurichten und ein elektrolytischer Kondensator mit großer Kapazität zum Glätten des gleichgerichteten Stroms dient.
In Reihe geschaltete Schaltungen, die drei Phasen entsprechen und konfiguriert werden, indem IGBTs verbunden werden, mit denen Dioden antiparallel in Reihe geschaltet sind, sind zwischen das positive Potenzial P und das negative Potenzial N geschaltet. Das heißt, eine in Reihe geschalteter Schaltung 60 für eine U-Phase wird konfiguriert, indem ein oberer Arm, der einen IGBT 11 und eine Diode 12 einschließt, die antiparallel mit dem IGBT 11 verbunden ist, und ein unterer Arm, der einen IGBT 13 und eine Diode 14 einschließt, die antiparallel mit dem IGBT 13 verbunden ist, in Reihe geschaltet werden. Eine in Reihe geschaltete Schaltung 61 für eine V-Phase wird konfiguriert, indem ein oberer Arm, der einen IGBT 21 und eine Diode 22 einschließt, die antiparallel mit dem IGBT 21 verbunden ist, und ein unterer Arm, der einen IGBT 23 und eine Diode 24 einschließt, die antiparallel mit dem IGBT 23 verbunden ist, in Reihe geschaltet werden. Eine in Rehe geschaltete Schaltung 62 für eine W-Phase wird konfiguriert, indem ein oberer Arm, der einen IGBT 31 und eine Diode 32 einschließt, die antiparallel mit dem IGBT 31 verbunden ist, und ein unterer Arm, der einen IGBT 33 und eine Diode 34 einschließt, die antiparallel mit dem IGBT 33 verbunden ist, in Reihe geschaltet werden.
Ein AC-Schalter, der konfiguriert wird, indem IGBTs, mit denen Dioden antiparallel verbunden sind, in Reihe geschaltet werden, ist zwischen einem Reihenschaltungspunkt zwischen dem oberen Arm und dem unteren Arm der in Reihe geschalteten Schaltung für jede Phase und einem neutralen DC-Potenzial M geschaltet. Das heißt, ein AC-Schaltkreis, in dem der Emitter einer Halbleitervorrichtung 63, die einen IGBT 81 und eine mit dem IGBT 81 antiparallel geschaltete Diode 82 einschließt, mit dem Emitter einer Halbleitereinrichtung 64 verbunden ist, die einen IGBT 83 und eine mit dem IGBT 83 antiparallel verbundene Diode 84 einschließt, ist zwischen den Reihenschaltungspunkt der in Reihe geschalteten Schaltung 60 für die U-Phase und den neutralen Punkt M der DC-Leistungsversorgung geschaltet. Außerdem ist ein AC-Schaltkreis, in dem der Emitter einer Halbleitervorrichtung 65, die einen IGBT 85 und eine mit dem IGBT 85 antiparallel geschaltete Diode 86 einschließt, mit dem Emitter einer Halbleitereinrichtung 66 verbunden ist, die einen IGBT 87 und eine mit dem IGBT 87 antiparallel verbundene Diode 88 einschließt, zwischen den Reihenschaltungspunkt der in Reihe geschalteten Schaltung 61 für die V-Phase und den neutralen Punkt M der DC-Leistungsversorgung geschaltet. Ein AC-Schaltkreis, in dem der Emitter einer Halbleitervorrichtung 67, die einen IGBT 89 und eine mit dem IGBT 89 antiparallel geschaltete Diode 90 einschließt, mit dem Emitter einer Halbleitereinrichtung 68 verbunden ist, die einen IGBT 91 und eine mit dem IGBT 91 antiparallel verbundene Diode 92 einschließt, ist zwischen den Reihenschaltungspunkt der in Reihe geschalteten Schaltung 62 für die W-Phase und den neutralen Punkt M der DC-Leistungsversorgung geschaltet. Die Reihenschaltungspunkte der in Reihe geschalteten Schaltungen 60, 61 und 62 sind AC-Ausgänge der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase und sind durch Drosselspulen 71, 72, und 73, die jeweils als Filter dienen, mit einer Last 74 verbunden.
In dem Dreiphasen-Schaltungsaufbau können die Reihenverbindungspunkte der in Reihe geschalteten Schaltungen 60, 61 und 62 das positive Potenzial P bzw. das negative Potenzial N bzw. das neutrale Potenzial M ausgeben. Daher wird ein Dreipunkt-Inverter-Ausgang erhalten. Der Dreiphasen-Schaltungsaufbau ist dadurch gekennzeichnet, dass er im Vergleich zu einem Zweipunkt-Inverter eine AC-Spannung mit drei Spannungsniveaus und einer geringen Anzahl harmonischer Bestandteile ausgibt. Es ist möglich, die Größen der Ausgangsfilter 71 bis 73 zu reduzieren.
Es ist eine Halbleitervorrichtung hergestellt worden, bei der die Schaltungen, die drei in 4 gezeigten Phasen entsprechen, in ein Modul integriert sind, oder eine Halbleitervorrichtung, in der eine Schaltung, die einer Phase entspricht, in ein Modul integriert ist. Wenn eine Schaltung, die einer Phase entspricht, in ein Modul integriert wird, um eine Halbleitervorrichtung auszubilden, kann die Halbleitervorrichtung für eine einzige Phase verwendet werden. Außerdem können mehrere Halbleitervorrichtungen verwendet werden, um den in 4 gezeigten Dreiphasen-Inverter zu bilden. 5A und 5B zeigen eine Halbleitervorrichtung, die die in 4 gezeigte Schaltung einschließt, die einer Phase entspricht. 5A zeigt das äußere Erscheinungsbild eines Halbleitermoduls und 5B zeigt den inneren Schaltungsaufbau. Das Halbleitermodul beinhaltet IGBTs 11 und 13, Dioden 12 und 14 und einen AC-Schalter 15 als Halbleiterelemente. Ein Anschluss 17 ist ein C1-Anschluss, der mit dem positiven Potenzial P der DC-Leistungsversorgung verbunden ist. Ein Anschluss 18 ist ein M-Anschluss, der mit dem neutralen Potenzial M der DC-Leistungsversorgung verbunden ist. Ein Anschluss 19 ist ein E2-Anschluss, der mit dem negativen Potenzial N der DC-Leistungsversorgung verbunden ist. Ein Anschluss 16 ist ein E1C2-Anschluss, der mit einer Last verbunden ist. 5A zeigt ein Metallbasissubstrat 3, das es erlaubt, dass ein Halbleiterelement oder ein Verdrahtungselement auf ihm vorgesehen ist, so dass es isoliert ist, und ein Isoliergehäuse 4 des Moduls. Das Basissubstrat 3 hat auch eine Funktion zum Übertragen von Wärme, die aus dem inneren des Moduls erzeugt wird, zu einem Gebläse. Beispielsweise kann als das Basissubstrat 3 irgendeines der folgenden Substrate verwendet werden: ein Aluminiumisoliersubstrat mit einer auf einer Aluminiumplatte ausgebildeten Isolierschicht; und ein Substrat, bei dem beispielsweise ein Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitridkeramiksubstrat mit einem daran gebundenen Metallfilm, wie etwa einem Kupferfilm, auf einer Kupfer- oder Legierungsplatte angebracht ist. In den letzten Jahren ist ein Keramiksubstrat, an das ein Metallfilm ohne eine Kupfer- oder Legierungsplatte gebunden ist, als Basissubstrat 3 eingesetzt worden. Bei allen Substraten wird Metall von der Rückseite des Basissubstrats 3 freigelegt und die in dem Isoliergehäuse 4 vorgesehenen Halbleiterelemente werden durch einen Isolator von dem Metall isoliert. In 5A sind die Anschlüsse C1, M und E2 in einer Reihe auf dem Modul angeordnet. 6A bis 6C zeigen Beispiele des Aufbaus des in 5 verwendeten AC-Schalters 15. In den in 6A und 6B gezeigten Beispielen sind, da ein allgemeiner IGBT ein sehr niedriges Sperrspannungsvermögen in Rückwärtsrichtung aufweist, der IGBT und die Diode in Reihe geschaltet, um einen Rückspannungswiderstand sicherzustellen. 6A zeigt den Schaltungsaufbau eines AC-Schalters, der durch Verbinden des Emitters eines IGBT 41, mit dem eine Diode 43 antiparallel verbunden ist, und des Emitters eines IGBT 42, mit dem eine Diode 44 antiparallel verbunden ist, gebildet wird. Wenn ein Strom von einem Anschluss K zu einem Anschluss L fließt, wird der IGBT 41 eingeschaltet und der Strom fließt durch einen Weg von dem IGBT 41 zur Diode 44. Wenn ein Strom von dem Anschluss L zum Anschluss K fließt, wird der IGBT 42 eingeschaltet und der Strom fließt durch einen Weg von dem IGBT 42 zur Diode 43.
6B zeigt den Schaltungsaufbau eines AC-Schalters, der durch Verbinden des Kollektors des IGBT 41, mit dem die Diode 43 antiparallel verbunden ist, und des Kollektors des IGBT 42, mit dem die Diode 44 antiparallel verbunden ist, gebildet wird. Wenn ein Strom von dem Anschluss K zum Anschluss L fließt, wird der IGBT 42 eingeschaltet und der Strom fließt durch einen Weg von der Diode 43 zum IGBT 42. Wenn ein Strom von dem Anschluss L zum Anschluss K fließt, wird der IGBT 41 eingeschaltet und der Strom fließt durch einen Weg von der Diode 44 zum IGBT 41.
6C zeigt den Aufbau eines AC-Schalters, der durch Verbinden rückwärts sperrender IGBTs 45 und 46, welche IGBTs sind, die ein Sperrspannungsvermögen in Rückwärtsrichtung aufweisen, antiparallel zueinander gebildet wird. Wenn ein Strom von dem Anschluss K zum Anschluss L fließt, schaltet sich der rückwärts sperrende IGBT 45 ein. Wenn ein Strom von dem Anschluss L zum Anschluss K fließt, schaltet sich der rückwärts sperrende IGBT 46 ein (siehe beispielsweise JP-A-2008-193779 ).
Eine Schaltung, bei der die IGBTs antiparallel miteinander verbunden sind, oder eine Schaltung, bei der die rückwärts sperrenden IGBTs antiparallel miteinander verbunden sind, ist als Beispiel für den AC-Schalter gegeben. Jedoch kann eine Kombination aus einer Diodenbrückenschaltung und IGBTs oder anderen Arten von Halbleiterschaltelementen verwendet werden.
Der in den 5A und 5B gezeigte Schaltungsaufbau unter Verwendung des in 6A gezeigten AC-Schalters, bei dem die Emitter der IGBTs miteinander als der AG Schalter 15 verbunden sind, erfordert insgesamt vier Treiber-Leistungsversorgungen, das heißt, zwei Treiber-Leistungsversorgungen zum Ansteuern des IGBT 11 und des IGBT 13 und zwei Treiber-Leistungsversorgungen zum Ansteuern des IGBT 41 und des IGBT 42.
In dem in den 5A und 5B gezeigten Schaltungsaufbau unter Verwendung des in 6B gezeigten AC-Schalters, in dem die Kollektoren der IGBTs miteinander als der AC-Schalter 15 verbunden sind, ist der Emitter des IGBT 11 mit dem Emitter des IGBT 42 verbunden und die Emitterpotenziale sind einander gleich. Daher können sich der IGBT 11 und der IGBT 42 eine Treiber-Leistungsversorgung teilen und die Anzahl von Treiber-Leistungsversorgungen zum Ansteuern der IGBTs kann auf drei reduziert werden, das heißt, eine Treiber-Leistungsversorgung zum Ansteuern des IGBT 11 und des IGBT 42 und zwei Treiber-Leistungsversorgungen zum Ansteuern des IGBT 13 und des IGBT 41. Da die Anzahl von Treiber-IGBTs reduziert ist, können Größe und Kosten eines Inverters verringert werden.
Jedoch ist bei dem in den 5A und 5B gezeigten Schaltungsaufbau unter Verwendung des in 6B gezeigten AC-Schalters, bei dem die Kollektoren der IGBTs miteinander als der AC-Schalter 15 verbunden sind, die Anzahl von Treiber-Leistungsversorgungen reduziert, aber der AC-Schalter 15 weist die folgenden Probleme auf.
Das heißt, in dem Fall einer Halbleitervorrichtung, bei der die in 4 gezeigten Schaltungen, die drei Phasen entsprechen, in einem Modul integriert sind, oder einer Halbleitervorrichtung, bei der eine einer Phase entsprechende Schaltung in einem Modul integriert ist, wird der Isoliertest eines solchen Halbleiters bei Beendigung der Herstellung durchgeführt. Bei dem Isoliertest sind Hauptanschlüsse des Moduls und andere Anschlüsse, wie etwa Steueranschlüsse, die zur Außenseite des Moduls vorstehen, mit einem Anschluss einer AC-Leistungsversorgung verbunden und Metall, das von der Rückseite des Basissubstrats 3 freigelegt ist, ist mit dem anderen Anschluss der AC-Leistungsversorgung verbunden. Dann wird beispielsweise eine Spannung von 3,0 kV angelegt, um die elektrische Isolierung zwischen dem Halbleiterelement in dem Modul und dem Metall auf der Rückseite des Basissubstrats 3 zu prüfen. Der Isoliertest wird unter Bezugnahme auf 7A und 7B beschrieben. 7A und 7B zeigen ein Beispiel, in dem ein Keramiksubstrat 7 auf einer Kupferbasis 8 als Basissubstrat verwendet wird. Wie in 7A gezeigt wird, wird, wenn eine AC-Leistungsversorgung 9 einen Strom I zuführt und eine positive Spannung an den Anschluss angelegt wird, eine Ladung zwischen einem (nicht gezeigten) Schaltungsstruktur auf dem Keramiksubstrat 7 (durch eine gepunktete Linie dargestellt) und der Kupferbasis 8 auf der Rückseite des Keramiksubstrats 7 gespeichert. In diesem Fall werden die folgenden drei Ladungen zwischen der Schaltungsstruktur des Keramiksubstrats 7 und der Kupferbasis 8 in dem AC-Schalter gespeichert: eine Ladung Q₁, die durch einen Ladestrom I₁₁, einen Teil eines Stroms I₁ in einem kapazitiven Bauteil C₁ zwischen dem Emitter des IGBT 41 und der Kupferbasis gespeichert wird; eine Ladung Q₂, die durch einen Ladestrom I₂₁, einen Teil eines Stroms I₂, in einem kapazitiven Bauteil C₂ zwischen dem Emitter des IGBT 42 und der Kupferbasis gespeichert wird; und eine Ladung Q₃, die in einem kapazitiven Bauteil C₃ zwischen der Kathode und der Kupferbasis durch einen Ladestrom I₃ + I₄, der durch einen Strom I₃, der über die Diode 43 fließt, und einen Strom I₄, der über die Diode 44 fließt, gespeichert wird.
Dann, wie in 7B gezeigt, wird, wenn die von der AC-Leistungsversorgung 9 angelegte Spannung verringert wird, die in dem Keramiksubstrat 7 gespeicherte Ladung entladen. Zu diesem Zeitpunkt fließen die Entladeströme I₁₁ und I₂₁, die von den in den kapazitiven Bauteilen C₁ und C₂ zwischen den Emittern der IGBTs 41 und 42 und der Kupferbasis gespeicherten Ladungen Q₁ und Q₂ erzeugt werden, zur AC-Leistungsversorgung. Jedoch wird durch die Diode verhindert, dass der Entladestrom I₃ + I₄, der von der in dem kapazitiven Bauteil C₃ zwischen dem Kollektor und der Kupferbasis gespeicherten Ladung Q₃ erzeugt wird, fließt und bleibt zurück, ohne entladen zu werden. Daher gibt es ein großes Potenzialgefälle zwischen dem Kollektor und dem Emitter der IGBTs 41 und 42 aufgrund der Ladung Q₃, die in dem kapazitiven Element C₃ zwischen dem Kollektor und der Kupferbasis zurückbleibt. Daher ist es wahrscheinlich, dass die IGBTs 41 und 42 beschädigt werden.
In dem in den 7A und 7B gezeigten AC-Schalter sind Hilfsemitter 6c und 6d an beiden Enden des AC-Schalters vorgesehen, da der Kollektor zwischen dem IGBT 41 und dem IGBT 42 geteilt wird. Daher werden, wenn die Hilfsemitter 6c und 6d ebenfalls zum Auswerten eines einzelnen Elements verwendet werden, die Gesamtcharakteristiken der IGBTs und der Dioden, wie etwa des IGBT 41 und der Diode 44 sowie des IGBT 42 und der Diode 43, gemessen. Daher ist es schwierig, das einzelne Element auszuwerten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist gemacht worden, um die vorstehend angegebenen Probleme der verwandten Technik zu lösen, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, Schaden an einer Halbleitervorrichtung während des Isoliertests zu verhindern und Elemente in der Halbleitervorrichtung einzeln auszuwerten.
Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen und die Aufgabe zu erfüllen, ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Halbleitervorrichtung vorgesehen, die bei einem Dreipunkt-Spannungstyp-Inverter eingesetzt wird. Die Halbleitervorrichtung beinhaltet einen ersten IGBT, mit dem eine Diode antiparallel verbunden ist und der einen Kollektor aufweist, der mit einem positiven Anschluss einer DC-Schaltung verbunden ist; einen zweiten IGBT, mit dem eine Diode antiparallel verbunden ist, und der einen Emitter aufweist, der mit einem negativen Anschluss der DC-Schaltung verbunden ist; und einen AC-Schalter, der zwischen einem Verbindungspunkt zwischen einem Emitter des ersten IGBT und einem Kollektor des zweiten IGBT und einem neutralen Anschluss zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss der DC-Schaltung verbunden ist. Der erste IGBT, der zweite IGBT und der AC-Schalter sind in einem Gehäuse untergebracht. Der AC-Schalter wird ausgebildet, indem ein Kollektor eines dritten IGBT, mit dem eine Diode antiparallel verbunden ist, und ein Kollektor eines vierten IGBT, mit dem eine Diode antiparallel verbunden ist, verbunden werden. Ein Zwischenanschluss ist zwischen dem Kollektor des dritten IGBT und dem Kollektor des vierten IGBT vorgesehen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung können in der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der erste bis vierte IGBT, mit denen jeweils eine Diode antiparallel verbunden ist, einen Schaltkreis bilden, der einer Phase entspricht, und/oder mehrere der Schaltkreise, die jeweils einer Phase entsprechen, können in einem Gehäuse untergebracht sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung kann bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt einer oder mehrere, bevorzugt jeder der ersten bis vierten IGBTs Anschlüsse von Hilfsemittern aufweisen.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung können sich bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt unter den ersten bis vierten IGBTs diejenigen IGBTs, die die Emitter mit demselben Potenzial aufweisen, den Anschluss des Hilfsemitters teilen.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung können bei der Halbleitervorrichtung gemäß irgendeinem der ersten bis vierten Aspekte der Kollektor des ersten IGBT, der Emitter des zweiten IGBT und/oder der neutrale Anschluss Hauptanschlüsse sein, und der Zwischenanschluss, die Gates und/oder die Hilfsemitter des ersten bis vierten IGBT können Anschlüsse sein, die kleiner als die Hauptanschlüsse sind.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung kann in der Halbleitervorrichtung gemäß dem fünften Aspekt der Zwischenanschluss unter den Hauptanschlüssen sowie dem Anschluss der Gates und der Hilfsemitter angeordnet sein.
Gemäß der Halbleitervorrichtung der vorstehend angegebenen Aspekte der Erfindung ist es möglich, die Beschädigung einer Halbleitervorrichtung während des Isoliertests zu verhindern und Elemente in der Halbleitervorrichtung einzeln auszuwerten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
2A und 2B sind Schaltungsdiagramme, die den Testzustand der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulichen;
3 ist eine Seitenansicht, die die Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Dreipunkt-Inverter gemäß der verwandten Technik veranschaulicht;
5A und 5B sind Diagramme, die den Aufbau einer Halbleitervorrichtung gemäß der verwandten Technik veranschaulichen; 5A ist eine perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild der Halbleitervorrichtung veranschaulicht, und 5B ist ein Schaltungsdiagramm, das die Halbleitervorrichtung veranschaullcht.
6A bis 6C sind Schaltungsdiagramme, die einen AC-Schalter gemäß der verwandten Technik veranschaulichen; und
7A und 7B sind Schaltungsdiagramme, die den Isoliertest gemäß der verwandten Technik veranschaulichen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachstehend werden Halbleitervorrichtungen gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung eingehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Ausführungsbeispielen und Zeichnungen sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, und entspricht 5B. Die in 1 gezeigte Halbleitervorrichtung unterscheidet sich von derjenigen, die in 5B gezeigt ist, dadurch, dass ein AC-Schalter 15 konfiguriert wird, indem ein Kollektor eines IGBT 41, mit dem eine Diode 43 antiparallel verbunden ist, und ein Kollektor eines IGBT 42, mit dem eine Diode 44 antiparallel verbunden ist, verbunden werden und ein Zwischenanschluss 5 zwischen dem Kollektor des IGBT 41 und dem Kollektor des IGBT 42 vorgesehen ist. Wenn ein Strom von einem Anschluss M zu einem Anschluss E1C2 fließt, wird der IGBT 42 eingeschaltet und der Strom fließt durch einen Weg von der Diode 43 zum IGBT 42. Wenn ein Strom vom Anschluss E1C2 zum Anschluss M fließt, wird der IGBT 41 eingeschaltet und der Strom fließt durch einen Weg von der Diode 44 zum IGBT 41. Ein Vorgang für das Fließen des Stroms ist der gleiche wie derjenige im Schaltungsdiagramm der 5B. Ein IGBT 11, ein IGBT 13 und der IGBT 41 haben die Hilfsemitter 6a bzw. 6b bzw. 6c. Der Hilfsemitter des IGBT 42 ist nicht vorgesehen, da der Hilfsemitter 6a des IGBT 11 auch als Hilfsemitter des IGBT 42 dient. Eine Halbleitervorrichtung kann ausgebildet werden, indem der in 1 gezeigte Schaltungsaufbau in ein Modul integriert wird, das einer Phase entspricht. Außerdem kann eine Halbleitervorrichtung ausgebildet werden, indem mehrere in 1 gezeigte Schaltungsaufbauten, die jeweils einer Phase entsprechen, beispielsweise in ein Modul integriert werden, das drei Phasen entspricht.
Als Nächstes wird ein Isoliertest beschrieben, der bei Fertigstellung der Halbleitervorrichtung durchgeführt wird. 2A und 2B sind Schaltungsdiagramme, die einen Abschnitt des Tests zum Prüfen der elektrischen Isolierung zwischen einem Halbleiterelement in einem Modul und Metall auf der Rückseite eines Basissubstrats 3 veranschaulichen. In dem Test sind der Hauptanschluss des Moduls und Anschlüsse, wie etwa Steueranschlüsse, die nach außerhalb des Moduls vorstehen, mit einem Anschluss einer AC-Leistungsversorgung 9 verbunden und das auf der Rückseite des Basissubstrats 3 freigelegte Metall ist mit dem anderen Anschluss der AC-Leistungsversorgung verbunden. Dann wird beispielsweise eine Spannung von 3,0 kV angelegt, um die elektrische Isolierung zwischen dem Halbleiterelement in dem Modul und dem Metall auf der Rückseite des Basissubstrats zu prüfen. 2A und 2B zeigen nur den IGBT 41, den IGBT 42, die Diode 43 und die Diode 44, die den AC-Schalter in dem in 1 gezeigten Schaltungsaufbau bilden. Jedoch wird der Test gleichermaßen am IGBT 11, dem IGBT 13, der Diode 12 und der Diode 14 durchgeführt. Der Isoliertest wird unter Bezugnahme auf 2A und 2B beschrieben. 2A und 2B zeigen ein Beispiel, in dem ein Keramiksubstrat 7 auf einer Kupferbasis 8 als Basissubstrat verwendet wird. Wie in 2A gezeigt, wird, wenn die AC-Leistungsversorgung 9 einen Strom I zuführt und eine positive Spannung an den Anschluss angelegt wird, eine Ladung zwischen einer (nicht gezeigten) Schaltungsstruktur auf dem Keramiksubstrat 7 (durch eine gepunktete Linie dargestellt) und der Kupferbasis 8 auf der Rückseite des Keramiksubstrats 7 gespeichert. In diesem Fall werden die folgenden drei Ladungen zwischen der Schaltungsstruktur des Keramiksubstrats 7 und der Kupferbasis 8 gespeichert. Eine Ladung Q₁, die durch einen Ladestrom I₁₁, einem Teil eines Stroms I₁, in einem kapazitiven Bauteil C₁ zwischen dem Emitter des IGBT 41 und der Kupferbasis gespeichert wird; eine Ladung Q₂, die durch einen Ladestrom I₂₁, einem Teil eines Stroms I₂, in einem kapazitiven Bauteil C₂ wischen dem Emitter des IGBT 42 und der Kupferbasis gespeichert wird; und eine Ladung Q₃, die in einem kapazitiven Bauteil C₂ zwischen der Kathode und der Kupferbasis durch einen Ladestrom I₃ + I₄ + I₅ gespeichert wird, der durch einen Strom I₃, der über die Diode 43 fließt, einen Strom I₄, der über die Diode 44 fließt, und einen Strom I₅, der über den Zwischenanschluss 5 fließt, erhalten wird.
Dann wird, wie in 2B gezeigt, wenn die von der AC-Leistungsversorgung 9 angelegte Spannung verringert wird, die in dem Keramiksubstrat 7 gespeicherte Ladung entladen. Zu dieser Zeit fließen die Entladungsströme I₁₁ und I₂₁, die von den Ladungen Q₁ und Q₂ erzeugt werden, die in den kapazitiven Bauteilen C₁ und C₂ zwischen den Emittern der IGBTs 41 und 42 und der Kupferbasis gespeichert sind, zur AC-Leistungsversorgung. Außerdem fließt der Entladungsstrom I₃ + I₄ + I₅, der von der Ladung Q₃ erzeugt wird, die in dem kapazitiven Bauteil C₃ zwischen dem Kollektor und der Kupferbasis gespeichert ist, durch den Zwischenanschluss 5 zur AC-Leistungsversorgung.
Als solche wird die Ladung Q₃, die in dem kapazitiven Bauteil C₃ zwischen dem Kollektor und der Kupferbasis gespeichert ist, vollständig entladen. Daher gibt es kein großes Potenzialgefälle zwischen dem Kollektor und dem Emitter der IGBTs 41 und 42. Als Ergebnis wird die Beschädigung der IGBTs 41 und 42 verhindert.
Da in 1 der Zwischenanschluss 5 zwischen dem Kollektor des IGBT 41 und dem Kollektor des IGBT 42 vorgesehen ist, ist es möglich, die Elementeigenschaften des IGBT 41, der Diode 44, des IGBT 42 und der Diode 43 individuell zu messen. Daher ist es möglich, die einzelnen Elemente auszuwerten und die Ursache eines Fehlers aufzuklären.
3 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand der Halbleitervorrichtung veranschaulicht, wenn die Halbleitervorrichtung als Inverter verwendet wird. In 3 gestattet es ein Metallbasissubstrat 3, dass ein Halbleiterelement oder ein Verdrahtungselement auf ihm angeordnet wird, so dass es isoliert ist. Das Metallbasissubstrat 3 hat auch die Funktion zum Übertragen von Wärme, die vom Inneren erzeugt wird, zu einem Gebläse. Als das Basissubstrat 3 kann beispielsweise irgendeines der folgenden Substrate verwendet werden: ein Aluminiumisoliersubstrat, das eine auf einer Aluminiumplatte ausgebildete Isolierschicht aufweist; ein Substrat, bei dem zum Beispiel ein Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitridkeramiksubstrat, mit dem ein Metallfilm, wie etwa ein Kupferfilm, verbunden ist, auf einer Kupfer- oder Legierungsplatte angebracht ist; und ein Keramiksubstrat, mit dem ein Metallfilm ohne Kupfer- oder Legierungsplatte verbunden ist. Ein U-Anschluss 16, der der Anschluss E1C2 ist, der als Hauptanschluss für eine U-Phase dient, ein N-Anschluss 19, der der Hauptanschluss E2 an einem negativen Potenzial N ist, ein M-Anschluss 18, der der Hauptanschluss M an einem neutralen Potenzial M ist, und ein P-Anschluss 17, der der Hauptanschluss C1 an einem positiven Potenzial P ist, sind in dieser Reihenfolge in einer Linie auf der Oberseite eines Isoliergehäuses 4 des Moduls angeordnet. Der Anschluss 20 des Hilfsemitters und des Gates sind auf einer Seite des P-Anschlusses 17 des Isoliergehäuses 4 vorgesehen. Ein Verdrahtungssubstrat 10 dient dazu, beispielsweise eine Steuerschaltung anzuschließen. Eine Sammelschiene oder ein anderer elektrischer Draht als das Verdrahtungssubstrat 10 können dazu verwendet werden, die Steuerschaltung anzuschließen. Der Zwischenanschluss 5 ist unter dem Hauptanschluss und dem Anschluss 20 auf der anderen Seite des Isoliergehäuses 4 angeordnet. Wenn die Anschlüsse der Halbleitervorrichtung auf diese Weise angeordnet sind, werden die folgenden Wirkungen erzielt. Zuerst ist es, da der N-Anschluss 19, der M-Anschluss 18 und der P-Anschluss 17 in dieser Reihenfolge angeordnet sind, einfach, Kondensatoren zwischen dem N-Anschluss 19 und dem M-Anschluss 18 sowie dem M-Anschluss 18 und dem P-Anschluss 17 zu verbinden. Da der U-Anschluss 16 von dem Anschluss 20 getrennt ist, ist es möglich, den Einfluss des Hauptstroms, der durch den Ausgangsanschluss fließt, auf den Anschluss 20 zu reduzieren. Da der Zwischenanschluss 5 unter den Hauptanschlüssen und dem Anschluss 20 angeordnet ist, stört er die Verbindung im Verdrahtungssubstrat 10 nicht. Außerdem erfüllen die Hauptanschlüsse, der Anschluss 20 und der Zwischenanschluss 5 einen Isolierabstand von der Masse, die durch eine Isoliernorm definiert ist, und der Anschluss 20 und der Zwischenanschluss 5 sind kleiner als die Hauptanschlüsse.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Halbleitervorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Integrieren einer in Reihe geschalteten Schaltung und eines AC-Schalters in ein Modul konfiguriert. Die in Reihe geschaltete Schaltung wird ausgebildet, indem zwei IGBTs, mit denen Dioden antiparallel verbunden sind, in Reihe geschaltet werden. Der AC-Schalter wird ausgebildet, indem zwei IGBTs, mit denen Dioden antiparallel verbunden sind, so in Reihe geschaltet werden, dass sich die beiden IGBTs den Kollektor teilen. Daher kann die Halbleitervorrichtung beispielsweise bei einer Dreipunkt-Inverterschaltung, einer Dreipunkt-Konverterschaltung und einer Resonanzschaltung angewendet werden.
Merkmale, Bauteile und spezifische Einzelheiten der Aufbauten der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen auszubilden, die für den jeweiligen Anwendungszweck optimiert sind. Soweit jene Modifikationen für einen Fachmann auf dem Gebiet leicht erkennbar sind, sollen sie der Kürze und Prägnanz der vorliegenden Beschreibung halber durch die obige Beschreibung implizit offenbart sein, ohne explizit jede mögliche Kombination auszuführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-193779 A [0008]

Claims

Halbleitervorrichtung, die bei einem Dreipunkt-Spannungstyp-Inverter eingesetzt wird, mit: einem ersten IGBT (11), mit dem eine Diode (12) antiparallel verbunden ist, und der einen Kollektor aufweist, der mit einem positiven Anschluss (17; C1) einer DC-Schaltung verbunden ist; einem zweiten IGBT (13), mit dem eine Diode (14) antiparallel verbunden ist, und der einen Emitter aufweist, der mit einem negativen Anschluss (19; E2) der DC-Schaltung verbunden ist; und einem AC-Schalter (15), der zwischen einem Verbindungspunkt zwischen einem Emitter des ersten IGBT (11) und einem Kollektor des zweiten IGBT (13) von einem neutralen Anschluss (18; M) zwischen dem positiven Anschluss (17; C1) und dem negativen Anschluss (19; E2) der DC-Schaltung verbunden ist, wobei der erste IGBT (11), der zweite IGBT (13) und der AC-Schalter (15) in einem Gehäuse untergebracht sind, der AC-Schalter (15) ausgebildet wird, indem ein Kollektor eines dritten IGBT (41), mit dem eine Diode (43) antiparallel verbunden ist, und ein Kollektor eines vierten IGBT (42), mit dem eine Diode (44) antiparallel verbunden ist, verbunden werden, und einen Zwischenanschluss (5) zwischen dem Kollektor des dritten IGBT (41) und dem Kollektor des vierten IGBT (42) vorgesehen wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste bis vierte IGBT (11, 13, 41, 42), mit denen jeweils eine der Dioden antiparallel verbunden ist, einen Schaltkreis bilden, der einer Phase entspricht, und mehrere der Schaltkreise, die jeweils einer Phase entsprechen, in einem Gehäuse untergebracht sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der ersten bis vierten IGBTs (11, 13, 41, 42) einen Anschluss eines Hilfsemitters (6a; 6b; 6c) aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich unter den ersten bis vierten IGBTs (11, 13, 41, 42) diejenigen IGBTs, die die Emitter mit gleichem Potenzial aufweisen, den Anschluss des Hilfsemitters teilen.
Halbleitervorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kollektor des ersten IGBT (11), der Emitter des zweiten IGBT (13) und der neutrale Anschluss (M) Hauptanschlüsse sind, und der Zwischenanschluss (5) und die Gates und die Hilfsemitter des ersten bis vierten IGBT (11, 13, 41, 42) Anschlüsse sind, die kleiner als die Hauptanschlüsse sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Zwischenanschluss (5) unter dem Hauptanschluss sowie den Anschlüssen der Gates und der Hilfsemitter angeordnet ist.