DE112015004772T5 - Leistungsmodul, elektrische Leistungsumsetzungsvorrichtung und Antriebsgerät für ein Fahrzeug - Google Patents

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switching
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power
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Ryuusei Fujita
Satoru Akiyama
Hiroshi Kageyama
Ayumu Hatanaka
Akio Shima
Toru Masuda
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Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Differenz einer Schwellenspannung zwischen mehreren Schaltvorrichtungen, die in ein Leistungsmodul eingebaut sind, zu kompensieren. Die vorliegende Erfindung löst das vorstehend beschriebene Thema durch Montieren einer Schaltvorrichtung mit einer hohen Schwellenspannung im Vergleich zu einer anderen Schaltvorrichtung an einem Ort, and dem die Temperatur des Leistungsmoduls während des Betriebs höher ist als jene an einem anderen Ort, an dem die andere Schaltvorrichtung montiert ist. Schließlich können ein Leistungsumsetzungsgerät mit hoher Leistungsfähigkeit und ein Fahrzeugantriebsgerät mit hoher Leistungsfähigkeit geschaffen werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsmodul, ein Leistungsumsetzungsgerät und ein Fahrzeugantriebsgerät.
  • Stand der Technik
  • Ein Chip einer Halbleitervorrichtung ist als Schaltvorrichtung für ein Leistungsumsetzungsgerät eingebaut. Silizium (Si) wurde im Allgemeinen als Material für eine Halbleitervorrichtung verwendet. Für eine Last mit großer Kapazität wie z. B. ein Antriebsgerät für ein Eisenbahnfahrzeug wird beispielsweise ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) als Schaltvorrichtung vom Gesichtspunkt der Durchbruchspannung und der Stromkapazität verwendet. Andererseits werden und wurden in den letzten Jahren eine Forschung und Entwicklung von Halbleitervorrichtungen, für die ein Halbleiter mit breiter Bandlücke wie z. B. Siliziumcarbid (SiC), das ein Verbundhalbleiter ist, als Material verwendet wird, gefördert. Die Entwicklung eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) (nachstehend als SiC-MOSFET bezeichnet), für den SiC eine Durchbruchspannung ähnlich zu jener eines Silizium-IGBT (Si-IGBT) aufweist und dessen elektrischer Widerstand bei der Leitung verringert werden kann, wird aktiv durchgeführt.
  • Als eine der Eigenschaften einer Schaltvorrichtung ist eine Schwellenspannung verfügbar. Die Schwellenspannung ist eine Gate-Spannung, wenn mehr als ein Strom eines festen Pegels durch die Schaltvorrichtung fließt. Obwohl ein n-Kanal-MOSFET normalerweise sich in einem Aus-Zustand befindet, wird beispielsweise dann, wenn eine positive Spannung gleich oder höher als die Schwellenspannung an das Gate angelegt wird, der n-Kanal-MOSFET in einen Ein-Zustand gesetzt.
  • Das Patentdokument 1 gibt an, dass, wenn ein Halbleiter mit breiter Bandlücke für eine Halbleiterschaltvorrichtung verwendet wird, da eine Hochtemperaturumgebung bei der Herstellung erforderlich ist, es schwierig ist, die Halbleiterschaltvorrichtung stabil herzustellen, und eine individuelle Streuung in der Gate-Schwellenspannung existiert, und offenbart eine Technologie zum Verringern des Kriechstroms der Schaltvorrichtung durch Steuern der Ansteuerspannung auf der Basis eines Detektionswerts des Kriechstroms der Schaltvorrichtung gegen die individuelle Streuung des Gate-Schwellenspannung.
  • Dokument des Standes der Technik
  • Patentdokument
    • Patentdokument 1: JP-2006-296032-A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Von der Erfindung zu lösendes Problem
  • Mehrere Schaltvorrichtungen werden manchmal in ein Leistungsmodul eingebaut. Obwohl ein Strom von mehreren zehn Ampere durch einen Chip einer Halbleitervorrichtung fließen kann, ist für Eisenbahnfahrzeug-Anwendungen und so weiter eine große Kapazität von mehreren hundert Ampere erforderlich. Daher werden mehrere Chips als Leistungsmodul parallel geschaltet, um einen zulässigen Strom sicherzustellen. Da in der im Patentdokument 1 offenbarten Technologie die Gate-Ansteuerspannung in den Schaltvorrichtungsgruppen, die parallel geschaltet sind, gesteuert wird, wird die Gate-Ansteuerspannung ebenso an die Schaltvorrichtungsgruppen angelegt, die parallel geschaltet sind, und die Streuung der Gate-Schwellenspannung kann nicht kompensiert werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Differenz der Schwellenspannung zwischen mehreren Schaltvorrichtungen zu kompensieren, die in ein Leistungsmodul eingebaut sind.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Die vorliegende Erfindung löst das vorstehend beschriebene Thema durch Montieren einer Schaltvorrichtung, die eine hohe Schwellenspannung im Vergleich zu den anderen Schaltvorrichtungen aufweist, an einem Ort, an dem eine Temperatur während des Betriebs höher ist jene als an Orten, an denen die anderen Schaltvorrichtungen montiert sind.
  • Effekt der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Differenz der Schwellenspannung zwischen den mehreren Schaltvorrichtungen, die in das Leistungsmodul eingebaut sind, kompensiert werden. Schließlich können ein Leistungsumsetzungsgerät mit hoher Leistung und ein Fahrzeugantriebsgerät mit hoher Leistung geschaffen werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Draufsicht eines Leistungsmoduls eines Arbeitsbeispiels 1.
  • 2 ist eine Draufsicht eines Isolationssubstrats, das in das Leistungsmodul von 1 eingebaut ist.
  • 3(a) ist ein Beispiel (1-in-l-Modul) eines Schaltplans des Leistungsmoduls des Arbeitsbeispiels 1.
  • 3(b) ist ein Beispiel (2-in-1-Modul) eines Schaltplans des Leistungsmoduls des Arbeitsbeispiels 1.
  • 4(a) ist eine Schnittansicht eines Beispiels (im Fall eines DMOSFET) einer Schaltvorrichtung, die am Isolationssubstrat des Arbeitsbeispiels 1 montiert ist. (a) stellt einen DMOSFET dar und (b) stellt einen Grabenstruktur-MOSFET dar.
  • 4(b) ist eine Schnittansicht eines Beispiels (im Fall eines Grabenstruktur-MOSFET) einer Schaltvorrichtung, die am Isolationssubstrat des Arbeitsbeispiels 1 montiert ist.
  • 5(a) stellt ein Fahrzeugantriebsgerät des Arbeitsbeispiels 1 dar.
  • 5(b) stellt das Fahrzeugantriebsgerät des Arbeitsbeispiels 1 dar.
  • 6 ist ein Blockdiagramm eines Schutzsystems für ein Leistungsumsetzungsgerät des Arbeitsbeispiels 1.
  • 7 ist eine Draufsicht eines Isolationssubstrats eines Arbeitsbeispiels 2.
  • 8 ist eine Draufsicht eines Drain-Verdrahtungsmusters eines Arbeitsbeispiels 3.
  • 9 ist eine Draufsicht eines Leistungsmoduls und eines Kühlsystems eines Arbeitsbeispiels 4.
  • Arten zur Ausführung der Erfindung
  • In der folgenden Ausführungsform wird, wenn für die Zweckmäßigkeit der Beschreibung erforderlich, die Ausführungsform beschrieben, wobei sie in mehrere Abschnitte oder Ausführungsformen unterteilt wird. Außer wie insbesondere ausdrücklich angegeben, sind jedoch die Abschnitte oder die Ausführungsformen nicht ohne Beziehung zueinander, sondern haben eine solche Beziehung, dass eine eine Modifikation an einem Teil oder der Gesamtheit der anderen, Besonderheiten, einer zusätzlichen Erläuterung oder dergleichen ist. Ferner weist in den Zeichnungen, die zur Beschreibung der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, selbst eine Draufsicht manchmal schräge Linien auf, die angewendet werden, um eine Betrachtung der Figur zu erleichtern. In allen Figuren zum Beschreiben der folgenden Ausführungsform sind außerdem gleiche Elemente mit gleichen Funktionen mit gleichen Bezugszeichen im Prinzip bezeichnet und auf eine wiederholte Beschreibung von ihnen wird verzichtet. Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Arbeitsbeispiel 1
  • 1 ist eine Draufsicht eines Leistungsmoduls 100 eines Arbeitsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das Leistungsmodul 100 weist eine Wärmestrahlungsbasis 101 und zwei Isolationssubstrate 102 auf. Die Isolationssubstrate 102 sind mit der Wärmestrahlungsbasis 101 durch Löten oder dergleichen verbunden. Obwohl nicht dargestellt, weist das Leistungsmodul 100 ferner ein Dichtungsharzelement auf, das die Isolationssubstrate 102 überzieht. Es ist möglich, mehrere Isolationssubstrate 102 an der Wärmestrahlungsbasis 101 in Reaktion auf eine Stromkapazität zu montieren, die für ein Leistungsumsetzungsgerät erforderlich ist, um die Stromkapazität des Leistungsmoduls 100 zu erhöhen. Obwohl zwei Isolationssubstrate 102 in das Leistungsmodul 100 eingebaut sind, kann folglich die Anzahl von an der Wärmestrahlungsbasis 101 zu montierenden Isolationssubstraten 102 auf eins oder drei oder mehr gesetzt werden. Es ist auch möglich, die Stromkapazität des Leistungsumsetzungsgeräts durch Parallelschalten von mehreren Leistungsmodulen 100 zu erhöhen.
  • 2 ist eine Draufsicht eines Isolationssubstrats 102 des in 1 dargestellten Leistungsmoduls 100. Das Isolationssubstrat 102 weist Gate-Verdrahtungsmuster 104, Source-Erfassungsverdrahtungsmuster 105, ein Drain-Verdrahtungsmuster 106 und ein Source-Verdrahtungsmuster 107 auf, die auf einer Isolationsschicht 103 ausgebildet sind. Mit dem Drain-Verdrahtungsmuster 106 sind vier erste Schaltvorrichtungen 108a und vier zweite Schaltvorrichtungen 108b durch Löten oder dergleichen verbunden. Es ist auch möglich, mit dem Drain-Verdrahtungsmuster 106 die vier ersten Schaltvorrichtungen 108a und die vier zweiten Schaltvorrichtungen 108b durch ein gesintertes Metall zu verbinden.
  • Die ersten Schaltvorrichtungen 108a und die zweiten Schaltvorrichtungen 108b sind SiC-MOSFETs. Die zweiten Schaltvorrichtungen 108b weisen eine Schwellenspannung auf, die höher ist als jene der ersten Schaltvorrichtungen 108a. Dass die zweiten Schaltvorrichtungen 108b eine Schwellenspannung aufweisen, die höher ist als jene der ersten Schaltvorrichtungen 108a, basiert hier auf einem Vergleich einer speziellen Schwellenspannung zwischen den zweiten Schaltvorrichtungen 108b und den ersten Schaltvorrichtungen 108a und beispielsweise sind bei Raumtemperatur (25°C) die zweiten Schaltvorrichtungen 108b in der Schwellenspannung höher als die ersten Schaltvorrichtungen 108a. Es ist zu beachten, dass, wenn keine Notwendigkeit besteht, jede erste Schaltvorrichtung 108a und jede zweite Schaltvorrichtung 108b voneinander zu unterscheiden, jede von ihnen als Schaltvorrichtung 108 bezeichnet wird.
  • Die Schaltvorrichtung 108 ist ein Chip und weist im vorliegenden Arbeitsbeispiel eine quadratische Form mit einer Seite von 8 mm auf. Die Größe der Schaltvorrichtung 108 ist nicht auf die vorstehend beschriebene begrenzt und die Schaltvorrichtung 108 kann eine quadratische Form mit einer Seite von 5 bis 20 mm aufweisen oder kann eine viereckige Form aufweisen. Auf dem Isolationssubstrat 102 ist hier eine Anordnung von Chips, die in der Reihenfolge einer ersten Schaltvorrichtung 108a, einer zweiten Schaltvorrichtung 108b, einer anderen zweiten Schaltvorrichtung 108b und einer anderen ersten Schaltvorrichtung 108a angeordnet sind, in jeder von zwei Reihen vorgesehen. In jeder Reihe ist der Abstand X zwischen benachbarten der Schaltvorrichtungen 108 5 mm. Unterdessen ist der Abstand Y zwischen den Reihen 25 mm. Da im vorliegenden Arbeitsbeispiel der Abstand Y, der ein horizontaler Abstand zwischen den Reihen ist, groß ist, tritt wenig Wärmeübertragung zwischen den Reihen auf und der Einfluss von Wärme, die von einer Schaltvorrichtung 108 auf eine andere Schaltvorrichtung 108 emittiert wird, kann als unabhängig voneinander für jede Reihe betrachtet werden. Wie in 2 dargestellt, sind die ersten Schaltvorrichtungen 108a an den entgegengesetzten Enden jeder Reihe angeordnet und die zweiten Schaltvorrichtungen 108b mit einer höheren Schwellenspannung als jener der ersten Schaltvorrichtungen 108a sind eher nahe der Mitte jeder Reihe angeordnet. Mit anderen Worten, die zweiten Schaltvorrichtungen 108b mit einer höheren Schwellenspannung als jener der ersten Schaltvorrichtungen 108a sind durch die anderen Schaltvorrichtungen 108 eingefügt, die dazu benachbart sind. Im Gegensatz dazu sind die ersten Schaltvorrichtungen 108a mit einer niedrigeren Schwellenspannung als die zweite Schaltvorrichtung 108b nicht in einer eingefügten Beziehung durch die anderen Schaltvorrichtungen 108 angeordnet. Folglich weist jede zweite Schaltvorrichtung 108b eine Anzahl von benachbarten Schaltvorrichtungen 108 auf, die größer ist als jene jeder ersten Schaltvorrichtung 108a. Ferner ist jede zweite Schaltvorrichtung 108b mit einer höheren Schwellenspannung als jene jeder ersten Schaltvorrichtung 108a eher nahe der Mitte des Isolationssubstrats 102 angeordnet, in der wahrscheinlich eine hohe Temperatur auftritt, wenn das Leistungsumsetzungsgerät arbeitet.
  • Jede Schaltvorrichtung 108 ist mit einem Gate-Verdrahtungsmuster 104, einem Source-Erfassungsverdrahtungsmuster 105 und dem Source-Verdrahtungsmuster 107 durch einen Gate-Draht 109, einen Source-Erfassungsdraht 110 bzw. Source-Drähte 111 verbunden. Die acht Schaltvorrichtungen 108 auf dem Isolationssubstrat 102 verwenden die gemeinsamen Gate-Verdrahtungsmuster 104, die gemeinsamen Source-Erfassungsverdrahtungsmuster 105, die gemeinsamen Drain-Verdrahtungsmuster 106 und das gemeinsamen Source-Verdrahtungsmuster 107, so dass die acht Schaltvorrichtungen 108 auf dem Isolationssubstrat 102 miteinander parallel geschaltet sind. Da jede Schaltvorrichtung 108 ein MOSFET ist und eine Body-Diode aufweist, kann die Body-Diode der Schaltvorrichtung 108 als Freilaufdiode verwendet werden und es kann bewirkt werden, dass das Leistungsumsetzungsgerät ohne Einbauen einer externen Freilaufdiode arbeitet.
  • 3(a) bis 3(b) stellen Schaltpläne des Leistungsmoduls 100 von 1 dar. In 3(a) und 3(b) ist eine Verbindungsbeziehung der acht Schaltvorrichtungen 108 auf verschiedenen Isolationssubstraten 102 im Leistungsmodul 100 dargestellt.
  • 3(a) stellt ein Beispiel eines 1-in-1-Moduls dar. Durch Parallelschalten der zwei Isolationssubstrate 102, wie in 3(a) dargestellt, kann die Stromkapazität erhöht werden. Im 1-in-1-Modul von 3(a) sind die 16 Schaltvorrichtungen 108 an der Gate-Elektrode davon mit einem Steueranschluss 301 verbunden. Ein Hauptschaltungsanschluss 302 und ein anderer Hauptschaltungsanschluss 303 sind mit dem Source-Drain-Pfad der Schaltvorrichtungen 108 verbunden. Ferner können alle Isolationssubstrate 102 im Leistungsmodul 100 nicht notwendigerweise parallel geschaltet sein. Beispielsweise ist es möglich, die Source von einem der Isolationssubstrate 102 und den Drain des anderen Isolationssubstrats 102 miteinander elektrisch kurzzuschließen, wie in 3(b) dargestellt, um ein 2-in-1-Modul zu konfigurieren. In dem 2-in-1-Modul von 3(b) sind die acht Schaltvorrichtungen 108 auf einem der Isolationssubstrate 102 an der Gate-Elektrode davon mit einem Steueranschluss 304 verbunden, während die acht Schaltvorrichtungen 108 auf dem anderen Isolationssubstrat 102 an der Gate-Elektrode davon mit dem anderen Steueranschluss 305 verbunden sind. Ein Hauptschaltungsanschluss 306, ein anderer Hauptschaltungsanschluss 307 und ein weiterer Hauptschaltungsanschluss 308 sind mit dem Source-Drain-Pfad der Schaltvorrichtungen 108 verbunden.
  • Wenn das Leistungsumsetzungsgerät betriebsfähig gemacht wird, dann tritt ein Leistungsverlust in den Schaltvorrichtungen 108 auf und der Leistungsverlust wird als Wärmeenergie abgestrahlt. Wärme, die von den Schaltvorrichtungen 108 abgestrahlt wird, wird zum Verbindungslötmittel, zum Drain-Verdrahtungsmuster 106, zur Isolationsschicht 103 und zur Wärmestrahlungsbasis 101 durch Wärmeleitung übertragen und wird von der hinteren Fläche der Wärmestrahlungsbasis 101 zu einem Kühlkörper oder dergleichen abgestrahlt. Obwohl die Übertragung von Wärme fast in einer vertikalen Richtung zur Fläche der Wärmestrahlungsbasis 101 auftritt, tritt die Wärmeübertragung auch in einer horizontalen Richtung auf. Wenn mehrere Chips angeordnet sind, wird folglich, da Wärme von peripheren Chips übertragen wird, die Temperatur wahrscheinlich hoch im Vergleich zu jener in einem alternativen Fall, in dem nur ein Chip angeordnet ist. Wenn die Dichte von Chips zunimmt, wird die Temperatur wahrscheinlich höher und ein Chip, der näher an der Mitte angeordnet ist, wird wahrscheinlicher hoch in der Temperatur im Vergleich zu einem Chip, der an einem Endort angeordnet ist.
  • Da ein MOSFET eine Charakteristik aufweist, dass die Schwellenspannung abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt, dann weist, wenn die Schwellenspannung bei derselben Temperatur unter allen Chips gleich ist, während des Betriebs des Leistungsumsetzungsgeräts ein Chip, der eher nahe der Mitte angeordnet ist, eine um ein Ausmaß verringerte Schwellenspannung auf, wenn die Temperatur davon durch Wärme von anderen Chips zunimmt. Folglich tritt eine Streuung des fließenden Stroms zwischen Chips in Abhängigkeit von der Differenz des Veränderungsausmaßes der Schwellenspannung auf, die aus der Differenz der Temperatur entsteht. Da an einem Chip, der eher nahe der Mitte angeordnet ist, die Schwellenspannung durch Wärme von anderen Chips verringert wird, nimmt der Strom weiter zu. Daher nimmt das Wärmeerzeugungsausmaß zu, wodurch die Schwellenspannung weiter verringert wird, und folglich nimmt die Streuung des Stroms zwischen den Chips zu.
  • Im Leistungsmodul 100 des vorliegenden Arbeitsbeispiels wird dagegen, obwohl während des Betriebs des Leistungsumsetzungsgeräts die Temperatur der zweiten Schaltvorrichtungen 108b, die eher nahe der Mitte jeder Reihe angeordnet sind, höher wird als jene der ersten Schaltvorrichtungen 108a, die an den entgegengesetzten Enden der Reihe angeordnet sind, da die Schwellenspannung bei derselben Temperatur an den zweiten Schaltvorrichtungen 108b höher ist als an den ersten Schaltvorrichtungen 108a, während des Betriebs die Differenz der Schwellenspannung zwischen den zweiten Schaltvorrichtungen 108b und den ersten Schaltvorrichtungen 108a kompensiert, wodurch die Stromstreuung unterdrückt wird.
  • 4(a) und 4(b) sind Schnittansichten einer Schaltvorrichtung 108. 4(a) stellt ein Beispiel in dem Fall eines vertikalen MOSFET mit einer Doppel-Diffusions-Metalloxid-Halbleiter-Struktur (DMOS-Struktur) dar und 4(b) stellt ein Beispiel im Fall eines vertikalen MOSFET mit einer Grabenstruktur dar.
  • In den MOSFETs von 4(a) und 4(b) sind eine N+-Schicht 402 und eine P-Schicht 403 mit einer Source-Elektrode 401 verbunden. In den MOSFETs von 4(a) und 4(b) steht die P-Schicht 403 mit einem Gate-Isolationsfilm 404 und einer N–-Schicht 405 in Kontakt, die die Durchbruchspannung sicherstellt, und der Gate-Isolationsfilm 404 steht mit einer Gate-Elektrode 406 in Kontakt, während die N–-Schicht 405 auf einer N+-Substratschicht 407 ausgebildet ist. Die N+-Substratschicht 407 ist mit einer Drain-Elektrode 408 verbunden. Im vorliegenden Arbeitsbeispiel ist die Schaltvorrichtung 108 ein SiC-MOSFET; die N+-Substratschicht 407 ist ein Siliziumcarbid-Substrat vom N+-Typ; die N–-Schicht 405 ist eine Epitaxieschicht aus Siliziumcarbid vom N–-Typ; und die P-Schicht 403 ist ein Body-Bereich vom P-Typ. Obwohl im vorliegenden Arbeitsbeispiel die Schaltvorrichtung 108 ein SiC-MOSFET ist, ist es auch möglich, die Schaltvorrichtung 108 als Nitrid-Halbleitervorrichtung auszubilden, die aus einer Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildet ist.
  • In den MOSFETs von 4(a) und 4(b) wird, wenn eine positive Spannung gleich oder höher als die Schwellenspannung zwischen der Gate-Elektrode 406 und der Source-Elektrode 401 angelegt wird, dann ein N–-Kanalbereich in der P-Schicht 403 in der Nähe des Gate-Isolationsfilms 404 gebildet und ein Strom fließt zwischen der Drain-Elektrode 408 und der Source-Elektrode 401. In dem Prozess, in dem der Strom von 0 auf einen stetigen Wert zunimmt, erreicht hier der Strom einen Spitzenwert, der den stetigen Wert einmal überschreitet und dann abnimmt und sich auf den stetigen Wert absetzt. Wenn der Schwellenwert höher ist, ist das Zeitänderungsausmaß des Stroms beim Umschalten kleiner und daher tritt, wenn die Schwellenspannung zwischen mehreren Schaltvorrichtungen 108, die parallel geschaltet sind, unterschiedlich ist, dann eine Stromstreuung auf. Selbst wenn mehrere Schaltvorrichtungen durch denselben Herstellungsprozess hergestellt werden, kann hier die eindeutige Schwellenspannung in Abhängigkeit von der individuellen Differenz unterschiedlich sein. Es ist auch möglich, Schaltvorrichtungen mit unterschiedlichen eindeutigen Schwellenspannungen durch Ändern des Betrags der Kanallänge Z, die in 4(a) und 4(b) angegeben ist, absichtlich herzustellen. Durch Erhöhen der Kanallänge Z kann die Schwellenspannung höher gemacht werden. Da die Spannung zwischen der Drain-Elektrode 408 und der Source-Elektrode 401 innerhalb einer Zeitdauer abnimmt, bis der Strom auf seinen stetigen Zustand zurückkehrt, existiert eine Zeitdauer, in der keine der Spannung und des Stroms null ist, und der Leistungsverlust, der als Produkt der Spannung und des Stroms berechnet wird, tritt auf. Beim Ausschalten tritt auch ein Leistungsverlust auf, und auch während der Strom, der zwischen der Drain-Elektrode 408 und der Source-Elektrode 401 fließt, auf den stetigen Wert abgesetzt bleibt, tritt ein Leistungsverlust durch den elektrischen Widerstand zwischen der Drain-Elektrode 408 und der Source-Elektrode 401 auf.
  • Die in 4(b) dargestellte Grabenstruktur kann die Zeitdauer verringern, die zum Umschalten erforderlich ist, um den Leistungsverlust durch Verringern der Kapazität zwischen der Drain-Elektrode 408 und der Gate-Elektrode 406 zu verringern. Da jedoch das Zeitänderungsausmaß des Stroms zunimmt, nimmt auch der Stromspitzenwert beim Umschalten zu, und wenn die Schwellenspannungen voneinander verschieden sind, nimmt die Stromstreuung zu. Obwohl die Verringerung des Leistungsverlusts beim Umschalten und das Unterdrücken der Stromstreuung in dieser Weise eine Kompromissbeziehung zueinander aufweisen, ist es im vorliegenden Arbeitsbeispiel möglich, den Kompromiss durch Kompensation der Differenz der Schwellenspannung durch die Differenz der Temperatur zwischen der ersten Schaltvorrichtung 108a und der zweiten Schaltvorrichtung 108b im Betrieb des Leistungsumsetzungsgeräts zu beseitigen, um dadurch Zufriedenstellung sowohl der Verringerung des Leistungsverlusts als auch der Unterdrückung der Stromstreuung zu erreichen. Wenn die Schaltvorrichtung 108 ein Grabentyp-MOSFET ist, kann folglich die Leistung des Leistungsmoduls 100 weiter verbessert werden.
  • Wenn eine negative Spannung zwischen der Drain-Elektrode 408 und der Source-Elektrode 401 angelegt wird, dann wird ferner das Potential an der P-Schicht 403 höher als jenes an der N+-Substratschicht 407 und der N–-Schicht 405 und folglich fließt ein Strom von der Source-Elektrode 401 in Richtung der Drain-Elektrode 408. Folglich wirkt der MOSFET als Body-Diode, deren Anode durch die Source vorgesehen ist und deren Kathode durch den Drain des MOSFET vorgesehen ist. In dieser Weise tritt im vorliegenden Arbeitsbeispiel, auch wenn ein Strom zur Body-Diode des MOSFET fließt, ein Leistungsverlust auf und die Schaltvorrichtung 108 erzeugt Wärme. Wenn die Body-Diode der Schaltvorrichtung 108 als Freilaufdiode verwendet wird, wie im Fall des Leistungsmoduls 100 des vorliegenden Arbeitsbeispiels, kann folglich eine weitere Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Leistungsmoduls 100 erwartet werden.
  • 5(a) und 5(b) stellen Schaltpläne eines Fahrzeugantriebsgeräts dar, das das Leistungsmodul 101 des vorliegenden Arbeitsbeispiels umfasst. 5(a) stellt ein Beispiel dar, in dem ein 1-in-1-Modul vorgesehen ist, und 5(b) stellt ein Beispiel dar, in dem ein 2-in-1-Modul vorgesehen ist. Jedes des Fahrzeugantriebsgeräts, die in 5(a) und 5(b) dargestellt sind, weist ein Leistungsumsetzungsgerät 501 und einen Motor 502 als Last auf. Der Motor 502 kann Antriebsräder eines Eisenbahnfahrzeugs oder eines Kraftfahrzeugs drehen. Das Leistungsumsetzungsgerät 501 weist als Schaltung Schaltvorrichtungsgruppen S1 bis S6, Dioden und einen Kondensator C zum Stabilisieren einer zuzuführenden Leistungsversorgungsspannung VCC auf. Die Dioden sind in die Schaltvorrichtungsgruppen S1 bis S6 eingebaut. Obwohl kein Induktor in 5(a) und 5(b) dargestellt ist, kann die Induktivität des Motors 502 als Last verwendet werden.
  • Jede der Schaltvorrichtungsgruppen S1 bis S6 ist eine Schaltvorrichtungsgruppe, die durch Parallelschalten von mehreren Schaltvorrichtungen 108 konfiguriert ist. Es ist zu beachten, dass in 5(a) und 5(b) jede der Schaltvorrichtungsgruppen S3 bis S6 durch eine Schaltvorrichtung als Stellvertreter angegeben ist, um Verständnisse der Figuren zu erleichtern. Gate-Ansteuerschaltungen GD1 bis GD6 sind Gate-Ansteuerschaltungen zum jeweiligen Ansteuern der Schaltvorrichtungsgruppen S1 bis S6. In 5(a) ist ein Leistungsmodul 100 in jede der Schaltvorrichtungsgruppen S1 bis S6 eingebaut. In 5(b) ist ein Leistungsmodul 100 in die Schaltvorrichtungsgruppe S1 und die Schaltvorrichtungsgruppe S2 eingebaut und ein Leistungsmodul ist in die Schaltvorrichtungsgruppe S3 und die Schaltvorrichtungsgruppe S4 eingebaut, während ein Leistungsmodul 100 in die Schaltvorrichtungsgruppe S5 und die Schaltvorrichtungsgruppe S6 eingebaut ist.
  • Die Schaltvorrichtungsgruppen S1 bis S6 wiederholen das Ein- und Ausschalten in Reaktion auf ein Signal, das jeweils aus den Gate-Ansteuerschaltungen GD1 bis GD6 ausgegeben wird. Drei Sätze von Reihenschaltungen von zwei Schaltvorrichtungsgruppen sind mit der Leistungsversorgungsspannung VCC parallel geschaltet. Verdrahtungsleitungen sind von einem Verbindungspunkt zwischen den Schaltvorrichtungsgruppen jedes Satzes mit dem Motor 502 verbunden, der eine Last ist.
  • Zwei Schaltvorrichtungsgruppen (beispielsweise S1 und S2), die in Reihe geschaltet sind, werden nicht gleichzeitig in einen Ein-Zustand gesetzt. Wenn die Schaltvorrichtungsgruppe S1 ausschaltet, dann schaltet die Schaltvorrichtungsgruppe S2 ein, nachdem eine festgelegte Zeitdauer, die Totzeit genannt wird, abläuft. Innerhalb der Totzeitdauer fließt ein Strom zu den Body-Dioden der Schaltvorrichtungsgruppe S1 oder der Schaltvorrichtungsgruppe S2 in Reaktion auf die Richtung des Laststroms. Diese gilt ebenso für die Schaltvorrichtungsgruppen S3 und S4 und für die Schaltvorrichtungsgruppen S5 und S6.
  • Das Leistungsumsetzungsgerät 501 setzt Gleichstromleitung in Dreiphasen-Wechselstromleitung um und liefert die Leistung zum Motor 502, der eine Last ist. Wenn der Betrieb mindestens einer der Schaltvorrichtungsgruppen S1 bis S6 instabil wird, dann kann das Leistungsumsetzungsgerät 501 keine Leistung mehr liefern, die für den Motor 502 geeignet ist, der eine Last ist. Da im Leistungsumsetzungsgerät 501 des vorliegenden Arbeitsbeispiels die Schaltvorrichtungsgruppen S1 bis S6 durch die vorstehend beschriebene Kompensation der Schwellenspannung stabil arbeiten, kann eine Verbesserung der Zuverlässigkeit des Leistungsumsetzungsgeräts und des Fahrzeugantriebsgeräts implementiert werden.
  • 6 ist ein Blockdiagramm eines Schutzsystems für das Leistungsumsetzungsgerät 501 des vorliegenden Arbeitsbeispiels. Im Leistungsumsetzungsgerät 501 wird eine Temperatur oder ein Strom der Schaltvorrichtung 108 detektiert und in eine Steuerschaltung eingegeben, durch die eine Steuerung einer Alarmausgabe oder einer Gate-Ansteuerschaltung auf der Basis eines Ergebnisses einer Rechenoperation durchgeführt wird. Wenn beispielsweise eine Überhitzung oder ein Überstrom auftritt, dann kann der Betrieb des Leistungsumsetzungsgeräts 501 durch Ausschalten aller Schaltvorrichtungen 108 gestoppt werden. Für die Detektion des Stroms kann ein Stromdetektor wie z. B. ein Nebenschlusswiderstand oder ein Stromtransformator (CT) verwendet werden. Vom Stromdetektor wird ein Erfassungsstrom, der ungefähr gleich mehrere Tausendstel bis mehrere zehn Tausendstel des Hauptstroms ist, der zwischen dem Drain-Verdrahtungsmuster 106 und dem Source-Verdrahtungsmuster 107 fließt, durch das Source-Erfassungsverdrahtungsmuster 105 ausgegeben. Durch Detektieren des Erfassungsstroms unter Verwendung des Stromdetektors kann der Hauptstrom abgeschätzt werden. Durch Einbauen einer Stromerfassungsvorrichtung und einer Temperaturdetektionsvorrichtung in jede Schaltvorrichtung 108 kann ferner das Schutzsystem die Situation der Kompensation für eine Schwellenspannung durch eine Temperaturdifferenz zwischen den parallel geschalteten Schaltvorrichtungen 108 überwachen.
  • Arbeitsbeispiel 2
  • 7 stellt die Anordnung von Chips auf einem Isolationssubstrat im vorliegenden Arbeitsbeispiel dar. Da im Arbeitsbeispiel 1 die Body-Diode in jeder Schaltvorrichtung 108 als Freilaufdiode verwendet wird, ist kein separater Diodenchip erforderlich. Im vorliegenden Arbeitsbeispiel sind jedoch Dioden 112 separat auf dem Isolationssubstrat 102 montiert, wie in 7 dargestellt. Hier ist jede Schaltvorrichtung 108 nicht auf einen MOSFET begrenzt. Die Schaltvorrichtung 108 kann eine Vorrichtung mit einer Funktion zum Umpolen des Stroms zwischen Ein und Aus sein, wie z. B. ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate). Insbesondere wenn die Schaltvorrichtung 108 keine Body-Diode wie ein IGBT aufweist, ist es im Wesentlichen erforderlich, die Dioden 112 einzubauen.
  • Der Einbau der Schaltvorrichtungen 108 ist ähnlich wie im Arbeitsbeispiel 1. Die Dioden 112 sind mit dem Drain-Verdrahtungsmuster 106, das auf dem Isolationssubstrat 102 ausgebildet ist, durch Löten oder dergleichen verbunden, so dass die Kathode der Dioden 112 und der Drain der Schaltvorrichtungen 108 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Anode der Dioden 112 ist mit dem Source-Verdrahtungsmuster 107 durch Anodendrähte 113 verbunden und ist mit der Source der Schaltvorrichtungen 108 elektrisch verbunden.
  • Drei Schaltvorrichtungen 108 sind in einer Reihe angeordnet und eine Chipanordnung, in der zwei Dioden 112 vertikal angeordnet sind, ist an jeder von zwei Stellen auf dem Isolationssubstrat 102 in einer benachbarten Beziehung zu den Schaltvorrichtungen 108 angeordnet. Da jedoch der horizontale Abstand zwischen den Reihen der Schaltvorrichtungen 108 ähnlich wie im Arbeitsbeispiel 1 groß ist, kann der Einfluss von Wärme, die von den Schaltvorrichtungen 108 erzeugt wird, für jede Reihe unabhängig betrachtet werden. In jeder Reihe werden eine Schaltvorrichtung 108, die in der zweiten Position von links in 7 angeordnet ist und zwischen zwei Schaltvorrichtungen 108 eingefügt ist, und eine Schaltvorrichtung 108, die in der dritten Position von links in 7 angeordnet ist und zwischen die Diode 112 und die Schaltvorrichtung 108 eingefügt ist, wahrscheinlich durch Wärmeerzeugung von den benachbarten Chips während des Betriebs auf eine höhere Temperatur erhitzt als die Schaltvorrichtung 108, die am linken Ende in 7 angeordnet ist. Folglich ist die erste Schaltvorrichtung 108a am linken Ende angeordnet und die zweite Schaltvorrichtung 108b mit einer Schwellenspannung, die höher ist als jene der ersten Schaltvorrichtung 108a, ist in der zweiten und der dritten Position von links angeordnet, die eher nahe der Mitte liegen als die erste Schaltvorrichtung 108a.
  • Im vorliegenden Arbeitsbeispiel ist auch das Isolationssubstrat 102 mit der Wärmestrahlungsbasis 101 durch Löten oder dergleichen verbunden, um ein Leistungsmodul 100 ähnlich wie im Arbeitsbeispiel 1 zu konfigurieren. Wenn ein Strom zu den Schaltvorrichtungen 108 oder den Dioden 112 fließt, dann tritt ein Leistungsverlust auf, und die Wärmeenergie wird von der hinteren Fläche der Wärmestrahlungsbasis 101 zu einem Kühlkörper oder dergleichen abgestrahlt.
  • Während des Betriebs des Leistungsumsetzungsgeräts wird die Temperatur der zweiten Schaltvorrichtung 108b, die eher nahe der Mitte angeordnet ist, höher als jene der ersten Schaltvorrichtung 108a, die am linken Ende angeordnet ist. Da jedoch während des Betriebs die Schwellenspannung der zweiten Schaltvorrichtung 108b bei derselben Temperatur höher ist als jene der ersten Schaltvorrichtung 108a, wird die Differenz der Schwellenspannung kompensiert und eine Stromstreuung wird unterdrückt. Folglich wird die Zuverlässigkeit des Leistungsumsetzungsgeräts verbessert.
  • Arbeitsbeispiel 3
  • Im vorliegenden Arbeitsbeispiel wird die benachbarte Anordnung der Schaltvorrichtungen 108 beschrieben, die die Chipanordnung von jener im Arbeitsbeispiel 1 und im Arbeitsbeispiel 2 ändert.
  • 8 stellt eine Chipanordnung im vorliegenden Arbeitsbeispiel dar. Vier Schaltvorrichtungen 108 sind mit dem Drain-Verdrahtungsmuster 106 durch Löten oder dergleichen verbunden. Eine erste Schaltvorrichtung 108a, eine zweite Schaltvorrichtung 108b mit einer höheren Schwellenspannung als jene der ersten Schaltvorrichtung 108a, eine andere zweite Schaltvorrichtung 108b und eine andere erste Schaltvorrichtung 108a sind in der Reihenfolge von links unten in 8 angeordnet. Für jede der Schaltvorrichtungen 108 ist ein Kreis mit der Mitte an einem Kreuzungspunkt von Diagonalen, die auf dem Chip gezeichnet sind, und mit einem Durchmesser gleich zweimal die Länge der Diagonalen, die auf dem Chip gezeichnet sind, definiert und Kreise in gestrichelter Linie sind als Kreise CI1 bis CI4 gezeichnet.
  • Wenn die Anzahl von Schaltvorrichtungen 108, die in jedem Kreis existieren, zunimmt, nimmt die Temperatur der Schaltvorrichtung 108 in der Mitte des Kreises wahrscheinlicher durch einen Einfluss von erzeugter Wärme von den anderen Schaltvorrichtungen 108 zu. In 8 existieren in jeder der Schaltung CI2 und der Schaltung CI3, die jeweils eine zweite Schaltvorrichtung 108b umgeben, zwei andere Schaltvorrichtungen 108 und in jeder der Schaltungen CI1 und CI4, die jeweils eine erste Schaltvorrichtung 108a umgeben, existiert eine andere Schaltvorrichtung. In 8 wird daher eine erste Schaltvorrichtung 108a für den Chip verwendet, der in jeder der Mitte der Schaltung CI1 und der Mitte der Schaltung CI4 angeordnet ist, während eine zweite Schaltvorrichtung 108b für den Chip verwendet wird, der in jeder der Mitte der Schaltung CI2 und der Mitte der Schaltung CI3 angeordnet ist, so dass die Differenz der Schwellenspannung durch Wärmeerzeugung während des Betriebs des Leistungsumsetzungsgeräts kompensiert wird.
  • Im vorliegenden Arbeitsbeispiel ist der Durchmesser der Kreise CI1 bis CI4 auf eine Länge gleich zweimal die Länge der Diagonalen des Chips gesetzt, und wenn eine unterschiedliche Schaltvorrichtung in jedem Kreis existiert, dann ist diese Schaltvorrichtung als benachbarte Schaltvorrichtung definiert. Der Betrag des Durchmessers des Kreises kann unter Abschätzen des Einflusses der erzeugten Wärme von Schaltvorrichtungen in einem Experiment oder Computerexperiment bestimmt werden. Obwohl die Chips im vorliegenden Arbeitsbeispiel eine quadratische Form aufweisen, dann ist es ferner, wenn ein Chip eine rechteckige Form aufweist, beispielsweise möglich zu entscheiden, ob eine Schaltvorrichtung benachbart ist oder nicht, unter Verwendung einer Ellipse, die am rechteckigen Chip zentriert ist und eine lange Achse entlang einer Richtung einer langen Seite der rechteckigen Form und eine kurze Achse entlang einer Richtung einer kurzen Seite des Rechtecks aufweist.
  • Arbeitsbeispiel 4
  • 9 ist eine Draufsicht eines Leistungsumsetzungsgeräts und eines Kühlsystems des vorliegenden Arbeitsbeispiels. Im Leistungsumsetzungsgerät von 9 ist Silikonfett oder dergleichen auf einen Kühlkörper 114 aufgebracht und ein Leistungsmodul 900 ist am Kühlkörper 114 durch eine Schraube oder dergleichen von über dem aufgebrachten Silikonfett oder dergleichen befestigt. Für die Verbesserung der Wärmeableitung ist ein Kühlgebläse 115 als Kühler in der Nähe des Kühlkörpers 114 vorgesehen. Hier weist ein Chip, der auf einer Windschattenseite des Kühlwindes vom Kühlgebläse 115 angeordnet ist, das ein Kühler zum Kühlen der Luft ist, wahrscheinlich eine höhere Temperatur während des Betriebs des Leistungsumsetzungsgeräts auf als ein anderer Chip, der auf einer Windseite angeordnet ist. Im Leistungsmodul 900 des vorliegenden Arbeitsbeispiels ist eine erste Schaltvorrichtung 108a' auf der Windseite angeordnet, während eine zweite Schaltvorrichtung 108b' mit einer höheren Schwellenspannung als jene der ersten Schaltvorrichtung 108a' auf der Windschattenseite angeordnet ist, so dass die Differenz der Schwellenspannung während des Betriebs des Leistungsumsetzungsgeräts kompensiert wird, wodurch die Stromstreuung unterdrückt wird. Folglich kann das Leistungsumsetzungsgerät in der Zuverlässigkeit verbessert werden. Ferner kann das Leistungsumsetzungsgerät des vorliegenden Arbeitsbeispiels auf ein Fahrzeugantriebsgerät angewendet werden und das Fahrzeugantriebsgerät kann in der Zuverlässigkeit verbessert werden.
  • Beschreibung der Bezugszeichen
    • 100: Leistungsmodul, 101: Wärmestrahlungsbasis, 102: Isolationssubstrat, 103: Isolationsschicht, 104: Gate-Verdrahtungsmuster, 105: Source-Erfassungsverdrahtungsmuster, 106: Drain-Verdrahtungsmuster, 107: Source-Verdrahtungsmuster, 108: Schaltvorrichtung, 108a: erste Schaltvorrichtung, 108b: zweite Schaltvorrichtung, 109: Gate-Draht, 110: Source-Erfassungsdraht, 111: Source-Draht, 112: Diode, 113: Anodendraht, 114: Kühlkörper, 115: Kühlgebläse.

Claims (15)

  1. Leistungsmodul, das Folgendes umfasst: eine erste Schaltvorrichtung; und eine zweite Schaltvorrichtung, die mit der ersten Schaltvorrichtung parallel geschaltet ist und eine Schwellenspannung aufweist, die höher ist als jene der ersten Schaltvorrichtung, wobei die zweite Schaltvorrichtung an einem Ort montiert ist, an dem eine Temperatur des Leistungsmoduls während des Betriebs höher ist als jene an einem anderen Ort, an dem die erste Schaltvorrichtung montiert ist.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei die zweite Schaltvorrichtung eine Kanallänge aufweist, die größer ist als jene der ersten Schaltvorrichtung.
  3. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei die erste Schaltvorrichtung und die zweite Schaltvorrichtung ein SiC-MOSFET sind.
  4. Leistungsumsetzungsgerät, das Folgendes umfasst: das Leistungsmodul nach Anspruch 3; wobei eine Body-Diode der ersten Schaltvorrichtung und eine Body-Diode der zweiten Schaltvorrichtung eine Freilaufdiode ist.
  5. Fahrzeugantriebsgerät, das elektrische Leistung vom Leistungsumsetzungsgerät nach Anspruch 4 einem Motor zuführt.
  6. Leistungsumsetzungsgerät, das Folgendes umfasst: einen luftgekühlten Kühler; und das Leistungsmodul nach Anspruch 1, das in den Kühler eingebaut ist; wobei die erste Schaltvorrichtung auf der Windseite von Kühlwind vom Kühler in Bezug auf die zweite Schaltvorrichtung montiert ist.
  7. Leistungsmodul, das Folgendes umfasst: eine erste Schaltvorrichtung; eine zweite Schaltvorrichtung mit einer Schwellenspannung, die höher ist als jene der ersten Schaltvorrichtung; und ein Isolationssubstrat, auf dem die erste Schaltvorrichtung und die zweite Schaltvorrichtung montiert sind, wobei die zweite Schaltvorrichtung näher als die erste Schaltvorrichtung bei der Mitte des Isolationssubstrats montiert ist.
  8. Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei die Anzahl von Schaltvorrichtungen, die zur zweiten Schaltvorrichtung benachbart sind, größer ist als die Anzahl von Schaltvorrichtungen, die zur ersten Schaltvorrichtung benachbart sind.
  9. Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei eine Diode auf dem Isolationssubstrat montiert ist.
  10. Leistungsumsetzungsgerät, das Folgendes umfasst: das Leistungsmodul nach Anspruch 9, wobei die Diode eine Freilaufdiode ist.
  11. Leistungsumsetzungsgerät, das Folgendes umfasst: das Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei eine Body-Diode der ersten Schaltvorrichtung und eine Body-Diode der zweiten Schaltvorrichtung eine Freilaufdiode sind.
  12. Leistungsmodul, das Folgendes umfasst: eine erste Schaltvorrichtung; eine zweite Schaltvorrichtung; und eine dritte Schaltvorrichtung mit einer Schwellenspannung, die höher ist als jene der ersten Schaltvorrichtung und der zweiten Schaltvorrichtung, wobei die dritte Schaltvorrichtung zwischen der ersten Schaltvorrichtung und der zweiten Schaltvorrichtung montiert ist
  13. Leistungsmodul nach Anspruch 12, wobei die erste Schaltvorrichtung, die zweite Schaltvorrichtung und die dritte Schaltvorrichtung eine SiC-Vorrichtung sind.
  14. Leistungsmodul nach Anspruch 12, wobei die erste Schaltvorrichtung, die zweite Schaltvorrichtung und die dritte Schaltvorrichtung eine Nitrid-Halbleitervorrichtung sind.
  15. Leistungsumsetzungsgerät, das umfasst: das Leistungsmodul nach Anspruch 12, wobei eine Body-Diode der ersten Schaltvorrichtung und eine Body-Diode der zweiten Schaltvorrichtung eine Freilaufdiode sind.
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