DE112018002101T5 - Halbleitermodul und Leistungswandlergerät - Google Patents

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semiconductor switching
switching element
current
electrode
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DE112018002101.7T
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Shota Morisaki
Yoshiko Tamada
Junichi Nakashima
Daisuke Oya
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Eine Emitterverbindung, die den Emitter eines Halbleiterschaltelements mit einer negativen Elektrode (12) verbindet, unterscheidet sich in Länge und/oder Breite von einer Emitterverbindung, die den Emitter eines Halbleiterschaltelements (2a) mit der negativen Elektrode (12) verbindet. Beim Schalten wird an einer Gatesteuerleitung (61a), (61b) oder an einem Gatemuster (6a), (6b) oder an einer Emitterleitung (41a), (41b) durch mindestens einen Strom, einen Strom, der durch eine positive Elektrode (10) fließt, und/oder einen Strom, der durch die negative Elektrode (12) fließt, eine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt, um die Differenz zwischen dem Emitterpotential des Halbleiterschaltelements (2b) und dem Emitterpotential des Halbleiterschaltelements (2a) durch die Differenz zu verringern.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul und ein Leistungswandlergerät, insbesondere auf ein Halbleitermodul mit Halbleiterschaltelementen, und auf ein Leistungswandlergerät mit einem solchen Halbleitermodul.
  • STAND DER TECHNIK
  • Wenn eine Vielzahl von Halbleiterschaltelementen parallel geschaltet wird, unterscheiden sich die Emitter-Verbindungsabstände von Elektrodenanschlüssen (d.h. einer Kontaktfläche mit einer externen Elektrode) zwischen der Vielzahl von Halbleiterschaltelementen. Dies führt zu Unterschieden in den parasitären Induktivitäten durch die Emitterverbindung und damit zu einer nachteiliegen Verschlechterung der Zuverlässigkeit der Halbleiterelemente.
  • Wenn zwischen Gate und Emitter jedes Halbleiterschaltelements durch einen Hauptstrom eine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt wird, entsteht zwischen den Halbleiterschaltelementen eine Differenz in der Gate-Emitter-Spannung. Dadurch werden die durch die Halbleiterschaltelemente fließenden Ströme unausgeglichen und die Zuverlässigkeit des Halbleitermoduls verschlechtert.
  • Als Beispiel für die Vermeidung dieser Probleme sind im Patentdokument 1 die Halbleiterschaltelemente so angeordnet, dass die Emitterverbindungslängen zwischen den Halbleiterschaltelementen gleich sind; und dass die Spannung der induzierten elektromotorischen Kraft, die durch den Hauptstrom an der Gate Steuerungsverbindung für jedes Halbleiterschaltelement erzeugt wird, gleich der Spannung der induzierten elektromotorischen Kraft ist, die durch den Hauptstrom an der Emitterverbindung für das Halbleiterschaltelement erzeugt wird.
  • STAND DER TECHNIK
  • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2010-027 710 A
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Die im Patentdokument 1 beschriebene Struktur ist in einer Konfiguration nützlich, in der die Verbindungslängen der Emitter zwischen den Halbleiterschaltelementen gleich sind.
  • Ein Halbleitermodul, das einen hohen Strom schaltet, muss jedoch eine Schaltung mit einer Vielzahl von Halbleiterelementen beinhalten, die entsprechend der Größe des Stroms parallel geschaltet sind. Bei einer Vielzahl von parallel geschalteten Halbleiterschaltelementen führt eine größere Anzahl von parallelen Elementen zu einem größeren Unterschied im Verbindungsabstand bis zu einem Elektrodenanschluss (d.h. einer Kontaktfläche mit einer externen Elektrode). Dies führt zu einem Unterschied in der parasitären Induktivität zwischen der Vielzahl der Halbleiterschaltelemente und verschlechtert damit die Zuverlässigkeit des Leistungshalbleitermoduls.
  • Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein hoch zuverlässiges Halbleitermodul und Leistungswandlergerät aufzuzeigen, bei dem die Einflüsse der Differenzen der parasitären Induktivitäten zwischen der Vielzahl von Halbleiterschaltelementen reduziert werden.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Um das Ziel zu erreichen, weist die vorliegende Erfindung Folgendes auf: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; ein erstes Halbleiterschaltelement und ein zweites Halbleiterschaltelement, die auf einer Isolierplatte vorgesehen und parallel zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet sind; eine Gatesteuerelektrode, die konfiguriert ist, um das Gate des ersten Halbleiterschaltelements und das Gate des zweiten Halbleiterschaltelements zu steuern; ein Gatemuster, das mit der Gatesteuerelektrode verbunden ist; eine erste Gatesteuerleitung, die das Gate des ersten Halbleiterschaltelements mit dem Gatemuster verbindet; eine zweite Gatesteuerleitung, die das Gate des zweiten Halbleiterschaltelements mit dem Gatemuster verbindet; ein Emittermuster, das mit der negativen Elektrode verbunden ist; eine erste Emitterleitung, die den Emitter des ersten Schaltelements mit dem Emittermuster verbindet; und eine zweite Emitterleitung, die den Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements mit dem Emitter verbindet. Eine erste Emitterverbindung, die den Emitter des ersten Halbleiterschaltelements mit der negativen Elektrode verbindet, unterscheidet sich in der Länge und/oder in der Breite von einer zweiten Emitterverbindung, die den Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements mit der negativen Elektrode verbindet. Beim Schalten wird an der ersten Gatesteuerleitung und der zweiten Gatesteuerleitung oder am Gatemuster oder an der ersten Emitterleitung und der zweiten Emitterleitung eine induzierte elektromotorische Kraft durch mindestens einen Strom, einen durch die positive Elektrode fließenden Strom und/oder einen durch die negative Elektrode fließenden Strom erzeugt, um die durch die Differenz verursachte Differenz zwischen dem Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements und dem Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements zu verringern.
  • Effekt der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung erzeugt eine induzierte elektromotorische Kraft an der Gatesteuerleitung oder der Emitterleitung zweier parallel angeordneter Halbleiterschaltelemente, um die Differenz der Gate-Emitterspannung basierend auf der parasitären Induktivität zwischen den beiden Halbleiterschaltelementen zu reduzieren. Dies verbessert die Zuverlässigkeit des Halbleitermoduls und des Leistungswandlergeräts.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 darstellt;
    • 2 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul in Ausführungsform 1, jedoch ohne Elektrodenbereich;
    • 3 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul in Ausführungsform 1 einschließlich des Elektrodenbereichs;
    • 4 ist ein Schaltplan der Hauptkonfiguration des Halbleitermoduls in Ausführungsform 1;
    • 5 ist eine Draufsicht, die eine Stelle zeigt, an der eine Differenz der Emitterinduktivität zwischen Halbleiterschaltelementen im Halbleitermodul in Ausführungsform 1 entsteht;
    • 6 ist ein Schaltplan, der einen Strompfad im Halbleitermodul zeigt;
    • 7 ist eine Draufsicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in einem proximalen Elektrodenbereich zeigt, der in einer negativen Elektrode in Ausführungsform 1 enthalten ist;
    • 8 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in der negativen Elektrode in Ausführungsform 1 zeigt;
    • 9 ist ein Schaltplan, der einen Strompfad des Hauptstroms in der negativen Elektrode in Ausführungsform 1 zeigt;
    • 10 ist ein Diagramm, das die Potentiale von zwei Halbleiterschaltelementen nach Ausführungsform 1 zeigt;
    • 11 ist eine Draufsicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in einem proximalen Elektrodenbereich zeigt, der in einer negativen Elektrode in Ausführungsform 2 enthalten ist;
    • 12 ist ein Diagramm, das die Potentiale von zwei Halbleiterschaltelementen nach Ausführungsform 2 zeigt;
    • 13 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 3 zeigt;
    • 14 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul in Ausführungsform 3, jedoch ohne Elektrodenbereich;
    • 15 ist eine Draufsicht, die eine Stelle zeigt, an der eine Differenz der Emitterinduktivitäten zwischen Halbleiterschaltelementen im Halbleitermodul in Ausführungsform 3 entsteht;
    • 16 ist eine Draufsicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in einem proximalen Elektrodenbereich zeigt, der in einer positiven Elektrode in Ausführungsform 3 enthalten ist;
    • 17 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in der positiven Elektrode in Ausführungsform 3 zeigt;
    • 18 ist ein Schaltplan, der einen Strompfad des Hauptstroms in der positiven Elektrode in Ausführungsform 3 zeigt;
    • 19 ist ein Diagramm, das die Potentiale von zwei Halbleiterschaltelementen nach Ausführungsform 3 zeigt;
    • 20 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 4 darstellt;
    • 21 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul in Ausführungsform 4, jedoch ohne Elektrodenbereich;
    • 22 ist ein Schaltplan der Hauptkonfiguration des Halbleitermoduls in Ausführungsform 4;
    • 23 ist eine Draufsicht, die eine Stelle zeigt, an der eine Differenz in der Emitterinduktivität zwischen Halbleiterschaltelementen im Halbleitermodul in Ausführungsform 4 entsteht;
    • 24 ist eine Draufsicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in einem proximalen Elektrodenbereich zeigt, der in einer positiven Elektrode in Ausführungsform 4 enthalten ist;
    • 25 ist eine perspektivische Ansicht, die die Strompfade des Hauptstroms in zwei positiven Elektroden in Ausführungsform 4 zeigt;
    • 26 ist ein Schaltplan, der die Strompfade des Hauptstroms in den beiden positiven Elektroden in Ausführungsform 4 zeigt;
    • 27 ist ein Diagramm, das die Potentiale von zwei Halbleiterschaltelementen nach Ausführungsform 4 zeigt;
    • 28 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 5 zeigt;
    • 29 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul in Ausführungsform 5, jedoch ohne Elektrodenbereich;
    • 30 ist eine Draufsicht, die eine Stelle zeigt, an der eine Differenz der Emitterinduktivität zwischen Halbleiterschaltelementen im Halbleitermodul in Ausführungsform 5 entsteht;
    • 31 ist eine Draufsicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in einem proximalen Elektrodenbereich zeigt, der in einer positiven Elektrode in Ausführungsform 5 enthalten ist;
    • 32 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 6 darstellt;
    • 33 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul in Ausführungsform 6, jedoch ohne Elektrodenbereich;
    • 34 ist eine Draufsicht, die eine Stelle zeigt, an der eine Differenz der Emitterinduktivität zwischen Halbleiterschaltelementen im Halbleitermodul in Ausführungsform 6 entsteht;
    • 35 ist eine Draufsicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in einem proximalen Elektrodenbereich zeigt, der in einer positiven Elektrode in Ausführungsform 6 enthalten ist;
    • 36 ist ein Diagramm, das die Potentiale von zwei Halbleiterschaltelementen nach Ausführungsform 6 zeigt;
    • 37 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 7 darstellt;
    • 38 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul in Ausführungsform 7, jedoch ohne Elektrodenbereich;
    • 39 ist eine Draufsicht, die eine Stelle zeigt, an der eine Differenz in der Emitterinduktivität zwischen Halbleiterschaltelementen im Halbleitermodul in Ausführungsform 7 entsteht;
    • 40 ist eine Draufsicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in einem proximalen Elektrodenbereich zeigt, der in einer positiven Elektrode in Ausführungsform 7 enthalten ist;
    • 41 ist ein Diagramm, das die Potentiale von zwei Halbleiterschaltelementen nach Ausführungsform 7 zeigt;
    • 42 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 8 darstellt;
    • 43 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul in Ausführungsform 8, jedoch ohne Elektrodenbereich;
    • 44 ist ein Schaltplan der Hauptkonfiguration des Halbleitermoduls in Ausführungsform 8;
    • 45 ist eine Draufsicht, die eine Stelle zeigt, an der eine Differenz in der Emitterinduktivität zwischen Halbleiterschaltelementen im Halbleitermodul in Ausführungsform 8 entsteht;
    • 46 ist eine Draufsicht, die einen Strompfad des Hauptstroms in einem proximalen Elektrodenbereich zeigt, der in einer positiven Elektrode in Ausführungsform 8 enthalten ist;
    • 47 ist eine perspektivische Ansicht, die die Strompfade des Hauptstroms in zwei positiven Elektroden in Ausführungsform 8 zeigt;
    • 48 ist ein Schaltplan, der die Strompfade des Hauptstroms in den beiden positiven Elektroden in Ausführungsform 8 zeigt;
    • 49 ist ein Diagramm, das die Potentiale von zwei Halbleiterschaltelementen gemäß Ausführungsform 8 zeigt, und
    • 50 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Leistungswandlersystems zeigt, in dem ein Leistungswandlergerät nach Ausführungsform 9 eingesetzt wird.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls 101 gemäß Ausführungsform 1 darstellt. 2 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul 101 in Ausführungsform 1, jedoch ohne Elektrodenbereich. 3 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul 101 in Ausführungsform 1 einschließlich des Elektrodenbereichs. 4 ist ein Schaltplan der Hauptkonfiguration des Halbleitermoduls 101 in Ausführungsform 1.
  • Unter Bezugnahme auf 4 weist das Halbleitermodul 101 eine positive Elektrode 10, eine negative Elektrode 12 und eine Ausgangselektrode 63 auf. Im oberen Zweig weist das Halbleitermodul 101 weiterhin eine Gatesteuerelektrode 60, eine Emitter-Steuerelektrode 40, Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d und Dioden Da, Db, Dc, Dd auf.
  • Die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d sind parallel zwischen der positiven Elektrode 10 und der negativen Elektrode 12b angeordnet. Die Dioden Da, Db, Dc, Dd sind parallel zu den Halbleiterschaltelementen 2a, 2b, 2c, 2d angeordnet.
  • Die Gatesteuerelektrode 60 ist mit den Halbleiterschaltelementen 2a, 2b, 2c, 2d über die Gatesteuerleitungen 61a, 61b, 61c, 61d verbunden. Die Gatesteuerelektrode 60 steuert die Gates der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d.
  • Die Emitter-Steuerelektrode 40 steuert die Emitter der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d.
  • Im unteren Zweig hat das Halbleitermodul 101 eine ähnliche Konfiguration wie im oberen Zweig. 1 zeigt eine Gatesteuerelektrode 82 und eine Emitter-Steuerelektrode 81 für den unteren Zweig. Im Folgenden werden die Elemente des oberen Zweigs beschrieben. Da der untere Zweig die gleiche Konfiguration wie der obere Zweig hat, wird die Erklärung für den unteren Zweig nicht wiederholt.
  • 1 zeigt eine dreidimensionale Konfiguration mit: einer Grundplatte 69; einer positiven Elektrode 10; einer negativen Elektrode 12; einer Isolierplatte 5a, 5b; einer Ausgangselektrode 63; einer Gatesteuerelektrode 60 und einer Emitter-Steuerelektrode 40 des oberen Zweigs; und einer Gatesteuerelektrode 82 und einer Emitter-Steuerelektrode 81 des unteren Zweigs.
  • In 2 ist die Längsrichtung der Grundplatte 69 als x-Achsrichtung und die Breitenrichtung der Grundplatte 69 als y-Achsrichtung definiert. Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, aus Bipolartransistorchips mit isoliertem Gate oder dergleichen, sind auf einem Kollektormuster 3a auf der Isolierplatte 5a angeordnet. Die Halbleiterschaltelemente 2c, 2d sind auf einem Kollektormuster 3b auf der Isolierplatte 5b angeordnet. Die Kollektoren der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b sind über Lot oder dergleichen mit dem Kollektormuster 3a verbunden. Die Kollektoren der Halbleiterschaltelemente 2c, 2d sind mit dem Kollektormuster 3b über Lot oder dergleichen verbunden. Die Kollektormuster 3a, 3b sind auf den Isolierplatten 5a, 5b angeordnet.
  • Die Emitter der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d sind über Emitterleitungen 41a, 41b, 41c, 41d mit dem Emittermuster 4a, 4b verbunden. Die Emittermuster 4a, 4b sind auf den Isolierplatten 5a, 5b angeordnet.
  • Emitterverbindungen EMA, EMB, EMC, EMD für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d sind Verbindungen, die die Emitter der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d mit der negativen Elektrode 12 verbinden. Die Emitter-Verbindungen EMA, EMB, EMC, EMD beinhalten Emitterleitungen 41a, 41b, 41c, 41d.
  • Die positive Elektrode 10 ist über positive Elektrodenverbindungen 11a, 11b mit dem Kollektormuster 3a, 3b verbunden.
  • Die negative Elektrode 12 ist über negative Elektrodenverbindungen 65a, 65b mit dem Emittermuster 9a, 9b für die Halbleiterschaltelemente des gegenüberliegenden Zweigs (unterer Zweig) verbunden.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist die Richtung, die senkrecht zur Grundplatte 69, zur Isolierplatte 5a und zur Isolierplatte 5b verläuft und in der Isolierplatten 5a, 5b angeordnet sind, als vertikale Richtung (z-Achsrichtung) definiert.
  • Ein Bereich (Bereich 10H) der positiven Elektrode 10, der parallel zu den Isolierplatten 5a, 5b ist, fällt in seiner Position mit einem Bereich (Bereich 12H) der negativen Elektrode 12, in vertikaler Richtung gesehen, zusammen, der parallel zu den Isolierplatten 5a, 5b ist. Die Ebene, in welcher der Bereich 12H angeordnet ist, befindet sich unterhalb der Ebene, in welcher der Bereich 10H angeordnet ist. Daher liegt der Bereich 12H näher an den Isolierplatten 5a, 5b als der Bereich 10H. In der Ausführungsform 1 ist der Bereich 12H als proximaler Elektrodenbereich definiert.
  • Unter Bezugnahme auf 2 ist die Gatesteuerelektrode 60 zur Steuerung der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d mit einem Gatemuster 6 verbunden. Das Gatemuster 6 ist über Gatesteuerleitungen 61a, 61b, 61c, 61c, 61d mit den Gates der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d verbunden.
  • Weiterhin ist die Emitter-Steuerelektrode 40 zur Steuerung der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d mit dem Emittermuster 4a verbunden.
  • Die Positionen der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d in x-Achsrichtung sind gleich.
  • Der Betrieb des in Ausführungsform 1 dargestellten Halbleitermoduls 101 beim Einschalten wird nachfolgend unter Bezug auf 5, 6 und 7 beschrieben. Insbesondere das Hauptschaltbild auf den Isolierplatten 5a, 5b und der Bereich der positiven Elektrode 10 und der Bereich der negativen Elektrode 12, die hinsichtlich ihrer Position zueinander übereinstimmt, sind im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie O. Somit werden die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b genauer betrachtet und beschrieben.
  • In der Ausführungsform 1 kann sich die Emitterverbindung EMA, die den Emitter des Halbleiterschaltelements 2a mit der negativen Elektrode 12 verbindet, von der Emitterverbindung EMB, die den Emitter des Halbleiterschaltelements 2b mit der negativen Elektrode 12 verbindet, in der Verbindungslänge oder -breite oder in der Verbindungslänge und -breite unterscheiden. In diesem Fall kann ein Unterschied zwischen den parasitären Induktivitäten (d.h. Emitterinduktivitäten) in den Emitterverbindungen EMA und EMB für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b entstehen.
  • Wie in 5 dargestellt, besteht in den dicken Pfeilbereichen eine Pfadlängendifferenz zwischen dem Weg vom Emitter des Halbleiterschaltelements 2b zur negativen Elektrode 12 und dem Weg vom Emitter des Halbleiterschaltelements 2a zur negativen Elektrode 12. Dementsprechend ist die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b höher als die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a. Das heißt, La < Lb ist gegeben, wobei La die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a und Lb die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b bezeichnet.
  • Zu diesem Zeitpunkt, wenn das Halbleitermodul 101 eingeschaltet wird, wird gleichzeitig eine gepulste Spannung an die Gates der Halbleiterschaltelemente 2a bis 2d angelegt. Dann ändert sich ein Strom i, der von der positiven Elektrode 10 zur negativen Elektrode 12 (im Folgenden auch als Hauptstrom bezeichnet) fließt, mit der Zeit. Das heißt, es findet eine Änderung des Stroms di/dt statt. 6 ist ein Schaltbild, das einen Strompfad im Halbleitermodul 101 zeigt. In 6 zeigt die dicke Linie den Strompfad LX1 des Hauptstroms i an. Der durch den gestrichelten Linienbereich fließende Hauptstrom i ist in der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform vernachlässigbar klein.
  • Bei der Stromänderung di/dt wird an der Emitterverbindung EMA für das Halbleiterschaltelement 2a eine induzierte elektromotorische Kraft Va = La × di/dt erzeugt, basierend auf der Emitterinduktivität La des Halbleiterschaltelements 2a und der Stromänderung di/dt. Außerdem wird an der Emitterverbindung EMB für das Halbleiterschaltelement 2b eine induzierte elektromotorische Kraft Vb = Lb × di/dt erzeugt, basierend auf der Emitterinduktivität Lb des Halbleiterschaltelements 2b und der Stromänderung di/dt. Da La < Lb gegeben ist, ist Va < Vb gegeben. Das heißt, wenn das Emitterpotential des Halbleiterschaltelements 2a durch Vea und das Emitterpotential des Halbleiterschaltelements 2b durch Veb bezeichnet wird, ist Vea niedriger als Veb aufgrund der Differenz zwischen den induzierten elektromotorischen Kräften, die an den Emitterverbindungen EMA und EMB für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b erzeugt werden, und damit ist Vea < Veb erfüllt. Eine Differenz im Emitterpotential zwischen den zwei Halbleiterschaltelementen 2a und 2b führt zu einer Differenz in der Gate-Emitterspannung zwischen den zwei Halbleiterschaltelementen 2a und 2b und damit zu einer Ungleichheit der Ströme, die durch die parallel angeordneten Halbleiterschaltelemente 2a und 2b fließen.
  • In Anbetracht dessen sind in der Ausführungsform 1 die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b parallel zum Strompfad Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H angeordnet, der in der negativen Elektrode 12 enthalten ist, wie in 7 dargestellt. Die Richtung des Stroms durch den Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H (die negative Richtung in der x-Achse) ist entgegengesetzt zur Richtung des Stroms durch die Gatesteuerleitung 61a und die Gatesteuerleitung 61b (die positive Richtung in der x-Achse).
  • Weiterhin sind die Gatesteuerleitungen 61a, 61b so angeordnet, dass Aa > Ab erfüllt ist, wobei Aa den Abstand vom Strompfad Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H in der negativen Elektrode 12 bis zur Gatesteuerleitung 61a für das Halbleiterschaltelement 2a und Ab den Abstand vom Strompfad Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H in der negativen Elektrode 12 bis zur Gatesteuerleitung 61b für das Halbleiterschaltelement 2b bezeichnen.
  • 8 und 9 sind Darstellungen, die einen Strompfad des Hauptstroms in der negativen Elektrode 12 in Ausführungsform 1 zeigen.
  • In 8 und 9 ist, wie durch die dicke Linie angezeigt, der Strompfad des Hauptstroms in der negativen Elektrode 12 der Pfad der negativen Elektrodenverbindungen 65a, 65b zu einem Anschluss 91 der negativen Elektrode 12. Der in der negativen Elektrode 12 enthaltene proximale Elektrodenbereich 12H ist symmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie O. Daher ist die Stromdichte bei der Symmetrielinie O als Mittellinie des proximalen Elektrodenbereichs 12H am höchsten. Die Stelle, an der die Stromdichte im proximalen Elektrodenbereich 12H der negativen Elektrode 12 am höchsten ist, ist definiert als der Strompfad Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H.
  • Mit den so angeordneten Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, ergibt sich Folgendes: Wenn die Gatesteuerleitungen 61a, 61b über magnetische Flüsse verbunden sind, werden durch eine Änderung des Hauptstroms über die Zeit, der durch den Strompfad Y im proximalen Elektrodenbereich 12H der negativen Elektrode 12 fließt, in der Gatesteuerleitung 61a für das Halbleiterschaltelement 2a eine induzierte elektromotorische Kraft Ga, und in der Gatesteuerleitung 61b für das Halbleiterschaltelement 2b eine induzierte elektromotorische Kraft Gb erzeugt. Dann werden induzierte elektromotorische Kräfte Ga, Gb erzeugt, so dass das Potential an den Gates der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b höher ist als im Gatemuster 6. Dann nimmt die Erzeugung der induzierten elektromotorischen Kraft mit abnehmendem Abstand vom Hauptstrom, der durch den Strompfad Y im proximalen Elektrodenbereich 12H zu den Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b fließt, zu. Daher ist Ga < Gb für die induzierten elektromotorischen Kräfte Ga, Gb auf die mit den Halbleiterschaltelementen 2a, 2b verbundenen Gatesteuerleitungen 61a, 61b.
  • Da das die Gatesteuerleitungen 61a, 61b verbindende Gatemuster 6 für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b orthogonal zum Strompfad Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H der negativen Elektrode 12 liegt, wird im Gatemuster 6 keine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Dementsprechend hat das Gatemuster 6 fast das gleiche Potenzial. Daher ist das Gate-Potenzial Vga des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als das Gate-Potenzial Vgb des Halbleiterschaltelements 2b und erfüllt damit Vga < Vgb.
  • So entsteht, wie in 10 dargestellt, die Differenz (Vgb - Vga) der zwischen den beiden Gatesteuerleitungen 61a und 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b erzeugten induzierten elektromotorischen Kräfte, um die durch die Emitterinduktivitätsdifferenz zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b verursachte Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitterspannungen zu reduzieren. Dies führt zu einer Reduzierung der Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitter-Spannungen zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b und damit zu einem Ausgleich der durch die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b fließenden Ströme.
  • Die obige Beschreibung berücksichtigt die Einflüsse des Strompfads Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H der negativen Elektrode 12, nicht aber die Einflüsse des Strompfads des Hauptstroms in der positiven Elektrode 10. Denn die obere Elektrode ist in vertikaler Richtung von den Gatesteuerleitungen weiter entfernt als die untere Elektrode. Mit anderen Worten, die obere Elektrode erzeugt eine wesentlich geringere induzierte elektromotorische Kraft auf die Gatesteuerleitungen als die untere Elektrode.
  • Wie vorstehend beschrieben kann die vorliegende Ausführungsform die durch die Halbleiterschaltelemente fließenden Ströme ausgleichen und stellt so ein langlebiges, zuverlässiges Halbleitermodul zur Verfügung. Da kein übermäßiger Strom fließt, kann auch der Energieverbrauch reduziert werden.
  • Weiterhin kann die vorliegende Ausführungsform die Wärmeentwicklung unter den Halbleiterschaltelementen ausgleichen und so eine bereichsweise hohe Wärmeentwicklung durch ein bestimmtes Halbleiterschaltelement verhindern. Dementsprechend genügt eine kleine Kühlstruktur, wodurch das Gewicht reduziert wird. Dadurch kann auch die Größe des gesamten Gerätes reduziert werden, wodurch die Größe der Gesamtanordnung reduziert wird. Ein so kleines Gerät ist umweltfreundlich, weil es bei der Entsorgung weniger Abfall produziert.
  • Ausführungsform 2
  • Ein Halbleitermodul 102 in Ausführungsform 2 ist in der Konfiguration im Wesentlichen dem Halbleitermodul 101 in Ausführungsform 1 ähnlich.
  • In Ausführungsform 2 ist die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b, wie in Ausführungsform 1. Das heißt, La < Lb ist gegeben, wobei La die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a und Lb die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b bezeichnet. Dann ist, wie in Ausführungsform 1, beim Einschalten des Halbleitermoduls und der zeitlichen Änderung des Hauptkreisstroms die Gate-Emitterspannung Vea des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Gate-Emitterspannung Veb des Halbleiterschaltelements 2b und erfüllt damit Vea < Veb.
  • In der Ausführungsform 1 sind die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b parallel zum Strompfad Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H der negativen Elektrode 12 angeordnet, und der Abstand des Strompfads Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H zur Gatesteuerleitung 61a für das Halbleiterschaltelement 2a ist länger als der Abstand des Strompfads Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H zur Gatesteuerleitung 61b für das Halbleiterschaltelement 2b.
  • In der Ausführungsform 2 sind jedoch, wie in 11 dargestellt, die Emitterleitungen 41a, 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b parallel zum Strompfad Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H angeordnet. Die Richtung des Hauptstroms durch den Strompfad Y im proximalen Elektrodenbereich 12H (die negative Richtung in der x-Achse) ist entgegengesetzt zur Richtung des durch die Emitterleitung 41a und die Emitterleitung 41b fließenden Stroms (die positive Richtung in der x-Achse). Weiterhin sind die Emitterleitungen 41a, 41b so angeordnet, dass Ba > Bb erfüllt ist, wobei Ba den Abstand des Strompfads Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H zur Emitterleitung 41a für das Halbleiterschaltelement 2a bezeichnet und Bb den Abstand des Strompfads Y des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 12H zur Emitterleitung 41b für Halbleiterschaltelement 2b bezeichnet.
  • Mit den so angeordneten Emitterleitungen 41a, 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b ergibt sich Folgendes: Wenn die Emitterleitungen 41a, 41b über magnetische Flüsse verbunden sind, werden durch eine Änderung des Hauptstroms über die Zeit, der durch den Strompfad Y im proximalen Elektrodenbereich 12H fließt, in der Emitterleitung 41a des Halbleiterschaltelements 2a eine induzierte elektromotorische Kraft Ea und eine induzierte elektromotorische Kraft Eb in der Emitterleitung 41b für Halbleiterschaltelement 2b erzeugt. Dann werden induzierte elektromotorische Kräfte Ea, Eb erzeugt, so dass das Potential beim Emittermuster 4a höher ist als bei den Emittern der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b. Dann nimmt die Erzeugung der induzierten elektromotorischen Kraft mit abnehmendem Abstand vom Hauptstrom zu, der durch den Strompfad Y im proximalen Elektrodenbereich 12H zu den Emitterleitungen 41a, 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b fließt. Daher ist Ea < Eb für die induzierten elektromotorische Kräfte Ea, Eb gegeben, die in den Emitterleitungen 41a, 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b erzeugt werden.
  • So ergibt sich, wie in 12 dargestellt, die Differenz (Eb - Ea) zwischen den in den Emitterleitungen 41a und 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b erzeugten induzierten elektromotorischen Kräften, um die durch die Emitterinduktivitätsdifferenz zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b verursachte Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitterspannung zu reduzieren. Dies führt zu einer Reduzierung der Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitter-Spannung zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b und damit zu einem Ausgleich der durch die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b fließenden Ströme.
  • Da die Stromänderung di/dt in den Emitterleitungen 41b, 41c für die Halbleiterschaltelemente 2b, 2c parallel und entgegengesetzt zur Stromänderung di/dt in der negativen Elektrode 12 verläuft, heben sich die magnetischen Flüsse gegenseitig auf, um die Induktivität zu reduzieren.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform die durch die Halbleiterschaltelemente fließenden Ströme ausgleichen und stellt so ein langlebiges, zuverlässiges Halbleitermodul zur Verfügung. Außerdem kann die vorliegende Ausführungsform die innere Induktivität des Halbleitermoduls reduzieren.
  • Ausführungsform 3
  • 13 ist eine perspektivische Ansicht, die die interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls 103 gemäß Ausführungsform 3 darstellt. 14 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul 103 in Ausführungsform 3, jedoch ohne Elektrodenbereich.
  • Das Halbleitermodul 103 in Ausführungsform 3 unterscheidet sich vom Halbleitermodul 101 in Ausführungsform 1 dadurch, dass das Halbleitermodul 103 weiterhin ein Emitter-Steuermuster und Emitter-Steuerleitungen aufweist. Insbesondere ist die Emitter-Steuerelektrode 40 zur Steuerung der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d mit einem Emitter-Steuermuster 7 verbunden. Das Emitter-Steuermuster 7 ist über Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b, 71c, 71c, 71d mit den Emittern der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d verbunden.
  • Das Halbleitermodul 103 in Ausführungsform 3 unterscheidet sich vom Halbleitermodul 101 in Ausführungsform 1 in der Konfiguration der positiven Elektrode 10 und der negativen Elektrode 12.
  • Ein Bereich (Bereich 10H) der positiven Elektrode 10, der parallel zu den Isolierplatten 5a, 5b ist, fällt hinsichtlich der Position mit einem Bereich (Bereich 12H) der negativen Elektrode 12 zusammen, der in vertikaler Richtung parallel zu den Isolierplatten 5a, 5b liegt. Die Ebene, in welcher der Bereich 12H angeordnet ist, befindet sich oberhalb der Ebene, in welcher der Bereich 10H angeordnet ist. Daher liegt der Bereich 10H näher an den Isolierplatten 5a, 5b als der Bereich 12H. In der Ausführungsform 3 ist der Bereich 10H als proximaler Elektrodenbereich definiert.
  • Im Übrigen ist die Konfiguration in 13 ähnlich wie in 1, so dass die gleichen oder korrespondierenden Bereiche identisch bezeichnet werden und die Erklärung dieser Bereiche nicht wiederholt wird.
  • Der Betrieb des in der Ausführungsform 3 dargestellten Halbleitermoduls 103 beim Einschalten wird unter Bezug auf 15 beschrieben. Die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b werden wie in Ausführungsform 1 genauer betrachtet und beschrieben.
  • In der Ausführungsform 3 ist die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b in Ausführungsform 1. Das heißt, La < Lb ist gegeben, wobei La die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a und Lb die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b bezeichnen. Dann ist, wie in der Ausführungsform 1, beim Einschalten des Halbleitermoduls und der zeitlichen Änderung des Hauptkreisstroms die Gate-Emitterspannung Vea des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Gate-Emitterspannung Veb des Halbleiterschaltelements 2b, womit Vea < Veb erfüllt ist.
  • In Anbetracht dessen sind in der Ausführungsform 3, wie in 16 dargestellt, die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b parallel zum Strompfad X des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10H der positiven Elektrode 10H angeordnet. Die Richtung des Hauptstroms durch den Strompfad X im proximalen Elektrodenbereich 10H (die positive Richtung in der x-Achse) ist entgegengesetzt zur Richtung des durch die Emitter-Steuerleitung 71a und Emitter-Steuerleitung 71b (die negative Richtung in der x-Achse) fließenden Stroms.
  • Weiterhin sind die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b so angeordnet, dass Ca > Cb erfüllt ist, wobei Ca den Abstand vom Strompfad X des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10H der positiven Elektrode 10 bis zur Emitter-Steuerleitung 71a für die Halbleiterschaltelement 2a bezeichnet und Cb den Abstand vom Strompfad X des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10H der positiven Elektrode 10 bis zur Emitter-Steuerleitung 71b für das Halbleiterschaltelement 2b bezeichnet.
  • 17 und 18 sind Darstellungen, die einen Strompfad des Hauptstroms in der positiven Elektrode 10 in der Ausführungsform 3 zeigen.
  • In 17 und 18 ist, wie durch die dicke Linie angezeigt, der Strompfad des Hauptstroms in der positiven Elektrode 10 der Pfad von einem Anschluss 92 der positiven Elektrode 10 zur positiven Elektrodenverbindungen 11a, 11b. Der in der positiven Elektrode 10H enthaltene proximale Elektrodenbereich 10H ist symmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie O. Daher ist die Stromdichte bei der Symmetrielinie O als Mittellinie des proximalen Elektrodenbereichs 10H am höchsten. Die Stelle, an der die Stromdichte im proximalen Elektrodenbereich 10H der positiven Elektrode 10 am höchsten ist, ist definiert als der Strompfad X des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10H.
  • Mit den so angeordneten Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b ergibt sich Folgendes: Wenn die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b durch magnetische Flüsse verbunden sind, werden durch eine zeitliche Änderung des Hauptstroms, der durch den Strompfad X im proximalen Elektrodenbereich 10H der positiven Elektrode 10H fließt, in der Emitter-Steuerleitung 71a für das Halbleiterschaltelement 2a eine induzierte elektromotorische Kraft Esa, und in der Emitter-Steuerleitung 71b für das Halbleiterschaltelement 2b eine induzierte elektromotorische Kraft Esb erzeugt. Dann werden die induzierten elektromotorischen Kräfte Esa, Esb erzeugt, so dass das Potential im Emitter-Steuermuster 7 höher ist als in den Emittern der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b. Dann nimmt die Erzeugung der induzierten elektromotorischen Kraft mit abnehmendem Abstand vom Hauptstrom, der durch den Strompfad X im proximalen Elektrodenbereich 10H fließt, zu den Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b zu. Daher ist Esa < Esb für die induzierten elektromotorischen Kräften Esa, Esb gegeben, die auf die mit den Halbleiterschaltelementen 2a, 2b verbundenen Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b wirken.
  • Da das Emittermuster 7, welches die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b verbindet, orthogonal zum Strompfad X im proximalen Elektrodenbereich 10H liegt, wird im Emittermuster 7 keine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Dementsprechend hat das Emittermuster 7 fast das gleiche Potenzial.
  • So entsteht, wie in 19 dargestellt, die Differenz (Esb - Esa) zwischen den in den Emitter-Steuerleitungen 71a und 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b erzeugten induzierten elektromotorischen Kräften, um die durch die Emitterinduktivitätsdifferenz zwischen den Halbleiterschaltelementen verursachte Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitterspannung zu reduzieren. Dies führt zu einer Reduzierung der Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitter-Spannung zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b und damit zu einem Ausgleich der durch die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b fließenden Ströme.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform die durch die Halbleiterschaltelemente fließenden Ströme in einem Halbleitermodul mit Emitter-Steuerleitungen ausgleichen. Somit kann ein langlebiges, zuverlässiges Halbleitermodul bereitgestellt werden.
  • Ausführungsform 4
  • 20 ist eine perspektivische Ansicht, die die interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls 104 gemäß Ausführungsform 4 darstellt. 21 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul 104 in Ausführungsform 4, jedoch ohne Elektrodenbereich. 22 ist ein Schaltplan der Hauptkonfiguration des Halbleitermoduls 104 nach der Ausführungsform 4.
  • Unter Bezugnahme auf 22 unterscheidet sich das Halbleitermodul 104 in Ausführungsform 4 vom Halbleitermodul 101 in Ausführungsform 1 dadurch, dass das Halbleitermodul 104 positive Elektroden 10a, 10b und negative Elektroden 12a, 12b aufweist.
  • Das Halbleiterschaltelement 2a und das Halbleiterschaltelement 2b sind parallel geschaltet und zwischen der positiven Elektrode 10a und der negativen Elektrode 12a angeordnet. Das Halbleiterschaltelement 2c und das Halbleiterschaltelement 2d sind parallel geschaltet und zwischen der positiven Elektrode 10b und der negativen Elektrode 12b angeordnet.
  • Die positive Elektrode 10a ist am Kollektormuster 3a angeschlossen. Die positive Elektrode 10b ist am Kollektormuster 3b angeschlossen. Die negative Elektrode 12a ist mit einem Emittermuster 9a für die Halbleiterschaltelemente des gegenüberliegenden Zweigs verbunden. Die negative Elektrode 12b ist mit einem Emittermuster 9b für die Halbleiterschaltelemente des gegenüberliegenden Zweigs verbunden. Die Bereitstellung von zwei positiven Elektroden 10a, 10b und zwei negativen Elektroden 12a, 12b kann die Stromkapazität erhöhen.
  • Wie in 20 dargestellt, stimmt ein Bereich (Bereich 10AH) der positiven Elektrode 10a, der in vertikaler Richtung gesehen parallel zur Isolierplatte 5a ist, mit einem Bereich (Bereich 12AH) der negativen Elektrode 12a überein, der in vertikaler Richtung gesehen parallel zur Isolierplatte 5a ist. Die Ebene, in welcher der Bereich 10AH angeordnet ist, befindet sich unterhalb der Ebene, in welcher der Bereich 12AH angeordnet ist. Daher liegt der Bereich 10AH näher an der Isolierplatte 5a als der Bereich 12AH. Ebenso stimmt ein Bereich (Bereich 10BH) der positiven Elektrode 10b, der in vertikaler Richtung gesehen parallel zur Isolierplatte 5b ist, hinsichtlich der Position mit einem Bereich (Bereich 12BH) der negativen Elektrode 12b überein, der in vertikaler Richtung gesehen parallel zur Isolierplatte 5b ist. Die Ebene, in welcher der Bereich 10BH angeordnet ist, befindet sich unterhalb der Ebene, in welcher der Bereich 12BH angeordnet ist. Daher liegt der Bereich 10BH näher an der Isolierplatte 5b als der Bereich 12BH. In der Ausführungsform 4 sind der Bereich 10AH und der Bereich 10BH als proximale Elektrodenbereiche definiert.
  • Im Übrigen ist die Konfiguration in 20 ähnlich wie in 1, so dass die gleichen oder korrespondierenden Bereiche identisch bezeichnet werden und die Erklärung dieser Bereiche nicht wiederholt wird.
  • Der Betrieb des in der Ausführungsform 4 dargestellten Halbleitermoduls 104 beim Einschalten wird nachfolgend unter Bezug auf 23 beschrieben. Die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b werden wie in der Ausführungsform 1 genauer betrachtet und beschrieben.
  • In der Ausführungsform 4 ist wie in der Ausführungsform 1 die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b. Das heißt, La < Lb ist gegeben, wobei La die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a und Lb die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b bezeichnen. Wie in der Ausführungsform 1 ist beim Einschalten des Halbleitermoduls und der zeitlichen Änderung des Hauptkreisstroms die Gate-Emitterspannung Vea des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Gate-Emitterspannung Veb des Halbleiterschaltelements 2b und damit Vea < Veb erfüllt.
  • In Anbetracht dessen sind in der Ausführungsform 4 die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b parallel zum Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a angeordnet, wie in 24 dargestellt. Die Richtung des Hauptstroms durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH (die positive Richtung in der x-Achse) ist die gleiche wie die Richtung des durch die Gatesteuerleitung 61a und die Gatesteuerleitung 61b fließenden Stroms (die positive Richtung in der x-Achse). Weiterhin sind die Gatesteuerleitungen 61a, 61b so angeordnet, dass Aa < Ab erfüllt ist, wobei Aa den Abstand vom Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a bis zur Gatesteuerleitung 61a für das Halbleiterschaltelement 2a und Ab den Abstand vom Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a bis zur Gatesteuerleitung 61b für das Halbleiterschaltelement 2b bezeichnen.
  • 25 und 26 sind Darstellungen, die einen Strompfad des Hauptstroms in den positiven Elektroden 10a, 10b in Ausführungsform 4 zeigen.
  • In 25 und 26 ist, wie durch die dicken Linien dargestellt, der Strompfad des Hauptstroms in der positiven Elektrode 10a der Weg von einem Anschluss 92a der positiven Elektrode 10a zur positiven Elektrodenverbindung 11a. Der proximale Elektrodenbereich 10AH, der in der positiven Elektrode 10a enthalten ist, ist symmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie OA. Daher ist die Stromdichte bei der Symmetrielinie OA als Mittellinie des proximalen Elektrodenbereichs 10AH am höchsten. Die Stelle, an der die Stromdichte im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a am höchsten ist, ist definiert als Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH. Der Strompfad des Hauptstroms in der positiven Elektrode 10b ist der Weg von einem Anschluss 92b der positiven Elektrode 10b zur positiven Elektrodenverbindung 11b. Der proximale Elektrodenbereich 10BH, der in der positiven Elektrode 10b enthalten ist, ist symmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie OB. Daher ist die Stromdichte bei der Symmetrielinie OB als Mittellinie des proximalen Elektrodenbereichs 10BH am höchsten. Die Stelle, an der die Stromdichte im proximalen Elektrodenbereich 10BH der positiven Elektrode 10b am höchsten ist, ist definiert als Strompfad Xb des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10BH.
  • Mit den Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, die so angeordnet sind, dass die Gatesteuerleitungen 61a, 61b durch eine zeitliche Änderung des Hauptstroms, der durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a fließt, mit magnetischen Flüssen verbunden sind, wird dann eine induzierte elektromotorische Kraft Ga in der Gatesteuerleitung 61a für das Halbleiterschaltelement 2a erzeugt, und eine induzierte elektromotorische Kraft Gb in der Gatesteuerleitung 61b für das Schaltelement 2b erzeugt. Dann werden induzierte elektromotorische Kräfte Ga, Gb erzeugt, so dass das Potential im Gatemuster 6 höher ist als in den Gates der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b. Dann nimmt die Erzeugung der induzierten elektromotorischen Kraft mit abnehmendem Abstand vom Hauptstrom, der durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH fließt, zu den Gatesteuerleitungen für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b zu. Daher ist Ga > Gb gegeben mit den induzierten elektromotorischen Kräften Ga, Gb, die in den Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b erzeugt werden.
  • Da das Gatemuster 6, das die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b verbindet, orthogonal liegt zum Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH, wird im Gatemuster 6 keine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Dementsprechend hat das Gatemuster 6 das gleiche Potenzial. Daher ist das Gate-Potenzial Vga des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als das Gate-Potenzial Vgb des Halbleiterschaltelements 2b und erfüllt damit Vga < Vgb.
  • So ergibt sich, wie in 27 dargestellt, die Differenz (Ga - Gb) zwischen den beiden induzierten elektromotorischen Kräften, die in den Gatesteuerleitungen 61a und 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b erzeugt werden, um die durch die Emitterinduktivitätsdifferenz zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b verursachte Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitterspannung zu reduzieren. Dies führt zu einer Reduzierung der Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitter-Spannung zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b und damit zu einem Ausgleich der durch die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b fließenden Ströme.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform die durch die Halbleiterschaltelemente fließenden Ströme ausgleichen und bietet so ein langlebiges, zuverlässiges Halbleitermodul. Da kein übermäßiger Strom fließt, kann auch der Energieverbrauch reduziert werden.
  • Ausführungsform 5
  • 28 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls 105 gemäß Ausführungsform 5 zeigt. 29 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul 105 in Ausführungsform 5, jedoch ohne Elektrodenbereich.
  • Das Halbleitermodul 105 in Ausführungsform 5 unterscheidet sich vom Halbleitermodul 104 in Ausführungsform 4 dadurch, dass das Halbleitermodul 105 weiterhin ein Emitter-Steuermuster und Emitter-Steuerleitungen aufweist. Die Emitter-Steuerelektrode 40 zur Steuerung der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d ist mit dem Emitter-Steuermuster 7 verbunden. Das Emitter-Steuermuster 7 ist über die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b, 71c, 71c, 71d mit den Emittern der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d verbunden. Die weitere Konfiguration in 28 und 29 ist ähnlich wie in 20 und 21, so dass die gleichen oder korrespondierenden Bereiche identisch bezeichnet werden und die Erklärung dieser Bereiche nicht wiederholt wird.
  • Der Betrieb des in Ausführungsform 5 dargestellten Halbleitermoduls 105 beim Einschalten wird nachfolgend unter Bezug auf 30 beschrieben. Die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b werden wie in Ausführungsform 1 genauer betrachtet und beschrieben.
  • In Ausführungsform 5 ist die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b, wie in Ausführungsform 1. Das heißt, La < Lb ist gegeben, wobei La die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a bezeichnet und Lb die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b bezeichnet. Dann ist, wie in Ausführungsform 1, beim Einschalten des Halbleitermoduls und der zeitlichen Änderung des Hauptkreisstroms die Gate-Emitterspannung Vea des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Gate-Emitterspannung Veb des Halbleiterschaltelements 2b und erfüllt damit Vea < Veb.
  • In Anbetracht dessen sind in der Ausführungsform 5 die Gatesteuerleitungen 61a, 61b und die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b parallel zum Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a angeordnet, wie in 31 dargestellt. Die Richtung des Hauptstroms durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH (die positive Richtung in der x-Achse) ist die gleiche wie die Richtung des durch die Gatesteuerleitungen 61a, 61b (die positive Richtung in der x-Achse) fließenden Stroms. Die Richtung des Hauptstroms durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH (die positive Richtung in der x-Achse) ist entgegengesetzt zur Richtung des durch Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b (die negative Richtung in der x-Achse) fließenden Stroms.
  • Weiterhin wird der Abstand vom Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a zur Gatesteuerleitung 61a für das Halbleiterschaltelement 2a durch Aa bezeichnet, der Abstand vom Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a zur Emitter-Steuerleitung 71a für das Halbleiterschaltelement 2a durch Ca, der Abstand vom Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a zur Gatesteuerleitung 61b für das Halbleiterschaltelement 2b wird durch Ab bezeichnet, und der Abstand vom Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a zur Emitter-Steuerleitung 71b für das Halbleiterschaltelement 2b wird durch Cb bezeichnet. Die Steuerleitungen sind so angeordnet, dass Aa < Ab erfüllt ist.
  • Mit den Gatesteuerleitungen 61a, 61b und Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, die so angeordnet sind, ergibt sich Folgendes: Wenn die Gatesteuerleitungen 61a, 61b und die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b aufgrund einer zeitlichen Änderung des Hauptstroms, der durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode fließt, über magnetische Flüsse verbunden sind, dann wird in der Gatesteuerleitung 61a für das Halbleiterschaltelement 2a eine induzierte elektromotorische Kraft Ga erzeugt, wird in der Emitter-Steuerleitung 71a für das Halbleiterschaltelement 2a eine induzierte elektromotorische Kraft Esa erzeugt, wird in der Gatesteuerleitung 61b für das Halbleiterschaltelement 2b eine induzierte elektromotorische Kraft Gb erzeugt und in der Emitter-Steuerleitung 71b für das Halbleiterschaltelement 2b wird eine induzierte elektromotorische Kraft Esb erzeugt. Dann werden induzierte elektromotorische Kräfte Ga, Gb erzeugt, so dass das Potential im Gatemuster 6 höher ist als in den Gates der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b. Weiterhin werden induzierte elektromotorische Kräfte Esa, Esb erzeugt, so dass das Potential im Emitter-Steuermuster 7 höher ist als in den Emittern der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b. Dann nimmt die Erzeugung der induzierten elektromotorischen Kraft mit abnehmendem Abstand vom Hauptstrom, der durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a fließt, zu den Gatesteuerleitungen 61a, 61b und den Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b zu. Daher ist Ga > Gb gegeben mit den induzierten elektromotorischen Kräften Ga, Gb, die in den Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b erzeugt wurden.
  • Das Gatemuster 6, das die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b verbindet, liegt orthogonal zum Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a. Das Emitter-Steuermuster 7, das die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b verbindet, liegt ebenfalls orthogonal zum Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a. Daher wird im Gatemuster 6 und im Emitter-Steuermuster 7 keine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Dementsprechend haben die Verbindungsbereiche der Gatesteuerleitung im Gatemuster 6 für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b nahezu das gleiche Potenzial. Somit ist das Gate-Potenzial Vga des Halbleiterschaltelements 2a höher als das Gate-Potenzial Vgb des Halbleiterschaltelements 2b.
  • Wenn die elektromotorische Kräfte Ga, Gb die Gate-Emitterspannungen der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b miteinander ausgleichen, können die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b so angeordnet werden, dass Ca = Cb erfüllt ist.
  • Wenn die elektromotorischen Kräfte Ga, Gb verursachen, dass (Veb - Vea) - (Vga - Vgb) > 0 gilt, können die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b so angeordnet werden, dass Ca > Cb erfüllt ist.
  • Wenn die elektromotorischen Kräfte Ga, Gb verursachen, dass (Veb - Vea) - (Vga - Vgb) < 0 gilt, können die Emitter-Steuerleitungen 71a, 71b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b so angeordnet werden, dass Ca < Cb erfüllt ist.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform die durch die Halbleiterschaltelemente fließenden Ströme in einem Halbleitermodul mit einem Emitter-Steuermuster und mit Emitter-Steuerleitungen ausgleichen.
  • Ausführungsform 6
  • 32 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls 106 gemäß Ausführungsform 6 darstellt. 33 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul 106 in Ausführungsform 6, jedoch ohne den Elektrodenbereich.
  • Das Halbleitermodul 106 in Ausführungsform 6 unterscheidet sich vom Halbleitermodul 104 in Ausführungsform 4 in den Positionen der Halbleiterschaltelemente 2a, 2d. Insbesondere unterscheiden sich die Positionen der Halbleiterschaltelemente 2a, 2d in x-Achsrichtung von den Positionen der Halbleiterschaltelemente 2b, 2c in x-Achsrichtung. Die weitere Konfiguration in 32 und 33 ist ähnlich wie in 20 und 21, so dass die gleichen oder korrespondierenden Bereiche identisch bezeichnet werden und die Erklärung dieser Bereiche nicht wiederholt wird.
  • Der Betrieb des in Ausführungsform 6 dargestellten Halbleitermoduls 106 beim Einschalten wird nachfolgend unter Bezug auf 34 beschrieben. Die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b werden wie in der Ausführungsform 1 genauer betrachtet und beschrieben.
  • In der Ausführungsform 6 ist die Emitterleitung 41a für die Halbleiterschaltelement 2a kürzer als die Emitterleitung 41b für die Halbleiterschaltelement 2b. Dementsprechend ist die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b. Das heißt, La < Lb ist gegeben, wobei La die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a und Lb die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b bezeichnen. Wenn das Halbleitermodul 106 eingeschaltet wird und der Hauptstrom sich über die Zeit ändert, ist Dann das Emitterpotential Vea des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als das Emitterpotential Veb des Halbleiterschaltelements 2b und erfüllt damit Vea < Veb.
  • In Anbetracht dessen sind, wie in 35 dargestellt, in der Ausführungsform 6 die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b parallel zum Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a angeordnet. Die Richtung des Hauptstroms durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH (die positive Richtung in der x-Achse) ist die gleiche wie die Richtung des durch die Gatesteuerleitungen 61a, 61b (die positive Richtung in der x-Achse) fließenden Stroms.
  • Die Länge des Bereiches der Gatesteuerleitung 61a, der parallel zum Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a liegt (die Länge der Gatesteuerleitung 61a, wenn die Gatesteuerleitung 61a parallel zum Strompfad Xa verläuft), wird durch Da angegeben. Die Länge des Bereiches der Gatesteuerleitung 61b, der parallel zum Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a verläuft (die Länge der Gatesteuerleitung 61b, wenn die Gatesteuerleitung 61b parallel zum Strompfad Xa liegt), wird mit Db bezeichnet. Die Gatesteuerleitungen 61a, 61b sind mit den Gates der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b so verbunden, dass Da > Db erfüllt ist.
  • Da die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b so angeordnet sind, dass die Gatesteuerleitungen 61a, 61b durch eine Änderung des Hauptstroms über die Zeit, der durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a fließt, über magnetische Flüsse verbunden sind, wird eine induzierte elektromotorische Kraft Ga in der Gatesteuerleitung 61a für das Halbleiterschaltelement 2a erzeugt, und eine induzierte elektromotorische Kraft Gb in der Gatesteuerleitung 61b für das Schaltelement 2b erzeugt. Dann werden induzierte elektromotorische Kräfte Ga, Gb erzeugt, so dass das Potential im Gatemuster 6 höher ist als in den Gates der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b. Dann ist die Erzeugung der induzierten elektromotorischen Kraft größer, wenn die Gatesteuerleitung 61a einen längeren Bereich parallel zum Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a aufweist. Daher ist Ga > Gb gegeben mit den induzierten elektromotorischen Kräften Ga, Gb, die in den Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b erzeugt werden.
  • Da das Gatemuster 6, das die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b verbindet, orthogonal zum Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a verläuft, wird im Gatemuster 6 keine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Dementsprechend hat das Gatemuster 6 das gleiche Potenzial. Daher ist das Gate-Potenzial Vga des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als das Gate-Potenzial Vgb des Halbleiterschaltelements 2b und erfüllt damit Vga < Vgb.
  • So entsteht, wie in 36 dargestellt, die Differenz zwischen den induzierten elektromotorischen Kräften Ga und Gb, die in den beiden Gatesteuerleitungen 61a und 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b erzeugt werden, um die Differenz im Emitterpotential durch die Emitterinduktivitätsdifferenz zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b zu verringern. Dies führt zu einer Verringerung der Differenz der Gate-Emitter-Spannung zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b und damit zu einem Ausgleich der durch die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b fließenden Ströme.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform die durch die Halbleiterschaltelemente fließenden Ströme ausgleichen und bietet so ein langlebiges, zuverlässiges Halbleitermodul. Weiterhin können die zwischen den Halbleiterschaltelementen verbleibenden Zwischenräume einen Temperaturanstieg verhindern, der durch thermische Störungen aufgrund der Wärmeentwicklung aus den Halbleiterschaltelementen verursacht würde. Dadurch kann die Zuverlässigkeit weiter erhöht werden.
  • Ausführungsform 7
  • 37 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls 107 gemäß Ausführungsform 7 darstellt. 38 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul 107 in Ausführungsform 7, jedoch ohne Elektrodenbereich. Die Konfiguration in 37 und 38 ist ähnlich wie in 20 und 21, so dass die gleichen oder korrespondierenden Bereiche identisch bezeichnet werden und die Erklärung dieser Bereiche nicht wiederholt wird.
  • Der Betrieb des in Ausführungsform 7 dargestellten Halbleitermoduls 107 beim Einschalten wird nachfolgend unter Bezug auf 39 beschrieben. Die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b werden wie in Ausführungsform 1 genauer betrachtet und beschrieben.
  • In Ausführungsform 7 ist, wie in Ausführungsform 1, die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b. Das heißt, La < Lb ist gegeben, wobei La die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a und Lb die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b bezeichnen. Wenn das Halbleitermodul 107 eingeschaltet wird und der Hauptstrom sich über die Zeit ändert, ist zu diesem Zeitpunkt das Emitterpotential Vea des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als das Emitterpotential Veb des Halbleiterschaltelements 2b und erfüllt damit Vea < Veb.
  • In Anbetracht dessen sind in der Ausführungsform 7 die Emitterleitungen 41a, 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b parallel zum Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a angeordnet, wie in 40 dargestellt. Die Richtung des Hauptstroms durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH (die positive Richtung in der x-Achse) ist gleich der Richtung des durch Emitterleitungen 41a, 41b fließenden Stroms (die positive Richtung in der x-Achse). Weiterhin sind die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b so angeordnet, dass Ba < Bb erfüllt ist, wobei Ba den Abstand vom Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a bis zur Emitterleitung 41a für die Halbleiterschaltelement 2a bezeichnet und Bb den Abstand vom Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode bis zur Emitterleitung 41b für die Halbleiterschaltelement 2b bezeichnet.
  • Da die Emitterleitungen 41a, 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b so angeordnet sind, dass die Emitterleitungen 41a, 41b durch eine Änderung des durch die positive Elektrode 10a fließenden Stroms über die Zeit mit magnetischen Flüssen verbunden sind, wird in der Emitterleitung 41a für das Halbleiterschaltelement 2a eine induzierte elektromotorische Kraft Ea erzeugt, und in der Emitterleitung 41b für das Halbleiterschaltelement 2b wird eine induzierte elektromotorische Kraft Eb erzeugt. Dann werden induzierte elektromotorische Kräfte Ea, Eb erzeugt, so dass das Potential in den Emittern der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b höher ist als im Emittermuster 4a. Dann nimmt die Erzeugung der induzierten elektromotorischen Kraft mit abnehmendem Abstand vom Strompfad Xa des durch den proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a fließenden Hauptstroms zu den Emitterleitungen 41a, 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b zu. Daher ist Ea > Eb gegeben mit den induzierten elektromotorischen Kräften Ea, Eb erzeugt in den Emitterleitungen 41a, 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b. So entsteht, wie in 41 dargestellt, die Differenz zwischen den induzierten elektromotorischen Kräften Ea und Eb, die in den Emitterleitungen 41a und 41b für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b erzeugt werden, um die Differenz im Emitterpotential zu verringern, die durch die Emitterinduktivitätsdifferenz zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b verursacht wird. Dies führt zu einer Verringerung der Differenz der Gate-Emitter-Spannung zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b und damit zu einem Ausgleich der durch die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b fließenden Ströme.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform die durch die Halbleiterschaltelemente fließenden Ströme ausgleichen und bietet so ein langlebiges, zuverlässiges Halbleitermodul. Da kein übermäßiger Strom fließt, kann auch der Energieverbrauch reduziert werden.
  • Ausführungsform 8
  • 42 ist eine perspektivische Ansicht, die eine interne Verbindungsstruktur eines Halbleitermoduls 108 gemäß Ausführungsform 8 darstellt. 43 ist eine Draufsicht auf das Halbleitermodul 108 in Ausführungsform 8, jedoch ohne Elektrodenbereich. 44 ist ein Schaltplan der Hauptkonfiguration des Halbleitermoduls 108 in Ausführungsform 8.
  • Unter Bezugnahme auf 42 beinhaltet das Halbleitermodul 108 positive Elektroden 10a, 10b, negative Elektroden 12a, 12b und eine Ausgangselektrode 63. Im oberen Zweig beinhaltet das Halbleitermodul 108 weiterhin eine Gatesteuerelektrode 60, eine Emitter-Steuerelektrode 40, Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h und Dioden Da, Db, Dc, Dd auf.
  • Die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d sind parallel zwischen der positiven Elektrode 10a und der negativen Elektrode 12a angeordnet. Die Halbleiterschaltelemente 2e, 2f, 2g, 2g, 2h sind parallel zwischen der positiven Elektrode 10b und der negativen Elektrode 12b angeordnet. Die Dioden Da, Db, Dc, Dd sind parallel zu den Halbleiterschaltelementen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h angeordnet.
  • Die Gatesteuerelektrode 60 ist mit dem Gatemuster 6 verbunden. Die Gatesteuerleitungen 61a, 61b, 61c, 61d sind mit einem Bereich 6a des Gatemusters 6 verbunden, und Gatesteuerleitungen 61e, 61f, 61g, 61h sind mit einem Bereich 6b des Gatemusters 6 verbunden. Die Gatesteuerelektrode 60 steuert die Gates der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h.
  • Die Emitter-Steuerelektrode 40 steuert die Emitter der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h.
  • Im unteren Zweig hat das Halbleitermodul 108 eine ähnliche Konfiguration wie im oberen Zweig. 42 zeigt die Gatesteuerelektrode 82 und die Emitter-Steuerelektrode 81 für den unteren Zweig. Im Folgenden werden die Elemente des oberen Zweigs beschrieben. Da der untere Zweig die gleiche Konfiguration wie der obere Zweig hat, wird die Erklärung für den unteren Zweig nicht wiederholt.
  • 42 zeigt eine dreidimensionale Konfiguration mit: Der Grundplatte 69; positiven Elektroden 10a, 10b; negativen Elektroden 12a, 12b; der Isolierplatte 5; der Ausgangselektrode 63; der Gatesteuerelektrode 60 und der Emitter-Steuerelektrode 40 des oberen Zweigs; und der Gatesteuerelektrode 82 und der Emitter-Steuerelektrode 81 des unteren Zweigs.
  • In 43 ist die Längsrichtung der Grundplatte 69 als x-Achsrichtung und die Breitenrichtung der Grundplatte 69 als y-Achsrichtung definiert. Die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2d, die als IGBT-Chips oder dergleichen ausgebildet sind, sind auf dem Kollektormuster 3a auf der Isolierplatte 5 angeordnet. Die Halbleiterschaltelemente 2e, 2f, 2g, 2g, 2h sind auf dem Kollektormuster 3b auf der Isolierplatte 5 angeordnet. Die Kollektoren der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d sind über Lot oder dergleichen mit dem Kollektormuster 3a verbunden. Die Kollektoren der Halbleiterschaltelemente 2e, 2f, 2g, 2g, 2h sind mit dem Kollektormuster 3b über Lot o.ä. verbunden. Die Kollektormuster 3a, 3b sind auf der Isolierplatte 5 angeordnet.
  • Die Emitter der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h sind über Emitterleitungen 41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f, 41g, 41h mit dem Emittermuster 4 verbunden. Das Emittermuster 4 ist auf der Isolierplatte 5 angeordnet.
  • Emitterverbindungen EMA, EMB, EMV, EMD, EME, EMF, EMG, EMH für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2g, 2h sind Verbindungen, die die Emitter der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2f, 2g, 2h mit der negativen Elektrode 12 verbinden. Die Emitter-Verbindungen EMA, EMB, EMC, EMD, EME, EMF, EMG, EMH beinhalten Emitterleitungen 41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f, 41g, 41h.
  • Die positive Elektrode 10a ist über die positive Elektrodenverbindung 11a mit dem Kollektormuster 3a verbunden. Die positive Elektrode 10b ist über die positive Elektrodenverbindung 11b mit dem Kollektormuster 3b verbunden.
  • Die negative Elektrode 12a ist mit dem Emittermuster 9a, 9b für die Halbleiterschaltelemente des gegenüberliegenden Zweigs (unteres Zweig) über die negative Elektrodenverbindung 65a verbunden. Die negative Elektrode 12b ist über die negative Elektrodenverbindung 65b mit dem Emittermuster 9b, 9c für die Halbleiterschaltelemente des gegenüberliegenden Zweigs (unteres Zweig) verbunden.
  • Unter Bezugnahme auf 42 ist die Richtung, die senkrecht zu Grundplatte 69 und Isolierplatte 5 verläuft und in der die Isolierplatte 5 angeordnet ist, als vertikale Richtung (z-Achsenrichtung) definiert.
  • Ein Bereich (Bereich 10AH) der positiven Elektrode 10a, der parallel zur Isolierplatte 5 ist, fällt in seiner Position mit einem Bereich (Bereich 12AH) der negativen Elektrode 12a zusammen, der, in vertikaler Richtung gesehen, parallel zur Isolierplatte 5 ist. Die Schicht, in welcher der Bereich 10AH angeordnet ist, befindet sich unterhalb der Schicht, in welcher der Bereich 12AH angeordnet ist. Daher befindet sich der Bereich 10AH näher an der Isolierplatte 5 als der Bereich 12AH. In der Ausführungsform 8 ist der Bereich 10AH als proximaler Elektrodenbereich definiert. Ebenso fällt ein Bereich (Bereich 10BH) der positiven Elektrode 10b, der parallel zur Isolierplatte 5 ist, in seiner Position mit einem Bereich (Bereich 12BH) der negativen Elektrode 12b zusammen, der, in vertikaler Richtung gesehen, parallel zur Isolierplatte 5 verläuft. Die Ebene, in welcher der Bereich 10BH angeordnet ist, befindet sich unterhalb der Ebene, in welcher der Bereich 12BH angeordnet ist. Daher liegt der Bereich 10BH näher an der Isolierplatte 5 als der Bereich 12BH. In der Ausführungsform 8 ist der Bereich 10BH als proximaler Elektrodenbereich definiert.
  • Unter Bezugnahme auf 43 ist die Gatesteuerelektrode 60 zum Steuern der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2g, 2h mit dem Gatemuster 6 verbunden. Das Gatemuster 6 ist mit den Gates der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2g, 2h über Gatesteuerleitungen 61a, 61b, 61c, 61d, 61e, 61f, 61g, 61h verbunden.
  • Weiterhin ist die Emitter-Steuerelektrode 40 zum Steuern der Halbleiterschaltelemente 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2g, 2h mit dem Emittermuster 4 verbunden.
  • Der Betrieb des in Ausführungsform 8 dargestellten Halbleitermoduls 10X beim Einschalten wird nachfolgend unter Bezug auf 45 bis 48 beschrieben. Insbesondere das Hauptmuster auf der Isolierplatte 5 und die positive Elektrode 10 und die negative Elektrode 12 sind im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie O. Das Hauptmuster auf der Isolierplatte 5 im Bereich oberhalb der Symmetrielinie O in Richtung Y-Achse und die positive Elektrode 10 und die negative Elektrode 12 sind im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie OX. Das Hauptmuster auf der Isolierplatte 5 im Bereich unterhalb der Symmetrielinie O in Richtung Y-Achse und die positive Elektrode 10 und die negative Elektrode 12 sind im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie OY. So werden die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b genauer betrachtet und beschrieben.
  • In Ausführungsform 8 kann sich die Emitterverbindung EMA, die den Emitter des Halbleiterschaltelements 2a mit der negativen Elektrode 12a verbindet, von der Emitterverbindung EMB, die den Emitter des Halbleiterschaltelements 2b mit der negativen Elektrode 12a verbindet, in der Verbindungslänge oder -breite oder in der Verbindungslänge und -breite unterscheiden. In diesem Fall kann ein Unterschied zwischen den parasitären Induktivitäten (d.h. Emitterinduktivitäten) in den Emitterverbindungen EMA und EMB für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b entstehen.
  • Wie in 45 dargestellt, besteht an den dicken Pfeilbereichen eine Pfadlängendifferenz zwischen dem Weg vom Emitter des Halbleiterschaltelements 2b zur negativen Elektrode 12a und dem Weg vom Emitter des Halbleiterschaltelements 2a zur negativen Elektrode 12a. Dementsprechend ist die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b höher als die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a. Das heißt, La < Lb ist gegeben, wobei La die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2a und Lb die Emitterinduktivität des Halbleiterschaltelements 2b bezeichnen.
  • Dann wird beim Einschalten des Halbleitermoduls 101 gleichzeitig eine gepulste Spannung an die Gates der Halbleiterschaltelemente 2a bis 2h angelegt. Dann variiert der Strom i, der von den positiven Elektroden 10a, 10b zu den negativen Elektroden 12a, 12b (im Folgenden auch als Hauptstrom bezeichnet) fließt, über die Zeit. Das heißt, die aktuelle Änderung di/dt tritt ein.
  • Bei der Stromänderung di/dt wird an der Emitterverbindung EMA für Halbleiterschaltelement 2a eine induzierte elektromotorische Kraft Va = La × di/dt erzeugt, basierend auf der Emitterinduktivität La des Halbleiterschaltelements 2a und der Stromänderung di/dt. Auch die induzierte elektromotorische Kraft Vb = Lb × di/dt wird an der Emitterverbindung EMB für das Halbleiterschaltelement 2b basierend auf der Emitterinduktivität Lb des Halbleiterschaltelements 2b und der Stromänderung di/dt erzeugt. Da La < Lb gegeben ist, ist Va < Vb gegeben. Das heißt, wenn das Emitterpotential des Halbleiterschaltelements 2a mit Vea und das Emitterpotential des Halbleiterschaltelements 2b mit Veb bezeichnet werden, ist Vea niedriger als Veb aufgrund der Differenz zwischen den induzierten elektromotorischen Kräften, die in den Emitterverbindungen EMA und EMB für die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b erzeugt werden, womit Vea < Veb erfüllt ist. Eine Differenz im Emitterpotential zwischen zwei Halbleiterschaltelementen 2a und 2b führt zu einer Differenz in den Gate-Emitterspannungen zwischen den zwei Halbleiterschaltelementen 2a und 2b und damit zu einer Ungleichheit der Ströme, die durch die parallel geschalteten Halbleiterschaltelemente 2a und 2b fließen.
  • In Anbetracht dessen ist, wie in 46 dargestellt, in der Ausführungsform 8 der Bereich 6a des Gatemusters 6, der die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b verbindet, parallel und unterhalb (in vertikaler Richtung) des Strompfads Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH angeordnet, der in der positiven Elektrode 10a enthalten ist. Die Richtung des Stroms durch den Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH (die positive Richtung in der x-Achse) ist gleich der Richtung des Stroms, die durch Bereich 6a fließt (die positive Richtung in der x-Achse).
  • Mit dem Bereich 6a des Gatemusters 6, der die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b verbindet, wird bei Verknüpfung des Bereiches 6a mit einem Magnetfluss aufgrund einer zeitlichen Änderung des Hauptstroms durch den Strompfad Xa im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a eine induzierte elektromotorische Kraft GXa im Bereich 6a erzeugt. Dann wird die induzierte elektromotorische Kraft GXa erzeugt, so dass das Potential an der Verbindungsstelle zwischen dem Bereich 6a und der Gatesteuerleitung 61b höher ist als an der Verbindungsstelle zwischen dem Bereich 6a und der Gatesteuerleitung 61a.
  • Da die Gatesteuerleitungen 61a, 61b für die Halbleiterschaltelemente 2a, 2b orthogonal zum Strompfad Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a verlaufen, wird in den Gatesteuerleitungen 61a, 61b keine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Dementsprechend haben die Gatesteuerleitungen 61a, 61b nahezu das gleiche Potenzial. Daher ist das Gate-Potenzial Vga des Halbleiterschaltelements 2a niedriger als das Gate-Potenzial Vgb des Halbleiterschaltelements 2b und damit ist Vga < Vgb erfüllt.
  • Wie in 49 dargestellt, verursacht die im Gatemuster 6a erzeugte induzierte elektromotorische Kraft GXa eine Differenz (Vgb - Vga) zwischen den Gatesteuerleitungen 61a und 61b, um die Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitterspannung durch die Emitterinduktivitätsdifferenz zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b zu verringern. Dies führt zu einer Reduzierung der Differenz (Veb - Vea) der Gate-Emitter-Spannung zwischen den Halbleiterschaltelementen 2a und 2b und damit zu einem Ausgleich der durch die Halbleiterschaltelemente 2a und 2b fließenden Ströme.
  • Die obige Beschreibung berücksichtigt die Einflüsse des Strompfads Xa des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich 10AH der positiven Elektrode 10a, nicht aber die Einflüsse des Strompfads des Hauptstroms in der negativen Elektrode 12a. Dies liegt daran, dass die obere Elektrode in vertikaler Richtung vom Gatemuster weiter entfernt ist als die untere Elektrode. Mit anderen Worten, die obere Elektrode erzeugt eine wesentlich geringere induzierte elektromotorische Kraft am Gatemuster als die untere Elektrode.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform die durch die Halbleiterschaltelemente fließenden Ströme ausgleichen und bietet so ein langlebiges, zuverlässiges Halbleitermodul. Da kein übermäßiger Strom fließt, kann auch der Energieverbrauch reduziert werden.
  • Weiterhin kann die vorliegende Ausführungsform die Wärmeentwicklung unter den Halbleiterschaltelementen ausgleichen und so eine bereichsweise hohe Wärmeentwicklung durch ein bestimmtes Halbleiterschaltelement verhindern. Dementsprechend genügt eine kleine Kühlstruktur, wodurch das Gewicht reduziert wird. Dadurch kann auch die Größe des gesamten Gerätes reduziert werden, wodurch die Größe der Gesamtanordnung reduziert wird. Ein so kleines Gerät ist umweltfreundlich, weil es bei der Entsorgung weniger Abfall produziert.
  • Ausführungsform 9
  • Die vorliegende Ausführungsform ist eine Ausführungsform, bei der eine der oben beschriebenen Halbleitervorrichtungen in den Ausführungsformen 1 bis 8 auf ein Leistungswandlergerät angewendet wird. Als Ausführungsform 9 wird im Folgenden ein Fall beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung auf einen Drehstromwechselrichter angewendet wird, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf ein bestimmtes Leistungswandlergerät beschränkt ist.
  • 50 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Leistungswandlersystems zeigt, an dem ein Leistungswandlergerät nach Ausführungsform 9 eingesetzt wird.
  • Das in 50 dargestellte Energiewandlersystem besteht aus einer Stromquelle 100, einem Leistungswandlergerät 200 und einer Last 300. Die Stromquelle 100 ist eine Gleichstromquelle zur Versorgung des Leistungswandlergeräts 200 mit Gleichstrom. Die Stromquelle 100 kann von verschiedenen Typen sein, wie z.B. einem Gleichstromsystem, einer Solarbatterie oder einer Speicherbatterie, oder sie kann aus einer Gleichrichterschaltung und einem an ein Wechselstromsystem angeschlossenen AC-DC-Wandler bestehen. Alternativ kann die Stromquelle 100 aus einem DC-DC-Wandler bestehen, um die von einem DC-System abgegebene DC-Leistung in eine vorgegebene Leistung umzuwandeln.
  • Das Leistungswandlergerät 200 ist ein dreiphasiger Wechselrichter, der zwischen die Stromquelle 100 und die Last 300 geschaltet ist. Das Leistungswandlergerät 200 wandelt die von der Stromquelle 100 gelieferte Gleichspannung in Wechselstrom um und liefert die Wechselspannung an die Last 300. Wie in 50 dargestellt, beinhaltet das Leistungswandlergerät 200 eine Hauptwandlerschaltung 201 zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und zur Ausgabe der umgewandelten Leistung, sowie eine Steuerschaltung 203 zur Ausgabe eines Steuersignals an die Hauptwandlerschaltung 201 zur Steuerung der Hauptwandlerschaltung 201.
  • Die Last 300 ist ein dreiphasiger Elektromotor, der mit dem vom Leistungswandlergerät 200 gelieferten Wechselstrom betrieben wird. Die Last 300 ist nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt, sondern kann ein Elektromotor für verschiedene Arten von elektrischen Geräten sein. Die Last 300 wird beispielsweise als Elektromotor für ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, einen Aufzug oder eine Klimaanlage verwendet.
  • Das Leistungswandlergerät 200 wird im Folgenden ausführlich beschrieben. Die Hauptwandlerschaltung 201 weist Schaltelemente und Freilaufdioden (nicht dargestellt) auf. Durch Umschalten der Schaltelemente wandelt die Hauptwandlerschaltung 201 die von der Stromquelle 100 gelieferte Gleichspannung in Wechselspannung um und liefert die Wechselspannung an die Last 300. Verschiedene spezifische Schaltungskonfigurationen der Hauptwandlerschaltung 201 sind möglich. Die Hauptwandlerschaltung 201 in der vorliegenden Ausführungsform ist eine zweistufige, dreiphasige Vollbrückenschaltung mit sechs Schaltelementen und sechs antiparallel mit den jeweiligen Schaltelementen verbundenen Freilaufdioden. Die Schaltelemente und Freilaufdioden der Hauptwandlerschaltung 201 bilden das Halbleitermodul 202 entsprechend einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. In sechs Schaltelementen ist jedes Schaltelementpaar in Reihe geschaltet und bildet so den oberen und den unteren Zweig. Die Paare von oberem und unterem Zweige bilden die Phasen (U-, V- und W-Phasen) der Vollbrückenschaltung. Die Ausgangsanschlüsse der Paare von oberem und unterem Zweig, d.h. drei Ausgangsanschlüsse der Hauptwandlerschaltung 201 sind an die Last 300 angeschlossen.
  • Die Hauptwandlerschaltung 201 weist auch eine Treiberschaltung (nicht dargestellt) zur Ansteuerung jedes Schaltelements auf. Die Treiberschaltung kann im Halbleitermodul 202 enthalten sein oder separat vom Halbleitermodul 202 bereitgestellt werden. Die Treiberschaltung erzeugt ein Treibersignal zum Ansteuern jedes Schaltelements der Hauptwandlerschaltung 201 und liefert das Treibersignal an die Steuerelektrode für das Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 201. Insbesondere gibt die Treiberschaltung an die Steuerelektrode für jedes Schaltelement ein Ansteuersignal zum Einschalten des Schaltelements und ein Ansteuersignal zum Ausschalten des Schaltelements gemäß einem Steuersignal aus der später beschriebenen Steuerschaltung 203 aus. Zum Aufrechterhalten eines Einschaltzustandes eines Schaltelements ist das Ansteuersignal ein Signal für eine Spannung gleich oder höher als die Schwellenspannung des Schaltelements (Einschaltsignal); während zum Aufrechterhalten eines Ausschaltzustandes eines Schaltelements das Antriebssignal ein Signal für eine Spannung gleich oder niedriger als die Schwellenspannung des Schaltelements (Ausschaltsignal) ist.
  • Die Steuerschaltung 203 steuert jedes Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 201 so, dass die gewünschte Leistung an die Last 300 abgegeben wird. Die Steuerschaltung 203 berechnet insbesondere die Zeit (Einschaltzeit), für die sich jedes Schaltelement der Hauptwandlerschaltung 201 in einem Einschaltzustand befinden soll, basierend auf der an die Last 300 zu liefernden Leistung. So kann beispielsweise die Steuerschaltung 203 die Hauptwandlerschaltung 201 durch eine PWM-Steuerung steuern, bei der die Einschaltzeit jedes Schaltelements entsprechend der auszugebenden Spannung moduliert wird. Die Steuerschaltung 203 gibt eine Steueranweisung an den Treiberkreis in der Hauptwandlerschaltung 201 aus, so dass ein einzuschaltendes Schaltelement ein Ein-Signal und ein auszuschaltendes Schaltelement zum entsprechenden Zeitpunkt ein Aus-Signal erhält. Gemäß diesem Steuersignal gibt die Treiberschaltung für jedes Schaltelement das Ein- oder Ausschaltsignal als Steuersignal an die Steuerelektrode aus.
  • Das Leistungswandlergerät in der vorliegenden Ausführungsform, in welchem eines der Halbleitermodule in Ausführungsformen 1 bis 8 als Schaltelemente und Freilaufdioden der Hauptwandlerschaltung 201 angewendet wird, kann das Leistungsvermögen (Zuverlässigkeit) erhöhen.
  • Obwohl die vorliegende Ausführungsform einen Fall beschreibt, in dem die vorliegende Erfindung auf einen zweistufigen Drehstromwechselrichter angewendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann auf verschiedene Leistungswandlergeräte angewendet werden. Anstelle eines zweistufigen Leistungswandlergeräts wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung auf ein dreistufiges oder mehrstufiges Leistungswandlergerät angewendet werden. Wenn die Stromversorgung einer einphasigen Last erfolgt, kann die vorliegende Erfindung auf einen einphasigen Wechselrichter angewendet werden. Wenn z.B. eine DC Last mit Strom versorgt wird, kann die vorliegende Erfindung in einem DC-DC-Wandler oder AC-DC-Wandler verwendet werden.
  • Ein Leistungswandlergerät, auf das die vorliegende Erfindung anwendbar ist, ist nicht auf einen Fall beschränkt, in dem die oben beschriebene Last ein Elektromotor ist. Es kann beispielsweise als Antrieb für eine Funkenerosionsmaschine, eine Laserstrahlmaschine, einen Induktionsherd oder ein berührungsloses Zuführsystem verwendet werden. Darüber hinaus kann es beispielsweise als Leistungskonditionierer für ein Photovoltaiksystem oder ein Stromspeichersystem verwendet werden.
  • [Gemeinsame Änderung der Ausführungsformen]
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern beinhaltet beispielsweise die folgende Variante.
  • Material des Halbleiterschaltelements
  • Das Halbleiterschaltelement kann ein Breitband-Halbleiter aus SiC (Siliziumcarbid), GaN (Galliumnitrid), C (Diamant) oder dergleichen anstelle von Si (Silizium) sein. Das Breitband-Halbleiterschaltelement, das mit einem hohen di/dt arbeiten kann, eignet sich für Hochgeschwindigkeitsschaltungen.
  • Nach dem Stand der Technik jedoch ist die durch L × di/dt gegebene induzierte elektromotorische Kraft hoch, wenn das Hochgeschwindigkeitsschalten unter Ausnutzung der Eigenschaften des Breitband-Halbleiterschaltelements erfolgt. Dies führt zu großen Schwankungen des Emitterpotentials zwischen den Halbleiterschaltelementen und damit zu großen Stromschwankungen zwischen den Halbleiterschaltelementen. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen hingegen erzeugen eine induzierte elektromotorische Kraft in mindestens einer der Gate-Verbindungen, der Emitter-Verbindungen EMA und der Emitter-Steuerverbindungen, um die Emitterpotentialdifferenz zwischen den Halbleiterschaltelementen zu reduzieren. Dadurch werden die Ströme zwischen den Halbleiterschaltelementen ausgeglichen. Dadurch können die Eigenschaften des Breitband-Halbleiterschaltelements, die eine hohe Eignung für Hochgeschwindigkeitsschaltungen aufweisen, genutzt werden.
  • Richtung des Hauptstroms und Richtung des Drahtes bei der Erzeugung von induzierter elektromotorischer Kraft
  • So ist beispielsweise die Ausführungsform 1 am effektivsten, wenn der Strompfad des Hauptstroms in der negativen Elektrode 12 parallel zur Gatesteuerleitung und in die entgegengesetzte Richtung der Gatesteuerleitung verläuft. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Es ist lediglich erforderlich, dass der Vektor des durch die Gatesteuerleitung fließenden Stroms eine Komponente beinhaltet, die parallel (nicht senkrecht) zum Strompfad des durch die negative Elektrode 12 fließenden Hauptstroms verläuft. Gleiches gilt für die anderen Ausführungsformen.
  • Es ist zu verstehen, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen in jeder Hinsicht beispielhaft und nicht als Einschränkung zu betrachten sind. Die oben genannten Ausführungsformen beschreiben den Betrieb beim Einschalten. Sie kann jedoch ebenso beim Abschalten auf den Betrieb angewendet werden, indem die Richtung des Stroms umgekehrt wird. In diesem Fall können die gleichen vorteilhaften Effekte erzielt werden. Das heißt, es können die gleichen vorteilhaften Effekte sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten erzielt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 2a, 2b, 2c, 2d
    Halbleiterschaltelement
    3a, 3b
    Kollektormuster
    4a, 4b, 9a, 9b
    Emittermuster
    5a, 5b
    Isolierplatte
    6
    Gate-Muster
    7
    Emitter-Steuermuster
    10, 10a, 10b
    positive Elektrode
    11a, 11b
    positive Elektrodenverbindung
    12, 12a, 12b
    negative Elektrode
    41a, 41b, 41c, 41d
    Emitterleitung
    61a, 61b, 61c, 61d
    Gatesteuerleitung
    60
    Gatesteuerelektrode
    63
    Ausgangselektrode
    65a, 65b
    negative Elektrodenverbindung
    69
    Grundplatte
    70
    Emitter-Steuerelektrode
    71a, 71b, 71c, 71d
    Emitter-Steuerleitung
    81
    Emitter-Steuerelektrode
    82
    Gate-Steuerelektrode
    100
    Stromquelle
    200
    Leistungswandlergerät
    201
    Hauptwandlerschaltung
    101 - 108, 202
    Halbleitermodul
    203
    Steuerschaltung
    300
    Last
    Da, Db, Dc, Dd
    Diode
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2010027710 A [0005]

Claims (19)

  1. Halbleitermodul, das Folgendes aufweist: eine Isolierplatte; eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; ein erstes Halbleiterschaltelement und ein zweites Halbleiterschaltelement, die auf der Isolierplatte vorgesehen und parallel zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet sind; eine Gatesteuerelektrode, die konfiguriert ist, um ein Gate des ersten Halbleiterschaltelements und ein Gate des zweiten Halbleiterschaltelements zu steuern; ein Gate-Muster, das mit der Gatesteuerelektrode verbunden ist; eine erste Gatesteuerleitung, die das Gate des ersten Halbleiterschaltelements mit dem Gate-Muster verbindet; eine zweite Gatesteuerleitung, die das Gate des zweiten Halbleiterschaltelements mit dem Gate-Muster verbindet; ein Emittermuster, das mit der negativen Elektrode (12) verbunden ist; eine erste Emitterleitung, die einen Emitter des ersten Halbleiterschaltelements (2a) mit dem Emittermuster verbindet; und eine zweite Emitterleitung, die einen Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements mit dem Emittermuster verbindet, eine erste Emitterverbindung, die den Emitter des ersten Halbleiterschaltelements mit der negativen Elektrode verbindet, die sich in der Länge und/oder der Breite von einer zweiten Emitterverbindung unterscheidet, die den Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements mit der negativen Elektrode verbindet, wobei zu einem Zeitpunkt des Schaltens eine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt wird, die in der ersten Gatesteuerleitung und in der zweiten Gatesteuerleitung oder im Gate-Muster oder in der ersten Emitterleitung und in der zweiten Emitterleitung durch mindestens einen Strom erzeugt wird, einen Strom, der durch die positive Elektrode fließt, und einen Strom, der durch die negative Elektrode fließt, um eine durch die Differenz verursachte Differenz zwischen einem Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements und einem Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements zu verringern.
  2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei mindestens eine, die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode einen Strompfad des Hauptstroms aufweist, der nicht senkrecht zur ersten Gatesteuerleitung und nicht senkrecht zur zweiten Gatesteuerleitung verläuft.
  3. Halbleitermodul nach Anspruch 2, wobei mindestens eine, die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode einen Strompfad des Hauptstroms parallel zur ersten Gatesteuerleitung und parallel zur zweiten Gatesteuerleitung aufweist.
  4. Halbleitermodul nach Anspruch 3, wobei beim Schalten das Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements höher ist als das Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements, wobei ein proximaler Elektrodenbereich als einer von zwei Bereichen definiert ist, je nachdem, welcher Bereich näher an der Isolierplatte angeordnet ist, wobei einer der beiden Bereiche ein Bereich der positiven Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte liegt, und der andere der beiden Bereiche ein Bereich der negativen Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte liegt, wobei die erste Gatesteuerleitung und die zweite Gatesteuerleitung parallel zum Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich liegen, wobei die Richtung des Stroms durch den Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich entgegengesetzt zur Richtung des Stroms ist, der durch die erste Gatesteuerleitung und die zweite Gatesteuerleitung fließt, und die erste Gatesteuerleitung näher am Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich angeordnet ist als die zweite Gatesteuerleitung.
  5. Halbleitermodul nach Anspruch 3, wobei beim Schalten das Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements höher ist als das Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements, wobei ein proximaler Elektrodenbereich als einer von zwei Bereichen definiert ist, je nachdem, welcher Bereich näher an der Isolierplatte angeordnet ist, wobei einer der beiden Bereiche ein Bereich der positiven Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte liegt, und der andere der beiden Bereiche ein Bereich der negativen Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte liegt, wobei die erste Gatesteuerleitung und die zweite Gatesteuerleitung parallel zum Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich liegen, wobei die Richtung des Stroms durch den Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich gleich der Richtung des Stroms ist, der durch die erste Gatesteuerleitung und die zweite Gatesteuerleitung fließt, und wobei die erste Gatesteuerleitung weiter weg vom Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich angeordnet ist, als die zweite Gatesteuerleitung.
  6. Halbleitermodul nach Anspruch 5, das ferner Folgendes aufweist: eine Emitter-Steuerelektrode, die konfiguriert ist, um den Emitter des ersten Halbleiterschaltelements und den Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements zu steuern; ein Emitter-Steuermuster, das mit der Emitter-Steuerelektrode verbunden ist; eine erste Emitter-Steuerleitung, die den Emitter des ersten Halbleiterschaltelements mit dem Emitter-Steuermuster verbindet; und eine zweite Emitter-Steuerleitung, die den Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements mit dem Emitter-Steuermuster verbindet, wobei eine induzierte elektromotorische Kraft in der ersten Emitter-Steuerleitung und in der zweiten Emitter-Steuerleitung durch mindestens einen Strom, den durch die positive Elektrode fließenden Strom und/oder den durch die negative Elektrode fließenden Strom erzeugt wird, wobei beim Schalten, wenn die Differenz zwischen dem Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements und dem Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements gleich der Differenz zwischen der an der zweiten Gatesteuerleitung erzeugten induzierten elektromotorischen Kraft und der an der ersten Gatesteuerleitung erzeugten induzierten elektromotorischen Kraft ist, der Abstand zwischen dem Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich und der ersten Emittersteuerleitung gleich dem Abstand zwischen dem Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich und der zweiten Emitterleitung ist, wobei beim Schalten, wenn die Differenz zwischen dem Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements und dem Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements größer ist als die Differenz zwischen der an der zweiten Gatesteuerleitung erzeugten induzierten elektromotorischen Kraft und der an der ersten Gatesteuerleitung erzeugten induzierten elektromotorischen Kraft, wobei der Abstand zwischen dem Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich und der ersten Emittersteuerleitung kürzer ist als der Abstand zwischen dem Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich und der zweiten Emitterleitung, und wobei beim Schalten, wenn die Differenz zwischen dem Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements und dem Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements kleiner ist als die Differenz zwischen der an der zweiten Gatesteuerleitung erzeugten induzierten elektromotorischen Kraft und der an der ersten Gatesteuerleitung erzeugten induzierten elektromotorischen Kraft, wobei der Abstand zwischen dem Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich und der ersten Emittersteuerleitung länger ist als der Abstand zwischen dem Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich und der zweiten Emittersteuerleitung.
  7. Halbleitermodul nach Anspruch 3, wobei die erste Gatesteuerleitung kürzer ist als die zweite Gatesteuerleitung.
  8. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei mindestens eine, die positive Elektrode und /oder die negative Elektrode einen Strompfad des Hauptstroms aufweist, der parallel zum Gate-Muster verläuft.
  9. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei mindestens eine, die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode einen Strompfad des Hauptstroms aufweist, der nicht senkrecht zur ersten Emitterleitung und nicht senkrecht zur zweiten Emitterleitung verläuft.
  10. Halbleitermodul nach Anspruch 8, wobei mindestens eine, die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode einen Strompfad des Hauptstroms parallel zur ersten Emitterleitung und parallel zur zweiten Emitterleitung aufweist.
  11. Halbleitermodul nach Anspruch 10, wobei beim Schalten das Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements höher ist als das Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements, wobei ein proximaler Elektrodenbereich als einer von zwei Bereichen definiert ist, je nachdem, welcher Bereich näher an der Isolierplatte angeordnet ist, wobei einer der beiden Bereiche ein Bereich der positiven Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte ist, und der andere der beiden Bereiche ein Bereich der negativen Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte liegt, wobei die erste Emitterleitung und die zweite Emitterleitung parallel zum Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich liegend, wobei die Richtung des Stroms durch den Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich entgegengesetzt zur Richtung des Stroms ist, der durch die erste Emitterleitung und die zweite Emitterleitung fließt, und wobei die erste Emitterleitung näher am Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich angeordnet ist als die zweite Emitterleitung.
  12. Halbleitermodul nach Anspruch 10, wobei beim Schalten das Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements höher ist als das Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements, wobei ein proximaler Elektrodenbereich als einer von zwei Bereichen definiert ist, je nachdem, welcher Bereich näher an der Isolierplatte angeordnet ist, wobei einer der beiden Bereiche ein Bereich der positiven Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte liegt, und der andere der beiden Bereiche ein Bereich der negativen Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte liegt, wobei die erste Emitterleitung und die zweite Emitterleitung parallel zum Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich liegen, wobei die Richtung des Stroms durch den Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich gleich der Richtung des Stroms ist, der durch die erste Emitterleitung und die zweite Emitterleitung fließt, und wobei die erste Emitterleitung weiter weg vom Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich angeordnet ist, als die zweite Emitterleitung.
  13. Halbleitermodul, das Folgendes aufweist: eine Isolierplatte; eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; ein erstes Halbleiterschaltelement und ein zweites Halbleiterschaltelement, die auf der Isolierplatte vorgesehen und parallel zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet sind; eine Gatesteuerelektrode, die konfiguriert ist, um ein Gate des ersten Halbleiterschaltelements und ein Gate des zweiten Halbleiterschaltelements zu steuern; ein Gate-Muster, das mit der Gatesteuerelektrode verbunden ist; eine erste Gatesteuerleitung, die das Gate des ersten Halbleiterschaltelements mit dem Gate-Muster verbindet; eine zweite Gatesteuerleitung, die das Gate des zweiten Halbleiterschaltelements mit dem Gate-Muster verbindet; ein Emittermuster, das mit der negativen Elektrode verbunden ist; eine erste Emitterleitung, die einen Emitter des ersten Halbleiterschaltelements mit dem Emittermuster verbindet; eine zweite Emitterleitung, die einen Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements mit dem Emittermuster verbindet; eine Emitter-Steuerelektrode, die konfiguriert ist, um den Emitter des ersten Halbleiterschaltelements und den Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements zu steuern; ein Emitter-Steuermuster, das mit der Emitter-Steuerelektrode verbunden ist; eine erste Emitter-Steuerleitung, die den Emitter des ersten Halbleiterschaltelements mit dem Emitter-Steuermuster verbindet; und eine zweite Emitter-Steuerleitung, die den Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements mit dem Emitter-Steuermuster verbindet, wobei eine erste Emitterverbindung, die den Emitter des ersten Halbleiterschaltelements mit der negativen Elektrode verbindet, die sich in der Länge und/oder der Breite von einer zweiten Emitterverbindung unterscheidet, die den Emitter des zweiten Halbleiterschaltelements mit der negativen Elektrode verbindet, wobei beim Schalten eine induzierte elektromotorische Kraft in der ersten Emitter-Steuerleitung und in der zweiten Emitter-Steuerleitung durch mindestens einen Strom, der durch die positive Elektrode fließt, und/oder einen Strom, der durch die negative Elektrode fließt, erzeugt wird, um eine Differenz zwischen einem Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements und einem Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements, das durch die Differenz verursacht wird, zu verringern.
  14. Halbleitermodul nach Anspruch 13, wobei mindestens eine Elektrode, die positive Elektrode und/oder die negativen Elektrode einen Strompfad des Hauptstroms aufweist, der nicht senkrecht zur ersten Emitter-Steuerleitung und nicht senkrecht zur zweiten Emitter-Steuerleitung verläuft.
  15. Halbleitermodul nach Anspruch 14, wobei mindestens eine Elektrode, die positive Elektrode und/oder die negative Elektrode einen Strompfad des Hauptstroms parallel zur ersten Emitter-Steuerleitung und parallel zur zweiten Emitter-Steuerleitung aufweist.
  16. Halbleitermodul nach Anspruch 15, wobei beim Schalten das Emitterpotential des ersten Halbleiterschaltelements höher ist als das Emitterpotential des zweiten Halbleiterschaltelements, wobei ein proximaler Elektrodenbereich als einer von zwei Bereichen definiert ist, je nachdem, welcher Bereich näher an der Isolierplatte angeordnet ist, wobei einer der beiden Bereiche ein Bereich der positiven Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte liegt, und der andere der beiden Bereiche ein Bereich der negativen Elektrode ist, der parallel zu der Isolierplatte liegt, wobei die erste Emitter-Steuerleitung und die zweite Emitter-Steuerleitung parallel zum Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich angeordnet sind, wobei die Richtung des Stroms durch den Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich entgegengesetzt zur Richtung des Stroms ist, der durch die erste Emitter-Steuerleitung und die zweite Emitter-Steuerleitung fließt, und wobei die erste Emitter-Steuerleitung näher am Strompfad des Hauptstroms im proximalen Elektrodenbereich angeordnet ist als die zweite Emitter-Steuerleitung.
  17. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei jedes der Halbleiterschaltelemente, das erste Halbleiterschaltelement und das zweite Halbleiterschaltelement, eine selbstverlöschende Halbleitervorrichtung aus einem Breitband-Halbleiter mit einer größeren Bandlücke als Silizium ist.
  18. Halbleitermodul nach Anspruch 17, worin der Breitband-Halbleiter einer der folgenden ist: Siliziumkarbid, Galliumnitrid und Diamant.
  19. Leistungsumwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: das Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 18; eine Hauptwandlerschaltung, die konfiguriert ist, um die eingegebene Leistung umzuwandeln und die umgewandelte Leistung auszugeben; und eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, um ein Steuersignal an die Hauptwandlerschaltung auszugeben, um die Hauptwandlerschaltung zu steuern.
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