DE60127027T2 - Halbleiterelement mit Leistungsverdrahtungsstruktur - Google Patents

Halbleiterelement mit Leistungsverdrahtungsstruktur Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Anwendungsgebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine auf einen Wechselrichter anwendbare induktivitätsarme Verdrahtungsstruktur mit Halbleiter-Schaltelementen.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Wenn zwei breite Elektroden mit einem zwischen sie gelegten Isolator aufeinander gelegt sind, und Ströme, die einander entgegengesetzt gerichtet sind, jeweils durch die Elektroden hindurch geleitet werden, heben sich die durch die Ströme um die Elektroden herum produzierten magnetischen Felder gegenseitig auf, um die Induktivität (inductance) der Elektroden zu reduzieren. Dieses Phänomen ist sehr bekannt. Basierend auf diesem Phänomen offenbart die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 6-38507 eine Technik der Aufeinanderschichtung eines Hochspannungs-Strombusses P und eines Niederspannungs-Strombusses N, um eine zweischichtige Elektrodenstruktur zu bilden, die in der Lage ist, Induktivität zu verringern.
  • Die zweischichtige Elektrodenstruktur, die Strombusse P und N umfasst, ist auf eine Wechselrichter-Baugruppe mit einer integrierten Wechselrichter-Schaltung anwendbar, um Induktivität zu reduzieren. In der Praxis leitet die zweischichtige Struktur jedoch nicht immer einander entgegengesetzte Ströme von demselben Wert durch, da die Busse P und N in der zweischichtigen Struktur einen Strom liefern müssen, der durch eine Ausgangsleitung U zu laden ist. In einer realen Wechselrichter-Baugruppe bildet ein Strom, wie in 1 gezeigt, einen Kreislauf. Die Wechselrichter-Baugruppe aus 1 umfasst zwei Phasen U und V. In jeder der U- und V-Phasen-Schaltungen sind die Busse P und N so angeordnet, dass sie sich mit einem zwischen ihnen liegenden Isolator einander gegenüberliegen. Diese Anordnung bildet einen Strompfad, der mit einer dicken, schwarzen Linie angegeben ist, und einen Kreislauf-Strompfad, der mit einer großen, gepunkteten Pfeilmarkierung, die mit C beschrieben ist, gekennzeichnet ist. Und zwar fließen einander entgegengerichtete Ströme zur Aufhebung der magnetischen Felder nur in gepunkteten Kreisbereichen A und B außerhalb der Wechselrichter-Baugruppe 1. Innerhalb der Wechselrichter-Baugruppe 1 heben sich magnetische Felder nicht gegenseitig auf. Folglich reicht das Beispiel von 1 nicht aus, den Effekt der Reduzierung von Verdrahtungs-Induktivität bereitzustellen.
  • Wenn ein Schaltelement in einem Wechselrichter ein- und ausgeschaltet wird, erzeugt es eine Stoßspannung V = –L·di/dt, die proportional zu der Induktivität L ist. Wenn die Induktivität der Verdrahtung groß ist, wird eine große Stoßspannung erzeugt, wodurch das Schaltelement zerstört wird. Um die Zerstörung von Schaltelementen zu verhindern, kann ein Überspannungs-Schutzelement (Snubber) angeordnet werden. Das Überspannungs-Schutzelement erhöht jedoch die Anzahl von Teilen, wodurch die Größe und die Kosten des Wechselrichters erhöht werden. Anstatt ein Überspannungs-Schutzelement zu verwenden, kann die Stoßspannung durch die Verlangsamung einer Schaltgeschwindigkeit unterdrückt werden. Dies jedoch behindert das Hochfrequenz-Schalten und verlängert eine Schaltzeit, wodurch der Schaltverlust und die Wärme erhöht werden. Die Wärme braucht zum Kühlen einen großen Kühler und verringert die Effizienz.
  • US 5,172,310 offenbart einen Bus mit geringer Impedanz für Leistungselektronik, der hohe Leistung übertragen kann: große Ströme von hunderten oder tausenden von Ampere und große Spannungspotenziale von hunderten oder tausenden von Volt. Insbesondere umfasst der Hochleistungs-Bus zwei leitfähige Schienen, die so angeordnet sind, dass der dort hindurchgehende Stromfluss ausgeglichen wird (gleich und einander entgegengesetzt), und das magnetische Feld im wesentlichen zwischen den Schienen eingeschlossen ist. Der Bus umfasst ein Dielektrikum, das zwischen den leitfähigen Schienen angeordnet ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der AC auf Verlängerungsschienen geführt, die sich entlang der Stromversorgungsbusse erstrecken, sodass ein Hauptbus durch die Kombination des AC-Verlängerungsbusses und des DC-Stromversorgungsbusses erzeugt wird, und die Summe der Ströme in den Schienen an allen Stellen in dem Bus ungefähr null ist.
  • EP 0427143 A2 offenbart eine Leistungshalbleiter-Baugruppe, die mindestens eine Halbbrücke enthält, wobei eine Halbbrücke erste und zweite in Reihe verbundene Halbleiterschalter, von denen jeder eine Vielzahl von parallel verbundenen ersten und zweiten Leistungstransistoren umfasst, aufweist, ein keramisches Substrat als Baugruppenbasis, auf dem sich isolierte Verbindungsleiterbahnen befinden, die in einer Metallschicht-Ebene liegen und die ein Positivpol-Gebiet, ein zentrales Anzapfgebiet und mindestens zwei Isolator-Negativpol-Gebiete umfassen, die in einer elektrisch isolierenden Weise im Inneren des zentralen Anzapfgebietes liegen, wobei in der Leistungshalbleiter-Baugruppe die ersten Transistoren auf das Positivpol-Gebiet gelötet sind, und die zweiten Transistoren auf das zentrale Anzapfgebiet, die ersten Transistoren durch Drähte mit dem zentralen Anzapfgebiet elektrisch verbunden sind, und die zweiten Transistoren durch Drähte mit den Negativpol-Gebieten elektrisch verbunden sind, drei Hauptverbindungszuleitungen pro Halbbrücke vorhanden sind, um Strom zwischen drei Hauptbaugruppeverbindungen und den Halbleiterschaltern zu übertragen, wobei jede Hauptverbindungszuleitung in jedem Fall in einer elektrisch leitenden Weise mit der zugehörigen Verbindungsleiterbahn verbunden ist, und wobei die drei Hauptverbindungszuleitungen breite Streifen in einer geringen Entfernung zueinander umfassen, um eine induktivitätsarme Anordnung zu erzielen, und wobei die Positivpol-Verbindungszuleitung in dem Bereich des Verbindungspunktes zu dem Positivpol-Gebiet mit Sicherheitsausschaltern versehen ist, und mindestens einige der Drähte über die Sicherheitsausschalter in der Positivpol-Verbindungszuleitung mit der elektrischen Verbindung zwischen den ersten Transistoren und dem zentralen Anzapfgebiet verbunden sind.
  • ZUSAMMENFASUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weitere induktivitätsarme Stromverdrahtungsstruktur zur Verfügung zu stellen.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine solche Stromverdrahtungsstruktur verwendet.
  • Um die Aufgaben zu erfüllen, sieht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 vor.
  • Die abhängigen Ansprüche 2 bis 7 definieren bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Halbleitervorrichtung, die in dem unabhängigen Anspruch 1 beansprucht ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine herkömmliche Stromverdrahtungsstruktur für einen Wechselrichter zeigt;
  • 2A bis 2C zeigen eine Stromverdrahtungsstruktur für einen Wechselrichter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei 2A ein Schaltungsdiagramm, 2B eine perspektivische Ansicht, und 2C eine Ansicht ist, die Verbindungen in der Verdrahtungsstruktur zeigt;
  • 3A und 3B zeigen eine Stromverdrahtungsstruktur für eine Wechselrichter-Baugruppe mit U-Phasen und V-Phasen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei 3A ein Schaltungsdiagramm und 3B eine Ansicht ist, die Verbindungen in der Verdrahtungsstruktur zeigt;
  • 4A–4D zeigen eine Stromverdrahtungsstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei 4A eine perspektivische Ansicht, 4B eine entlang einer Linie A-A der 4A aufgenommene Querschnittansicht, 4C eine entlang einer Linie B-B von 4A aufgenommene Querschnittansicht, und 4D eine entlang einer Linie C-C von 4 aufgenommene Querschnittansicht ist;
  • 5A–5C zeigen eine Stromverdrahtungsstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei der 5A eine perspektivische Ansicht, 5B eine entlang einer Linie A-A von 5A aufgenommene Querschnittansicht, und 5C eine entlang einer Linie B-B von 5A aufgenommene Querschnittansicht ist;
  • 6A und 6B zeigen eine Wechselrichter-Baugruppe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei 6A eine perspektivische Ansicht und 6B ein Schaltungsdiagramm ist;
  • 7A bis 7D zeigen Ströme während des Betriebs der Wechselrichter-Baugruppe der 6A und 6B, wobei 7A einen Zustand zeigt, bei dem ein Transistor 21 eines oberen Zweiges auf EIN geschaltet ist, 7B einen Zustand, bei dem der Transistor 21 auf AUS geschaltet ist, und wobei ein Strom durch eine Freilaufdiode 26 eines unteren Zweiges zirkuliert, 7C einen Zustand, bei dem ein Transistor 25 des unteren Zweiges auf EIN geschaltet ist, und 7 einen Zustand, bei dem der Transistor 25 auf AUS geschaltet ist und ein Strom durch eine Freilaufdiode 22 des oberen Zweiges zirkuliert;
  • 8A und 8B sind Querschnittansichten, die andere Anordnungen der Transistoren und Freilaufdioden von 6A zeigen; und
  • 9A und 9B sind perspektivische Ansichten, die andere Anordnungen der oberen und unteren Zweige von 6A zeigen.
  • BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
  • Es werden Stromverdrahtungsstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erklärt. Die Verdrahtungsstrukturen sind in der Lage Verdrahtungsinduktivität wirksam zu verringern. Selbst beim Hochgeschwindigkeits-Schalten verursachen die Verdrahtungsstrukturen keine Stoßspannung, die Schaltelemente zerstören könnte. Die Verdrahtungsstrukturen benötigen daher keine Überspannungs-Schutzelemente, wodurch die Größe und Kosten von Geräten, auf die die Verdrahtungsstrukturen angewandt sind, verringert werden. Die Verdrahtungsstrukturen gewährleisten Hochgeschwindigkeits-Schalten, unterdrücken Schaltverluste, minimieren die Erwärmung von Elementen und erhöhen die Effizienz. Wenn sie auf die interne Verdrahtung von Wechselrichter-Baugruppen angewandt sind, verringern die Verdrahtungsstrukturen wirksam die Induktivität der internen Verdrahtung.
  • 2A bis 2C zeigen eine Stromverdrahtungsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei 2A ein Schaltungsdiagramm, 2B eine perspektivische Ansicht und 2C eine Ansicht ist, die Verbindungen in der Verdrahtungsstruktur zeigt.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist die Verdrahtungsstruktur auf einen Einphasen-Wechselrichter angewandt, der zwei in Reihe verbundene Schaltelemente enthält. Die Verdrahtungsstruktur erfasst die Wechselrichter-Baugruppe 1, die Last 2, eine Stromquelle 3, die Schaltelemente 4 und 5 und die Glättungskondensatoren 6 und 7. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Schaltelemente 4 und 5 Transistoren. Die Schaltelemente können Thyristoren oder jegliche andere Schaltvorrichtungen sein. Jedes der Schaltelemente 4 und 5 ist mit einer Freilaufdiode parallel verbunden.
  • In 2A sind Drähte zur Verbindung der Komponenten 2 bis 7 mit Induktivitäts-Symbolen (Spulen) dargestellt. Die Drähte umfassen einen Hochspannungsbus P, einen Niederspannungsbus N und eine Ausgabeleitung U, Die Busse P und N und Leitung U sind in der Reihenfolge P, U und N übereinander geschichtet, um eine dreischichtige Struktur zu bilden, wobei jede Zwischenschicht als eine dünne Isolierungsschicht G dazwischen gelegt ist. Jede der Leitungen P, N und U ist eine breite Elektrode, wobei deren Breite größer ist als deren Dicke. Und zwar haben die Dicke d und Breite W jeder Elektrodenschicht die Beziehung d/W < 1. Zwischen benachbarten Schichten ist ein Isolator G dazwischen gelegt. Mit der dreischichtigen Struktur mit hinzugefügten Isolierungsschichten heben sich die magnetischen Felder, die um die Schichten herum durch Ströme erzeugt werden, die in entgegengesetzter Richtung durch die Schichten hindurchgeführt werden, gegenseitig auf. Die Elektroden sind nahe aneinander geschichtet, um ein Gebiet zu minimieren, in dem sich magnetische Felder nicht gegenseitig aufheben, wodurch der magnetische Fluss, der durch Ströme erzeugt wird, und elektromagnetische Wellen, die durch Änderungen des magnetischen Flusses erzeugt werden, minimiert werden.
  • Das Ausführungsbeispiel behält die Mehrschichtstruktur so nahe wie möglich bis an die Verbindungen oder Anschlusspunkte der Struktur bei, wie in 2C gezeigt.
  • Die Schaltelemente 4 und 5 werden entgegengesetzt ein- und ausgeschaltet. Zum Beispiel ist, wenn das Schaltelement 4 auf EIN geschaltet ist, das Schaltelement 5 auf AUS geschaltet. Wenn das Schaltelement 4 auf EIN geschaltet ist, fließt ein Strom über einen Pfad, der in 2A mit einer dicken schwarzen Linie gekennzeichnet ist, die durch einen positiven Anschlusspunkt der Stromquelle 3, das Schaltelement 4, die Last 2, den Glättungskondensator 7 und einen negativen Anschlusspunkt der Stromquelle 3 in dieser Reihenfolge führt. In jedem der gestrichelten Kreisgebiete A, B, C, D führt die Mehrschichtstruktur des Ausführungsbeispiels auf dem Strompfad entgegengesetzte Ströme hindurch, um Magnetfelder, die um die Elektrodenschichten herum erzeugt werden, aufzuheben. Wenn das Schaltelement 4 auf AUS geschaltet ist, ist das Schaltelement 5 auf EIN geschaltet, um einen Strom durch einen Pfad hindurch zuführen, der durch den positiven Anschlusspunkt der Stromquelle 3, den Glättungskondensator 6, die Last 2, das Schaltelement 5 und den negativen Anschlusspunkt der Stromquelle 3 führt. Auch in diesem Fall führt die Mehrschichtstruktur entlang des Strompfades entgegengesetzte Ströme, um um die Elektrodenschichten herum erzeugte magnetische Felder aufzuheben. Diese Anordnung verringert sowohl die Induktivität wie auch die elektromagnetischen Wellen stark.
  • 3A und 3B zeigen eine Stromverdrahtungsstruktur für eine Wechselrichter-Baugruppe mit U- und V-Phasen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei 3A ein Schaltungsdiagramm und 3B eine Ansicht ist, die Verbindungen in der Verdrahtungsstruktur zeigt. Die Wechselrichter-Baugruppe 1 weist Schaltblöcke 14 und 15 auf, von denen jeder zwei Schaltelemente umfasst, von denen jedes einen Transistor und eine Diode enthält, die miteinander parallel verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind U- und V-Phasen-Leitungen breite Elektroden, die sandwichartig zwischen Bussen P und N angeordnet sind, die auch breite Elektroden sind. Wie das Ausführungsbeispiel von 2A bis 2C, führt das Ausführungsbeispiel der 3A entgegengesetzte Ströme durch jeden Teil der Verdrahtungsstruktur, um magnetische Felder aufzuheben, wodurch die Induktivität stark verringert wird. Die Anzahl von Elektrodenschichten in der Verdrahtungsstruktur kann drei oder mehr sein.
  • Das obige Ausführungsbeispiel verbindet Einphasen-Wechselrichter, wobei jeder eine dreischichtige, breite, zueinander parallele Elektrodenstruktur verwendet, um eine Mehrschicht-Wechselrichter-Baugruppe zu bilden. Die vorliegende Erfindung ist auch auf interne Elektroden anwendbar, die direkt mit Schaltelementen verbunden sind. In diesem Falle sind Elektroden Phase um Phase in der mehrschichtigen, breiten Elektrodenstruktur der 2B gebildet, um die Induktivität und elektromagnetische Wellen zu verringern.
  • 4A bis 4D zeigen eine Stromverdrahtungsstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei 4A eine perspektivische Ansicht, 4B eine entlang Linie A-A die 4A aufgenommene Querschnittansicht, 4C eine entlang der Linie B-B der 4A aufgenommene Querschnittansicht, und 4D eine entlang der Linie C-C der 4A aufgenommene Querschnittansicht ist. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich insbesondere auf die Ausgangszuleitungen der Verdrahtungsstruktur.
  • Die Verdrahtungsstruktur der 4A bis 4D ist auf einen Wechselrichter mit U-, V- und W-Phasen anwendbar. In
  • 4A ist jede der U-, V- und W-Phasen-Ausgangsleitungen zwischen Strombussen P und N sandwichartig angeordnet, wobei eine Isolierungsschicht zwischen dem nebeneinander liegenden Bus und der Ausgangsleitung gelegt ist. In 4B sind die U-, V- und W-Phasen-Ausgangsleitungen Seite an Seite angeordnet. In 4C sind die U- und W-Phasen-Ausgangsleitungen gekrümmt und auf und unter der V-Phasen-Ausgangsleitung zusammengeführt. In 4D sind die U-, V- und W-Phasen-Ausgangsleitungen aufeinander gelegt, um Ausgangszuleitungen zu bilden. Auf diese Weise sind die U-, V- und W-Phasen-Ausgangsleitungen aufeinander gelegt, grade nachdem sie zwischen den Bussen P und N herausgeführt sind. Die Dicke der dreischichtigen, breiten Elektrodenstruktur ist im wesentlichen gleich der Dicke von drei Elektrodenplatten, wobei die Dicke auch die der zwischengelegten dünnen Isolierungsschichten umfasst. Diese dreischichtige Struktur ist einfach und ist leicht herzustellen. Die aufeinander geschichteten U-, V- und W-Phasen-Ausgangsleitungen sind, wie in den 4C und 4D gezeigt, gegeneinander isoliert.
  • An den Stellen, wo die U-, V- und W-Phasen-Ausgangsleitungen zwischen den Bussen P und N herausgeführt sind, werden sie vereinzelt, um die Induktivität nicht zu verringern. Um solche Stellen herum gibt es keinen Strom, der einem Strom entgegengesetzt ist, der durch die Busse P und N fließt, wenn angenommen wird, dass ein Strom entlang der Mittelachse einer jeden Verdrahtungselektrode fließt. Das liegt daran, dass die Mittelachsen der U-, V- und W-Phasen-Ausgangsleitungen um solche Stellen herum mit Abstand zueinander angeordnet sind. Demzufolge ist die Induktivität der Busse P und N an den Stellen nicht verringert.
  • Dieses Problem wird durch eine Verdrahtungsstruktur der 5A und 5B gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gelöst, wobei 5A eine perspektivische Ansicht, 5B eine entlang einer Linie A-A der 5A aufgenommene Querschnittansicht, und 5C eine entlang einer Linie B-B der 5A aufgenommene Querschnittansicht ist.
  • In 5B sind U- und W-Phasen-Ausgangsleitungen auf jeder Seite einer V-Phasen-Ausgangsleitung auf und unter die V-Phasen-Ausgangsleitungen zwischen Busse P und N gelegt, wobei sich eine Isolierungsschicht zwischen einzelnen der nebeneinander liegenden Leitungen befindet. Dia geschichteten U-, V- und W-Phasen-Ausgangsleitungen werden zwischen den Bussen P und N herausgeführt. Diese Anordnung bildet keine vereinzelten Ausgangsleitungen und verringert somit sicher die Induktivität der Ausgangsleitungen. Zusätzlich schichtet diese Anordnung die U-, V- und W-Phasen-Ausgangsleitungen eine auf der anderen zwischen den Bussen P und N, um entgegengesetzte Ströme zwischen den Bussen P und N und den Ausgangsleitungen an einer Stelle hindurch zu führen, wo die Ausgangsleitungen zwischen den Bussen P und N herausgeführt werden, wodurch die Induktivität der Busse P und N an der Stelle wirksam reduziert wird.
  • Eine interne Struktur einer Wechselrichter-Baugruppe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 6A und 6B erklärt, wobei 6A eine perspektivische Ansicht und 6B ein Schaltungsdiagramm ist. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem Einphasen-Wechselrichter-Ausführungsbeispiel der 2.
  • In den 6A und 6B bilden ein isolierendes Substrat 20, ein Schalttransistor 21, eine Freilaufdiode 22 und ein leitfähiger Film 23 zum Verbinden einer Signalleitung für das Gate des Transistors 21 ein Schaltelement (entsprechend dem Schaltelement 4 der 2A) auf einem oberen Zweig. Ähnlich bilden ein isolierendes Substrat 24, ein Transistor 25, eine Freilaufdiode 26 und ein leitfähiger Film 27 ein Schaltelement (entsprechend dem Schaltelement 5 der 2A) auf einem unteren Zweig. Die Schaltelemente auf den oberen und unteren Zweigen sind auf jeder Seite einer dreischichtigen, breiten Elektrodenstruktur 29 angeordnet. Die Transistoren 21 und 25 und Freilaufdioden 22 und 26 sind jeweils auf leitfähigen Filmen 28 gebildet, wobei unten befindliche Elektroden dieser Elemente 21, 25, 22 und 26 jeweils mit den leitfähigen Filmen verbunden sind. Oben befindliche Elektroden der Elemente 21, 25, 22 und 26 sind mit der Elektrodenstruktur 29 über Verbindungsdrähte 30 verbunden. Ähnlich sind die leitfähigen Filme 28 mit der Elektrodenstruktur 29 durch Verbindungsdrähte 30 verbunden. In den 6A und 6B ist die Hochspannungsseite, d.h. die unten befindliche Elektrode des oberen Zweiges mit einer Elektrode P der Elektrodenstruktur 29 durch die Verbindungsdrähte verbunden, die Niederspannungsseite, d.h. die oben befindliche Elektrode des oberen Zweiges ist mit einer Elektrode U der Elektrodenstruktur 29 verbunden, die Hochspannungsseite des unteren Zweiges ist mit der Elektrode U verbunden, und die Niederspannungsseite des unteren Zweiges ist mit einer Elektrode N der Elektrodenstruktur 29 verbunden.
  • Wenn die Transistoren und die Freilaufdioden Seite an Seite auf jeder Seite der dreischichtigen, breiten Elektrodenstruktur 29, wie in 6A und 6B gezeigt, angeordnet sind, müssen die leitfähigen Filme für den Transistor und die Freilaufdiode auf jedem isolierenden Substrat (20, 24) voneinander getrennt sein, und müssen getrennt mit der Elektrodenstruktur 29 durch Verbindungsdrähte verbunden sein. Der Transistor 21 und die Freilaufdiode 22 des oberen Zweiges liegen der Freilaufdiode 26 und dem Transistor 25 des unteren Zweiges gegenüber, wobei die Elektrodenstruktur 29 zwischen ihnen liegt.
  • Eingangs- und Ausgangsströme, die durch die Transistoren und Freilaufdioden fließen, sind entgegengesetzt orientiert, um die Induktivität zu verringern. Die Transistoren und Freilaufdioden der oberen und unteren Zweige liegen einander gegenüber, sodass, sobald ein Transistor sich ausschaltet, ein transienter, induzierter Strom durch die gegenüberliegende Freilaufdiode zirkuliert. Diese Anordnung verkürzt die Drahtlängen, um die Induktivität zu verringern.
  • 7A bis 7D zeigen Stromflüsse während des Betriebs der Wechselrichter-Baugruppe der 6A und 6B. In jeder der 7A bis 7D ist eine linke Hälfte ein Schaltungsdiagramm und eine rechte Hälfte eine Querschnittansicht. 7A zeigt einen Zustand, bei dem der Transistor 21 des oberen Zweiges auf EIN geschaltet ist, 7B einen Zustand, bei dem der Transistor 21 auf AUS geschaltet ist, um transienten, indizierten Strom durch die Freilaufdiode 26 des unteren Zweiges hindurchzuführen, 7C einen Zustand, bei dem der Transistor 25 des unteren Zweiges auf EIN geschaltet ist, und 7D einen Zustand, bei dem der Transistor 25 auf AUS geschaltet ist, um einen transienten Strom durch die Freilaufdiode 22 des oberen Zweiges hindurch zu führen.
  • In den 7A bis 7D fließen Eingangs- und Ausgangsströme entgegengesetzt durch die dreischichtige, breite Elektrodenstruktur 29 und Verbindungsdrähte 30, wie mit Pfeilmarkierungen angezeigt, um wirksam magnetische Felder aufzuheben, wodurch Induktivität und elektromagnetische Wellen stark verringert werden.
  • 8A und 8B sind Querschnittansichten, die verschiedene Anordnungen der Transistoren und Freilaufdioden der Wechselrichter-Baugruppe der 6A zeigen. In 8A sind die Freilaufdioden 22 und 26 nahe an der dreischichtigen, breiten Elektrodenstruktur 29 auf jeder Seite der Elektrodenstruktur 29 angeordnet, und die Transistoren 21 und 25 sind jeweils auf den äußeren Seiten der Freilaufdioden 22 und 26 angeordnet. Und zwar sind die Freilaufdioden und Transistoren auf jeder Seite der Elektrodenstruktur 29 entlang einer Linie angeordnet, die orthogonal zu der Längsachse der Elektrodenstruktur 29 ist. In diesem Fall dient ein Metallfilm 32 auf einem isolierenden Substrat 31 dem Transistor 21 und der Freilaufdiode 22 dazu, wie auch ein Metallfilm 33 auf dem isolierenden Substrat 31 dem Transistor 25 und der Freilaufdiode 26 dazu dient, Verbindungsdrähte zu der Elektrodenstruktur 29 gemeinsam zu nutzen. Dies vereinfacht die Herstellung der Wechselrichter-Baugruppe. Die Transistoren und Freilaufdioden auf den oberen und unteren Zweigen liegen einander gegenüber, um die Induktivität, wie die Ausführungsbeispiele der 6A und 6B, zu verringern.
  • In 8B ist die dreischichtige, breite Elektrodenstruktur 29 geneigt, um die Höhen von Verbindungspunkten zwischen den oberen und unteren Zweigen anzugleichen. Diese Anordnung gleicht Verdrahtungslängen zwischen den oberen und unteren Zweigen an, um die Induktivität zwischen ihnen anzugleichen. Dies gleicht Stoßspannungen zwischen den oberen und unteren Zweigen an und bringt elektrische Charakteristiken zwischen ihnen ins Gleichgewicht. In 8B sind die Transistoren und Freilaufdioden grob dargestellt. Sie können wie in 8A oder 6A angeordnet sein.
  • 9A und 9B sind perspektivische Ansichten, die andere Anordnungen der oberen und unteren Zweige aus 6A zeigen. Die oberen und unteren Zweige sind Seite an Seite auf einer Seite der dreischichtigen, breiten Elektrodenstruktur 29 angeordnet. In 9A sind die Transistoren und Freilaufdioden im Wesentlichen parallel mit der Länge der Elektrodenstruktur 29 angeordnet, wie in 6A. In 9B sind die Freilaufdioden und Transistoren entlang von Linien angeordnet, die orthogonal zu der Länge der Elektrodenstruktur 29 sind, wie in 8A.
  • Die Ausführungsbeispiele der 9A und 9B ordnen die Halbleiterelemente zusammen an, um deren Herstellung einfacher zu machen. Wie das Ausführungsbeispiel der 6A verkürzt das Ausführungsbeispiel der 9A die Transistorenverdrahtung, um die Induktivität zu verringern. Wie das Ausführungsbeispiel der 8A nutzt das Ausführungsbeispiel der 9B Verbindungsdrähte für leitfähige Filme auf jedem Substrat gemeinsam, um die Herstellung der Wechselrichter-Baugruppe einfacher zu machen.
  • Obwohl einige oben aufgeführte Ausführungsbeispiele gesonderte isolierende Substrate für obere und untere Zweige verwenden, kann jedes der Ausführungsbeispiele ein gemeinsames isolierendes Substrat für obere und untere Zweige verwenden.

Claims (7)

  1. Halbleiter-Vorrichtung, umfassend: eine Stromverdrahtungsstruktur, die eine erste Stromleitung, die mit einer Hochspannungs-Stromquelle verbunden ist, eine zweite Stromleitung, die mit einer Niederspannungs-Stromquelle verbunden ist, und eine Ausgangsleitung aufweist, wobei jede dieser Leitungen eine breite Elektrode ist, deren Breite größer ist als deren Dicke, d.h. die Dicke d und die Breite W jeder Elektrode hat das Verhältnis von d/W < 1, und die in der Reihenfolge der ersten Stromleitung, der Ausgangsleitung und der zweiten Stromleitung übereinander gelegt sind, wobei ein Isolator zwischen die nebeneinander liegenden der schichtenförmig aufgebauten Leitungen gelegt ist; eine erste leitfähige Schicht, die auf einem ersten isolierenden Substrat gebildet ist; einen ersten Halbleiter-Chip, der auf der ersten leitfähigen Schicht gebildet ist, der ein Schaltelement umfasst und eine unten befindliche Elektrode aufweist, die mit der ersten leitfähigen Schicht elektrisch verbunden ist; eine zweite leitfähige Schicht, die auf einem zweiten isolierenden Substrat gebildet ist; einen zweiten Halbleiter-Chip, der auf der zweiten leitfähigen Schicht gebildet ist, der ein Schaltelement umfasst und eine unten befindliche Elektrode aufweist, die mit der zweiten leitfähigen Schicht elektrisch verbunden ist; einen ersten Verbindungsdraht zur elektrischen Verbindung der ersten leitfähigen Schicht mit der ersten Stromleitung; einen zweiten Verbindungsdraht zur elektrischen Verbindung einer oben befindlichen Elektrode des ersten Halbleiter-Chips mit der Ausgangsleitung; einen dritten Verbindungsdraht zur elektrischen Verbindung einer oben befindlichen Elektrode des zweiten Halbleiter-Chips mit der zweiten Stromleitung; und einen vierten Verbindungsdraht zur elektrischen Verbindung der zweiten leitfähigen Schicht mit der Ausgangsleitung, wobei sich die ersten und zweiten Verbindungsdrähte und die dritten und vierten Verbindungsdrähte jeweils in derselben Richtung erstrecken, sodass die Magnetfelder, die durch die durch die Verdrahtung fließenden Ströme erzeugt sind, aufgehoben werden.
  2. Halbleiter-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ersten und zweiten isolierenden Substrate auf zwei Seiten der Stromverdrahtungsstruktur angeordnet sind.
  3. Halbleiter-Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Stromverdrahtungsstruktur geneigt ist, um im wesentlichen die Höhen der Verdrahtungsverbindungspunkte der Stromverdrahtungsstruktur anzugleichen, an denen der erste Verbindungsdraht mit der ersten Stromleitung verbunden ist, und an denen der vierte Verbindungsdraht mit der Ausgangsleitung verbunden ist, und um die Höhen der Verdrahtungsverbindungspunkte der Stromverdrahtungsstruktur anzugleichen, an denen der zweite Verbindungsdraht mit der Ausgangsleitung verbunden ist, und an denen der dritte Verbindungsdraht mit der zweiten Stromleitung zwischen den ersten und zweiten isolierenden Substraten verbunden ist.
  4. Halbleiter-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ersten und zweiten isolierenden Substrate Seite an Seite auf einer Seite der Stromverdrahtungsstruktur entlang der Längenorientierung der Stromverdrahtungsstruktur angeordnet sind.
  5. Halbleiter-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: jeder der Halbleiter-Chips ein Schaltelement und eine Freilaufdiode aufweist; das Schaltelement und die Freilaufdiode Seite an Seite entlang der Längenorientierung der Stromverdrahtungsstruktur angeordnet sind; und die leitfähige Schicht für jeden Halbleiter-Chip in zwei Teile aufgeteilt ist, einen für eine unten befindliche Elektrode des Schaltelements und einen anderen für eine unten befindliche Elektrode der Freilaufdiode.
  6. Halbleiter-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: jeder der Halbleiter-Chips ein Schaltelement und eine Freilaufdiode aufweist; und das Schaltelement und die Freilaufdiode entlang einer Linie angeordnet sind, die orthogonal zu der Längenorientierung der Stromverdrahtungsstruktur ist.
  7. Halbleiter-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten und zweiten isolierenden Substrate in einem gemeinsamen Substrat integriert sind.
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