DE69027821T2 - Zusammengesetzte Halbleiter-Anordnung für Überstrom-Detektion - Google Patents
Zusammengesetzte Halbleiter-Anordnung für Überstrom-DetektionInfo
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Description
- Die vorliegende Übersetzung bezieht sich auf eine Verbundhalbleitervorrichtung zusammengesetzte Halbleitervorrichtung, welche eine Überstromerfassungsfunktion hat, und welche umfaßt: ein isolierendes Substrat mit einer ersten leitfähigen Schicht und einer zweiten leitfähigen Schicht darauf; ein Halbleiterelement mit Hauptelektroden zum Hindurchlassen eines Hauptstroms und welches auf der zweiten leitfähigen Schicht über eine der Hauptelektroden montiert ist; ein erster externer Anschluß, welcher elektrisch mit einem Ende der ersten leitfähigen Schicht verbunden ist; einen zweiten externen Anschluß; eine elektrische Verbindung, welche mit der anderen der Hauptelektroden verbunden ist; und einen Strompfad, welcher die Hauptelektroden, die elektrische Verbindung und die ersten und zweiten leitfähigen Schichten beinhaltet, welcher in Reihe zwischen den ersten und zweiten externen Anschlüssen angeschlossen ist.
- Eine solche Vorrichtung wird in EP-A-0 088 312 besprochen. EP-A-0 300 635 offenbart eine Stromerfassungsvorrichtung, welche ein magnetostriktives Element in einer Ebene verwendet, welche zwischen zwei Zweige einer U-förmigen leitfähigen Schicht in zwei weiteren Ebenen sandwichartig eingeschlossen ist.
- EP-A-0 278 432 beschreibt eine Invertierschaltung, welche Freilaufdioden verwendet.
- IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) sind als Hochleistungs-Halbleiterbauelemente in Verbundhalbleitervorrichtungen, welche eine Funktion zur Überstromerfassung haben, verwendet worden. Figur 5A ist eine Perspektivansicht (der harzversiegelte Abschnitt wurde weggelassen), welche die interne Struktur eines IGBTs zeigt, Figur 5B ist eine Ansicht, welche das Aussehen des IGBTs zeigt und Figur 5C ist eine Ansicht, welche ein Äquivalentschaltbild zeigt. Wie in Figur 5A gezeigt, wird in dem IGBT ein isolierendes Substrat 1 verwendet, welches leitfähige Schichten 2, 3 und 4 verwendet, wie Kupferfolien, die auf einem Keramiksubstrat vorgesehen sind. Ein Halbleiterbauelementchip (IGBT) 5 hat eine Kollektorelektrode (Hauptelektrode) auf einer Hauptfläche (untere Fläche) und eine Emitterelektrode (Hauptelektrode) 6 und eine Gate- Elektrode 7 auf der anderen Hauptfläche (obere Fläche). Die Kollektorelektrode des Halbleiterelementes 5 ist auf der leitfähigen Schicht 2 durch Löten oder dergleichen montiert, und die leitfähigen Schichten 3 und 4 sind elektrisch mit der Gate-Elektrode 7 und der Emitterelektrode 6 durch einen Metalldraht oder dergleichen verbunden. Die leitfähigen Schichten 2, 3 und 4 sind jeweils mit externen Anschlüssen 8, 9 und 10 eines Kollektors (C), eines Gates (G), und eines Emitters (E) verbunden. Das oben beschriebene Halbleiterelement wird schließlich harzvergossen und hat das in Figur 5B gezeigte Aussehen.
- In dem Fall des Hochleistungs-Halbleiterbauelements ist zur Verhinderung eines durch Überstrom verursachten Durchbruchs des Halbleiterbauelementes, ein Widerstand 11 zur Erfassung eines Stroms in Reihe mit dem Strompfad verbunden, wie in Figur 6A gezeigt, oder ein Stromtransformator 12 ist mit der Hauptstromleitung verbunden, wie in Figur 68 gezeigt, wodurch eine Stromerfassung durchgeführt wird. Informationen über den Überstromdurchgang werden dann aus der Stromerfassung erhalten. Die Information wird von Anschlüssen T1 und T2 oder T3 und T4 weggeführt, und wird zu einer Antriebsschaltung des Halbleiterbauelementes zur Verminderung des Überstroms zurückgekoppelt.
- Bei der Stromerfassung unter Verwendung des in 6A gezeigten Widerstandes tritt jedoch ein Leistungsverlust aufgrund des Produktes der über den Widerstand abfallenden Spannung und des hindurchfließenden Stromes auf, sogar in einem stationären Belastungszustand. Da der Leistungsverlust in Übereinstimmung mit einer Zunahme des stationären Stromwertes zunimmt, wird die Leistungseffizienz in einem Halbleiterbauelement, welches einen hohen Strom verwendet, vermindert. Zusätzlich, da ein hoher zulässiger Verlust erforderlich ist, wird die Größe des Widerstandes groß. Daher wird die Stromerfassung unter Verwendung eines Widerstandes im allgemeinen nicht in Bauelementen verwendet, welche einen hohen Strom benutzen.
- Ferner kann bei der Stromerfassung unter Verwendung des in Figur 6B gezeigten Stromtransformators ein hoher Strom erfaßt werden, da der Leistungsverlust im Gegensatz zu dem den Widerstand verwendenden Verfahren nicht auftritt. Jedoch kann bei diesem Verfahren ein theoretisch perfekter Gleichstrom (di/dt = 0) nicht erfaßt werden. Ferner, wenn ein Pulsstrom mit einer relativ langen Pulsbreite durch den Stromtransformator zur Erfassung des Hochstromes fließt, muß ein Stromtransformator verwendet werden, welcher relativ groß ist.
- Wie oben beschrieben, ist es schwer den Stromdetektor, wie eine Stromtransformator, Widerstand, usw. in das Halbleiterbauelement einzubeziehen. Wenn das Hochleistungs- Halbleiterbauelement praktisch eingesetzt wird, muß ein Stromtransformator den Hochleitstungs-Halbleiterbauelemente in dem Fall hinzugefügt werden, in welchem der Strom groß ist, und ein Widerstand muß ebenfalls dem Leistungshalbleiterbauelement in dem Fall eines vergleichsweise niedrigen Stromes hinzugefügt werden. Jedenfalls ist die Handhabung des Widerstandes oder Strorntransformators sehr kompliziert. Eine Stromerfassungsfunktion hat die oben beschriebenen Nachteile.
- Eine allgemein verwendete Verbundhalbleitervorrichtung mit einer Überstromerfassungsfunktion wird in Figur 7A gezeigt.
- Die gleichen Bezugsziffern in Figur 7A bezeichnen gleiche oder entsprechende Teile wie in den Figuren 5A bis 5C. Ein in Figur 7A gezeigtes Halbleiterelement 25 hat eine Stromerfassungselektrode 26, welche mit einem externen Anschluß 28 zur Stromerfassung (Es) durch sowohl einen Metalldraht als auch eine leitfähige Schicht 27 verbunden ist. In der Verbundhalbleitervorrichtung kann durch den externen Stromerfassungsanschluß ein Strom leicht erfaßt werden. Figur 7B zeigt ein Äquivalentschaltbild der Verbundhalbleitervorrichtung.
- In der oben beschriebenen Halbleitervorrichtung tritt die erfaßte Ausgabe zwischen dem externen Stromerfassungsanschluß 28 (oder Es) und einem externen Emitteranschluß 10 (oder E) auf. Wenn daher eine Vielzahl von in Reihe verbundenen Halbleiterelementen verwendet werden (gewöhnlich Inverter für Drei-Phasen-Motorantriebe oder dergleichen), sind die elektrischen Potentiale der Erdanschlüsse (Emitter E) für die Stromerfassungsausgaben in den Halbleiterelementen verschieden voneinander, so daß der Entwurf der Rückkoppelschaltung unerwünschterweise kompliziert wird. Wenn die Halbleitervorrichtung, welche die oben beschriebene Stromerfassungsfunktion hat, verwendet wird, muß ein Halbleiterelement neu entworfen und entwickelt werden. Zusätzlich wird in dem entwickelten Halbleiterelement die Fläche des aktiven Gebietes vermindert aufgrund der Elektrodenfläche, welche für die Stromerfassungsausgabe vorgesehen ist. Wenn gleich gewählte Stromwerte erhalten werden sollen, wird die Chipgröße des Halbleiterelementes groß und erhöht somit die Chipkosten.
- Wie oben beschrieben, ist es wichtig zu verhindern, daß ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Hochleistungs- Halbleiterbauelement, durch einen Überstrom durchbricht. Aus diesem Grund sind verschiedene Überstrom- Erfassungsvorrichtungen vorgeschlagen worden. Wenn der Stromerfassungswiderstand oder der Stromtransformator in Reihe mit dem Hauptstrompfad des Halbleiterelements verbunden wird, muß er extern dem Halbleiterelement hinzugefügt werden, da diese Teile relativ groß sind. In dem Widerstand tritt der Leistungsverlust auf, und der Stromtransformator ist für die Gleichstromerfassung nicht geeignet. Daher sind diese Vorrichtungen funktionell ungünstig. In der Halbleitervorrichtung mit Stromerfassungsfunktion kann das Problem vermindert werden. Wenn jedoch eine Vielzahl von Halbleiterelementen in Reihen- oder Parallelverbindungen verwendet werden, wie sie in Invertern zum Antrieb von Drei- Phasen-Motoren benutzt werden, können oft unter den Ausgabeanschlußpaaren für erfaßte Signale der jeweiligen Elemente keine gemeinsamen Potentialanschlüsse nicht vorgesehen werden, und der Entwurf der Rückkoppelschaltung wird kompliziert. Zusätzlich, wenn eine Stromerfassungsfunktion dem Halbleiterelement hinzugefügt wird, wird die Chipgröße ungünstig erhöht.
- Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbündhalbleitervorrichtung zu schaffen, welche eine Stromerfassungsvorrichtung enthält, die einen niedrigen Leistungsverlust und eine exzellente Erfassungscharakteristik aufweist.
- Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbundhalbleitervorrichtung zu schaffen, welche eine Stromerfassungsvorrichtung enthält, die elektrisch von den Elektrodenanschlüssen eines Halbleiterelementes isoliert ist.
- Gemäß der Erfindung ist die eingangs definierte Verbundhalbleitervorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die erste leitfähige Schicht einen U-förrnigen Abschnitt auf dem isolierenden Substrat hat, um so ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn der Hauptstrom dort und durch das Halbleiterelement hindurchfließt, daß ein Strorndetektor auf dem isolierenden Substrat und zwischen den Armen des U-förmigen Abschnittes auf solch eine Weise angeordnet ist, daß das Magnetfeld erfaßbar ist, und daß einer der Enden der zweiten leitfähigen Schicht elektrisch mit dem zweiten externen Anschluß verbunden ist oder die zweite leitfähige Schicht eine Fortsetzung der ersten leitfähigen Schicht bildet.
- Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese realisiert werden kann, wird nun beispielhaft Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen:
- Figur 1A eine Perspektivansicht ist, welche eine Verbundhalbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
- Figur 1B ist eine Perspektivansicht, welche ein Verhältnis zwischen einem Strom und einem Magnetfeld der Verbundhalbleitervorrichtung in Figur 1A zeigt;
- Figur 2 ist eine Perspektivansicht, welche eine Verbundhalbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
- Figur 3 ist eine Perspektivansicht, welche ein Verhältnis zwischen einem Strom und einem Magnetfeld der Verbundhalbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
- Figur 4 ist eine Perspektivansicht, welche eine Verbundhalbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
- Figur 5A ist eine Perspektivansicht, welche eine Anordnung eines konventionellen Halbleiterelementes, durch welches ein Hauptstrom fließt;
- Figur 5B ist eine Perspektivansicht, welche das Aussehen des Halbleiterelements der Figur 5A zeigt;
- Figur 5C zeigt ein Äquivalentschaltbild des Halbleiterelementes der Figur 5A;
- Figuren 6A und 6B sind Schaltungen zur Erklärung der Stromerfassung in konventionellen Verbundhalbleitervorrichtungen;
- Figur 7A ist eine Perspektivansicht, welche eine Anordnung einer konventionellen Verbundhalbleitervorrichtung mit einer Stromerfassungsfunktion zeigt; und
- Figur 7B ist ein Äquivalentschaltbild der Verbundhalbleitervorrichtung der Figur 7A.
- Eine Verbundhalbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Figur 1A beschrieben.
- Unter Bezugnahme auf Figur 1A wird als ein Halbleiterelement durch welches ein Hauptstrom fließt, ein chipartiger IGBT 102 verwendet. Der IGBT 102 ist auf einem isolierenden Substrat 101 montiert, welches eine leitfähige Schicht 103 enthält, die auf einem Keramiksubstrat vorgesehen ist, welches beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid besteht. Die untere Fläche des IGBT ist eine Kollektorelektrode und auf der leitfähigen Schicht 103 gelötet. Ein externer Kollektoranschluß 104 ist auf der leitfähigen Schicht 103 gelötet. Eine Gate-Elektrode 105, und eine Emitterelektrode 106, welche als Hauptelektrode dient, sind auf der oberen Fläche des Halbleiterelementes 102 vorgesehen, und ein Metalldraht ist durch Ultraschall-Bondung oder dergleichen auf diese Elektroden gebondet und jeweils mit den leitfähigen Schichten 107 und 108 verbunden. Ein externer Gateanschluß 109 und ein externer Emitteranschluß 110 sind jeweils auf die leitfähigen Schichten 107 und 108 gelötet. Die leitfähige Schicht 108 ist als Muster so ausgelegt, daß eine U-förmige Konfiguration geschaffen wird, wie in Figur 1A gezeigt, und ein Hall-Sensor 111, eines magneto-elektrischen Transducers ist auf einem Isolator auf dem Substrat 101 innerhalb des U-förmigen Abschnittes fixiert. Der Hall-Sensor 111 umfaßt ein Paar von Steuerstrom- Eingabezuführungen und ein Paar von Hall-Spannung- Ausgabezuführungen. Das Paar von Steuerstrom- Eingabezuführungen ist mit den leitfähigen Schichten 112 und 113 verbunden, und externe Steuerstrom-Eingabeanschlüsse 116 und 117 sind jeweils auf den leitfähigen Schichten 112 und 113 gelötet. Das Paar von Hall-Spannung-Ausgabezuführungen ist mit den leitfähigen Schichten 114 und 115 verbunden, und externe Spannungsausgangszuführungen, d.h. externe Stromerfassungsignal-Ausgabeanschlüsse 118 und 119 sind auf den leitfähigen Schichten 114 und 115 gelötet. Schließlich wird das Substrat, außer einem Teil jedes externen Anschlusses, harzvergossen, um so eine Verbundhalbleitervorrichtung zu erhalten. In der obigen Ausführung werden der Metalldraht und die leitfähige Schicht 108 als die leitfähige Schicht zur Verbindung der Hauptelektrode des Halbleiterelementes mit dem externen Hauptstromanschluß mit dem Emitter verbunden, und die leitfähige Schicht 103 wird mit dem Kollektor verbunden.
- Gemäß der obigen Anordnung, wie in Figur 1B gezeigt, wenn ein Strom zwischen dem externen Kollektoranschluß 104 und dem externen Emitteranschluß 110 in Richtung eines durchgezogenen Pfeiles 120 fließt, wird ein durch eine gestrichelte Linie 121 angedeutetes Magnetfeld um die leitfähige Schicht 108 gemäß Ampere's Korkenzieher-Regel erzeugt. Da die leitfähige Schicht 102 die U-förmige Konfiguration hat, wird ein Magnetfluß, welcher vertikal durch die Substratoberfläche tritt innerhalb des U-förmigen Abschnittes konzentriert. Eine Markierung X in Figur 1B zeigt, daß ein Magnetfluß B von der oberen Fläche zur unteren Fläche der Zeichnung gerichtet ist. Der Hall-Sensor ist innerhalb des U-förmigen Abschnittes angeordnet, welcher eine hohe magnetische Flußdichte hat, und eine Spannung proportional zum Magnetfeld, d.h. zur Stärke des zwischen dem Kollektor und dem Ernitter fließenden Hauptstroms, liegt zwischen den externen Hall-Spannung- Ausgabeanschlüssen 118 und 119 an. Man beachte, daß ein Steuerstrom mit mehreren mA zwischen den externen Steuerstrom-Eingabezufühgrungen 116 und 117 des Hall-Sensors zugeführt wird.
- Wie oben beschrieben, da der durch das Halbleiterelement fließende Strom in der Verbundhalbleitervorrichtung erfaßt wird, muß kein Widerstand, Stromtransformator oder dergleichen speziell zur Stromerfassung der Halbleitervorrichtung hinzugefügt werden. Daher ist die Verbundhalbleitervorrichtung leicht in der Handhabung.
- Zusätzlich, da das Magnetfeld, welches durch den durch die leitfähige Schicht des Halbleiterelementes fließenden Hauptstrom erzeugt wird, effektiv zur Durchführung der Stromerfassung ausgenutzt wird, tritt fast kein Leistungsverlust aufgrund der Stromerfassung auf. Die Stromerfassung kann beim Betrieb des Halbleiterelementes bei allen Frequenzbändern einschließlich eines Gleichstromes durchgeführt werden, und die Stromerfassungssignal- Ausgabeanschlüsse sind elektrisch von den Elektroden des Halbleiterelementes isoliert. Aus diesem Grund kann die Rückkoppelschaltung oder dergleichen leicht entworfen werden.
- Obwohl der Hauptstrom in der obigen ersten Ausführung durch das von der leitfähigen Emitterschicht des Halbleiterelementes erzeugte Magnetfeld erfaßt wird, kann der Strom von einer leitfähigen Schicht auf der Kollektorseite gemäß der zweiten Ausführung auf die gleiche Weise wie oben beschrieben erfaßt werden, wie in Figur 2 gezeigt. Man beachte, daß die gleichen Bezugsziffern in Figur 2 die gleichen oder entsprechende Teile wie in den Figuren 1A und 1B bezeichnen. Die Kollektorelektrode der unteren Fläche des Halbleiterelementes 102 ist durch Löten oder dergleichen auf einer leitfähigen Schicht 203 fixiert, welche einen U- förmigen Abschnitt 208 einschließt. Ein magneto-elektrischer Transducer 211 ist innerhalb des U-förmigen Abschnittes angeordnet.
- Der Hauptstrom kann durch eine Summe der von einer leitfähigen Schicht auf der Emitterseite und einer leitfähigen Schicht auf der Kollektorseite erzeugten Magnetfelder erfaßt werden. Gemäß der dritten Ausführung, wie in Figur 3 gezeigt, ist ein magneto-elektrischer Transducer innerhalb eines U-förmigen Abschnittes angeordnet, welcher von einem Teil 304 einer leitfähigen Schicht 303 einer Kollektorseite und einer leitfähigen Schicht 308 einer Emitterseite umgeben ist. Zur einfacheren Veranschaulichung, obwohl der magneto-elektronische Transducer nicht abgebildet ist, ist es wünschenswert einen Zwischenebenen-Isolator an einem Schnittpunkt zwischen den Eingabe/Ausgabe-Zuführungen des Transducers und einer leitfähigen Schicht vorzusehen.
- In der obigen Ausführung, obwohl ein Teil der leitfähigen Schicht zum U-förmigen Abschnitt gebildet ist, kann er zirkular sein und eine geschwungene Spule kann durch die leitfähige Schicht gebildet werden. Wenn eine parasitäre Reaktanz, welche nicht vernachlässigt werden kann, dem Hauptstrompfad in Übereinstimmung mit einer Anzahl der Windungen der Spule hinzugefügt wird, kann die Schaltcharakteristik vermindert werden. Daher muß die Erhöhung der Anzahl von Windungen sorgfältig abgewägt werden.
- Obwohl in den obigen Ausführungen das von der leitfähigen Schicht erzeugte Magnetfeld verwendet wird, kann ein von einem Teil des externen Anschlusses erzeugtes Magnetfeld oder ein Magnetfeld, welches durch den Metalldraht erzeugt wird, durch welchen der Haüptstrom fließt, verwendet werden. Der Hall-Sensor muß jedoch geeignet plaziert sein.
- In den obigen Ausführungen, obwohl der Hall-Sensor als der magneto-elektrische Transducer zur Stromerfassung verwendet wird, kann ein Hall-IC mit einem Verstärker verwendet werden. In diesem Fall kann ein relativ niedriger Strom mit hoher Genauigkeit erfaßt werden. Als magneto-elektrischer Transducer kann ein magneto-resistives Element oder dergleichen verwendet werden. In diesem Fall, obwohl die Linearität des Ausgabesignals des magneto-elektrischen Transducers bezüglich des Hauptstroms des Halbleiterelements erniedrigt ist, besteht kein Problem solange der Hauptstrom und das Ausgabesignal sich Eins-zu-Eins entsprechen.
- Obwohl in den obigen Ausführungen ein IGBT als Halbleiterelement verwendet wird, können auch andere Hochleistungs-Halbleiterbauelemente verwendet werden.
- Obwohl in den obigen Ausführungen ein Halbleiterelement (außer für den magneto-elektrischen Transducer) in der Verbundhalbleitervorrichtung enthalten ist, kann, wie in der vierten Ausführung gezeigt, eine Vielzahl von Halbleiterelementen, wie Freilaufdioden in der Verbundhalbleitervorrichtung enthalten sein. Diese Ausführung wird in Figur 4 gezeigt. Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, bezeichnet die Bezugsziffer 408 eine leitfähige Schicht zur Erzeugung eines Magnetfeldes, und die Bezugsziffer 320 bezeichnet eine Freilaufdiode. In diesem Fall, wenn eine induktive Last angeschlossen wird, wird ein Magnetfeld, welches durch einen durch die Diode fließenden Strom erzeugt wird, nicht von dem Hall-Sensor erfaßt.
- Die Halbleitervorrichtung beinhaltet sogenannte Leistungsmodule, welche eine Vielzahl von Leistungsbauelementen enthalten, die zusammen mit anderen elektrischen Teilen in einer Verpackung angeordnet sind, und wird auch mit harz-vergossenen Halbleiterstukturen zu tun haben, welche ein Leistungsbauelement einschließen, das einen Zuführungsrahmen als Substrat verwendet, und ein magnetoelektrisches Element.
- Obwohl in den obigen Ausführungen das chipartige Element als Halbleiterelement verwendet wird, ist das Halbleiterelement nicht hierauf beschränkt. Es können beispielsweise harzvergossene Halbleiterbauelemente mit freiliegenden äußeren Zuführungen verwendet werden.
- Wie oben beschrieben, wird gemäß der hier beschriebenen Verbundhalbleitervorrichtung, das von dem durch die leitfähige Schicht in der Vorrichtung fließenden Strom erzeugte Magnetfeld von dem eingebauten magneto-elektrischen Transducer erfaßt, und die Überstromsteuerung dann durch von dem Transducer ausgegebenen Erfassungssignal durchgeführt werden. Daher ist die externe Hinzufügung von Teilen zur Stromerfassung, wie Widerständen, Stromtransformatoren, usw. nicht erforderlich, und das von dem Hauptstrom erzeugte Magnetfeld kann effektiv ausgenutzt werden. Daher wird der Leistungsverlust aufgrund der Stromerfassung sehr klein, und die Erfassungscharakteristik wird in allen Frequenzenbändern, einschließlich für Gleichstrom, sehr gut sein. Zusätzlich, da die Erfassungssignal-Ausgabeanschlüsse elektrisch von den Elektrodenanschlüssen des Halbleiterelementes isoliert sind, werden die Ausgabeanschlüsse der Vorrichtungen für die Stromerfassung gemeinsam geerdet, wenn eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen in einer Reihenschaltung miteinander verwendet werden, was den Entwurf der Rückkoppelschaltung erleichtert.
- Die Hauptelektrode des Halbleiterelementes ist eine Elektrode durch welche ein gesteuerter Laststrom fließt. Beispielsweise sind in einer Diode oder in einem allgemeinen Thyristor die Anoden- und Kathodenelektroden Hauptelektroden. In einem Bipolartransistor oder IGBT sind die Kollektor- und Emitter- Elektroden Hauptelektroden, und in einem MOS-FET oder dergleichen sind die Drain- und Source-Elektroden Hauptelektroden.
- Eine leitfähige Schicht zu der Verbindung der Hauptelektrode des Halbleiterelementes mit dem externen Hauptstromanschluß bildet eine Strompfad für den Hauptstrom. Mit dem durch die leitfähige Schicht fließenden Hauptstrom wird um die leitfähige Schicht ein zur Größe des Hauptstroms proportionales Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld wird unter Verwendung eines magneto-elektrischen Transducers, wie einem Halleffekt-Element, magneto-resistiven Element, usw., erfaßt, welches ein magnetisches Signal in eine elektrisches Signal wandelt. Das bedeutet, daß die zur Größe des Hauptstromes proportionale Magnetfeldstärke durch den magneto-elektrischen Transducer in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, und dieses elektrische Signal erscheint zwischen einem Paar von Signalausgabeanschlüssen des Transducers.
- Vorzugsweise hat die leitfähige Schicht einen U-förmigen Abschnitt, welcher den dem Hauptstrom entsprechenden Magnetfluß zentriert, und der magneto-elektrische Transducer befindet sich im Zentrum der U-förmigen leitfähigen Schicht.
- Wenn die Antriebsschaltung für das Halbleiterelement nicht in dem Halbleiterbauelement enthalten ist, müssen externe Anschlüsse zur Zuführung des elektrischen Signals des magneto-elektrischen Transducers in dem Halbleiterbauelement angeordnet sein.
- Das elektrische Signal, welches von dem magneto-elektrischen Transducer geliefert wird, wird an die Antriebsschaltung des Halbleiterbauelementes zurückgekoppelt. Wenn der Hauptstrom einen vorbestimmten Stromwert erreicht, welcher nicht zum Durchbruch des Halbleiterelementes führt, kurz bevor der Hauptstrom den Überstromwert erreicht, welcher zum Durchbruch führen kann, wird das erfaßte elektrische Signal des magnetoelektrischen Transducers an die Antriebsschaltung zurückgekoppelt, wodurch eine Zunahme des Hauptstromes unterdrückt wird bzw. der Hauptstrom unterbrochen wird. Somit kann der unerwünschte Durchbruch des Halbleiterbauelementes verhindert werden.
- Ferner versteht der Fachmann, daß die vorhergehende Beschreibung sich auf bevorzugte Ausführungen der offenbarten Vorrichtung bezieht, und daß verschiedene Anderungen und Abwandlungen der Erfindung durchgeführt werden können, ohne sich dabei aus dem in den Ansprüchen definierten Schutzumfang zu entfernen.
Claims (10)
1. Verbundhalbleitervorrichtung mit einer
Überstromerfassungsfunktion, welche umfaßt: ein
isolierendes Substrat (101) mit einer ersten leitfähigen
Schicht (108, 208,308 oder 408) und einer zweiten
leitfähigen Schicht (103,203,303 oder 403) darauf ein
Halbleiterelement (102), welches Hauptelektroden zum
Hindurchlassen eines Hauptstromes hat und welches auf
der zweiten leitfähigen Schicht (103,203,303 oder 403)
über eine der Hauptelektroden montiert ist; einen ersten
externen Anschluß (110,104), der elektrisch mit einem
Ende der ersten leitfähigen Schicht (108,208,308 oder
408) verbunden ist; einen zweiten externen Anschluß
(104,110); eine elektrische Verbindung, die mit der
anderen (106) der Hauptelektroden verbunden ist; und
einen Strompfad, der die Hauptelektroden, die
elektrische Verbindung und die ersten und zweiten
leitfähigen Schichten einschließt,. welcher in Reihe
zwischen dem ersten und zweiten externen Anschluß
(104,110) angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste leitfähige Schicht (108,208,308 oder 408)
einen U-förmigen Abschnitt auf dem isolierenden Substrat
(101) hat, um so ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn der
Hauptstrom dort und durch das Halbleiterelement (102)
hindurchfließt, daß ein Stromdetektor (11 oder 211) auf
dem isolierenden Substrat und zwischen den Armen des U-
förmigen Abschnittes auf solch eine Weise angeordnet
ist, daß das Magnetfeld erfassbar ist, und daß eines der
Enden der zweiten leitfähigen Schicht (103,303,403)
elektrisch verbunden ist mit dem zweiten externen
Anschluß (104) oder die zweite leitfähige Schicht (203)
eine Fortsetzung der ersten leitfähigen Schicht (208)
bildet.
2. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das
isolierende Substrat (101) aus einem Keramiksubstrat
besteht.
3. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das
Halbleiterelement (102) eine Diode, ein Thyristor, ein
Leistungstransistor, ein IGBT oder ein MOS-FET ist.
4. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der
Stromdetektor (111 oder 211) eine magneto-elektrischen
Transducer umfaßt, wie ein Hall-Effekt-Element oder ein
magnetoresistives Element.
5. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die
erste leitfähige Schicht (208) als eine Fortsetzung der
zweiten leitfähigen Schicht (203) ausgebildet ist, und
die andere (106) der Hauptelektroden über die
elektrische Verbindung mit dem zweiten externen Anschluß
(110) verbunden ist.
6. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der
Stromdetektor (111 oder 211) von dem U-förmigen
Abschnitt der ersten leitfähigen Schicht (308) und eines
Teils (304) der zweiten leitfähigen Schicht (303)
umgeben ist, durch welche der Hauptstrom fließt, zur
Erfassung der Summe der von dem U-förmigen Abschnitt der
ersten leitfähigen Schicht (308) und des Teils (304) der
zweiten leitfähigen Schicht erzeugten Magnetfelder,
wobei die andere (106) der Hauptelektroden über die
elektrische Verbindung mit dem anderen Ende der ersten
leitfähigen Schicht (308) verbunden ist, und der zweite
externe Anschluß (104) elektrisch mit dem einen Ende der
zweiten leitfähigen Schicht (303) verbunden ist.
7. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine
Gate-Elektrode des Halbleiterelementes (102) elektrisch
verbunden ist mit einem Ende einer weiteren leitfähigen
Schicht (107), welche an ihrem anderen Ende eine
weiteren externen Anschluß (109) hat.
8. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die
Zuführungen des Stromdetektors (111 oder 211) elektrisch
mit den externen Anschlüssen (116 bis 119) durch auf dem
Keramiksubstrat (101) vorgesehene leitfähige Schichten
(112 bis 115) verbunden sind.
9. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 wobei die
Vorrichtung mit einem Harzmaterial so vergossen wird,
daß ein Teil der jeweiligen externen Anschlüsse
(104,109,110,116,117,118,199) freiliegt.
10. Verbundhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 wobei eine
Freilaufdiode (320) so auf der zweiten leitfähigen
Schicht (403) montiert ist, um parallel mit dem
Hauptstrompfad des Halbleiterelements (102) verbunden zu
sein.
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