JPH06188411A - カットオフ可能な高出力半導体素子 - Google Patents
カットオフ可能な高出力半導体素子Info
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Abstract
インダクタンスが低いゲート・ユニット用の連結が可能
であるように高出力半導体素子を改良する。 【構成】 GTO型のようなカットオフ可能な高出力半
導体素子(1)において、半導体基板(2)が、環状の
絶縁ハウジング(10)内の、圧接可能な円板形の陰極
接点(4)と、これも圧接可能な円板形の陽極接点
(5)との間に配設され、陰極接点側でゲート接点
(7、21)と接触せしめられ、陰極接点(4)が第1
カバー(11a)を介して絶縁ハウジング(10)の一
端と連結され、陽極接点(5)が第2カバー(11b)
を介して絶縁ハウジング(10)の他端と連結されて外
部に対して密閉された素子(1)を構成する。ゲート接
点(7)には外部に案内されたゲート導線を経てゲート
電流を印加することが可能である。ゲート導線(8)は
軸対称に構成され、陰極接点(4)と同心に配設され
る。ゲート導線(8)は単一の絶縁体によって陰極接点
から電気的に絶縁される。
Description
縁ハウジング内で圧接可能な円板形の陰極接点と圧接可
能な円板形の陽極接点との間に配設され、陰極接点側で
ゲート接点と接触せしめられ、陰極接点が第1カバーを
介して絶縁ハウジングの一端と連結され、陽極接点が第
2カバーを介して絶縁ハウジングの他端と連結されて外
部に対して密閉された素子を構成し、ゲート接点には外
部に案内されたゲート導線を経てゲート電流を印加する
ことが可能になった、円板形の半導体基板を有する、た
とえばGTOの形式のカットオフ可能な高出力半導体素
子に関する。
0159797号(図7)から公知である。高出力電子
工学の分野では、たとえばコンバータや駆動回路の分野
において、電気的出力をますます効率よく変換するため
に、より高性能で、より迅速にカットオフ可能な素子の
開発が行われている。このような素子には例えば公知の
GTO,IGBT又はフィールド制御サイリスタ(FC
Th)もしくは静的誘導サイリスタ(SITh)があ
る。その場合、GTOの制御が特に困難であるが、その
理由はこの素子ではスイッチのオン・オフが不均一であ
ることにより臨界状態が生ずることにあり、これは従来
の技術では通常は高価な特別の配線、いわゆる“スナッ
バ”によって回避しなければならない。しかし、このよ
うな“スナッバ”は別の回路が必要なだけではなく、大
きいスペースを必要とし、それに付随して効率損が生ず
る。そのために最近になって、所定の素子を特別設計の
ゲート・ユニットで“厳密に”制御すること、すなわち
スイッチのオン・オフ用に極めて険しく、高いゲート・
パスルを供給することによってGTOの配線上のコスト
を節減する方法が提案されている(EP−A1−048
9945号)。この提案の目的は、GTO自体やハウジ
ングをできるだけ修正せずに済ませることにあったの
で、冒頭に記載した文献に記載されているような従来技
術の市販の素子にも利用できるものである。
改良が既に達成できるものの、特に素子自体の内部構造
の改良が可能になるならば特に有利である。この点に関
しては、特にGTOとそのゲート・ユニットとの結合イ
ンダクタンスが重要であり、例えば絶縁ハウジングによ
るゲート導線の従来の引き出し方法に起因して結合イン
ダクタンスが高い場合、“厳密な”制御を決定的に妨
げ、コストが高いゲート・ユニットが必要になる。従っ
てゲート・ユニットを簡略化し、且つ容積と消費電流を
節減するために、GTOとゲート・ユニットとの間の結
合インダクタンスを従来の約30nHから2nH以下ま
で決定的に低減することが追求される。特にFCThの
場合であるが、GTOの場合も結合インダクタンスを低
減するための解決方法が既に提案されており、この提案
はゲート・ユニットの最も重要な部品を素子のハウジン
グ内に直接組み込むものである(EP−A1−0328
778号又はEP−A1−0381849号を参照)。
このような設計によって結合インダクタンスは極めて低
下するものの、開発と製造のコストが高くなるばかりで
はなく、下記のような一連の欠点を伴う。 −高温度でも必要なキャパシタンス値と、必要な信頼性
が得られる適宜のパルス・コンデンサを活用し難いこ
と。 −素子内の接触の確実性に欠けること。 −主回路からの励起を防護するために制御回路を遮蔽す
る必要があること。 −GTOを使用する際にカットオフ回路の他に更に(場
合によってはハウジング内の)カットイン回路と、ゲー
ト電流を継続的にオン状態に励起するための保持回路と
を接続しなければならず、その場合、保持回路には電流
が必要であるので、ハウジング内にはほとんどスペース
がないこと、である。
・ユニットの一部を依然としてGTOハウジングの外部
に配設しなければならない。
は、従来の素子の変更を最小限に抑えつつ、所望どおり
に結合インダクタンスが低いゲート・ユニット用の連結
が可能であるように高出力半導体素子を改良し、“厳密
な”制御という公知の利点を放棄することなく、ゲート
・ユニットに公知の態様で既に実証済の素子(MOSF
ET及びコンデンサ)を装備できるようにするととも
に、従来どおりに保守その他のためにアクセス可能とす
ることにある。
た種類の素子において、(a)ゲート導線を軸対称に構
成し、陰極接点と同心に配設するとともに、(b)ゲー
ト導線を単一の絶縁体によって陰極接点から電気的に絶
縁したことによって解決される。本発明の核心は、ゲー
ト接点とゲート導線の構成と配置を変更し、特にゲート
導線を陰極接点のより近傍に配することによって、ゲー
ト陰極回路内の個々の素子の幾何的な構成に起因するル
ープ・インダクタンスを低減することにある。この解決
方法は特にGTOに適しているが、例えばFCThIG
BT又はSIThのような別のカットオフ可能な高出力
半導体素子にも利点をもたらすものである。本発明の素
子の第1の実施例は、ゲート接点を環状に形成するとと
もに、ゲート導線をも環状に形成し、素子から引き出し
たことを特徴としている。このような構成によって、ル
ープ・インダクタンスを大幅に低減しつつ、ゲート電流
の良好且つ均一な配電が達成される。
極接点を間隔を隔てて同心に囲み、ゲート導線を陰極接
点と絶縁ハウジングとの間で素子から引き出し、ゲート
導線がゲート接点を第1カバーと直接連結する。また、
第1カバーを双方の間に位置させ、陰極接点を同心に囲
む絶縁リングによって陰極接点から電気的に絶縁する。
この構成によって、絶縁ハウジング及び陰極接点、ひい
ては素子を、クランプ技術において公知の“プレス・パ
ック”ハウジング状態に維持することができ、かつ陰極
接点と絶縁ハウジングとの間にあるスペースを最適に活
用することができる。他の好ましい態様においては、ゲ
ート接続と陰極接続とを行うために、両側に金属化層を
被覆した絶縁フォイルから成る帯状導体を設け、帯状導
体の第2金属化層が素子側を向くようにして、帯状導体
により素子の陰極側を覆い、帯状導体の陰極接点の領域
で、第1金属化層が陰極接点と直接接触し、陰極接続を
形成するように絶縁フォイルと第2金属化層との間隔を
隔て、第2金属化層が第1カバーと直接電気的に連結さ
れ、ゲート接続を形成する。帯状導体による上記の種類
の外部接続は特にインダクタンスが低く、素子の内部構
造と組合わせて、全インダクタンスが低いことによる
“厳密な”制御に特に適した構造が達成される。
接点とゲート導線を環状に形成して素子から引き出し、
ゲート接点が陰極接点を間隔を隔てて同心に囲むように
配置する。また、絶縁ハウジングを上部ハウジングと下
部ハウジングとに区分し、ゲート導線を上部と下部のハ
ウジングとの間で素子から引き出す。この実施例は、素
子の陰極側を完全に不変のままでループインダクタンス
を低下させるとができるという利点を有している。その
他の実施例は従属クレームに記載のとおりである。次に
本発明を図面を参照した実施例に基づいて詳細に説明す
る。
を示す。素子1は、ハウジングに関して、従来技術の説
明で既に記載した“プレス・パック”ハウジングとして
公知である多くの特徴を有している。素子の中心部の部
品は、公知である両側から圧接可能な種々の(丸い)円
板の積層体である。(個々の円板は明解にするために図
面では陰影線を付していない。)積層体は中心部に半導
体基板2を有する。この基板2は通常は銅製であり、素
子の本来の能動部分(GTOの場合は例えば個別サイリ
スタ、周囲を囲むゲート金属化層、ショート等)を含ん
でいる。絶縁耐性を高めるため、半導体基板は縁部に受
動部分を備えている。半導体基板2の陰極側は円板形の
陰極接点4と接触せしめられ、陽極側はこれも円形の陽
極接点5と接触せしめられる。双方の接点とも通常は銅
製である。陰極接点4を介して陽極接続Kが行われ、陽
極接点5を介して陽極接続Aが行われる。交番負荷の状
態を改善するため、半導体基板2と接点4及び5との間
に珪素と銅との熱膨張率の差を補償するモリブデン製の
円板3a、3bを備えることができる。その場合、半導
体基板はモリブデン製の円板3a、3bと接合するか、
又は円板の間に圧力だけで保持する(いわゆる“自由浮
動シリコン技術”又は“直接圧着”)。
層体は、環状の絶縁ハウジング10内に同心に配設され
る。この絶縁ハウジングはセラミック製であり、絶縁耐
性を高めるために外側に周囲溝を設けてある。絶縁ハウ
ジング10は、両端にそれぞれフランジ12a、12b
を備えており、これらのフランジは金属薄板リングとし
て形成され、金属−セラミック連結によってハウジング
のセラミックと連結されている。フランジ12a、12
bにはこれも環状の、金属薄板から成る第1と第2のカ
バー11a、11bが接合(はんだ付け、溶接)されて
いる。第2カバー11bは陽極側の内縁部で陽極接点5
と連結され、ハウジングの陽極側で陽極接点と共に密閉
された(気密の)、僅かに縦に偏向可能であるハウジン
グ端部を形成する。従って陽極側の構造は公知の“プレ
ス・パック”ハウジングと同一である。これに対して陰
極側の構造は従来のハウジングとは異なっている。第1
カバー11aは、その外縁部に第1フランジ12aが連
続的に形成されてはいるが、その内縁部は陰極接点4ま
では達していず、内縁部に絶縁リング9が設けられる。
絶縁リング9は、好ましくはセラミック製であり、陰極
接点4と第1フランジ11aとの間に同心に配置され
る。絶縁リング9自体は金属薄板製の別の連結リング1
7によって陰極接点4と連結されている。このようにし
て絶縁リング9と、第1カバー11aと、第1フランジ
12aとが陰極側の密閉されたハウジング端部を形成す
る。
点4から電気的に絶縁する。それによって、第1カバー
11aをゲート接続Gとして利用することが可能にな
る。そのために、半導体基板2は、陰極接点4ないし第
1モリブデン円板3aを同心に囲む環状のゲート接点7
を経たゲートへのアクセスが可能であるように設計され
ている。ゲート接点7は、これも環状のゲート導線8を
介して第1カバー11aと導電的に連結されている。ゲ
ート導線8は好ましくは金属薄板から形成され、陰極接
点4と平行に、且つできるだけ該接点の近傍で上方に案
内され、その部位で(例えば常温溶接によって)第1カ
バー11aの内側と連結されている。ゲート接点7は圧
接接点であることが好ましいので、ゲート接点7に必要
な押圧力を付与するためにゲート導線8はばね付勢して
ある。図1から明らかであるように、このようなインダ
クタンスが低い導線の構成では実質上外側には露出され
ないので(第1カバー11aに陰極接点4と同じ電位が
印加されるのではなく、独自のゲート接続Gを形成する
ことを例外として)、ハウジングの構造と寸法は実質的
に不変のままに維持することができる。さて、本発明の
実施例において、ハウジングの縁部、すなわち特に第1
カバー11aを溶接が可能であるように構成すると、素
子の陰極側をインダクタンスが著しく低い帯状導体15
に直接接続することができる(図2)。このような帯状
導体15は、充分に厚い絶縁フォイル18、特に両側に
好ましくは銅製の金属化層16aないし16bを備えた
ポリイミド製の絶縁フォイルから成っている。帯状導体
15は素子1の陰極側の全面を覆い、従って陰極接点4
と、陰極接点4を(矢印方向に)押圧する陰極積層14
との間に位置している。陰極接点4の領域での絶縁フォ
イル18に関連する困難を回避するため、この領域では
絶縁フォイルと第2金属化層16bとの間隔を隔ててあ
る。このように、第1の(上部の)金属化層16aだけ
が陰極接点4と陰極積層14との間に位置し、陰極接続
Kとして利用される。第2の(下部の)金属化層16b
は溶接連結13を介して第1カバー11aと導電的に連
結され、ゲート接続Gとして利用される。
成と、帯状導体の導入という双方の手段によって、イン
ダクタンスが極めて低い素子1と付随するゲート・ユニ
ットとの連結が可能となるので、大幅に低い配線コスト
で“厳密な”制御を実現することができる。第2の好ま
しい実施例を図3に示してある。この実施例の素子は図
1の素子と類似しているが、従来の“プレス・パック”
ハウジングの更に少ない変更で実施できる点が異なって
いる。ゲート接点7はこの場合も環状に形成され、陰極
接点4を同心に囲んでいる。環状のゲート導線8は、こ
の場合は絶縁ハウジング10と陰極接点4との間で素子
1から引き出されるのではなく、絶縁ハウジング10の
側方から引き出される。そのために絶縁ハウジング10
は上部と下部の(環状の)ハウジング部10a及び10
bに区分され、双方の間にゲート導線8が位置してい
る。ゲート導線8とハウジング部分10a、10bとの
間に必要な密閉された連結は例えば金属・セラミックの
直接的な連結によって、又は、フランジ12a及び12
bと類似した両側のフランジを設けることによって達成
可能である。そこでゲート接続Gは(従来の素子の場合
と同様に)側方から行うことができる。
合もゲート接点7は環状に形成されているが、図1及び
図3の場合よりも直径が縮小されている。このような公
知の種類のゲート接続方式によって、ゲート電流は均一
に半導体基板2の全体に配分された基本サイリスタへと
導通することができる。ゲート接点7はその上に位置す
る、環状のゲート導線8と、これに接続した接続リング
20とによって陰極接点4を介して陰極側から電気的に
アクセスされる。ゲート接点7と、ゲート導線8と接続
リング20とから成る環状構造は陰極接点4内の環状ス
リットに絶縁されて受容される。この環状スリットは、
内部のモリブデン円板3aと、同心の外部モリブデン・
リング3cとから成る上部モリブデン中間層と、内部の
接触円板4aと、外部の同心の接触リング4aとから成
る陰極接点4を組合せることによって形成される。機械
的に固定するために接続リング20が、環状スリットの
少なくとも上部に充填され、例えばガラス又はプラスチ
ックから成る絶縁体19内に埋設されている。最後に第
4の実施例を図5に示してある。この場合は、上部モリ
ブデン円板3aと陰極接点4とを軸方向外側に貫通する
貫通孔内に中心のゲート接点21が配設され、このゲー
ト接点は中心のゲート導線8を介してこれも絶縁体19
内に埋設された中心接続22と連結されている。この場
合、ゲート導線8はその他の全ての実施例と同様にゲー
ト接点用の押圧力を付与するためにばね付勢して実施す
ることができる。
・ピーク電流が小さい導電断面を経て内部から外部へと
配電されなければならず、ゲートを接続するために、帯
状導体15を第2金属化層16bと共に陰極接点4の中
心領域まで案内しなければならず、それには熱伝達が劣
化し、圧力を加えた場合に絶縁フォイル18が凹む危険
を伴うことを考慮する必要がある。
ンスが低い内部設計によって、又、場合によってはイン
ダクタンスが低い配線によって特に簡単に“厳密な”制
御が可能であるカットオフ可能な孔出力半導体素子を製
造することが可能になる。
点との間で引き出されるゲート導線を有する本発明に従
った素子の第1の実施例を示す図である。
た図1の素子の変形例を示す図である。
側方へと引き出される環状のゲート導線とを有する本発
明の素子の第2実施例の断面図である。
上方へと引き出される環状のゲート導線とを有する本発
明の素子の第3実施例の断面図である。
と引き出される中心のゲート導線とを有する本発明の素
子の第4実施例の断面図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 半導体基板(2)が、環状の絶縁ハウジ
ング(10)内で圧接可能な円板形の陰極接点(4)と
圧接可能な円板形の陽極接点(5)との間に配設され、
前記陰極接点側でゲート接点(7、21)と接触せしめ
られ、前記陰極接点(4)が第1カバー(11a)を介
して前記絶縁ハウジング(10)の一端と連結され、前
記陽極接点(5)が第2カバー(11b)を介して前記
絶縁ハウジング(10)の他端と連結されて外部に対し
て密閉された構成とし、前記ゲート接点(7)には外部
に案内されたゲート導線を経てゲート電流を印加するこ
とが可能である、円板形の半導体基板(2)を有するカ
ットオフ可能な高出力半導体素子において、 (a)前記ゲート導線(8)を軸対称で前記陰極接点
(4)と同心に配設し、 (b)前記ゲート導線(8)を単一の絶縁体によって前
記陰極接点から電気的に絶縁したことを特徴とする半導
体素子。 - 【請求項2】 (a)ゲート接点(7)を環状に形成
し、 (b)ゲート導線(8)をも環状に形成し、外部に引き
出したことを特徴とする請求項1記載の素子。 - 【請求項3】 ゲート接点(7)が陰極接点(4)を間
隔を隔てて同心に囲んだことを特徴とする請求項2記載
の素子。 - 【請求項4】 (a)ゲート導線(8)を陰極接点
(4)と絶縁ハウジング(10)との間から外部に引き
出し、 (b)ゲート導線(8)がゲート接点(7)を第1カバ
ー(11a)と直接連結し、 (c)第1カバー(11a)と陰極接点(4)との間に
位置し該陰極接点(4)を同心に囲む絶縁リング(9)
によって前記第1カバー(11a)を陰極接点(4)か
ら電気的に絶縁したことを特徴とする請求項3記載の半
導体素子。 - 【請求項5】 絶縁リング(9)がセラミックから成る
ことを特徴とする請求項4記載の素子。 - 【請求項6】 絶縁リング(9)と陰極接点(4)とを
金属製の連結リング(17)を介して相互に連結したこ
とを特徴とする請求項4記載の素子。 - 【請求項7】 双方のカバー(11a、b)とゲート導
線(8)とが金属薄板から成り、ゲート導線(8)が第
1カバー(11a)内部で常温溶接によって該第1カバ
ーと連結されたことを特徴とする請求項4記載の素子。 - 【請求項8】 (a)ゲート接続(G)と陰極接続
(K)とを行うために、両側に金属化層(16a、16
b)を被覆した絶縁フォイル(18)から成る帯状導体
(15)を備え、 (b)第2金属化層(16b)が素子(1)側を向く状
態で、前記帯状導体(15)が、素子(1)の陰極側を
覆い、 (c)前記帯状導体(15)の第1金属化層(16a)
が陰極接点(4)の領域で該陰極接点(4)と直接接触
して陰極接続(K)を形成するように前記絶縁フォイル
(18)と前記第2金属化層(16b)とを前記帯状導
体から隔ててあり、 (d)前記第2金属化層(16b)が第1カバー(11
a)と直接電気的に連結されてゲート接続(G)を形成
したことを特徴とする請求項4記載の素子。 - 【請求項9】 帯状導体(15)の絶縁フォイル(1
8)がポリイミドから成り、前記両金属化層(16a、
b)が銅から成り、第2金属化層(16b)を第1カバ
ー(11a)とはんだ付けしたことを特徴とする請求項
8記載の素子。 - 【請求項10】 絶縁ハウジング(10)を上部ハウジ
ング(10a)と下部ハウジング(10b)とに区分
し、ゲート導線(8)を上部と下部のハウジング(10
aもしくは10b)との間で外部に引き出したことを特
徴とする請求項3記載の素子。 - 【請求項11】 (a)陰極接点(4)を、内部接触板
(4b)と、内部接触板(4b)を間隔を隔てて同心に
囲む外部接触リング(4a)とに区分し、 (b)接触リング(7)を内部接触板(4b)と外部接
触リング(4a)との間に絶縁して配設したと共に、 (c)ゲート導線(8)を内部接触板(4b)と外部接
触リング(4a)との間から外部に引き出したことを特
徴とする請求項2記載の素子。 - 【請求項12】 ゲート導線(8)の陰極側を、絶縁体
(20)を介して内部接触板(4b)と外部接触リング
(4b)との間に絶縁して埋設された接続リング(2
0)にて形成したことを特徴とする請求項11記載の素
子。 - 【請求項13】 (a)ゲート接点を中心のゲート接点
(21)として形成し、 (b)ゲート導線(8)を、中心で陰極接点(4)の軸
と平行に陰極接点(4)を貫通して外部に引き出したこ
とを特徴とする請求項1記載の素子。 - 【請求項14】 ゲート接点(7)を圧接接点として形
成し、ゲート導線(8)をばね付勢したことを特徴とす
る請求項1ないし13の一項記載の素子。
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