WO2004006420A1 - Power semiconductor module and circuit arrangement - Google Patents

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WO2004006420A1
WO2004006420A1 PCT/EP2003/006699 EP0306699W WO2004006420A1 WO 2004006420 A1 WO2004006420 A1 WO 2004006420A1 EP 0306699 W EP0306699 W EP 0306699W WO 2004006420 A1 WO2004006420 A1 WO 2004006420A1
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power semiconductor
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control
circuit
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PCT/EP2003/006699
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Marc-Nils Münzer
Roman Tschirbs
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Europäische Gesellschaft Für Leistungshalbleiter Mbh
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Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor module and a circuit arrangement with such a power semiconductor module.
  • Such a power semiconductor module has a housing with at least one controllable switch arranged therein, which can be contacted from the outside via connecting lines and contact connections in the housing.
  • controllable circuit breakers can be of any design, i. H. it can be an IGBT, a thyristor, a MOSFET, a JFET, a bipolar transistor or the like.
  • the structure and mode of operation of such semiconductor modules or controllable switches is widely known, so that a detailed description can be dispensed with here.
  • an IGBT is to be assumed as an example of a controllable circuit breaker, but without restricting the invention to this semiconductor component.
  • Modern semiconductor modules that contain IGBTs or MOSFETs are designed to switch ever higher currents at ever higher frequencies. If high currents are switched in a very short time, it can happen that the voltage dropping over the controlled path of the IGBT exceeds a permissible voltage. The reason for this is a rapid change in the load and, along with it, a large current steepness dl / dt, which is an additional factor in the parasitic inductances (leakage inductances) present in the power semiconductor module, which are formed, among other things, by the electrical lines connected to the load connections of the circuit breaker Voltage induced. This additional voltage is added to the voltage already present across the controlled path of the circuit breaker. In particular, Especially in the case of very fast switching operations, the permissible voltage for which the circuit breaker is designed can be exceeded, with the frequent consequence that the circuit breaker is damaged or, in extreme cases, even destroyed.
  • fast switching processes typically also cause undesired EMC radiation, which can negatively influence other electrical components in the vicinity of the semiconductor module during operation of the semiconductor module.
  • EMC radiation can negatively influence other electrical components in the vicinity of the semiconductor module during operation of the semiconductor module.
  • the circuit breaker is controlled via a control circuit so that the load current is switched at a relatively lower frequency.
  • an auxiliary emitter is used for this purpose, which is provided on the load current side between a load section connection of the circuit breaker and the leakage inductance. The voltage drop between the load and the auxiliary emitter of the circuit breaker is then called Input variable used to control the circuit breaker.
  • auxiliary emitter In the layout of the auxiliary emitter, attention was only paid to a positive or negative feedback with respect to the circuit breaker. Compared to the load emitter, only the lowest possible inductance was considered. The leakage inductance between the load emitter and the auxiliary emitter was then used for the control with a control of the current rise speed dl / dt.
  • the problem here is that, depending on the structure of the power module, the type and length of the line elements used between the load and the auxiliary emitter, which form this leakage inductance, are typically very different, so that the leakage inductances for the individual circuit breakers or interconnected in a module are also different vary more or less strongly with different modules. Due to the different leakage inductances, there is also a different voltage drop across this inductance, so that defined control or regulation is not possible or is possible only to a limited extent.
  • the present invention seeks to provide an arrangement by means of which improved regulation of the voltage over the controlled path of a power semiconductor module having leakage inductances is possible.
  • a power semiconductor module with a housing which has electrical contact elements leading from the inside, a controllable circuit breaker having a control connection and load connections, and electrical wiring elements which respectively connect the control connection and the load connections to the contact elements, at least two from the interior of the housing further contact elements leading to the outside are provided, which are connected to at least one load-side wiring element in series with a load path of the circuit breaker such that a voltage drop across the load-side impedance formed by this load-side wiring element can be tapped from the outside (claim 1 ).
  • the idea on which the present invention is based is to provide a first and a second connection for a first and a second auxiliary emitter.
  • the two auxiliary emitter connections By leading out the two auxiliary emitter connections, it is possible to precisely determine the parasitic impedance between the two connections, namely precisely to the line section which is disconnected from the two auxiliary emitters.
  • the parasitic impedance lying between the two auxiliary emitters can thus be set independently of the other auxiliary emitter and the load emitter, since the disconnected line section and thus the value of the parasitic inductance are exactly known.
  • the particular advantage of this arrangement is to provide the same value of the parasitic impedance for a current measurement, which forms the basis for a subsequent regulation, for each individual power switch within a power semiconductor module.
  • the second auxiliary emitter could always be connected in such a way that a uniform control of all circuit breakers or a uniform current evaluation is used for all power modules, if this is possible for reasons of space.
  • the parasitic impedance is resistive and is formed, for example, by a shunt resistor.
  • the parasitic impedance is designed inductively and for example by means of a stray inductance. It is particularly advantageous if this leakage inductance results from a defined line section between the first and the second auxiliary emitter.
  • the circuit breaker is designed as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or as a thyristor.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • thyristor For those trained as IGBT Semiconductor devices is the problem of stray inductances and particularly serious due to the very high currents to be switched and the high frequencies the invention shown SSE solution therefore particularly advantageous.
  • the power switch is designed as a power MOSFET or as a power JFET.
  • a control circuit for regulating the rate of current rise dl / dt is provided.
  • this control circuit is arranged between the two auxiliary emitter connections and thus taps off the voltage drop across the parasitic impedance.
  • the control circuit On the output side, the control circuit generates a control signal which is superimposed on the control signal of a control circuit which controls the circuit state of the circuit breaker.
  • this control circuit can be designed as a simple voltage divider, which is followed by a MOSFET.
  • the voltage divider detects the voltage across the parasitic impedance and controls the power transistor based on this.
  • the control circuit can be formed by diodes connected in series and arranged opposite one another.
  • the control circuit consists of a comparator, the inputs of which are arranged between the auxiliary emitter connections and which controls a program-controlled unit on the output side.
  • the program-controlled unit for example a microcontroller or microprocessor, generates a control signal which is fed to the driver circuit.
  • Modern power semiconductor modules have a large number of power switches which are embedded in the housing of a single power semiconductor module.
  • the invention is particularly advantageous if a common auxiliary emitter is provided in each case, via which the plurality of circuit breakers are connected to one another on the output side.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a first exemplary embodiment of a power semiconductor module according to the invention
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a power semiconductor module according to the invention in a schematic circuit diagram
  • FIG. 3 shows, in a schematic circuit diagram, a third exemplary embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
  • FIG. 4 shows a first layout example of a power semiconductor module with an inductor
  • FIG. 5 shows a second layout example of a power semiconductor module with a resistor
  • FIG. 6 shows a third layout example of a power semiconductor module with an inductor and a resistor
  • FIG. 7 shows a fourth layout example of a power semiconductor module with an inductor and a resistor
  • FIG. 8 shows a layout example of a known power semiconductor module.
  • Figure 1 shows a schematic circuit diagram of a first, particularly preferred embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
  • the power semiconductor module according to the invention is designated by reference number 1 in FIG.
  • the power semiconductor module has a housing 2, which is only shown in broken lines in FIG. 1. In this housing 2, several connection elements are
  • the power semiconductor module 1 can be contacted from the outside via the connection elements 3 - 7.
  • the power semiconductor module 1 has one or more controllable power switches 10, of which for the sake of clarity
  • controllable power switch 10 is designed as an insulated-gate bipolar transistor, hereinafter referred to as IGBT for short.
  • IGBT insulated-gate bipolar transistor
  • G gate connection
  • connection and at least two load connections which are known to be designed as collector connection C and emitter connection E in an IGBT.
  • the gate connection G and the collector and emitter connections C, E are connected to the contact connections 3, 4, 5 via electrical connecting lines
  • the connecting line 11 'between the emitter connection E and the contact connection 5 defines a parasitic impedance 11, which in the exemplary embodiment in FIG. ductivity 11 is shown.
  • the inductance 11 represents the leakage inductance 11.
  • control circuit 12 is provided for controlling the circuit breaker 10.
  • the power semiconductor module 1 in FIG. 1 has two additional external connections 6, 7.
  • the contact connection 6, which is connected directly to the emitter E and the contact connection 7, which is connected via the parasitic inductance 11 to the
  • Emitters E are connected to form auxiliary emitter connections 6, 7. These two connections 6, 7 are connected on the one hand to the emitter-side area and on the other hand to the load-side area of the connecting line 11.
  • the input 22 of the control circuit 12 is connected to the connection 6.
  • the output 23 of the control circuit 12 is connected via a series resistor 13 to the contact connection 3 and thus to the control connection G of the IGBT 10.
  • the circuit arrangement in FIG. 1 also has a control circuit 14 for regulating the current rise rate dl / dt.
  • the control circuit 14 is arranged outside the housing 2 of the power semiconductor module 1 and is coupled to the power semiconductor module 1 via the connections 6, 7.
  • the control circuit 14 contains a voltage divider 15 consisting of two resistors, a controllable switch 16 designed as a MOSFET and a zener diode 17.
  • the voltage divider 15 is arranged between the connecting lines 18, 19 connected to the contact connections 6, 7 of the auxiliary emitters.
  • a control signal U20 for controlling the MOSFET 16 can be tapped at the center tap 20 of the voltage divider 15.
  • the MOSFET 16 On the output side, the MOSFET 16 is connected to the control connection G of the IGBT 10 via the Zener diode 17 and the series resistor 13. In FIG. 1, the voltage divider 15 detects the voltage U6-U7 dropping across the parasitic inductance 11. The signal U16 provided on the output side by the MOSFET 16 is superimposed on the signal U12 provided on the output side by the control circuit 12 and is fed to the control input G of the power switch 10.
  • FIG. 2 shows in a schematic circuit diagram a second exemplary embodiment of a power semiconductors module according to the invention.
  • control circuit 14 here only consists of two series-connected Zener diodes 17, 21 which are arranged against one another
  • diode series circuit 17, 21 is connected to the second auxiliary emitter connection 7, while the output 25 is connected to the output 23 of the control circuit 12. In each case one diode 17, 21 is used to adjust the switching edges of the circuit breaker 10
  • Figure 3 shows a schematic circuit diagram of a third embodiment of an inventive arrangement of a power semiconductor module.
  • an impedance designed as a shunt resistor 30 is provided here between the auxiliary emitter connections 6, 7.
  • the control circuit 14 here consists of a comparator 31 and
  • the program-controlled unit 32 can be designed, for example, as a microcontroller or microprocessor, each of which contains a CPU.
  • the comparator 31 is connected on the input side to the contact connections 6, 7 of the two auxiliary emitters.
  • the exit 33
  • the microcontroller 32 in turn controls the control circuit 12 via a connecting line 34. It it would also be conceivable that the microcontroller is part of the control circuit 12 or vice versa.
  • the comparator 31 compares the potentials U6, U7 present at the auxiliary emitter connections 6, 7 and generates a signal U31 as a function of the potential difference U6-U7, which is fed to the program-controlled unit 32. Depending on the potential difference U6-U7 detected by the comparator 21 and the control logic of the control circuit 12, a control signal U12 is provided at the output 23 of the control circuit 12. This is used to control the circuit breaker 10.
  • the arrangement in FIG. 3 is particularly advantageous if the power semiconductor module 1 is used to switch the current IL in an electric motor (not shown in FIG. 3).
  • the control circuit 14 is used to provide a control loop for the electric motor in order to set the control value against the target value. Especially when starting a motor, it is necessary to set the motor setpoint in a targeted and defined manner.
  • the defined measuring resistor 30, which is provided in the power semiconductor module 1, and the control circuit 14, the motor setpoint can be set very elegantly to a predetermined value.
  • no specially provided external measuring device or external shunt resistor is required here.
  • the invention was explained on the basis of a circuit breaker designed as an IGBT.
  • the invention is not limited exclusively to power semiconductor modules with IGBTs, but can of course also be extended to all power semiconductor modules with power switches of any kind, which can be designed, for example, as a MOSFET, JFET, thyristor, bipolar transistor or the like.
  • the control circuit 14 could of course also be realized by any other control or control arrangement.
  • FIG. 8 shows the known layout example of a power semiconductor module 100 with parasitic impedances formed by conductor tracks.
  • the power semiconductor module 100 here has a total of six power switches, each of which is arranged in a separate chip 101-106.
  • One chip 101-106 is bonded on a separate substrate carrier (DCB) 111-116.
  • a circuit breaker is connected via external gate connections Gl - G6 and external emitter connections El -E6.
  • the power semiconductor module 100 according to the invention according to FIG. 4 which has parasitic inductances formed by conductor tracks, in addition to the six emitter connections E1-E6, has six further auxiliary emitter connections EH1-EH2.
  • a first auxiliary emitter connection E1-E6 contacts a respective substrate carrier 111-116 on which the respective circuit breaker is arranged.
  • a second auxiliary emitter connection EH1-EH6 contacts the chip 101-106 of the circuit breaker itself. The inductance of the bond wires is thus tapped.
  • Figure 4 thus represents an implementation of the circuit variant of Figures 1 and 2.
  • FIG. 5 thus represents an implementation of the circuit variant in FIG. 3.
  • the first auxiliary emitter connections contact E1 E6 in turn a substrate carrier 111-116, while the second auxiliary emitter connections EH1-EH6 each contact a meandering conductor track 121-126 in the vicinity of the chip 101-106.
  • the layout example in FIG. 6 shows a combination of the two layout examples according to FIGS. 4 and 5, which means that both the inductance of the bonding wires and the resistance of the meandering conductor track 121-126 are tapped off here.
  • the first auxiliary emitter connections E1-E6 contact the substrate carrier 111-116, while the second auxiliary emitter connections EH1-EH6 each contact a chip 101-106.
  • the impedance structure is helical.
  • the auxiliary emitters E1-E6, EH1-EH6 contact the conductor tracks 121-126 in their center and, on the other hand, the substrate carriers 111-116.
  • connection elements 3 - 5 connection elements, contact connections
  • Control circuit L5 15 voltage divider

Abstract

The invention relates to a power semiconductor module comprising a housing which is provided with electrical contact elements that extend from the inside to the outside, a controllable circuit breaker which is provided with a control connection and load connections, and electrical wiring elements which join the control connection and the load connections to the contact elements. The inventive power semiconductor module further comprises at least two additional contact elements which extend from the inside of the housing to the outside and are connected to at least one load-side wiring element that lies in series with a load link of the circuit breaker such that a voltage which drops above the load-side impedance formed by said load-side wiring element can be tapped from the outside. The invention also relates to a circuit arrangement comprising such a power semiconductor module.

Description

Beschreibungdescription
Leistungshalbleitermodul und SchaltungsanordnungPower semiconductor module and circuit arrangement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul sowie eine Schaltungsanordnung mit einem solchen Leistungshalbleitermodul .The present invention relates to a power semiconductor module and a circuit arrangement with such a power semiconductor module.
Ein solches Leistungshalbleitermodul weist ein Gehäuse mit mindestens einem darin angeordneten steuerbaren Schalter auf, der über Verbindungsleitungen und Kontaktanschlüsse in dem Gehäuse von außen kontaktierbar ist. Solche steuerbaren Leistungsschalter können beliebig ausgebildet sein, d. h. es kann sich hier um einen IGBT, einen Thyristor, einen MOSFET, einen JFET, einen Bipolartransistor oder dergleichen handeln. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher Halbleitermodule bzw. steuerbarer Schalter ist vielfach bekannt, so dass hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann. Im folgenden soll als Beispiel eines steuerbaren Leistungsschalter von einem IGBT ausgegangen werden, ohne jedoch die Erfindung auf dieses Halbleiterbauelement zu beschränken.Such a power semiconductor module has a housing with at least one controllable switch arranged therein, which can be contacted from the outside via connecting lines and contact connections in the housing. Such controllable circuit breakers can be of any design, i. H. it can be an IGBT, a thyristor, a MOSFET, a JFET, a bipolar transistor or the like. The structure and mode of operation of such semiconductor modules or controllable switches is widely known, so that a detailed description can be dispensed with here. In the following, an IGBT is to be assumed as an example of a controllable circuit breaker, but without restricting the invention to this semiconductor component.
Moderne Halbleitermodule, die IGBTs oder MOSFETs enthalten, sind dazu ausgelegt, immer höhere Ströme bei immer größeren Frequenzen zu schalten. Werden hohe Ströme in sehr kurzer Zeit geschaltet, kann es vorkommen, dass die über der gesteuerten Strecke des IGBTs abfallende Spannung eine zulässige Spannung überschreitet. Ursache dafür ist eine schnelle Last- änderung und damit einhergehend eine große Stromänderungs- steilheit dl/dt, die in den im Leistungshalbleitermodul vorhandenen parasitären Induktivitäten (Streuinduktivitäten) , die unter anderem von den mit den Lastanschlüssen des Leistungsschalters verbundenen elektrische Leitungen gebildet werden, eine zusätzliche Spannung induziert. Diese zusätzliche Spannung addiert sich zu der über der gesteuerten Strecke des Leistungsschalters ohnehin anliegenden Spannung. Insbe- sondere bei sehr schnellen Schaltvorgängen kann dadurch die zulässige Spannung, für die der Leistungsschalter ausgelegt ist, überschritten werden mit der häufigen Folge, dass der Leistungsschalter beschädigt oder im Extremfall auch zerstört wird.Modern semiconductor modules that contain IGBTs or MOSFETs are designed to switch ever higher currents at ever higher frequencies. If high currents are switched in a very short time, it can happen that the voltage dropping over the controlled path of the IGBT exceeds a permissible voltage. The reason for this is a rapid change in the load and, along with it, a large current steepness dl / dt, which is an additional factor in the parasitic inductances (leakage inductances) present in the power semiconductor module, which are formed, among other things, by the electrical lines connected to the load connections of the circuit breaker Voltage induced. This additional voltage is added to the voltage already present across the controlled path of the circuit breaker. In particular, Especially in the case of very fast switching operations, the permissible voltage for which the circuit breaker is designed can be exceeded, with the frequent consequence that the circuit breaker is damaged or, in extreme cases, even destroyed.
Darüber hinaus wird durch schnelle Schaltvorgänge typischerweise auch eine unerwünschte EMV-Abstrahlung hervorgerufen, die im Betrieb des Halbleitermoduls andere elektrische Kompo- nenten in der Nähe des Halbleitermoduls negativ beeinflussen können. Hierzu existieren Standards, die festlegen, welche maximale EMV-Abstrahlung ein elektrisches oder elektronisches Halbleiterbauelement maximal aufweisen darf.In addition, fast switching processes typically also cause undesired EMC radiation, which can negatively influence other electrical components in the vicinity of the semiconductor module during operation of the semiconductor module. To this end, there are standards that determine the maximum EMC radiation an electrical or electronic semiconductor component may have.
Eine lediglich theoretische Lösung dieses Problems besteht darin, die Streuinduktivitäten und damit die an diesen abfallende Spannung zu verringern bzw. im Idealfall zu eliminieren. In der Praxis ist dies jedoch nur bedingt bzw. gar nicht möglich, da ein Leistungsschalter naturgemäß über Verbin- dungsleitungen mit den Außenanschlüssen des Halbleitermoduls verbunden werden muss und diese Verbindungsleitungen geeignet dimensioniert werden müssen, um den Strom möglichst verlustarm zu führen.A merely theoretical solution to this problem is to reduce the leakage inductances and thus the voltage drop across them, or ideally to eliminate them. In practice, however, this is only possible to a limited extent or not at all, since a circuit breaker naturally has to be connected to the external connections of the semiconductor module via connecting lines and these connecting lines have to be suitably dimensioned in order to carry the current with as little loss as possible.
Aus diesem Grunde wird bei Leistungshalbleitermodulen typischerweise die Schaltgeschwindigkeit so begrenzt, dass die durch Streuinduktivitäten hervorgerufene Spannung sowie die EMV-Abstrahlung den Betrieb des Halbleitermoduls nicht negativ beeinflussen. Der Leistungsschalter wird über eine An- Steuerschaltung so angesteuert, dass der Laststrom bei einer verhältnismäßig geringeren Frequenz geschaltet wird. Gemäß einem bevorzugten Ansteuerkonzept wird hierzu ein Hilfsemitter verwendet, der laststromseitig zwischen einem Laststre- ckenanschluss des Leistungsschalters und der Streuinduktivi- tat vorgesehen ist. Die zwischen der Last und dem Hilfsemitter des Leistungsschalters abfallende Spannung wird dann als Eingangsgröße zur Steuerung des Leistungsschalters herangezogen.For this reason, the switching speed is typically limited in the case of power semiconductor modules in such a way that the voltage caused by stray inductances and the EMC radiation do not negatively influence the operation of the semiconductor module. The circuit breaker is controlled via a control circuit so that the load current is switched at a relatively lower frequency. According to a preferred control concept, an auxiliary emitter is used for this purpose, which is provided on the load current side between a load section connection of the circuit breaker and the leakage inductance. The voltage drop between the load and the auxiliary emitter of the circuit breaker is then called Input variable used to control the circuit breaker.
Bei dem Layout des Hilfsemitters wurde dabei lediglich auf eine Mit- bzw. Gegenkopplung gegenüber dem Leistungsschalter geachtet. Gegenüber dem Lastemitter wurde lediglich auf eine möglichst niedrige Gesamtinduktivität geachtet. Für die An- steuerung mit einer Regelung der Stromanstiegsgeschwindigkeit dl/dt wurde dann die zwischen Lastemitter und Hilfsemitter liegende Streuinduktivität für die Ansteuerung herangezogen.In the layout of the auxiliary emitter, attention was only paid to a positive or negative feedback with respect to the circuit breaker. Compared to the load emitter, only the lowest possible inductance was considered. The leakage inductance between the load emitter and the auxiliary emitter was then used for the control with a control of the current rise speed dl / dt.
Problematisch darin ist, dass je nach Aufbau des Leistungsmoduls die Art und die Länge der verwendeten Leitungselemente zwischen Last und Hilfsemitter, die diese Streuinduktivität bilden, typischerweise sehr unterschiedlich sind, so dass damit auch die Streuinduktivitäten für die einzelnen, in einem Modul miteinander verschalteten Leistungsschalter oder bei unterschiedlichen Modulen mehr oder weniger stark variieren. Aufgrund der unterschiedlichen Streuinduktivitäten ergibt sich auch ein unterschiedlicher Spannungsabfall an dieser Induktivität, so dass eine definierte Steuerung oder Regelung nicht oder nur bedingt möglich ist.The problem here is that, depending on the structure of the power module, the type and length of the line elements used between the load and the auxiliary emitter, which form this leakage inductance, are typically very different, so that the leakage inductances for the individual circuit breakers or interconnected in a module are also different vary more or less strongly with different modules. Due to the different leakage inductances, there is also a different voltage drop across this inductance, so that defined control or regulation is not possible or is possible only to a limited extent.
In einer alternativen Anwendung können beim Einsatz eines Leistungshalbleitermoduls in einem elektrischen Motor dieIn an alternative application, when using a power semiconductor module in an electric motor, the
Ströme in den Emitterpfaden des Leistungsschalters gemessen werden und für die Ansteuerung des Leistungsschalters herangezogen werden. Hierzu wurde bislang ein zwischen dem Leistungsschalter und dem Anschluss, der mit einem negativen Ver- sorgungspotential beaufschlagt ist, liegender externer Messwiderstand (Shunt-Widerstand) eingebaut und die daran abfallende Spannung ausgewertet. Damit ist aber keine definierte Messung der lastseitig abfallenden Spannung und damit keine definierte Einstellung des elektrischen Motors möglich.Currents in the emitter paths of the circuit breaker are measured and used to control the circuit breaker. For this purpose, an external measuring resistor (shunt resistor) was installed between the circuit breaker and the connection, which has a negative supply potential, and the voltage drop across it was evaluated. However, this means that no defined measurement of the voltage drop on the load side and therefore no defined setting of the electric motor is possible.
Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung bereitzustellen, mittels der eine verbesserte Regelung der Spannung über der gesteuerten Strecke eines Streuinduktivitäten aufweisenden Leistungshalbleitermoduls möglich ist.Based on this, the present invention seeks to provide an arrangement by means of which improved regulation of the voltage over the controlled path of a power semiconductor module having leakage inductances is possible.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Demgemäß ist vorgesehen:According to the invention, this object is achieved by a power semiconductor module with the features of claim 1 and a circuit arrangement with the features of claim 9. Accordingly, it is provided:
- Ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse, das vom Inneren nach Außen führende elektrische Kontaktelemente aufweist, einem einen Steueranschluss und Lastanschlusse aufweisenden steuerbaren Leistungsschalter und elektrischen Verdrahtungselementen, die jeweils den Steueran- schluss und die Lastanschlusse mit den Kontaktelementen verbinden, wobei zumindest zwei vom Inneren des Gehäuses nach Außen führende, weitere Kontaktelemente vorgesehen sind, die mit mindestens einem in Reihe zu einer Laststrecke des Leistungsschalter liegenden, lastseitigen Verdrahtungselement derart verbunden sind, dass eine ü- ber der durch dieses lastseitige Verdrahtungselement gebildete lastseitigen Impedanz abfallende Spannung von Außen abgreifbar ist (Patentanspruch 1) .- A power semiconductor module with a housing which has electrical contact elements leading from the inside, a controllable circuit breaker having a control connection and load connections, and electrical wiring elements which respectively connect the control connection and the load connections to the contact elements, at least two from the interior of the housing further contact elements leading to the outside are provided, which are connected to at least one load-side wiring element in series with a load path of the circuit breaker such that a voltage drop across the load-side impedance formed by this load-side wiring element can be tapped from the outside (claim 1 ).
- Eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungshalbleitermodul, mit einer den Steueranschluss des mindestens einen Leistungsschalters ansteuernden Ansteuerschaltung, die eingangsseitig über ein weiteres Kontaktelement und die ausgangsseitig über ein erstes Kontaktelement für den Steueranschluss mit dem Leistungshalbleitermodul verbunden ist, mit einer Regelungsschaltung zur Regelung der Stromanstiegsgeschwindigkeit eines Laststromes an dem Leistungsschalter, die eingangsseitig zwischen den beiden weiteren Kontaktelementen angeordnet ist und die ausgangsseitig mit dem Steueranschluss des Leistungsschalters verbunden ist (Patentanspruch 9) . Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, einen ersten und einen zweiten Anschluss für einen ersten und einen zweiten Hilfsemitter bereitzustellen. Mit dem Herausführen der beiden Hilfsemitteranschlüsse ist es möglich, die parasitäre Impedanz zwischen den beiden Anschlüssen exakt festzulegen, nämlich genau auf den Leitungsabschnitt, der von den beiden Hilfsemittern abgeklemmt wird. Die zwischen den beiden Hilfsemittern liegende parasitäre Impedanz ist somit unabhängig vom jeweils anderen Hilfsemitter und vom Lastemitter einstellbar, da der abgeklemmte Leitungsabschnitt und damit der Wert der parasitären Induktivität exakt bekannt sind.- A circuit arrangement with a power semiconductor module, with a control circuit which controls the control connection of the at least one power switch, which is connected on the input side via a further contact element and on the output side via a first contact element for the control connection to the power semiconductor module, with a control circuit for regulating the rate of current rise of a load current the circuit breaker, which is arranged on the input side between the two further contact elements and which is connected on the output side to the control connection of the circuit breaker (claim 9). The idea on which the present invention is based is to provide a first and a second connection for a first and a second auxiliary emitter. By leading out the two auxiliary emitter connections, it is possible to precisely determine the parasitic impedance between the two connections, namely precisely to the line section which is disconnected from the two auxiliary emitters. The parasitic impedance lying between the two auxiliary emitters can thus be set independently of the other auxiliary emitter and the load emitter, since the disconnected line section and thus the value of the parasitic inductance are exactly known.
Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, für je- den einzelnen Leistungsschalter innerhalb eines Leistungshalbleitermoduls weitestgehend den gleichen Wert der parasitären Impedanz für eine Strommessung, die die Grundlage für eine nachfolgende Regelung bildet, bereitzustellen. Für den Fall, dass verschiedene Leistungshalbleitermodule vorliegen, könnte der zweite Hilfsemitter stets so angebunden werden, dass eine einheitliche Ansteuerung aller Leistungsschalter bzw. eine einheitliche Stromauswertung für alle Leistungsmodule verwendet wird, sofern dies aus Platzgründen möglich ist .The particular advantage of this arrangement is to provide the same value of the parasitic impedance for a current measurement, which forms the basis for a subsequent regulation, for each individual power switch within a power semiconductor module. In the event that different power semiconductor modules are available, the second auxiliary emitter could always be connected in such a way that a uniform control of all circuit breakers or a uniform current evaluation is used for all power modules, if this is possible for reasons of space.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die parasitäre Impedanz resistiv und beispielsweise durch einen Shunt-Widerstand ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die parasitäre Impedanz induktiv und bei- spielsweise durch eine Streuinduktivität ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Streuinduktivität sich aus einem definierten Leitungsabschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Hilfsemitter ergibt.In an advantageous embodiment of the invention, the parasitic impedance is resistive and is formed, for example, by a shunt resistor. In a further advantageous embodiment, the parasitic impedance is designed inductively and for example by means of a stray inductance. It is particularly advantageous if this leakage inductance results from a defined line section between the first and the second auxiliary emitter.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leistungsschalter als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder als Thyristor ausgebildet. Bei als IGBT ausgebildeten Halbleiterbauelementen ist das Problem der Streuinduktivitäten aufgrund der sehr hohen zu schaltenden Strömen und der hohen Frequenzen besonders gravierend und die erfindungsgemä¬ ße Lösung daher besonders vorteilhaft.In a further advantageous embodiment, the circuit breaker is designed as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or as a thyristor. For those trained as IGBT Semiconductor devices is the problem of stray inductances and particularly serious due to the very high currents to be switched and the high frequencies the invention shown SSE solution therefore particularly advantageous.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leistungsschalter als Leistungs-MOSFET oder als Leistungs-JFET ausgebildet .In a further advantageous embodiment, the power switch is designed as a power MOSFET or as a power JFET.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Regelschaltung zur Regelung der Stromanstiegsgeschwindigkeit dl/dt vorgesehen. Eingangsseitig ist diese Regelschaltung zwischen den beiden Hilfsemitteranschlüssen angeordnet und greift somit die über der parasitären Impedanz abfallende Spannung ab. Ausgangsseitig erzeugt die Regelschaltung ein Ansteuersignal , welches dem Ansteuersignal einer Ansteuerschaltung, die den Schaltungszustand des Leistungsschalters steuert, überlagert wird.In an advantageous embodiment, a control circuit for regulating the rate of current rise dl / dt is provided. On the input side, this control circuit is arranged between the two auxiliary emitter connections and thus taps off the voltage drop across the parasitic impedance. On the output side, the control circuit generates a control signal which is superimposed on the control signal of a control circuit which controls the circuit state of the circuit breaker.
In einer schaltungstechnisch besonders bevorzugten Ausgestaltung kann diese Regelschaltung als einfacher Spannungsteiler, dem ein MOSFET nachgeschaltet ist, ausgebildet sein. Der Spannungsteiler erfasst dabei die Spannung über der parasitären Impedanz und steuert ausgehend davon den Leistungstran- sistor an. In einer schaltungstechnisch sehr einfachen Realisierung kann die Regelungsschaltung durch in Reihe geschaltete und gegeneinander angeordnete Dioden ausgebildet werden.In a particularly preferred embodiment in terms of circuit technology, this control circuit can be designed as a simple voltage divider, which is followed by a MOSFET. The voltage divider detects the voltage across the parasitic impedance and controls the power transistor based on this. In a very simple implementation in terms of circuitry, the control circuit can be formed by diodes connected in series and arranged opposite one another.
In einer schaltungstechnisch sehr komfortablen Ausgestaltung besteht die Regelschaltung aus einem Komparator, dessen Eingänge zwischen den Hilfsemitteranschlüssen angeordnet sind und der ausgangsseitig eine programmgesteuerte Einheit ansteuert. Die programmgesteuerte Einheit, beispielsweise ein Mikrocontroller oder Mikroprozessor, erzeugt ein Ansteuersig- nal, welches der Treiberschaltung zugeführt wird. Moderne Leistungshalbleitermodule weisen eine Vielzahl von Leistungsschalter, die in dem Gehäuse eines einzigen Leistungshalbleitermoduls eingebettet sind, auf. Die Erfindung ist dann besonders vorteilhaft, wenn jeweils ein gemeinsamer Hilfsemitter vorgesehen ist, über den die Vielzahl von Leistungsschalter ausgangsseitig miteinander verbunden sind.In a circuit-technically very convenient embodiment, the control circuit consists of a comparator, the inputs of which are arranged between the auxiliary emitter connections and which controls a program-controlled unit on the output side. The program-controlled unit, for example a microcontroller or microprocessor, generates a control signal which is fed to the driver circuit. Modern power semiconductor modules have a large number of power switches which are embedded in the housing of a single power semiconductor module. The invention is particularly advantageous if a common auxiliary emitter is provided in each case, via which the plurality of circuit breakers are connected to one another on the output side.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung un- ter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.Further advantageous refinements and developments of the invention can be found in the subclaims and in the description with reference to the drawing.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren derThe invention is described below with reference to the figures of the
Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.Exemplary embodiments illustrated in the drawing.
Es zeigt dabei:It shows:
Figur 1 in einem schematischen Schaltbild ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls;1 shows a schematic circuit diagram of a first exemplary embodiment of a power semiconductor module according to the invention;
Figur 2 in einem schematischen Schaltbild ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungs- halbleitermoduls ;FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a power semiconductor module according to the invention in a schematic circuit diagram;
Figur 3 in einem schematischen Schaltbild ein drittes Aus- führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls .FIG. 3 shows, in a schematic circuit diagram, a third exemplary embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
Figur 4 ein erstes Layoutbeispiel eines Leistungshalbleitermoduls mit einer Induktivität;FIG. 4 shows a first layout example of a power semiconductor module with an inductor;
Figur 5 ein zweites Layoutbeispiel eines Leistungshalbleitermoduls mit einem Widerstand;FIG. 5 shows a second layout example of a power semiconductor module with a resistor;
Figur 6 ein drittes Layoutbeispiel eines Leistungshalblei- termoduls mit einer Induktivität und einem Widerstand; Figur 7 ein viertes Layoutbeispiel eines Leistungshalbleitermoduls mit einer Induktivität und einem Widerstand;FIG. 6 shows a third layout example of a power semiconductor module with an inductor and a resistor; FIG. 7 shows a fourth layout example of a power semiconductor module with an inductor and a resistor;
Figur 8 ein Layoutbeispiel eines bekannten Leistungshalbleitermoduls .FIG. 8 shows a layout example of a known power semiconductor module.
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktions- gleiche Elemente - sofern nichts anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.In all figures of the drawing, the same or functionally identical elements - unless otherwise stated - have been provided with the same reference numerals.
Figur 1 zeigt in einem schematischen Schaltbild ein erstes, besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.Figure 1 shows a schematic circuit diagram of a first, particularly preferred embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
.5.5
In Figur 1 ist mit Bezugszeichen 1 das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul bezeichnet. Das Leistungshalbleitermodul weist ein in Figur 1 lediglich gestrichelt dargestelltes Gehäuse 2 auf. In diesem Gehäuse 2 sind mehrere Anschlussele-The power semiconductor module according to the invention is designated by reference number 1 in FIG. The power semiconductor module has a housing 2, which is only shown in broken lines in FIG. 1. In this housing 2, several connection elements are
>0 mente 3 - 7, auf die später noch detailliert eingegangen wird, vorgesehen. Über die Anschlusselemente 3 - 7 ist das Leistungshalbleitermodul 1 von außen kontaktierbar . Das Leistungshalbleitermodul 1 weist ein oder mehrere steuerbare Leistungsschalter 10, von denen der besseren Übersicht wegen> 0 elements 3 - 7, which will be discussed in detail later. The power semiconductor module 1 can be contacted from the outside via the connection elements 3 - 7. The power semiconductor module 1 has one or more controllable power switches 10, of which for the sake of clarity
.5 in Figur 1 lediglich einer dargestellt ist, auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der steuerbare Leistungsschalter 10 als Insulated-Gate Bipolar Transistor, nachfolgend kurz als IGBT bezeichnet, ausgebildet. Ein IGBT weist bekanntlich einen als Gateanschluss G ausgebildeten Steueran-.5 only one is shown in FIG. In the present exemplary embodiment, the controllable power switch 10 is designed as an insulated-gate bipolar transistor, hereinafter referred to as IGBT for short. As is known, an IGBT has a control connection designed as a gate connection G.
30 schluss sowie zumindest zwei Lastanschlusse, die bei einem IGBT bekanntlich als Kollektoranschluss C und Emitteran- schluss E ausgebildet sind, auf. Der Gateanschluss G sowie die Kollektor- und Emitteranschlüsse C, E sind über elektrische Verbindungsleitungen mit den Kontaktanschlüssen 3, 4, 530 connection and at least two load connections, which are known to be designed as collector connection C and emitter connection E in an IGBT. The gate connection G and the collector and emitter connections C, E are connected to the contact connections 3, 4, 5 via electrical connecting lines
35 verbunden. Die Verbindungsleitung 11' zwischen dem Emitteran- schluss E und dem Kontaktanschluss 5 definiert eine parasitäre Impedanz 11, die im Ausführungsbeispiel in Figur 1 als In- duktivität 11 dargestellt ist. Die Induktivität 11 stellt die Streuinduktivität 11 dar.35 connected. The connecting line 11 'between the emitter connection E and the contact connection 5 defines a parasitic impedance 11, which in the exemplary embodiment in FIG. ductivity 11 is shown. The inductance 11 represents the leakage inductance 11.
Ferner ist eine Ansteuerschaltung 12 zur Ansteuerung des Leistungsschalters 10 vorgesehen.Furthermore, a control circuit 12 is provided for controlling the circuit breaker 10.
Erfindungsgemäß weist das Leistungshalbleitermodul 1 in Figur 1 zwei zusätzliche Außenanschlüsse 6, 7 auf. Der Kontaktan- schluss 6, der direkt mit dem Emitter E und der Kontaktan- schluss 7, der über die parasitäre Induktivität 11 mit demAccording to the invention, the power semiconductor module 1 in FIG. 1 has two additional external connections 6, 7. The contact connection 6, which is connected directly to the emitter E and the contact connection 7, which is connected via the parasitic inductance 11 to the
Emitter E verbunden sind, bilden Hilfsemitteranschlüsse 6, 7. Diese beiden Anschlüsse 6, 7 sind zum einen mit dem emitter- seitigen Bereich und zum anderen mit dem lastseitigen Bereich der Verbindungsleitung 11 verbunden.Emitters E are connected to form auxiliary emitter connections 6, 7. These two connections 6, 7 are connected on the one hand to the emitter-side area and on the other hand to the load-side area of the connecting line 11.
Der Eingang 22 der Ansteuerschaltung 12 ist mit dem Anschluss 6 verbunden. Der Ausgang 23 der Ansteuerschaltung 12 ist über einen Vorwiderstand 13 mit dem Kontaktanschluss 3 und damit mit dem Steueranschluss G des IGBTs 10 verbunden.The input 22 of the control circuit 12 is connected to the connection 6. The output 23 of the control circuit 12 is connected via a series resistor 13 to the contact connection 3 and thus to the control connection G of the IGBT 10.
Die Schaltungsanordnung in Figur 1 weist ferner eine Regelungsschaltung 14 zur Regelung der Stromanstiegsgeschwindigkeit dl/dt auf. Die Regelungsschaltung 14 ist außerhalb des Gehäuses 2 des Leistungshalbleitermoduls 1 angeordnet und an das Leistungshalbleitermoduls 1 über die Anschlüsse 6, 7 angekoppelt. Die Regelungsschaltung 14 enthält einen Spannungsteiler 15 bestehend aus zwei Widerständen, einen als MOSFET ausgebildeten steuerbaren Schalter 16 sowie eine Zenerdiode 17. Der Spannungsteiler 15 ist zwischen den mit den Kontakt- anschlüssen 6, 7 der Hilfsemitter verbundenen Verbindungsleitungen 18, 19 angeordnet. Am Mittelabgriff 20 des Spannungsteilers 15 ist ein Ansteuersignal U20 zur Ansteuerung des MOSFETs 16 abgreifbar. Ausgangsseitig ist der MOSFET 16 über die Zenerdiode 17 und dem Vorwiderstand 13 mit dem Steueran- schluss G des IGBTs 10 verbunden. In Figur 1 erfasst der Spannungsteiler 15 die über der parasitären Induktivität 11 abfallende Spannung U6 - U7. Das von dem MOSFET 16 ausgangsseitig bereitgestellte Signal U16 wird dem ausgangsseitig von der Ansteuerschaltung 12 bereitge- 5 stellten Signal U12 überlagert und dem Steuereingang G des Leistungsschalters 10 zugeführt.The circuit arrangement in FIG. 1 also has a control circuit 14 for regulating the current rise rate dl / dt. The control circuit 14 is arranged outside the housing 2 of the power semiconductor module 1 and is coupled to the power semiconductor module 1 via the connections 6, 7. The control circuit 14 contains a voltage divider 15 consisting of two resistors, a controllable switch 16 designed as a MOSFET and a zener diode 17. The voltage divider 15 is arranged between the connecting lines 18, 19 connected to the contact connections 6, 7 of the auxiliary emitters. A control signal U20 for controlling the MOSFET 16 can be tapped at the center tap 20 of the voltage divider 15. On the output side, the MOSFET 16 is connected to the control connection G of the IGBT 10 via the Zener diode 17 and the series resistor 13. In FIG. 1, the voltage divider 15 detects the voltage U6-U7 dropping across the parasitic inductance 11. The signal U16 provided on the output side by the MOSFET 16 is superimposed on the signal U12 provided on the output side by the control circuit 12 and is fed to the control input G of the power switch 10.
Figur 2 zeigt in einem schematischen Schaltbild ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalblei - .0 termoduls.FIG. 2 shows in a schematic circuit diagram a second exemplary embodiment of a power semiconductors module according to the invention.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 besteht hier die Regelungsschaltung 14 lediglich aus zwei in Reihe geschalteten Zenerdioden 17, 21, die gegeneinander angeordnetIn contrast to the exemplary embodiment in FIG. 1, the control circuit 14 here only consists of two series-connected Zener diodes 17, 21 which are arranged against one another
.5 sind. Der Eingang 22 dieser Diodenreihenschaltung 17, 21 ist dabei mit dem zweiten Hilfsemitteranschluss 7 verbunden, während der Ausgang 25 mit dem Ausgang 23 der Ansteuerschaltung 12 verbunden ist. Jeweils eine Diode 17, 21 dient dabei der Einstellung der Schaltflanken des Leistungsschalters 10 bei.5 are. The input 22 of this diode series circuit 17, 21 is connected to the second auxiliary emitter connection 7, while the output 25 is connected to the output 23 of the control circuit 12. In each case one diode 17, 21 is used to adjust the switching edges of the circuit breaker 10
,0 einem Einschalt- bzw. bei einem Ausschaltvorgang., 0 a switch-on or switch-off process.
Figur 3 zeigt in einem schematischen Schaltbild ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Leistungshalbleitermoduls .Figure 3 shows a schematic circuit diagram of a third embodiment of an inventive arrangement of a power semiconductor module.
2525
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 ist hier zwischen den Hilfsemitteranschlüssen 6, 7 eine als Shunt-Widerstand 30 ausgebildete Impedanz vorgesehen. Die Regelungsschaltung 14 besteht hier aus einem Komparator 31 undIn contrast to the exemplary embodiments in FIGS. 1 and 2, an impedance designed as a shunt resistor 30 is provided here between the auxiliary emitter connections 6, 7. The control circuit 14 here consists of a comparator 31 and
30 einer programmgesteuerten Einheit 32. Die programmgesteuerte Einheit 32 kann beispielsweise als Mikrocontroller oder Mikroprozessor, die jeweils eine CPU enthält, ausgebildet sein. Der Komparator 31 ist eingangsseitig mit den Kontaktanschlüssen 6, 7 der beiden Hilfsemitter verbunden. Der Ausgang 3330 of a program-controlled unit 32. The program-controlled unit 32 can be designed, for example, as a microcontroller or microprocessor, each of which contains a CPU. The comparator 31 is connected on the input side to the contact connections 6, 7 of the two auxiliary emitters. The exit 33
35 des Komparators 31 ist mit einem Eingang des Mikrocontrollers 32 verbunden. Über eine Verbindungsleitung 34 steuert der Mikrocontroller 32 wiederum die Ansteuerschaltung 12 an. Es wäre auch denkbar, dass der Mikrocontroller Bestandteil der Ansteuerschaltung 12 oder umgekehrt ist.35 of the comparator 31 is connected to an input of the microcontroller 32. The microcontroller 32 in turn controls the control circuit 12 via a connecting line 34. It it would also be conceivable that the microcontroller is part of the control circuit 12 or vice versa.
Der Komparator 31 vergleicht die an den Hilfsemitteranschlüs- sen 6, 7 anliegende Potentiale U6 , U7 und erzeugt in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz U6-U7 ein Signal U31, welches der programmgesteuerten Einheit 32 zugeführt wird. In Abhängigkeit von der von dem Komparator 21 erfassten Potentialdifferenz U6 - U7 und der Ansteuerlogik der Ansteuerschal- tung 12 wird am Ausgang 23 der Ansteuerschaltung 12 ein Ansteuersignal U12 bereitgestellt. Dieses dient der Ansteuerung des Leistungsschalters 10.The comparator 31 compares the potentials U6, U7 present at the auxiliary emitter connections 6, 7 and generates a signal U31 as a function of the potential difference U6-U7, which is fed to the program-controlled unit 32. Depending on the potential difference U6-U7 detected by the comparator 21 and the control logic of the control circuit 12, a control signal U12 is provided at the output 23 of the control circuit 12. This is used to control the circuit breaker 10.
Die Anordnung in Figur 3 ist besonders vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul 1 zum Schalten des Stromes IL bei einem in Figur 3 nicht dargestellten elektrischen Motor verwendet wird. In diesem Falle wird die Regelungsschaltung 14 dazu verwendet, eine Regelschleife für den elektrischen Motor bereitzustellen, um den Regelwert gegen den Sollwert zu stel- len. Insbesondere beim Anfahren eines Motor ist es erforderlich den Motorsollwert gezielt und definiert einzustellen. Mittels des definierten Mess-Widerstandes 30, der in dem Leistungshalbleitermodul 1 vorgesehen ist, und der Regelungs- schaltung 14 lässt sich der Motorsollwert sehr elegant auf einen vorgegebenen Wert einstellen. Vorteilhafterweise ist hier keine eigens dafür vorgesehene externe Messeinrichtung sowie kein externer Shunt-Widerstand erforderlich.The arrangement in FIG. 3 is particularly advantageous if the power semiconductor module 1 is used to switch the current IL in an electric motor (not shown in FIG. 3). In this case, the control circuit 14 is used to provide a control loop for the electric motor in order to set the control value against the target value. Especially when starting a motor, it is necessary to set the motor setpoint in a targeted and defined manner. By means of the defined measuring resistor 30, which is provided in the power semiconductor module 1, and the control circuit 14, the motor setpoint can be set very elegantly to a predetermined value. Advantageously, no specially provided external measuring device or external shunt resistor is required here.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde die Erfindung anhand eines als IGBT ausgebildeten Leistungsschalters erläutert. Die Erfindung sei jedoch nicht ausschließlich auf Leistungshalbleitermodule mit IGBTs beschränkt, sondern lässt sich selbstverständlich auf sämtliche Leistungshalbleitermodule mit wie auch immer ausgebildeten Leistungsschaltern, die beispielsweise als MOSFET, JFET, Thyristor, Bipolartransistor oder dergleichen ausgebildet sein können, erweitern. Darüber hinaus ließe sich die Regelschaltung 14 selbstverständlich auch durch eine beliebig andere Regel- oder Steueranordnung realisieren.In the above exemplary embodiments, the invention was explained on the basis of a circuit breaker designed as an IGBT. However, the invention is not limited exclusively to power semiconductor modules with IGBTs, but can of course also be extended to all power semiconductor modules with power switches of any kind, which can be designed, for example, as a MOSFET, JFET, thyristor, bipolar transistor or the like. About that In addition, the control circuit 14 could of course also be realized by any other control or control arrangement.
Nachfolgend wird die Realisierung der Erfindung anhand dreier Layoutbeispiele eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls im Vergleich zu einem herkömmlichen Leistungshalbleitermodul dargestellt .The implementation of the invention is illustrated below using three layout examples of a power module according to the invention in comparison to a conventional power semiconductor module.
Figur 8 zeigt das bekannte Layoutbeispiel eines Leistungshalbleitermoduls 100 mit durch Leiterbahnen gebildeten parasitären Inpedanzen. Das Leistungshalbleitermodul 100 weist hier insgesamt sechs Leistungsschalter, die jeweils in einem gesonderten Chip 101 - 106 angeordnet sind, auf. Jeweils ein Chip 101 - 106 ist auf einem gesonderten Substratträger (DCB) 111 - 116 gebondet . Jeweils ein Leistungsschalter ist über externe Gateanschlüsse Gl - G6 und externe Emitteranschlüsse El -E6 verbunden.FIG. 8 shows the known layout example of a power semiconductor module 100 with parasitic impedances formed by conductor tracks. The power semiconductor module 100 here has a total of six power switches, each of which is arranged in a separate chip 101-106. One chip 101-106 is bonded on a separate substrate carrier (DCB) 111-116. A circuit breaker is connected via external gate connections Gl - G6 and external emitter connections El -E6.
Im Unterschied dazu weist das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul 100 entsprechend Figur 4, welches durch Leiterbahnen gebildete parasitäre Induktivitäten aufweist, neben den sechs Emitteranschlüssen El - E6 sechs weitere Hilfsemit- teraschlüsse EH1 - EH2 auf. Jeweils ein erster Hilfsemitter- anschluss El - E6 kontaktiert hier einen jeweiligen Substratträger 111 - 116, auf dem der jeweilige Leistungsschalter angeordnet ist. Jeweils ein zweiter Hilfsemitteranschluss EH1 - EH6 kontaktiert den Chip 101 - 106 des Leistungsschalters selbst. Es wird damit die Induktivität der Bonddrähte abge- griffen. Figur 4 stellt somit eine Implementierung der Schaltungsvariante der Figuren 1 und 2 dar.In contrast to this, the power semiconductor module 100 according to the invention according to FIG. 4, which has parasitic inductances formed by conductor tracks, in addition to the six emitter connections E1-E6, has six further auxiliary emitter connections EH1-EH2. In each case, a first auxiliary emitter connection E1-E6 contacts a respective substrate carrier 111-116 on which the respective circuit breaker is arranged. In each case, a second auxiliary emitter connection EH1-EH6 contacts the chip 101-106 of the circuit breaker itself. The inductance of the bond wires is thus tapped. Figure 4 thus represents an implementation of the circuit variant of Figures 1 and 2.
Im Unterschied dazu wird in Figur 5 der Widerstand an einer mäanderförmig ausgebildeten Leiterbahn 121 - 126, die eine Widerstandstrecke bildet, abgegriffen. Figur 5 stellt somit eine Implementierung der Schaltungsvariante in Figur 3 dar. In Figur 5 kontaktieren die ersten Hilfsemitteranschlüsse El - E6 wiederum einen Substratträger 111 - 116, während die zweiten Hilfsemitteranschlüsse EH1 - EH6 jeweils eine mäan- derförmige Leiterbahn 121 - 126 in der Nähe des Chips 101 - 106 kontaktieren.In contrast to this, the resistance is tapped in FIG. 5 on a meandering conductor track 121-126, which forms a resistance path. FIG. 5 thus represents an implementation of the circuit variant in FIG. 3. In FIG. 5, the first auxiliary emitter connections contact E1 E6 in turn a substrate carrier 111-116, while the second auxiliary emitter connections EH1-EH6 each contact a meandering conductor track 121-126 in the vicinity of the chip 101-106.
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Das Layoutbeispiel in Figur 6 zeigt eine Kombination der beiden Layoutbeispiele gemäß der Figuren 4 und 5, dass heißt hier wird sowohl die Induktivität der Bonddrähte sowie der Widerstand der mäanderförmigen Leiterbahn 121 - 126 abgegrif-The layout example in FIG. 6 shows a combination of the two layout examples according to FIGS. 4 and 5, which means that both the inductance of the bonding wires and the resistance of the meandering conductor track 121-126 are tapped off here.
.0 fen. Zu diesem Zweck kontaktieren die ersten Hilfsemitteranschlüsse El - E6 den Substratträger 111 - 116, während die zweiten Hilfsemitteranschlüsse EH1 - EH6 jeweils einen Chip 101 - 106 kontaktieren..0 fen. For this purpose, the first auxiliary emitter connections E1-E6 contact the substrate carrier 111-116, while the second auxiliary emitter connections EH1-EH6 each contact a chip 101-106.
L5 Im Unterschied zu Figur 6 ist in dem Layoutbeispiel in Figur 7 die Impendanzstruktur schneckenförmig ausgebildet. Die Hilfsemitter El - E6, EH1 - EH6 kontaktieren dabei die Leiterbahnen 121 - 126 in ihrem Zentrum und andererseits die Substratträger 111 - 116.L5 In contrast to FIG. 6, in the layout example in FIG. 7, the impedance structure is helical. The auxiliary emitters E1-E6, EH1-EH6 contact the conductor tracks 121-126 in their center and, on the other hand, the substrate carriers 111-116.
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Der besseren Übersicht wegen wurden in den vorstehenden Figuren 4 - 8 nicht sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet.For the sake of clarity, not all of the reference numerals have been drawn in FIGS.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch das Be- 25 reitstellen von zwei zusätzlichen Hilfsemitteranschlüssen, an denen eine definierte Spannung einer lastseitigen Impedanz eines Leistungshalbleitermoduls abgreifbar ist, auf sehr einfache, jedoch nichts desto Trotz sehr effektive Weise eine definierte Regelung der Spannung über der gesteuerten Strecke 30 eines Leistungsschalters in einem Leistungshalbleitermodul möglich ist. BezugszeichenlisteIn summary, it can be stated that by providing two additional auxiliary emitter connections, at which a defined voltage of a load-side impedance of a power semiconductor module can be tapped, in a very simple but nonetheless very effective way, a defined regulation of the voltage over the controlled path 30 of a circuit breaker in a power semiconductor module is possible. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Leistungshalbleitermodul1 power semiconductor module
5 2 Gehäuse5 2 housing
3 - 5 Anschlusselemente, Kontaktanschlüsse3 - 5 connection elements, contact connections
6, 7 Kontaktanschlüsse der Hilfsemitter6, 7 contact connections of the auxiliary emitters
10 Leistungsschalter10 circuit breakers
L0 11 (parasitäre) Induktivität, StreuinduktivitätL0 11 (parasitic) inductance, leakage inductance
11' Verbindungsleitung11 'connecting line
12 Ansteuerschaltung12 control circuit
13 (Vor) Widerstand13 (pre) resistance
14 Regelungsschaltung L5 15 Spannungsteiler14 Control circuit L5 15 voltage divider
16 MOSFET, steuerbarer Schalter16 MOSFET, controllable switch
17 Zenerdiode17 zener diode
18, 19 Verbindungsleitungen18, 19 connecting lines
20 Mittelabgriff20 center tap
20 21 Zenerdiode20 21 Zener diode
22 Eingang der Ansteuer-Schaltung22 Input of the control circuit
23 Ausgang der Ansteuer-Schaltung23 Output of the control circuit
24 Eingang der Dioden-Schaltung24 Input of the diode circuit
25 Ausgang der Dioden-Schaltung 2525 Output of the diode circuit 25
30 Shunt-Widerstand30 shunt resistance
31 Komparator31 comparator
32 programmgesteuerte Einheit32 program-controlled unit
33 Ausgang des Komparators 30 34 Verbindungsleitung33 Output of the comparator 30 34 connecting line
100 Leistungshalbleitermodul 101...106 Chip 111...116 Substratträger 35 121...126 Leiterbahnen100 power semiconductor module 101 ... 106 chip 111 ... 116 substrate carrier 35 121 ... 126 conductor tracks
U6, U7 Potential an den Hilfsemittern U12 Ausgangssignal der AnsteuerschaltungU6, U7 potential at the auxiliary emitters U12 output signal of the control circuit
U14 Ausgangssignal der RegelschaltungU14 output signal of the control circuit
U16 AusgangsignalU16 output signal
U20 AnsteuersignalU20 control signal
U25 Ausgangssignal der DiodenreihenschaltungU25 output signal of the diode series connection
U31 Ausgangssignal des KomparatorsU31 output signal of the comparator
Gl...G6 GateanschlüsseGl ... G6 gate connections
E1...E6 HilfsemitterE1 ... E6 auxiliary emitter
EH1... EH6 HilfsemitterEH1 ... EH6 auxiliary emitter
G GateanschlussG gate connection
E EmitteranschlussE emitter connection
C KollektoranschlussC collector connection
IL Laststrom IL load current

Claims

Patentansprüche claims
1. Leistungshalbleitermodul 1 mit1. Power semiconductor module 1 with
einem Gehäuse (2), das vom Inneren nach Außen führende elektrische Kontaktelemente (3 - 5) aufweist,a housing (2) which has electrical contact elements (3 - 5) leading from the inside,
einem einen Steueranschluss (G) und Lastanschlusse (E, C) aufweisenden steuerbaren Leistungsschalter (10) unda controllable circuit breaker (10) and a control connection (G) and load connections (E, C)
elektrischen Verdrahtungselementen, die jeweils den Steueranschluss (G) und die Lastanschlusse (E, C) mit den Kontaktelementen (3 - 5) verbinden,electrical wiring elements that connect the control connection (G) and the load connections (E, C) to the contact elements (3 - 5),
wobei zumindest zwei vom Inneren des Gehäuses (2) nach Außen führende, weitere Kontaktelemente (6, 7) vorgesehen sind, die mit mindestens einem in Reihe zu einer Laststrecke des Leistungsschalter (10) liegenden, lastseitigen Verdrah- tungselement (11') derart verbunden sind, dass eine über der durch dieses lastseitige Verdrahtungselement (11') gebildete lastseitigen Impedanz (11, 30) abfallende Spannung (U6 - U7) von Außen abgreifbar ist.At least two further contact elements (6, 7) leading from the inside of the housing (2) are provided, which are connected in this way to at least one load-side wiring element (11 ') lying in series with a load path of the circuit breaker (10) are that a voltage (U6 - U7) falling across the load-side impedance (11, 30) formed by this load-side wiring element (11 ') can be tapped from the outside.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine lastseitige Impedanz (30) resistiv ist .2. Power semiconductor module according to claim 1, characterized in that at least one load-side impedance (30) is resistive.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die resistive Impedanz (30) als Shunt-Widerstand (30) ausgebildet ist.3. Power semiconductor module according to claim 2, characterized in that the resistive impedance (30) is designed as a shunt resistor (30).
4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine lastseitige Impedanz (11) induktiv ist.4. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that that at least one load-side impedance (11) is inductive.
5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Impedanz (11) eine parasitäre Impedanz (11) ist, die aus elektrischen Verbindungsleitungen (11'), die innerhalb des Leistungshalbleitermoduls (1) mit Lastan- schlüssen (E) verbunden sind, gebildet ist.5. Power semiconductor module according to claim 4, characterized in that the inductive impedance (11) is a parasitic impedance (11) made of electrical connecting lines (11 ') which are connected within the power semiconductor module (1) to load connections (E) , is formed.
LOLO
6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Leistungsschalter (10) als Insulated- Gate Bipolar Transistor oder als Thyristor ausgebildet ist.6. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that at least one power switch (10) is designed as an insulated gate bipolar transistor or as a thyristor.
L 5L 5
7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Leistungsschalter (10) als Leistungs- MOSFET oder als Leistungs-JFET ausgebildet ist.7. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that at least one power switch (10) is designed as a power MOSFET or as a power JFET.
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8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) mindestens zwei Leistungsschaltern (10) vorgesehen sind, bei denen jeweils ein weiterer An- 25 schluss einen gemeinsamen Anschluss dieser Leistungsschalter bildet.8. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that at least two power switches (10) are provided in the housing (2), in each of which a further connection forms a common connection of these power switches.
9. Schaltungsanordnung9. Circuit arrangement
30 mit einem Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,30 with a power semiconductor module (1) according to one of the preceding claims,
mit einer den Steueranschluss (G) des mindestens einen Leistungsschalters (10) ansteuernden Ansteuerschaltung (12), 35 die eingangsseitig über ein weiteres Kontaktelement (6) und die ausgangsseitig über ein erstes Kontaktelement (3) für den Steueranschluss (G) mit dem Leistungshalbleitermodul (1) verbunden ist,with a control circuit (12), which controls the control connection (G) of the at least one circuit breaker (10), 35 on the input side via a further contact element (6) and on the output side via a first contact element (3) for the Control connection (G) is connected to the power semiconductor module (1),
mit einer Regelungsschaltung (14) zur Regelung der Stromanstiegsgeschwindigkeit eines Laststromes (IL) an dem Leistungsschalter (10) , die eingangsseitig zwischen den beiden weiteren Kontaktelementen (6) angeordnet ist und die ausgangsseitig mit dem Steueranschluss (G) des Leistungsschalters (10) verbunden ist.with a control circuit (14) for regulating the rate of current rise of a load current (IL) on the circuit breaker (10), which is arranged on the input side between the two further contact elements (6) and which is connected on the output side to the control connection (G) of the circuit breaker (10) ,
.0.0
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsschaltung (14) einen Komparator (31) aufweist, dem ausgangsseitig eine programmgesteuerte Einheit L5 (32) nachgeschaltet ist, der die Ansteuerschaltung (12) ansteuert .10. Circuit arrangement according to claim 9, characterized in that the control circuit (14) has a comparator (31), the output side of which is followed by a program-controlled unit L5 (32) which controls the control circuit (12).
11. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,11. Power semiconductor module according to one of claims 9 or 10, characterized in that
20 dass die Regelungsschaltung (14) einen zwischen den weiteren Kontaktelementen (6) angeordneten Spannungsteiler (15) aufweist, dessen Mittelabgriff (20) mit einem Steueranschluss eines steuerbaren Schalters (16) verbunden ist, wobei der steuerbare Schalter (16) ausgangsseitig ein erstes Ansteuer-20 that the control circuit (14) has a voltage divider (15) arranged between the further contact elements (6), the center tap (20) of which is connected to a control connection of a controllable switch (16), the controllable switch (16) having a first control on the output side -
25 signal (U16) zur Ansteuerung des Steueranschlusses (G) des Leistungsschalters (10) bereitstellt, welches einem von der Ansteuerschaltung (12) bereitgestellten zweiten Ansteuersignal (U12) überlagert wird.25 signal (U16) for controlling the control connection (G) of the circuit breaker (10), which is superimposed on a second control signal (U12) provided by the control circuit (12).
30 12. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsschaltung (14) zumindest zwei antiparallel zueinander angeordnete Zenerdioden (17, 21) aufweist, wobei diese eingangsseitig mit einem der weiteren Kontaktele-12. Power semiconductor module according to one of claims 9 or 10, characterized in that the control circuit (14) has at least two antiparallel arranged Zener diodes (17, 21), the input side having one of the further contact elements
35 mente (6) und ausgangsseitig mit dem Steueranschluss (G) des Leistungsschalters (10) verbunden sind und ein erstes Ansteuersignal (U25) erzeugen, welches einem von der Ansteuerschal- tung (12) bereitgestellten zweiten Ansteuersignal (U12) überlagert wird. 35 elements (6) and on the output side are connected to the control connection (G) of the circuit breaker (10) and generate a first control signal (U25), which one of the control switch device (12) provided second control signal (U12) is superimposed.
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