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Dokumentenidentifikation DE102005054543A1 31.05.2007
Titel Halbleiterschalter mit integrierter Ansteuerschaltung
Anmelder Köllensperger, Peter, 52074 Aachen, DE
Erfinder Köllensperger, Peter, 52074 Aachen, DE;
Doncker, Rik. W. A. A., Leuven, BE
DE-Anmeldedatum 14.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005054543
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 25/04(2006.01)A, F, I, 20051114, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/051(2006.01)A, L, I, 20051114, B, H, DE   H03K 17/72(2006.01)A, L, I, 20051114, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aktuell werden abschaltbare thyristorbasierte Halbleiterschalter überwiegend in Form von Gate-Turn-Off (GTO) und Gate-Commutated Thyristoren (GCTs) eingesetzt. Diese unterscheiden sich unter anderem durch ihre Ansteuerschaltungen (= Treiberstufen). Während des Ausschaltvorganges fließt im Falle des GTOs ein Teil des Anodenstromes bzw. im Falle des GCTs der komplette Anodenstrom durch den Gateanschluss aus dem Bauteil. Um ein sicheres Abschalten gewährleisten zu können, muss die Kommutierung während des Abschaltvorganges sehr schnell ablaufen, d.h. die Streuinduktivität im Kommutierungspfad muss gering sein. Dies ist insbesondere bei GCT Treiberstufen sehr kritisch, weshalb dort der Leistungshalbleiter direkt in der Treiberstufenplatine montiert wird. Um während des Abschaltvorganges trotz der im Gate-Kathoden Pfad vorhandenen Streuinduktivität eine schnelle Kommutierung sicherzustellen, wird bei GCT Treiberstufen eine Hilfsspannung mit Hilfe von Kondensatoren bereitgestellt. Zusätzliche Halbleiterschalter, üblicherweise MosFETs, werden verwendet um den Gate-Strom zu schalten. Im Gegensatz zum Ausschaltvorgang ist das Einschalten eines thyristorbasierten Halbleiterschalters einfacher zu realisieren.

GTOs können im Allgemeinen nicht ohne ein zusätzliches Entlastungsnetzwerk betrieben werden. Dadurch wird der Einsatz erschwert, was zu einer Ablösung durch GCTs führt. Diese können ohne Ausschaltentlastung in Umrichterschaltungen verwendet werden, wobei sich allerdings aus der Notwendigkeit eines niederinduktiven Kommutierungspfades eine aufwendige Ansteuerung ergibt.

Durch die Montage des GCTs in einer Aussparung der Treiberstufe, befindet er sich in unmittelbarer Nähe zu den auf der Treiberstufe notwendigen Kondensatoren. Da für diese häufig Elektrolytkondensatoren eingesetzt werden, kann ihre thermische Belastung durch den heißen GCT ein Problem für die Zuverlässigkeit der Treiberstufe darstellen. Darüber hinaus wird durch die relativ große Treiberstufe viel Platz in unmittelbarer Nähe des Leistungshalbleiterschalters benötigt, was bei der Konstruktion von Umrichtern zu Einschränkungen führt.

Ein weiteres Problem stellt die Sicherstellung der Isolationskriechstrecken dar. Insbesondere beim Einsatz von Luftkühlkörpern befindet sich die Treiberstufe in unmittelbarer Nähe der (großen) Kühlkörper.

Da der GCT direkt in der Platine befestigt werden muss und GCTs mit verschiedenen Durchmessern existieren, muss die Treiberstufe individuell auf jeden GCT angepasst werden, was eine große Anzahl unterschiedlicher Treiberstufen notwendig macht.

Die Hilfsspannung zur Unterstützung der Kommutierung wird im Allgemeinen so groß wie möglich (im Bereich von 20 V) gewählt. Bei der Nachladung der Kondensatoren führt dies zu einer hohen Leistungsaufnahme der Treiberstufe, die mit zunehmender Schaltfrequenz der GCTs stark ansteigt.

Der abzuschaltende Strom wird bei GCTs komplett aus dem Gate-Anschluss herausgeführt. Da die Kondensatoren und MosFET-Schalter auf der Treiberstufenplatine montiert sind, muss diese einen sehr hohen Strom führen können.

Die verwendeten MosFET-Schalter weisen üblicherweise Bonddrähte in ihrem Gehäuse auf, deren Zuverlässigkeit durch die kurzen Stromspitzen während des Abschaltvorganges des GCTs beeinträchtigt wird.

Beim Betrieb von Halbleiterschaltern mit mehr als einem Steueranschluss, wie z.B. in der US Patentschrift 2003/0062535 A1 beschrieben, sind im Allgemeinen mehr als eine Ansteuerschaltung notwendig. Liegen die Steueranschlüsse auf stark unterschiedlichem elektrischen Potential, so müssen die Ansteuerschaltungen galvanisch getrennt aufgebaut werden. Im Betrieb ist die sichere elektrische Trennung von nah beieinander liegenden Ansteuerschaltungen problematisch, was den Betrieb eines solchen Bauteils deutlich erschwert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kombination aus Hochleistungshalbleiter und Treiberstufe dahingehend zu vereinfachen, dass sich eine bessere Ansteuerung und eine optimale Ausnutzung des Hochleistungshalbleiters ergibt. Darüber hinaus soll der Einsatz in Umrichtern vereinfacht werden.

Durch Integration von Teilen der Treiberstufe in das Gehäuse des GCTs, können wesentliche Vorteile erreicht werden. So können z.B. zur Realisierung einer integrierten Ausschalteinheit neuartige DirectFETs zusammen mit keramischen Multi-Layer Kondensatoren zu einer sehr kompakten und temperaturfesten Abschalteinheit zusammengefasst und in direkter Nähe des GCT-Wafers innerhalb des Druckkontakt Gehäuses positioniert werden.

Damit ergibt sich die Möglichkeit der räumlichen Trennung der restlichen Treiberstufe von dem GCT mit Abschalteinheit unter Verwendung eines Verbindungskabels. Dieses ist ansonsten aufgrund der unvermeidbaren induktiven und ohmschen Impedanzen des Kabels nicht möglich.

Die Kapazität der Abschalteinheit wird in der Praxis durch eine Parallelschaltung von mehreren Kondensatoren realisiert. Dadurch kann der Kapazitätswert erhöht und der Innenwiderstand der Parallelschaltung sowie die Strombelastung der einzelnen Kondensatoren reduziert werden. Durch die Verwendung von keramischen Multi-Layer Kondensatoren können ausreichend hohe Kapazitätswerte in kleinen Volumina bereitgestellt werden.

Der in der Ausschalteinheit benötigte Hilfsschalter wird üblicherweise auch durch eine Parallelschaltung von MosFETs realisiert. Für die Integrierbarkeit der Abschalteinheit ist ein kleines Volumen erforderlich, daher sind Standard MosFETs in Plastikgehäusen nicht vorteilhaft. Die verwendeten DirectFETs der Firma International Rectifier werden in einem sehr kompakten Metallgehäuse geliefert, dessen Größe die des MosFET-Chips kaum überschreitet.

An dem GCT-Wafer sind zur Realisierung der Erfindung keine Änderungen im Vergleich zu bestehenden Bauteilen erforderlich.

Teile der Einschaltstufe können ebenfalls vorteilhafterweise in das Gehäuse integriert werden.

Beim Betrieb von Halbleiterschaltern mit mehr als einem Steueranschluss können auch Ansteuerfunktionen für mehr als einen Steueranschluss in das Gehäuse integriert werden.

Durch die Integration von Teilen der Treiberstufe in das Gehäuse der Hochleistungshalbleiter ergeben sich unter anderem die folgenden Vorteile:

  • • Der Gatestrom verlässt das Bauteil nicht:
  • • einfache Ansteuerbarkeit durch „Resttreiberstufe"
  • • hohe Ströme bleiben innerhalb des Gehäuses des Hochleistungshalbleiters
  • • Keine Bonddrähte in der Abschalteinheit, dadurch höhere Zuverlässigkeit
  • • Keine Elektrolytkondensatoren mehr erforderlich, dadurch höhere Zuverlässigkeit
  • • Besseres Abschaltverhalten zu erwarten, da deutlich niedrigere Streuinduktivität im Gate-Kathoden Kommutierungspfad
  • • Spannung der Kondensatoreinheit in der Abschaltstufe kann aufgrund der niedrigeren Streuinduktivität verringert werden. Dadurch wird die Nachladeleistung deutlich reduziert. Da diese bei üblichen Taktfrequenzen häufig die Gesamtleistungsaufnahme der Treiberstufe dominiert, ergibt sich ein erheblich reduzierter Leistungsbedarf. Insbesondere bei Hochspannungsanwendungen können damit erhebliche Kosten eingespart werden.
  • • Da nur noch relativ geringe Ströme von einigen Ampere von der Treiberstufe zum Hochleistungshalbleiter fließen und eine niederinduktive Ansteuerung nicht mehr zwingend ist, kann eine Ansteuerung über Kabel realisiert werden, d.h. die Treiberstufe muss nicht direkt am Bauteil montiert werden. Dadurch wird ein kompakteres Umrichterdesign möglich.
  • • Durch die Integration von Teilen der Treiberstufe wird das Gesamtvolumen der Einheit (Hochleistungshalbleiter + Treiberstufe) verringer.
  • • Falls die Ausschaltstufe und eventuell auch die Einschaltstufe in den Hochleistungshalbleiter integriert wird, kann eine einheitliche Treiberstufe für Hochleistungshalbleiter verschiedener Stromklassen verwendet werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit der individuellen Anpassung der Treiberstufen an die Hochleistungshalbleiter.
  • • Die nicht integrierten Teile der Ansteuerschaltung müssen weiterhin auf einer externen Platine aufgebaut werden. Allerdings kann diese deutlich einfacher, d.h. auch mit deutlich weniger Bauteilen, realisiert werden. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Ansteuerschaltung erhöht.
  • • Durch die Möglichkeit der räumlichen Trennung von Treiberstufe und GCT ergeben sich auch Vorteile bezüglich der Isolationskriechstrecken bei der Realisierung von Umrichterschaltungen.
  • • Beim Betrieb von Halbleiterschaltern mit mehr als einem Steueranschluss kann bei Integration von Teilen der Ansteuerschaltungen eine größere räumliche Trennung der restlichen Teile der Ansteuerschaltungen erreicht werden, z.B. durch Verwendung einer Kabelverbindung.
  • • Bei einer Serienschaltung mehrerer Halbleiterschalter mit jeweils mehr als einem Steueranschluss kann bei Zusammenfassung von Teilen der jeweiligen Ansteuerschaltungen auf einer Platine eine wesentliche Reduktion der Anzahl der notwendigen Treiberschaltungen erreicht werden.

Im Folgenden werden einige beispielhafte Realisierungsformen beschrieben. Neben den aufgeführten Varianten existieren auch noch andere Möglichkeiten, die hier nicht aufgeführt werden.

zeigt eine mögliche Realisierungsform. Die äußere Gehäuseform entspricht in ihren Grundzügen einem Zylinder und ist heute Standard bei thyristorbasierten Hochleistungshalbleitern. zeigt einen senkrechten Schnitt durch das Gehäuse. Die wesentlichen Bestandteile sind mit Ziffern bezeichnet und in Tabelle I beschrieben.

Der Gehäuseteil a (1) wird üblicherweise aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. einem keramischen Werkstoff, gefertigt. Die Gehäuseteile c und d (8, 10) müssen elektrisch und thermisch leitfähig sein und werden vorteilhafterweise aus Kupfer gefertigt. Die von außen sichtbare Konstruktion entspricht im Wesentlichen der heute üblicher Druckkontakt-Gehäuse. Der Hochleistungshalbleiter (11) wird unter Zuhilfenahme von Unterlegscheiben (3, 9) zwischen den Gehäuseteilen b (4) und d (10) montiert. In der Mitte von 11 befindet sich in auf der Unterseite der Steueranschluss (= Gateanschluss), der mit Hilfe eines Kontaktstückes (13) kontaktiert wird. Ein Federelement (14) stellt dabei einen guten Kontakt sicher. Die in das Gehäuse integrierte Ausschaltstufe bestehend aus 5, 6, 7 und 15 wird unmittelbar unter 13 montiert und auch damit verbunden. Darüber hinaus ist eine Seite der Kondensatoren (7) mit dem Gehäuseteil b (4) verbunden. Insgesamt ergibt sich elektrische eine Schaltung, die in in dem mit „Druckkontakt-Gehäuse" beschrifteten Kasten abgebildet ist. Die Passivierung (2) stellt die Isolationsfestigkeit des Hochleistungshalbleiters (11) sicher. Die Verwendung des Teils 5 (Widerstand) stellt eine vorteilhafte Ausführungsform dar, ist jedoch für die Funktion nicht notwendig. Eine Durchführung (16) ermöglicht den Anschluss der sich innerhalb des Gehäuses befindlichen Schaltungsteile an die restliche Ansteuerschaltung. Diese Durchführung kann auf verschiedenste Arten realisiert werden.

Die Anordnung der Ausschalteinheit direkt unter dem Hochleistungshalbleiter ist vorteilhaft aber nicht zwingend erforderlich.

Eine weitere Realisierungsmöglichkeit stellt die dar. Die äußere Gehäuseform ist ähnlich der Ausführungsform von . Die wesentlichen Bestandteile sind mit Ziffern bezeichnet und in Tabelle I beschrieben. Ein Unterschied zur Realisierungsmöglichkeit von stellt die Anordnung der in das Gehäuse integrierten Treiberstufenteile (5, 6, 7 und 15) dar. In der in gezeigten Form ist die Ausschaltstufe (5, 6, 7 und 15) ringförmig um den Hochleistungshalbleiter (11) angeordnet. Abweichend zur Ausführungsform von muss der Hochleistungshalbleiter (11) einen Steueranschluss im Außenbereich des Wafers aufweisen. Vorteilhafterweise wird der Steueranschluss ringförmig ausgeführt, was bei aktuell verfügbaren GCTs zum Teil schon der Fall ist.

Zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern mit zwei Steueranschlüssen („double gated devices"), wie z.B. double gated GCTs, kann eine Anordnung wie in verwendet werden. Die wichtigsten Bestandteile sind mit Ziffern bezeichnet und in Tabelle I beschrieben. Im Unterschied zur sind Ansteuerschaltungen auf beiden Seiten des Wafers vorhanden.

Neben der Ausschalteinheit können auch Einschalteinheit und die restlichen Treiberstufenbestandteile in Teilen oder komplett integriert werden. Mögliche Ausführungsformen zeigen die horizontalen Schnitte durch das Gehäuse in den bis . Dabei ist der Hochleistungshalbleiter im Radius verkleinert gezeichnet um die Sicht auf die verschiedenen Teile der integrierten Treiberstufe nicht zu verdecken.

Die wesentlichen Bestandteile sind mit Ziffern bezeichnet und in Tabelle II beschrieben.

In der möglichen Realisierungsform, die in gezeigt ist, sind die in der Summe die Ausschaltstufe bildenden Teile (2) der Treiberstufe kreisförmig um den Hochleistungshalbleiter (4) angeordnet. Dabei ist die Anzahl der Teile der Ausschaltstufe variabel und kann von der hier gezeigten Anzahl variieren. Unter anderem ist hier auch eine kreisförmige Ausführung auf einer Platine denkbar. Eine Durchführung (7) ermöglicht den Anschluss der sich innerhalb des Gehäuses befindlichen Schaltungsteile an die restliche Ansteuerschaltung. Diese Durchführung kann auf verschiedenste Arten realisiert werden.

In ist zusätzlich die Integration der in der Summe die Einschaltstufe bildenden Teile (3) gezeigt. Auch hierbei kann die Anzahl variieren und insbesondere können auch weitere Teile der Einschaltstufe außerhalb des gezeigten Gehäuses angebracht werden.

In sind zusätzlich zu der Ausführungsform von weitere Teile der Treiberstufe in das Gehäuse integriert. Auch hierbei kann die Anzahl variieren und insbesondere können auch weitere Teile der Treiberstufe außerhalb des gezeigten Gehäuses angebracht werden.

In ist eine Variante der in gezeigten Ausführungsform gezeigt.

In ist eine Variante der in gezeigten Ausführungsform gezeigt.

zeigt den Aufbau einer konventionelle Treiberstufen-GCT Kombination. Dabei wird nur der GCT (S1) im Druckkontakt-Gehäuse montiert. Die Ausschaltstufe bestehend aus dem Schalter S2 (hier als MosFET gezeichnet) und dem Kondensator C1 ist dagegen auf der Treiberstufenplatine platziert. Ebenso sind dort die Einschaltstufe (vereinfacht dargestellt durch R5) sowie die Stromversorgung (U1, U2) und restliche Treiberfunktionen realisiert.

In ist eine mögliche Realisierungsform der Integration der Ausschaltstufe, bestehend aus dem Schalter S2 und dem Kondensator C1, in das Druckkontakt-Gehäuse des Hochleistungshalbleiters S1 gezeigt. Die Widerstände R1, R2, R3 und R4 bilden zusammen mit den Induktivitäten L1, L2, L3 und L4 das Verbindungskabel nach. Weitere Teile der Treiberstufe sind im Kasten „Externe Treiberstufe" gezeigt.


Anspruch[de]
Vorrichtung zum Betreiben eines in einem Gehäuse untergebrachten Halbleiterschalters (S1), der über einen Steueranschluss (Gate) verfügt und dessen Leitzustand sich mit diesem Steueranschluss beeinflussen lässt, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Ansteuerschaltung in einem Gehäuse mit dem Halbleiterschalter untergebracht sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbleiterschalter S1 um einen thyristorbasierten Halbleiterschalter handelt. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbleiterschalter S1 um einen Gate-Commutated Thyristor (GCT) handelt. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbleiterschalter S1 um einen Gate-Turn-off Thyristor (GTO) handelt. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbleiterschalter S1 um einen Zero-Turn-off Thyristor (ZTO) handelt. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbleiterschalter S1 um einen Gate-Assisted-Turn-off Thyristor (GATT) handelt. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung eine Vorrichtung zum Ausschalten (Ausschaltstufe) des Halbleiterschalters S1 enthält. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltstufe Halbleiterschalter enthält. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltstufe MosFETs enthält. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltstufe Kondensatoren enthält. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung eine Vorrichtung zum Einschalten (Einschaltstufe) des Halbleiterschalters S1 enthält. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltstufe Halbleiterschalter enthält. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltstufe MosFETs enthält. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltstufe Kondensatoren enthält. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltstufe Induktivitäten enthält. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Ansteuerschaltung um eine Kombination aus Ein- und Ausschaltstufe handelt. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den in der Ansteuerschaltung enthaltenen Halbleiterschaltern um DirectFETs der Firma International Rectifier handelt. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den in der Ansteuerschaltung enthaltenen Kondensatoren um keramische Kondensatoren handelt. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem entstehenden Bauteil um einen Mos-Turn-Off Thyristor (MTO) handelt („Integrierter MTO"). Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem entstehenden Bauteil um einen Emitter-Turn-Off Thyristor (ETO) handelt („Integrierter ETO"). Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Ansteuerschaltung außerhalb des Gehäuses des Hochleistungshalbleiters angebracht sind. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Kondensators C1 außerhalb des Gehäuses des Hochleistungshalbleiters angebracht sind. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gehäuse integrierte Ansteuerschaltung keine Ein- und Ausschaltstufen enthält. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gehäuse integrierte Ansteuerschaltung Überwachungsfunktionen enthält. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gehäuse integrierte Ansteuerschaltung eine Nullspannungserkennung nach Art der in der US Patentschrift 5 166 549 beschriebenen Schaltungsanordnung enthält. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gehäuse integrierte Ansteuerschaltung eine Spannungsüberwachung nach Art der in der Deutschen Patentschrift 10 2004 028 648 beschriebenen Schaltungsanordnung enthält. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die komplette Ansteuerschaltung ins Gehäuse integriert ist. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den Hochleistungshalbleiter und die Ansteuerschaltung umfassende Gehäuse aus mehreren Teilgehäusen zusammen gesetzt ist. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungshalbleiter in einem eigenen Gehäuse montiert ist. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Hochleistungshalbleiter in einem Keramikgehäuse montiert ist und dieses Keramikgehäuse zusammen mit der Ansteuerschaltung in einem umfassenden Gehäuse aus dem gleichen oder einem anderen Material untergebracht ist. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Hochleistungshalbleiter über mehr als einen Steueranschluss verfügt und mindestens einer davon mit mindestens einer Ansteuerschaltung verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verschaltung mehrerer Vorrichtungen nach Anspruch 31 die jeweiligen Ansteuerschaltungen teilweise oder komplett zusammengefasst werden.






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