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DE29823619U1 - Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit schwingungsgedämpfter Parallelschaltung - Google Patents

Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit schwingungsgedämpfter Parallelschaltung

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Publication number
DE29823619U1
DE29823619U1 DE29823619U DE29823619U DE29823619U1 DE 29823619 U1 DE29823619 U1 DE 29823619U1 DE 29823619 U DE29823619 U DE 29823619U DE 29823619 U DE29823619 U DE 29823619U DE 29823619 U1 DE29823619 U1 DE 29823619U1
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DE
Germany
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chips
emitter
circuit arrangement
dcb
insulating
Prior art date
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Application number
DE29823619U
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English (en)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Original Assignee
Semikron GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semikron GmbH and Co KG filed Critical Semikron GmbH and Co KG
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Description

17.08.98/PD807
SEMIKRON Elektronik GmbH Sigmundstraße 200, D-90431 Nürnberg Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit schwingungsgedämpfter Parallelschaltung Beschreibung
Die Erfindung beschreibt eine Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach den Merkmalen des Anspruches 1. Schaltungsanordnungen mit Leistungsschaltern insbesondere IGBT (Insulated- Gate- Bipolar- Transistor) sind mehrfach aus der Literatur durch Beschreibung bekannt. Die zwischenzeitlich erlangte Komplexität des Aufbaus und der Vielfältigkeit der Wirkprinzipien von Schaltungsanordnungen ermöglichen es, nur Teilgebiete dieses umfangreichen Wissensfeldes zum Gegenstand von erfinderischen Lösungen zu behandeln.
So können die aktiven Leistungsbauelemente, wie Leistungsschalter und/oder Freilaufdioden, die passiven Bauelemente, wie Widerstände und/oder Kondensatoren, deren Aufbauten auf Isolierkeramiken mit den dazugehörenden Verbindungstechniken zu den äußeren Anschlüssen oder die Ansteuerung der Schaltungsanordnung Gegenstand der beschreibenden Erklärungen sein. In jedem Falle wird durch neue Veröffentlichungen der weiteren Entwicklung von Schaltungsanordnungen durch Optimieren eines Teilfachgebietes Rechnung getragen.
• ··
• a
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In früheren Veröffentlichungen, wie DE 41 05 155 Al, sind Maßnahmen und Vorschläge für ein eng benachbartes Aufbauen von Kommutierungskreisen der Schaltungsanordnungen
beschrieben, dort wird ausgeführt, daß ein induktivitätsarmer Aufbau bereits in der kleinsten Zelle, dem vorzugsweise auf DCB- Keramiken (Direct Copper Bonding) gelöteten
Kommutierungskreis, bestehend aus mindestens einem Schalttransistor (IGBT oder MOSFET) und mindestens einer Freilaufdiode, erforderlich ist.
Neben dem beabsichtigten und konstruktiv geplanten Verhalten von Schaltungsanordnungen, insbesondere solcher mit hoher Packungsdichte und hohen Leistungsaufnahmen, ergeben sich Wechselwirkungen und Nebeneffekte, die meist im Nachgang bei der Erprobung oder im
Einsatzfall sichtbar werden und einer Nachbesserung bedürfen. Beispielhaft kann eine hohe
Packungsdichte ungewollte Nebeneffekte in Form von hochfrequenten Schwingungen
bewirken.
Interessant ist in gleicher Weise EP 0 600 179, wie allein durch eine neuartige Gestaltung der Hauptstromanschlüsse die parasitäre Induktivität verringert werden kann und zusätzlich eine größere zeitliche Gleichförmigkeit in der Ansteuerung erreicht wird. Das jedoch löst nicht
Probleme der hochfrequenten Schwingungen.
Parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten sind in jeder Schaltungsanordnung durch die
geometrische Anordnung der Einzelbauelemente und deren Zusammenschalten gegeben und es ist eine Frage des Wissens auf diesem Gebiet, um eine berechenbare Kalkulation mit
entsprechenden Gegensteuerungen in die Schaltungen einzubauen. In jedem Fall sollte ein
induktivitätsarmer Aufbau angestrebt und Streuungen müssen weitgehend vermieden werden.
Bei Parallelschaltungen von Leistungsschaltern, insbesondere bei Einsatz von IGBT, treten in solchem Maße größere Probleme auf, wie der Integrationsgrad wächst. Bereits bei zwei
parallel geschalteten eng benachbarten IGBT zeigen sich Oberwellenschwingungen bei ca. bis 600 MHz, die durch alle bisher bekannten schaltungstechnischen Gegenmaßnahmen nicht liquidiert werden können.
Deshalb hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine solche Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit parallel geschalteten Leistungsschaltern vorzustellen, die keine Schwingungen beim Abschalten der Leistungsschalter in der Tailstromphase aufweisen.
Die Aufgabe wird bei Schaltungsanordnungen mit parallel arbeitenden Leistungsschaltern der dargestellten Art durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1. gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Es ist relativ schwierig, den Anteil bestimmter parasitärer Schwingungen von Schaltungsanordnungen einem bestimmten Bauelement oder einem bestimmten Teil der Anordnung des Aufbaus zuzuordnen. In unterschiedlichen Schaltphasen sind durch verschiedene Mechanismen verursachte Schwingungen vorhanden.
Schwingungsneigungen der sog. Millerkapazität, einer durch die Kontaktbedampfüng des Chips verursachten Kapazität zwischen Kollektor und Gate des IGBT, wurden vorzeitig erkannt und werden in DE 196 28 131 Al veröffentlicht. In der Einschaltphase der Leistungsschalter kann es zu Schwingungen am Gate kommen, wie das insbesondere bei parallel geschalteten Leistungshalbleiterbauelementen relevant wird, dazu liefert DE 40 07 566 Al interessante Fakten.
Nach Ausschalten der Gatespannung zeigten Messungen an einem einzeln geschalteten IGBT keine Schwingungen, bei sonst gleicher Anordnung sind bei Parallelschaltung von zwei IGBT Schwingungen sichtbar. Die Schwingungen haben reproduzierbar eine Frequenz von 500 bis 600MHz.
Im Prinzip besteht die erfinderische Lösung nun darin, daß sich ein Schwingkreis, bestehend aus vorhandenen oder unvermeidbaren Kapazitäten und parasitären Induktivitäten nicht bilden kann, indem die erforderliche Induktivität schaltungstechnisch „verlegt" oder verändert wird.
Auf der Grundlage der nachfolgenden Figuren 1 bis 4 wird die Lösung der Aufgabenstellung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt Impatt- Schwingungen im Tailstrom nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 skizziert den Schaltungsausschnitt des Standes der Technik bei zwei parallel geschalteten Chips von Leistungsschaltern.
Fig. 3a bis e stellen fünf Varianten des Schaltungsausschnittes nach der Erfindung dar. Fig. 4 zeigt die Tailstrom- Phase nach Realisierung der Erfindung (Fig. 3 a) analog zu Fig. 1. Fig. 5 stellt eine Erweiterung der Realisierung der Erfindung nach Fig. 3 a auf fünf Chips dar.
Fig. 1 zeigt Impatt- Schwingungen im Tailstrom nach dem Stand der Technik. In dem Meß-Diagramm ist der zeitliche Ablauf des Ausschaltprozesses des IGBT dargestellt. Die Abszisse stellt den Zeitablauf in Mikrosekunden (&mgr;&bgr;) dar. Die Gatespannung (Kurvenverlauf 4) von 15 Volt wird abgeschaltet und es wird eine Gegenspannung von -8 Volt angelegt. Mit der üblichen unvermeidbaren zeitlichen Abschaltverzögerung geht der Schalttransistor in die Sperrphase (Kurvenverlauf 1). Nach dem Abklingen des Überschwingens wird die volle stationäre Sperrspannung von hier beispielhaft 600 Volt erreicht.
Der Stromfluß von 45 Ampere (Kurvenverlauf 2) wird unterbrochen. In der Tailstrom- Phase (Kurvenabschnitt 3) wird der Schalttransistor von Ladungsträgern ausgeräumt. In dieser Zeitperiode sind noch in abschwingender Weise genügend überschüssige Ladungsträger im Volumen des Schalttransistors vorhanden, so daß bei Vorhandensein einer parasitären Induktivität hochfrequente Schwingungen die Folge sind (Kurvenabschnitt 5 im Gatespannungsverlauf). Diese Schwingungen werden hier nur meßtechnisch in der Gatespannung erfaßt. Der Frequenzgang in Form der Hochfrequenzschwingungen der Kollektor- Emitterspannung und des Kollektorstromes ist in Relation zu den Meßgrößen beider Parameter meßtechnisch direkt nicht erfaßbar.
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Diese Schwingungen stören das gesamte Umfeld der Schaltungsanordnung und können zum Fehlverhalten von Ansteuerungen oder anderen Schaltungsteilen fuhren. Die Ursachen dieser Impatt- Schwingungen, wie sie auch im Verhalten von Dioden mehrfach beschrieben worden sind, muß analysiert werden, um Maßnahmen zu deren Beseitigung, zumindest aber zur Minderung der Störgrößen der HF- Schwingungen zu finden. Als Ursache wurde der Aufbau der Leistungshalbleiterbauelemente in Form ihrer Chips als Einzelschalter auf der Isolierkeramik gefunden, wenn mindestens zwei Chips der Leistungshalbleiterbauelemente parallel geschaltet worden sind.
Fig. 2 skizziert den Schaltungsausschnitt des Standes der Technik bei zwei parallel geschalteten Chips von Leistungsschaltern. Gezeichnet ist ein Teil der Oberfläche der Isolierkeramik mit einer in drei voneinander isolierten Feldern strukturierten Kupferfläche. Auf dem mittleren Feld (6) sind zwei IGBT- Chips in Form von Leistungshalbleiterbauelementen (7) gelötet, dabei stellt die Lötverbindung gleichzeitig die Kollektorkontaktierung für die äußeren Anschlüsse dar. Die Emitterkontakte der Chips werden mittels Bonddrähte mit dem unten dargestellten Kupferfeld (9) verbunden, die zentrisch auf der Chipoberfläche angeordneten Gatekontakte werden durch Bonden mit dem oberen Kupferfeld (8) verbunden.
In diesem Aufbauausschnitt einer jeden Schaltungsanordnung mit Parallelschaltung wurde nach dem Stand der Technik die Ursache für das Schwingungsverhalten gefunden. Für alle Bauelementekonstruktionen ergeben sich bei deren Aufbau Resonanzfrequenzen. In gewissen Grenzen sind die Resonanzfrequenzen veränderbar, das ist insbesondere von den parasitären Induktivitäten der Schaltungsanordnung abhängig.
Es sind zwei mögliche Zustände des Halbleiterbauelementes denkbar, das Bauelement ist selbst im Hochfrequenzbereich entweder kapazitiv oder induktiv dominant. Das Halbleiterbauelement kann jedoch nur dann schwingen, wenn es kapazitiv dominant ist und dessen Kapazität mit einer entsprechend in der Größe geeigneten Induktivität verbunden ist. Ist die Induktivität ausreichend groß, dann kann kein Schwingen einsetzen. Ist hingegen die Induktivität außerordentlich klein im Vergleich zu der Kapazität des Bauelementes, dann wird die Resonanzfrequenz so hoch, daß ein Schwingen durch die ohmschen Verluste ebenfalls unmöglich ist.
Praktisch sehr gut reproduzierbar waren Messungen, die am Grate durchgeführt wurden, da sich Schwingungen des Kollektors direkt durch die Wirkung der Millerkapazität am Gate widerspiegeln. Weil zu der Zeit der Schwingungen das Gate abgeschaltet ist (Vorspannung -8 Volt), konnten die Messungen dadurch in keiner Weise verfälscht werden.
Bei sonst gleichem Aufbau wurden Messungen mit Anordnungen mit nur einem Chip und mit zwei parallel geschalteten Chips miteinander verglichen. Schwingungen treten nur bei parallel geschalteten Chips auf. In Resonanz stehen die gleichartigen Kapazitäten des Aufbaus der beiden Halbleiterbauelemente (7). Nur die Bonddrähte zwischen den Emitter- Kontaktstellen und der Kupferfläche bilden zusammen die für den Schwingkreis notwendige Induktivität.
Da die Kapazitäten des Chipaufbaus nicht beeinflußt werden können, war eine Beseitigung des Schwingens nur durch Veränderung der Induktivitäten möglich. Es wurde herausgefunden, daß Anordnungen mit Bonddrahtlängen von etwa halber Chipkantenlänge, oder auch von größer als eine Chipkantenlänge bei den im Versuchsaufbau verwendeten IGBT- Chips in einer Parallelschaltung nicht schwingen.
Fig. 3a bis e stellen fünf Varianten des Schaltungsausschnittes nach der Erfindung dar. Die Lösung nach Fig. 3a beschreitet einen anderen Weg, als die Lösungen nach Fig. 3b bis 3e. Durch extrem niederinduktives Kurzschließen der in Resonanz stehenden Kapazitäten der parallel geschalteten Leistungshalbleiterbauelemente kann grundsätzlich keine Schwingung auftreten. Bei sonst gleichartig zu Fig. 2 dargestelltem Schaltungsausschnitt ist mit den praktisch und wirtschaftlich günstigen Mitteln des zusätzlichen Setzens eines Bonddrahtes (10) der benachbarten Emitterkontaktfenster von zwei parallel geschalteten Chips das hochfrequente Schwingen beseitigt.
In Fig. 3b ist eine mögliche, ebenfalls praktisch einfache Realisierung zur Vermeidung der Schwingungen skizziert. Wiederum auf dem mittleren Kupferfeld (6) der DCB- Keramik sind die Chips (7) gelötet und emitterseitig mit dem unteren Feld (9) gebondet. Die Bonddrähte der Emitterkontaktierung müssen hierbei langer als nach Fig. 2 gestaltet werden. Die Gatekontaktierung zu dem oberen Kupferfeld (8) ist hier irrelevant.
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In Fig. 3 c ist ein Lösungsweg mit kurzen Emitterbonddrähten aufgezeigt. Gleichzeitig ist hier eine wegverlängernde Zergliederung des äußeren Emitteranschlusses der Kupferfläche (9) der Isolierkeramik vorgenommen worden, wodurch die parasitäre Induktivität zwischen den parallel geschalteten IGBT- Chips (7) vergrößert wird.
In ähnlicher Weise kann, wie in Fig. 3d dargestellt, durch eine Aufgliederung der Kupferfläche des Kollektorgebietes (6) eine Vergrößerung der Kollektorinduktivität vorgenommen werden. Mit gleicher Wirkung ist nach Fig. 3e eine geometrische Entzerrung durch Vergrößern der Chipabstände (7) auf der Kollektorfläche (6) möglich, jedoch nicht in jedem Falle wegen der erforderlichen Packungsdichte realisierbar.
Fig. 4 zeigt die Tailstrom- Phase nach Realisierung der Erfindung analog zu Fig. 1. Durch die Maßnahmen, wie sie in Fig. 3 in fünf Varianten alternativ dargestellt wurden, sind die Hochfrequenz- Schwingungen völlig zu beseitigen. Ein störungsfreier Betrieb der gesamten Schaltungsanordnung ist gewährleistet.
Fig. 5 stellt eine Erweiterung der Realisierung der Erfindung nach Fig. 3 a auf fünf Chips (7) dar. Auf einer Isolierkeramik mit einer aufbauseitig strukturierten Kupferoberfläche analog zu Fig. 3, jedoch mit größeren Teilflächen für die Kontaktierung der Kollektor- (6), Emitter- (9) und Gate- (8) Anschlüsse, sind fünf Leistungshalbleiterbauelemente in Form ihrer Chips parallel auf engstem Raum löttechnisch positioniert.
Durch vier zusätzliche Bondverbindungen (10), die im Fertigungsablauf automatisch und mit geringsten Kosten gesetzt werden können, ist das Impatt- Schwingen beseitigt. Es ist in einfacher Weise möglich, beliebig viele Chips in gleicher Weise zu verbinden, um schwingungsfreie Schaltungsanordnungen zu realisieren.
In gleicher Weise ist es möglich, die anderen unter Fig. 3b bis Fig. 3e vorgeschlagenen Varianten bei Mehrfach- Parallelschaltung anzuwenden. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten Variante oder einer Kombination mehrerer Varianten sind die sonstigen konstruktiven Platz- und Parameter- Erwartungen der Leistungshalbleiterschaltungsanordnung.

Claims (5)

1. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung mit Halbleiterbauelementen in Form von IGBT- Leistungsschaltern mit Parallelschaltung auf Isolierkeramiken schwingungsfrei aufgebaut, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfreiheit der Aufbauten aller parallel geschalteten Chips der IGBT- Leistungsschalter durch eine minimiert kurze ohmsche Verbindung zwischen jeweils zwei benachbarten Emitterkontaktfenstern der benachbarten Chips oder durch Vergrößerung der parasitären Induktivitäten in Form verlängerter Bonddrähte oder Verlängerung der Stromwege für die Kollektor- oder Emitterströme auf den Kupferflächen der Aufbauseite der DCB-Isolierkeramik oder durch Kombination von zwei oder mehrerer der genannten Varianten hergestellt wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minimiert kurze ohmsche Verbindung zwischen jeweils zwei benachbarten zu zwei Chips gehörenden Emitterkontaktfenstern der auf eine DCB-Keramik mindestens zwei für eine Parallelschaltung gelöteten und gebondeten Chips besteht, der kürzer als die halbe Chip- Kantenlänge plus 2 mm ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmsche Verbindung zwischen den Emitterkontaktfenstern der auf DCB-Keramiken für eine Parallelschaltung gelöteten mindestens zwei Chips und den Emitterkontaktflächen der DCB-Keramik hergestellt wurde und aus Bonddraht mit einer Mindestlänge von einer halben Chip- Kantenlänge plus 6 mm zwischen Emitterkontaktfläche jedes Chips und der damit verbundenen Emitterbondfläche der DCB-Keramik besteht.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung der Stromwege der Kollektorströme in den für die Kollektoranschlüsse vorgesehenen Kupferflächen der DCB-Isolierkeramiken durch isolierende Stege zwischen den benachbart getöteten Chips mit einer Steglänge, die mindestens länger als die halbe Chipkante ist, vorgenommen wird.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerung der Stromwege der Emitterströme in der für die Emitteranschlüsse vorgesehenen Kupferfläche der DCB-Isolierkeramik durch isolierende Stege zwischen den emitterseitigen Verbindungsstellen auf der Kupferfläche von jeweils zwei benachbart gebondeten Chips mit einer Steglänge, die länger als die Chipkante der gebondeten IGBT- Leistungshalbleiterbauelemente ist, vorgenommen wird.
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