專利名稱：電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用控制電極進(jìn)行通斷控制的門電路斷開型的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的改善。
作為適用于大電流斷流的電力半導(dǎo)體元件，有門電路關(guān)斷閘流晶體管以及靜電感應(yīng)型晶體管元件等(以下稱為GTO等)。

圖10是包含有這些電力半導(dǎo)體元件的以往的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的電路圖。圖中，1是具有陽極A、陰極K以及柵極(控制電極)G的GTO等半導(dǎo)體元件，20是在柵電極G和陰極K之間加入反偏置的反偏置驅(qū)動電路，2是把在GTO等半導(dǎo)體元件1的柵電極G和陰極K之間進(jìn)行反偏置的反偏置用的電能存儲起來的電容器等蓄能元件，3是通過導(dǎo)通控制把存儲在蓄能元件2上的電能反向加入到陰極K和柵電極G之間使得GTO等元件1轉(zhuǎn)移到斷開狀態(tài)的反偏置開關(guān)。
Son是供給正偏置信號的正偏置信號端子，Soff是供給反偏置信號的反偏置用信號端子，Vs是反偏置電源端子，B是反偏置電源，COM是陰極電位的共同端子。
下面，說明該電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的動作。
蓄能元件2中從反偏置電源B存儲使柵電極G和陰極K之間反偏置的反偏置用的電能。只要反偏置開關(guān)3被控制變?yōu)榉菍?dǎo)通狀態(tài)，該電能就不能被用于使GTO等半導(dǎo)體元件1的柵電極G和陰極K之間進(jìn)行反偏置。如果GTO等半導(dǎo)體元件1初始被控制為斷開狀態(tài)，則根據(jù)以共同端子COM為基準(zhǔn)從正偏置信號端子Son供給的正偏置信號，GTO等半導(dǎo)體元件1從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)。
為了使轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)的GTO等半導(dǎo)體元件1轉(zhuǎn)移到斷開的狀態(tài)，通過在不把正偏置信號供給正偏置信號端子Son的狀態(tài)下使得陽極電流流過預(yù)定的時間或為零，或者把柵電極G和陰極K之間進(jìn)行反偏置來實現(xiàn)。為此，通過從反偏置信號端子Soff把反偏置信號供給反偏置開關(guān)3，把反偏置開關(guān)3控制為導(dǎo)通狀態(tài)，根據(jù)存儲在蓄能元件2的反偏置用的電能，把柵電極G和陰極K之間進(jìn)行反偏置。
在這樣的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置中，通常控制陽極A和陰極K之間的導(dǎo)電性的驅(qū)動電路20和GTO等半導(dǎo)體元件1之間的連接通過讀出陰極K的讀出線和讀出柵電極G的讀出線進(jìn)行。雖然需要通過反偏置驅(qū)動電路10在響應(yīng)性和可靠性方面良好地實現(xiàn)電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的導(dǎo)電性的控制，但在這種情況下，讀出線的阻抗成為障礙，難以流過非常大的反偏置柵電流以及具有非常大的變化速度(-dIg/dt)(這里Ig是柵電流)的反偏置柵電流。因此，GTO等半導(dǎo)體元件1斷流能力受到限制，難以提高斷流能力。
對此，歐洲專利EP0328778B1號公告中揭示了電力半導(dǎo)體器件的封裝的概念。圖11示出把其電力半導(dǎo)體器件的封裝概念具體化了的以往的電力半導(dǎo)體器件的構(gòu)造。圖中，W是電力半導(dǎo)體晶片，Aa是起到陽極作用的第1銅塊電極，Ka是起到陰極作用的第2銅塊電極，Kb，Kc是電連接到第2銅塊電極Ka上的陰極擴展電極，Ga是接觸到電力半導(dǎo)體晶片W的柵極表面的圓柱形柵電極。
在圖11所示的被封裝化了的電力半導(dǎo)體器件中，示出了反偏置驅(qū)動電路分別由電容器2a和反偏置開關(guān)3a組成的多個串連電路構(gòu)成，在圓柱形柵電極Ga和圓柱形陰極擴展電極Kc之間配置這些串連電路群的概念。即，示出了和電力半導(dǎo)體晶片W一起在同一個封裝內(nèi)，安裝了分別由電容器2a和反偏置開關(guān)3a組成的多個串連電路構(gòu)成的反偏置驅(qū)動電路的概念。
在根據(jù)這樣的封裝概念的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置中，如圖10所示那樣由于除去了以往的開關(guān)裝置中的柵電極的讀出線所產(chǎn)生的電感，所以加大了反偏置柵電流的變化速度-dIg/dt，能夠期待提高斷流能力。
由于以往的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置如以上那樣構(gòu)成，所以反偏置驅(qū)動電路的部件配置在包含有高溫(125℃)的電力半導(dǎo)體晶片W的封裝內(nèi)，所以存在反偏置開關(guān)(例如MOSFET)的電壓降將增加同時其導(dǎo)電能力也降低的問題。
還有，自身存在著因為電容器2a的耐熱性不能承受上述高溫，或者尺寸限制而靜電容量不足所以難以流過所需要的反偏置電流(或者是作為清除電流的時間積分值的電荷)的問題。
例如，電解電容器和有機半導(dǎo)體電容器如果考慮到壽命，則由于耐熱性不夠而不能夠使用，迭層陶瓷電容器由于不僅其每單位體積的靜電容量小而且在高溫下靜電容量顯著地下降，所以在上述高溫環(huán)境下不能夠使用。另外，如果強行地把這樣的電容器使用在圖11所示那樣的以往的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置中，則構(gòu)成反偏置驅(qū)動電路部件的可靠性將下降。
本發(fā)明是為解決上述問題而形成的，目的在于得到能夠?qū)崿F(xiàn)提高斷流能力和高可靠性的并存，進(jìn)而能夠謀求提高安裝性的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置。
本發(fā)明第一方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置具備具有把收容在平面封裝中并且如果導(dǎo)通則流過主電流的第1以及第2平面主電極，從平面封裝向外側(cè)突出并且和第2平面主電極構(gòu)成一對，控制第1以及第2平面主電極之間的導(dǎo)電的環(huán)形控制電極的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置；在控制電極和上述第2主電極之間加入正偏置的正偏置驅(qū)動裝置；具備配置在電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的控制電極的周圍，從反偏置電源裝置供給并存儲用于在控制電極和第2主電極之間加入反偏置的電能的蓄能裝置，以及具有和蓄能裝置串聯(lián)連接在一起，一旦電路導(dǎo)通就把蓄能裝置存儲的電能加入到控制電極和第2主電極之間的開關(guān)裝置的反偏置驅(qū)動裝置；具有安裝反偏置驅(qū)動裝置的安裝底板，安裝底板具有貫通電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的第2主電極的貫通孔，由此，平面封裝靠近貫通孔設(shè)置，而且貫通孔的周邊部分地包圍住平面封裝，另外，安裝底板還具有和電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的控制電極電連接的接觸部分。
本發(fā)明第二方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置還具有壓接第2主電極一個平面的良導(dǎo)電性金屬板和良導(dǎo)電性按壓環(huán)，在良導(dǎo)電性金屬板以及良導(dǎo)電性按壓環(huán)之間，夾入控制電極以及安裝底板。
本發(fā)明第三方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置把正偏置驅(qū)動裝置與反偏置驅(qū)動裝置安裝成相互離開。
本發(fā)明第四方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置還具有和安裝了反偏置驅(qū)動裝置的安裝底板相分離，安裝了正偏置驅(qū)動裝置的另一個底板。
本發(fā)明第五方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置把反偏置電源裝置安裝在另一個底板上。
本發(fā)明第六方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置還具有在安裝底板上的反偏置驅(qū)動裝置附近安裝的，驅(qū)動反偏置驅(qū)動裝置的開關(guān)裝置的前置驅(qū)動裝置。
本發(fā)明第七方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置用貫通孔把安裝了反偏置驅(qū)動裝置的安裝底板的表面分割成兩個區(qū)域，反偏置驅(qū)動裝置具有被分別分割配置在把貫通孔夾在中間而相對的兩個區(qū)域中的第1以及第2反偏置驅(qū)動電路。
本發(fā)明第八方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置還具有壓接第2主電極一個平面的良導(dǎo)電性金屬板和良導(dǎo)電性按壓環(huán)，在良導(dǎo)電性金屬板以及良導(dǎo)電性按壓環(huán)之間夾入控制電極以及安裝底板。
本發(fā)明第九方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置把正偏置驅(qū)動裝置與反偏置驅(qū)動裝置安裝成相互離開。
本發(fā)明第十方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置還具有和安裝了反偏置驅(qū)動裝置的安裝底板相分離，安裝了正偏置驅(qū)動裝置的另一個底板。
本發(fā)明第十一方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置把反偏置電源裝置安裝在上述另一個底板上。
本發(fā)明第十二方案的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置還具有分別安裝在設(shè)置在安裝底板的兩個區(qū)域的各個區(qū)域中的第1以及第2反偏置驅(qū)動電路附近并分別驅(qū)動第1以及第2反偏置驅(qū)動電路的對應(yīng)開關(guān)裝置的第1以及第2前置驅(qū)動裝置。
如上所述，如果依據(jù)第1方案記述的本發(fā)明，則由于構(gòu)成為具備包容在平面封裝中一旦導(dǎo)通就流過主電流的第1以及第2平面主電極，從平面封裝向外側(cè)突出的同時和第2平面主電極構(gòu)成為一對并控制第1以及第2平面主電極之間的通電的呈環(huán)狀的控制電極的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，以及安裝了反偏置驅(qū)動裝置的安裝底板，安裝底板具有貫通電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的第2主電極的貫通孔使得平面封裝被靠近設(shè)置，由此，平面封裝靠近貫通孔設(shè)置并且貫通孔的周邊部分地包圍住平面封裝，另外，安裝底板還具有電連接電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的控制電極的接觸部分，所以，具有反偏置驅(qū)動裝置能夠減輕從電力半導(dǎo)體晶片受到的惡劣的熱影響，能夠提高可靠性的效果。
另外，由于反偏置驅(qū)動裝置配置在從平面封裝突出的環(huán)形控制電極的外周，所以具有以下效果，即不僅能夠在控制電極整體上均勻地施加反偏置，而且能夠減小反偏置驅(qū)動裝置的環(huán)路阻抗，即使在受限的反偏置電壓下也能夠向控制電極加入高速且大電流產(chǎn)生的反偏置，提高斷流能力。
如果依據(jù)第2方案以及第8方案記述的本發(fā)明，則由于構(gòu)成為還具有壓接在第2主電極一方的平面上的良導(dǎo)電性金屬板和良導(dǎo)電性按壓環(huán)，使得在良導(dǎo)電性金屬板以及良導(dǎo)電性按壓環(huán)之間夾入控制電極以及安裝底板，所以具有以下效果，即可以得到高機械強度，進(jìn)而，由于良導(dǎo)電性按壓環(huán)起到使控制電極在周邊部分的整個圓周的電位均勻化的作用，因而控制電極能夠被進(jìn)一步均勻地反偏置，提高斷流能力，提高機械的可靠性。
如果根據(jù)第3方案以及第9方案記述的本發(fā)明，則由于構(gòu)成為使正偏置驅(qū)動裝置離開反偏置驅(qū)動裝置進(jìn)行安裝，所以具有以下效果，即能夠減輕由于變化大而且大電流的反偏置電流使正偏置驅(qū)動裝置所受到的感應(yīng)噪聲的影響，另外，通過把電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置和正偏置驅(qū)動裝置相互離開，能夠提高作為電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置在安裝上的自由度。
如果依據(jù)第4方案以及第10方案記述的本發(fā)明，則由于構(gòu)成為還具有與安裝了反偏置驅(qū)動裝置的安裝底板相互離開、且安裝了正偏置驅(qū)動裝置的其他安裝底板，所以具有以下效果，即能夠減輕由于變化大而且大電流的反偏置電流使正偏置驅(qū)動裝置所受到的感應(yīng)噪聲的影響，另外，由于是把電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置和正偏置驅(qū)動裝置安裝在分別離開的底板上的結(jié)構(gòu)，所以能夠提高電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置以及正偏置驅(qū)動裝置的安裝上的自由度。
如果依據(jù)第5方案以及第11方案記述的本發(fā)明，則由于反偏置電源裝置安裝在上述其它的底板上，所以具有提高電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置以及反偏置電源裝置的安裝上的自由度的效果。
如果依據(jù)第6方案記述的本發(fā)明，則由于構(gòu)成為還具有設(shè)置在安裝底板上的反偏置驅(qū)動裝置附近用于驅(qū)動反偏置驅(qū)動裝置的開關(guān)裝置的前置驅(qū)動裝置，所以具有以下效果，即能夠減低包括笫2主電極和控制電極在內(nèi)的反偏置驅(qū)動裝置的環(huán)路阻抗，能夠使反偏置驅(qū)動裝置的開關(guān)裝置的柵電極電壓穩(wěn)定，即使在前置驅(qū)動電路裝置和反偏置驅(qū)動裝置的開關(guān)裝置之間加入噪聲也能夠防止開關(guān)裝置進(jìn)行誤動作，能夠提高可靠性。
如果依據(jù)第7方案記述的本發(fā)明，則由于構(gòu)成為貫通孔把安裝了反偏置驅(qū)動裝置的安裝底板的表面分割成兩個區(qū)域，反偏置驅(qū)動裝置分別分割并配置在把貫通孔夾在中間的相對的兩個區(qū)域的第1以及第2反偏置驅(qū)動電路，所以具有以下效果，即安裝底板的寬度只要是能夠收容平面封裝的寬度即可，與在控制電極外周整體上配置反偏置驅(qū)動裝置的構(gòu)成相比能夠減少安裝底板的寬度，在把分別安裝了電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置等的多個安裝底板重疊的情況下，能夠減少通過相互固定用螺栓和相互固定用皮帶的空間寬度和間隔，可以得到重疊的機械強度，并且使結(jié)構(gòu)小型化。
如果依據(jù)第12方案記述的本發(fā)明，則由于構(gòu)成為還具有在安裝底板的兩個區(qū)域的每一個中設(shè)置的第1以及第2反偏置驅(qū)動電路附近分別安裝，并分別驅(qū)動第1以及第2反偏置驅(qū)動電路的對應(yīng)開關(guān)裝置的第1以及第2前置驅(qū)動電路裝置，所以具有以下效果，即與在控制電極外周整體上配置反偏置驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)相比能夠減小安裝底板的寬度，在把分別安裝了電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置等的多個安裝底板重疊的情況下，能夠減小通過相互固定用螺栓和相互固定用皮帶的寬度和間隔，可以得到重疊的機械強度，能夠小型化，能夠降低把第2主電極和控制電極在內(nèi)的各個反偏置驅(qū)動電路的環(huán)路阻抗，能夠使各個反偏置驅(qū)動電路的開關(guān)電路的柵電極電壓穩(wěn)定，在各個前置驅(qū)動裝置和各個反偏置驅(qū)動電路的開關(guān)裝置之間即使加入噪聲也能夠防止開關(guān)裝置誤動作，能夠提高可靠性。
圖1是示出本發(fā)明實施形態(tài)1的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的構(gòu)造以及配置的平面圖。
圖2是示出圖1所示的的本發(fā)明實施形態(tài)1的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的安裝底板上所安裝的反偏置驅(qū)動電路一例構(gòu)造的平面圖。
圖3是示出圖1所示的本發(fā)明實施形態(tài)1的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的安裝底板上所安裝的反偏置驅(qū)動電路的其他例構(gòu)造的平面圖。
圖4a是示出圖1所示的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的構(gòu)造的平面圖。
圖4b是圖4a所示的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的側(cè)面圖。
圖5a是示出圖4a以及圖4b所示的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的電力半導(dǎo)體開關(guān)元件構(gòu)造、并把其一部分截斷后的側(cè)面圖。
圖5b是圖5a所示的電力半導(dǎo)體開關(guān)元件的剖面圖。
圖6是示出本發(fā)明實施形態(tài)2的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置構(gòu)造的平面圖。
圖7a是示出圖6所示的本發(fā)明實施形態(tài)2的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置構(gòu)造的平面圖。
圖7b是示出圖7a所示的本發(fā)明實施形態(tài)2的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的側(cè)面圖。
圖8a是示出圖6所示的本發(fā)明實施形態(tài)2的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的另一個底板以及收容該另一個底板的框架構(gòu)造的平面圖。
圖8b是圖8a所示的另一個底板以及框架的側(cè)面圖。
圖9a是示出圖7a以及圖7b所示的本發(fā)明實施形態(tài)2的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的電力半導(dǎo)體開關(guān)元件構(gòu)造并把一部分截斷后的側(cè)面圖。
圖9b是圖9a所示的電力半導(dǎo)體開關(guān)元件的剖面圖。
圖10是具有GTO等電力半導(dǎo)體開關(guān)元件的以往的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的電路圖。
圖11是把電力半導(dǎo)體器件的封裝概念具體化的以往的電力半導(dǎo)體器件的構(gòu)造圖。
以下說明本發(fā)明的實施形態(tài)。
實施形態(tài)1圖1是示出本發(fā)明實施形態(tài)1的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的構(gòu)造以及配置的平面圖，圖中，11是收容在平面封裝中的門電路斷開型的電力半導(dǎo)體開關(guān)元件(以下稱為GTO元件)，110是安裝了元件11中所需要的各種電路的安裝底板。GTO元件11具有從平面封裝式的GTO元件11的側(cè)面向外側(cè)突出的環(huán)形柵電極G(控制電極)，第1主電極(未圖示)，和柵電極G成對的第2主電極(未圖示)。GTO元件11通過在柵電極和第2主電極之間加入反偏置而被關(guān)斷。在GTO元件是PNP型的情況下，把第1主電極稱為陽極，把第2主電極稱為陰極。在以下的敘述中，假設(shè)GTO元件11是PNP型。
另外，20是由未圖示的存儲用于在GTO元件11的柵電極和第2主電極之間施加反偏置的電能的電容器等多個蓄能元件(參照圖2)以及分別和各個蓄能元件2串聯(lián)連接的未圖示的多個反偏置開關(guān)3(參照圖2)構(gòu)成的反偏置驅(qū)動電路，16是控制反偏置驅(qū)動電路20的反偏置開關(guān)3的前置驅(qū)動電路。另外，17是按壓環(huán)形的柵電極G，使得柵電極G電接觸來自反偏置驅(qū)動電路20的反偏置施加到柵電極G上的未圖示的柵電極驅(qū)動輸出上的良導(dǎo)電性的按壓環(huán)，18是穿通用于把按壓環(huán)17以及柵電極G固定在未圖示的其柵電極驅(qū)動輸出面上的螺釘?shù)陌磯涵h(huán)17的螺釘孔。
24是正偏置驅(qū)動電路，25是反偏置電源電路，CN1是具有輸入了使反偏置驅(qū)動電路20動作，用于把反偏置加在GTO元件11的控制電極G，第2主電極之間的來自外部的控制信號這樣輸入的第1連接件，CN2是具有連接到正偏置驅(qū)動電路24的電源用的輸入和連接到反偏置電源電路25的反偏置驅(qū)動用電源的其他輸入的第2連接件，33是經(jīng)過第1連接件CN1響應(yīng)控制信號向前置驅(qū)動電路16送出預(yù)定信號的緩沖電路，100是收容正偏置驅(qū)動電路24，反偏置電源電路25，緩沖電路33，第1以及第2連接件CN1，CN2等的框架。
其次，對于圖1中的安裝底板110上所安裝的反偏置驅(qū)動電路20的構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖2及圖3分別是示出安裝底板110上所安裝的反偏置驅(qū)動電路20的具體例。圖2以及圖3的D1示出了插入作為GTO元件11的平面第2主電極作用的銅塊部分的貫通孔30的直徑，圖2以及圖3的41是形成在安裝底板110的表面上的在和環(huán)形柵電極G電連接的狀態(tài)下被壓接的柵電極驅(qū)動輸出即接觸部分。圖2以及圖3的D3是柵電極驅(qū)動輸出41的外徑。圖2的D4a～D4c是呈同心圓狀配置在安裝底板110上所形成柵電極驅(qū)動輸出41的外側(cè)周圍區(qū)域中的反偏置驅(qū)動電路20的多個蓄能元件2的這些同心圓的直徑，圖3的D4是呈同心圓狀配置在安裝底板110上所形成的柵電極驅(qū)動輸出41的外側(cè)周圍區(qū)域中的反偏置驅(qū)動電路20的多個儲能元件2的這些圓的直徑，圖2以及圖3的D5是把反偏置驅(qū)動電路20的反偏置開關(guān)3配置成圓形的其圓的直徑。另外，圖2以及圖3中簡略地畫出了GTO元件11的平面封裝。
實施形態(tài)1的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置中，如從圖1，圖2，圖3能夠理解的那樣，電力半導(dǎo)體晶片是收入在平面封裝中的形式，在該平面封裝內(nèi)由于不設(shè)置反偏置驅(qū)動電路20，所以不會像圖10所示在平面封裝內(nèi)設(shè)置了反偏置驅(qū)動電路的以往的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置那樣反偏置驅(qū)動電路受到電力半導(dǎo)體晶片的發(fā)熱引起的惡劣的熱影響，能夠維持高可靠性。
另外，由于反偏置驅(qū)動電路20配置在位于環(huán)形柵電極G外周的安裝底板110的周圍部分上，所以由GTO元件11的柵電極電路以及反偏置驅(qū)動電路20構(gòu)成的電路的環(huán)路阻抗(蓄能元件2→GTO元件11的第2主電極→柵電極G→反偏置開關(guān)3→蓄能元件2的環(huán)路阻抗)極小，即使在有限的反偏置下也能夠?qū)崿F(xiàn)由高速(高-dIg/dt)而且大電流進(jìn)行的柵電極反偏置。根據(jù)該作用，柵電極反偏置電流如果等于或者稍大于陽極電流，則陽極電流的流出目標(biāo)從陰極轉(zhuǎn)換到柵電極，把柵電極和陰極之間完全地進(jìn)行了反偏置。由于在該柵電極層(Pb)和陰極層(Nk)之間完全在反偏置條件下進(jìn)行關(guān)斷，因此在關(guān)斷GTO元件11時提高了GTO元件11的電流允許值，根據(jù)GTO元件11能夠提高可以斷流的電流值。另外，由于用高-dIg/dt且大電流進(jìn)行柵電極和陰極間的反偏置，所以存儲時間(載流子的清除時間)Ts極短。從而，實現(xiàn)了高速開關(guān)，提高了斷流性能和斷流能力。
另外，如圖1所示，把驅(qū)動圖2和圖3所示的反偏置驅(qū)動電路20的多個反偏置驅(qū)動開關(guān)3的前置驅(qū)動電路16安裝在安裝了反偏置驅(qū)動電路20的安裝底板110上，進(jìn)而，把前置驅(qū)動電路16配置在反偏置驅(qū)動電路20的附近。由此，由反偏置開關(guān)3的柵電極和前置驅(qū)動電路16構(gòu)成的電路的環(huán)路阻抗降低。從而，能夠使反偏置開關(guān)3的柵電極電壓穩(wěn)定，即使在前置驅(qū)動電路16和反偏置開關(guān)3之間加入了噪聲，也能夠防止反偏置開關(guān)3的誤動作。即，得到了防止反偏置驅(qū)動電路20的反偏置開關(guān)3從流過高電壓大電流的GTO元件11受到噪聲而進(jìn)行誤動作的效果。
另外，由于正偏置驅(qū)動電路24配置在離開反偏置驅(qū)動電路20的位置上，所以難以受到來自高-dIg/dt且大電流的反偏置電流的感應(yīng)噪聲，另外，通過離開GTO元件11提高了安裝上的自由度。還有，反偏置電源電路25由于也安裝在離開反偏置驅(qū)動電路20的位置上，所以也提高了安裝的自由度。
圖4a是詳細(xì)地示出實施形態(tài)1的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置構(gòu)造的平面圖，圖4b是其側(cè)面圖。另外，圖5a是示出了圖4a以及圖4b所示的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的GTO元件11的安裝并且把一部分?jǐn)嚅_的側(cè)面圖。另外，圖5b是圖5a所示的GTO元件11的剖面圖。
在圖4a中，D2表示把按壓環(huán)17的螺釘孔18進(jìn)行圓形配置時其圓的直徑。還有，在圖4b中，120是和按壓環(huán)17一起把環(huán)形柵電極G和安裝底板110夾持固定的良導(dǎo)電性金屬板，對于GTO元件11的第2主電極的底面進(jìn)行壓接。該良導(dǎo)電性金屬板120電連接到框架100上，而且機械地進(jìn)行連接。另外，在圖4b，5a以及5b中，51是夾在圖2所示的安裝底板110的柵電極驅(qū)動輸出41和柵電極G之間的環(huán)形金屬襯墊，52是夾在形成于安裝底板110背面的反偏置驅(qū)動電路20的陰極接觸部分和良導(dǎo)電性金屬板120之間的金屬襯墊。金屬襯墊51，52用于根據(jù)第2主電極的底面和環(huán)形柵電極G之間的預(yù)定的距離，維持電連接在未圖示的第1主電極上的GTO元件11的頂部，柵電極G，安裝底板110以及金屬板120之間的適宜尺寸關(guān)系。另外，在圖4b中，雖然看到了按壓環(huán)17以及金屬襯墊51的總體，然而實際上，這些部件被反偏置驅(qū)動電路20遮擋而看不到。
另外，在圖5a中，Ce是把GTO元件11包括在內(nèi)的構(gòu)成平面封裝一部分的陶瓷封裝，用剖面示出了按壓環(huán)17，金屬襯墊51以及安裝底板110。在圖5b中，54是用于在按壓環(huán)17和金屬襯墊51之間夾入柵電極G的螺釘，57是貫通安裝底板110在金屬襯墊52和金屬襯墊51之間夾入安裝底板110的螺釘。56是通過螺釘57防止柵電極G和未圖示的第2主電極發(fā)生短路的絕緣套，55是把金屬襯墊52固定到良導(dǎo)電性金屬板120上的螺釘。
如從圖5a以及5b所明了的那樣，像含有陶瓷封裝Ce的平面封裝靠近貫通孔30設(shè)置而且貫通孔30的周邊部分地包圍住平面封裝那樣，GTO元件11的未圖示的第2主電極貫通著貫通孔30。
螺釘54和金屬襯墊51相嚙合，另外螺釘57也在對于金屬襯墊52呈絕緣的狀態(tài)下貫通金屬襯墊52的貫通孔以及安裝底板110的圖1所示的貫通孔18并和金屬襯墊51嚙合，其結(jié)果，規(guī)定了金屬襯墊51對于安裝底板110的安裝位置。另外，規(guī)定了金屬襯墊51的安裝位置的結(jié)果，也就規(guī)定了按壓環(huán)17和GTO元件11的安裝位置。還有，固定在良導(dǎo)電性金屬板120上的金屬襯墊52對于安裝底板110的安裝位置也用螺釘57固定。
在安裝底板110的背面形成著電連接到GTO元件11的未圖示的第2主電極上的陰極接觸部，通過壓接到第2主電極上的良導(dǎo)電性金屬板120和金屬襯墊52進(jìn)行該陰極接觸部和GTO元件11的第2主電極之間的電連接。
這樣，在壓接到和柵電極G構(gòu)成一對的第2主電極的底面上的良導(dǎo)電性金屬板120和按壓環(huán)17之間夾入了柵電極G和安裝底板110。從而，柵電極G經(jīng)過金屬襯墊51和形成在安裝底板110表面的圖2所示的柵電極驅(qū)動輸出41電接觸。另外，在本實施例中，起到陰極作用的第2主電極把其底面對于良導(dǎo)電性金屬板120進(jìn)行壓接，借助良導(dǎo)電性金屬板120以及金屬襯墊52電連接到陰極接觸部。在這種情況下，柵電極G和第2主電極當(dāng)然處于電絕緣狀態(tài)。
如上述，在本發(fā)明實施形態(tài)1的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置中，具有壓接到和柵電極G成對的第2主電極底面上的良導(dǎo)電性金屬板120和按壓環(huán)17，由于是在這些良導(dǎo)電性金屬板120和按壓環(huán)17之間夾入柵電極G和安裝底板110的構(gòu)造，因此可以得到高機械強度。而且，由于按壓環(huán)17以及金屬襯墊51進(jìn)行作用，使得環(huán)形柵電極G的整個圓周的柵電極電位均勻，因此平面封裝內(nèi)部的電力半導(dǎo)體晶片的柵電極也在整個圓周上更為均勻的被進(jìn)行反偏置，提高了斷流能力。
還有，前置驅(qū)動電路16如圖4a所示，具有電容器，MOSFET等晶體管Tr，信號處理用IC和緩沖器IC，電阻R等電子元件。如上所述，該前置驅(qū)動電路16設(shè)置在反偏置驅(qū)動電路20的附近，其結(jié)果，反偏置開關(guān)3的柵電極電路的環(huán)路阻抗降低，能夠穩(wěn)定反偏置開關(guān)3的柵電極電壓，即使在前置驅(qū)動電路16和反偏置開關(guān)3之間加入噪聲，也能夠防止反偏置開關(guān)的誤動作。實施形態(tài)2
圖6是示出本發(fā)明實施形態(tài)2的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置構(gòu)造的平面圖，圖中，20a，20b是相互分離的分別配置在安裝底板110上的兩個區(qū)域中的第1以及第2反偏置驅(qū)動電路，16a，16b是分別對應(yīng)于第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b的第1以及第2前置驅(qū)動電路，61a，61b是用于把分別設(shè)置在安裝底板110上的第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b電連接到電纜62上的一對連接件，63a，63b是把正偏置驅(qū)動電路24，反偏置電源電路25，緩沖電路33等和電纜62相互連接的一對連接件，200是安裝了正偏置驅(qū)動電路24，反偏置電源電路25，緩沖電路33等的另一個底板，與安裝底板110相互分離。
如圖2所示那樣，安裝了GTO元件11并且配置了第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b的本實施形態(tài)2的安裝底板110取長方形的形狀，其短邊的長度和用于把GTO元件11固定在安裝底板110上的按壓環(huán)17的外徑幾乎相等，其長邊的長度大于按壓環(huán)17的外徑，第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b沿其長方形的安裝底板110的長度方向排列并且分別配置在由GTO元件11所分割的安裝底板110上的兩個區(qū)域中。由此，和實施形態(tài)1的在GTO元件11的周圍整體上配置反偏置驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)相比使得安裝底板110的寬度變窄。從而，在把具有這樣的結(jié)構(gòu)并且分別安裝了GTO元件11的多個安裝底板110重疊的時候，能夠使通過相互固定用螺栓和相互固定用皮帶的空間變窄。進(jìn)而，由于能夠使得通過相互固定用螺栓和相互固定用皮帶的空間變窄，因此能夠易于得到重疊的機械強度，而且能夠小型化。
另外，由于正偏置驅(qū)動電路24安裝在和安裝了第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b的安裝底板110不同的相互分離的底板200上，所以正偏置驅(qū)動電路24難以受到來自高-dIg/dt而且大電流的反偏置電流的干擾(噪聲)。另外，通過離開安裝空間受限的GTO元件11，提高了安裝上的自由度。
另外，分別驅(qū)動被2分割而配置的第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b的反偏置開關(guān)3的第1以及第2前置驅(qū)動電路16a，16b由于也對應(yīng)反偏置驅(qū)動電路20a，20b的每一個而安裝在安裝底板110上，因而降低了對于第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b的每一個的反偏置開關(guān)3的柵電極電路的環(huán)路阻抗。因此，能夠使反偏置開關(guān)3的柵電極電壓穩(wěn)定，即使在前置驅(qū)動電路和由前置驅(qū)動電路驅(qū)動的反偏置開關(guān)3之間加入噪聲也能夠防止反偏置開關(guān)3的誤動作。
另外，第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b的反偏置電源電路25由于安裝在和安裝了第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b的安裝底板110不同的相互分離的底板200上，因此通過離開安裝空間受限的GTO元件11，將提高安裝上的自由度。另外，由于正偏置驅(qū)動電路24也安裝在和安裝底板110不同的相互分離的底板200上，因此也將提高安裝上的自由度。
圖7a以及7b是示出圖6所示的實施形態(tài)2的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的詳細(xì)構(gòu)造的平面圖以及側(cè)面圖，圖8a以及8b是示出圖6所示的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的底板200以及收容底板200的框架100的詳細(xì)構(gòu)造的平面圖以及側(cè)面圖。在這些圖中，和圖6相同或者相當(dāng)?shù)牟糠謽?biāo)注相同的符號并且省略說明。在圖8a以及圖8b中，71是用于固定收容安裝了正偏置驅(qū)動電路24和反偏置電源電路25的底板200的框架100的安裝腳，72是形成在安裝腳71上的孔，利用該孔72用螺釘把框架100固定在所希望的位置。另外，在圖7b中，雖然能夠看到按壓環(huán)17以及金屬襯墊51的總體，但實際上它們被第1以及第2反偏置驅(qū)動電路20a，20b部分地遮擋。
圖9a是示出實施形態(tài)2的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置中的GTO元件11向安裝底板110上進(jìn)行安裝的并且把一部分?jǐn)嚅_的側(cè)面圖，另外，圖9b是圖9a所示的GTO元件11的剖面圖。和圖5a以及5b相同或者相當(dāng)?shù)牟糠輼?biāo)注相同的符號并且省略說明，代替圖5a以及5b所示良導(dǎo)電性金屬板120，圖中具有被用螺釘55固定在金屬襯墊52上的良導(dǎo)電性金屬板130。該良導(dǎo)電性金屬板130和實施形態(tài)1的良導(dǎo)電性金屬板120一樣，壓接在GTO元件11的第2主電極的底面上。另外，該良導(dǎo)電性金屬板130和實施形態(tài)1的良導(dǎo)電性金屬板120不同，不被連接到圖8a以及8b所示的框架100上。
在以上所構(gòu)成的實施形態(tài)2的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置中，經(jīng)過連接件61b，連接件63b，以及連接了這些連接件之間的電纜62，把安裝底板110和底板200進(jìn)行電連接，底板200能夠離開安裝底板110在應(yīng)用裝置中自由地安裝。由此，在把分別安裝了GTO元件11的各個底板110重疊的時候，在配置安裝了減震器，接線板，電壓接線板，冷卻機構(gòu)以及良導(dǎo)電性金屬板，良導(dǎo)電性金屬條，還有基于總線的布線的情況下，能夠符合各個配置的最佳條件，配置上的制約條件，配置的優(yōu)先順序的最佳配置，提高進(jìn)行安裝時的自由度。
還有，如圖7a，7b，9a以及9b所示，這是把安裝了反偏置驅(qū)動電路20a，20b以及前置驅(qū)動電路16a，16b的安裝底板110和環(huán)形柵電極G夾入到按壓環(huán)17和良導(dǎo)電性金屬板130之間的結(jié)構(gòu)。從而，能夠以高機械強度進(jìn)行安裝底板110的安裝。而且，由于按壓環(huán)17以及金屬襯墊51起到使環(huán)形柵電極G周圍的柵電極電位均勻化的作用，所以環(huán)形柵電極G在圓周方向上被均勻地反偏置，將提高斷流能力。
權(quán)利要求
1.一種電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于具備具有把收容在平面封裝中的如果導(dǎo)通則流過主電流的第1以及第2平面主電極，從上述平面封裝向外側(cè)突出并且和上述第2平面主電極構(gòu)成一對，控制上述第1以及第2平面主電極之間的導(dǎo)電的環(huán)形控制電極的半導(dǎo)體開關(guān)裝置；在上述控制電極和上述第2主電極之間加入正偏置的正偏置驅(qū)動裝置；具有配置在上述電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的上述控制電極的周圍，存儲從反偏置電源裝置供給的用于在上述控制電極和第2主電極之間加入反偏置的電能的蓄能裝置，以及和上述蓄能裝置串聯(lián)連接在一起，一旦電路導(dǎo)通就把上述蓄能裝置存儲的電能加入到上述控制電極和第2主電極之間的開關(guān)裝置的反偏置驅(qū)動裝置；具有安裝上述反偏置驅(qū)動裝置的安裝底板，上述安裝底板具有貫通上述電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的上述第2主電極的貫通孔，由此，上述平面封裝靠近上述貫通孔設(shè)置，而且上述貫通孔的周邊部分地包圍住上述平面封裝，另外，上述安裝底板還具有和上述電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置的上述控制電極電連接的接觸部分。
2.權(quán)利要求1記述的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于還具有壓接上述第2主電極一個平面的良導(dǎo)電性金屬板和良導(dǎo)電性按壓環(huán)，在上述良導(dǎo)電性金屬板以及上述良導(dǎo)電性按壓環(huán)之間，夾入上述控制電極以及上述安裝底板。
3.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2記述的半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于上述正偏置驅(qū)動裝置與上述反偏置驅(qū)動裝置安裝成相互離開。
4.權(quán)利要求3記述的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于還具有和安裝了上述反偏置驅(qū)動裝置的上述安裝底板相分離，安裝了上述正偏置驅(qū)動裝置的另一個底板。
5.權(quán)利要求4記述的半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于上述反偏置電源裝置安裝在上述另一個底板上。
6.權(quán)利要求1至權(quán)利要求5中的任一項記述的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于還具有在上述安裝底板上的上述反偏置驅(qū)動裝置附近設(shè)置的，驅(qū)動上述反偏置驅(qū)動裝置的上述開關(guān)裝置的前置驅(qū)動裝置。
7.權(quán)利要求1記述的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于上述貫通孔把安裝了上述反偏置驅(qū)動裝置的上述安裝底板的表面分割成兩個區(qū)域，上述反偏置驅(qū)動裝置具有被分別分割配置在把上述貫通孔夾在中間而相對的上述兩個區(qū)域中的第1以及第2反偏置驅(qū)動電路。
8.權(quán)利要求7記述的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于還具有壓接上述第2主電極一個平面的良導(dǎo)電性金屬板和良導(dǎo)電性按壓環(huán)，在上述良導(dǎo)電性金屬板以及上述良導(dǎo)電性按壓環(huán)之間夾入上述控制電極以及上述安裝底板。
9.權(quán)利要求7或權(quán)利要求8記述的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于上述正偏置驅(qū)動裝置與上述反偏置驅(qū)動裝置安裝成相互離開。
10.權(quán)利要求9記述的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于還具有和安裝了上述反偏置驅(qū)動裝置的上述安裝底板相分離，安裝了上述正偏置驅(qū)動裝置的另一個底板。
11.權(quán)利要求10記述的半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于上述反偏置電源裝置安裝在上述另一個底板上。
12.權(quán)利要求7至權(quán)利要求11的任一項記述的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置，特征在于還具有分別安裝在設(shè)置于上述安裝底板的上述兩個區(qū)域的各個區(qū)中的上述第1以及第2反偏置驅(qū)動電路附近并分別驅(qū)動上述第1以及第2反偏置驅(qū)動電路的對應(yīng)開關(guān)裝置的第1以及第2前置驅(qū)動裝置。
全文摘要
由于反偏置驅(qū)動電路的部件被配置在高溫的電力半導(dǎo)體晶片的封裝中,所以增加了反偏置開關(guān)的壓降同時其導(dǎo)電能力也降低。為解決這一問題,本發(fā)明的電力半導(dǎo)體開關(guān)裝置具有安裝了反偏置驅(qū)動電路20的安裝底板110,安裝底板110具有貫通GTO元件11的2個主電極的一方的貫通孔,由此,平面封裝靠近貫通孔設(shè)置而且貫通孔的周邊部分地包圍住平面封裝,另外,安裝底板110還具有和GTO元件11的控制電極電連接的接觸部分。
文檔編號H03K17/00GK1202735SQ9810557
公開日1998年12月23日 申請日期1998年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月18日
發(fā)明者赤松昌彥, 溝畑文雄, 別所三樹生 申請人:三菱電機株式會社