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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNG
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Diese
Anmeldung ist verwandt mit und beansprucht die Priorität
von der
japanischen Patentanmeldung
Nr. 2008-029417 , die am 8. Februar 2008 eingereicht wurde
und deren Inhalte hier durch Inbezugnahme mit aufgenommen werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleitermodule bestehend
aus einer Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen wie z. B. Bipolartransistoren
mit isoliertem Gate (IGBT), die parallel geschaltet sind, und zumindest
einem Freilauf-Halbleiterelement wie z. B. einer Freilaufdiode (FWD),
die in Sperrrichtung parallel mit der Mehrzahl von Schaltelementen
verbunden ist.
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2. Beschreibung verwandter
Technik
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Hybridfahrzeuge
und elektrische Fahrzeuge sind mit einem elektrischen Hochspannungswandler zum
Umwandeln von Elektroenergie zwischen Wechsel- und Gleichstrom.
Im Allgemeinen verwendet ein Hybridfahrzeug zwei oder mehr verschiedene
Leistungsquellen wie z. B. einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor
zum Antreiben des Fahrzeugs. Andererseits verwendet ein Elektrofahrzeug
einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs.
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7 ist
ein Schaltplan eines herkömmlichen Spannungswandlers 74 mit
einer Mehrzahl von Halbleitermodulen 9. Wie in 7 gezeigt,
besteht der Spannungswandler 74, der hohe elektrische Leistung
umwandeln kann, aus einem Aufwärtswandler 741 und
einem Wechselrichter 742, die zwischen einer Gleichstromquelle 401 und
einem Dreiphasenwechselstrommotor 402 angeordnet sind. Wenn
der Aufwärtswandler 741 die Spannung des von der
Gleichstromquelle 401 gelieferten Gleichstroms erhöht,
wandelt der Wechselrichter 743 den Gleichstrom in Wechselstrom
und liefert dann den gewandelten Wechselstrom an den Dreiphasenwechselstrommotor 102.
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Andererseits
wandelt der Wechselrichter 742 während eines Rückgewinnungszyklus
von dem Dreiphasenwechselstrommotor 402 rückgewonnenen
Wechselstrom in Gleichstrom um. Der Aufwärtswandler 741 erniedrigt
die Spannung des gewandelten Gleichstroms und liefert den Gleichstrom
an die Gleichstromquelle 401.
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Wie
in 7 gezeigt, weist der Wechselrichter 742 sechs
Arme auf. Jeder Arm besitzt Halbleiterelemente 92 und 93,
welche einen IGBT-Transistor und dergleichen beinhalten. Bei dem
Wechselrichter 742 sind die beiden ein Paar bildenden Arme
in Serie geschaltet. Somit bilden die zwei in Serie geschalteten
Arme ein Paar. Der obere Seitenarm 721 in jedem Paar ist
elektrisch mit einem positiven (+) Elektrodenanschluss der Gleichstromquelle 401 verbunden, und
der untere Seitenarm 722 ist elektrisch mit einem negativen
(–) Elektrodenanschluss der Gleichstromquelle 401 verbunden.
Wie in 7 gezeigt, bilden der obere Arm 721 und
der untere Arm 722, die in Serie geschaltet sind, eine
Gleichspannungsschaltung. Insgesamt drei Gleichspannungsschaltungen
sind in dem Wechselrichter 742 angeordnet. Ein Verbindungsknoten
zwischen dem oberen Arm 721 und dem unteren Arm 722 ist
in jedem Paar (wie in jeder Gleichspannungsschaltung) elektrisch
verbunden mit einer von der U-Phasen-Elektrode, der V-Phasen-Elektrode
und der W-Phasen-Elektrode des Dreiphasenwechselstrommotors 402.
Das heißt, dass die drei Verbindungsknoten der oberen Arme 721 und
der unteren Arme 722 bei den drei Paaren wie in 7 gezeigt
mit der U-Phasen-Elektrode, der V-Phasen-Elektrode bzw. der W-Phasen-Elektrode des
Dreiphasenwechselstrommotors 402 verbunden sind.
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Der
Aufwärtswandler 741 besteht aus einem oberen Arm 711 und
einem unteren Arm 712, die in Serie geschaltet sind, sowie
aus einer Drossel 413. Die Drossel 413 ist zwischen
den Verbindungsknoten zwischen dem oberen Arm 711 und dem
unteren Arm 712 und den positiven (+) Elektrodenanschluss
der Gleichstromquelle 401 geschaltet. Jeder Arm in dem Aufwärtswandler 741 und
dem Wechselrichter 742 besteht aus dem Halbleiterschaltelement 92 und
dem Freilauf-Halbleiterelement 93. Das Halbleiterschaltelement 92 und
das Freilauf-Halbleiterelement 93 sind parallel geschaltet.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht des herkömmlichen Halbleitermoduls 9,
das in dem in 7 gezeigten herkömmlichen
Spannungswandler anzuordnen ist.
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Wie
in
8 gezeigt, besteht jeder Arm aus einem einzelnen
Halbleitermodul
9, wobei das Halbleiterschaltelement
92 und
das Freilauf-Halbleiterelement
93 zusammen in einem einzelnen
Modul eingebaut sind. Z. B. hat die japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2001-308237 ein solches
herkömmliches Halbleitermodul
9 offenbart, das
einen Arm bildet.
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Da
jedoch der eingebaute Elektromotor in Fahrzeugen wie z. B. Hybridfahrzeugen
einen großen Strom benötigt, fließt ein
solch großer Strom in jedem Arm des Spannungswandlers 74,
der in den Fahrzeugen eingebaut ist.
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9 ist
ein Schaltplan, der einen anderen Aufbau der Halbleitermodule zeigt,
die in dem herkömmlichen Spannungswandler angeordnet sind. 10 ist
eine Draufsicht eines anderen Aufbaus der herkömmlichen
Halbleitermodule, die in dem herkömmlichen Spannungswandler
angeordnet sind.
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Wie
in 9 gezeigt, bestehen obere und untere Arme 911 und 912 in
einem Aufwärtswandler 941 sowie obere und untere
Arme 921 und 922 in einem Wechselrichter 942 aus
einer Mehrzahl von Halbleitermodulen 9, die parallel geschaltet
sind, um einen großen Strom zu teilen.
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Jedoch
besteht jeder Arm wie in 10 gezeigt
aus einer Mehrzahl von den Halbleitermodulen 9, die parallel
geschaltet sind. Dieser in 10 gezeigte
Aufbau erhöht die Gesamtzahl der Halbleitermodule 9.
Dieser Aufbau bewirkt eine Zunahme der gesamten Größe
des Spannungswandlers 94. Das heißt, dass wenn
z. B. jeder Arm aus zwei Halbleitermodulen 9 besteht, die
gesamte Anzahl der Halbleitermodule 9 in dem Spannungswandler 94 verdoppelt
wird. Da der Spannungswandler 94 aus den Halbleitermodulen 9 und
Kühlleitungen 5 besteht und diese in Richtung
ihrer in 10 gezeigten Stapelrichtung
gestapelt sind, wird die Gesamtfläche des Spannungswandlers 94 von
ihrer Stapelrichtung aus gesehen verdoppelt.
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Um
solch ein übliches Problem zu vermeiden, gibt es die Möglichkeit,
ein einzelnes Halbleitermodul bestehend aus den zwei Halbleitermodulen
zu bilden. Das heißt, dass eine Mehrzahl der Halbleiterschaltelemente 92,
die parallel geschaltet sind, und eine Mehrzahl der Freilauf-Halbleiterelemente 93,
die parallel geschaltet sind, zusammen in einem einzelnen Halbleitermodul
eingebaut sind.
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Wenn
jedoch die Halbleiterschaltelemente 92 nahe zu einander
in den Halbleitermodulen 9 angeordnet sind, fließt
der Strom in den Halbleiterschaltelementen 92 gleichzeitig
und es wird gleichzeitig Wärmeenergie in den Halbleiterschaltelementen 92 erzeugt.
Die Wärmeenergie erhöht drastisch die Temperatur
der Halbleitermodule 9.
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Um
solch ein übliches Problem zu vermeiden, hat die japanische
Patentoffenlegungsschrift
JP H11-103012 einen
einzelnen Aufbau offenbart, bei dem die Halbleiterschaltelemente
92 und
die Freilauf-Halbleiterelemente
93 in den Halbleitermodulen alternierend
angeordnet sind, so dass die Halbleiterschaltelemente
92 nicht
benachbart zueinander sind.
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Im
Allgemeinen fließt der Strom während des Leistungsantriebsbetriebes
des Spannungswandlers 94, bei dem Gleichstrom in Wechselstrom
gewandelt wird, überwiegend in den Halbleiterschaltelementen 92.
Andererseits fließt der Strom während des Betriebs
des Spannungswandlers zum Rückgewinnen elektrischer Leistung,
bei dem Wechselstrom in Gleichstrom gewandelt wird, überwiegend
durch die Freilauf-Halbleiterelemente 93.
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Weiter
ist die gesamte Wärmeenergie, die in den Halbleiterschaltelementen 92 während
des Leistungsantriebsbetriebes erzeugt wird, im Allgemeinen größer
als die in den Freilauf-Halbleiterelementen 93 während
des Betriebs zum Rückgewinnen elektrischer Leistung erzeugte
Wärmeenergie. Während des Leistungsantriebsbetriebes
fließt ein bestimmter Strom in den Halbleiterschaltelementen 92.
Darüber hinaus neigt der Stromfluss in den Halbleiterschaltelementen 92 während
des Leistungsantriebsbetriebes dazu, größer als
der in den Freilauf-Halbleiterelementen 93 zu sein. Das
heißt, dass gesagt werden kann, dass die Halbleiterschaltelemente 92 eine
größere Menge an Wärmeenergie erzeugen
als die Freilauf-Halbleiterelemente 93, nicht nur im Leistungsantriebsbetrieb,
sondern auch in dem Betrieb zum Rückgewinnen elektrischer
Leistung.
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In
dieser Hinsicht ist es zu bevorzugen, dass die Halbleiterschaltelemente 92 an
beiden Endabschnitten der Halbleitermodule 9 angeordnet
werden, also das Halbleiterschaltelement 92 nicht zwischen
den Freilauf-Halbleiterelementen 93 angeordnet ist, um
den Einfluss der erzeugten Wärmeenergie zu beseitigen.
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Andererseits
ist bei dem in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP H11-103012 das Freilauf-Halbleiterelement
93 an
einem Ende der Anordnung des Halbleiterschaltelementes
92 und
des Freilauf-Halbleiterelementes
93 angeordnet. Das Halbleiterschaltelement
92 ist
zwischen den Freilauf-Halbleiterelementen
93 angeordnet.
Es kann nicht immer gesagt werden, dass dieser in
JP H11-103012 offenbarte Aufbau
die in den Halbleiterschaltelementen
92 erzeugte Wärmeenergie
zulänglich abstrahlt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleitermodul
mit einer überlegenen Wärmeabstrahlungswirkung
bei kompakter Größe bereitzustellen. Das Halbleitermodul
wird z. B. verwendet in einem Spannungswandler, der in Fahrzeugen
wie z. B. Hybridfahrzeugen eingebaut wird, sowie in anderen Vorrichtungen.
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Um
die obigen Ziele zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung
ein Halbleitermodul mit einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Halbleiterschaltelementen
und zumindest einem Freilauf-Halbleiterelement, das in Sperrrichtung
parallel zu den Halbleiterschaltelementen angeordnet ist, bereit.
Bei dem Halbleitermodul ge mäß der vorliegenden
Erfindung ist das Freilauf-Halbleiterelement zwischen den Halbleiterschaltelementen
angeordnet und sind die Halbleiterschaltelemente an beiden Endabschnitten
der Anordnung des Freilauf-Halbleiterelementes und der Halbleiterschaltelemente
angeordnet.
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Die
Halbleiterschaltelemente und das Freilauf-Halbleiterelement sind
in das Halbleitermodul gemäß der vorliegenden
Erfindung eingebaut. Die Halbleiterschaltelemente sind parallel
zueinander geschaltet. Ein Spannungswandler weist eine Mehrzahl von
Armen auf. Jeder Arm weist zumindest drei Halbleitermodule gemäß der
vorliegenden Erfindung auf. Z. B. weist jeder Arm ein Paar von Halbleiterschaltelementen
und das Freilauf-Halbleiterelement auf. Dieser Aufbau kann die Gesamtzahl
an Komponenten, welche das Halbleitermodul bilden, im Vergleich zu
dem Aufbau eines herkömmlichen Halbleitermoduls verringern,
und kann dadurch die Gesamtgröße des Halbleitermoduls
verringern.
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Das
Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung
besitzt den Aufbau, bei dem das Freilauf-Halbleiterelement zwischen
den Halbleiterschaltelementen angeordnet ist. Das heißt,
dass die parallel geschalteten Halbleiterschaltelemente derart angeordnet
sind, dass sie in dem Halbleitermodul nicht benachbart zueinander
sind.
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In
dieser Anordnung von Halbleiterelementen werden die Elemente in
dem Halbleitermodul von einander beeinflusst. Dadurch wird der Temperaturanstieg
jedes Halbleiterschaltelementes unterdrückt.
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Weiter,
da jedes Halbleiterschaltelement an beiden Endabschnitten der Anordnung
von Halbleiterelementen angeordnet ist, da also das Halbleitermodul
keinen Aufbau besitzt, bei dem jedes Halbleiterschaltelement zwischen
den Freilauf-Halbleiterelementen angeordnet ist, ist es möglich,
die in den Halbleiterschaltelementen erzeugte Wärme effizient zu
der äußeren Umgebung des Halbleitermoduls abzustrahlen.
Als Folge davon kann der Temperaturanstieg des gesamten Halbleitermoduls
unterdrückt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
bevorzugte, nicht-beschränkende Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird als Beispiel mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben werden. In den Figuren zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Halbleitermoduls, das in einen Spannungswandler einzubauen
ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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2 einen
Querschnitt des Halbleitermoduls entlang der in 1 gezeigten
Linie A-A;
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3 einen
Schaltplan des Spannungswandlers, der mit einer Mehrzahl von Halbleitermodulen
gemäß der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist;
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4 eine
Draufsicht des mit einer Mehrzahl von Halbleitermodulen gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestatteten
Spannungswandlers;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Halbleitermoduls gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Halbleitermoduls als ein Vergleichsbeispiel;
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7 einen
Schaltplan eines herkömmlichen mit einer Mehrzahl von Halbleitermodulen
ausgerüsteten Spannungswandlers;
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8 eine
perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Halbleitermoduls,
das in den in 7 gezeigten herkömmlichen
Spannungswandler einzubauen ist;
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9 einen
Schaltplan, der einen anderen Aufbau der herkömmlichen
Halbleitermodule zeigt, die in den herkömmlichen Spannungswandler
einzubauen sind; und
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10 eine
Draufsicht eines anderen Aufbaus von herkömmlichen Halbleitermodulen,
die in den herkömmlichen Spannungswandler einzubauen sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben
werden. In der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen
bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche
Teile in den verschiedenen Zeichnungen.
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Erste Ausführungsform
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Mit
Bezug auf die 1 bis 4 wird ein
in einen Spannungswandler einzubauendes Halbleitermodul beschrieben
werden. Z. B. ist der Spannungswandler in Hybridfahrzeuge oder anderes
eingebaut.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Halbleitermoduls gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung. Wie in 1 gezeigt,
weist das Halbleitermodul 1 gemäß der
ersten Ausführungsform ein Paar von Halbleiterschaltelementen 2 und zumindest
ein Freilauf-Halbleiterelement 3 auf. Die Halbleiterschaltelemente 2 sind
parallel geschaltet. Das Freilauf-Halbleiterelement 3 ist
in Sperrrichtung parallel zu dem Paar von Halbleiterschaltelementen 2 geschaltet.
Das Freilauf-Halbleiterelement 3 ist zwischen dem Paar
von Halbleiterschaltelementen 2 angeordnet. Somit sind
die Halbleiterschaltelemente 2 an beiden Endabschnitten
des Halbleitermoduls 1 angeordnet, und das Freilauf-Halbleiterelement 3 ist in
dem mittleren Abschnitt des Halbleitermoduls 1 angeordnet.
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Das
Halbleitermodul 1 besitzt ein Hauptkörperteil 11 von
rechteckiger Form, in das ein Paar von Halbleiterschaltelementen 2 und
das Freilauf-Halbleiterelement 3 eingebaut sind. Bei dem
Halbleitermodul 1 der ersten Ausführungsform sind
der längliche Teil jedes der Halbleiterschaltelemente 2 und
des Freilauf-Halbleiterelementes 3 parallel zu der kurzen Seite 111 des
Halbleitermoduls 1 von rechteckiger Form angeordnet.
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Die
erste Ausführungsform verwendet einen IBGT-Transistor (IGBT)
als das Halbleiterschaltelement 2 und verwendet eine Freilaufdiode
(FWD) als das Freilauf-Halbleiterelement 3.
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2 ist
ein Querschnitt des Halbleitermoduls 1 entlang der in 1 gezeigten
Linie A-A. Wie in 2 gezeigt, weist das Halbleitermodul 1 die Halbleiterschaltelemente 2,
das Freilauf-Halbleiterelement 3 und das Paar von Abstrahlplatten 12-1 und 12-2 auf.
Das heißt, dass die Halbleiterschaltelemente 2 und
das Freilauf-Halbleiterelement 3 zwischen den Abstrahlplatten 12-1 und 12-2 angeordnet
sind.
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Eine
Abstrahlplatte 12-1 ist fest auf einer Oberflächenseite
von jedem der Halbleiterschaltelemente 2 und des Freilauf-Halbleiterelementes 3 mit Lötzinn 13 angebracht,
der durch die fettgedruckte schwarze Linie in 2 dargestellt
ist. Die andere Abstrahlplatte 12-2 ist fest auf der anderen
Oberflächenseite jedes der Halbleiterschaltelemente 2 und des
Freilauf-Halbleiterelementes 3 über Abstandshalter 14 mit
Lötzinn 13 angebracht. Das heißt, dass der
Abstandshalter 14 und die Abstrahlplatte 12-2 miteinander
mit Lötzinn 13 befestigt sind, der in 2 durch
fettgedruckte schwarze Linien dargestellt ist, und dass der Abstandshalter 14 und
die Halbleiterelemente 2 und 3 miteinander mit
dem Lötzinn 13 befestigt sind.
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Das
Paar von Abstrahlplatten 12-1 und 12-2 ist elektrisch
jeweils mit dem Paar von Elektrodenanschlüssen 15 verbunden.
Die Abstrahlplatten 12-1 und 12-2 liegen auf den
Oberflächen des Halbleitermoduls 1 frei. Die Elektrodenanschlüsse 15 stehen von
der einen Oberfläche des Hauptkörperteils des Halbleitermoduls 1 entlang
der Richtung hervor, die senkrecht zu der Anordnungsrichtung der
Halbleiterschaltelemente 2 und des Freilauf-Halbleiterelementes 3 ist.
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Signalanschlüsse 16 stehen
von der gegenüberliegenden Oberfläche des Hauptkörperteils
des Halbleitermoduls 1 hervor. Die Signalanschlüsse 16 sind
z. B. mit den Basisanschlüssen der Halbleiterschaltelemente
in dem Halbleitermodul 1 verbunden. Die Signalanschlüsse 16 sind
mit einer Steuerschaltung (nicht dargestellt) zum Steuern des Betriebs
jedes Arms verbunden.
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Wie
in 1 gezeigt, weist jedes Halbleitermodul 1 gemäß der
ersten Ausführungsform die zehn Signalanschlüsse 16 auf,
die in die Paare von Anschlussgruppen aufgeteilt sind. Jede Anschlussgruppe
besitzt die fünf Signalanschlüsse 16.
Z. B. sind die zwei Signalanschlüsse 16 in jeder
Anschlussgruppe mit den Gates der zwei IGBTs (als die Halbleiterschaltelemente)
in jedem Arm verbunden. Die verbleibenden Signalanschlüsse 16 in
dem Arm sind mit einem Anschluss einer Temperaturmessdiode (nicht dargestellt)
und dergleichen verbunden. Durch die Signalanschlüsse 16 steuert
die Steuerschaltung (nicht dargestellt) den Betrieb der zwei IGBTs 2 und der
Freilauf-Diode 3 (als das Freilauf-Halbleiterelement) in
jedem Arm.
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3 ist
ein Schaltplan eines Spannungswandlers mit einer Mehrzahl von Halbleitermodulen 1 gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Das
Halbleitermodul 1 gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird als ein Schaltteil in dem in 3 gezeigten
Spannungswandler 4 verwendet.
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Wie
in 3 gezeigt, weist der Spannungswandler 4 einen
Aufwärtswandler 41 und einen Wechselrichter 42 auf,
die zwischen einer Gleichstromquelle 401 und einem Dreiphasenwechselstrommotor 402 angeordnet
sind.
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Nachdem
der Aufwärtswandler 41 die von der Gleichstromquelle 401 gelieferte
Gleichspannung erhöht hat, wandelt der Wechselrichter 42 den Gleichstrom
in Wechselstrom und liefert dann den gewandelten Wechselstrom an
den Dreiphasenwechselstrommotor 402.
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Andererseits
wandelt der Wechselrichter 42 den von dem Dreiphasenwechselstrommotor 402 rückgewonnenen
Wechselstrom in Gleichstrom. Der Aufwärtswandler 41 transformiert
den gewandelten Gleichstrom herab und liefert den Gleichstrom an
die Gleichstromquelle 401.
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Wie
klar in 3 gezeigt, weist der Wechselrichter 42 in
dem Spannungswandler 4 sechs Arme auf. Jeder Arm besitzt
einen oberen Arm 421 und einen unteren Arm 422.
Sowohl der obere Arm 421 als auch der untere Arm 422 weisen
zwei Halbleiterschaltelemente 2 und das Freilauf-Halbleiterelement 3 auf.
Die zwei Arme sind in Serie geschaltet. Ein Arm 421 (oder
der obere Arm 421) in einem Paar von in Serie geschalteten
Armen ist elektrisch mit der positiven (+) Elektrodenseite der Gleichstromquelle 401 verbunden.
Der andere Arm 422 (oder der untere Arm 422) ist
elektrisch mit der negativen (–) Elektrode der Gleichstromquelle 401 verbunden.
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Die
drei Paare von dem oberen Arm 421 und dem unteren Arm 422,
die in Serie geschaltet sind, sind in dem Wechselrichter 42 angeordnet.
Der Verbindungsknoten zwischen dem oberen Arm 421 und dem
unteren Arm 422 in jedem Paar ist elektrisch mit der U-Phasen-Elektrode,
der V-Phasen-Elektrode bzw. der W-Phasen-Elektrode des Dreiphasenwechselstrommotors 402 verbunden.
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Wie
in 3 gezeigt, weist der Aufwärtswandler 41 in
dem Spannungswandler 4 den oberen Arm 411, den
unteren Arm 412 und eine Drossel 413 auf. Die
Drossel 413 ist zwischen die positive (+) Elektrode der
Gleichstromquelle 41 und den Verbindungsknoten zwischen
den oberen Arm 411 und den unteren Arm 412 geschaltet.
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Jeder
Arm (jeder von den oberen Armen 411, 421 und den
unteren Armen 412 und 422) in dem Aufwärtswandler 41 und
dem Wechselrichter 42 weist ein Paar von Halbleiterschaltelementen 2 und das
Freilauf-Halbleiterelement 3 auf. Die Halbleiterschaltelemente 2 sind
parallel geschaltet. Das Freilauf-Halbleiterelement 3 ist
in Sperrrichtung parallel zu den Halbleiterschaltelementen 2 geschaltet.
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Das
heißt, dass das Halbleitermodul 1 gemäß der
ersten Ausführungsform aus dem Paar von Halbleiterschaltelementen 2 und
dem Freilauf-Halbleiterelement 3 besteht. Diese Halbleiterschaltelemente 2 und
das Freilauf-Halbleiterelement 3 sind zusammen derart eingebaut,
dass sie das Halbleitermodul 1 bilden. Jedes Halbleitermodul 1 entspricht jedem
Arm in dem Spannungswandler 4.
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In
jedem Arm, also in jedem Halbleitermodul 1, sind die Kollektoranschlüsse
der beiden Halbleiterschaltelemente 2 miteinander verbunden,
und sind die Emitteranschlüsse davon miteinander verbunden.
Der Anodenanschluss des Freilauf-Halbleiterelementes 3 ist
mit den Emitteranschlüssen des Halbleiterschaltelementes 2 verbunden.
Der Kathodenanschluss des Freilauf-Halbleiterelementes 3 ist
mit den Kollektoranschlüssen der Halbleiterschaltelemente 2 verbunden.
Die Basisanschlüsse der zwei Halbleiterschaltelemente 2 sind
mit den in 1 gezeigten Signalanschlüssen 16 verbunden.
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In
dem Aufwärtswandler 41, während des Spannungserhöhungsbetriebes,
ist das Paar von Halbleiterschaltelementen 2 in dem oberen
Arm 411 ausgeschaltet, und es wird das Paar von Halbleiterschaltelementen 2 in
dem unteren Arm 412 ein- und ausgeschaltet. Dieser Betrieb
ermöglicht dem Strom, durch das Freilauf-Halbleiterelement 3 in
dem oberen Arm 411 und durch die Halbleiterschaltelemente 2 in dem
unteren Arm 412 zu fließen. Als Folge davon erzeugen
diese Halbleiterelemente Wärme.
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Andererseits
wird in dem Aufwärtswandler 41 während
des Spannungsverringerungsbetriebes das Paar von Halbleiterschaltelementen 2 in
dem oberen Arm 411 ein- und ausgeschaltet und sind die Halbleiterschaltelemente 2 in
dem unteren Arm 421 ausgeschaltet. Dieser Betrieb ermöglicht
dem Strom, durch die Halbleiterschaltelemente 2 in dem
oberen Arm 411 und durch das Freilauf-Halbelement 3 in dem
unteren Arm 412 zu fließen. Als Folge davon erzeugen
diese Halbleiterelemente Wärme.
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In
dem Wechselrichter 42 werden während des Leistungsantriebsbetriebes
die Halbleiterschaltelemente 2 in jedem Arm ein- und ausgeschaltet.
Dieser Betrieb erlaubt dem Strom, überwiegend durch die
Halbleiterschaltelemente 2 zu fließen. Als Folge davon
erzeugen vorwiegend die Halbleiterschaltelemente 2 Wärme.
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Andererseits
fließt der Strom während des Leistungsrückgewinnungsbetriebes,
obwohl die Halbleiterschaltelemente 2 in jedem Arm ein-
und ausgeschaltet werden, durch das Freilauf-Halbleiterelement 3.
Dieser Betrieb ermöglicht, dass Wärme vorwiegend
in dem Freilauf-Halbleiterelement 3 erzeugt wird.
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Wie
oben beschrieben, erzeugen die Halbleiterschaltelemente 2 oder
das Freilauf-Halbleiterelement 3 während des Spannungserhöhungsbetriebes, während
des Spannungsverringerungsbetriebes, während des Leistungsantriebsbetriebes
und während des Leistungsrückgewinnungsbetriebes
Wärme. Insbesondere erzeugt das Paar von in jedem Arm parallel
geschalteten Halbleiterschaltelementen 2 gleichzeitig Wärme.
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Jedoch
während des Spannungserhöhungsbetriebes erzeugt
jedes Freilauf-Halbleiterelement 3 in dem Halbleitermodul 1 als
der untere Arm 412 keine Wärme. Während
des Spannungsverringerungsbetriebes erzeugt das Freilauf-Halbleiterelement 3 in dem
Halbleitermodul 1 als der obere Arm 411 keine Wärme.
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Weiter
während des Leistungsantriebsbetriebes erzeugen sowohl
die Halbleiterschaltelemente 2 als auch das Freilauf-Halbleiterelement 3 Wärme.
Im Allgemeinen ist während des Leistungsantriebsbetriebes
die Wärmeenergie des Freilauf-Halbleiterelementes 3 angemessen
geringer als die des Halbleiterschaltelementes 2.
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Andererseits
erzeugen die während des Leistungsrückgewinnungsbetriebes
sowohl die Halbleiterschaltelemente 2 als auch das Freilauf-Halbleiterelement 3 Wärme.
Allgemein ist während des Leistungsrückgewinnungsbetriebes
die Wärmeenergie der Halbleiterschaltelemente 2 etwas
geringer als oder gleich der des Freilauf-Halbleiterelementes 3.
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In
allgemeinen Worten ist daher zu verstehen, dass das Halbleiterschaltelement 2 eher
als das Freilauf-Halbleiterelement 3 Wärme erzeugt.
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4 ist
eine Draufsicht des Spannungswandlers, der die Halbleitermodule 1 gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
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Wie
in 4 gezeigt sind Kühlleitungen 5 fest
an beiden Oberflächen jedes Halbleitermoduls 1 angebracht.
Ein Kühlmedium fließt in den Kühlleitungen 5,
um die Halbleitermodule 1 in dem Spannungswandler zu kühlen.
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Ein
Isoliermaterial mit überlegener Leitfähigkeit
wird zwischen die Halbleitermodule und die Kühlleitungen 5 angeordnet.
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Ein
Paar von Halbleitermodulen 1, die den oberen Arm und den
in Serie geschalteten unteren Arm bilden, sind zwischen ein Paar
von Kühlleitungen 5 angeordnet.
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Jede
Kühlleitung 5 ist aus einem Metall mit überlegener
Wärmeleitfähigkeit wie z. B. Aluminium gemacht.
Bezüglich der beiden Enden der Kühlleitungen 5 ist
an einem Ende der Kühlleitung 5 ein Kühlmediumeinlass 541 ausgebildet
und ist an dem anderen Ende der Kühlleitung 5 ein
Kühlmediumauslass 542 ausgebildet.
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Wie
in 4 gezeigt, sind die Kühlleitungen 5 mit
einem vorbestimmten Abstand in der Stapelrichtung davon angeordnet.
Die Kühlmediumeinlässe 541 und die Kühlmediumauslässe 542 der
Kühlleitungen 5, die benachbart zueinander sind,
sind miteinander durch eine Verbindungsleitung 501 verbunden.
Zwischen den benachbarten Kühlleitungen 5 sind
die Halbleitermodule 1 angeordnet. Beide Oberflächen
jedes Halbleitermoduls 1 sind an den Kühlleitungen 5 angebracht.
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Eine
Kühlmediumeinführleitung 502 und eine Kühlmediumablassleitung 503 sind
an der Kühlleitung 5 an einem Ende der oben beschriebenen
Stapelrichtung angeordnet. Das Kühlmedium wird in das Innere
der Kühlleitungen 5 durch die Kühlmediumeinführleitung 502 eingeführt.
Das Kühlmedium wird aus den Kühlleitungen 5 durch
die Kühlmediumablassleitung 503 abgeführt.
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Das
durch die Kühlmediumeinführleitung 502 in
die Kühlleitungen 5 eingeführte Kühlmedium fließt
durch jede der Kühlleitungen und wird schließlich
durch die Kühlmediumablassleitung 503 nach außen
abgeführt. Während des Flusses von Kühlmedium
durch jede Kühlleitung 5 wird Wärmeaustausch zwischen
dem Kühlmedium und den Halbleitermodulen 5 durchgeführt.
Das heißt, dass das Kühlmedium die Wärmeenergie
der Halbleitermodule 5 aufnimmt. Dadurch wird der Temperaturanstieg
der Halbleitermodule 1 in dem Spannungswandler vermieden.
Das Kühlmedium hoher Temperatur nach dem Wärmeaustausch
wird durch die Kühlmediumablassleitung 503 abgeführt.
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Als
nächstes wird der Betrieb des Halbleitermoduls 1 gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben
werden.
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Jedes
Halbleitermodul 1 besitzt eine Mehrzahl von eingebauten
Halbleiterschaltelementen 2, die parallel geschaltet sind.
Dieser Aufbau des Halbleitermoduls 1 kann die gesamte Größe
des Halbleitermoduls verringern, wenn die Halbleitermodule 1 in den
Spannungswandler eingebaut sind.
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Weiter
ist das Freilauf-Halbleiterelement 3 zwischen das Paar
von Halbleiterschaltelementen 2 in jedem Halbleitermodul 1 angeordnet.
Das heißt, dass die parallel geschalteten Halbleiterschaltelemente 2 nicht
benachbart zueinander sind aufgrund des Anordnens des Freilauf-Halbleiterelementes 3 zwischen
die Halbleiterschaltelemente 2. Es ist dadurch möglich,
jeglichen Temperaturanstieg einer Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen 2 durch
gegenseitigen Einfluss zu unterdrücken.
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Darüber
hinaus ist das Halbleiterschaltelement 2 an jedem Endabschnitt
des Halbleitermoduls 1 gesehen aus der Anordnungsrichtung
der Halbleiterschaltelemente 2 und des Freilauf-Halbleiterelements 3 angeordnet.
Dieser Aufbau des Halbleiterelements 1 gemäß der
ersten Ausführungsform schließt nicht jedes Halbleiterschaltelement 2 zwischen
den Freilauf-Halbleiterelementen 3 ein. Dieser Aufbau des
Halbleiterelementes 1 der ersten Ausführungsform
strahlt effizient in den Halbleiterschaltelementen 2 erzeugte
Wärmeenergie nach außen ab, z. B. durch die Kühlleitungen 5.
Als Folge kann die Gesamtheit des Halbleiterelementes 1 der
ersten Ausführungsform den Temperaturanstieg unterdrücken.
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Jedes
Halbleitermodul 1 nach der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Halbleiterschaltelemente 2 und
das Freilauf-Halbleiterelement 3 auf. Wie klar in 3 gezeigt
besitzt jeder Arm ein Freilauf-Halbleiterelement 3. Dieser Aufbau
des Halbleitermoduls 1 kann die Gesamtgröße
davon verringern.
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Wie
weiter in 1 gezeigt, ist die Längsrichtung
jedes der Halbleiterschaltelemente 2 und des Freilauf-Halbleiterelementes 3 parallel
zu der kurzen Seite 111 des Halbleitermoduls 1 gemäß der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung platziert oder
angeordnet. Dieser Aufbau des Halbleitermoduls 1 gemäß der
ersten Ausführungsform kann verhindern, dass die Länge
des Halbleitermoduls 1 entlang seiner Längsrichtung
zunimmt. Daher ermöglicht dieser Aufbau dem Halbleitermodul 1, eine
geringe Größe zu besitzen.
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Wie
oben im Detail beschrieben ist es gemäß der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich,
das Halbleitermodul mit einer überlegenen Wärmeabführfunktion
bei geringer Größe bereitzustellen.
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Zweite Ausführungsform
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Mit
Bezug auf 5 wird ein Halbleitermodul 1-1 gemäß der
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben
werden, das mit einer Mehrzahl von Freilauf-Halbleiterelementen 3 ausgerüstet
ist.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht des Halbleitermoduls 1-1 gemäß der
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie
in 5 gezeigt ist ein Paar von Halbleiterschaltelementen 2 an
beiden Enden des Halbleitermoduls 1-1, ähnlich
dem Aufbau des in 1 gezeigten Halbleitermoduls 1,
angeordnet. Weiter ist das Paar von Freilauf-Halbleiterelementen 3 zwischen den
Halbleiterschaltelementen 2 angeordnet. Die Freilauf-Halbleiterelemente 3 sind
in der Richtung parallel zu der kurzen Seite 111 des Halbleitermoduls 1-1 angeordnet.
Der Längsabschnitt jedes der Halbleiterschaltelemente 2 ist
parallel zu der kurzen Seite des Halbleitermoduls 1-1 angeordnet.
Andere Komponenten des Halbleitermoduls 1-1 gemäß der
zweiten Ausführungsform sind gleich denjenigen des Halbleitermoduls 1 gemäß der
ersten Ausführungsform.
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Da
das Halbleitermodul 1-1 gemäß der zweiten
Ausführungsform zwei eingebaute Freilauf-Halbleiterelemente 3 besitzt,
ist es möglich, den Temperaturanstieg der Freilauf-Halbleiterelemente 3 zu
unterdrücken, und dadurch ist es möglich, die
Abstrahlfunktion des Halbleitermoduls 1-1 zu verbessern.
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Insbesondere
ist der Längsabschnitt jedes der Halbleiterschaltelemente 2 parallel
zu der kurzen Seite 111 des Halbleitermoduls 1-1 angeordnet,
und ist die Mehrzahl von Freilauf-Halbleiterelementen 3 entlang
der Richtung parallel zu der kurzen Seite 111 des Halbleitermoduls 1-1 angeordnet.
Es ist daher möglich, das Anwachsen des Längsabschnittes
des Halbleitermoduls 1-1 zu unterdrücken und das
Halbleitermodul 1-1 mit geringer Größe
bereitzustellen.
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Andere
Effekte und Wirkungen des Halbleitermoduls 1-1 gemäß der
zweiten Ausführungsform sind die gleichen wie diejenigen
des Halbleitermoduls 1 gemäß der ersten
Ausführungsform.
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(Vergleichsbeispiel)
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Im
Folgenden wird das Vergleichsbeispiel mit Bezug auf 6 beschrieben
werden.
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines Halbleitermoduls gemäß einem
Vergleichsbeispiel. Wie in 6 gezeigt
besitzt das Halbleitermodul 8 gemäß dem
Vergleichsbeispiel einen Aufbau, der verschieden von jedem der Halbleitermodule 1 und 1-1 gemäß der
ersten und zweiten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ist.
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Das
Halbleitermodul 8 gemäß dem Vergleichsbeispiel
weist eine ausgedehntere Größe von sowohl einem
Halbleiterschaltelement 82 als auch eines Freilauf-Halbleiterelementes 83 auf.
Das heißt, dass es möglich ist, das Hochleistungs-Halbleiterschaltelement 82 und
das Hochleistungs-Freilauf-Halbleiterelement 83 zu verwenden,
die einem großen von dem Spannungswandler zu steuernden Strom
entsprechen. Jedoch vergrößert das Anpassen des
Halbleiterschaltelementes 82 und des Freilauf-Halbleiterelementes 83 an
das Erhöhen eines zu wandelnden großen Stroms
deren Größe und erhöht außerdem
stark die Ausbeute beim Herstellen der Halbleitermodule.
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Das
Halbleiterschaltelement 82 und die Freilauf-Halbleiterelemente 83 erzeugen
eine große Wärmemenge. Das macht es schwierig,
das Ansteigen der Temperatur des Halbleiterschaltelementes 82,
insbesondere während des Leistungsantriebsbetriebes, zu
unterdrücken.
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Andererseits
stellt die vorliegende Erfindung die Halbleitermodule 1 und 1-1 mit
einer geringen Größe bereit, wie es bei der ersten
und zweiten Ausführungsform beschrieben wurde. Jedes Halbleitermodul
ist mit einer Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen 2 ausgerüstet,
die insbesondere an den beiden Endabschnitten der Anordnung von
den Halbleiterschaltelementen 2 und den Freilauf-Halbleiterelementen 3 angeordnet
sind. Dieser Aufbau von jedem der Halbleitermodule 1 und 1-1 erhöht
die Wärmeabstrahlungsfunktion und verringert dessen Größe.
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(Andere Merkmale und Wirkungen der vorliegenden Erfindung)
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Bei
dem Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es möglich, jeweils einen IGBT-Transistor (IGBT) als
Halbleiterschaltelement zu verwenden, und jeweils eine Freilaufdiode
(FWD) als Freilauf-Halbleiterelement zu verwenden.
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Die
Anzahl der Halbleiterschaltelemente ist vorzugsweise 2. Bei diesem
Aufbau ist jedes Halbleiterschaltelement an beiden Endabschnitten
der Anordnung von Halb leiterelementen angeordnet. Es ist dadurch
möglich, die Abstrahlungsfähigkeit des Halbleitermoduls
zu verstärken.
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Weiter
ist die Anzahl an Freilauf-Halbleiterelementen vorzugsweise 1. Dieser
Aufbau kann die Gesamtgröße des Halbleitermoduls
verringern.
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Darüber
hinaus besitzt das Halbleitermodul weiter ein Hauptkörperteil
von rechteckiger Form, der die Halbleiterschaltelemente und das
Freilauf-Halbleiterelement aufnimmt. Bei dem Halbleitermodul ist eine
Längsseite jedes der Halbleiterschaltelemente und des Freilauf-Halbleiterelementes
parallel zu einer kurzen Seite des Hauptkörperteils von
rechteckiger Form angeordnet. Dieser Aufbau des Halbleitermoduls
kann die Länge des Halbleitermoduls in Längsrichtung
verringern, und dadurch kann die Gesamtgröße des
Halbleitermoduls verringert werden.
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Darüber
hinaus besitzt das Halbleitermodul vorzugsweise eine Mehrzahl an
Freilauf-Halbleiterelementen. Dieser Aufbau kann den Temperaturanstieg
der Freilauf-Halbleiterelemente unterdrücken und kann die
Abstrahlfähigkeit des Halbleitermoduls verbessern.
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Darüber
hinaus besitzt das Halbleitermodul weiter vorzugsweise ein Hauptkörperteil
von rechteckiger Form, das die Halbleiterschaltelemente und die
Freilauf-Halbleiterelemente aufnimmt. Bei dem Halbleitermodul ist
eine Längsseite jedes der Halbleiterschaltelemente parallel
zu einer kurzen Seite des Hauptkörperteils von rechteckiger
Form angeordnet. Die Freilauf-Halbleiterelemente sind parallel zu
der Richtung der kurzen Seite des Hauptkörperteils von rechteckiger
Form angeordnet. Den Aufbau kann die Größe des
Halbleitermoduls in Längsrichtung verringern, und als Folge
davon die Gesamtgröße des Halbleitermoduls verringern.
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Während
bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
im Detail beschrieben wurden, wird von den Fachleuten gewürdigt
werden, dass verschiedene Abwandlungen und Alternativen zu den Einzelheiten
im Lichte der Gesamtlehre der Offenbarung entwickelt werden könnten.
Dementsprechend sind die Anordnungen im Einzelnen nur veranschaulichend
und nicht beschränkend hinsichtlich des Schutzbereichs
der vorliegenden Erfindung gemeint, der die gesamte Breite der folgenden
Ansprüche und ihre Äquivalente besitzen soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2008-029417 [0001]
- - JP 2001-308237 [0009]
- - JP 11-103012 [0016, 0020]
- - JP 103012 [0020]