專利名稱：用于控制并聯(lián)連接的至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體的系統(tǒng)和方法
用于控制并聯(lián)連接的至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體的系統(tǒng)和方法本發(fā)明涉及用于控制至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片的系統(tǒng)和方法。功率半導(dǎo)體芯片(如絕緣柵雙極晶體管(IGBT))可僅開關(guān)某一 kV的電壓。因此，對(duì)于高電壓應(yīng)用，如在高電壓直流(HVDC)光變電站(“HVDC光”是由瑞典ABB AB注冊(cè)的商標(biāo))中，串聯(lián)地操作多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片。這例如由多個(gè)串聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體模塊(諸如緊壓包裝)實(shí)現(xiàn)。因此，每個(gè)緊壓包裝根據(jù)串聯(lián)連接的緊壓包裝數(shù)量?jī)H必須開關(guān)一小部分總電壓。每個(gè)緊壓包裝由并聯(lián)連接的子模塊組成，并且每個(gè)子模塊包括至少一個(gè)有源開關(guān)功率半導(dǎo)體芯片，如IGBT，優(yōu)選地包括多個(gè)它們。因此，每個(gè)IGBT根據(jù)并聯(lián)連接的IGBT數(shù)量?jī)H必須開關(guān)一部分總電流。有時(shí)，使用并聯(lián)連接的若干緊壓包裝，代替在所描述的緊壓包裝堆疊中的一個(gè)緊壓包裝。該多個(gè)并聯(lián)的緊壓包裝還減小了每個(gè)緊壓包裝的開關(guān)電流。無(wú)疑，代替緊壓包裝，還可使用正常的絕緣功率半導(dǎo)體模塊。為了保證由緊壓包裝的堆疊構(gòu)成的這種開關(guān)站的操作，每個(gè)緊壓包裝具有短路故障模式(SCFM)能力。具有SCFM能力的緊壓包裝在模塊故障的情況下安全地進(jìn)入短路。當(dāng)一個(gè)功率半導(dǎo)體芯片故障時(shí)，短路生成緊壓包裝的發(fā)射極與集電極之間的低歐姆連接。在緊壓包裝中，這在正常情況下由IGBT結(jié)構(gòu)中的鋁板實(shí)現(xiàn)，其與IGBT熔化并形成導(dǎo)電鋁硅合金。在IGBT緊壓包裝中，這通常由與IGBT或在故障情況下與芯片熔化的二極管芯片接觸并形成導(dǎo)電鋁硅合金的鋁板實(shí)現(xiàn)。可惜，合金隨著時(shí)間分解，并且合金提供低歐姆連接的時(shí)間段比典型HVDC光變電站的目標(biāo)維護(hù)間隔短。當(dāng)SCFM中IGBT的低歐姆連接的壽命結(jié)束時(shí)，緊壓包裝或并聯(lián)連接的緊壓包裝中的其余IGBT的集電極與發(fā)射極之間的電壓增大。這使緊壓包裝或并聯(lián)連接的緊壓包裝內(nèi)的另一個(gè)IGBT或二極管出故障。這個(gè)IGBT然后將進(jìn)A SCFM，即，這個(gè)IGBT的鋁板與芯片熔化，并且這個(gè)IGBT也進(jìn)入低歐姆狀態(tài)。這是所謂的SCFM轉(zhuǎn)變，并且緊壓包裝或并聯(lián)連接的緊壓包裝的總SCFM壽命足夠高以存活到下一維護(hù)。然而，在出故障的IGBT的一個(gè)低歐姆連接的壽命結(jié)束時(shí)，增大的電壓可導(dǎo)致成弧，并因此導(dǎo)致在SCFM轉(zhuǎn)變期間的高能量耗散。這尤其對(duì)于用于高電壓(如用于4. 5kV)的IGBT是重要的。由此，SCFM轉(zhuǎn)變能損壞冷卻器，這可能引起水泄露。然而，必須阻止水泄露。要解決的發(fā)明的目標(biāo)問題是提供控制功率半導(dǎo)體芯片的系統(tǒng)和方法，它們克服了目前技術(shù)水平的缺陷。功率半導(dǎo)體芯片的低歐姆狀態(tài)將由功率半導(dǎo)體芯片的改進(jìn)SCFM功能性延長(zhǎng)。該問題由根據(jù)權(quán)利要求I的包括控制構(gòu)件和至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片的系統(tǒng)解決。根據(jù)本發(fā)明，所述系統(tǒng)包括并聯(lián)連接的至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片，優(yōu)選為多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片。每個(gè)可有源開關(guān)的功率半導(dǎo)體芯片包括用于通過(guò)對(duì)于芯片的阻斷和導(dǎo)通狀態(tài)施加第一或第二電壓來(lái)控制其開關(guān)狀態(tài)的柵極端子。所述系統(tǒng)還包括用于給柵極端子提供阻斷或?qū)妷鹤鳛榈谝粬艠O電壓和第二柵極電壓的控制構(gòu)件?？刂茦?gòu)件還適合于檢測(cè)至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片之一的故障，并且用于當(dāng)在功率半導(dǎo)體模塊內(nèi)檢測(cè)到至少一個(gè)出故障的功率半導(dǎo)體芯片時(shí)，支持高于用于阻斷和導(dǎo)通狀態(tài)的電壓的增大的第三柵極電壓到其余功率半導(dǎo)體芯片的柵極端子。該問題也通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求17的方法解決。根據(jù)本發(fā)明的方法是用于控制并聯(lián)、連接的至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片的方法。該方法包括如下步驟首先，監(jiān)控功率半導(dǎo)體芯片以便檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)出故障的功率半導(dǎo)體芯片。在檢測(cè)到至少一個(gè)出故障的功率半導(dǎo)體芯片之后，將比施加用于功率半導(dǎo)體芯片的導(dǎo)通狀態(tài)的柵極電壓高的柵極電壓施加到至少一個(gè)其余功率半導(dǎo)體芯片的至少一個(gè)柵極端子。當(dāng)一個(gè)功率半導(dǎo)體芯片出故障時(shí)，檢測(cè)到這個(gè)芯片的故障，并向其余功率半導(dǎo)體芯片提供更高的柵極電壓。更高的柵極電壓降低了其余功率半導(dǎo)體芯片的電阻，使得出故障的芯片或者在SCFM的壽命之后的芯片的更高電阻由其余芯片補(bǔ)償。其余芯片變得更加抵抗SCFM轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)槠溆嘈酒商幚碓龃蟮碾娏髫?fù)載，而沒有過(guò)熱。由此，SCFM的壽命和其后發(fā)生SCFM轉(zhuǎn)變的該時(shí)段可增大，或者SCFM轉(zhuǎn)變可完全被阻止，這是因?yàn)槠溆郔GBT在SCFM壽命結(jié)束時(shí)接管出故障IGBT的電流。柵極電壓越高也允許其余芯片越好地存活在短路超載事件中，這是因?yàn)槎搪冯娏鲗⒂捎谠龃蟮臇艠O電壓到達(dá)較低電壓降。短路過(guò)載事件有時(shí)在開關(guān)站中出現(xiàn)，并導(dǎo)致高電流的突然增大，并且開關(guān)必須立即關(guān)掉。通過(guò)更高的柵、極電壓，與出故障的IGBT并聯(lián)的IGBT可處理這個(gè)短時(shí)高電流事件，而沒有進(jìn)一步損壞。如果在檢測(cè)到出故障芯片之后立即向其余功率半導(dǎo)體芯片施加增大的第三電壓，則這個(gè)解決方案也允許使用功率半導(dǎo)體芯片，而無(wú)需任何SCFM能力。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的有利實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)包括并聯(lián)連接的至少一個(gè)模塊，尤其是多個(gè)模塊，并且每個(gè)模塊包括至少一個(gè)子模塊，尤其是多個(gè)子模塊，并且每個(gè)子模塊包括至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片中的至少一個(gè)、尤其是多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片中的至少一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，功率半導(dǎo)體模塊具有直接或經(jīng)由每個(gè)子模塊的公共柵極端子與控制構(gòu)件和功率半導(dǎo)體芯片的各個(gè)柵極端子連接的公共柵極端子。在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)子模塊具有與這個(gè)子模塊中功率半導(dǎo)體芯片的所有各個(gè)柵極端子連接并直接與控制構(gòu)件連接或與模塊的公共柵極端子連接的公共柵極端子。在一個(gè)實(shí)施例中，子模塊的柵極端子與模塊的柵極端子之間的每個(gè)連接都包括單獨(dú)熔絲。在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)功率半導(dǎo)體芯片的柵極端子與包括芯片的子模塊的柵極端子或控制構(gòu)件之間的每個(gè)連接都包括單獨(dú)熔絲。在另一個(gè)實(shí)施例中，子模塊的柵極端子與模塊的柵極端子之間的每個(gè)連接都包括單獨(dú)熔絲，并且每個(gè)子模塊的柵極端子與對(duì)應(yīng)子模塊的每個(gè)功率半導(dǎo)體芯片的柵極端子之間的連接都包括單獨(dú)熔絲，使得網(wǎng)狀的熔絲控制每個(gè)芯片和作為芯片單元的子模塊。在多于一個(gè)模塊的情況下，每個(gè)模塊可由熔絲或控制構(gòu)件與模塊的柵極端子之間的連接中的附加熔絲控制。熔絲切斷具有柵極-發(fā)射極短路的功率半導(dǎo)體芯片的柵極端子，或具有柵極-發(fā)射極短路的子模塊的柵極端子，或具有柵極發(fā)射極短路的模塊的柵極端子。柵極發(fā)射極短路從柵極電壓供應(yīng)提取高電流。所以，電源的電壓被拉下，并且系統(tǒng)的所有其余功率半導(dǎo)體芯片都落入必須被阻止的阻斷模式。因此，熔絲保證了具有優(yōu)選為20V的第三電壓的柵極電壓供應(yīng)。還有利的是，每個(gè)熔絲或串聯(lián)連接的熔絲都具有柵極電阻器的電阻。由此，柵極電阻器可由熔絲替換和實(shí)現(xiàn)，并且功率半導(dǎo)體模塊的控制電路可簡(jiǎn)化。在一個(gè)實(shí)施例中，柵極電壓增大超過(guò)15V，尤其是超過(guò)16V，尤其是超過(guò)17V，尤其是超過(guò)18V，尤其是超過(guò)19V，優(yōu)選地超過(guò)20V。然而，施加到其余芯片的柵極端子的持續(xù)電壓不應(yīng)該損壞芯片，并且因此應(yīng)該低于損壞電壓。增大的第三柵極電壓增大了在短路過(guò)載條件下存活的能力。在另外實(shí)施例中，增大的第三電壓被持續(xù)地施加給了芯片。正常情況下，通過(guò)施加15V或-15V的第一或第二電壓開啟(導(dǎo)通狀態(tài))和關(guān)閉(阻斷狀態(tài))功率半導(dǎo)體模塊或芯片。用更高的柵極電壓開關(guān)降低了導(dǎo)通損耗。因此，熱疲勞更低，并且壽命更長(zhǎng)。然而，如果用例如20V的高柵極電壓開啟串聯(lián)連接模塊的堆疊中的所有功率半導(dǎo)體芯片或其它組功率半導(dǎo)體芯片，則在短路過(guò)載條件下的電流上升對(duì)于功率半導(dǎo)體芯片能安全關(guān)斷而言太高了。僅向SCFM中的功率模塊施加高柵極電壓時(shí)，情形是不同的。通過(guò)施加更高的柵極電壓并且不開關(guān)引起的損耗降低導(dǎo)致模塊中的其余仍運(yùn)作的功率半導(dǎo)體芯片的壽命更高。在短路過(guò)載條件的情況下，電流上升受與堆疊中處于SCFM模式的模塊串聯(lián)連接的并在接通狀態(tài)通常僅具有15V的柵極電壓的、仍無(wú)損傷的模塊限制。用更高柵極電壓持續(xù)接通的SCFM中的模塊將以更低電壓傳導(dǎo)同一電流峰值。因此，SCFM中的模塊具有在過(guò)載事件中存活的高概率。所以，所施加的高柵極電壓確保SCFM中模塊的可靠低歐姆狀態(tài)，并因此阻止任何SCFM轉(zhuǎn)變。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)還包括可與功率半導(dǎo)體芯片的柵極端子連接并適合于提供第一柵極電壓和第二柵極電壓的第一電源。系統(tǒng)還包括用于向未處于故障模式的那些功率半導(dǎo)體芯片的柵極端子施加增大的第三柵極電壓的第二電源。第二電源例如可通過(guò)開關(guān)構(gòu) 件連接到功率半導(dǎo)體模塊的公共柵極端子。開關(guān)構(gòu)件適合于例如通過(guò)功率半導(dǎo)體模塊的公共柵極端子將第一電源或第二電源連接到功率半導(dǎo)體芯片的柵極端子。開關(guān)構(gòu)件連接到用于控制開關(guān)狀態(tài)的控制構(gòu)件，并且控制構(gòu)件適合于當(dāng)功率半導(dǎo)體芯片之一中發(fā)生故障時(shí)，在故障開關(guān)狀態(tài)下將功率半導(dǎo)體芯片的柵極端子與第一電源連接。在一個(gè)實(shí)施例中，第二電源包括電池、變換功率半導(dǎo)體電流的電流變換器、用于變換處于故障模式的功率半導(dǎo)體模塊的集電極-發(fā)射極電壓的電壓變換器、用于變換處于故障模式的模塊的相鄰模塊的集電極_發(fā)射極電壓的電壓變換器、用于變換處于故障模式的模塊的相鄰模塊的集電極-發(fā)射極電壓的電壓變換器之一或它們的組合。相鄰在這里是指直接布置在處于SCFM模式的一個(gè)或多個(gè)模塊之上或之下并串聯(lián)連接到處于SCFM模式的模塊的模塊或并聯(lián)連接的模塊組。在一個(gè)或多個(gè)相鄰模塊處保證存在處于SCFM模式的一個(gè)或多個(gè)模塊的第二電源的增大的柵極電壓的必要電壓，至少在一個(gè)或多個(gè)相鄰模塊未處于SCFM模式的情況下是如此。電池的優(yōu)點(diǎn)是低成本和低重量。然而，如果正好在熔絲額定以下的柵極泄露電流持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間，則可能超過(guò)電池容量。電流變換器的優(yōu)點(diǎn)是持續(xù)電壓供應(yīng)，但具有20W功率的電流變換器是重的并且昂貴的。因此，電流變換器和電池的組合是特別有利的。電流變換器可容易地提供IW的功率，并且用于燃燒熔絲所需的能量可來(lái)自電池或大電容器。在一個(gè)實(shí)施例中，控制構(gòu)件還連接到功率半導(dǎo)體芯片的集電極側(cè)和/或發(fā)射極側(cè)和/或柵極端子，用于檢測(cè)功率半導(dǎo)體芯片的故障模式，和/或用于將集電極與發(fā)射極之間的電壓變換成適當(dāng)?shù)恼５谝粬艠O電壓和第二柵極電壓以及適當(dāng)?shù)脑龃蟮牡谌龞艠O電壓。并聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體芯片組的根據(jù)本發(fā)明的SCFM模式由增大的柵極電壓實(shí)現(xiàn)。然而，仍有利的是將功率半導(dǎo)體芯片安裝在封裝中，使得在目前技術(shù)水平的介紹中所描述的單獨(dú)SCFM模式得以實(shí)現(xiàn)。由此，根據(jù)本發(fā)明，與出故障的功率半導(dǎo)體芯片并聯(lián)的功率半導(dǎo)體芯片可在故障之后容易地切換到SCFM模式，這是因?yàn)槌龉收系墓β拾雽?dǎo)體芯片熔化并形成低歐姆連接以橋接出故障的功率半導(dǎo)體芯片一段時(shí)間。在備選實(shí)施例中，所述系統(tǒng)包括沒有示出單獨(dú)SCFM能力(如在相對(duì)冷卻金屬層電絕緣的模塊中)的布置的功率半導(dǎo)體芯片。然而，第三柵極電壓必須立即被施加，即在小于10微秒之后，尤其是在小于I微秒之后。如果一個(gè)芯片出故障了，則至少一個(gè)并聯(lián)的子模塊或至少一個(gè)并聯(lián)的芯片可接管出故障芯片的電流。為了補(bǔ)償由于更高電流引起的其余芯片的增大的負(fù)擔(dān)，通過(guò)向其余功率半導(dǎo)體芯片的柵極端子提供第三柵極電壓，以較低電阻將其余芯片持續(xù)保持在接通狀態(tài)(導(dǎo)通狀態(tài))。這允許使用良好適合于開關(guān)高電流的更便宜的功率半導(dǎo)體模塊。由此，甚至能降低功率半導(dǎo)體芯片的總數(shù)或功率半導(dǎo)體模塊的總數(shù)。在下文，借助于附圖
描述本發(fā)明的示范實(shí)施例。附圖顯示
圖I是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)；
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例用于控制功率半導(dǎo)體芯片的系統(tǒng)的堆疊元件；
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的堆疊元件的柵極單元；
圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例用于控制功率半導(dǎo)體芯片的系統(tǒng)的示范電壓供應(yīng)；
圖5是根據(jù)本發(fā)明備選實(shí)施例的兩個(gè)并聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體模塊；
圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)備選實(shí)施例的堆疊元件；
圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的功率半導(dǎo)體模塊的備選電路；及 圖8是根據(jù)本發(fā)明用于控制功率半導(dǎo)體模塊的方法步驟的圖。圖I示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例作為包括IGBT 1、2、3和4的功率半導(dǎo)體模塊的緊壓包裝10的示意結(jié)構(gòu)，IGBT 1、2、3和4作為可有源開關(guān)的半導(dǎo)體芯片。IGBT I和2布置在第一子模塊5中，并且IGBT 3和4布置在第二子模塊6中。子模塊5和6作為單兀被預(yù)先處理，并且可根據(jù)要求以任意數(shù)量布置在緊壓包裝10中，這里是兩個(gè)子模塊5和6。每個(gè)子模塊可含有任意數(shù)量的電子元件，其中需要至少一個(gè)用于開關(guān)的功率半導(dǎo)體芯片，諸如IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。在第一實(shí)施例中，每個(gè)子模塊5和6分別包括兩個(gè)IGBT 1、2和3、4。然而，本發(fā)明不限于2個(gè)，每個(gè)子模塊5和6內(nèi)多個(gè)開關(guān)功率半導(dǎo)體芯片1、2、3和4。每個(gè)子模塊5和6也可以僅包括一個(gè)有源開關(guān)功率半導(dǎo)體芯片連同其它功率半導(dǎo)體芯片。經(jīng)常，二極管與IGBT反向并聯(lián)。子模塊5和6甚至能各對(duì)應(yīng)于一個(gè)開關(guān)功率半導(dǎo)體芯片。還有利的是，一樣地設(shè)計(jì)每個(gè)子模塊5和6以增大生產(chǎn)數(shù)量，簡(jiǎn)化構(gòu)造，并確保子模塊5和6具有相同功能性。緊壓包裝10連同圖I中未示出的控制電路在本發(fā)明第一實(shí)施例中形成所謂的堆疊元件。堆疊元件是并聯(lián)連接的至少兩個(gè)，優(yōu)選為多個(gè)，功率半導(dǎo)體芯片(如IGBT 1、2、3、4)的單元，其中堆疊元件適合于與多個(gè)另外的，優(yōu)選為一樣的，堆疊元件串聯(lián)連接。串聯(lián)連接的堆疊元件的堆疊形成開關(guān)站，作為根據(jù)本發(fā)明用于開關(guān)HVDC光變電站的高電壓和高電流的系統(tǒng)。在備選實(shí)施例中，堆疊元件甚至可包括兩個(gè)或多個(gè)并聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體模塊，如緊壓包裝10。緊壓包裝10中的所有IGBT 1、2、3、4并聯(lián)連接，使得IGBT 1、2、3、4可以劃分堆疊電流。因此，子模塊5和6也并聯(lián)連接。集電極端子11與第一和第二子模塊5和6的集電極端子連接。子模塊5的集電極端子與IGBT I和2的集電極端子連接。IGBT I和2的發(fā)射極端子連接到子模塊5的發(fā)射極端子。子模塊6的集電極端子與IGBT 3和4的集電極端子連接。IGBT3和4的發(fā)射極端子連接到子模塊6的發(fā)射極端子。最后，子模塊5和6的發(fā)射極端子連接到緊壓包裝10的發(fā)射極端子12。功率半導(dǎo)體模塊10甚至示出輔助發(fā)射極端子14，以檢測(cè)和使用緊壓包裝10的發(fā)射極電勢(shì)。然而，在備選實(shí)施例中，對(duì)發(fā)射極和集電極電勢(shì)的檢測(cè)和使用可直接在集電極和發(fā)射極端子11和12處執(zhí)行，或在輔助發(fā)射極端子14和附加輔助集電極端子處執(zhí)行，或在輔助集電極端子和發(fā)射極端子12處執(zhí)行，其中輔助集電極端子代替輔助發(fā)射極端子14。IGBT 1、2、3和4的所有柵極端子通過(guò)子模塊5和6的對(duì)應(yīng)柵極端子8和9連接到公共柵極端子7。然而，IGBT 1、2、3和4的柵極端子或子模塊5和6的柵極端子8和9也可單獨(dú)從緊壓包裝10引出。在正常情況下在外殼中準(zhǔn)備子模塊5和6，外殼一起布置在緊壓包裝10中(其包含所有IGBT 1、2、3和4)。緊壓包裝10的集電極端子11和發(fā)射極端子12布置在頂側(cè)和底側(cè)。這允許通過(guò)將堆疊元件布置在堆疊中并通過(guò)在高壓下將堆疊元件壓在一起來(lái)串聯(lián)連接作為堆疊元件的緊壓包裝10。盡管優(yōu)選使用作為功率半導(dǎo)體模塊的緊壓包裝10，但本發(fā)明不限于那些，并且甚至可以使用不同的模塊。備選地，甚至堆疊元件之間的有線連接也是可能的。施加到柵極端子7的第一柵極電壓或第二柵極電壓將緊壓包裝10切換到集電極與發(fā)射極端子11與12之間的導(dǎo)通或阻斷狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施 例，IGBT 1、2、3和4這樣布置在緊壓包裝10中使得IGBT 1、2、3和4示出各個(gè)SCFM模式，使得如果一個(gè)IGBT 1、2、3和4出故障，則出故障的IGBT形成低歐姆導(dǎo)體。這種具有實(shí)現(xiàn)單獨(dú)SCFM模式的IGBT 1、2、3和4的布置的緊壓包裝10有時(shí)也稱為StakPak (注冊(cè)商標(biāo))模塊。然而，本發(fā)明不限于IGBT 1、2、3和4這種布置，并且具有沒有單獨(dú)SCFM模式的IGBT布置的備選實(shí)施例也是可能的。圖2示意性例證了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的堆疊元件15。這里，堆疊元件15包括一個(gè)緊壓包裝10以及用于緊壓包裝10中的IGBT 1、2、3和4的控制電路。堆疊元件15包括之前描述為堆疊元件的緊壓包裝10以及柵極單元16和SCFM電壓供應(yīng)電路17作為控制構(gòu)件。緊壓包裝10、柵極單元16和SCFM電壓供應(yīng)電路17可全都布置在一個(gè)電路板上，或者包括堆疊元件15的所有單元10、16和17并將它們適當(dāng)?shù)剡B接的公共外殼上。柵極單元16經(jīng)由導(dǎo)線18向柵極端子7提供所選的第一柵極電壓或第二柵極電壓用于在接通狀態(tài)與關(guān)閉狀態(tài)之間開關(guān)緊壓包裝10。對(duì)于接通狀態(tài)，即，建立緊壓包裝的集電極端子11與發(fā)射極端子12之間的導(dǎo)電連接，正常情況下在柵極端子7與發(fā)射極端子12之間施加15V的第一柵極電壓。對(duì)于關(guān)閉狀態(tài)，正常情況下，在柵極端子7與發(fā)射極端子12之間提供-15V的第二柵極電壓。因此，柵極單元16經(jīng)由導(dǎo)線19與輔助發(fā)射極端子14連接。可從由集電極端子11和輔助發(fā)射極端子14夾持并經(jīng)由導(dǎo)線20和19引導(dǎo)到柵極單元16的緊壓包裝10的集電極側(cè)與發(fā)射極側(cè)之間的電勢(shì)差中獲取用于生成第一柵極電壓和第二柵極電壓的倉(cāng)tfi。柵極單元16借助輔助集電極和發(fā)射極14檢測(cè)緊壓包裝10的IGBT 1、2、3、4中的一個(gè)或多個(gè)是否出故障。該檢測(cè)機(jī)制可能對(duì)柵極泄露電流的不規(guī)則、阻斷狀態(tài)下集電極-發(fā)射極電壓的損耗和/或?qū)顟B(tài)下增大的集電極-發(fā)射極電壓敏感。如果在緊壓包裝10中檢測(cè)到出故障的IGBT 1、2、3或4，則通過(guò)觸發(fā)導(dǎo)線21將觸發(fā)信號(hào)發(fā)送到作為SCFM電壓供應(yīng)電路17中的開關(guān)構(gòu)件的開關(guān)22。開關(guān)22也連接到緊壓包裝10的輔助發(fā)射極端子14，其作為柵極單元16的觸發(fā)信號(hào)開關(guān)該開關(guān)22的參考電勢(shì)。在第一位置，開關(guān)22將導(dǎo)線18 (即用于提供接通狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)的第一柵極電壓或第二柵極電壓的柵極單元16的第一電源26)經(jīng)由導(dǎo)線23與柵極端子7連接。或者，在第二位置，開關(guān)22將與第二電源25連接的導(dǎo)線24連接到柵極端子7。第二電源25也連接到導(dǎo)線19以在柵極端子7與發(fā)射極端子12之間施加增大的柵極電壓作為第二電源25的第三柵極電壓。第二電源25的增大的第三柵極電壓是20V，并且高于15V的接通狀態(tài)的正常第一柵極電壓和由第一電源提供的-15V的關(guān)閉狀態(tài)的正常第二柵極電壓。在第一實(shí)施例中，出故障的IGBT熔化并形成集電極端子11與發(fā)射極端子12之間的低歐姆連接。在備選實(shí)施例中，開關(guān)22可實(shí)現(xiàn)成使得，當(dāng)在導(dǎo)線21的觸發(fā)信號(hào)與導(dǎo)線19的發(fā)射極電勢(shì)之間至少施加預(yù)定電壓時(shí)，開關(guān)22仍保持在第一位置。否則，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)與發(fā)射極12之間的電壓差降到預(yù)定電壓以下時(shí)，開關(guān)22自動(dòng)落入第二位置。由此，可阻止柵極單元16中的錯(cuò)誤。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的柵極單元16，具有第一電源26以及檢測(cè)單元27，第一電源26用于提供15V或-15V的電壓作為柵極電極7與發(fā)射極端子12之間的第一柵極電壓和第二柵極電壓，檢測(cè)單元27用于檢測(cè)1、2、3和4中是否有一個(gè)IGBT或多個(gè)IGBT出故障。作為故障的結(jié)果，相應(yīng)的IGBT 1、2、3或4熔化到低歐姆狀態(tài)。如果檢測(cè)單元 27在緊壓包裝10中檢測(cè)到出故障的IGBT 1、2、3或4，則檢測(cè)單元27通過(guò)觸發(fā)導(dǎo)線21向開關(guān)22發(fā)出觸發(fā)信號(hào)以將開關(guān)22改變到第二位置，并且由此將柵極電壓增大到20V。因此，緊壓包裝10被開關(guān)在持續(xù)接通狀態(tài)。出故障的IGBT 1、2、3或4形成低歐姆連接，并且其余IGBT通過(guò)20V的增大柵極電壓示出降低的電阻。所以，當(dāng)?shù)蜌W姆連接的壽命結(jié)束時(shí)，準(zhǔn)備其余IGBT以接管出故障的IGBT 1、2、3或4的電流。這延長(zhǎng)了其后發(fā)生SCFM轉(zhuǎn)變的時(shí)間，這是因?yàn)樵赟CFM壽命結(jié)束時(shí)以出故障的IGBT 1、2、3或4的不斷增大電阻的增大電流，其余IGBT加熱較少。此外，出故障的IGBT 1、2、3或4在安全SCFM中保持較長(zhǎng)時(shí)間，這是因?yàn)榫哂?0V的增大柵極電壓的其余IGBT由于減小的電阻而接管更高電流。開關(guān)站設(shè)計(jì)成使得作為堆疊元件的緊壓包裝10的某一百分比可以出故障，并且可操作在具有增大的第三柵極電壓的持續(xù)接通狀態(tài)，而沒有對(duì)其余緊壓包裝10過(guò)度加壓。本發(fā)明不限于系統(tǒng)15的所示結(jié)構(gòu)。圖I附加地示出了熔絲28到31，以在出現(xiàn)柵極發(fā)射極短路的情況下從其余柵極端子斷開IGBT 1、2、3或4的柵極端子。出故障的IGBT 1、2、3或4的熔化有時(shí)可能引起柵極發(fā)射極短路。柵極發(fā)射極短路從在檢測(cè)到出故障的IGBT 1、2、3或4之后使用的第二電源25提取高電流。所以，第二電源25的第三柵極電壓將下降，并且所有IGBT 1、2、3和4都落入阻斷模式。然而，必須阻止緊壓包裝10的阻斷模式，以便不阻斷HVDC光變電站的完整開關(guān)站。柵極發(fā)射極短路將導(dǎo)致高電流流過(guò)連接在具有柵極發(fā)射極短路的IGBT 1、2、3或4和柵極端子7之間的熔絲，并且相應(yīng)的熔絲28到31將熔化。所以，具有柵極發(fā)射極短路的一個(gè)或多個(gè)IGBT的柵極端子通過(guò)對(duì)應(yīng)的熔絲28到31從柵極端子7斷開。在第一實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)IGBT 1、2、3、4的柵極端子與第二電源25之間的每個(gè)連接，僅使用一個(gè)單獨(dú)的熔絲28到31，使得僅具有柵極發(fā)射極短路的IGBT
1、2、3、4切斷第二電源25。其余IGBT 1、2、3、4繼續(xù)傳導(dǎo)堆疊電流。在具有柵極發(fā)射極短路的IGBT I的示范情況下，IGBT I通過(guò)熔絲28斷開。熔絲28到31通常是能夠在正常操作期間攜帶柵極電流的細(xì)線。熔絲28到31必須在第二電源25可提供的最大電流以下熔化。用于熔絲28到31的典型電流額定值可能是200mA。這種熔絲28到31可用于大約I歐姆的電阻。這個(gè)電阻對(duì)應(yīng)于在子模塊級(jí)上使用的柵極電阻值。所以，柵極電阻可實(shí)現(xiàn)為熔絲28到31，代替電阻器。熔絲28到31有利地布置在芯片級(jí)上，這是因?yàn)樵谀抢镫娏鞯陀谠谧幽K級(jí)上的，并且熔絲的電阻不干擾柵極電壓供應(yīng)。如果通過(guò)設(shè)計(jì)可排除柵極-發(fā)射極短路，則不需要熔化熔絲28到31的概念。例如，IGBT故障可燒掉柵極線。然而，液化和汽化金屬可呈現(xiàn)在柵極電路附近，并且仍可引起柵極-發(fā)射極短路。而且，不在SCFM中的IGBT 1、2、3或4的故障也可能導(dǎo)致柵極-發(fā)射極短路。在備選實(shí)施例中，附加子模塊熔絲32、33可保證每個(gè)子模塊5和6的安全，和/或如果多于一個(gè)緊壓包裝10并聯(lián)連接在一個(gè)堆疊元件中，則附加模塊熔絲44可保證每個(gè)緊壓包裝10的安全。圖I用虛線示出了緊壓包裝10的這種備選實(shí)施例。由此，單獨(dú)熔絲(如28到31)的網(wǎng)狀熔絲28到33和44以及子模塊熔絲32、33和/或模塊熔絲44可增大本發(fā)明備選實(shí)施例的堆疊元件的安全性。如果單獨(dú)熔絲(如28)在IGBT I的柵極發(fā)射極短路的情況下出于某種原因不熔化，則堆疊元件的所有其余IGBT 2、3、4可由于不斷下降的第三柵極電壓而都落入阻斷模式。子模塊熔絲32可選擇成使得該子模塊熔絲在具有柵極發(fā)射極短路的IGBT I的子模塊5中柵極發(fā)射極短路電流加上其余IGBT 2、3、4的正常柵極電流的情況下熔化。對(duì)于具有柵極發(fā)射極短路的IGBT的完整緊壓包裝10，模塊熔絲44以相同 方式工作。另一方面，這通過(guò)保證切斷具有柵極發(fā)射極短路的IGBT I增大了發(fā)明系統(tǒng)的安全性。另一方面，完整子模塊5或者甚至完整緊壓包裝10的分離導(dǎo)致子模塊5或緊壓包裝10中的所有其余IGBT 2或2、3、4的阻斷模式切斷第二電源25。由此，其余子模塊6或緊壓包裝中的其余IGBT 2或2、3、4的負(fù)載急劇增大。因此，有利的是，子模塊熔絲32、33和/或模塊熔絲44在比各個(gè)熔絲28到31高的電流處熔化，使得當(dāng)各個(gè)熔絲28到31之一不熔化或者子模塊5、6和/或緊壓包裝10的IGBT 1、2、3、4中的多個(gè)顯示柵極發(fā)射極短路時(shí)，公共子模塊熔絲32、33和/或模塊熔絲44僅在極端情況下熔化。越多IGBT被熔絲控制，熔絲的電阻越低。由此，單獨(dú)控制每個(gè)IGBT 1、2、3、4的熔絲28到31具有比控制子模塊5和6的熔絲32和33更大的電阻?？刂谱幽K5和6的熔絲32和33的電阻比控制模塊10的熔絲44的電阻更大。如果熔絲布置在更多級(jí)上，如在芯片和子模塊級(jí)上、在子模塊和模塊級(jí)上或在所有級(jí)上，則串聯(lián)連接的熔絲的電阻之和應(yīng)該更小。串聯(lián)連接的單獨(dú)熔絲28到31和子模塊熔絲32、33和/或模塊熔絲44有利地具有近似I歐姆的公共電阻。如果多于一個(gè)模塊并聯(lián)連接(它們具有未發(fā)生在IGBT 1、2、3、4中的短路)，則網(wǎng)狀熔絲28到33還具有切斷子模塊5、6或模塊的優(yōu)點(diǎn)。在另外的備選實(shí)施例中，代替熔絲28到31，僅子模塊熔絲32和33可保證柵極電壓供應(yīng)的安全，免于柵極發(fā)射極短路的損壞。這允許通過(guò)實(shí)現(xiàn)熔絲來(lái)使用標(biāo)準(zhǔn)子模塊，沒有改變它們的設(shè)計(jì)，并減少了熔絲數(shù)量。在多個(gè)模塊的情況下，熔絲甚至可以僅實(shí)現(xiàn)在模塊的柵極端子與第二電源25之間。第二電源25應(yīng)該能夠以20V提供大約IA的柵極電流，使得在柵極發(fā)射極短路的情況下，對(duì)應(yīng)的每個(gè)熔絲28到31迅速熔化。如果柵極發(fā)射極泄露對(duì)于IGBT I緩慢開始，則對(duì)應(yīng)的熔絲28不會(huì)迅速熔化。因此，第二電源25必須能夠提供泄露電流，直到在備選實(shí)施例中對(duì)應(yīng)的熔絲28或?qū)?yīng)的熔絲28、32或44之一熔化。例如，如果泄露大約為500mA，并且熔絲額定值是200mA，則可花數(shù)分鐘，直到熔絲熔化。因此，柵極電壓供應(yīng)25的典型持續(xù)輸出電流可能大約是1A。所需的功率是20W。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的第二電源25?？蓮木o壓包裝10的集電極11與發(fā)射極12之間的模塊電流提取功率。那意味著，第二電源25實(shí)現(xiàn)為用于變換從緊壓包裝10的集電極11流到發(fā)射極12的電流36的電流變換器35。電流變換器35由繞磁芯37的兩個(gè)線圈38和39實(shí)現(xiàn)，使得通過(guò)線圈39流IA的電流。因此，緊壓包裝10由橫截面大約Icm2的磁芯37包圍。銅線圍繞磁芯例如纏繞1000次，并形成第二線圈39。通過(guò)磁芯37的中心傳導(dǎo)堆疊電流36的緊壓包裝10形成具有一個(gè)繞組的線圈。線圈39的兩側(cè)連接到這里由四個(gè)二極管組成的整流器41。整流器41的輸出用作第二電源25的電壓，并連接到用于存儲(chǔ)所變換能量的電容器42。線圈39的兩側(cè)可通過(guò)開關(guān)40短路。如果開關(guān)40打開，則對(duì)電容器42充電，并且如果開關(guān)40閉合，則短路的線圈39不從堆疊電流36提取任何功率。為了具有能轉(zhuǎn)移到第二電源25的足夠磁場(chǎng)能量，在與電流流過(guò)緊壓包裝10的方向正交的平面中在模塊10周圍需要磁芯37。在由堆疊的緊壓包裝10作為堆疊元件形成的開關(guān)的情況下，該平面與堆疊方向正交?？梢杂?jì)算和/或模擬從作為第二電源25的電流模塊36提供足夠功率所需的磁芯37的大小。磁芯37形成為圍繞模塊堆疊的環(huán)形線圈。對(duì) 于IT的操作磁場(chǎng)，對(duì)于U: =4OC0的鐵磁導(dǎo)率，以及100 Hz的開關(guān)頻率，A=16cm2的環(huán)形線圈的橫截面積，達(dá)到20W的所需功率。所以，需要重16kg的大約2 dm3的鐵體積。由此，由第二電源25進(jìn)行第三柵極電壓供應(yīng)是可能的，但對(duì)于開關(guān)堆疊引起嚴(yán)重的機(jī)械負(fù)擔(dān)，這是因?yàn)槊總€(gè)堆疊元件都需要這種電流變換器。所需的磁材料量可通過(guò)如下方法之一或組合來(lái)降低。磁芯可操作在高磁通，例如飽和時(shí)操作在I. 5T。磁芯布置得離繞組越近，即離堆疊電流越近，磁芯中的磁通量越大。代替鐵，可使用具有高飽和度和低磁導(dǎo)率的磁材料?？赏ㄟ^(guò)讓熔絲定額在最低可能電流來(lái)降低第二電源25的所需功率。它也可通過(guò)柵極-發(fā)射極泄露導(dǎo)致快速電流上升的設(shè)計(jì)來(lái)確保。燃燒熔絲所需的快速電流上升可來(lái)自電容器(如電容器42)。開關(guān)頻率可被增大以便迅速熔化熔絲或網(wǎng)狀熔絲之一。也有利的是，減少次級(jí)側(cè)上磁芯37周圍的線圈39的匝數(shù)。所以，用于給電容器42充電的次級(jí)電流將更高。由于磁芯中的有限磁能量，在初級(jí)側(cè)上的下一開關(guān)事件之前，即在由初級(jí)側(cè)上的開關(guān)事件再次給磁芯充電之前，次級(jí)電流將更迅速下降，并且消失或幾乎消失。備選地，從處于SCFM的緊壓包裝10的集電極11與發(fā)射極12之間的電壓電勢(shì)差提取第二電源25的電壓。然而，這個(gè)電勢(shì)差非常小。所以，集電極11與發(fā)射極12之間的電壓要被變換成20V的電壓以便用作第二電源25。電壓轉(zhuǎn)換器具有如下缺點(diǎn)它需要被保護(hù)免受高電壓。在堆疊元件中使用多于一個(gè)緊壓包裝10的備選解決方案將是使用與緊壓包裝10相鄰并且沒有出故障IGBT的緊壓包裝的電壓差。然而，如果甚至相鄰緊壓包裝出故障，則無(wú)法保證功率供應(yīng)。電池是第二電源25的第四解決方案。電池具有低成本和低重量的優(yōu)點(diǎn)，但如果柵極泄露電流正好在熔絲額定值以下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，則可能超過(guò)電池容量。在另一個(gè)實(shí)施例中，組合所呈現(xiàn)的電源的兩種模式以組合它們的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，電流變換器可容易地提供IW的功率以便保持20V的持續(xù)柵極電壓，并且用于燃燒熔絲所需的能量可來(lái)自電池或大電容器。這減少了堆疊的機(jī)械負(fù)擔(dān)，并允許有限時(shí)間的足夠功率迅速燃燒出故障的IGBT I的相關(guān)熔絲28。
一般而言，可以從相同的第一電源和第二電源26和25提供包括任意數(shù)量功率半導(dǎo)體模塊、任意數(shù)量子模塊和至少與子模塊相同數(shù)量的IGBT的堆疊元件中并聯(lián)連接的所有IGBT (如1、2、3、4)的柵極端子。圖2所示的第一電源和第二電源以及控制電路有利地集成在堆疊兀件15中，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，第一電源和第二電源26和25甚至可直接集成在緊壓包裝10中。在更多緊壓包裝10的情況下，對(duì)于堆疊元件中的所有緊壓包裝10，可在堆疊元件中實(shí)現(xiàn)圖2所示的公共控制電路。圖5示出了本發(fā)明備選實(shí)施例的堆疊元件49中的兩個(gè)緊壓包裝47和48的布置。圖5中未示出的控制電路與圖2中的堆疊元件15中示出的控制電路一樣。緊壓包裝47和48設(shè)計(jì)得幾乎與圖I中呈現(xiàn)的緊壓包裝10—樣。因此，對(duì)于緊壓包裝47和48的一樣的部分，也使用緊壓包裝10的附圖標(biāo)記。IGBT 1、2、3、4的并聯(lián)連接和子模塊5和6的并聯(lián)連接未明確示出，但與緊壓包裝10的一樣。與緊壓包裝10不同，子模塊5和6具有公共子模塊熔絲32和33。此外，每個(gè)緊壓包裝47和48具有模塊熔絲50和51。代替堆疊元件15的控制電路，對(duì)于不同緊壓包裝47和48可使用不同電源。那意味著，第一電源和第二電源可與緊壓包裝47的柵極端子7直接連接，并且第三電源和第四電源可與緊壓包裝48的柵極端子7直接連接。由此，熔絲50和51不再是必要的，這是因?yàn)榫哂袞艠O發(fā)射極短路的緊壓 包裝47不提取第三電源以及尤其是還有第四電源的任何電流。在這種設(shè)計(jì)中，控制電路可集成在功率半導(dǎo)體模塊中。圖6示出了設(shè)計(jì)得幾乎與圖I中呈現(xiàn)的緊壓包裝10 —樣的本發(fā)明備選實(shí)施例的備選緊壓包裝52。因此，對(duì)于緊壓包裝52的一樣部分，也使用緊壓包裝10的附圖標(biāo)記。與緊壓包裝10不同，緊壓包裝52將子模塊5和6的端子8和9直接引到與端子8和9連接的模塊端子53和54。在備選實(shí)施例中，端子53與第一子模塊電源55連接，并且端子54與第二子模塊電源56連接。子模塊電源55和56都連接到發(fā)射極端子12以在子模塊5和6的IGBT的柵極端子與發(fā)射極端子12之間施加?xùn)艠O電壓。第一子模塊電源和第二子模塊電源55和56適合于當(dāng)子模塊5和6之一中的IGBT 1、2、3、4之一出故障時(shí)給出三個(gè)不同的柵極電壓_15V的阻斷狀態(tài)的第一柵極電壓；15V的導(dǎo)通狀態(tài)的第二柵極電壓以及20V的第三柵極電壓。公共控制單元57與每一個(gè)電源55和56連接。控制單元57包括用于檢測(cè)緊壓包裝52中出故障的IGBT 1、2、3或4的檢測(cè)電路。如果檢測(cè)到一個(gè)出故障的IGBT I、
2、3、4，則電源55和56都受控制單元57控制，使得第三柵極電壓施加在IGBT 1、2、3、4的柵極端子與發(fā)射極端子12之間。由此，在這個(gè)實(shí)施例中，控制構(gòu)件由第一和第二子模塊電源55、56和控制單元57形成。單個(gè)子模塊5和6的IGBT 1、2、3、4的柵極電壓供應(yīng)是有利的，這是因?yàn)樽幽K5中的柵極發(fā)射極短路不能從獨(dú)立的第二子模塊電源56提取任何電流。由此，子模塊熔絲32和33不再是必要的。每個(gè)子模塊的這種獨(dú)立的柵極電壓供應(yīng)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的操作不依賴于一個(gè)熔絲28到31的熔化。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)責(zé)一個(gè)子模塊5、6的電壓供應(yīng)55、56可集成在子模塊5、6中。這種獨(dú)立的電源甚至可用于每個(gè)模塊或多個(gè)模塊中的每個(gè)子模塊。在另一個(gè)實(shí)施例中，緊壓包裝10的熔絲32和33布置在緊壓包裝43的外部，作為圖7中所示的子模塊熔絲58和59。緊壓包裝43設(shè)計(jì)得如圖I中所示，只是每個(gè)子模塊5和6的柵極端子8和9與緊壓包裝43的柵極端子45和46連接。由此，緊壓包裝43具有對(duì)應(yīng)于所述若干子模塊5和6的若干柵極端子45和46。電路將柵極端子44和45各與對(duì)應(yīng)于熔絲32和33的熔絲58和59連接。在第二實(shí)施例中，系統(tǒng)與第一實(shí)施例或備選實(shí)施例之一中一樣實(shí)現(xiàn)。第二實(shí)施例不同于之前描述的實(shí)施例之處在于它使用絕緣功率模塊代替緊壓包裝。絕緣功率模塊具有功率半導(dǎo)體芯片、如IGBT，它們通過(guò)絕緣襯底層與冷卻金屬層電絕緣。這種布置生產(chǎn)起來(lái)更便宜。然而，封裝不提供IGBT的單獨(dú)SCFM模式。多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)絕緣IGBT模塊(如HiPak (注冊(cè)商標(biāo))模塊)可用作構(gòu)建堆疊元件的所描述的模塊。此外，IGBT的這些布置很適合于開關(guān)高電壓。然而，當(dāng)它們出故障時(shí)，它們具有爆炸的缺陷。因此，在每個(gè)IGBT和/或每個(gè)子模塊和/或每個(gè)模塊之間布置了作為防爆裝置的安全壁，以當(dāng)一個(gè)子模塊出故障并爆炸時(shí)保護(hù)相鄰的IGBT、子模塊和/或模塊。由與圖3中第一實(shí)施例中的緊壓包裝10的一樣的電 路提供的持續(xù)的、增大的20V第三柵極電壓連接通過(guò)(connect through)其余IGBT。由此，其余子模塊可在一個(gè)子模塊故障之后通過(guò)更高柵極電壓處理更高電流，沒有破壞其余子模塊。增大的柵極電壓必須在數(shù)微秒內(nèi)施加到其余子模塊的IGBT的柵極端子，以防止由于故障引起的突然阻斷的IGBT破壞不得不處理出故障IGBT的附加電流的其余IGBT。由此，本發(fā)明克服了具有SCFM能力的IGBT模塊的使用。圖8示出了具有用于控制之前所描述的功率半導(dǎo)體模塊10的方法步驟的流程圖。在第一步驟SI，柵極單元16檢驗(yàn)?zāi)K10的IGBT 1、2、3、4之一中是否發(fā)生了 SCFM，直到檢測(cè)結(jié)果為肯定。在檢測(cè)到出故障的IGBT 1、2、3或4之后，在第二步驟S2，IGBT的柵極端子的柵極電壓不處于故障模式，在之前的示例中，2、3和4增大到20V。無(wú)疑，這包含在本發(fā)明第一實(shí)施例中所描述的通過(guò)公共柵極導(dǎo)線增大堆疊元件的所有IGBT 1、2、3、4的柵極電壓、甚至是出故障的IGBT I的柵極電壓的可能性。如之前所描述的通過(guò)從第一電源26切換到第二電源25或通過(guò)切換能夠向20V的第三柵極電壓提供3個(gè)柵極電壓的公共電源來(lái)提供增大的柵極電壓。在第三步驟S3，檢驗(yàn)IGBT 1、2、3、4之一、特別是出故障的那個(gè)IGBT的柵極電流是否超過(guò)閾值。該閾值定義足夠高以降低第二電源25的20V柵極電壓的電流。如果一個(gè)IGBT 1、2、3、4的電流增大超過(guò)這個(gè)閾值，則在第四步驟S4，具有這個(gè)柵極發(fā)射極短路的IGBT通過(guò)熔絲切斷。在熔絲的情況下，當(dāng)電流超過(guò)閾值時(shí)，通過(guò)熔化的熔絲自動(dòng)切斷連接。本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施例。本發(fā)明所有實(shí)施例都可有利地組合。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括 -至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)，并聯(lián)連接并且各包括柵極端子，所述柵極端子用于通過(guò)第一柵極電壓在阻斷狀態(tài)開關(guān)所述功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)并用于通過(guò)第二柵極電壓在導(dǎo)通狀態(tài)開關(guān)所述功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4);以及 -控制構(gòu)件(16，17;55，56，57)，適合于將第一柵極電壓或第二柵極電壓施加到所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的所述柵極端子； 其特征在于 所述控制構(gòu)件(16，17; 55，56，57)適合于當(dāng)所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)中的功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)出故障時(shí)，將第三柵極電壓施加到所述至少一個(gè)其余功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的所述柵極端子，并且所述第三柵極電壓超過(guò)所述第二柵極電壓。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)模塊(10; 43; 47，48; 52)，每個(gè)模塊(10; 43; 47, 48; 52)包括至少一個(gè)子模塊(5，6)，并且每個(gè)子模塊(5，6)包括所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)中的至少一個(gè)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于 每個(gè)子模塊(5，6)包括連接到所述控制構(gòu)件(16，17; 55，56，57)并連接到所述子模塊(5，6)的所述至少一個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的每個(gè)柵極端子的柵極端子(8，9)，并且所述控制構(gòu)件(16，17; 55, 56, 57)與所述子模塊(5,6)的所述柵極端子(8,9)之間的每個(gè)連接都包括單獨(dú)熔絲(32，33; 58，59)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的系統(tǒng)，其特征在于 每一個(gè)所述模塊(10;47，48)包括連接到所述控制構(gòu)件(16，17; 55，56，57)并連接到每個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的所述柵極端子的柵極端子(7)，并且所述控制構(gòu)件(16，17; 55，56，57)與所述模塊(10; 47, 48)的所述柵極端子(7)之間的每個(gè)連接都包括單獨(dú)熔絲(44; 50，51)。
5.如權(quán)利要求I到4中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述控制單元(16，17; 55，56，57)與每個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的所述柵極端子之間的每個(gè)連接都包括單獨(dú)熔絲(28，29，30, 31)。
6.如權(quán)利要求2到5所述的系統(tǒng)，其特征在于 每個(gè)熔絲(28，29，30，31，32，33，44，50，51，58，59)或所有串聯(lián)連接的熔絲(28，29，30，.31，32，33，44，50，51，58，59) 一起具有柵極電阻的電阻，并充當(dāng)柵極電阻器。
7.如權(quán)利要求I到6所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述控制構(gòu)件(16，17;55，56，57)包括用于提供第一柵極電壓和第二柵極電壓的第一電源(26)和可與所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的所述柵極端子連接以便提供所述第三柵極電壓的第二電源(25)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述控制構(gòu)件(16，17; 55, 56, 57)包括用于將第一電源(26)或第二電源(25)與所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的所述柵極端子連接的開關(guān)構(gòu)件(22)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述開關(guān)構(gòu)件(22)連接到用于控制所述開關(guān)構(gòu)件(22)的開關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)單元(27)，并且在于所述控制構(gòu)件(16，17; 55，56，57)適合于當(dāng)所述功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)之一中發(fā)生故障時(shí)將所述功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的所述柵極端子與第二電源(25)連接。
10.如權(quán)利要求7到9所述的系統(tǒng)，其特征在于 第二電源(25)包括電池、電容器(42)、變換所述功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的電流的電流變換器(35)和用于變換所述功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的集電極-發(fā)射極電壓的電壓變換器之一，或它們的組合。
11.如權(quán)利要求I到10中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述控制構(gòu)件(16，17; 55，56，57)連接到所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的集電極側(cè)(11)和/或發(fā)射極側(cè)(12)和/或所述柵極端子，用于檢測(cè)出故障的功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)和/或用于將所述功率半導(dǎo)體單元(10)的電壓或電流變換成第一電源和/或第二電源(25，26)的第一柵極電壓、第二柵極電壓和/或第三柵極電壓。
12.如權(quán)利要求I到11中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)模塊(10)，每個(gè)模塊(10)包括至少一個(gè)子模塊(5，6)，并且每個(gè)子模塊(5，6)包括所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)中的至少一個(gè)，并且通過(guò)對(duì)于功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的爆炸抵抗的壁將每個(gè)功率半導(dǎo)體芯片和/或每個(gè)子模塊(5，6)和/或模塊(10)分開。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片和/或所述至少一個(gè)子模塊(5，6)和/或所述至少一個(gè)模塊(10; 43; 47，48; 52)相對(duì)冷卻金屬層通過(guò)絕緣襯底層電絕緣。
14.如權(quán)利要求I到13中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)是絕緣柵雙極晶體管。
15.如權(quán)利要求I到14中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于 第三柵極電壓超過(guò)15V。
16.如權(quán)利要求I到15中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于 當(dāng)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)出故障時(shí)，第三柵極電壓被持續(xù)地施加到所述至少一個(gè)其余功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的柵極端子。
17.用于操作并聯(lián)連接的至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的方法，并且每個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)包括柵極端子，所述方法其特征在于如下步驟 -檢測(cè)(SI)出故障的功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)； -當(dāng)檢測(cè)到出故障的功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)時(shí)，將比施加用于所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的導(dǎo)通狀態(tài)的柵極電壓高的柵極電壓提供(S2)到所述至少一個(gè)其余功率半導(dǎo)體芯片(1，2，3，4)的所述柵極端子。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于 當(dāng)?shù)焦β拾雽?dǎo)體芯片(1，2，3，4)的柵極端子的連接中的電流超過(guò)閾值時(shí)(S3)，切斷該連接(S4)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1,2,3,4)，它們并聯(lián)連接并且各包括用于通過(guò)第一柵極電壓在阻斷狀態(tài)開關(guān)功率半導(dǎo)體芯片(1,2,3,4)并用于通過(guò)第二柵極電壓在導(dǎo)通狀態(tài)開關(guān)功率半導(dǎo)體芯片(1,2,3,4)的柵極端子。該系統(tǒng)還包括適合于將第一柵極電壓或第二柵極電壓施加到至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體芯片(1,2,3,4)的柵極端子的控制構(gòu)件(16,57)?？刂茦?gòu)件(16)適合于當(dāng)功率半導(dǎo)體芯片(1,2,3,4)出故障時(shí)，將第三柵極電壓施加到至少一個(gè)其余功率半導(dǎo)體芯片(1,2,3,4)的柵極端子，并且第三柵極電壓高于第二柵極電壓。
文檔編號(hào)H03K17/12GK102754345SQ201080054704
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者S.克拉卡, S.哈特曼 申請(qǐng)人:Abb 技術(shù)有限公司