BR102016004881B1

BR102016004881B1 - módulo de comutação e módulo semicondutor de potência

Info

Publication number: BR102016004881B1
Application number: BR102016004881-8A
Authority: BR
Inventors: Thomas Brueckner; Roland Jakob
Original assignee: Ge Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2020-11-17
Also published as: EP3065297A1; CA2921936A1; US10263506B2; EP3065297B1; CN105939152A; US20160261180A1; DE102015103247A1; BR102016004881A2; CN105939152B

Abstract

MÓDULOS DE COMUTAÇÃO E SEMICONDUTOR E POTÊNCIA. Trata-se de um módulo de comutação (11), que apresenta um alojamento (25) com uma primeira e uma segunda conexão (18, 19) e pelo menos uma conexão de acionamento (21), diversos elementos de comutação (17a a 17m) que estão dispostos dentro do alojamento (25), conectados paralelamente entre si e são controláveis através de seus eletrodos de controle (24), e um dispositivo de proteção contra falha (26), que é inserido entre pelo menos uma conexão de acionamento (21) e o elemento de comutação (17a a 17m) de modo eficaz. O dispositivo de proteção contra falha (26) apresenta componentes elétricos passivos (34; 41; 42; 43), que são dimensionados de tal maneira que, no caso de uma falha em um ou mais elementos de comutação (17a a 17m), um controle pré-definido de pelo menos uma conexão de acionamento (21) nos eletrodos de controle (24) de todos os outros elementos de comutação sem falhas (17a a 17m) crie um sinal de controle, que é suficiente o bastante para ativar de modo condutivo esses elementos de comutação isentos de falha (17a a 17m) ou para manter os mesmos de modo condutivo. Um módulo eletrônico de potência (9) com uma unidade de acionamento (14) atribuída a pelo menos esse tipo de módulo de comutação (11) e a (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a um módulo de comutação com proteção contra curto-circuito e um módulo eletrônico de potência com o mesmo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Por exemplo, o módulo de comutação com semicondutores de potência é aplicado ao conversor para conversão de corrente contínua em corrente alternada e o inverso e usado para muitas outras aplicações. O módulo de comutação representa uma parte controlável, cujo status pode ser alterado através de um sinal de controle entre um status de condução e um status de desligamento. Para aplicações de alto desempenho, por exemplo, aplicações de corrente contínua de alta tensão (HVDC), em muitas topologias de conversores de múltiplos níveis, frequentemente diversos módulos de comutação são conectados entre si em série, a fim de permitir aplicações de alta tensão e para poder criar tensão em formato sinusoidal tanto quanto possível. As exigências de redundância, de acordo com as quais essa função de um dispositivo, devem ser garantidas no caso de um defeito de um ou mais módulos de comutação, podem exigir a aplicação de dois ou mais módulos de comutação conectados em série.

[003] É importante que um módulo de comutação defeituoso não influencie nos módulos de comutação sem falhas e módulos eletrônicos de potência ou um dispositivo como um todo, por exemplo, um conversor em suas funções. Nesse aspecto, é desejável que, em uma série de módulos de comutação, um módulo de comutação defeituoso possa ser ajustado em um modo de erro de curto-circuito, em que o mesmo conduz continuamente de modo que a operação com outros módulos de comutação funcionalmente capazes possam ser continuados. Em muitas topologias de circuito, por exemplo, pontes de H, meia-ponte etc., é útil se um módulo de comutação em modo de erro for movido para um modo de erro em status de condução de modo que ambas as conexões de tensão alternada de uma ponte de H possam ser condutiva e continuamente conectada entre si.

[004] Um módulo de comutação pode, por sua vez, incluir um número de semicondutores de potência, por exemplo, IGBTs, MOSFETs ou outros similares, que são conectados paralelamente entre si e comutados conjuntamente. Através disso, a carga de corrente pode ser distribuída para diversos circuitos, o que garante uma operação com alta corrente e saída. Uma unidade de acionamento é fornecida a fim de alimentar o circuito semicondutor de potência de um módulo de comutação com um sinal de controle comum adequado na base de um sinal de controle a partir de um controle superior. Os comutadores semicondutores de potência podem ser acomodados dentro de um alojamento comum, por exemplo, um alojamento de contato de pressão (conhecido como alojamento de empacotamento por pressão (Press-Pack- Housing). No alojamento, outros componentes como resistências simétricas no circuito de controle a fim de alcançar a simetria, e alcançar uma comutação igual simultânea possível máxima, equaliza a comutação de todos os semicondutores de potência no caso de controle externo. A unidade de acionamento está disposta principalmente do lado de fora do alojamento de módulo de comutação e está conectada a uma porta que leva para fora do módulo de comutação.

[005] Se um dos chips semicondutores de potência conectados paralelamente, por exemplo, comutador IGBT, sofrerem um curto-circuito dentro do módulo de comutação entre seu eletrodo explorador e seu eletrodo emissor e, como um resultado, torna-se defeituoso e é destruído, isso geralmente leva a um curto-circuito entre o eletrodo de porta e o eletrodo de controle do elemento de comutação e seu eletrodo emissor. O curto-circuito de porta-emissor de comutador defeituoso, devido à comutação paralela, também entra em curto-circuito com os eletrodos de porta de porta de outros elementos de comutação funcionalmente capazes para o eletrodo emissor e impede que esse eletrodo de porta mantenha uma tensão suficiente de modo a permanecer em um status condutivo ou para mover esse status. Através disso, um controle dos elementos de comutação funcionalmente capaz é impossível através dos eletrodos de controle de porta.

[006] Mediante o defeito de um elemento de comutação semicondutor de potência, doravante no presente documento, deve ser entendido ωmo um erro, que resulta em um curto-circuito do eletrodo de controle ou de porta para um outro eletrodo, especialmente o eletrodo emissor, o elemento de comutação semicondutor de potência.

[007] O elemento de comutação defeituoso deve conduzir novamente a corrente de carga completa e gerenciar a mesma. A carga de corrente do elemento de comutação defeituoso com a corrente nominal do módulo de comutação ou corrente excessiva eventual e o aquecimento excessivo associado pode levar a uma destruição do módulo de comutação e também danificar a unidade de acionamento e outros componentes de sistema. Além disso, os arcos de falha podem surgir, o que pode levar a parada de outros componentes, uma explosão de componentes ou um incêndio. Isso seria impedido. Além disso, uma trajetória de corrente Ohm baixa lenta deve ser instalada através do módulo de comutação defeituoso a fim de garantir capacidade funcional adicional de um módulo semicondutor de potência.

[008] A fim de evitar uma destruição mecânica dos dispositivos através da explosão, os dispositivos protegidos contra a explosão ou alojamentos de metal à prova de explosão são usados em torno do semicondutor, o que é demorado e dispendioso. Os comutadores de desvio mecânico acionados por explosão ultrarrápida complexa também são usados para células conversoras. Além disso, os comutadores semicondutores de potência são desenvolvidos, os quais apresentam um modo de erro de curto- circuito estável (SCFM, modo de defeito de curto-circuito) no caso de uma falha IGBT. A capacidade de SCFM é alcançada, na qual uma placa metálica é colocada no topo dos chips IGBT de um módulo de potência (consulte, por exemplo, o documento EP 0 989 611 B1). Um erro, que leva a um disjuntor e subsequentemente a placa metálica e o chip de silício são fundidos, então, formam uma liga de silício metálico condutiva, que garante uma trajetória de corrente de baixo Ohm através do módulo. Devido à oxidação de material, se a resistência elétrica dos chips IGBT danificados aumentar, então, um outro chip eletricamente conectado em paralelo será danificado e isso funde e forma a próxima liga de baixo Ohm. Esses tipos de transições de SCFM são continuadas até todos os chips serem consumidos. Apesar da alta complexidade, um modo de erro de curto-circuito estável contínuo não pode ser garantido.

[009] O documento WO 2006/1004430 A1 descreve uma válvula de conversor de corrente e um processo de controle para a mesma que usa diversos elementos semicondutores conectados paralelamente, através disso, cada elemento semicondutor é atribuído a uma unidade de acionamento separada. Um erro em um dos elementos semicondutores é registrado através de uma medição de corrente, e os outros, elementos semicondutores isentos de erro são adicionalmente potencializados especificamente através de sua unidade de acionamento associada a fim de criar um status condutivo da válvula conversora. A proteção contra curto-circuito é adquirida com dispêndio de comutação elevada e controle.

[010] O documento WO 2013/139373 A1 sugere um módulo de comutação com uma primeira conexão, uma segunda conexão, uma porta, diversos elementos de comutação, que são paralelamente conectados entre si entre a primeira conexão, a segunda conexão e a porta, os fusíveis, que são fornecidos entre cada um dos eletrodos individuais de diversos elementos de comutação e a porta e um comutador de desvio, que está disposto entre a porta e a segunda conexão. Se um erro de curto-circuito for identificado em um elemento de comutação, o comutador de desvio é acionado e fechado a fim de divergir uma parte da corrente de carga que flui através do elemento de comutação de curto-circuito e a fim de conduzir através do fusível associado uma resistência de desvio e comutador de desvio para a segunda conexão para o elemento de comutação a fim de fundir o fusível. Assim que o fusível fundir, a linha de controle para o elemento de comutação defeituoso é rompida de modo que o resto do comutador permaneça funcional. Entretanto, essa solução exige um comutador ativo adicional dentro do módulo de comutação e uma lógica ativa para controlar esse comutador ativo adicional no caso de falha.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[011] Com base nisso, é o objetivo da invenção criar um módulo de comutação com diversos comutadores semicondutores de potência paralelos, que estão em uma posição para alcançar pelo menos uma controlabilidade limitada de todos ou parte dos elementos de comutação isentos de falha restantes após uma falha em um módulo de comutação ou em um elemento semicondutor de potência individual a fim de permitir um status de condução de modo contínuo do módulo de comutação, de modo a reduzir o risco de uma explosão e criar uma trajetória de corrente de baixo Ohm estável através do módulo de comutação defeituoso. Isso na maioria das vezes envolve meios simples e com estrutura simples, com dispêndio inferior e menores custos com a fabricação e operação.

[012] Um outro objetivo da presente invenção é criar um módulo semicondutor de potência com um tipo de módulo de comutação, que é particularmente adequado para aplicação de alto desempenho.

[013] Esse objetivo é solucionado através de um módulo de comutação com um recurso da Reivindicação independente 1 e um módulo semicondutor de potência, de acordo com a Reivindicação 15.

[014] De acordo com um aspecto da invenção, um módulo de comutação é criado, que apresenta uma primeira conexão, uma segunda conexão e pelo menos uma porta, diversos elementos de comutação, que são paralelamente conectadas entre si e um dispositivo de proteção contra falha. Os diversos elementos de comutação são respectivamente conectados com um primeiro eletrodo à primeira conexão, com um segundo eletrodo à segunda conexão e com um eletrodo de controle a pelo menos uma porta. O dispositivo de proteção contra falha é inserido entre pelo menos uma porta e o elemento de comutação ativamente. O dispositivo de proteção contra falha apresenta componentes elétricos passivos, que são medidos de tal maneira que, no caso de uma falha em pelo menos um dos diversos elementos de comutação, um controle predeterminado, pelo menos uma porta de maneira puramente passiva, para os eletrodos de controle de todos os outros comutadores isentos de falha crie um sinal de controle, que é suficiente para ativar ou interromper de modo condutivo esses elementos de comutação.

[015] A invenção tem base na ideia de que, no caso de uma falha em um elemento de comutação no módulo de comutação, inicialmente, nem todos os elementos de comutação conectados paralelamente são influenciados, mas apenas um único elemento de comutação ou poucos elementos de comutação são influenciados. O dispositivo de proteção contra falha, de acordo com a invenção, automaticamente permite controlar, de maneira puramente passiva com o auxílio de componentes passivos, os elementos de comutação não afetados pela falha, permite ativar os ou levar os mesmos ativados antes de serem danificados ou destruídos como um resultado da falha de curto-circuito no elemento de comutação defeituoso através de correntes excessivas, acúmulo de calor, arco de falha ou outros similares. Isso é automaticamente alcançado, de maneira puramente passiva, sem qualquer lógica ativa adicional, controle ativo ou comutador ativo, sem transição ou conexão ativa adicional de trajetórias de corrente ou outras medidas adicionais. Para isso, a disposição de comutação adequadamente projetada com componentes eletrônicos e elétricos passivos que são adequadamente medidos, é suficiente. Os elementos de comutação funcionalmente capazes permanecem controláveis e em status condutivo, de modo que uma trajetória de corrente de baixo Ohm estável seja criada através do módulo e o risco de uma explosão e danos às partes é evitado ou pelo menos reduzido.

[016] Os elementos de comutação são preferencialmente selecionados a partir do grupo de componentes controlados por tensão, que pertencem especialmente aos IGBTs, BIGTs, MOSFETS e JFETs. IGBTs são preferenciais, devido a sua controlabilidade sem fio, alta tensão de bloqueio, robustez contra os curtos-circuitos e sua capacidade de adequação a ser conectada em série e/ou em paralelo.

[017] O módulo de comutação pode apresentar um alojamento comum, no qual todos os elementos de comutação são acomodados, através dos quais a primeira e a segunda conexões e pelo menos uma porta são conduzidos para fora do alojamento. O alojamento pode ser particularmente um alojamento de contato de pressão (conhecido como, alojamento de empacotamento por pressão), no qual os chips de comutador semicondutor de potência são pressionados, vedados entre as placas de contato de pressão. No caso de uma falha em um chip IGBT com emissor coletor e, ωmo um resultado, o curto-circuito de porta-emissor do chip do curto-circuito de emissor coletor é preso através do contato de pressão dos chips para um período intermediário, isto é, pelo menos na faixa de horas ou dias. A longo prazo, isso pode resultar no atrito do curto-circuito. No presente documento, o dispositivo de proteção contra falha está em uma posição para prender o curto-circuito ao longo de meses ou anos. O alojamento também pode ser um alojamento de módulo de um módulo, no qual os chips são ligados. No caso de erro, os fios de ligação dos chips defeituosos agora não conduzem continuamente a corrente concentrada, frequentemente, e podem se desprender do chip, o que pode levar à explosão. Esse processo pode ser executado dentro de segundos após as partes quebrarem. O dispositivo de proteção contra falha com sua rede de proteção passiva está, no presente documento, em uma posição para atuar sem qualquer atraso a fim de comutar condutivamente ou manter condutivo os outros elementos de comutação sem falhas.

[018] Em uma realização preferencial, o dispositivo de proteção contra falha apresenta a disposição de comutação com componentes passivos, que alcança a funcionalidade de proteção contra erro, através da qual a disposição de comutação está disposta entre pelo menos uma porta e os eletrodos de controle do elemento de comutação. Alternativamente, pelo menos algumas partes da disposição de comutação estão dispostas entre a segunda conexão dos elementos de comutação, por exemplo, a conexão de emissor de um comutador IGBT, o segundo eletrodo associado, por exemplo, o eletrodo emissor.

[019] O dispositivo de proteção contra falha e a disposição de comutação podem apresentar uma matriz de resistência com as primeiras resistências conectadas a cada eletrodo de controle. Essas primeiras resistências podem ser fornecidas para garantir uma comutação igual simultânea do elemento de comutação enquanto controla através de uma unidade de acionamento comum. Através de uma dimensão adequada, essas resistências da matriz de resistência executam a funcionalidade de proteção contra falha de modo adicional.

[020] Especialmente, a matriz de resistência pode ser projetada de tal maneira que, para uma determinada tensão de controle, que é aplicada por uma unidade de acionamento através de uma resistência de acionamento externa a pelo menos uma porta, a tensão resultante no eletrodo de controle dos elementos de comutação sem falhas é maior que a tensão de comutação limiar do elemento de comutação a fim de comutar de modo a conduzir de modo seguro reter o mesmo.

[021] Em uma realização, as primeiras resistências da matriz de resistência são conectadas respectiva e diretamente entre um eletrodo de controle de um respectivo elemento de comutação e pelo menos uma porta, por meio de que as mesmas podem estar dispostas no chip semicondutor ou fora ou dentro de seu alojamento comum. As primeiras resistências, por exemplo, Rn, R12, ■■■, Rim apresentam preferencialmente uma mesma resistência elétrica Rint = Rn = R12 = = Rim. Mediante a presunção de um elemento de comutação defeituoso e/ou chips, a funcionalidade de curto- circuito pode ser alcançada quando a condição a seguir for executada:

, em que Rtot é a resistência de acionamento de efeito total, por exemplo, a resistência de porta, no caso de um comutador IGBT, para o módulo de comutação está em operação normal, que é:

, em que RG é uma resistência de acionamento de uma unidade de controle, VG-OΠé a tensão de controle da unidade de acionamento, VGE-th é a tensão limítrofe do elemento de comutação e chip semicondutor, e m é o número total de elementos de comutação e chips do módulo de comutação no alojamento.

[022] Em uma outra realização, a matriz de resistência apresenta outras duas resistências, que são conectadas entre as primeiras resistências e pelo menos uma porta respectivamente, por exemplo, conexão de porta, através da qual uma outra resistência pode ser conectada em série à primeira resistência ou a diversas primeiras resistências a fim de formar um grupo de elementos de comutação. As primeiras resistências podem estra dispostas no substrato comum dos chips, enquanto que as outras resistências podem estar dispostas do lado de fora dos chips, mas dentro do alojamento comum.

[023] O módulo de comutação do último tipo mencionado pode ser particularmente instalado de tal maneira que, no caso de uma falha em um j-ésimo elemento de comutação, ao qual a primeira resistência Rη da matriz de resistência e a resistência R2Í conectada em série à mesma são atribuídas, para que a condição a seguir deva ser executada para a tensão de controle a ser aplicada no mínimo a uma porta do módulo de comutação para condutividade dos elementos de comutação sem falhas:

em que VGE-th é a tensão limítrofe do elemento de comutação e/ou chips e RG é uma resistência de acionamento externa de uma unidade de acionamento externa.

[024] Em uma realização, o módulo de comutação do tipo preferencial mencionado acima com o tipo de matriz de resistência apresenta um número de portas que levam para fora de um alojamento comum para elementos de comutação individuais ou um grupo de elementos de comutação, através do qual o número mínimo é dois. As portas são fornecidas a fim de estarem conectadas a uma unidade de acionamento, que apresenta um número correspondente de saídas de acionamento paralelas e resistências de acionamento de acordo com um número de portas que direcionam para fora, cujas resistências elétricas são relativamente maiores que a matriz de resistência. Através do dimensionamento adequado, pode ser garantido que a unidade de acionamento de todas as portas de saída podem ser controladas simultaneamente e sem a diferença a fim de suprir todos os chips não defeituosos e grupos com sinal de inicialização suficiente de modo a comutar ou manter essa condutividade.

[025] Em uma outra realização, cada elemento de comutação e cada grupo dos elementos de comutação respectivamente, um fusível, por exemplo, fusível de segurança ou um fusível reinicializável, que pode ser executado na base de SMD, é atribuído o qual é inserido entre pelo menos uma porta e eletrodo de controle de um ou mais elementos de comutação e é medido dependendo da matriz de resistência e da tensão de controle a ser aplicada, a fim de acionar uma separação do eletrodo de controle de curto- circuito de um elemento de comutação defeituoso da porta associada no caso de um erro, enquanto os fusíveis isentos de erro não são influenciados.

[026] Em uma outra realização, a cada elemento de comutação e cada grupo de elemento de comutação, um elemento de resistência de PTC (ou resistor de PTC), que é inserido na linha de controle entre pelo menos uma conexão de controle e eletrodo de controle de um ou mais elementos de comutação e é medido dependendo da matriz de resistência e da tensão de controle a ser aplicada a fim de aquecer os elementos de comutação associados no caso de falha, a fim de aumentar sua resistência elétrica. Como um resultado, uma maior resistência é estabelecida entre a unidade de acionamento e o eletrodo de controle de curto-circuito, que bloqueia a corrente ao eletrodo de controle de curto-circuito e permite, desse modo, o controle de elementos de comutação não influenciados através de seus eletrodos de controle. As resistências de PTC e/ou os fusíveis podem ser preferencialmente integrados aos respectivos chips ou fora dos chips, mas dentro do alojamento comum.

[027] Em uma outra realização, a cada elemento de comutação e cada grupo de elementos de comutação, um capacitor em série é atribuído, que é inserido em série a uma ou mais resistências associadas da matriz de resistência na linha de controle entre pelo menos uma porta e o eletrodo de controle de um ou mais elementos de comutação e está conectado em paralelo a uma resistência de Ohm alto. Os capacitores em série podem ser aplicados para bloquear uma corrente contínua para o eletrodo de controle no caso de uma parada com base em curto-circuito de um elemento de comutação, a fim de desativar isso e ativar os outros elementos de comutação isentos de erro. A capacidade dos capacitores em série deve ser medida de tal maneira que, em operação normal, nenhum desvio não permissível da tensão de controle seja efetuado entre os elementos de comutação.

[028] De acordo com um outro aspecto da invenção, um módulo semicondutor de potência com pelo menos um módulo de comutação, conforme descrito acima, é criado com uma unidade de acionamento atribuída para o módulo de comutação. A unidade de acionamento apresenta uma fonte de energia, pelo menos uma saída de acionamento, que é conectada a pelo menos uma porta do módulo de comutação, uma resistência de acionamento e um comutador controlável. O comutador pode ser controlado para fechamento, para aplicar tensão e/ou corrente da fonte de energia da unidade de acionamento através da resistência de acionamento, saída de acionamento, pelo menos uma porta do módulo de comutação para os eletrodos de controle associados do elemento de comutação. O módulo semicondutor de potência é adequado para desenvolvimento de conversores de múltiplos estágios e apresenta, de maneira vantajosa, a funcionalidade de proteção contra curto- circuito, de acordo com a invenção. Com relação aos avanços do módulo de comutação do módulo semicondutor de potência e às vantagens associadas, a referência é feita para a descrição mencionada anteriormente no sumário com o módulo de comutação.

[029] A unidade de acionamento do módulo semicondutor de potência de um tipo preferencial mencionado acima pode ser instalada, para identificar uma falha em pelo menos um dos elementos de comutação e, por meio de reação, para aplicar ou para permitir a aplicação de sinal de inicialização a pelo menos uma porta de modo contínuo. A falha no elemento de comutação pode ser monitorada, por exemplo, através do monitoramento da corrente e tensão dos elementos de comutação ou aqueles do módulo de comutação como um todo.

[030] Em uma realização, a unidade de acionamento é instalada, para o propósito, para atuar com um módulo de comutação, que apresenta diversas portas. Para esse propósito, a unidade de acionamento apresenta diversas saídas de acionamento conectadas em paralelo às resistências associadas de acionamento, que são conectadas às portas individuais do módulo de comutação associado. A unidade de acionamento é instalada adicionalmente para aplicar o mesmo sinal de acionamento através de todas as saídas de acionamento para todas as portas do módulo de comutação associado de modo simultaneamente independente das quais o elemento de comutação é defeituoso. Uma lógica ativa, comutador ativo ou outros similares, que são necessários para identificar um ponto de falha e/ou para isolar e ativar especificamente somente os elementos de comutação funcionalmente capazes e chips respectivamente, pode ser evitada. O dispêndio para a função de proteção contra falha é relativamente pequeno com a técnica de proteção mencionada anteriormente. As técnicas de proteção também podem ser aplicadas uma em combinação a outras.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[031] Os detalhes vantajosos adicionais da realização da invenção resultam das sub-reivindicações, dos desenhos e da descrição associada. A invenção é descrita em detalhes com o auxílio de um desenho, que mostra realizações, mas não de maneira limitante, de acordo com a invenção, através das quais os mesmos numerais de referência são aplicados em todas as figuras a fim de designar os mesmos elementos. A mesma mostra: - a Figura 1 mostra uma ilustração simplificada de um estágio de fase de um conversor para ilustração de uma aplicação para o módulo de eletrônica de potência; - a Figura 2 mostra um módulo eletrônico de potência, de acordo com a Figura 1 com uma primeira realização de um módulo de comutação na realização simplificada em comparação com a forma detalhada na Figura 1; - a Figura 3 mostra um módulo eletrônico de potência com um módulo de comutação, de acordo com outras realizações da invenção, em uma ilustração muito mais simplificada; - a Figura 4 mostra um módulo de comutação, de acordo com outras realizações da invenção, em uma ilustração muito mais simplificada; - a Figura 5 mostra uma modificação do módulo de comutação, de acordo com a Figura 4, em uma ilustração muito mais simplificada; - a Figura 6 mostra uma outra realização de um módulo de comutação, em uma ilustração muito mais simplificada; e - a Figura 7 mostra uma outra realização de um módulo de eletrônica de potência, de acordo com a invenção com realização adicionalmente simplificada de um módulo de comutação, em uma ilustração muito mais simplificada.

[032] A Figura 1 mostra em uma ilustração esquemática simplificada de uma disposição de comutação de um ramo de uma fase de conversor de alta tensão 1 para ilustração de uma aplicação da invenção. O conversor 1 pode ser um conversor de fase única, que converte uma corrente contínua de lado de entrada na corrente alternada no lado de saída ou um conversor bifásico ou de múltiplas fases, que apresenta correspondentemente dois ou mais dos ramos da fase descrita. O conversor 1 apresenta, para cada fase de um módulo de fase 2 com a grade de corrente alternada a ser conectada ao mesmo, através da qual cada módulo de fase processa duas conexões de corrente contínua 3, 4 e uma corrente alternada conexão 6. Entre cada corrente contínua conexão 3 e 4 respectivamente e cada corrente alternada conexão 6, os ramos de módulo de fase 7, 8 se estendem, os quais compreendem conexão em série de submódulos 9, que são designados doravante no presente documento como módulo eletrônico de potência. Alternativamente, um ramo de módulo de fase 7, 8 ou o conversor 1 seriam observados como um módulo eletrônico de potência.

[033] Cada submódulo e módulo eletrônico de potência 9 apresenta um ou mais módulos de comutação 11 conectados em série ou em paralelo a um comutador controlável 12, ao qual um diodo antiparalelo adequado 13 pode ser paralelamente conectado. Cada módulo de eletrônica de potência 9 apresenta uma ou mais unidades de acionamento 14, que controlam o comutador associado 12 a fim de fechar ou ativar de modo condutivo o mesmo ou abrir o mesmo ou não ativar o mesmo de modo condutivo. As unidades de acionamento 14 são, por sua vez, adequadamente controladas por uma unidade de acionamento superior 16, de modo que através da abertura e fechamento adequados do comutador 12 a corrente contínua entre as conexões de corrente contínua 3, 4 possa ser sincronizada de acordo com um esquema predefinido e/ou através da modulação de largura de pulso de modo que a tensão alternada com formato sinusoidal desejada resulte na corrente alternada conexão 6, após uma filtragem. Através da aplicação de diversos módulos de comutação 11 por ramo de módulo de fase, uma maior tensão de saída conectada pode ser alcançada.

[034] É evidente que o conversor de alta tensão 1 ilustrado no presente documento seja apenas um exemplo e que outras numerosas topologias de conversor existam, nas quais a invenção pode ser aplicada. Especialmente, a invenção pode ser aplicada, se as células com base em semicondutor ou de semicondutor de potência, por exemplo, módulos de hemiponte ou ponte de H forem aplicadas em série como parte de uma disposição de comutação complexa e, por exemplo, exigências de redundância exigem que a função de comutação deve ser garantida mesmo no caso de um defeito de semicondutores de potência individuais ou uma célula semicondutora de potência individual.

[035] Se um submódulo 9 das séries de submódulos de um ramo de módulo de fase 7 ou 8, de acordo com a Figura 1 falhar, então isso deveria ser alterado para um modo de erro de curto-circuito condutivo de modo que a função do conversor 1 também possa ser executada através de outro módulo de comutação funcionalmente capaz 11. Especialmente, deve ser garantido que o componente funcionalmente capaz do conversor 1 não é limitado por quaisquer partes de detonação e uma trajetória de corrente de baixo Ohm contínua é alcançada através do módulo de comutação defeituoso. Essas exigências podem ser executadas por um módulo eletrônico de potência 9 e pelo módulo de comutação 11, de acordo com as diferentes realizações da invenção, conforme as mesmas são ilustradas, por exemplo, na ilustração de princípio mais simplificado das Figuras 2 a 7.

[036] A Figura 2 mostra uma imagem de blocos de um módulo eletrônico de potência 9, que inclui um módulo de comutação 11 e uma unidade de acionamento 14. Conforme ilustrado, o módulo de comutação 11 apresenta diversos elementos de comutação conectados paralelamente 17a, 17b, ... 17m, os quais são conectados paralelamente entre si entre uma primeira conexão 18, uma segunda conexão 19 e uma porta 21. O módulo de comutação 11 pode apresentar o número preferencial de elementos de comutação, mínimo de dois elementos de comutação 17 dispostos em paralelo entre si.

[037] Cada elemento de comutação 17a a 17m é preferencialmente construído com um chip semicondutor, que reapresenta um IGBT, um MOSFET de potência ou comutadores semicondutores de potência controláveis similares, que está em uma posição a ser alterada em uma condução e status de bloqueio e não condução respectivamente através do controle. Nos desenhos, para simplificação da descrição a seguir, o comutador IGBT é ilustrado como o elemento de comutação 17a a 17m (através do qual os diodos antiparalelos associados são omitidos para o propósito de clareza), de modo que, na descrição a seguir, a terminologia seja aplicada em associação com IGBTs. Desse modo, a porta, por exemplo, designada como conexão de porta e a primeira e a segunda conexões respectivamente é designada como a conexão de emissor e de coletor, respectivamente. Entretanto, é evidente que as realizações não são limitadas ao uso de IGBTs e em vez de as mesmas, outros comutadores semicondutores de potência controlada por tensão, similares a MOSFETs, BIGTs ou JFETs, podem ser aplicados.

[038] Na realização com o chip semicondutor de IGBT ilustrado na Figura 2 que apresenta cada elemento de comutação 17a a 17m apresenta um primeiro eletrodo ou eletrodo explorador 22 (C), que é conectado à conexão de coletor comum 18, um segundo eletrodo e/ou eletrodo emissor 23 (E), que é conectado à conexão emissora comum 19, e um eletrodo de porta e/ou controle 24 (G), que é conectado à porta e conexão de porta 21.

[039] Conforme já explicado, os elementos de comutação 17a a 17m são preferencial mente formados através dos chips semicondutores conectados paralelamente e são acomodados em um alojamento comum 25, por exemplo, em um alojamento de contato de pressão (conhecido como alojamento de empacotamento por pressão), ou os mesmos são fabricados na construção modular e são fornecidos com um alojamento comum 25. A partir do alojamento 25, as conexões 18, 19 e 21 são conduzidas para fora. No presente caso de uma outra conexão, uma conexão emissora auxiliar 27 (E (Aux)), é conduzida através, que está conectada no interior do alojamento 25 à conexão de emissor 19 e serve o propósito de desacoplar a grade de controle com a unidade de acionamento 14 da corrente de carga.

[040] No interior do alojamento 25, um dispositivo de proteção contra falha 26 está disposto, o qual é instalado para o propósito, para garantir um status condutivo contínuo controlado do módulo de comutação 11 no caso de uma falha em um elemento de comutação e/ou chip semicondutor 17a a 17m. O dispositivo de proteção contra falha 26 é explicado abaixo em maiores detalhes.

[041] O módulo eletrônico de potência 9 inclui a unidade de acionamento 14, que é conhecida no presente documento de maneira simplificada no presente documento com uma fonte de energia 28, pelo menos uma saída de acionamento 29, uma resistência de acionamento 31 e um comutador controlável 32. A saída de acionamento 29 é conectada à conexão de porta 21 e à conexão emissora auxiliar 27 e à conexão emissora 19. A fonte de energia 28 é mostrada como uma unidade de fonte de alimentação, cuja tensão de acionamento VG-OΠ,ao fechar o comutador 32 através da resistência de acionamento 31 e da rede de resistência 34 no eletrodo de porta 24 é aplicada a todos os elementos de comutação 17a a 17m, simultaneamente.

[042] Conforme explicado acima, o dispositivo de proteção contra falha 26 serve o propósito de que o módulo de comutação 11 pode ser alterado em um modo de erro de condução continuamente controlado no caso de uma falha em um dentre elemento de comutação e/ou chip semicondutor 17a a 17m, respectivamente. Em geral, um erro descrito no presente documento, em geral, como uma falha, leva, sob a forma de um curto-circuito de emissor coletor de um chip semicondutor de IGBT ou elemento de comutação 17a a 17m a um curto-circuito entre seu eletrodo de porta 24 e seu eletrodo emissor 23, conforme é ilustrado de modo na Figura 2 no elemento 17m. Desse modo, os eletrodos de porta de outros elementos de comutação funcionalmente capazes estão em curto-circuito contra o eletrodo emissor 23 e não são mais controláveis. Os chips IGBT funcionalmente capazes são, desse modo, desativados e perdem sua controlabilidade, enquanto que os chips defeituosos absorvem a corrente de carga total. Devido à corrente excessiva, ao calor resultante e ao arco, isso pode levar a um dano severo ao modo de comutador 11 ou a outros componentes do módulo de eletrônica de potência 9. Isso é impedido através do dispositivo de proteção contra falha 26, de acordo com a invenção, no qual garante que todos ou uma parte dos chips IGBT funcionalmente capazes sejam mantidos em um status condutivo e/ou controlável limitado ou sejam ativados nesse status através de um dos métodos descritos abaixo ou uma combinação dos mesmos.

[043] O dispositivo de proteção contra falha 26, de acordo com a invenção compreende uma disposição de comutação 33, que é acomodada no interior do alojamento de módulo de comutação 25 juntamente com o semicondutor 17a a 17m. Conforme é evidente, a disposição de comutação 33 é somente desenvolvida a partir de componentes passivos, cujos componentes não possuem qualquer função de controle ou efeito de aumento. Especialmente, a disposição de comutação 33 na realização, de acordo com a Figura 2, apresenta uma matriz de resistência 34 à qual as primeiras resistências 36a a 36m fazem parte no presente caso, que é conectado a uma conexão com eletrodo de porta 24 de um elemento de comutação associado 17a a 17m. Com sua outra conexão, as primeiras resistências 36a a 36m são respectivamente conectadas em pares a um ponto de conexão 37 entre si de modo que, por exemplo, as primeiras resistências 36a,b sejam conectadas entre si, as primeiras resistências 36c,d sejam conectadas entre si, ... e as primeiras resistências 36m-1, m sejam conectadas entre si.

[044] A matriz de resistência 34 ainda apresenta outras segundas resistências 38a a 38n, que estão conectadas entre o ponto de conexão 37 das primeiras resistências 36a a 36m e a conexão de porta comum 21. Na realização ilustrada, m=2n. Em outras realizações, três ou mais primeiras resistências 36a a 36m podem ser combinadas para formar um grupo, que é conectado à segunda resistência 38a a 38n respectivamente, então m equivale a três ou mais vezes de n.

[045] Apesar de isso não ser ilustrado em detalhes na Figura 2, as primeiras resistências 36a a 36m da matriz de resistência 34 podem estar dispostas juntamente com os elementos de comutação 17a a 17m nos chips semicondutores, mesmo se as mesmas também puderem ser acomodadas do lado de fora dos chips 17a a 17m, mas dentro do alojamento de módulo de comutação 25. As primeiras resistências 36-m podem ser aplicadas para balanceamento da comutação, a fim de fazer com que todos os elementos de comutação 17a a 17m sejam ativados simultânea e igualmente tanto quanto possível no caso de um controle através da unidade de controle 14. Em geral, esses tipos de resistências de equilíbrio são de Ohm relativamente baixo. Outras resistências 38a a 38n podem estar dispostas fora dos chips 37a-m, e nos chips 17a a 17m também, mas estão preferencialmente dispostas fora dos chips, mas dentro do alojamento 25.

[046] O módulo eletrônico de potência 9 descrito até aqui com o dispositivo de proteção contra falha 26 funciona conforme a seguir:

[047] Em operação normal, a unidade de acionamento controla todos os elementos de comutação 17a a 17m adequadamente a fim de ativar ou desativar todos os elementos de comutação 17a a 17m simultaneamente e a fim de alterar o módulo de comutação total 11 no status de não condução e/ou de condução. Então, conforme já explicado, quando um dos elementos de comutação falha e sua trajetória de porta-emissor está em curto-circuito, com o auxílio da matriz de resistência 34, ainda é possível que o dispositivo de proteção contra falha 26 ative os elementos de comutação sem falhas de funcionamento 17a a 17m através da aplicação de uma tensão de acionamento suficiente VG-OΠde modo que a tensão de porta-emissor desse elemento de comutação 17a a 17m exceda seu valor de tensão limítrofe VGE-th.

[048] No presente documento, mediante a presunção de que a falha ocorre, por exemplo, no j-ésimo elemento de comutação 17j (por exemplo, o elemento de comutação 17m, conforme mostrado na Figura 2), a condição da tensão de acionamento necessária é conforme a seguir:

em que VGE-th é a tensão limítrofe para o elemento de comutação, RG é a resistência elétrica da resistência de acionamento 31, Rij é a resistência elétrica da primeira resistência 36j atribuída ao elemento de comutação 17j e R2Í da resistência elétrica da segunda resistência 38i conectada à primeira resistência 36j. Através disso, garante-se que nos elementos de comutação que não pertencem ao grupo de elemento de comutação defeituoso 17j uma tensão de porta-emissor que excede seu valor de tensão limítrofe VGE-th seja aplicada.

[049] É compreensível que a falha possa ocorrer em um dos elementos de comutação preferenciais 17a a 17m ou em um par de dois ou mais dos elementos de comutação conectados paralelamente individuais 17a a 17m e, ainda, os elementos de comutação funcionalmente capazes 17a a 17m podem ser condutivamente ativados ou podem se manter condutivos através da aplicação de tensão de acionamento suficiente VG-OΠ(Observe: a Equação Eq. 1 é aplicável somente para casos especiais como a um chip defeituoso.). Além disso, é evidente que a equação acima 1 é aplicável somente para um chip defeituoso, entretanto, uma exportação média pode derivar uma relação correspondente para a tensão de acionamento necessária VG-OΠno caso de dois ou mais chips defeituosos.

[050] Como um exemplo, com uma tensão limítrofe VcE-th para cerca de 10 volts cada, de acordo com cada um dos valores definidos para a primeira e a segunda resistências 36a a 36m, 38a a 38n e a resistência de acionamento 31, uma tensão de acionamento VG-OΠna faixa de 15 volts e 50 volts é necessária. Entretanto, isso depende da matriz de resistência interna do módulo de comutação 11 entre a conexão de porta 21 e os eletrodos de porta 24 do elemento de comutação 17a a 17m.

[051] Se, uma parada, especialmente um curto-circuito for identificado entre a conexão de coletor 18 e a conexão de emissor 19 de um chip do módulo de comutação 11, a tensão de acionamento VG-OΠpode ser aplicada de acordo com o valor definido acima, que é tão grande que dependendo das impedâncias da matriz de resistência, todos os elementos de comutação funcionalmente capazes podem ser ativados ou permanecem ativados. Inversamente, as resistências 36a a 36m e 38a a 38m, que dependem da tensão de acionamento anteriormente definida VG-OΠ,podem ser medidas para um caso de erro.

[052] Desse modo, a matriz de resistência adequadamente medida 34 através da aplicação de uma tensão de acionamento suficiente definida em avanço permite os eletrodos de porta 24 de outros elementos de comutação funcionalmente capazes com carga suficientemente positiva no caso de uma falha em um ou alguns elementos de comutação 17a a 17m, de modo que esses possam ser ativados condutivamente ou mantidos condutivos, enquanto que um ou alguns dos eletrodos de porta 24 do elementos de comutação defeituosos, que são conectados com a mesma matriz de resistência 34, estejam em curto-circuito. Através disso, os chips semicondutores 17a a 17m permanecem ainda controláveis e podem ser continuamente mantidos em status condutivo.

[053] Através do registro do erro, por exemplo, através do monitoramento de tensões e correntes para as conexões 18, 19, 21, 27 do módulo de comutação 11 e do controle contínuo e rápido do chip semicondutor de potência 17a a 17m, a corrente de carga pode ser distribuída a todos os chips semicondutores, através disso um desenvolvimento de arco de falha ou explosões é evitado. As medidas para proteção contra explosão, por exemplo, alojamento com dispositivos de proteção de tensão em excesso ou proteção contra explosão, podem ser reduzidas. Além disso, uma trajetória de corrente de baixo Ohm estável e contínua é criada pelo módulo defeituoso. De modo vantajoso, a proteção através do dispositivo de proteção contra falha 26 é alcançada somente com elementos passivos, a saber, a matriz de resistência 34 de maneira puramente passiva. Para essa lógica não ativa, o comutador ativo e outros similares são necessários a fim de identificar a fonte de erro e/ou isolar, para alterar ou desviar a trajetória de corrente e para ativar especificamente somente os chips funcionalmente capazes.

[054] A Figura 3 mostra um módulo eletrônico de potência 9 em comparação a uma realização levemente modificada de módulo de comutação 11 na Figura 2. Conforme é evidente no presente documento, as outras resistências e/ou segundas resistências 38a a 38n são omitidas de modo que todas as primeiras resistências 36a a 36m sejam conectadas através do ponto de conexão 37 diretamente entre si e sejam conectadas à conexão de porta 21. No chip 17m, por exemplo, o curto-circuito de emissor coletor envolvido na falha e o curto-circuito de porta-emissor são marcados. Nesse caso, através da medição adequada da matriz de resistência 34, pode ser garantido que, para uma determinada tensão de acionamento VG-OΠ,que é aplicada pela unidade de acionamento 14 através da resistência de acionamento 31 nas conexões 21, 19 do módulo de comutação, a tensão nos eletrodos de porta de chips não defeituosos funcionalmente capazes seja maior que sua tensão limítrofe.

[055] Como um exemplo, para a estrutura de comutação mostrada na Figura 3, mediante a presunção de que as resistências elétricas de todas as primeiras resistências 36a a 36m entre a conexão de porta 21 e os eletrodos de porta 24 são iguais, então Rint= Rn = R12 = ... = Rim, a condição a seguir deve ser satisfeita:

em que Rtot da resistência de porta eficaz total para o módulo de comutação 11 está em status normal, que é:

em que m é o número total de chips semicondutores 17a a 17m no módulo de comutação 11, k é o número de chips defeituosos com curto- circuito de porta-emissor, VG-OΠé a tensão de acionamento de porta de unidade de acionamento de porta 14 e VGE-th é a tensão limítrofe de porta-emissor dos chips semicondutores 17a a 17m.

[056] Novamente, através da medição adequada da matriz de resistência 34, de acordo com as equações mencionadas anteriormente 2 e 3, é possível, apesar de as trajetórias de emissor em curto-circuito de um ou alguns chips semicondutores defeituosos 17a a 17m ativarem condutivamente outros chips funcionalmente capazes ou manterem as mesmas condutivas através da aplicação de uma tensão de acionamento VG-OΠdefinida em avanço, que pode ser idêntica à tensão de acionamento em operação normal. Isso é novamente alcançado de maneira puramente passiva, sem qualquer lógica ativa, comutador ativo ou outros similares, para identificar o ponto defeituoso e/ou para isolar e ativar especificamente somente os chips funcionalmente capazes, e com o já explicado, outras vantagens de proteção contra explosões e arcos de falha e uma trajetória de corrente permanente de Ohm baixo através do módulo defeituoso.

[057] A Figura 4 mostra um módulo de comutação 11, de acordo com uma outra realização da invenção, em uma ilustração muito mais simplificada. O módulo de comutação 11 se difere daqueles de acordo com a Figura 2 de modo significativo que, no presente documento, a cada elemento de comutação 17a a 17m e cada grupo conectado de elementos de comutação um fusível 39a a 39m é atribuído, que é inserido em cada trajetória de controle entre o eletrodo de porta 24 de cada elemento de comutação 17a a 17m e o ponto de conexão 17 do respectivo grupo de elementos de comutação. Os fusíveis 39a a 39m, fusíveis de segurança, que dependem da matriz de resistência 34, são medidos de tal maneira que os mesmos acionem um ou mais elementos de comutação 17a a 17m no caso de erro, a fim de separar o eletrodo de porta em curto-circuito 24 de um elemento de comutação defeituoso da porta conexão 21, enquanto que os outros fusíveis atribuídos aos elementos de comutação sem falhas não sejam influenciados.

[058] Em casos de uma estrutura de porta em curto-circuito de um elemento de comutação defeituoso 17a a 17m, a corrente de porta resultante, que é alimentada com a aplicação de um sinal de porta positivo através da unidade de acionamento 14 na estrutura de porta em curto-circuito, é muito maior que nas condições operacionais normais, devido ao fato de que, no caso de componentes controlados por tensão como IGBTs, sob condições operacionais normais, apenas correntes a curto prazo fluem para recarregar a capacidade de porta de chip interno durante os processos de ativação e desativação na conexão de porta. Os fusíveis de segurança ou fusíveis reinicializáveis 39a a 39m também pode ser projetados a fim de separar o eletrodo de porta em curto-circuito 24 da unidade de acionamento de porta 14 nesse nível de corrente de porta, através dos quais o controle de estruturas de porta sem falhas funcionalmente capazes é permitido, isto é, para ativar os mesmos condutivamente ou manter os mesmos condutivos. Os fusíveis 39a a 39m podem ter base na tecnologia de SMD e são integrados juntamente com a primeira e/ou a segunda resistências 36a a 36m, 38a a 38n nos chips semicondutores ou fora dos chips, mas dentro do alojamento comum 25. Os fusíveis 31a a 31m permitem rápida reação, os quais evitam de modo eficaz os danos devido às explosões e arcos de falha.

[059] A Figura 5 mostra uma leve modificação em comparação à realização de acordo com a Figura 4, através da qual os fusíveis 39’a a 39'n estão dispostos nas trajetórias de corrente de porta entre a conexão de porta 21 e o ponto de conexão 37 dos respectivos grupos de elementos de comutação 17a a 17m em série às segundas resistências 38a a 38n. Novamente, os fusíveis de segurança e os fusíveis reinicializáveis 39’a a 39'n podem ser configurados a fim de acionar o nível de corrente no caso de uma falha, em que deve ser levado em consideração que cada fusível 39’a a 39'n conduz duas vezes a corrente em operação normal (ou múltiplos de corrente, se mais que dois elementos de comutação 17a a 17m forem conectados a um grupo respectivamente).

[060] Alternativamente, nas realizações de acordo com as Figuras 4 e 5, ao invés, os fusíveis 39a a 39m e o resistor 39’a a 39'n ou os denominados elementos de resistência de PTC 41a a 41 m (na Figura 4) e 41'a a 41'n (na Figura 5) podem ser aplicados, que podem conduzir a corrente melhor em baixas temperaturas que em altas temperaturas. Em outras palavras, os elementos de resistência de PTC são os componentes, cuja resistência elétrica aumenta com o aumento da temperatura. No caso de um ou mais elementos de comutação defeituosos 17a a 17m, a corrente de porta, que flui da unidade de acionamento 14 para a estrutura de porta em curto-circuito com a aplicação de um sinal de acionamento de porta positivo, é muito maior que sob condições operacionais normais. Os elementos de resistência de PTC são adequadamente colocados a fim de aquecer suficientemente nesses maiores níveis de corrente a fim de configurar uma alta resistência na trajetória de corrente de porta entre a unidade de acionamento de porta 14 e o eletrodo de porta em curto-circuito 24 de modo a bloquear a corrente de acionamento de porta ou reduzir claramente a mesma, através de que um controle de outras estruturas de porta funcionalmente capazes é permitido.

[061] No presente documento, embora a conexão entre a unidade de acionamento de porta 14 e o eletrodo de porta em curto-circuito 24 de um elemento de comutação defeituoso 17a a 17m não seja completamente separada, como no caso de fusíveis 39a a 39m, 39’a a 39'n nas Figuras 4 e 5, mas a corrente de porta é somente claramente reduzida, a funcionalidade do dispositivo de proteção contra falha 26 com os elementos de resistência de PTC é similar àquela do dispositivo de proteção contra falha 26 com fusíveis, de modo que a referência possa ser feita à descrição mencionada anteriormente.

[062] A Figura 6 mostra uma outra realização modificada de um módulo de comutação 11 com um dispositivo de proteção contra falha 26. No presente documento, um capacitor em série 42a a 42m é atribuído a cada elemento de comutação 17a a 17m e cada grupo de elementos de comutação, que está conectado em série a uma ou mais primeiras resistências associadas 36a a 36m. Na Figura 6, os capacitores em série 42a a 42m estão dispostos respectivamente para uma primeira resistência 36a a 36m em série entre o eletrodo de porta 24 e o ponto de conexão 37. Paralelamente a cada capacitor em série 42a a 42m, uma resistência de Ohm alto 43a a 43m está conectada em paralelo, a qual forma o desvio para os respectivos capacitor em série 42a a 42m. O capacitor em série 42a a 42m é medido de tal maneira que o mesmo não cause qualquer divergência não permissível da tensão de acionamento de porta sob os semicondutores de potência 17a a 17m em operação normal.

[063] Em operação normal, as capacidades de porta-emissor e porta-coletor dos chips semicondutores 17a a 17m são alternativamente carregadas ou descarregadas através da corrente de acionamento de porta, que é uma corrente alternada de acordo com o modelo de acionamento. Cada componente de corrente contínua na corrente de acionamento de porta surge de efeitos parasíticos e é insignificantemente pequeno. Essa parte de corrente contínua é absorvida através da respectiva resistência de desvio de Ohm alto 43a a 43m. O capacitor em série 42a a 42m deve ser selecionado como sendo claramente maior que a capacidade de porta-emissor de um elemento de comutação 17a a 17m, de modo que apenas em operação normal uma pequena tensão seja liberada.

[064] No caso de curto-circuito, quando a capacidade de porta- emissor associada de um elemento de comutação defeituoso 17a a 17m for encurtada, o capacitor em série 42a a 42m é rapidamente alterado para a tensão de acionamento de porta de 15 Volt, que é uma corrente contínua de maior resistência, mediante o que isso bloqueia a corrente contínua para a estrutura de porta em curto-circuito. Através disso, um sinal de acionamento de porta suficiente é automático e adequadamente preparado nos eletrodos de porta 24 dos chips funcionalmente capazes semicondutores 17a a 17m, e esses são condutivamente ativados ou mantidos.

[065] Novamente, como com a realização explicada acima, com o auxílio de uma disposição de comutação 33, que apresenta somente componentes passivos, no caso de um erro de curto-circuito de um ou mais elementos de comutação, os outros elementos de comutação funcionalmente capazes permanecem automaticamente controláveis em um status estável de condução de maneira puramente passiva, sem exigir uma lógica ativa, comutador ativo ou outros similares para esse propósito a fim de identificar a falha posição e/ou isolar e ativar especificamente os chips funcionalmente capazes sozinhos. Uma trajetória de corrente de baixo Ohm estável contínua é criada através da módulo de comutação 11 e a tensão através do elemento de comutação defeituoso é minimizada de modo que o risco devido à explosão e arcos de falha seja evitado ou claramente reduzido.

[066] Em uma modificação, as conexões paralelas dos capacitores em série 42a a 42m e as resistências de desvio 43a a 43m também podem estar dispostas em série às duas resistências 38a a 38n na trajetória de corrente de porta entre o ponto de conexão 37 e a conexão de porta 21.

[067] A Figura 7 mostra outras realizações de um módulo eletrônico de potência 9 segundo a invenção com um módulo de comutação modificado 11 e uma unidade de acionamento modificada 14. O módulo de comutação de acordo com a Figura 7 se difere daquele, de acordo com a Figura 2 somente, o qual apresenta diversas, pelo menos, duas portas e conexões de acionamento 21a a 21 n que saem do alojamento comum 25, que são atribuídas a um grupo para dois elementos de comutação 17a a 17m, respectivamente. Alternativamente, para cada elemento de comutação, uma conexão de acionamento separadamente conduzida 21 pode ser atribuída. Em uma outra alternativa, três ou mais que três elementos de comutação 17a a 17m podem ser atribuídos a uma porta comum 21.

[068] Além disso, a conexão emissora auxiliar comum 27 pode ser comum para todos os elementos de comutação 17a a 17m, ou pode ser distribuída para as conexões de emissor individuais 27a-n.

[069] A porta e unidade de acionamento 14 apresenta diversas saídas de acionamento paralelas ou conexões de acionamento 29a a 29n, que estão conectadas às conexões de acionamento 21a a 21 n do módulo de comutação 11. Para cada conexão de saída 29a a 29n, uma resistência de acionamento 31a a 31 n é atribuída, através da qual as resistências de acionamento 31a a 31 n em um lado estão conectadas respectivamente a uma saída de acionamento conexão 29a a 29n e no lado oposto a um ponto neutron 44 entre si e são conectadas através do comutador controlável 32 com a fonte de alimentação 28. As resistências de acionamento 31a a 31 n podem apresentar as mesmas resistências elétricas.

[070] As conexões de porta 21a a 21 n de chips IGBT individuais 17a a 17m ou de grupos de chip através do módulo de comutação 11, conforme mostrado, permitem o controle de chips funcionalmente capazes e/ou grupos de chip no sentido da invenção, sem exigir qualquer lógica ativa, comutador ativo ou outros similares, a fim de identificar o ponto de falha e/ou isolar e ativar especificamente os chips funcionalmente capazes sozinhos.

[071] De preferência, a unidade de acionamento 14 pode controlar todas as conexões de porta simultaneamente e sem distinção, considerando que, no ponto neutro 44, devido às resistências de acionamento de porta equipada em paralelo 31a a 31 n, um nível de tensão relativamente alto pode ser obtido apesar do curto-circuito no respectivo chip defeituoso 17a a 17m, que não rompe como com uma conexão de porta comum, de modo que os outros chips sem falhas sejam suficientemente carregados e permaneçam controláveis. Finalmente, esses chips sem falhas e grupos de chip, respectivamente, recebem sinal de ativação suficiente através da tensão limítrofe de ativação de IGBTs, de modo que as mesmas sejam condutivamente ativadas e/ou mantidas como tal. A unidade de acionamento 14 pode ser projetada como um todo de tal maneira que a mesma esteja em uma posição para salvar a corrente de curto-circuito no eletrodo de porta em curto-circuito individual 24, que é possível à medida que as segundas resistências individuais 38a a 38n como as resistências de acionamento 31a a 31 n sejam de Ohm alto, por exemplo, 20 a 100 Ohm, e determinar a resistência de porta de acionamento típica de 0,5 a 10 Ohm somente em sua conexão paralela. Os canais individuais de unidade de acionamento podem ser alternativamente projetados como à prova de curto-circuito de tal maneira que os mesmos ativem em um status de Ohm alto no caso de um curto-circuito ou carga em excesso e limitem a corrente de modo considerável. Para isso, as medidas descritas para desacoplamento passivo de posições de falha, por exemplo, uso de fusíveis, resistências de PTC ou capacitores em série, podem ser especificamente aplicadas aos canais de unidade de acionamento.

[072] Novamente, uma proteção contra erro sem um processo ativo para localizar as posições da falha e/ou isolamento de chips defeituosos a fim de poder ativar os chips paralelos está sendo alcançada. De preferência, apenas componentes passivos adequadamente dimensionados e dispostos do dispositivo de proteção contra falha 26 são aplicados, o que garante a ativação e manutenção de condução de chips paralelos através de uma única unidade de acionamento 14. Isso é associado à construção simples de disposição de comutação, com complexidade inferior e custos inferiores tanto em produção quanto em operação.

[073] De modo compreensível, os métodos de proteção contra falha mencionados acima também podem ser combinados com outros, a fim de criar realizações adicionalmente possíveis. Além disso, alterações e modificações adicionais podem ocorrer aos especialistas, as quais estão no escopo de proteção das reivindicações anexas. Por exemplo, diferentes matrizes de resistência estão dispostas entre conexões de porta 21 e o eletrodo de porta 24 ou aos mesmos a fim de cuidar de um equilíbrio de elementos de comutação 17a a 17m e da execução da função de proteção contra falha como de acordo com a invenção. Por exemplo, a matriz de resistência pode apresentar mais que dois níveis de resistências 36a a 36m e 38a a 38n, conforme mostrado na Figura 2. Conforme já explicado, os elementos de comutação 17a a 17m também podem apresentar outros comutadores semicondutores de potência, por exemplo, MOSFETs, ou outros similares e podem estar dispostos como chips semicondutores conectados paralelamente em um alojamento de empacotamento por pressão ou na construção modular em um alojamento comum 25 juntamente com o dispositivo de proteção contra falha 26. O módulo de comutação 11 e o módulo eletrônico de potência 9, de acordo com a invenção, podem ser usados para múltiplas aplicações, por exemplo, HVDC, ou aplicativos de acionamento, nos quais as exigências de redundância devem ser satisfeitas, para diferentes topologias de conversores e outros sistemas e aplicações, em que um dispositivo semicondutor controlável, por exemplo, IGBT-MOSFET ou outros similares devem assumir um status de condução seguro após um erro. O módulo eletrônico de potência 9 e o módulo de comutação 11 garante alcançar estabilidade a longo prazo após uma falha. Evitando-se as medidas e componentes adicionais, e para evitar a destruição causada por explosão. A invenção é adequada também para topologias com características de fonte de corrente. Uma vantagem dos métodos sugeridos se encontra nisso, em que a estabilidade a longo prazo por um período não limitado pode ser garantida, visto que os chips semicondutores são operados em uma operação de condução especificada normal. Além disso, não é necessário nenhum compromisso entre a estabilidade a longo prazo e o desafio de alterações de temperatura nos dispositivos, como no caso de alguns dispositivos convencionais. A complexidade reduzida do dispositivo de proteção contra falha 26 forma a base para os longos intervalos de manutenção e os custos inferiores associados bem como para alta confiabilidade do sistema em operação.

[074] Trata-se de um módulo de comutação 11, que apresenta um alojamento 25 com uma primeira e uma segunda conexão 18, 19 e pelo menos uma conexão de acionamento 21, diversos elementos de comutação 17a a 17m que estão dispostos dentro do alojamento 25, conectados paralelamente entre si e são controláveis através de seus eletrodos de controle 24, e um dispositivo de proteção contra falha 26, que é inserido entre pelo menos uma conexão de acionamento 21 e o elemento de comutação 17a a 17m de modo eficaz. O dispositivo de proteção contra falha (26) apresenta componentes elétricos passivos 34; 41; 42; 43, que são dimensionados de tal maneira que, no caso de uma falha em um ou mais elementos de comutação 17a a 17m, um controle predeterminado de pelo menos uma conexão de acionamento 21 nos eletrodos de controle 24 de todos os outros elementos de comutação sem falhas (17a a 17m) crie um sinal de controle, que é suficiente o bastante para ativar de modo condutivo esses elementos de comutação isentos de falha 17a a 17m ou para manter os mesmos de modo condutivo. Um módulo eletrônico de potência 9 com uma unidade de acionamento 14 determinada para pelo menos esse tipo de módulo de comutação 11 e para pelo menos um módulo de comutação 11 também é criado.

Claims

1. MÓDULO DE COMUTAÇÃO (11), compreendendo: um primeiro terminal (18), um segundo terminal (19) e pelo menos um terminal de controle (21); uma pluralidade de elementos de comutação (17a a 17m) conectados em paralelo, sendo que cada um é dotado de um primeiro eletrodo (22) eletricamente conectado ao primeiro terminal (18), com um segundo eletrodo (23) eletricamente conectado ao segundo terminal (19) e com um eletrodo de controle (24) eletricamente conectado a pelo menos um terminal de controle (21); e um dispositivo de proteção contra falha (26) inserido eletricamente e operacionalmente entre o pelo menos um terminal de controle (21) e os elementos de comutação (17a a 17m), em que o dispositivo de proteção contra falha (26) compreende componentes elétricos passivos (36a a 36m, 38a a 38n, 39a a 39m, 41a a 41 m, 42a a 42m, 43a a 43m)) que são dimensionados de modo que no caso de um evento de um falha de curto- circuito de pelo menos um dentre a pluralidade de elementos de comutação (17a a 17m), uma tensão de controle é fornecida ao eletrodo de controle (24) de elementos de comutação isentos de falha de maneira passiva, em que a tensão de controle é suficiente para comutar pelo menos alguns dos elementos de comutação isentos de falha para um estado condutivo ou para manter alguns dos elementos de comutação isentos de falha em um estado condutivo ou para mantê-los em um estado condutivo; em que o dispositivo de proteção contra falha (26) compreende uma matriz de resistência (34) que promove a tensão de controle ao eletrodo de controle (24) dos elementos de comutação isentos de falha (17a a 17m), a matriz de resistência (34) compreende uma pluralidade de primeiras resistências (36a a 36m), cada primeira resistência sendo eletricamente conectada ao eletrodo de controle (24) de um respectivo elemento de comutação (17a a 17m); e em que a tensão de controle é maior do que a tensão limite de ligamento dos elementos de comutação (17a a 17m) e é fornecida em resposta a uma tensão de ligação definida que é aplicada a pelo menos um terminal de controle (21) por uma unidade de acionamento (14); o módulo (11) sendo caracterizado pela matriz de resistência (34) compreender adicionalmente uma pluralidade de segundas resistências (38a a 38n) em que cada uma é eletricamente conectada entre o terminal de controle (21) e uma ou mais das primeiras resistências (36aa36m), em que os elementos de comutação (17a a 17m) estão eletricamente conectados a respectiva segunda resistência (38a a 38n) para formar um grupo de elementos de comutação (17a a17m).

2. MÓDULO DE COMUTAÇÃO (11), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos elementos de comutação (17a a 17m) serem dispositivos semicondutores de potência e são preferencial mente selecionados a partir do grupo que consiste em dispositivos semicondutores de potência controlados por tensão que compreendem IGBTs, BIGTs, MOSFETs e JFETs.

3. MÓDULO DE COMUTAÇÃO (11), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por compreender adicionalmente um alojamento comum (25) que acomoda todos os elementos de comutação (17a a 17m), em que o primeiro e o segundo terminal (18, 19) e o pelo menos um terminal de controle (21) são conduzidos para fora do alojamento (25).

4. MÓDULO DE COMUTAÇÃO (11), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender uma pluralidade de terminais de controle (21a a 21 n), em que cada um dos terminais de controle está conectado eletricamente ao eletrodo de controle (24) de um respectivo elemento de comutação (17a a 17m) ou ao eletrodo de controle (24) de um respectivo grupo de elementos de comutação (17a a 17m).

5. MÓDULO DE COMUTAÇÃO (11), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo dispositivo de proteção contra falha (26) compreender uma pluralidade de fusíveis (39a a 39n; 39’a a 39’n) ou a um elemento de resistor de PTC (41a a 41 m, 41'a a 41'n), em que cada fusível ou elemento de resistor de PTC está conectado eletricamente entre o pelo menos um terminal de controle (21) e o eletrodo de controle (24) de um respectivo elemento de comutação (17a a 17m) ou entre o pelo menos um terminal de controle (21) e o eletrodo de controle (24) de um respectivo grupo de elementos de comutação (17a a 17m).

6. MÓDULO DE COMUTAÇÃO (11), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo dispositivo de proteção contra falha (26) compreender uma pluralidade de capacitares (42a a 42m), em que cada capacitor está conectado eletricamente entre o pelo menos um terminal de controle (21) e o eletrodo de controle (24) de um respectivo grupo de elementos de comutação (17a 17m) ou entre o pelo menos um terminal de controle (21) e o eletrodo de controle (24) de um respectivo grupo de elementos de comutação (17a a 17m), em que cada capacitor (42a a 42m) está conectado em paralelo com uma resistência de desvio de alta impedância (43a a 43m).

7. MÓDULO DE COMUTAÇÃO (11), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela capacidade dos capacitares (42a a 42m) ser dimensionada de modo a não causar qualquer variação inadmissível da tensão de controle aplicada aos elementos de comutação (17a a 17m) em operação normal, mas para bloquear a corrente contínua que flui no eletrodo de controle (24) do elemento de comutação defeituoso no caso de um defeito.

8. MÓDULO SEMICONDUTOR DE POTÊNCIA (9), caracterizado por ter pelo menos um módulo de comutação (11), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, e que compreende uma unidade de acionamento (14), em que a unidade de acionamento (14) compreende uma fonte de alimentação (28), uma saída de acionamento (29) conectada a pelo menos um terminal de controle (21) do módulo de comutação (11), um resistor de acionamento (31) e um comutador controlável (32).

9. MÓDULO SEMICONDUTOR DE POTÊNCIA (9), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pela unidade de acionamento (14) ser configurada para detectar um defeito de pelo menos um dos elementos de comutação (17a a 17m) e para permanentemente aplicar ou manter um sinal de ligamento aplicado no pelo menos um terminal de controle (21) em resposta ao mesmo.

10. MÓDULO SEMICONDUTOR DE POTÊNCIA (9), de acordo com qualquer uma das reinvidicações 8 a 9, caracterizado pela unidade de acionamento (14) compreender uma pluralidade de saídas de acionamento (29a a 29n), em que cada uma é conectada a um dentre uma pluralidade de terminais de controle (21a a 21 n) do módulo de comutação (11), com resistores correspondentes de acionamento (31a a 31 n) e é configurada para aplicar o mesmo sinal de acionamento através de todas as saídas de acionamento (29a a 29n) a todos os terminais de controle (21a a 21 n) do módulo de comutação (11) independentemente de qual dos elementos de comutação (17a a 17m) falharam.

11. MÓDULO SEMICONDUTOR DE POTÊNCIA (9), de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, em que no caso de uma falha de curto-circuito de um elemento de comutação (17j) ao qual é atribuído uma primeira resistência (36j) que tem uma resistência Rij e uma segunda resistência correspondente (38i) conectada em série entre os mesmos e que tem a resistência R2Í, o seguinte se aplique à tensão de acionamento VG-OΠa ser aplicada ao terminal de controle (21) para comutar os elementos de comutação isentos de falha no estado condutivo ou para mantê-los em um estado condutivo:

caracterizado por VGE-th ser ° a tensão limítrofe de ligamento dos uma resistência de acionamento elementos de comutação (17a a 17m) e RG É de uma unidade de acionamento (14)