CN103503316A - 功率模块和操作功率模块的方法 - Google Patents

Abstract

与转换器阀中的其他相似的功率模块串联操作的功率模块（10）包括并联连接的多个子模块（13a-d），其中这些子模块中的每个包括一个或若干半导体元件，其并联连接，并且所述功率模块是其中如果子模块中的一个开始失灵则子模块中的剩余子模块呈现闭合电路的类型。功率模块进一步对于子模块中的每个子模块包括：单独驱动器单元（14a-d），用于驱动该子模块的该一个或若干半导体元件；以及单独控制单元（11a-d），用于控制该子模块的驱动器单元。功率模块可在HVDC或SVC设备中使用。

Description

功率模块和操作功率模块的方法

技术领域

本发明涉及电力转换器。特别地，本发明涉及功率模块并且涉及包括串联连接的多个这样的功率模块的转换器阀。本发明还涉及高压直流设备和包括这样的转换器阀的静止无功伏安（var）补偿器设备并且涉及操作功率模块的方法。

背景技术

电压源转换器（VSC）包括多个半导体开关，例如IGBT功率模块。它们通常在高压直流（HVDC）应用中使用用于将直流电转换成交流电并且反之亦然或在静止无功伏安补偿器（SVC）中使用用于输电系统中的无功功率补偿。其他灵活交流传输系统（FACTS）应用当然也是可能的，如将被技术人员意识到的。

半导体开关例如可以串联连接，其中每个开关能够维持转换器上施加的电压的一部分。已知的功率半导体能够保持1至6kV的电压。通过多个这样的开关的串联连接，转换器可使电压维持在10至500kV范围内。每个开关包括多个半导体元件，其可串联和/或并联连接来实现期望的性能。串联连接将提高电压能力并且并联连接将提高电流能力。

IGBT功率模块因为它们将良好的功率处理能力与使它们非常适合于串联连接的性质结合在一起而通常是优选的。

功率开关典型地具有这样的设计，其包括多个转换器阀，其中的每个包括串联连接的多个功率模块。这些功率模块中的每个包括并联连接的半导体元件，例如IGBT半导体元件。

功率模块中的每个设计成处理转换器阀的整体电压的确定部分并且传输转换器阀的总电流。如果功率模块的半导体元件中的一个故障，该功率模块将不再能保持电压差。而且在整个转换器阀控制成闭合电路时，电流的一部分或总电流将经过有故障的半导体并且从而产生热。

为了避免这样的情形，现今使用的半导体元件包括在出现致命击穿后呈现闭合电路的特殊特征。通过呈现闭合电路，在有故障的半导体中将不产生热。从而，在描述的情形中，一个功率模块中的半导体元件仍能够传输与在所有半导体元件操作时将具有的相同的电流。因此，当功率模块中的半导体中的一个故障时，该模块的其他半导体控制成呈现稳态闭合电路。这将导致模块不再能保持电压但仍传导电流而不产生热。该功能性称为SCFM（短路故障模式）并且可凭借设置在功率模块IGBT硅芯片顶部上的铝板而实现。故障通常导致击穿以及因此铝板和硅芯片熔化并且形成导电铝硅合金，参见例如US 2006/0118816。

然而，从电压方面，出故障模块将因为至少一个半导体单元总是短路而不耐受任何电压。这具有这样的效应：转换器阀上施加的电压（其通常由多个开关单元分裂）现在必须被相同的数量但却是一来分裂。因为串联连接单元的数量典型地在100至500的范围中，电压过载在0.2至1%的范围中。这完全在半导体元件的电压过载容量内。

在US 2006/0118816中公开的导电合金的寿命（即，它维持它的低欧姆状态所在期间的时间）受到限制并且通常比典型的HVDC或SVC系统的目标维护间隔更短。因此相邻IGBT芯片开始熔化并且形成低欧姆合金。该过程称为SCFM转变并且可以在某些情况下导致整个转换器阀的不期望的故障。

SCFM转变可通过使用所谓的安全开关（kill switch）原理（即，主动使功率模块的未损坏IGBT元件保持在导通态）而避免，参见例如WO 2006/104430，其公开了基于电流感测装置和用于响应于电流感测装置的输出而控制未损坏IGBT元件的控制装置的技术方案。

然而，该原理的问题是在栅极-发射极短路的情况下从栅电压供应抽取高电流，这可能引起整个栅极控制单元并且从而引起整个功率模块不运行。

发明内容

本发明的目标因此是提供用于与转换器阀中的其他功率模块串联操作的功率模块，如在上文在背景篇中公开的缺点中至少一些由此避免或至少减轻。

特定目标是提供用于与转换器阀中的其他功率模块串联操作的功率模块，其在半导体元件的栅极-发射极短路从它的电压供应抽取高电流情况下避免整个功率模块的故障。

本发明的另外的目标是提供用于与转换器阀中的其他功率模块串联操作的功率模块，其是简单、鲁棒且可靠的。

除其他外，这些目标根据本发明的第一方面通过包括并联连接的多个子模块的功率模块而达成，其中这些子模块中的每个包括一个或若干半导体元件（其并联连接），例如IGBT半导体元件。功率模块是其中如果子模块中的一个开始失灵则子模块中的剩余子模块呈现闭合电路的类型。为了在故障情况下使电流能力维持在能接受的极限，功率模块用于子模块中的每个包括单独驱动器单元，其在半导体元件是IGBT半导体元件情况下是栅极驱动器，以用于驱动该子模块的该一个或若干半导体元件。此外，功率模块对于子模块中的每个子模块包括单独控制单元，用于控制该子模块的驱动器单元。每个子模块的驱动器单元和控制单元可集成到单个单元内，该单个单元在半导体元件是IGBT半导体元件情况下是栅极单元。

根据本发明的转换器阀包括在上文描述的串联连接的多个功率模块并且根据本发明的HVDC或SVC设备包括多个这样的转换器阀。发明性功率模块也可在需要半导体开关的串联和/或并联连接的其他应用中使用。

本发明的再另外的目标是提供操作满足上文的目标中任一个的功率模块的方法。

除其他外，该目标根据本发明的第二方面通过操作功率模块的方法而达成，该功率模块与转换器阀中其他功率模块串联连接，该功率模块包括并联连接的多个子模块，其中这些子模块中的每个包括一个或若干半导体元件（优选地，IGBT半导体元件），其并联连接，并且该功率模块是其中如果子模块中的一个开始失灵则子模块中的剩余子模块呈现闭合电路的类型。根据该方法，功率模块的子模块中的每个由单独驱动器单元驱动并且每个驱动器单元由单独控制单元控制，该单独控制单元方便地与相应的驱动器单元集成。

本发明的优势是由栅极-发射极短路在一个IGBT中抽取高电流从而导致与之连接的驱动器单元损坏的情况下，仅包括该IGBT的子模块损坏，因为其他子模块具有单独驱动器和控制单元。因此，功率模块的电流能力将保持在能接受的极限。

另外的优势包括：

·子模块级上的故障的可能选择性

·电路技术方案集成到栅极驱动系统内

·电路不遭受模块热场

·将栅极单元配电板紧邻部分的故障在外熔断（fusing out）的可能性

·对于由光电力供应+安全开关电路+熔断元件组成的电子系统的紧凑技术方案

·适应于若干类型的IGBT封装件（即，HiPak，不同基底数量StakPak）的可能性。

附图说明

本发明的其他特征和优势将从下列详细说明连同附图而对本领域内技术人员变得更明显，其中

图1示意地图示根据本发明的实施例的功率模块，以及

图2示意地图示根据本发明的另外的实施例的功率模块。

具体实施方式

在下列说明中，为了解释而非限制的目的，阐述例如特定架构、接口、技术等具体细节以便提供对本发明的全面理解。然而，本发明可在偏离这些具体细节的其他实施例中实践，这对于本领域内技术人员将是明显的。在其他实例中，省略众所周知的装置、电路和方法的详细说明以便因不必要的细节而混淆本发明的说明。

高压转换器电路通常包括连接到三相交变电压网络的三个相臂。高压转换器电路的每个相臂典型地包括至少第一和第二转换器阀：每个转换器阀包括多个功率模块，根据本发明的实施例的其中一个这样的功率模块10在图1中公开。多个这样的功率模块10串联连接来形成转换器阀。

功率模块10包括设置在防爆外壳15内的多个子模块13a-d。子模块13a-d中的每个包括一个或若干半导体元件（其并联连接），例如IGBT半导体元件。在一个版本中，子模块每个包括单个IGBT。子模块的数量可比图示的四个更少、更高或高得更多。

子模块13a-d并联连接。从而，子模块13a-d每个提供功率模块10的电流能力的一部分。

此外，功率模块10是其中如果子模块中的一个（例如，13a）开始失灵则子模块中的剩余子模块（例如，13b-d）呈现闭合电路的类型。这样的功率模块的一个示例在WO 2006/104430中描述，其的内容通过引用而合并于此。如果失灵的子模块包括多个IGBT元件，仍操作的IGBT元件也呈现闭合电路。

根据本发明，功率模块10包括用于子模块13a-d中的每个的单独驱动器单元14a-d，用于驱动该子模块13a-d的一个或若干半导体元件。驱动器单元14a-d方便地定位在防爆外壳15内。在半导体元件是IGBT半导体元件的情况下，单独驱动器单元14a-d是栅极驱动器。

驱动器单元14a-d每个连接到用于控制驱动器单元的多个控制单元11a-d中的相应一个。控制单元11a-d每个还提供有对于该子模块13a-d的半导体元件的电力供应。方便地，控制单元11a-d定位在防爆外壳15外部。控制单元11a-d（其在半导体元件是IGBT半导体元件的情况下是栅极单元）每个具有要连接到外部控制电路的相应输入12a-d。

图2公开了根据本发明的另外的实施例的功率模块21，其关于控制和驱动器单元与图1的实施例的不同。在这里，子模块13a-d中的每个提供有在防爆外壳15内贴近子模块13a-d而设置的单独控制和驱动器单元22a-d。在半导体元件是IGBT半导体元件的情况下，控制和驱动器单元22a-d是具有内置驱动器和对该IGBT半导体元件的栅电压电力供应的栅极单元。功率模块21具有要连接到外部控制电路的输入23a-d，其数量对应于功率模块21中的子模块13a-d的数量。

应该意识到子模块13a-d中的每个可提供有设置在防爆外壳15内或外部的单独驱动器单元和单独控制单元，替代具有集成的控制和驱动器单元22a-d。

本发明的多个功率模块堆叠并且串联连接来形成本发明的转换器阀。本发明的HVDC或SVC设备提供有多个这样的发明性转换器阀。

应该意识到本发明还涉及操作上文描述的种类的功率模块的方法。该方法的特征是由单独驱动器单元驱动功率模块的子模块中的每个的步骤。

尽管已经连同目前认为是最实用和优选的实施例描述本发明，要理解本发明不限于公开的实施例，而相反，意在涵盖各种修改和等同设置。因此，本发明仅由随后的权利要求限制。

Claims (11)

1. 一种功率模块（10；21），用于与转换器阀中的其他功率模块一起操作，所述功率模块包括并联连接的多个子模块（13a-d），其中所述子模块中的每个包括一个或若干半导体元件，其并联连接，并且所述功率模块是其中如果所述子模块中的一个开始失灵则所述子模块中的剩余子模块呈现闭合电路的类型，其特征在于，

所述功率模块对于所述子模块中的每个子模块包括：单独驱动器单元（14a-d；22a-d），用于驱动该子模块的所述一个或若干半导体元件；以及单独控制单元（11a-d；22a-d），用于控制该子模块的驱动器单元。

2. 如权利要求1所述的功率模块，其中所述功率模块包括防爆外壳（15），在其中设置所述子模块（13a-d）和所述单独驱动器单元（14a-d；22a-d）。

3. 如权利要求2所述的功率模块，其中所述单独控制单元设置在所述防爆外壳（15）内。

4. 如权利要求2所述的功率模块，其中所述单独控制单元设置在所述防爆外壳（15）外部。

5. 如权利要求1-4中任一项所述的功率模块，其中对于所述子模块中的每个，所述单独驱动器单元集成到所述单独控制单元内。

6. 如权利要求1-5中任一项所述的功率模块，其中所述半导体元件是IGBT半导体元件并且所述驱动器单元是栅极驱动器。

7. 一种转换器阀，其包括串联连接的多个如权利要求1-6中任一项所述的功率模块（10；21）。

8. 一种HVDC设备，其包括如权利要求7所述的转换器阀。

9. 一种SVC设备，其包括如权利要求7所述的转换器阀。

10. 一种操作功率模块（10；21）的方法，所述功率模块（10；21）与转换器阀中的其他功率模块连接在一起，所述功率模块包括并联连接的多个子模块（13a-d），其中所述子模块中的每个包括一个或若干半导体元件，其并联连接，并且所述功率模块是其中如果所述子模块中的一个开始失灵则所述子模块中的剩余子模块呈现闭合电路的类型，其特征在于以下的步骤：

－由单独驱动器单元（14a-d；22a-d）驱动所述功率模块的子模块中的每个；以及

－由单独控制单元（11a-d；22a-d）控制所述驱动器单元中的每个。

11. 如权利要求10所述的方法，其中所述半导体元件是IGBT半导体元件并且所述功率模块的子模块中的每个由单独栅极驱动器驱动。

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