CN103635998A - 具有接触机构的功率半导体壳体 - Google Patents

Abstract

一种用于功率半导体的壳体（1），提供用于安装功率半导体（3）的隔间（2），并且包括第一端子和第二端子（4A、4B）。端子（4A、4B）用于连接安装在隔间中的功率半导体（3），并用于导引去往和来自隔间的电流。壳体包括用于旁路隔间的接触机构（6、7、8、9、10），接触机构包括至少一个被布置为电连接所述第一端子和第二端子（4A、4B）的可移动触点（7），所述至少一个可移动触点（7）是可在断开连接的第一位置和连接的第二位置之间移动的，在所述第二位置中所述可移动触点（7）连接端子（4A、4B）。所述接触机构还包括旁路致动器（8），其被布置在所述隔间内并被提供用于将来自爆炸的半导体的压力转换成移动，所述旁路致动器（8）可操作地连接到所述可移动触点（7），并被布置为当遭受爆炸的半导体的压力时，将所述可移动触点（7）从所述第一位置移动到所述第二位置。

Description

具有接触机构的功率半导体壳体

技术领域

本发明涉及包括功率半导体的电力系统，并且特别是涉及用于针对由正在爆炸的功率半导体所造成的损害和故障提供保护。

背景技术

本发明涉及针对由爆炸的功率半导体所造成的损害和故障提供保护。特别是，本发明涉及用于旁路爆炸的诸如IGBT的功率半导体的装置。

诸如IGBT（绝缘栅双极型晶体管））或GTO（门极可关断晶闸管）的功率半导体使用在电力输送系统领域中，用于转换电流。在这类系统中，一系列包括半导体的模块可被布置在变流器的支路中，每一支路用于每一相。这类变流器用于在交流（AC）和直流（DC）之间进行转换。当半导体发生故障的情况下，这类系统已经被适配为桥接或旁路这个故障的半导体或者该半导体的安装模块。

US2009/0141416（D1，参见D1的摘要）示出了一种用于短路功率半导体模块的设备。该文档描述了在串联电路中彼此连接的功率半导体模块。短路设备被布置在每个功率半导体模块处。该短路设备是烟火/机械元件，具有起爆装料和释放装置，能够由该起爆装料移位。

US2009/0257165（D2，参见D2的摘要）示出了一种过电流开关装置，其用于旁路诸如IGBT的电子部件（图中的9），包括用于互连端子（2，3）的短路触点（19）的支架，该支架由预应力弹簧（15）来驱动。

US2010/0118453（D3，参见D3的权利要求）示出了一种功率半导体装置，其包括用于每个半导体子模块的短路设备。该短路设备包括设置有闭锁装置和释放装置的真空断续器管，释放装置反作用于闭锁装置。

US6,222,284（D4）也包括弹簧加载开关和跳闸释放装置（参见D4的图1d（ii））。

这类包括在故障期间被释放的旁路装置的旁路设备的问题是在于在没有任何故障的情况下，他们也可能被偶然地释放，并且导致例如电力输送的不必要中断。

US2010/0314775（D6）描述了一种用于功率半导体部件（例如IGBT）的阻爆模块结构。它包括布置在功率半导体（1）顶部的用粒子（D&的图1中的5）填充的空洞。该粒子是在短路期间传导电流的导电球形粒子。该结构通过提供用于爆炸气体逸出的通道，降低了爆炸压力。因此，D6提供了不能被偶然释放的保护。

然而，当出现短路故障时（参见D6的§0007），D6的模块不能提供可靠地恒定电流传导。

此外，在功率半导体的阻爆装置领域，文献US6,295,205（D7）描述了一种用于功率半导体（诸如IGBT）的保护盒，其包括：用于拦截来自爆炸的功率半导体的碎片的可扩张保护套。一个保护套被安装以封闭每个功率半导体模块。该保护套可以由包括凯夫拉尔纤维（由对位芳香族聚酰胺纤维（PPTA）制造的聚芳基酰胺纤维）的织物制造。虽然D7提供了对来自爆炸的高速碎片的保护，但是没有描述故障功率半导体的断开连接。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，并且提供用于安装功率半导体的壳体，该壳体包括如果所述半导体爆炸用于旁路所述半导体的装置，并且该旁路装置被构造为使得可以避免意外启动。

本发明的另一个目的是在出现半导体爆炸时，提供快速动作的可靠旁路。

本发明的另一个目的是提供旁路，该旁路能够以足够长的所需时间安全且可靠地提供旁路。

为了这些目的，本发明提供了一种用于功率半导体的壳体，该壳体提供用于安装功率半导体的隔间，并且包括第一端子和第二端子，特别是用于母线导体连接的端子。所述端子被布置用于连接安装在所述隔间中的功率半导体，并且用于引导去往和来自所述隔间的电流。还提供了一种用于旁路所述隔间的接触机构，该接触机构包括：至少一个被布置用于电连接所述第一端子和所述第二端子的可移动触点。所述至少一个可移动触点是在断开连接的第一位置和连接的第二位置之间可移动的，在所述第二位置中，所述可移动触点连接所述端子。所述接触机构还包括旁路致动器，其被布置在所述隔间内部并且提供用于将来自爆炸的半导体的压力转换成移动。所述旁路致动器是响应于爆炸压力的，并且可操作地连接到所述可移动触点，并且被布置为当遭受到爆炸的半导体的压力时，将所述可移动触点从所述第一位置移动到所述第二位置，以便所述接触机构旁路所述壳体和/或旁路所述隔间内的剩余的半导体。

由于是爆炸驱动所述旁路致动器，因此防止了意外启动该旁路致动器，并且当所述爆炸压力直接作用于所述旁路致动器时，该旁路致动器还可以迅速动作。

在一个实施例中，在所述端子和所述可移动触点之间的连接包括诸如弹簧的夹紧装置，其用于将所述可移动触点保持在所述第二位置。用这种方式，能够维持可靠接触。

在一个实施例中，所述接触机构还包括信号控制的致动器，其用于在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述可移动触点。用这种方式，所述可移动触点还可在例如安装操作和/或维护操作期间使用。也可以容易地检测所述可移动触点的可动性。

在一个实施例中，所述信号控制的致动器是由电信号所控制的电磁致动器。这种构造是可靠的并且能够快速动作。

在一个实施例中，所述可移动触点被布置为连接到位于所述壳体外部的端子。这使得可以容易地观察到所述旁路，并且可以更容易地使所述触点表面免受来自爆炸的损害或者来自爆炸的污垢。

在一个实施例中，所述接触机构包括活塞构件，并且所述旁路致动器包括位于所述活塞构件端部的表面，该表面面对所述功率半导体。优选地，所述活塞构件延伸通过所述壳体。这种构造能够更容易移动并且仍使所述隔间与周围环境密封。

在一个实施例中，所述壳体包括减压阀，其被布置用于可选择地从所述壳体释放气体，特别是爆炸气体。在一个实施例中，所述接触机构可操作地连接到所述减压阀，并且被布置用于当该接触机构连接到所述端子时，打开所述减压阀。当压力不再需要用于移动所述可移动触点时，所述阀打开。可以设计所述机构使得半导体的不完全爆炸也足够将所述可移动触点移动到所述端子，并且使得在完全爆炸期间，所述阀限制所述可移动触点的移动。

在一个实施例中，所述旁路致动器包括用于所述功率半导体的诸如盒结构或袋结构的封装，该封装被适配为布置在所述隔间内部，作为用于所述功率半导体的外壳。在一个实施例中，所述封装由可扩张材料制成，并且当遭受到所述功率半导体的爆炸压力时，适应于结构性扩张。因此，可以将所述爆炸材料保持在所述封装的内部，并且所述封装的扩张和/或移动使所述可移动触点移动。所述封装的尺寸可以被适当地设计用于最大爆炸（其中所述半导体的所有材料爆炸），并且对赋予所述可移动触点的移动提供限制。特别是，扩张的体积提供了将所述可移动触点的平移移动范围控制在合适限制内的可能性。

在一个实施例中，所述壳体包括至少一个导引元件，其用于控制所述可移动触点的移动，诸如控制所述可移动触点的旋转移动的铰链，或者控制所述可移动触点的平移移动的细长元件。用这种方式，所述移动被控制并提高了可靠性。

本发明还提供了包括多个壳体的电力变流器系统，每个壳体具有功率半导体的安装隔间，该壳体以串联方式被布置。

所述电力变流器系统的一个优选实施例包括串联布置的半导体壳体的三个支路。

附图说明

以下将参照附图更加详细地描述本发明，附图以便于实现本发明的方式图示了本发明，并且因此被简化。附图不是按比例绘制。

图1图示了根据本发明的壳体1的第一实施例，其中图1A图示了具有连接的半导体的工作位置，图1B图示了旁路壳体模块的旁路位置；

图2图示了根据本发明的图1的壳体另一个实施例；

图3图示了根据本发明的壳体1的第二实施例；

图4图示了根据本发明的壳体1的第三实施例；以及

图5图示了根据本发明的变流器系统的支路。

具体实施方式

图1a和图1b图示了根据本发明的壳体1的第一实施例。壳体1包围隔间2，隔间2具有用于安装各自功率半导体3、3A的安装板15、15A。功率半导体设备3、3A是指“功率半导体”，但是可以包括其他组件，例如本领域已知的组件，并且该设备包括至少一个诸如IGBT或GTO的功率半导体开关。图1A和图1B的装置包括两个功率半导体3、3A。壳体1设置有用于引导去往以及来自功率半导体3、3A中的每个功率半导体的电流的端子4A、4B、4C。壳体包括两个端子4A、4B，其被布置为引导进入壳体1电流和从壳体1流出的电流，每个端子4A、4B具有一个位于该壳体外部的端部，该端部用于连接到例如变流器系统的母线导体。每个端子4A、4B延伸进入壳体1，并且具有位于该壳体1内部的第二端部，该第二端部连接到相应半导体3的触点，在该图中分别为半导体3、3A的触点。替代地，在这个实施例中，每个端子4A、4B可以连接到各自的安装板15、15A，在这个实施例中，每个相应的安装板15、15A设置有用于功率半导体3、3A的相应的触点。被包括在图1A、1B中的第三端子4C将第一功率半导体3连接到储能电容器100。

图1以及图2图示了将两个半导体安装在相同壳体中的实施例，然而，在这样的壳体中只安装一个半导体也是优选地，在这种情况下，省略了第三端子4C，将第一端子4A引入到壳体为功率半导体提供输入，并且将第二端子4B从该壳体引出，为该功率半导体提出输出。图3和图4进一步图示了用于安装单个功率半导体3的壳体1的实施例。图1A、图1B中的壳体1还包括用于旁路壳体1的接触机构6。图1A、图1B的接触机构6被布置为使得第一端子4A和第二端子4B在壳体外侧能够互相连接，使得隔间2、以及安装在该隔间2中的半导体3、3A借助于接触机构6能够被旁路。为了这个目的，接触机构6包括可移动触点7，其可在第一位置和第二位置之间移动。可移动触点7的第一位置在图1A中图示，其中可移动触点7与端子4a、4B两者断开连接。替代地，可移动触点7与端子中的至少一个端子断开连接，使得在断开连接的第一位置中，端子4A、4B不彼此连接。可移动触点7的第二位置在图1B中图示，其中可移动触点7与端子4a、4B中的每个端子的接触表面13接触，使得输入端子4A电连接到输出端子4B，从而旁路壳体1。接触表面13可以是圆柱形管的内表面，在该内表面中可移动触点可移动，该接触表面13电连接到端子4A、4B中的相应的端子。

为实现将可移动触点7从图1A中的第一位置移动到图1B中的第二位置，接触机构6包括旁路致动器8。旁路致动器8由可移动布置在壳体1中的活塞构件9和爆炸压力经受表面10组成，该表面10是活塞构件9的底部表面10。活塞构件延伸穿过壳体1并将底部表面10暴露在隔间2的内侧，并且活塞构件9的包络面被布置并且引导在壳体2的管状孔中。壳体1基本上与外部环境隔绝，使得隔间内部的空气或气体不可以或仅是缓慢地从壳体渗透到周围环境中。如果功率半导体中的一个功率半导体爆炸，则显著增高的压力将在壳体1的内部突然聚集。被布置在壳体内部的旁路致动器的表面10将经受增强的压力，并且旁路致动器8将从壳体1移动出去。

在图1A、以及图1B的实施例中，可移动触点7构成了旁路致动器8的一个主要部件，例如，活塞9设置有接触表面7，该接触表面7位于活塞9的包络面处和/或位于活塞9的表面（23）处，该表面（23）是在旁路致动器8的暴露于爆炸压力表面10的相对面。在该图示的实施例中，在爆炸压力经受表面10对面的端部表面（23）设置有绝缘层23。当在隔间内部发生爆炸时，可移动触点7将被移动到与端子4A、4B都建立接触的第二位置。

因此，图1的发明（以及图3和图4的）提供了被动地对爆炸反应的旁路机构，不需要任何控制信号来运行，并且还被构建为不会错误地提供旁路，因为旁路只依赖于隔间2的压力。图2还描述了不需要控制信号的实施例，并且该实施例被动地对爆炸反应。然而，图2的实施例还包括可控制的机构。

图2图示了图1的壳体的另一个实施例。图2A、图2B示出了与图1A、图1B中相同的壳体和旁路机构，其还设置有用于可选择地将可移动触点在其第一位置和第二位置之间移动的装置，即图2A、图2B的壳体1设置有用于能够借助于控制信号旁路隔间的可控制的致动器16。为了这个目的，壳体2设置有以线圈16的形式的致动器16，其可操作地连接到控制单元（未示出），用于可选择地将可移动触点7旁路以使第一端子4A和第二端子4B短路。线圈16提供由控制信号控制的磁场，并且作用于由磁场驱动的活塞构件9（在这种情况下，为旁路致动器8和可移动触点7）。为使活塞构件9能够由磁场驱动，活塞构件至少部分地由具有高导磁性的材料制成，例如钢铁。为了旁路开关的良好电流传导，活塞构件部分地由诸如铝的低电阻率材料制成，以提供可移动触点7。例如，包括触点7的活塞构件9的第一部件是由铝制成，而包括具有爆炸经受表面10的旁路致动器8的活塞构件9的第二部件是由钢铁材料制成。这种具有铝和钢铁的活塞的致动器，以及致动器线圈是已知的设备构造件，通常被称为汤普森线圈或螺线管。

为将可移动触点7安全地保持在第二位置中，在爆炸已经发生后，可移动触点或旁路致动器8可以被夹紧在第二位置中，例如，接触表面13可以设置有布置在可移动触点7的圆柱形包络面周围的接触弹簧。

也使可移动触点7在第二位置安全地良好接触，优选地提供接触机构以使在第一位置中保证电绝缘，并且对于不是意在第二位置导电的活塞优选地提供接触机构。

在图1a、b中，提供了作为活塞并可在壳体1中的圆柱形通道中移动的可移动触点7。圆柱形通道设置有绝缘材料的电绝缘表面21、22，该表面21、22被布置并放置以围绕第一位置中的可移动触点7的接触表面。这些接触表面（7的）被提供作为在可移动触点7上圆周布置的包络面。可移动触点7的端部表面23还设置有电绝缘材料23，使得面对端子旁路的接触表面13的端部表面23将可移动触点与接线端子4A、4B的接触表面13在第一位置中进行隔离，该端部表面23被布置在爆炸面对的端部表面10的对面。在可移动触点7的端部表面23中提供绝缘导引件24。

在第二位置（图1B）中，可移动触点7的接触表面与连接到端子4A、4B的接触表面13相接。

在图2a、b中，可移动触点7设置有与图1a、b中类似的圆周和包络接触表面，可移动触点7的端部表面23设置有电绝缘材料，使得可移动触点7在未连接的第一位置（图2a）中将绝缘的端部表面23指向连接到端子4A、4B的接触表面13。如在图1a、b中，在壳体中的圆柱形通道设置有放置在第一位置中用于包围可移动触点7的绝缘表面21、22。在图2a、2b的实施例中，这些隔离表面21、22被布置以在第二位置中包围旁路致动器8。在图2a、2b的实施例中，在活塞7、8的可活动接触截面7和旁路致动器截面8之间提供活塞7、8的附加隔离表面25或部件。

图1a还图示了借助于第三端子4C和第四端子4D将每个半导体设备3、3A进一步连接到储能电容器100。第三端子4C提供DC+母线，第四端子4D提供DC-母线。第三端子4C通过壳体1延伸到储能电容器100，并从储能电容器100通过壳体1延伸回，该电容器被布置在壳体1的外部。第四端子4d提供将第二端子4B的延伸到储能电容器100，并从储能电容器100延伸回。每个功率半导体设备3、3A例如可包括半桥，该半桥包括一个半导体，特别地，半导体设备3、3A和电容器100可以以由图2中的子模块（D3中的7）在D3中所图示的相同类型的桥电路来布置，其中电容器被布置在壳体的外部，并且半导体半桥电路被布置在壳体的内部。因此，本发明可用于针对这样的子模块提供旁路机构。然而，本申请中的主要重点是在旁路机构，而不是如这样的半导体电路。

图3和图4图示了根据本发明的壳体的两个实施例。在图1和图2中，可移动触点7的移动是平移的，然而在图3和图4中，该移动是转动的。可移动触点7借助于通过壳体的内表面来导引，该壳体延伸于可移动触点7的纵向并且为可移动触点7提供行进方向。图3和图4的可移动触点7是借助于各自的铰链连接到壳体1，使得可移动触点7以从断开连接的第一位置旋转移动到互相连接端子的第二位置来导引，该端子去往并来自已安装的功率半导体。

图3A和3B图示在断开连接状态以及旁路状态的实施例，在断开连接状态中在图3A中可移动触点是在其第一位置，在旁路状态中可移动触点7互相连接至端子4A、和4B。图3图示了包括隔间2的壳体1，其中功率半导体3被安装在安装板15上。壳体1包括接触机构6，其被安装在隔间2中的壳体1内。替代地，类似于图1和图2的布置，接触机构6可以突出通过壳体1。第一端子4A和第二端子4B进入壳体1并从壳体1伸出，并且为功率半导体3提供输入4A和输出4B。接触机构6包括旁路致动器，其包括面对功率半导体3的表面10和导引装置12，以铰链形式连接在可移动触点7和壳体1之间，用于将由表面10所接收的爆炸压力转换成旋转移动，借助于铰链12和连接（在8处）可操作地将表面10连接到可移动触点7。爆炸压力接收表面10是封装功率半导体的封装17的内表面。这种封装17是以包或盒的形式制造的，并且由这种材料制成，当该材料遭受到在功率半导体3的爆炸期间所造成的压力时扩张。封装17被构建为经受如下压力，该压力为如果不管是由什么制造的功率半导体3在爆炸中完全毁坏所造成。因此，封装应当以能够经受爆炸的材料和结构来制造，该爆炸包括在功率半导体3中可获得的全部能量。还应当尺寸扩张，以便为可移动触点7提供从其第一位置到其第二位置的移动，使得即使爆炸不是完全爆炸，可移动触点7也将到达端子4A、4B。此外，封装17通过设计合适的尺寸针对移动提供端部以将可移动触点的扩张和随之而来的移动限制到可移动触点已经到达其第二接触位置的位置。

封装17可以由类似于D7的保护壳的保护套制成。它可以由凯夫拉织物制成。

图3图示了当功率半导体爆炸时，封装17如何扩张，以及旁路致动器8如何造成可移动触点7的旋转移动，然而，这是将封装17的扩张移动转换成可移动触点7的平移移动的替代优选实施例，在这两种情况下，使可使触点7的移动实现了对爆炸的半导体3的端子进行旁路。

图4A、4B图示了另一个优选实施例，其中分别为功率半导体3提供输入和输出的端子4A、4B可以借助于从图4A中的第一位置移动到图4B中的第二位置（旁路）的接触机构6进行互相连接。如图3中，旁路机构8借助于将可移动触点7可转动连接到壳体1的铰链12，提供可移动触点7的转动移动。旁路致动器8被布置为由来自爆炸的半导体3的压力波来推动，并且具有面对半导体3的表面。减压阀14可操作地连接到旁路致动器8。减压阀14被布置使得当可移动触点7到达其第二位置时，减压阀到达如下位置，在该位置中减压阀从隔间向周围环境释放气体。用这种方式，控制并限制可移动触点7的移动，所述限制类似于由封装提供的限制，如在图3的实施例中通过封装17所图示的。

减压阀还可以被适当地安装在图1和图2中所图示的实施例中，通过对隔间中的压力提供限制，从而限制来自旁路致动器8的驱动力，以提供对可移动触点7的移动的进一步控制。在这种布置中，当可移动触点7到达其第二位置时或很短时间后，由可移动触点所经受的驱动力可以结束。

图5图示了以多个借助于母线4以串联关系布置的基本相同壳体模块1形式的壳体1。母线4连接到每个壳体模块1的端子（4A、4B）。每个壳体模块1设置有各自的接触机构6，借助于该接触机构6每个各自的壳体模块1可以被旁路作为功率半导体在壳体模块1内部爆炸的结果。为了这些目的，每个接触机构6包括根据本发明的可移动触点和响应于爆炸的旁路致动器，诸如在图1-4中所示例的那些。

图5的串联布置的壳体1提供具有三个这类支路的三相系统的一个支路。替代地，图5的支路可以在用于单相系统的变流器中使用。

Claims (14)

1.一种用于功率半导体的壳体（1），提供用于安装功率半导体（3）的隔间（2），并且包括：

第一端子和第二端子（4A、4B），所述端子（4A、4B）被布置用于连接安装在所述隔间（2）中的功率半导体（3），并用于导引去往和来自所述功率半导体（3）的电流，

用于旁路所述隔间的接触机构（6），所述接触机构（6）包括至少一个被布置用于电连接所述第一端子和所述第二端子（4A、4B）的可移动触点（7），所述至少一个可移动触点（7）是可在断开连接的第一位置和连接的第二位置之间移动的，在所述第二位置中，所述可移动触点（7）连接所述端子（4A、4B），

所述接触机构还包括旁路致动器（8），其被布置在所述隔间内并被提供用于将来自爆炸的半导体的压力转换成移动，所述旁路致动器（8）可操作地连接到所述可移动触点（7），并被布置为当遭受到爆炸的半导体的压力时，将所述可移动触点（7）从所述第一位置移动到所述第二位置。

2.根据权利要求1所述的壳体，其中在所述端子（4A、4B）与所述可移动触点（7）之间的连接包括诸如弹簧的夹紧装置，用于将所述可移动触点保持在所述第二位置。

3.根据权利要求1或2所述的壳体，所述接触机构还包括致动器（16），其用于在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述可移动触点，所述致动器是信号控制的致动器。

4.根据权利要求3所述的壳体，所述信号控制的致动器是由电信号控制的电磁致动器（16）。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的壳体，其中所述可移动触点（7）被布置为在所述壳体（1）的外部连接至所述端子（4A、4B）。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的壳体，所述接触机构（6、7、8、9、10）包括活塞构件（9），并且其中所述旁路致动器（8）包括在所述活塞构件（9）端部处的表面（10），所述表面面对所述功率半导体（3）。

7.根据权利要求6所述的壳体，所述活塞构件（9）延伸通过所述壳体（1），或者被布置为移动通过所述壳体（1）。

8.根据权利要求1至7中任何一项所述的壳体，包括被布置用于可选择地从所述隔间（2）释放气体的减压阀（14）。

9.根据权利要求8所述的壳体，其中所述接触机构（6、7、8、9）可操作地连接到所述减压阀（14），并且被布置用于当所述接触机构（6、7、8、9）连接到所述端子（4A、4B）时，打开所述减压阀（14）。

10.根据权利要求1至7中任何一项所述的壳体，所述旁路致动器（8）包括用于所述功率半导体（3）的封装（11），所述封装（11）适应于被布置在所述隔间（2）的内部作为用于所述功率半导体（3）的壳体。

11.根据权利要求10所述的壳体，所述封装（11）由可扩张材料制成，并且当遭受到所述功率半导体（3）的爆炸压力时，适应于结构性扩张。

12.根据权利要求1至11中任何一项所述的壳体，还包括至少一个用于控制所述可移动触点（7）的移动的导引元件（12、13），诸如控制所述可移动触点的旋转移动的铰链（12），或控制所述可移动触点的平移移动的细长元件（13）。

13.一种电力转换系统，包括多个以串联方式布置的根据权利要求1至11中的任何一项所述的壳体。

14.根据权利要求13所述的电力转换系统，包括串联布置的壳体模块的三个支路。

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