CN104282647B - 高功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提出高功率半导体模块（10），其包括安装在模块（10）上并且包括至少两个电连接（14a，14b）的高功率半导体设备（12）。该模块（10）进一步包括安装在模块（10）上的短路设备（16）。该短路设备（16）适应于在接收触发信号（23）时通过电损毁高功率半导体模块（10）的半导体（30，32）而在两个电连接（14a，14b）之间产生持续导电路径（92）。
Description
技术领域
本发明涉及高功率半导体模块、模块化多电平转换器系统（modular multilevelconverter system）和用于旁路高功率半导体模块的方法。
背景技术
因为电压的增加可通过增加级数来实现，具有多电平拓扑（采用高功率半导体模块）的模块化转换器可很适合于许多应用。冗余也可通过采用多个这样的半导体模块而实现。然而，当多电平转换器系统的半导体模块有故障时，可需要使模块的电路短路以便尽管有故障但使系统保持运作。多电平转换器系统然后在少了一个模块的情况下运行，但如果剩余模块仍在它们的安全极限内操作，则功率转换可继续而在输出中几乎没有任何显著的变化。
尽管在模块化多电平转换器系统中采用的所谓的双极压装式设备（例如，相控晶闸管、二极管、GTO、IGBT或IGCT）可以在失效时变成短路，可以假设不是所有能想到的失效事件都可确实导致短路；设备可被阻断而不是可控的，即可未开启或关闭它们。常见失效可以是由于一些原因而失去半导体模块的开关的控制，例如由于有故障的门控单元、断开的光纤或任何其他故障。如果半导体模块未能关闭，模块的电容器可过量充电或高度增加的电压可最终引起电路的一部分的损坏，这又可由于存储在电容器中能量的释放而导致非常高能量的浪涌电流。具有分离控制的机械旁路开关（例如磁或烟火信号开关）可以是用于最终旁路半导体模块并且使它脱离操作的技术方案。这样的机械旁路开关的一个主要缺点可以是这样的设备占据宝贵的模块空间、可是昂贵的并且可需要定期维护来确保正常运作。
发明内容
本发明的目标是以低成本并且在不需要定期维护的情况下对高功率半导体模块提供安全操作。
该目标通过独立权利要求的主旨实现。另外的示范性实施例从从属权利要求和下列描述中显而易见。
本发明的方面涉及高功率半导体模块，例如模块化多电平转换器的半导体模块。必须理解术语高功率可意指高功率半导体模块可适应于处理10A以上的电流和/或1000V以上的电压。
根据本发明的实施例，高功率半导体模块包括高功率半导体设备，其安装在模块上并且包括至少两个电连接。高功率半导体模块进一步包括短路设备，其也安装在模块上并且适应于在接收触发信号时在这两个电连接之间产生持续导电路径。该持续导电路径通过电损毁高功率半导体模块的半导体而产生。
也就是说，高功率半导体模块可采用控制的方式通过在半导体模块中的任何失效（例如，出故障、阻断或不可控半导体结或模块的电或电子部件中的任何其他失效）时用电信号损毁模块的半导体而被电旁路。由此，高功率半导体设备的两个电连接（其可以是阳极和阴极）可电连接并且从而短路以便使整个模块安全放电和/或使它脱离操作。
本发明的主旨可体现在电子自毁通道在高功率模块的集成中，这可在模块化多电平转换器系统中和/或在具有串联冗余的高功率半导体系统中使用。
高功率半导体模块可例如是转换器模块。一般，转换器可以是电设备，其适应于将第一AC或DC电流转化成第二AC或DC电流，该第二AC或DC电流在电压和/或频率上与第一电流不同。
除规定的高功率半导体模块的电旁路外，机械旁路（例如，用于使高功率半导体设备短路的磁或烟火信号开关）也可安装到模块以便进一步增加安全性。
根据本发明的实施例，持续导电路径通过损毁高功率半导体设备的高功率半导体的至少一部分而产生和/或持续导电路径通过损毁短路设备的短路半导体的至少一部分而产生。
对应地，在半导体模块失效（例如，阻断或不可控的半导体结）时，可供应电信号，其可强大到足以局部损毁高功率半导体的至少一部分和/或半导体模块的短路半导体的至少一部分，例如通过使对应半导体的部分局部加热和熔化，这将产生永久导电路径。
根据本发明的实施例，短路设备可包括晶闸管作为短路半导体和/或高功率半导体设备可包括半导体开关作为高功率半导体，其可适应于开关电流，例如晶闸管、晶体管、GTO、IGCT、IGBT和/或二极管。
短路设备和高功率半导体设备两者可包括多个各种不同的半导体，即，不同类型的半导体的组件可在高功率半导体模块中集成。
根据本发明的实施例，短路设备包括提供牺牲区的短路半导体，其配置成用于被触发信号触发的电流脉冲损毁。
这可意指短路设备的区域可通过电流丝而被局部损毁来牺牲以便旁路高功率半导体设备。由此，触发信号可以是电信号或任何其他信号，例如由光纤通信提供的光信号。电触发信号如果它未强大到足以提供电流脉冲并局部损毁牺牲区则可被放大，而任何其他信号可直接转换成电流脉冲或转换成电信号并且如必要的话也可被放大。电流源转换器、感应器、电容器或外部电流源可充当用于提供电流脉冲和/或用于放大电信号的电力供应。
除此之外，损毁半导体的实际电流脉冲也可由高功率半导体设备本身提供。更准确地，电触发信号可在模块失效时提供。该触发信号可起到开启短路设备（即，例如开关短路设备的晶闸管）的作用，其中导电路径可在高功率半导体设备的两个电连接之间产生。而高功率半导体可释放电能，其可例如存储在单个或多个电容器中，从而提供高到足以损毁短路设备的半导体的至少一部分的电流脉冲。
对于短路设备的半导体的开启，需要的能量可是相当小的。另一方面，为了损毁半导体，供应的能量可以是大约30mJ以便使半导体局部熔化，例如典型的GCT或晶闸管的片段。然而，如果充电到约20V，在高功率半导体设备中应用的典型电容器（例如对于GCT片段的关闭沟道电容器）可包含该能量的许多倍的量，并且通常在高功率半导体设备的门控单元上存在几十个这样的电容器。因此，可容易提供开启短路设备的半导体以及损毁模块的半导体（即，短路设备或高功率半导体设备的半导体）这两个策略所需要的能量。
根据本发明的实施例，高功率半导体设备包括高功率半导体并且短路设备包括短路半导体，它们设置在共同衬底中。
高功率半导体和短路半导体两者在共同衬底中的集成可允许生产相当紧凑的高功率半导体模块并且可有助于减少模块的部件数量。这又可减少生产模块的成本并且可使对部件维护简化。除此之外，在共同衬底中的集成可确保导电路径可因为该路径可直接在共同衬底中产生并且可不需要外部部件（例如磁或烟火信号开关）而可靠地产生。
高功率半导体模块还可分别包括共同衬底的多个单元，其中这些单元中的每个可包括高功率半导体和短路半导体以及至少两个电连接。因此，高功率半导体设备还可包括多个高功率半导体，并且短路设备还可包括多个短路半导体。在模块中的任何失效时，两个电连接之间的持续导电路径可在接收触发信号时分别在每个单元中产生，或在多个单元中产生。每个单元内的导电路径可如在之前和后续章节中描述的那样产生以便使整个模块脱离操作。
根据本发明的实施例，短路半导体完全被高功率半导体环绕。
这样的构造可使高功率半导体模块的生产简化并且降低生产成本，以及它可允许通过减少模块的易出错部件的数量而以可靠的方式在高功率半导体的两个电连接之间产生导电路径。
根据本发明的实施例，极片附连到高功率半导体的侧面，其中该极片包括孔，其具有用于例如用于将触发信号传送到短路半导体的弹簧承载触销的绝缘架，和/或其中极片包括沟槽，其具有绝缘安装到极片的控制引线，其可连接到弹簧承载触销。
控制引线不必定通过弹簧承载触销而与短路半导体接触，而可采用任何其他方式例如与焊料接触件连接或用插件连接而连接。
极片可例如包括铜或任何其他适合的导电材料或由它们制成。用于触销的绝缘架可例如包括在极片的孔中钎焊、从而与极片接触用于绝缘的陶瓷衬套的第一区，和用于使触销与控制引线接触的第二区。该第二区可例如是在第一区中钎焊并且通过第一区而绝缘的铜衬套。
对于控制引线的沟槽可简单地是极片中的沟道，其可例如与用塑料、陶瓷或任何其他绝缘材料做衬里。
根据本发明的实施例，高功率半导体设备包括设置在共同衬底中的续流二极管。
一般，可使用续流二极管（其还可称为反激、抑制器或钳位二极管）以便消除反激，其在电力供应突然减少或移除时是跨电路中的感应负载出现的电压中的突发尖峰。因此，通过将续流二极管设置在共同衬底中，可避免由于例如有故障或阻断半导体结或连接到电力供应的电路的一部分的崩溃而引起的电压尖峰。
根据本发明的另一个实施例，高功率半导体设备和短路半导体设备设置在共同衬底的盘中。由此，该盘可包括中间区（其包括短路半导体）、环绕该中间区并且包括续流二极管的第一环形区和环绕该第一环形区并且包括高功率半导体的第二环形区。
共同衬底内的短路半导体、续流二极管和高功率半导体的设置可促进以低成本生产紧凑的高功率半导体模块。此外，通过减少单独部件的数量，易出错部件的数量可减少，这又可增加模块的可靠性。
高功率半导体模块还可包括多个单元，其还可以是盘状形的，其中这些单元中的每个可包括高功率半导体、短路半导体和续流二极管。单元中的每个可分别通过两个电连接而电连接。因此，高功率半导体设备可包括多个高功率半导体并且短路设备可包括多个短路半导体。高功率半导体模块这样的布局可特别适应于基于IGBT的模块。在这样的模块上，多个IGBT单元通常安装在模块上并且并联连接。在模块中的任何失效时，两个电连接之间的持续导电路径可在接收触发信号时分别在每个IGBT单元或在多个IGBT单元中产生。每个IGBT单元内的导电路径可如在之前和后续章节中描述的那样产生以便使整个模块脱离操作。
根据本发明的再另一个实施例，短路设备包括用于提供电能用于损毁半导体的至少一部分使得产生导电路径和/或用于触发短路设备（即，例如用于开关短路半导体设备的短路半导体）的电容器。
通过使短路设备配备有单独且分离的电容器，用于开关短路半导体和/或用于局部损毁模块的半导体的电力供应可被确保，即使模块的部分可由于任何原因（例如，断开电路）而有故障或闲置着也如此。
根据本发明的另一个实施例，在高功率半导体设备的电容器卸载时，短路设备的电容器经由二极管而连接到高功率半导体设备的电容器，用于防止短路设备的电容器的卸载。
一旦模块在操作中，短路设备的电容器可由高功率半导体设备加载。在操作期间可能出现模块的任何失效的情况下，可确保短路设备的电容器在可产生持续导电路径之前可不放电。例如，即使高功率半导体设备的主门控单元可能短路，短路设备的电容器可仍能够提供电能用于通过防止通过二极管从短路设备到高功率设备的电流的任何逆流而产生导电路径。这可确保短路设备的正常运作和模块的安全操作。
除此之外，二极管可起到使短路设备与高功率半导体设备电分离同时避免通过最终短路的任何功率逆流的作用。这又允许将短路设备和高功率半导体设备安装在例如模块的共同印刷电路板上。
根据本发明的另一个实施例，短路设备包括光纤连接和用于将来自光纤连接的触发信号转换成电触发信号的控制电路。
根据本发明的再另一个实施例，高功率半导体设备包括光纤连接和用于处理来自该光纤连接的控制信号的控制电路。
在模块附近，由于在模块中流动的相当强的电流，可存在相当强的静电、磁和/或电磁场。因此，通过光纤连接接触短路设备和高功率设备中的两个或一个可确保在相应的连接中可未出现扰乱或电干扰。
短路设备和高功率半导体设备两者的控制电路可例如包括用于接收信号的接收器、用于将光信号转换成电信号并且反之亦然的转换器、用于放大光和/或电信号的放大器、用于传送光和/或电信号的传送器和/或用于处理光和/或电信号的处理单元。
短路设备和高功率半导体设备两者可包括多个冗余光纤连接和控制电路以便确保整个模块的正常通信和运作，即使例如光纤连接可被扰乱也如此。除此之外，连接和电路中的冗余可提供用于记录错误信号的工具。例如，如果两个信号（其可假设为等同的）彼此非常不同，这可指示错误。
本发明的另外的方面涉及模块化多电平转换器系统，其包括多个如之前并且在后续章节中描述的多个高功率半导体模块。模块化多电平转换器系统进一步包括用于控制高功率半导体模块的高功率半导体设备的控制器，其中该控制器适应于检测高功率半导体模块的失效并且用于向短路设备提供触发信号用于旁路失效的高功率半导体设备。
通过增加高功率半导体模块的数量，可实现电压以及一定冗余度的增加。
模块化多电平转换器系统的控制器可包括用于从模块接收光和/或电信号的接收器、用于将光信号转换成电信号并且反之亦然的转换器、用于放大光和/或电信号的放大器、用于传送光和/或电信号的传送器和/或用于处理光和/或电信号的处理单元。所有这些部件可采用多种方式可用以便提供冗余并且确保系统的正常运作。
有故障模块可例如由控制器通过评估和/或解释从对应模块接收的信号并且通过将该信号与参考值比较而检测。这些参考值可例如在控制器中实现或可由控制器访问，例如在查找表中。除此之外，例如，频率的缺乏、延迟、改变或模块信号的强度的改变可对于有故障高功率半导体模块（例如断开的光纤）起到指示器的作用，并且可促使控制器响应地向对应的短路设备提供触发信号。此外，由冗余光纤连接提供的信号中的差异（其可假设为等同的）也可指示模块部件的失效。
本发明的另一个方面涉及用于旁路高功率半导体模块的方法。该方法包括以下步骤：检测高功率半导体模块的失效；在检测到失效时产生触发信号；以及在接收触发信号时通过电损毁高功率半导体模块的半导体而在高功率半导体模块的两个电连接之间产生持续导电路径。
高功率半导体模块的两个电连接可以是高功率半导体设备的两个电连接，其可安装在如在之前和后续章节中描述的模块上。
必须理解如在上文和下文中描述的方法的特征可以是如在上文和下文中描述的系统和/或模块的特征。
如果技术上可能但未明确提出，在上文和下文中描述的本发明的实施例的组合也可以是方法和系统的实施例。
本发明的这些和其他方面将从之后描述的实施例显而易见并且参考其来阐述。
附图说明
本发明的主旨将在下文中参考在附图中图示的优选示范性实施例更加详细地说明，其中：
图1示意地示出根据本发明的示范性实施例的高功率半导体模块的电路图；
图2示意地示出根据本发明的示范性实施例的高功率半导体模块的电路图；
图3示意地示出根据本发明的实施例的高功率半导体模块的横截面侧视图；
图4示意地示出图3的高功率半导体模块的顶视图；
图5示意地示出通过图3的高功率半导体模块的一部分的横截面；
图6示意地示出通过图3的高功率半导体模块的一部分的横截面；
图7示意地示出模块化多电平转换器及其控制器的系统；
图8示出示意地图示根据本发明的实施例旁路高功率半导体模块的方法的步骤的流程图。
原则上，等同的部件在图中提供有相同的标号。
具体实施方式
图1示意地示出根据示范性实施例的高功率半导体模块10的电路图。该模块10包括具有至少两个电连接14a、14b的高功率半导体设备12和短路设备16。高功率半导体设备12可包括晶闸管、GTO、IGCT、IGBT和/或二极管作为高功率半导体30。
高功率半导体设备12进一步包括电容器18，其经由二极管22而电连接到短路设备16的电容器20。该二极管22适应于在高功率半导体设备12的电容器18卸载时防止短路设备16的电容器20的卸载。电容器20可具有比电容器18更小的电容。
短路设备16适应于在接收触发信号23时通过损毁半导体30的至少一部分而在两个电连接14a、14b之间产生持续导电路径，其中触发信号23可在模块10失效时提供。
短路设备16可包括快门或开关13，其在接收触发信号23时关闭。当开关13关闭时，在短路设备16的电容器20中存储的电能产生流过半导体设备12的电流。该电流损毁半导体30，由此产生持续导电路径。存储在电容器 20中的能量从而可大到足以使由高功率半导体30的至少一部分提供的电路的电阻路径加热以便至少部分熔化它并且因此产生导电路径。
图2示意地示出根据另一个示范性实施例的高功率半导体模块10的电路图，其中短路设备16包括晶闸管24作为短路半导体32。
在接收触发信号23时，可触发短路设备16来开关晶闸管24。该晶闸管24可在两个电连接14a、14b之间提供导电路径并且可使模块10短路。
图3示意地示出高功率半导体模块10的横截面侧视图。图4示出图3的高功率半导体模块10的顶视图。
高功率半导体设备12安装在模块10的电路板11上。短路设备16也安装在模块10的电路板11上。
在共同衬底28的盘26中，设置高功率半导体设备12的高功率半导体30、短路设备16的短路半导体32和续流二极管34。更准确地，盘26包括中间区36，其包括短路半导体32（例如，晶闸管24）、环绕中间区36并且包括续流二极管34的第一环形区38和环绕该第一环形区38并且包括高功率半导体30的第二环形区40。
晶闸管24可提供衬底28的牺牲区，其配置成用于被电容器20提供并且由触发信号23触发的电流脉冲损毁。补充损毁晶闸管24的牺牲区的方法，高功率半导体30的一部分也可如在图1中指示的那样被损毁。
高功率半导体设备12进一步包括：电容器18，该电容器18具有多个电容器构件31，其可具有电解或膜类型，并且其可起到提供能量用于开关高功率半导体30的作用；和控制电子器件（门控单元）42，其可例如适应于控制高功率半导体设备12。控制电子器件42可例如包括接收器、转换器、放大器、传送器和/或处理电子器件。控制电子器件42经由引线44而连接到晶闸管24的门极，该引线44可以是或可包括电缆。
如在图4中由盘26中的虚圆指示的，短路半导体32设置在盘26的中间区36中并且完全被包括续流二极管34的第一环形区38环绕，并且第一环形区38又被第二环形区40环绕，该第二环形区40包括高功率半导体30。
构件26在横截面上不必定是圆形的，而可以是任意形状，例如椭圆、四方的或矩形。此外，高功率半导体模块10可不一定仅包括一个盘26，而可包括多个盘26，其可并联或串联电连接并且可采用任意方式设置在模块10上。这又意指高功率半导体设备12也可包括多个高功率半导体30和续流二极管34，并且短路设备16可包括多个短路半导体32。
模块10包括电力供应47，用于向模块10供应电能。该电力供应47可为了该目的而连接到任何种类的外部电源。
电力供应47可电连接到高功率半导体设备12的主电路49。该主电路49包括控制电子器件42和多个电容器31。主电路49此外可包括使高功率半导体设备12的部件连接的多个电线，其中这些电线可例如印刷在电路板11上。
高功率半导体设备12进一步包括连接到控制电路49的光纤连接52。然而，也可应用例如同轴连接、多芯导体或扁平导体。光纤连接52适应于传送（即，用于接收和/或发送）光信号并且可连接到控制器96（未明确示出，参见图7）。从控制器96接收的光信号可由控制电子器件42转换成电信号。这些电信号可进一步被控制电子器件42放大和/或处理，例如分析和/或解释，以便控制高功率半导体设备12，其中电容器31可被致动以便开关高功率半导体30。反之亦然，来自高功率半导体设备12的电信号可由控制电子器件42处理和/或转换成电信号并且可经由光纤连接52发送到控制器96（参见图7）。
高功率半导体设备12可不仅包括单个光纤连接52，而还可包括多个光纤连接52，其可适应于各种任务和/或其可由于冗余原因而设置。
短路设备16包括连接到短路设备电路46的光纤连接54。然而，也可应用例如同轴连接、多芯导体或扁平导体。光纤连接54可连接到控制器96（参见图7）并且设置成从控制器96接收触发信号23。另外，光纤连接54可起到向控制器96发送光信号的作用。
控制电路46包括具有多个电容器构件56的电容器20，其可具有电解或膜类型并且可设置成用于对短路设备16供应电能。控制电路46可进一步包括使短路设备16的部件连接的电线，其中这些电线可印刷在电路板11上。
短路设备16的电容器56中的至少一个由二极管22连接到高功率半导体设备12的电容器31中的至少一个。二极管22可对于短路设备16起到电力供应的作用并且适应于在高功率半导体设备12的电容器31卸载时防止短路设备16的电容器56卸载。也就是说，二极管22设置成防止电能从短路设备16逆流到高功率半导体设备12同时允许电流在相反方向上流动。
此外，控制电路46包括短路设备16的控制电子器件58，其可适应于将来自光纤连接54的触发信号23转换成电触发信号。因此，控制电路46的控制电子器件58可包括用于接收触发信号23的接收器、用于将光触发信号23转换成电触发信号的转换器和用于放大电信号的放大器。
电触发信号可经由控制引线44传送到短路半导体32。
图5示出通过图3和4的高功率半导体模块10的一部分的横截面。极片60（其可由铜制成或其可包括铜）设置在盘26与电路板11之间。另外的极片可设置在盘26的相对侧处。极片提供电连接14a、14b并且设置成用于使高功率半导体30、续流二极管34和短路半导体32电接触。
极片60包括用于容纳引线44的沟槽74，该引线44由沟槽74引导到盘26的中间区36以便使短路设备16的电路46与短路半导体32的门极端子电连接。引线44通过沟槽74内部的绝缘材料73（例如，陶瓷材料）而与极片60绝缘。
在盘26与极片60之间，钼盘61设置成提供盘26与极片60的正确电连接。
极片60和钼盘61两者都分别包括中心部分中的孔62，其具有用于使引线44与短路半导体32电连接的绝缘架64。极片60和钼盘61两者从而都可是圆环状形状并且可几乎完全覆盖盘26的一侧。
绝缘架64包括在极片60的孔62中钎焊并且与极片60直接接触的陶瓷衬套66。在陶瓷衬套66的中间区域中，铜衬套68在其中钎焊。因此，铜衬套68通过陶瓷衬套66而与极片60电绝缘。
此外，触销70设置在铜衬套68的中心部分中。该触销70突出通过孔62并且按压衬底28。更准确地，触销70按压短路半导体32的表面以便在短路半导体32与铜衬套68之间提供电接触。触销70（其可由铜或任何其他导电材料（例如Au）制成）是弹簧承载的。
在与衬底28的盘26相对的铜衬套68的侧面上，引线44的尾端件72电连接到铜衬套68。尾端件72未绝缘，而引线44可例如通过塑料材料而在中心部分中绝缘。尾端件72可例如插进铜衬套68或在其中钎焊以便使控制引线44与触销70电接触。
引线44的另外的尾端件电连接到短路设备16的控制电路46以便经由铜衬套68将由控制电路46提供的电触发信号传送到弹簧承载触销70和短路半导体32。
图6示意地示出在图3和4中示出的模块10的一部分的另一个横截面。图6示出通过盘26的共同衬底的中间区36和第一环形区38以及通过极片60（其包括具有绝缘架64（其包含触销70）的孔62）的横截面。第二环形区40（其包括晶闸管、GTO、IGCT、IGBT和/或二极管作为高功率半导体30）由在图6的投影平面中的续流二极管34的两侧上延伸的虚线指示。极片60和钼盘61也在续流二极管34的两侧上延伸，其也由虚线指示。
触销70与起到短路半导体32的作用的晶闸管24的高p掺杂部分76电接触。该高p掺杂部分76是晶闸管24的门极端子78。该门极端子78被环形高n掺杂部分79环绕，其起到晶闸管24的阴极80的作用。在与门极端子78相对的衬底28的侧面上，设置高p掺杂部分81，其起到晶闸管24的阳极82的作用。在阴极80与阳极82之间，邻近门极端子78和阴极80设置p掺杂部分83。在p掺杂部分83和阳极82之间，设置n掺杂部分84。该n掺杂部分84可均匀地包含在衬底28的整个盘26内并且可起到在盘26内传导电荷载体的作用。
在图6的投影平面中晶闸管24的两侧上，续流二极管34连接到晶闸管34，其中二极管34的高p掺杂阳极86邻近钼盘61而设置。邻近二极管34的阳极86并且在阳极86与n掺杂部分84之间设置p掺杂部分88。在与钼盘61相对并且邻近n掺杂部分84的续流二极管34的侧面上，设置续流二极管34的阴极90。
续流二极管34与晶闸管24之间的p掺杂部分88和83通过n掺杂部分84而彼此分离。然而，如果晶闸管24在高功率半导体模块10的操作期间未自主开启（例如由于电压随时间的大的改变），p掺杂部分88与83的该分离可不是必需的。
在经由光纤连接54接收光触发信号23时，电触发信号可由电容器56提供给晶闸管24的门极端子78。电触发信号可强大到足以损毁晶闸管24的短路半导体32的一部分和/或它可开启晶闸管24，其中电流从晶闸管24的阳极82流到阴极80。该电流又可使晶闸管24的一部分加热并且通过熔化晶闸管24的所述部分而在阳极82与阴极80之间产生持续导电路径92。该导电路径92可例如是环形形状并且定位在盘26的中间区36中。整个高功率半导体模块10可以短路并且/或可经由持续导电路径92而安全放电。
衬底28的改进布局可不包括晶闸管阴极80并且p掺杂部分88和83可未分离。在该情况下，持续导电路径可在续流二极管的门极端子78与阳极86之间产生，并且模块10可经由该路径而放电。
图7示意地示出具有模块化多电平转换器96和它的控制器96的系统94。
作为特定示例，模块化多电平转换器96包括多个高功率半导体模块10，其中的每个包括高功率半导体设备12（在图7中由开关指示）、电容器18和短路设备16。高功率半导体模块10串联连接来形成支路102，其在一侧上连接到DC链路104并且在另一侧上连接到转换器96的相位输出106。利用高功率半导体设备12（其包括半导体开关），电容器18（其起到DC电压的存储元件的作用）可被旁路或插入相应的支路102内。插入/旁路支路102中的电容器18允许施加相位输出106处的各种电压水平。
通过开关高功率半导体设备12，转换器96适应于将DC链路处的DC电压转换成相位输出106的每个处的AC电压。模块化多电平转换器的相位输出106可连接到电网（有源前端操作）或到负载（功率逆变器应用）。
对于模块化多电平转换器96存在其他可能的转换器拓扑，例如直接转换器拓扑，其适应于将AC电压之间转换成另一个AC电压。
系统94此外包括控制器98（例如基于DSP或FPGA），其从转换器96并且可选地从转换器所连接的另一个电系统接收控制信号。控制器96还经由光纤连接42对模块10提供门信号。
图8示出旁路高功率半导体模块10的方法，其可由控制器96和至少一个模块10执行。
在步骤S1中，检测高功率半导体模块10的失效。例如，除其他任务外，控制器96还适应于检测模块10的失效。如果失去对模块10中的一个的控制，可例如检测到模块10的失效，这可由于例如高功率半导体设备12中的一个上的有故障门控单元、断开的光纤或任何其他故障而引起，例如出故障、阻断或不可控的半导体结。模块10的电或电子部件中的其他失效也由控制器96检测。
在步骤S2中，当检测到失效时，产生触发信号23。在该情况下，控制器可产生光触发信号23，其经由光纤连接54发送到有故障模块10的对应短路设备16。
在步骤S3中，在接收触发信号23时，在高功率半导体模块10的两个电连接14a、14b之间通过电损毁高功率半导体模块10的半导体30、32而产生持续导电路径92。短路设备16可接收光触发信号23并且可例如通过闭合开关13而将它变换成电触发信号。
作为一个备选方案，在高功率半导体设备12的半导体30的衬底中产生持续导电路径92。作为第二备选方案或另外，在短路设备16的另外的半导体32的衬底中产生持续导电路径92。
这样，有故障模块10短路且被旁路，并且尽管有故障，系统94仍可运转。多电平转换器系统94然后可在少了一个模块10的情况下运行，但如果剩余模块10仍在它们的安全极限内操作，则可以安全地继续功率转换。
尽管本发明已经在图和前述描述中详细地图示和描述，这样的图示和描述要认为是说明性的或示范性的而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。对公开的实施例的其他变化形式可以被本领域内技术人员理解和实现并且从对图、公开和附上的权利要求的学习实践本要求权利的发明。在权利要求中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”（不定冠词“a”或“an”）不排除多数。单个处理器或控制器或其他单元可实现在权利要求中列举的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的这一事实不指示这些措施的组合无法被有利地使用。在权利要求中的任何标号不应该解释为限制范围。
附图标记说明
| 10 | 高功率半导体模块 | 11 | 电路板 |
| 12 | 高功率半导体设备 | 13 | 快门 |
| 14a | 电连接 | 14b | 电连接 |
| 16 | 短路设备 | 18 | 电容器 |
| 20 | 电容器 | 22 | 二极管 |
| 23 | 触发信号 | 24 | 晶闸管 |
| 26 | 盘 | 28 | 共同衬底 |
| 30 | 高功率半导体 | 31 | 电容器构件 |
| 32 | 短路半导体 | 34 | 续流二极管 |
| 36 | 中间区 | 38 | 第一环形区 |
| 40 | 第二环形区 | 42 | 控制电子器件 |
| 44 | 引线 | 46 | 短路设备电路 |
| 47 | 电力供应 | 49 | 主电路 |
| 52 | 光纤连接 | 54 | 光纤连接 |
| 56 | 电容器构件 | 58 | 控制电子器件 |
| 60 | 极片 | 61 | 钼盘 |
| 62 | 孔 | 64 | 绝缘架 |
| 66 | 陶瓷衬套 | 68 | 铜衬套 |
| 70 | 触销 | 72 | 尾端件 |
| 73 | 绝缘材料 | 74 | 沟槽 |
| 76 | p掺杂部分 | 78 | 门极端子 |
| 79 | n掺杂部分 | 80 | 阴极 |
| 81 | p掺杂部分 | 82 | 阳极 |
| 83 | p掺杂部分 | 84 | n掺杂部分 |
| 86 | 阳极 | 88 | p掺杂部分 |
| 90 | 阴极 | 92 | 导电路径 |
| 94 | 系统 | 96 | 模块化多电平转换器 |
| 98 | 控制器 | 102 | 支路 |
| 104 | DC链路 | 106 | 相位输出 |
| S1 | 检测失效 | S2 | 产生触发信号 |
| S3 | 产生导电路径 |
Claims (18)
1.一种高功率半导体模块（10），所述模块（10）包括：
高功率半导体设备（12），其安装在所述模块（10）上并且包括至少两个电连接（14a，14b）；以及
短路设备（16），其安装在所述模块（10）上并且适于在所述半导体模块（10）中的失效时在接收触发信号（23）时通过电损毁所述高功率半导体模块（10）的半导体（30，32）而在所述两个电连接（14a，14b）之间产生持续导电路径（92）。
2.如权利要求1所述的高功率半导体模块（10），
其中通过损毁所述高功率半导体设备（12）的高功率半导体（30）的至少一部分而产生所述持续导电路径（92）；和/或
其中通过损毁所述短路设备（16）的短路半导体（32）的至少一部分而产生所述持续导电路径（92）。
3.如权利要求1所述的高功率半导体模块（10），
其中所述短路设备（16）包括晶闸管（24）作为短路半导体（32）和/或其中所述高功率半导体设备（12）包括晶闸管、IGBT和/或二极管作为高功率半导体（30）。
4.如权利要求2所述的高功率半导体模块（10），
其中所述短路设备（16）包括晶闸管（24）作为短路半导体（32）和/或其中所述高功率半导体设备（12）包括晶闸管、IGBT和/或二极管作为高功率半导体（30）。
5.如权利要求3-4中的任一项所述的高功率半导体模块（10），其中所述晶闸管是GTO或者IGCT。
6.如权利要求1-4中的任一项所述的高功率半导体模块（10），
其中所述短路设备（16）包括提供牺牲区的短路半导体（32），所述牺牲区配置用于被由所述触发信号（23）触发的电流脉冲损毁。
7.如权利要求1-4中的任一项所述的高功率半导体模块（10），
其中所述高功率半导体设备（12）包括高功率半导体（30）并且所述短路设备（16）包括短路半导体（32），它们设置在共同衬底（28）中。
8.如权利要求7所述的高功率半导体模块（10），
其中所述短路半导体（32）完全被所述高功率半导体（30）环绕。
9.如权利要求7所述的高功率半导体模块（10），其进一步包括：
极片（60），其附连到所述高功率半导体（30）的侧面；
其中所述极片（60）包括孔（62），所述孔（62）具有用于弹簧承载触销（70）的绝缘架（64），所述弹簧承载触销（70）用于将所述触发信号（23）传送到所述短路半导体（32）；和/或
其中所述极片（60）包括沟槽（74），所述沟槽（74）具有绝缘安装到所述极片（60）的控制引线（44）。
10.如权利要求8所述的高功率半导体模块（10），其进一步包括：
极片（60），其附连到所述高功率半导体（30）的侧面；
其中所述极片（60）包括孔（62），所述孔（62）具有用于弹簧承载触销（70）的绝缘架（64），所述弹簧承载触销（70）用于将所述触发信号（23）传送到所述短路半导体（32）；和/或
其中所述极片（60）包括沟槽（74），所述沟槽（74）具有绝缘安装到所述极片（60）的控制引线（44）。
11.如权利要求7所述的高功率半导体模块（10），
其中所述高功率半导体设备（12）包括设置在所述共同衬底（28）中的续流二极管（34）。
12.如权利要求7所述的高功率半导体模块（10），
其中所述高功率半导体设备（12）和所述短路半导体设备（16）设置在共同衬底（28）的盘（26）中；
其中所述盘（26）包括包括所述短路半导体（32）的中间区（36）、环绕所述中间区（36）并且包括续流二极管（34）的第一环形区（38）和环绕所述第一环形区（38）并且包括所述高功率半导体（30）的第二环形区（40）。
13.如权利要求1-4中的任一项所述的高功率半导体模块（10），
其中所述短路设备（16）包括电容器（20），其用于提供电能以用于损毁半导体（30，32）使得产生所述导电路径（92）和/或用于触发所述短路设备（16）。
14.如权利要求13所述的高功率半导体模块（10），
其中在所述高功率半导体设备（12）的所述电容器（20）卸载时，所述短路设备（16）的所述电容器（20）经由二极管（22）而连接到所述高功率半导体设备（12）的电容器（18），用于防止所述短路设备（16）的所述电容器（18）的卸载。
15.如权利要求1-4中的任一项所述的高功率半导体模块（10），
其中所述短路设备（16）包括光纤连接（54）和用于将来自所述光纤连接（54）的触发信号（23）转换成电触发信号的控制电路（46）。
16.如权利要求1-4中的任一项所述的高功率半导体模块（10），
其中所述高功率半导体设备（12）包括光纤连接（52）和用于处理来自所述光纤连接（52）的控制信号的控制电路（49）。
17.一种模块化多电平转换器系统（94），其包括：
多个如以上权利要求中的任一项所述的高功率半导体模块（10）；
控制器（98），用于控制所述高功率半导体模块（10）的高功率半导体设备（12）；
其中所述控制器（98）适于检测高功率半导体设备（12）的失效并且适于向短路设备（16）提供触发信号（23）以用于旁路所失效的高功率半导体设备（12）。
18.一种用于旁路高功率半导体模块（10）的方法，所述方法包括：
检测（S1）所述高功率半导体模块（10）的失效并且在检测到所述失效时产生（S2）触发信号（23）；
在接收所述触发信号（23）时通过电损毁所述高功率半导体模块（10）的半导体（30，32）而在所述高功率半导体模块（10）的两个电连接（14a，14b）之间产生（S3）持续导电路径（92）。
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