CN104838577A - 电力电子设备模块中用于改进的故障模式处理的无源电路 - Google Patents
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Abstract
电力电子设备模块（100），用于增强短路故障模式（SCFM）转变。该模块适于在多个半导体芯片（201）的至少一个的故障后立即使用第一开关（104）来使门单元（102）从该模块断开，在此期间，出故障的芯片进入SCFM，并且，该模块适于使用第二开关（105）来将包括至少一个电容器（106）和至少一个电阻器（107）的无源电路布置（103）连接至该模块。无源电路布置适于开启剩余的未出故障的半导体芯片的至少一个。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子设备（PE）的技术领域。具体地，涉及增强PE模块中的短路故障模式（SCFM）转变。
背景技术
电压源换流器（VSC）是包括多个诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）电力模块的半导体芯片的电力开关。它们常常在用于将直流电转换成交流电且反之亦然的高压直流（HVDC）应用中或在用于电力传输系统中的无功补偿的静态无功补偿器（SVC）中使用。
诸如IGBT和门极关断（GTO）闸流管的半导体芯片适合于高功率应用。IGBT常常是优选的，因为它们将大功率处理能力与使它们非常适合于串联和/或并联连接的特征相结合。
在PE模块中可能出现短路情形。在这样的情形下，有必要能够处理短路的影响。在半导体例如由于过电流或过电压而击穿时，半导体不再能够保持电压。不能控制被损坏的半导体。可能仅保持小的电压差，并且，在导通时，其电阻能够具有广范围内的值。在最坏的情况下，迫使电流通过具有高电阻的被损坏的半导体可能生成电弧，该电弧会生成大功耗。
在US 7 538 436 B2中描述了电力电子设备模块的一个示例。在模块内侧，半导体芯片并联布置，以便增大总电流能力。电力电子设备模块具有在（由于例如宇宙辐射而导致的）IGBT或二极管故障的情况下进入稳定的短路故障模式（SCFM）的能力。在发生另一个IGBT或二极管故障时，该模块再次进入SCFM。这被称为SCFM转变。PE模块串联连接，以获得具有高的截止电压的值。在模块中的短路的情况下，由堆中的剩余的模块接管截止能力。
因此，期望获得电力电子设备模块中的SCFM转变的改进的控制。
发明内容
本发明的目标是提供对上文的技术和现有技术的改进的备选方案。更具体地，本发明的目标是控制PE模块中的SCFM转变。
为了达到这些及其他目标，提供根据独立权利要求的PE模块。
本发明基于如下的洞察：SCFM转变的期间的电弧放电的出现能够用作触发信号和能源，以并联地创建新的SCFM。提出允许电弧放电的控制并改进PE模块的性能的电路方案。而且，提出由于过电流而导致多SCFM生成的另外的电路方案。它们允许模块内的改进的电流分布并导致施加于冷却装置上的热应力的减小。能够针对延长的服务区间或模块的提高的总电流能力而采用增强的控制。此外，在SCFM电阻变得太高时，电路能够再次重复该SCFM转变程序，直到使模块中的全部半导体芯片进入SCFM为止。
关于本发明的观念的一个优点是，由于无需另外的电源，因而能够在模块中实现低成本的电路。
此外，本解决方案提供不具有时间要求严格的传感器和致动器的可靠的转变机构。
根据本发明的第一方面，如在权利要求1中所定义，提供用于控制SCFM转变的PE模块，该PE模块包括并联连接的多个半导体芯片、门单元（GU）以及无源电路布置。
根据本发明的实施例，PE模块包括无源电路布置，其中，无源电路布置包括至少一个电容器和至少一个电阻器的并联连接。模块适于将至少一个半导体芯片的电弧放电用作能源，以使至少一个电容器充电。然后，将栅极电压施加于未出故障的半导体芯片的栅极，并且，无源电路布置接通剩余的未出故障的多个半导体芯片的至少一个。从而，能够并联地创建新的SCFM，以致于改进电流分布并延长寿命。
根据本发明的另一个实施例，PE模块包括多个电阻器。多个电阻器具有不同的电阻值，或任选地，多个电阻器的至少两个具有相同的电阻值。以该方式，可能控制开启剩余的未出故障的半导体芯片中的哪个。如果过电流足够地强且持久，则由PE模块开启的单个半导体芯片能够仅以SCFM结束。
因此，假使本设备电流远低于标称电流额定值，则需要控制未出故障的半导体芯片的数量。
附图说明
在结合附图来考虑时，本发明的另外的特性和优点将从以下的非限制的详细描述对本领域技术人员更清楚地显现，其中：
图1示出根据本发明的例示的实施例的PE模块的示意图；
图2示出根据本发明的另一个例示的实施例的PE模块的示意图。
具体实施方式
在图1中示出用于增强PE模块100中的SCFM转变的实施例。PE模块100包括多个半导体芯片101、门单元（GU）102以及无源电路布置103，为了简明起见，仅示出一个半导体芯片。无源电路布置103包括至少一个电容器106和至少一个电阻器107的并联连接。GU 103经由第一开关104而连接至多个半导体芯片101的栅极，并且，无源电路布置103经由第二开关105而连接至多个半导体芯片101的栅极。第一开关104和第二开关105受GU 102控制。任选地，第二开关105能够由用于半导体芯片的无源控制的继电器实现。在正常运行的期间，响应于GU 102所提供的信号，第一开关104被配置成闭合，并且，第二开关105被配置成断开。该信号可能是例如电压、电流或光学信号。在半导体芯片的故障之后，出故障的芯片进入SCFM。于是，GU 102通过例如电压测量而检测故障，随后断电或未能运行。随着GU 102不再将信号施加于第一开关104和第二开关105的控制终端，第一开关104改变为断开位置，从而将多个半导体芯片101从GU 102断开。于是，第二开关105改变为闭合位置，以便无源电路布置103连接至多个半导体芯片101的栅极。电弧电压使电容器106充电，随后，将栅极电压施加于未出故障的半导体芯片的栅极。无源电路布置103使剩余的未出故障的多个半导体芯片的至少一个接通。在接通之后，至少一个半导体芯片耗费大部分电流，并且，能够使电弧灭绝。接通状态下的一个或更多个半导体芯片的热散逸能够触发另一个芯片故障并开始形成另一个SCFM转变。电容器106存储足够的能量来完成SCFM转变过程。齐纳二极管108能够任选地限制电压，以致于栅极不被过电压损坏。
在图2中示出用于增强PE模块200中的SCFM转变的另一个实施例。PE模块200包括多个半导体芯片201、门单元（GU）205以及无源电路布置202。无源电路布置包括至少一个电容器203和至少一个电阻器204的并联连接。PE模块200还包括多个电阻器206，其中，多个电阻器206的每个连接至多个半导体芯片201的相应的栅极或相应的一组栅极。GU 205经由第一开关207而连接至多个半导体芯片201的栅极，并且，无源电路布置202经由第二开关208而连接至多个半导体芯片201的栅极。第一开关207和第二开关208受GU 205控制。在正常运行的期间，响应于GU 205所提供的信号，第一开关207被配置成闭合，并且，第二开关208被配置成断开。该信号可能是例如电压、电流或光学信号。在半导体芯片201的故障之后，出故障的芯片进入SCFM。GU 205检测故障并断开第一开关207，以便使半导体芯片201从GU 205断开且使其栅极彼此断开。任选地，代替仅具有一个第一开关207，能够存在多个同步地工作的开关，其中，多个开关的每个将至少一个半导体芯片连接至GU 205。于是，第二开关208改变为闭合位置，以便无源电路布置202连接至多个半导体芯片201的栅极。在SCFM的寿命结束时，电弧放电启动并使电容器203充电，这提供能量和电压电平来接通并联的且仍截止的剩余的未出故障的多个半导体芯片201。为了控制开启剩余的未出故障的半导体芯片201中的哪个，应当针对多个电阻器206而选择不同的输入电阻值。齐纳二极管209能够任选地限制电压，以致于栅极不被过电压损坏。
Claims (9)
1. 一种电力电子设备PE模块，包括并联连接的多个半导体芯片、门单元GU以及无源电路布置，其中，所述GU经由第一开关连接至所述多个半导体芯片的栅极，并且所述无源电路布置经由第二开关连接至所述多个半导体芯片的所述栅极，并且其中，
所述第一开关适于在正常运行下具有闭合位置，并且在所述多个半导体芯片的至少一个的故障后改变为断开位置，从而使所述多个半导体芯片从所述GU断开，以及
所述第二开关适于在正常运行下具有断开位置，并且在所述多个半导体芯片的至少一个的故障后改变为闭合位置，其中，所述无源电路布置连接至所述多个半导体芯片的所述栅极，并且其中，所述无源电路布置适于开启剩余的未出故障的多个半导体芯片的至少一个。
2. 如权利要求1所述的PE模块，其中，所述无源电路布置包括至少一个电容器和至少一个电阻器的并联连接。
3. 如权利要求1或2所述的PE模块，其中，所述一个或多个半导体芯片适于继芯片故障之后进入短路故障模式SCFM。
4. 如权利要求3所述的PE模块，其中，所述模块适于利用来自多个半导体芯片的所述一个的电弧放电的能量来使所述至少一个电容器充电，并且其中，所述电弧放电发生于所述SCFM的寿命结束时。
5. 如权利要求1所述的PE模块，其中，所述模块还包括多个电阻器，并且其中，所述多个电阻器的每个连接至所述多个半导体芯片的相应的栅极或相应的一组栅极。
6. 如权利要求5所述的PE模块，其中，所述多个电阻器具有不同的电阻值，以便控制开启所述剩余的未出故障的半导体芯片中的哪个。
7. 如权利要求5所述的PE模块，其中，所述多个电阻器的至少两个具有相同的电阻值，以便控制开启所述剩余的未出故障的半导体芯片中的哪个。
8. 如权利要求1所述的PE模块，其中，所述半导体芯片被包括在IGBT、BIGT、IGCT、MOSFET、JFET以及闸流管的组中。
9. 如权利要求1所述的PE模块，其中，所述半导体芯片是双极和MOS控制的半导体设备。
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