CN110546870B - 功率模块、其控制方法及使用、以及功率模块栈 - Google Patents
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Abstract
一种功率模块（10）包括：基于宽带隙衬底的多个常导通半导体开关（14），常导通半导体开关（14）被并联连接；以及平衡单元（24），包括串联连接的电容器（32）和平衡半导体开关（34），它们被并联连接到常导通半导体开关（14）。
Description
技术领域
本发明涉及高电压功率转换器的领域。特定地说，本发明涉及功率模块和功率模块栈、功率模块的使用和用于操作功率模块的方法。
背景技术
对于高电压应用，一个半导体开关的阻断电压可不够高以阻断由功率转换器处理的高电压。在串联连接半导体开关时，结果开关的阻断电压容量被增大。
半导体开关的更高阻断电压可允许转换器拓扑的简化结构，其可具有降低系统复杂性，降低成本和增大可靠性的可能。例如，在像带有大量功率模块的高电压DC(HVDC)应用的模块式多级转换器拓扑中，一个功率模块的阻断电压的翻倍可将功率模块的数量减半，这可大幅简化系统复杂性。类似地，在多级中压驱动装置中，可能将3级拓扑替换为2级拓扑。
SiC和其它宽带隙材料开关以低开关损耗允许高阻断电压。因此，它们可很好地适合像HVDC或中压驱动装置的中压和高压应用。然而，除与动态和静态电压平衡有关的问题外，可存在在芯片失效情况下的问题。
在带有Si IGBT半导体开关的功率模块中，短路失效模式(SCFM)可用，其由直接连接到每个Si-IGBT半导体开关的金属垫片提供。在芯片失效情况下，该半导体开关的金属垫片和Si衬底一起形成导电合金。
对于SiC半导体开关和其它宽带隙材料开关，此熔化过程不可以采用可靠的方式被控制，使得单芯片失效可不但使该半导体开关失效，而且使整个转换器失效。
WO2015 090 428A1涉及一种处理转换器单元的失效的半导体开关模块的方法。该转换器单元包括单元电容器和多个半导体开关模块，每个半导体开关模块具有短路失效模式并且包括由栅极单元和切断开关可控的多个半导体子模块。
Kokokis Sotirios等人所著“Forced Current Balancing of Parallel-Connected SiC JFETs During Forward and Reverse Conduction Mode”(IEEETransactions on power electronics，电气和电子工程师协会，USA，vol.32，no.2)在图6(a)中示出被布置在测试电路中的两个并联的SiC JFET。这些JFET与开关和电容器并联连接。为测试这些JFET的并联连接，在电感器中生成电流，该电流随后被施加到这些JFET。
US 2011/267 852A涉及在带有冗余开关单元的转换器中的故障保护。示出了带有可以是IGBT或GTO的开关的紧压包装布置。
发明内容
本发明的目的是提供可靠的转换器拓扑，其仅需要很少的维护并且可与宽带隙半导体器件组合使用。
此目的通过本公开的技术方案而得以实现。其它示范实施例通过下面的描述得以阐明。
本发明的第一方面涉及一种功率模块。功率模块可以是由一个或多个半导体芯片、其电气和机械互连及用于这些组件的外壳组成的任何器件。用语“功率”在这里和在下文中可指适于处理大于100V和/或大于10A的电流的模块和/或半导体开关。
根据本发明的一实施例，该功率模块包括基于宽带隙衬底的多个常导通(normally-on)半导体开关，这些开关被并联连接。每个半导体开关可被提供在由宽带隙衬底制成的半导体芯片中。例如，常导通半导体开关可以基于SiC衬底。还有，常导通半导体开关可具有大于10kV的阻断能力。
常导通半导体开关可以是在无栅极信号或大致0V的栅极信号被施加到其栅极时在导电或被导通的半导体开关。在与0不同的电压被施加到其栅极时，常导通半导体开关变成阻断或被关断。例如，常导通半导体开关可以是JFET，即结型栅场效晶体管。与此相反，常关断半导体开关可以是在无栅极信号或大致0V的栅极信号被施加到其栅极时在阻断或被关断的半导体开关。
例如，常导通半导体开关可以是SiC JFET。SiC JFET可被视为最成熟的SiC开关器件。它们可具有比诸如MOSFET、IGBT的其它开关器件更简单的结构，并且在SiC JFET中可不存在栅极氧化层退化问题。此外，由于其正温度系数，SiC JFET可容易被并联，这可产生更高的电流能力。
含有并联连接的常导通宽带隙材料半导体开关(其携带功率模块的额定电流)的功率模块一方面可作为基于Si半导体开关的功率模块而提供更高阻断电压，并且另一方面可在短路情况下提供固有失效(intrinsic failure)模式。此类短路可将失效的半导体开关的栅极连接到其源极，产生0V的栅极-源极电压。在并联常导通半导体开关的所有栅极被连接到相同栅极控制线时，它们全部也将具有0V的栅极-源极电压，并且全部将变成永久性导电。
此外，如果常导通半导体开关之一失效，则这经常可破坏该功率模块的整个栅极连接，并且所有其它常导通半导体开关变成永久性导电。
这样，在该功率模块被与同样设计的功率模块串联使用时，如果其开关之一失效，则该功率模块被桥接。如在带有基于Si衬底的常关断半导体开关的功率模块中一样，此类功率模块不要求熔化过程来保持由这些功率模块组成的转换器工作。机械旁路开关可变得过时和/或成本可由于失效的更好控制而被降低。
另外，由于SiC常导通半导体开关的采用，该功率模块的占用面积可被大幅降低，并且功率密度可被增大。一般的，宽带隙或SiC半导体开关可导致冷却要求的降低，可产生低的导通状态电阻，这可产生低的传导损耗和更高的系统效率。此外，可存在更低的冷却器损坏的风险，因为在失效期间或之后电弧或爆炸的机会更小。
根据本发明的一实施例，该功率模块进一步包括平衡单元，其包括串联连接的电容器和平衡半导体开关，它们被并联连接到常导通半导体开关。该电容器和常关断半导体开关可负责堆叠的功率模块的电压平衡。
该平衡半导体开关和/或该电容器可具有比常导通功率半导体开关更低的额定电压和/或额定电流。该平衡半导体开关和/或该电容器可未经历主电流，而仅经历在开关时间的电流峰值，这可意味着与常导通半导体开关相比较，该平衡半导体开关可处理更少得多的平均电流。该电容器负责电压平衡，但不经历主电流。
例如，该平衡半导体开关可以是常关断半导体开关和/或可以基于Si衬底。该平衡半导体开关可以是IGBT，诸如Si IGBT。备选的是，该平衡半导体开关可以是诸如Si MOSFET的MOSFET或诸如Si JFET的JFET。
由于该平衡单元可负责电压平衡，因此，可不必预选择用于功率模块的芯片和/或半导体开关以便仅采用带有彼此极其靠近的电气特性的芯片。忽略此特定预选择过程可有助于降低成本。
根据本发明的一实施例，无电感器与多个常导通半导体开关和与串联连接的电容器和平衡半导体开关并联连接。仅常导通半导体开关可被提供有来自该电容器的平衡电压。
根据本发明的一实施例，仅多个常导通半导体开关和串联连接的电容器和平衡半导体开关被并联连接。无其它电和/或电子组件(特别是适于通过常导通半导体开关永久性传导负载电流的那些组件)应被并联连接到该常导通半导体开和该平衡单元。根据本发明的一实施例，该功率模块包括适于提供用于常导通半导体开关的栅极信号的控制器。该控制器可通过仅一个信号来控制所有常导通半导体开关。通常，该控制器可接收来自上级控制器的控制信号，该上级控制器控制转换器，该功率模块是该转换器的组件。
另外，用于检测在该功率模块中的短路失效的一个或多个传感器可在该功率模块中被提供和/或可与适于检测此类失效的该控制器互连。此外，该控制器可适于在出现检测到的失效的情况下施加关断栅极信号到常导通半导体开关。
如上所述，在短路失效损毁栅极连接和/或甚至栅极控制器时，该功率模块的所有半导体开关变成导电并且将桥接该功率模块。这可被视为固有或被动失效模式。如果情况不是如此，则该控制器可检测该短路，并且可施加0V的栅极信号到该功率模块的所有常导通半导体开关，使得它们全部变成导电。这可被视为外在(extrinsic)或主动失效模式。利用此类功率模块，不要求基于熔化的短路失效模式以便保持转换器工作。这可在芯片失效后使得更长的寿命能实现。
根据本发明的一实施例，该控制器适于提供用于该平衡半导体开关的栅极信号。还有，该平衡单元可与常导通半导体开关由相同控制器控制。
根据本发明的一实施例，该控制器适于利用给定开关频率导通和关断常导通半导体开关。该开关频率或相应地调制的信号可被提供到该控制器。换而言之，常导通半导体开关被有规律地和/或在统一时间间隔后被导通和关断。
根据本发明的一实施例，该控制器适于在常导通半导体开关被导通时关断该平衡半导体开关，并且适于在常导通半导体开关被关断时导通该平衡半导体开关。通常，该平衡半导体开关以相对于常导通半导体开关相反的方式被控制。这样，该电容器可在常导通半导体开关被切换在导电状态中时保持其电压。在常导通半导体开关被切换在阻断状态中时，该电容器被与它们并联连接并且平衡施加到它们的电压。
根据本发明的一实施例，常导通半导体开关和该平衡半导体开关通过其被导通和关断的该给定开关频率高于50Hz，例如高于500Hz。该功率模块可被用于切换AC电流。
根据本发明的一实施例，在关断该平衡半导体开关和导通所述常导通半导体开关之间的时间间隔小于1μs。相应地，在关断常导通半导体开关和导通该平衡半导体开关之间的时间间隔小于1μs，例如小于100ns。在常导通半导体开关和该平衡半导体开关的导电状态之间，常导通半导体开关和该平衡半导体开关二者在其中均是阻断的时间间隔可很短。特定地，这些时间间隔可比开关频率的期间更短(诸如至多是其1/10)。根据本发明的一实施例，该控制器被机械集成在该功率模块中。机械集成可意味着该控制器的电路系统被提供在该功率模块的外壳内和/或附连到该功率模块的外壳和/或框架。
一般地，该电压平衡开关可由与用于常导通半导体开关的栅极驱动器不同的栅极驱动器驱动。然而，两个栅极驱动器均可被提供在相同印刷电路板上。此印刷电路板可被集成到该功率模块中。
此外，该平衡单元可被提供在印刷电路板上,该印刷电路板也可被集成在该功率模块中。例如，该控制器和该平衡单元可由相同的印刷电路板或者由不同的印刷电路板提供。取决于用于该平衡单元的该电容器的大小，可存在在模块框架中的另外袋(pocket)和/或腔(cavity)中集成该印刷电路板的选项，或者将它直接连接到该框架外的选项。
根据本发明的一实施例，常导通半导体开关的所有栅极彼此电连接以便接收来自控制器的单个栅极信号。换而言之，该功率模块可具有单个栅极控制线，其可被连接到控制器。如上已经提及的，在常导通半导体开关之一短路的情况下，单个栅极控制线可被连接到该功率模块的源极侧。该功率模块的该源极侧可以是常导通半导体开关的源极被电连接到的电导体。根据本发明的一实施例，该功率模块包括常导通半导体开关被接合到的底板和对于每个常导通半导体开关，导电弹簧元件被附连到的顶板，其挤压相应常导通半导体开关。该功率模块可以是带有将电触点挤压到常导通半导体开关的弹簧元件的组合件。例如，常导通半导体开关可被组装到子模块中，并且该子模块可被布置在该功率模块的框架中。该框架可被夹紧在冷却板之间。
然而，也可能常导通半导体开关被夹在底板与顶板之间而无弹簧元件。
根据本发明的一实施例，该功率模块进一步包括用于提供辅助功率到该控制器的辅助单元。该辅助单元可被视为用于该功率模块和/或用于其控制器的辅助功率供应。
通常，如果采用诸如IGBT、MOSFET、IGCT等常关断开关的转换器上电，则DC链路电容器被充电，并且辅助单元从该处汲取电流。此类辅助单元开始供应栅极驱动器、控制和传感器，常关断开关开始开关，并且该转换器转入操作。
然而，在转换器带有像如本文中提议的该功率模块中所采用的JFET的常导通半导体开关的情况下，在将该转换器连接到电网前，常导通半导体开关通常需要已经工作。否则，常导通半导体开关将在一开始便使电容器短路，并且除使电网短路外，将阻止其它辅助装置和转换器本身的上电。因此，诸如辅助单元的电容器的能量存储装置在将该转换器连接到该电网前可能不得不预充电或者至少部分预充电。此外，预充电可能不得不利用与该功率模块和/或该辅助单元在电流上隔离的器件进行，该器件可能在该功率模块的电势上。
根据本发明的一实施例，该辅助单元包括用于在该功率模块启动的情况下提供功率到该控制器的电池。该电池可以是可充电的，并且可在该功率模块的操作期间例如从单元电容器和/或该平衡单元的该电容器充电。这解决了电流隔离的问题，但可要求一定的后勤和/或维护工作以定期更换空电池，特别是在该转换器的功率模块的数量大的情况下。
根据本发明的一实施例，该辅助单元包括用于在该功率模块启动的情况下提供功率到该控制器的感应式功率供应。例如，该辅助单元包括带有在该功率模块中提供的一次绕组和与该功率模块在电流上隔离的二次绕组的变压器。该二次绕组可以是充电单元的一部分，其可能不得不与完全系统电压隔离。
也可以是二次绕组和/或该充电单元与致动器一起向该功率模块中的一次绕组移动以便预充电并且之后移动离开它。这样，该辅助单元可包括可移动感应式充电单元。功率传递单元可具有充电单元，其可被移动靠近该辅助单元的接收元件以便进行预充电。在将该转换器连接到电网前，该充电单元可能不得不被移到绝缘区域外。
诸如一次绕组、整流器和/或小型转换器的该辅助单元可被集成到该功率模块中。例如，该辅助单元可与该控制器和/或该平衡单元被提供在相同的印刷电路板上。
本发明的又一方面涉及一种功率模块栈，其包括如在上面和在下面所描述的被串联连接的至少两个功率模块。例如，该功率模块栈可以是电转换器的一部分。该功率模块栈可被视为该电转换器的开关，在该情况下，该栈的所有功率模块和所有常导通半导体开关被同时开关。
通过将一个功率模块的顶板附连到下一功率模块的底板，该栈中的功率模块可被串联连接。要注意的是，两个、三个、四个或更多个功率模块可被串联连接以形成功率模块栈。
要理解的是，如在上面和在下面所描述的功率模块栈的特征可以是如在上面和在下面所描述的功率模块的特征，且反之亦然。
本发明的又一方面涉及用于在转换器中切换电流的功率模块的使用，例如如在上面和在下面所描述的。该功率模块可包括基于宽带隙衬底的多个常导通半导体开关，常导通半导体开关被并联连接；以及平衡单元，包括串联连接的电容器和平衡半导体开关，它们被并联连接到常导通半导体开关。
本发明的又一方面涉及一种用于控制功率模块的方法，例如如在上面和在下面所描述的。该功率模块可包括基于宽带隙衬底的多个常导通半导体开关，常导通半导体开关被并联连接；以及平衡单元，包括串联连接的电容器和平衡半导体开关，它们被并联连接到常导通半导体开关。
根据本发明的一实施例，该方法包括：利用给定开关频率导通和关断常导通半导体开关；以及在常导通半导体开关被导通时关断该平衡半导体开关，并且在常导通半导体开关被关断时导通该平衡半导体开关。
从下文描述的实施例将明白本发明的这些和其它方面，并且将参照下文描述的实施例，阐明本发明的这些和其它方面。
附图说明
参照在附图中图示的示范实施例，在下文中将更详细解释本发明的主题。
图1以示意图方式示出根据本发明的一实施例的功率模块。
图2以示意图方式示出根据本发明的一实施例的用于功率模块栈的电路图。
图3A和3B以示意图方式示出根据本发明的一实施例的用于功率模块的控制器的实施例。
图4以示意图方式示出根据本发明的一实施例的功率模块栈的横截面图。
图5以示意图方式示出根据本发明的又一实施例的功率模块栈的横截面图。
图形中使用的参考符号及其含义在参考符号的列表中以摘要形式列出。原则上，图形中为相同的部分提供了相同的参考符号。
具体实施方式
图1示出由功率开关子模块12和控制与辅助子模块13组成的功率模块10。
子模块12包括在DC+端子16与DC-端子18之间并联连接的多个常导通半导体开关14。在本例中，常导通半导体开关14是基于SiC衬底的JFET。另外，所有常导通半导体开关14的栅极20被连接到一个栅极控制线22。
在常导通半导体开关14之一短路的情况下，开关14的相应栅极20可被连接到开关14的源极和漏极，它们被短路。由于共同的栅极控制线22，所有其它常导通半导体开关14也被连接到此电势，并且随后被切换到导通状态。此外，在栅极控制线22被短路损坏，并且无栅极信号能被传导到开关14时，它们也保留在该导通状态，并且完全短路子模块12。这可提供用于功率开关子模块12的被动、固有的短路失效模式。
辅助子模块13包括平衡单元24和控制器26。
控制器26与栅极控制线22互连并且适于生成用于所有开关14的栅极信号。即，控制器26可包括功率模块10的栅极单元。来自功率模块10是其的一部分的转换器的上级控制器的开关信号可经由外部控制线28被提供。
可选地，在功率模块10和/或子模块12中，可布置适于检测短路的传感器30。此类传感器30可以是测量子模块12中的电流和/或电压的电传感器，可以是适于测量子模块12内的照明的光传感器，可以是用于测量由短路生成的声音的声音传感器等。任何传感器原理都是可能的。传感器30可与控制器26互连，其因而可适于基于传感器信号，检测在子模块12中的短路。在发生短路的情况下，控制器26可生成用于开关14的栅极信号，其将它们全部关断。这可被视为功率模块10的主动、外在的短路失效模式。
平衡单元24包括与平衡开关34串联连接的电容器32，该平衡开关可以是常关断半导体开关，诸如Si IGBT。平衡开关34的额定电流和/或额定电压可比开关14的额定电流和/或额定电压更小得多，诸如不到五分之一。续流二极管36可被反并联连接到开关34。开关34和电容器32的串联连接被并联连接到开关34和/或子模块12。
控制器26适于控制开关34和/或测量跨电容器32的电压，该电容器可被用于为控制器26供应辅助功率。
平衡单元24和控制器26可被提供在子模块13的共同印刷电路板上。
参照图2，平衡单元24被用于平衡串联连接的功率模块10的栈38的模块电压。此类栈38可被用作转换器内的高压开关，诸如整流器的臂等。在功率模块10的此类串联连接中，开关14的阻断电压(其是一个模块10的阻断电压)总计成某个阻断电压，这是所有功率模块10的阻断电压之和。
为平衡功率模块10的电压，控制器26适于相对于常导通开关14反循环地开关平衡开关34。在该情况下，开关14将被导通，电容器32提供电压到开关14，该电压大体上是标称模块电压，即施加到栈38的电压除以功率模块10的数量。但如果模块10之一稍微早点切换进入导电状态，则仅该电容器的电压被施加到开关14。在切换后，在开关14在导电时，平衡开关34立即被关断，使得电容器32未放电。
功率模块10的开关14被关断时，平衡开关34再次被导通以对电容器34充电。
图3A和3B示出控制器26的实施例，带有在功率模块10启动的情况下适于提供辅助功率到功率模块10的不同辅助单元48。由于常导通半导体开关14必须被切换在阻断状态中，所以之前功率模块10的电容器32和/或带有功率模块10的转换器的更一般电容器能够被充电。在功率可由此类电容器提供前，控制器10必须被供应有能量。由于辅助单元48可具有在控制器26中的组件，其以后可能在功率模块10的电势上，因此，这些组件可能不得不与转换器的其余组件在电流上被分离。
如图3A中所示出的，辅助单元48可包括电池52，其例如可在功率模块10的工作期间被充电。然而，电池52也可以是非可充电电池。
图3B示出辅助单元48可以基于变压器58，带有在控制器26中的一次绕组60和在该功率模块的启动期间利用致动器64向一次绕组60可移动的二次绕组62。为了电流分离，二次绕组62可在以后被移动离开一次绕组。
图4和5示出如前面所述的功率模块10的栈38的机械设定。每个功率模块10可包括顶板66和底板68，开关14被夹在其之间。栈38是通过堆叠功率模块利用其底板68在前一功率模块10的顶板66上而组装成的。
功率模块10和/或子模块12可以是同样设计的。开关14可被接合到底板68。对于每个开关14，弹簧元件70可被附连到顶板66，顶板被挤压到相应开关14以便提供可靠的电连接。然而，也可能开关14在没有弹簧元件的情况下被组装在板66、68之间和/或可被接合到两个板66、68。
图4和5示出栈38可由两个、四个或一般地多个带有常导通半导体开关14的功率模块10形成。此类功率模块10可以像在图1和2中示出的功率模块一样设计。
此外，功率模块10的子模块13可被集成到子模块12中。如上所述，子模块13可包括相应功率模块10的控制器26和可选地包括平衡单元24。子模块13可被集成到功率模块10内的袋或腔中，例如在顶板66与底板68之间。
尽管本发明已在图形和前面描述中被图示和详细描述，但此类图示和描述要被视为是说明性或示范性的且不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。根据研究图形、公开和随附权利要求，对公开实施例的其它变化能够由本领域中技术人员和实践要求保护的本发明而被理解和实现。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词词“一(a或an)”不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可满足权利要求所记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求项中记载某些措施的这一事实不表示这些措施的组合不能被用来形成优势。权利要求中的任何标号不应视为限制范围。
标号列表
10 功率模块
12 功率开关子模块
13 控制和辅助子模块
14 常导通半导体开关
16 DC+端子
18 DC-端子
20 栅极
22 栅极控制线
24 平衡单元
26 控制器
28 外部控制线
30 传感器
32 平衡电容器
34 平衡开关
36 续流二极管
38 功率模块栈
48 辅助单元
52 电池
58 变压器
60 一次绕组
62 二次绕组
64 致动器
66 顶板
68 底板
70 弹簧元件。
Claims (12)
1.一种功率模块(10)，包括：
基于宽带隙衬底的多个常导通半导体开关(14)，所述常导通半导体开关(14)被并联连接；
平衡单元(24)，包括串联连接的电容器(32)和平衡半导体开关(34)，串联连接的所述电容器(32)和所述平衡半导体开关(34)被并联连接到所述常导通半导体开关(14)；
控制器(26)，适于提供用于所述常导通半导体开关(14)的栅极信号和适于提供用于所述平衡半导体开关(34)的栅极信号；
其中所述控制器(26)适于利用给定开关频率导通和关断所述常导通半导体开关(14)；
其中所述控制器(26)适于在所述常导通半导体开关(14)被导通时关断所述平衡半导体开关(34)，并且适于在所述常导通半导体开关(14)被关断时导通所述平衡半导体开关(34)，
其中所述平衡半导体开关(34)是常关断半导体开关。
2.如权利要求1所述的功率模块(10)，
其中所述给定开关频率高于50Hz；
其中在关断所述平衡半导体开关(34)和导通所述常导通半导体开关(14)之间的时间间隔小于1μs；其中在关断所述常导通半导体开关(14)和导通所述平衡半导体开关(34)之间的时间间隔小于1μs。
3.如权利要求1或2所述的功率模块(10)，
其中所述控制器(26)被机械集成在所述功率模块(10)中。
4.如权利要求1或2所述的功率模块(10)，
其中所述常导通半导体开关(14)基于SiC衬底；
其中所述常导通半导体开关(14)是JFET。
5.如权利要求1或2所述的功率模块(10)，
其中所述平衡半导体开关(34)基于Si衬底；
其中所述平衡半导体开关(34)是IGBT、MOSFET或JFET。
6.如权利要求1或2所述的功率模块(10)，
其中所述常导通半导体开关(14)包括栅极(20)，所有所述栅极(20)彼此被电连接以便接收来自控制器(26)的单个栅极信号。
7.如权利要求1或2所述的功率模块(10)，进一步包括：
所述常导通半导体开关(14)被接合到的底板(68)和对于每个常导通半导体开关(14)导电弹簧元件(70)被附连到的顶板(66)，所述导电弹簧元件挤压相应常导通半导体开关(14)。
8.如权利要求1或2所述的功率模块(10)，进一步包括：
辅助单元(48)，用于提供辅助功率到所述控制器(26)，
其中所述辅助单元(48)包括在所述功率模块(10)启动的情况下用于提供功率到所述控制器(26)的电池(52)。
9.如权利要求1或2所述的功率模块(10)，进一步包括：
辅助单元(48)，用于提供辅助功率到所述控制器(26)，
其中所述辅助单元(48)包括在所述功率模块(10)启动的情况下用于提供功率到所述控制器(26)的感应式功率供应(60)。
10.一种功率模块栈(38)，包括：
串联连接的根据前述权利要求任一项所述的至少两个功率模块(10)。
11.一种用于在转换器中切换电流的、对根据权利要求1到9任一项所述的功率模块(10)的使用。
12.一种用于控制根据权利要求1到9任一项所述的功率模块(10)的方法，所述方法包括：
利用给定开关频率导通和关断常导通半导体开关(14)；
在所述常导通半导体开关(14)被导通时关断平衡半导体开关(34)，并且在所述常导通半导体开关(14)被关断时导通所述平衡半导体开关(34)。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5661644A (en) * | 1995-06-21 | 1997-08-26 | Abb Research Ltd. | Converter circuit, circuitry having at least one switching device and circuit module |
| CN103503316A (zh) * | 2011-05-10 | 2014-01-08 | Abb研究有限公司 | 功率模块和操作功率模块的方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JP5437392B2 (ja) * | 2009-01-16 | 2014-03-12 | エービービー テクノロジー アーゲー | 火花により閉じる機械スイッチによって冗長性スイッチングセルを備える電圧形変換器の故障保護 |
| CH700419A2 (de) | 2009-02-05 | 2010-08-13 | Eth Zuerich | Jfet-serieschaltung. |
| CH702971A2 (de) | 2010-04-07 | 2011-10-14 | Eth Zuerich Eth Transfer | Schalteinrichtung mit jfet-serieschaltung. |
| US20120262220A1 (en) | 2011-04-13 | 2012-10-18 | Semisouth Laboratories, Inc. | Cascode switches including normally-off and normally-on devices and circuits comprising the switches |
| DE102011076515A1 (de) * | 2011-05-26 | 2012-11-29 | Robert Bosch Gmbh | Energiespeichereinrichtung und System mit Energiespeichereinrichtung |
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| US9082790B2 (en) | 2013-07-18 | 2015-07-14 | Alpha And Omega Semiconductor Incorporated | Normally on high voltage switch |
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| DE102014221687B4 (de) | 2014-10-24 | 2019-07-04 | Danfoss Silicon Power Gmbh | Leistungshalbleitermodul mit kurzschluss-ausfallmodus |
| GB2534348A (en) * | 2014-11-21 | 2016-07-27 | Reinhausen Maschf Scheubeck | Active Snubber |
| EP3285389B1 (en) * | 2015-04-13 | 2020-11-25 | Mitsubishi Electric Corporation | Electric power conversion device and electric power system |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5661644A (en) * | 1995-06-21 | 1997-08-26 | Abb Research Ltd. | Converter circuit, circuitry having at least one switching device and circuit module |
| CN103503316A (zh) * | 2011-05-10 | 2014-01-08 | Abb研究有限公司 | 功率模块和操作功率模块的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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| Sotirios G. Kokosis.Forced Current Balancing of Parallel-Connected SiC JFETs During Forward and Reverse Conduction Mode.《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》.2017, * |
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