CN111164746A - 具有故障保护的半导体组合件 - Google Patents

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Abstract

描述了半导体组合件和设备。在一个示例中，半导体组合件包括第一功率端子；第二功率端子；状态改变触发端子；以及半导体装置，所述半导体装置包括第一端子和第二端子。第一功率端子电连接到半导体装置的第一端子，并且第二功率端子电连接到半导体装置的第二端子。状态改变触发端子连接到半导体装置，并且配置成将能量传递到半导体装置以促使其状态中的改变，使得在第一端子和第二端子之间形成永久传导路径。

Description

具有故障保护的半导体组合件
本发明涉及半导体组合件、包括这类组合件的设备及其操作方法。
背景技术
一个或多个半导体装置可以被容纳在壳体内以形成半导体组合件。壳体执行若干功能，例如，它保护半导体装置免受由于诸如湿度/潮湿或物理冲击之类的环境状况而导致的损害。此外，壳体可以通过将装置封装在绝缘材料中而使装置电隔离。通常，壳体还通过提供连接到半导体装置的端子的电端子来允许从半导体装置到其它电气组件的控制的电连接。壳体还可以充当散热器，以散发装置中产生的多余热量，特别是对于设计用于大功率应用中的半导体装置而言。
在一些半导体壳体中，使用引线接合在半导体装置的端子与壳体的端子之间进行连接，其中在半导体装置的端子与壳体的端子之间连接小的引线。在一些壳体中，半导体装置的端子直接焊接到壳体的端子。在其它壳体中，半导体装置的端子不与壳体的端子接合，而是通过对封装的外部施加力而保持物理和电接触。
用于半导体装置的壳体包括压装（press-pack）和平装（flat pack）壳体。在图1中示出了现有技术的压装100的示例，其示出了半导体装置102和壳体104的横截面。半导体装置102包括三个端子，其中两个是端子106、108，它们如下所述的那样连接到壳体的功率端子，并且其中一个是控制或栅极端子110。半导体装置102包括半导体材料118。在该示例中的半导体装置102可以是半导体开关装置，例如功率半导体装置，例如晶闸管、GTO（栅极关断晶闸管）、IEGT（注入增强型栅极晶体管）、IGCT（集成栅极换向晶闸管）、晶体管、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、TRIAC（也称为双向三极晶闸管）或MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。然而，在其它示例中，可以在压装中使用其它半导体装置，例如二极管（其缺少栅极端子）。在该示例中，半导体装置的端子106、108、110连接到压装的端子112、114、116。压装壳体具有三个对应的端子，两个功率端子112、114和控制或栅极端子116。功率端子112、114与栅极端子116相比具有大得多的横截面接触面积，因此它们与控制/栅极端子116相比能够承载更大的电流。功率端子112、114的大横截面导致较低的电阻。通常，这种压装100在高压下被组装和夹紧以实现良好的电接触。
这样的半导体组合件可以适于供高功率应用中使用，例如，供用来改变功率源的电压电平和/或用来在直流（DC）和交流（AC）之间传输功率的转换器中使用。高压直流（HVDC）转换器的示例是模块化多电平转换器（MMC），它是一类具有可扩展拓扑的电压源转换器（VSC），其可以设计为在高压下操作。MMC可以提供出色的谐波性能，并且与定时控制的相对容易结合的这些优点使MMC成为许多正在进行的研究和开发的主题。
MMC VSC转换器可包括至少一个（通常是三个并行的）相臂（phase limb），每个臂包括两个阀。每个阀由多个子模块组成，每个子模块包括储能元件，通常是电容器。布置子模块，使得其中的储能元件可以切进或切出与阀中的其它储能元件的串联连接。
为了响应来自MMC的有功和/或无功功率需求，控制由每个子模块供应的能量和电压。
如上所述，包括半导体装置的半导体组合件可用于MMC的子模块的控制，并可用于切换储能元件。半导体壳体（诸如压装）可能适于此类用途，因为它们能够切换高功率储能元件并支持大电流。
出于经济原因，用于MMC的子模块的控制的一些半导体装置可能具有其中使用引线接合在半导体装置的端子与壳体的端子之间进行连接的类型。在故障电流状况下或在半导体发生故障时，引线接合可能未能断路。由于这个原因，压装型半导体装置可以与引线接合型半导体装置并行放置，以使故障电流转向并防止引线接合被损坏，或者如果引线接合已经被损坏，则可以提供电连接的连续性。在现有技术中已知其它装置（例如电机械开关）以便提供如果引线接合已经被损坏则提供电连接的连续性的功能。
根据本发明的第一方面，提供有一种半导体组合件，包括第一功率端子；第二功率端子；状态改变触发端子和半导体装置，所述半导体装置包括第一端子和第二端子。第一功率端子电连接到半导体装置的第一端子，并且壳体的第二功率端子电连接到半导体装置的第二端子。状态改变触发端子连接到半导体装置，并且配置成将能量传递到半导体装置以引起其状态中的改变，使得在第一端子和第二端子之间形成永久传导路径。例如，状态中的改变可以是半导体装置的半导体材料的击穿（breakdown）和/或传导状态中的改变（从半导体到导体）。为避免疑问，如本文所使用的“状态”不与物质状态（例如固体，液体，气体等）有联系。
这允许组合件经由状态改变触发端子（其也可以备选地称为“永久状态改变触发端子”或“不可逆状态改变触发端子”）‘短路’，从而虑及组合件的控制的‘短路’。例如，如果组合件与引线接合型半导体装置并行，则它可以被控制以‘短路’，以便在引线接合型装置损坏且无法承载负载电流时提供电气连续性。通过将组合件控制为‘短路’，它无需提供能量源来支持正在进行的门控，所述正在进行的门控可在传统的压装型装置中以其它方式指出，以确保持续的电气连续性。此外，可以提供这样的组合件来代替机电开关，以提供电连接的连续性（其可以具有以下优点：在本文阐述的一些示例中，这种‘短路’可以以机电开关中‘短路’速度的100至1000倍来实现。
例如，在一些示例中，状态改变触发端子可以能够具有足够的功率密度的以脉冲形式传递能量，以促使永久传导路径在第一功率端子和第二功率端子之间形成。相对高的电流或功率密度可能引起半导体装置的半导体材料中的局部发热，从而改变其结构和电气性质，尤其是当它先前将通过支持电压已具有阻断电流时使它击穿。
局部加热效应可以至少部分地通过在能量传递路径中（例如在与半导体装置的接触点处）的故意电阻（deliberate resistance）来实现，从而减小了可能以其它方式要求的电流密度。半导体装置的端子与状态改变触发端子之间的接触电阻通过接触类型（例如，接合接触或压力接触）、接触面积、接触处的压力（其中使用压力接触），通过存在接触之间的界面材料和接触点的性质（例如，横截面积或电阻率）来确定。在一些示例中，状态改变触发端子的性质可以沿其长度变化，例如，与状态改变触发端子的体积相比，其在接触点处可以具有不同的电阻或电阻率。
一旦半导体材料局部损坏，来自流经较小缺陷的负载电流的相对高功率密度将引起相邻材料的温度过高，进而促使其击穿。过程继续进行，直到电流被具有相对低的功率密度和相关联的低损耗的相对大的半导体区域承载为止。
在一些示例中，状态改变触发端子与半导体装置的第二端子的连接的接触面积小于第一功率端子和第二功率端子与半导体装置的接触面积。较小的面积趋于增加电流密度，并且因此增加功率密度。例如，第一功率端子和第二功率端子的横截面面积可以是状态改变触发端子的横截面面积的至少十倍、至少20倍或至少50倍。在其它示例中，第一端子和第二端子的横截面面积可以比状态改变触发端子的横截面大许多数量级，例如，面积的1000倍或100000倍。
半导体装置可以包括第三端子，该第三端子是栅极端子。提供栅极端子可以提供更加通用的半导体组合件。在一些这类示例中，组合件可以包括电连接到半导体装置的栅极端子的栅极端子连接。取决于操作要求，除了被永久短路之外（并且在此之前），这允许以控制方式接通和在一些情况下关闭装置。
在一些示例中，半导体装置的第一端子是阴极、发射极或源极，并且半导体装置的第二端子是阳极、集电极或漏极。例如，这可能导致半导体装置的阳极与状态改变触发端子之间的连接，如果半导体装置与诸如IGBT之类的晶体管反并行，则这意味着状态改变触发端子相对于IGBT发射极将被驱动，并且因此可以促进能量脉冲的传递。
在提供栅极端子连接的情况下，状态改变触发端子与栅极端子连接相比可具有更大的横截面积（并且因此具有更高的电流额定值）。这是要允许它传递足够的能量以引起半导体材料的击穿。栅极端子可能不承载任何显著的电流，因此可能比其他端子小，从而降低了材料成本。如上所述，在这类示例中，壳体的状态改变触发端子与壳体的功率端子相比可以具有更小的横截面积。与功率端子相比，较小的横截面面积允许在状态更改触发端子处传递更高的功率密度，从而导致局部加热，以便通过半导体材料的击穿。
在一些示例中，半导体装置的第一端子和栅极端子经由连接电连接到第一功率端子。这意味着组合件可能处于稳定的“关闭”状态，直到能量被施加到状态改变触发端子为止。
半导体组合件可以包括壳体，该壳体包括第一功率端子；第二功率端子和状态改变触发端子。组合件可以包括压装。如本文所使用的，术语压装用来指任何类型的“压装”或“冰球（hockey puck）”封装。尽管引线接合半导体组合件是已知的，但是由这类组件遇到的故障可能会导致接合失败，并且因此它们更有可能未能断路，而不是形成如本文所阐述的传导路径。
半导体装置可以例如包括晶闸管、GTO、IGBT、IEGT、IGCT、二极管、TRIAC、晶体管或MOSFET。
在一些示例中，半导体组合件包括多个半导体装置，每个半导体装置包括第一端子和第二端子，并且状态改变触发端子连接到每个半导体装置，并且配置成将能量传递到多个装置以引起能量被传递到所述每个半导体装置的状态中的改变，使得在其第一端子和第二端子之间形成永久传导路径。状态改变触发端子可以在半导体组合件内分支（branchout）以连接到多个半导体装置。在将能量施加到这种状态改变触发端子时，可以促使所有连接的半导体装置（即，连接到状态改变触发端子的那些装置）永久地改变，以在它们的端子之间形成传导路径。
在本发明的第二方面中，提供了一种设备，该设备包括半导体组合件、能量源和控制器。半导体组合件包括状态改变触发端子和半导体装置。所述控制器配置成检测故障状况，并且在检测到所述故障状况时，促使能量源向所述半导体组合件的状态改变触发端子供应能量以引起其状态中的改变，使得在半导体装置的第一功率端子和第二功率端子之间形成永久传导路径。
在一些示例中，该设备是模块化多电平转换器子模块，并且能量源是储能元件，其在MMC的子模块的使用中提供了用于合成电压的能量源。例如，能量源可以包括电容器。子模块可以包括控制器，该控制器可以检测故障。可通过子模块控制器可以直接检测故障或被发信号通知来自另一个组件的数据来进行故障检测。在其它示例中，可以由子模块外部的控制器执行检测。
在一些示例中，该设备还包括：控制元件（例如，晶闸管），所述控制元件用来开始向半导体组合件的状态改变触发端子供应能量；以及电流中断装置，其配置成结束向半导体组合件的状态改变触发端子的能量供应，其中控制器配置成切换控制元件以开始供应能量；并且所述电流中断装置配置成一旦将能够促使形成所述永久传导路径的脉冲能量已传递到所述状态改变触发端子，则中断电流。电流中断装置可以例如包括诸如熔丝之类的过电流保护装置，并且可以自动操作。在其它示例中，控制元件用来接通和关闭脉冲，例如IGBT可以接通以开始脉冲，并且关闭以结束脉冲。在其它示例中，控制元件可以用来开始供应能量，该能量由专用能量源（例如电容器）提供。这样的专用能量源可以被设计成存储对于脉冲所需的适当量的能量。在这样的示例中，脉冲将在能量源被放电时结束（并且因此，可能未提供用来结束脉冲的单独的装置）。
本发明第二方面的组合件可以具有本发明的第一方面的组合件的任何特征。
根据本发明的第三方面，提供有一种在设备内操作半导体组合件的方法，该方法包括：
监测设备的操作以检测故障状况；
并且在检测到故障状况时；
将能量传递到半导体组合件内的半导体材料，以促使永久传导路径通过半导体材料形成。这可以包括引起半导体材料中的状态改变。状态改变例如可以是从非传导状态到传导状态的改变。
半导体组合件可以包括本发明的第一方面的组合件。
在一些示例中，该方法可以包括将能量作为电流脉冲传递以加热半导体材料，以引起半导体材料的结构中的击穿。
现在仅参考以下附图通过示例的方式来描述本发明的实施例，其中：
图1是压装的示意图。
图2A-C是半导体组合件的示例的示意图；
图3示出了模块化多电平转换器（MMC）；
图4示出了模块化多电平转换器（MMC）子模块；
图5A-E是包括半导体组合件的设备的示例；
图6是包括半导体组合件的设备的另外的示例。
图1示出了现有技术压装的示例，并且已经在上面进行了描述。
图2A和2B是半导体组合件的示例。
图2A示出了半导体组合件200，该半导体组合件200包括半导体装置202和壳体204。在该示例中，壳体204是压装，而半导体装置是晶闸管。半导体装置202包括端子206、208、210，其中两个是功率端子206、208，并且其中一个是栅极端子210。壳体204包括四个端子212、214、216、218。这些端子中的两个是功率端子212、214，一个端子是状态改变触发端子216，并且一个端子是栅极端子连接218。
在该示例中，半导体装置202的功率端子206、208分别是半导体装置202的阴极206和阳极208，并且电连接到压装壳体204的功率端子212、214。半导体装置202包括半导体材料220。在操作中，在施加状态改变触发脉冲之前，半导体装置202始终阻断电流从阴极206流向阳极208，并且当尚未通过相对于阴极206施加的电压（称为偏置电压或信号）触发栅极端子210时，阻断电流从阳极208流向阴极206。当半导体装置202从阳极208到阴极206充分正向偏置并且施加栅极偏置时，它将闩锁成（latch into）传导状态。在传导状态下，半导体装置202将电流从阳极208传导到阴极206。半导体装置202保持在闩锁传导状态，直到从阳极208到阴极206的电流下降到阈值以下为止，在所述点处，半导体装置202将变成非传导的，直到从阳极208到阴极206的正向偏置电压和栅极偏置信号再次被施加为止。
在该示例中，半导体装置202被布置在壳体204中，使得第一功率端子206电连接到壳体204的第一功率端子212，并且半导体装置202的第二功率端子电连接到壳体204的第二功率端子214。壳体204的栅极端子连接218电连接到半导体装置202的栅极端子210，并且因此可以通过向壳体204的栅极端子连接218施加偏置电压来切换半导体装置202。这允许半导体装置202用来控制功率端子212、214之间的电流流动。壳体204还被提供有状态改变触发端子216，该状态改变触发端子216电连接到半导体装置202的第二功率端子208。通过向壳体204的状态改变触发端子216施加能量脉冲，可以永久性地更改半导体装置202的电气性质。在施加足够的能量脉冲时，半导体材料220被局部加热，并且在功率端子206、208之间永久形成传导路径。
如在图2A的示例中所示，壳体204的功率端子212、214显著大于状态改变触发端子216。在该示例中，壳体的功率端子212、214具有横截面积，所述横截面积是状态改变触发端子216的横截面积的至少10倍，或者在一些示例中是状态改变触发端子216的横截面积的至少100倍、至少1000倍或至少10000倍。在其它示例中，壳体204的功率端子212、214的横截面积可以比壳体204的状态改变触发端子216的横截面大许多数量级。例如，功率端子212、214的直径可以是大约75mm，并且状态改变触发端子216的直径可以约为0.1mm。
在该示例中，功率端子212、214是盘形的，并且栅极端子218和状态改变触发端子216大约中心地连接到半导体装置，并且通过壳体204的侧而引出。功率端子212、214具有更大的横截面积，以允许它们承载大电流。相比之下，状态改变触发端子216具有相对较小的横截面积。这是因为它不被要求承载这样大的电流，并且还使得由此所传递的电流被传递到半导体装置202的相对小的区域，并且因此电流密度是高的。通过将能量传递到小的区域，即使是相对小量的能量也可能足以引起局部加热，从而导致对装置202的永久改变。如果相同的能量要被传递到较大的区域，则达到的温度将由于较低的功率密度而将会是较低的，并且将不足以引起半导体装置202的性质中的永久改变和/或所供应的能量将必须较高。因此，状态改变触发端子216与功率端子212、214相比可能能够承载更高的电流密度但更低的总电流。
在该示例中，半导体装置202是晶闸管，其是具有三个端子206、208、210的装置。然而，在其它示例中，装置202可以具有更少或更多的端子，例如，它可以是具有两个端子的二极管。
在该示例中，半导体装置202主要由硅组成。因此，材料可能变得被损坏，使得它在被加热到大约300oC时形成永久传导路径。在其它示例中，半导体装置202可以主要由氮化镓、碳化硅或任何其它合适的材料组成。在一些示例中，可能要求不同的更高温度，以便改变这类材料的传导性能。
可以计算损坏小区域的硅所要求的能量的示例。在示例中，硅晶圆具有1.4mm的厚度，以及1mm半径的区域，因此要加热的体积为1.4×π×12 = 4.4mm3。硅具有0.7J / gK的特定热容，以及2.3g / cm3的密度，因此其体积热容为1.6J / cm3K = 1.6mJ / mm3K。假设需要250K的温度上升来引起硅击穿，则所要求的能量为4.4×1.6×250 = 1760mJ = 1.8J，假设在短时间段内施加脉冲，使得热量在施加脉冲的时标上不会显著散发到周围物质。这个量的能量可以存储在电容器中。例如，该能量在50 V下可以存储在1440μF（C = 1.8×2/502=1440μF）中，并且因此对于利用相对小且易于可用的组件来实现是实际的。
在此示例中，栅极端子连接218与功率端子212、214相比具有更小的横截面接触面积，因为对于它不存在用来在供应偏置信号中承载任何大电流的要求。在一些示例中，由于状态改变触发端子216承载更高的电流，因此状态改变触发端子216的横截面接触面积将大于栅极端子218的横截面接触面积。在其它示例中，状态改变触发端子216可以被定额以凭借构造其的材料来承载更高的电流。如前所述，在此示例中，状态改变触发端子216的横截面接触面积小于功率端子212、214的横截面接触面积。
图2B示出了半导体组合件222的另一示例。半导体组合件222包括如上所述的半导体装置202。半导体组合件还包括壳体224，该壳体224类似于上述壳体204，但是它不包括栅极端子。在该示例中，半导体装置202的栅极端子210连接到壳体204的第一功率端子212，促使栅极端子210与半导体装置202的阴极206短路。在该示例中，半导体装置202是晶闸管，并且短路防止晶闸管202通过施加栅极偏置而被切换到闩锁传导状态。因此，在该配置中的晶闸管202将在两个方向上阻断电路中的电流。如关于图2A所描述的，状态改变触发端子216连接到功率端子208，并且能量脉冲可以被施加到壳体224的状态改变触发端子216，以促使永久传导路径在半导体装置的功率端子之间形成。
如关于图2A和图2B所描述的，壳体204、224可以提供压装。在其它示例中，壳体204、224可以是能够可靠地形成短路的适于所要求的应用的任何类型的半导体封装或模块。在压装中，半导体装置202的端子与壳体204、224的端子接合，以通过由外部夹具运用的力形成电连接。上述半导体装置202具有三个端子，然而在一些示例中，半导体装置可以具有更少或更多的端子，并且它可以是晶闸管、GTO、IEGT、IGCT、TRIAC、IGBT、MOSFET、二极管或适于该应用的任何其它半导体装置。
如本文所使用的术语横截面面积是指端子的尺寸、是指垂直于电流流动的截面的横截面面积。
图2C是半导体组合件240的示例，所述半导体组合件240包括壳体242和多个半导体装置244a、244b、244c。在该示例中，示出了三个半导体装置244，然而半导体组合件240可以包括任何数量的装置。在该示例中，状态改变触发端子246连接到每个半导体装置244，使得在向状态改变触发端子246施加能量脉冲时，可以促使所有半导体装置244在它们的功率端子之间以与上述的方式相同的方式永久地形成传导路径。因此，如果包括多个半导体装置的半导体组合件240包括已发生故障的单个半导体装置，则可以向状态改变触发端子施加能量脉冲，从而促使整个组合件以控制方式‘被短路’。
在其它示例中，可以存在不同数量的半导体装置244，其类型可以不同，其中一些或全部可以连接到公共状态改变触发端子246。在该示例中，壳体的栅极端子248还示出连接到每个半导体装置244a、244b、244c的栅极端子。
可以包括压装封装或备选半导体组合件（诸如关于图2A、图2B和图2C所描述的那些半导体组合件）的设备的示例是模块化多电平转换器（MMC）。
图3是布置在AC网络302和DC网络304之间的模块化多电平转换器（MMC）300的示例。MMC 300包括串联连接的转换器子模块308的相应的相臂306（共同形成桥）（为了清楚起见仅标记的一些串联连接的转换器子模块308），其布置在DC极310之间。下面关于图4进一步描述子模块308。
每个臂306由第一和第二（或顶部和底部）阀307组成（为了清楚起见仅标记了其中一个）。因此，如还将为本领域技术人员所熟悉的，这种转换器300可以描述为包括六个阀307。阀307包括在与臂306的AC连接和DC极310之间的子模块308的串联连接。
在每个换流阀307中还提供阀电抗器312（同样，为了避免使附图复杂化，仅标记了两个），以限制转换器臂306之间的瞬时电流流动，并且由此实现转换器臂306的连接和操作。还提供的是能量源，在该示例中为DC链路电容器314，其操作以使DC电压平滑。转换器300在转换器控制电路系统316的控制下，该转换器控制电路系统316控制切换和监测功能。在臂306中使用“虚线”符号来图示了与所图示的子模块相比可存在更少或更多的所提供的子模块308。
如由本领域技术人员将领会的，在此上下文中的子模块308是许多这类模块中的一个，其用来通过选择性地切换其中的开关来合成转换器300中的电压形式。
图4是现有技术子模块的示例。在此示例中，每个转换器子模块308包括与电容器420并联连接的以串联连接IGBT 418形式的一对开关，每个开关与单向电流装置（在这种情况下是二极管422）相关联，以反并行方式与IGBT开关418a布置。第一IGBT 418a在端子之间以与电容器420串行的方式布置，并且第二IGBT 418b布置成在接通时旁路电容器420。每个子模块308的电容器420配置成具有足够高的电容值，以便约束电容器端子处的电压变化。电容器420与泄放电阻424相关联，以允许其在断开连接时放电。还提供了子模块控制器426，并且所述子模块控制器426被布置为切换IGBT 418a、418b。子模块控制器426可以被布置为实现自主保护策略并且响应来自转换器控制电路系统316的指令。
这样的转换器300的功能将为技术人员所熟悉。然而，简要地，如图3所示的每个子模块308可以被控制为在正常操作中采取不同的开关状态。电容器420被插入在电路中或者被旁路。更特定地，当第一IGBT 418a导通并且第二IGBT 418b截止时，电容器420被插入在电路中，并且当第一IGBT 418a截止并且第二IGBT 418b导通时，电容器420被旁路。通过控制子模块308中的IGBT 418，可以精确地合成电压形式。
如由本领域技术人员将领会的，图4的布置被称为半桥布置，并且提供可以提供零或正电压并且可以在两个方向上传导电流的二象限单极模块。尽管本文描述了半桥子模块设计，但这仅仅是通过示例的方式，并且其它子模块设计也是可能的，诸如全桥结构（或全H桥），其中子模块包括两对开关元件（通常是IGBT）和储能装置（通常以电容器的形式）。所述对的开关元件与电容器并联连接。这定义了四象限双极模块，其可以提供负，零或正电压，并且可以在两个方向上传导电流。全桥子模块给出某些优点，诸如，改进的故障处理（特别是改进的DC故障处理），但要求更多的开关组件，并且具有更高的操作损耗。如本领域技术人员将领会，正在开发其它子模块设计，包括多电平子模块（例如，如WO2014/005634、WO2012/04027和US2008/0198630中所述，其以最大程度可允许的方式并入本文）。实际上，转换器可以是混合的，所述转换器包含多于一种类型的子模块308。本文阐述的原理可以适当应用于任何子模块设计。
此外，本领域技术人员将意识到备选MMC设计，并且图3和图4中所示的布置仅仅是通过一种这样设计的示例的方式。例如，组件和/或它们之间的连接可以是可配置的。
图5A-E是包括半导体组合件的设备的示例。
图5A示出了MMC子模块500的第一示例。MMC子模块500包括IGBT 502a和502b、二极管504a和504b以及包括电容器的能量源506。这些组件类似于关于图4所述的那些组件。
另外，子模块500包括半导体组合件508，其可以以类似于如上在图2A或2B中所描述的半导体组合件的方式构造，除了半导体装置是二极管而不是可切换的半导体装置之外，并且因此缺乏栅极端子。半导体组合件508与IGBT 502b和二极管504b并联连接，并且与IGBT 502a和二极管504a串联连接。
子模块500还包括电流中断装置，在该示例中是过电流保护元件510和控制元件512。控制元件512与过电流保护元件510串联连接，并且连接到半导体组合件508的壳体的状态改变触发端子。控制元件512可以是任何类型的开关或可切换的半导体装置，诸如晶体管或晶闸管。限流组件（在该示例中为电阻器514）与控制元件512串行装配。能量传递路径中的该电阻减小了可能以其它方式要求的峰值电流，从而允许采用较低额定值的控制元件和过流保护以及使用较小规格的互连引线。
监测子模块500或MMC的操作以检测故障状况的发生。如果检测到某些故障状况（诸如IGBT无法切换到所需状态或电容器外壳内压力过大），则由控制器516切换控制元件512，以将能量源506与半导体组合件508的状态改变触发端子连接。能量被传递到半导体组合件508的状态改变触发端子，这促使永久传导路径在半导体组合件508的第一功率端子和第二功率端子之间形成。该能量采取短脉冲的形式，该短脉冲通过过电流保护元件510的动作而中断，如下所述的。
如果例如在子模块500内检测到故障，则可以由此通过施加这种能量来永久地更改半导体组合件508，以提供跨子模块500的短路。然而，其中布置子模块500的阀307可以继续操作，倘若MMC 300内的其它子模块提供足够的冗余度的话。然后可以在以后的时间更换或修复有故障的子模块500，并且MMC 300的临时操作不被中断。
如上所述，子模块500还包括过电流保护元件510，诸如熔丝或电路断路器。过电流保护元件510与控制元件512串行布置。在检测到故障状况和控制元件510切换的情况下，通过控制元件512和过电流保护元件510，电流脉冲将被传递到半导体组合件508的状态改变触发端子。在这种情况下，过电流保护元件510将在控制元件512被切换之后不久就自动在电路中形成断路器，并且电流此后不久将停止被传递到半导体组合件508的状态改变触发端子。这导致能量的短脉冲被传递到状态改变触发端子，其被过电流保护元件510迅速关闭，以防止损坏电路内的其它组件。以此方式，能量‘脉冲’配置成传递足够的能量以更改半导体组合件508的特性，但是在子模块500进一步受到损坏之前停止能量“脉冲”。过电流保护元件510可由其“允许通过（let-through）能量”（即在装置关闭之前将通过该装置的能量的量的测量）表征。装置的允许通过能量由I2t给出，其中I是电流，并且t是时间。控制由脉冲传递的能量的量可以通过协调过电流保护元件的允许通过能量与控制元件512的允许通过能力以及将对半导体组合件508造成必要损害的能量来实现。尽管通常称为“允许通过能量”，但该术语并未描述能量的量。实际能量E为E = I2Rt，其中R为装置的电阻，并且E为导致装置故障的能量。当时间t足够短以用于由要为绝热的能量所提供的加热时，‘允许通过能量’是恒定的，并且因此这是用来表征装置的方便方式。
图5B示出了可以在MMC中使用的备选子模块520。子模块520以与图5A中的子模块500类似的方式操作，然而在该示例中不存在二极管504b。相反地，半导体组合件508充当二极管，从而减少了组件数量。作为压装装置，如果二极管504b是引线接合封装的装置，则半导体组合件508能够承受(survive)二极管504b可能无法承受的故障电流。
图5A和图5B两者都示出了子模块500、520，其中半导体组合件508是二极管。因此，在这些子模块500、520中，半导体组合件508在第一方向上充当对于电流的导体并且在相反方向上充当绝缘体。
图5C和图5D还示出了MMC子模块540、560的另外的示例。在这些示例中，提供了包括诸如晶体管或晶闸管之类的可切换半导体装置的半导体组合件542、562。在这些示例中，半导体装置的栅极以类似于图2B所示的布置的布置连接到功率端子中的一个。这防止了半导体装置的切换，并且因此，半导体组合件542、562在电路中针对在任一方向上流动的电流充当绝缘体或断路器。如前所述，当检测到故障状况时，控制元件544、564被切换，并且能量脉冲被供应给半导体组合件542、562的状态改变触发端子，从而永久地更改半导体装置以在其功率端子之间形成传导路径。然后，半导体组合件542、562转换为短路，并且MMC可以在子模块540、560发生故障后继续操作。
图5C和图5D还包括与IGBT 502b反并行的二极管546、566。如图5C所示，该二极管546、566可以位于与IGBT 502b相同的封装内，或者如图5D所示的那样可以位于IGBT 502b的封装外部。将二极管放置在IGBT 502b的封装的外部允许使用针对两个二极管的不同的技术。例如，IGBT可以被引线接合，而二极管可以是压装，其中后者促进足以承受故障电流的浪涌电流额定值。
图5E是MMC子模块580的另外的示例。在该示例中，半导体组合件582包括可切换的半导体装置，然而所述装置的栅极端子未连接到功率端子中的一个，并且因此类似于关于图2A描述的半导体组合件。该MMC子模块580以与图5C中描述的MMC子模块540相似的方式操作，然而半导体组合件582可以从传导状态切换到绝缘状态，并且可以从绝缘状态切换到传导状态。对于某些操作状况（包括故障状况），可能期望临时造成跨子模块580的短路，例如以便将电流从二极管504b转移开，其中二极管504b是无法承受故障电流的引线接合封装装置。在这类情况下，可以通过向半导体组合件582的栅极端子施加偏置来切换半导体组合件582。在其它故障状况下，例如，如果确定子模块580被永久损坏，则可能期望造成永久短路。在这类情况下，如前所述，控制元件584被操作以将能量脉冲传递到半导体组合件582的壳体的状态改变触发端子，以在其功率端子之间永久地创建传导路径。
一个子模块的特征可以与另一个子模块的那些特征组合。例如，
图5A示出了可选的电阻器514。根据特定应用的要求，可以在图5A-5E所描绘的任何电路中可选地使用类似的电阻器。
图6是包括半导体组合件602的设备600的另一示例。设备600包括串联连接的多个半导体组合件602。在该示例中，半导体组合件602类似于先前关于图2B描述的半导体组合件200。与半导体组合件602并行的是电路元件604，其在操作中可能发生故障，并且在电路元件604发生故障时，可能期望‘短路’电路元件604。在正常操作中，半导体组合件602处于非传导状态并且所有电流流过电路元件604。在检测到电路元件604的故障时，能量脉冲被供应给半导体组合件602，从而促使永久传导路径在其功率端子之间形成，如前所述的。可以在该配置中使用的电路元件604的示例是静态VAR（伏安电流无功）串行补偿器。该示例示出了四个半导体组合件602，然而在实践中，可存在如由特定应用的所要求的更少或更多半导体组合件，和/或半导体组合件602可以在形式上不同和/或伴随有组件的网络以确保那个电压被共享。
尽管已经参考某些示例描述了方法、设备和相关方面，但是可以进行各种修改、改变、省略和替换。
应当注意，上述示例说明而不是限制本文中所描述的内容，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计出许多备选实现。关于一个示例描述的特征可以与另一示例的特征组合。
词语“包括”不排除权利要求书中列出的元件以外的元件的存在，“一”或“一个”不排除复数个，并且单个处理器或其它单元可以满足在权利要求书中记载的若干单元的功能。

Claims (16)

1.一种半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），包括：
第一功率端子（206；212）；第二功率端子（208；214）；状态改变触发端子（216；246）；以及半导体装置（102；202；244），所述半导体装置（102；202；244）包括第一端子（106；206）和第二端子（108；208）；
其中：
所述第一功率端子（206；212）电连接到所述半导体装置（102；202；244）的所述第一端子（106；206）；
所述第二功率端子（208；214）电连接到所述半导体装置（102；202；244）的所述第二端子（108；208）；以及
所述状态改变触发端子（216；246）连接到所述半导体装置（102；202；244），并且配置成将能量传递到所述半导体装置（102；202；244）以引起其状态中的改变，使得在所述第一端子和所述第二端子（106；108；206；208）之间形成永久传导路径。
2.根据任何前述权利要求所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），其中所述状态改变触发端子（216；246）能够传递具有足够的功率密度的能量脉冲，以便使得永久传导路径在所述半导体装置（102；202；244）的所述第一端子和所述第二端子（106；108；206；208）之间形成。
3.根据任何前述权利要求所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），其中所述状态改变触发端子（216；246）与所述半导体装置（102；202；244）的所述第二端子（108；208）的连接的接触面积小于所述第一功率端子和所述第二功率端子（112；114；212；214）与所述半导体装置（102；202；244）的接触面积。
4.根据任何前述权利要求所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），其中所述半导体装置（102；202；244）包括以下中的至少一个：晶闸管、TRIAC、GTO、IGBT、IEGT、IGCT、二极管、晶体管或MOSFET。
5.根据任何前述权利要求所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），其中所述半导体装置（102；202；244）包括第三端子（110；210），以及所述第三端子（110；210）是栅极端子（110；210）。
6.根据权利要求5所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），其中所述半导体装置（102；202；244）的所述第一端子（106；206）是阴极、发射极或源极，以及所述半导体装置（102；202；244）的所述第二端子（108；208）是阳极、集电极或漏极。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），其中所述半导体装置（102；202；244）的所述第一端子（106；206）和所述半导体装置（102；202；244）的所述栅极端子（110；210）经由连接电连接到所述第一功率端子（212）。
8.根据权利要求5至7中的任何所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），包括栅极端子连接，所述栅极端子连接用来连接到所述半导体装置（102；202；244）的所述栅极端子（110；210），其中所述状态改变触发端子（216；246）与所述栅极端子（110；210）连接相比具有更大的横截面面积，并且所述状态改变触发端子（216；246）与所述功率端子（206；208；212；214）相比具有更小的横截面面积。
9.根据任何前述权利要求所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），包括壳体（204；224），所述壳体（204；224）包括所述第一功率端子（206；212）；所述第二功率端子（208；214）以及所述状态改变触发端子（216；246）。
10.根据权利要求9所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），其中所述壳体（204；224）是压装封装或平装封装。
11.根据任何前述权利要求所述的半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），其中所述半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602）包括多个半导体装置（244a，244b，244c），每个半导体装置（244a，244b，244c）包括第一端子和第二端子（106；108；206；208），并且所述状态改变触发端子（216；246）连接到至少两个半导体装置（244a，244b，244c），并且配置成向所连接的半导体装置（244a，244b，244c）传递能量，以引起每个所连接的半导体装置（244a，244b，244c）的状态中的改变，使得在所连接的半导体装置的所述第一端子和所述第二端子（106；108；206；208）之间形成永久传导路径。
12.一种设备（500；520；540；560；580；600），包括：
半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602），其包括状态改变触发端子（216；246）和半导体装置（102；202；244）；
能量源（506）；以及
控制器（426；516）；
其中所述控制器（426；516）配置成：
检测故障状况，并且在检测到所述故障状况时促使所述能量源（506）向所述半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602）的所述状态改变触发端子（216；246）供应能量，以便触发所述半导体装置（102；202；244）中的状态改变，以促使永久传导路径在所述半导体装置（102；202；244）的第一功率端子（206；212）和第二功率端子（208；214）之间形成。
13.根据权利要求12所述的设备（500；520；540；560；580），其中所述设备（500；520；540；560；580）是模块化多电平转换器（MMC）子模块，并且其中所述能量源（506）是储能元件，所述储能元件在MMC的所述子模块的使用中提供用于合成电压的能量源（506）。
14.根据权利要求12至13中的任何所述的设备（500；520；540；560；580；600），还包括控制元件和电流中断装置（510；512），所述控制元件配置成开始向所述半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602）的所述状态改变触发端子（216；246）供应能量，所述电流中断装置（510；512）配置成结束向所述半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602）的所述状态改变触发端子（216；246）供应能量，其中
所述控制器（426；516）配置成切换所述控制元件以开始能量供应；以及
所述电流中断装置（510；512）配置成一旦将能够促使所述永久传导路径形成的脉冲能量已经传递到所述状态改变触发端子（216；246），则中断所述能量供应。
15.一种在设备（500；520；540；560；580；600）内操作半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602）的方法，包括：
监测所述设备（500；520；540；560；580；600）的操作以检测故障状况；
以及在检测到故障状况时；
将能量传递到所述半导体组合件（200；222；240；508；542，562；582；602）内的半导体材料（118），以促使永久传导路径通过所述半导体材料（118）来形成。
16.根据权利要求15所述的方法，其中通过电流脉冲来传递所述能量，以加热所述半导体材料（118），从而引起所述半导体材料（118）的结构中的击穿。
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