专利名称：用于控制并联连接的至少两个功率半导体的系统和方法
用于控制并联连接的至少两个功率半导体的系统和方法本发明涉及用于控制至少两个功率半导体芯片的系统和方法。功率半导体芯片(如绝缘栅双极晶体管(IGBT))可仅开关某一 kV的电压。因此，对于高电压应用，如在高电压直流(HVDC)光变电站(“HVDC光”是由瑞典ABB AB注册的商标)中，串联地操作多个功率半导体芯片。这例如由多个串联连接的功率半导体模块(诸如紧压包装)实现。因此，每个紧压包装根据串联连接的紧压包装数量仅必须开关一小部分总电压。每个紧压包装由并联连接的子模块组成，并且每个子模块包括至少一个有源开关功率半导体芯片，如IGBT，优选地包括多个它们。因此，每个IGBT根据并联连接的IGBT数量仅必须开关一部分总电流。有时，使用并联连接的若干紧压包装，代替在所描述的紧压包装堆叠中的一个紧压包装。该多个并联的紧压包装还减小了每个紧压包装的开关电流。无疑，代替紧压包装，还可使用正常的绝缘功率半导体模块。为了保证由紧压包装的堆叠构成的这种开关站的操作，每个紧压包装具有短路故障模式(SCFM)能力。具有SCFM能力的紧压包装在模块故障的情况下安全地进入短路。当一个功率半导体芯片故障时，短路生成紧压包装的发射极与集电极之间的低欧姆连接。在紧压包装中，这在正常情况下由IGBT结构中的铝板实现，其与IGBT熔化并形成导电铝硅合金。在IGBT紧压包装中，这通常由与IGBT或在故障情况下与芯片熔化的二极管芯片接触并形成导电铝硅合金的铝板实现。可惜，合金随着时间分解，并且合金提供低欧姆连接的时间段比典型HVDC光变电站的目标维护间隔短。当SCFM中IGBT的低欧姆连接的寿命结束时，紧压包装或并联连接的紧压包装中的其余IGBT的集电极与发射极之间的电压增大。这使紧压包装或并联连接的紧压包装内的另一个IGBT或二极管出故障。这个IGBT然后将进A SCFM，即，这个IGBT的铝板与芯片熔化，并且这个IGBT也进入低欧姆状态。这是所谓的SCFM转变，并且紧压包装或并联连接的紧压包装的总SCFM寿命足够高以存活到下一维护。然而，在出故障的IGBT的一个低欧姆连接的寿命结束时，增大的电压可导致成弧，并因此导致在SCFM转变期间的高能量耗散。这尤其对于用于高电压(如用于4. 5kV)的IGBT是重要的。由此，SCFM转变能损坏冷却器，这可能引起水泄露。然而，必须阻止水泄露。要解决的发明的目标问题是提供控制功率半导体芯片的系统和方法，它们克服了目前技术水平的缺陷。功率半导体芯片的低欧姆状态将由功率半导体芯片的改进SCFM功能性延长。该问题由根据权利要求I的包括控制构件和至少两个功率半导体芯片的系统解决。根据本发明，所述系统包括并联连接的至少两个功率半导体芯片，优选为多个功率半导体芯片。每个可有源开关的功率半导体芯片包括用于通过对于芯片的阻断和导通状态施加第一或第二电压来控制其开关状态的栅极端子。所述系统还包括用于给栅极端子提供阻断或导通电压作为第一栅极电压和第二栅极电压的控制构件。控制构件还适合于检测至少两个功率半导体芯片之一的故障，并且用于当在功率半导体模块内检测到至少一个出故障的功率半导体芯片时，支持高于用于阻断和导通状态的电压的增大的第三栅极电压到其余功率半导体芯片的栅极端子。该问题也通过根据权利要求17的方法解决。根据本发明的方法是用于控制并联、连接的至少两个功率半导体芯片的方法。该方法包括如下步骤首先，监控功率半导体芯片以便检测一个或多个出故障的功率半导体芯片。在检测到至少一个出故障的功率半导体芯片之后，将比施加用于功率半导体芯片的导通状态的栅极电压高的栅极电压施加到至少一个其余功率半导体芯片的至少一个栅极端子。当一个功率半导体芯片出故障时，检测到这个芯片的故障，并向其余功率半导体芯片提供更高的栅极电压。更高的栅极电压降低了其余功率半导体芯片的电阻，使得出故障的芯片或者在SCFM的寿命之后的芯片的更高电阻由其余芯片补偿。其余芯片变得更加抵抗SCFM转变，这是因为其余芯片可处理增大的电流负载，而没有过热。由此，SCFM的寿命和其后发生SCFM转变的该时段可增大，或者SCFM转变可完全被阻止，这是因为其余IGBT在SCFM寿命结束时接管出故障IGBT的电流。栅极电压越高也允许其余芯片越好地存活在短路超载事件中，这是因为短路电流将由于增大的栅极电压到达较低电压降。短路过载事件有时在开关站中出现，并导致高电流的突然增大，并且开关必须立即关掉。通过更高的栅、极电压，与出故障的IGBT并联的IGBT可处理这个短时高电流事件，而没有进一步损坏。如果在检测到出故障芯片之后立即向其余功率半导体芯片施加增大的第三电压，则这个解决方案也允许使用功率半导体芯片，而无需任何SCFM能力。从属权利要求涉及本发明的有利实施例。在一个实施例中，所述系统包括并联连接的至少一个模块，尤其是多个模块，并且每个模块包括至少一个子模块，尤其是多个子模块，并且每个子模块包括至少两个功率半导体芯片中的至少一个、尤其是多个功率半导体芯片中的至少一个。在一个实施例中，功率半导体模块具有直接或经由每个子模块的公共栅极端子与控制构件和功率半导体芯片的各个栅极端子连接的公共栅极端子。在另一个实施例中，每个子模块具有与这个子模块中功率半导体芯片的所有各个栅极端子连接并直接与控制构件连接或与模块的公共栅极端子连接的公共栅极端子。在一个实施例中，子模块的栅极端子与模块的栅极端子之间的每个连接都包括单独熔丝。在另一个实施例中，每个功率半导体芯片的栅极端子与包括芯片的子模块的栅极端子或控制构件之间的每个连接都包括单独熔丝。在另一个实施例中，子模块的栅极端子与模块的栅极端子之间的每个连接都包括单独熔丝，并且每个子模块的栅极端子与对应子模块的每个功率半导体芯片的栅极端子之间的连接都包括单独熔丝，使得网状的熔丝控制每个芯片和作为芯片单元的子模块。在多于一个模块的情况下，每个模块可由熔丝或控制构件与模块的栅极端子之间的连接中的附加熔丝控制。熔丝切断具有栅极-发射极短路的功率半导体芯片的栅极端子，或具有栅极-发射极短路的子模块的栅极端子，或具有栅极发射极短路的模块的栅极端子。栅极发射极短路从栅极电压供应提取高电流。所以，电源的电压被拉下，并且系统的所有其余功率半导体芯片都落入必须被阻止的阻断模式。因此，熔丝保证了具有优选为20V的第三电压的栅极电压供应。还有利的是，每个熔丝或串联连接的熔丝都具有栅极电阻器的电阻。由此，栅极电阻器可由熔丝替换和实现，并且功率半导体模块的控制电路可简化。在一个实施例中，栅极电压增大超过15V，尤其是超过16V，尤其是超过17V，尤其是超过18V，尤其是超过19V，优选地超过20V。然而，施加到其余芯片的栅极端子的持续电压不应该损坏芯片，并且因此应该低于损坏电压。增大的第三栅极电压增大了在短路过载条件下存活的能力。在另外实施例中，增大的第三电压被持续地施加给了芯片。正常情况下，通过施加15V或-15V的第一或第二电压开启(导通状态)和关闭(阻断状态)功率半导体模块或芯片。用更高的栅极电压开关降低了导通损耗。因此，热疲劳更低，并且寿命更长。然而，如果用例如20V的高栅极电压开启串联连接模块的堆叠中的所有功率半导体芯片或其它组功率半导体芯片，则在短路过载条件下的电流上升对于功率半导体芯片能安全关断而言太高了。仅向SCFM中的功率模块施加高栅极电压时，情形是不同的。通过施加更高的栅极电压并且不开关引起的损耗降低导致模块中的其余仍运作的功率半导体芯片的寿命更高。在短路过载条件的情况下，电流上升受与堆叠中处于SCFM模式的模块串联连接的并在接通状态通常仅具有15V的栅极电压的、仍无损伤的模块限制。用更高栅极电压持续接通的SCFM中的模块将以更低电压传导同一电流峰值。因此，SCFM中的模块具有在过载事件中存活的高概率。所以，所施加的高栅极电压确保SCFM中模块的可靠低欧姆状态，并因此阻止任何SCFM转变。在一个实施例中，系统还包括可与功率半导体芯片的栅极端子连接并适合于提供第一栅极电压和第二栅极电压的第一电源。系统还包括用于向未处于故障模式的那些功率半导体芯片的栅极端子施加增大的第三栅极电压的第二电源。第二电源例如可通过开关构 件连接到功率半导体模块的公共栅极端子。开关构件适合于例如通过功率半导体模块的公共栅极端子将第一电源或第二电源连接到功率半导体芯片的栅极端子。开关构件连接到用于控制开关状态的控制构件，并且控制构件适合于当功率半导体芯片之一中发生故障时，在故障开关状态下将功率半导体芯片的栅极端子与第一电源连接。在一个实施例中，第二电源包括电池、变换功率半导体电流的电流变换器、用于变换处于故障模式的功率半导体模块的集电极-发射极电压的电压变换器、用于变换处于故障模式的模块的相邻模块的集电极_发射极电压的电压变换器、用于变换处于故障模式的模块的相邻模块的集电极-发射极电压的电压变换器之一或它们的组合。相邻在这里是指直接布置在处于SCFM模式的一个或多个模块之上或之下并串联连接到处于SCFM模式的模块的模块或并联连接的模块组。在一个或多个相邻模块处保证存在处于SCFM模式的一个或多个模块的第二电源的增大的栅极电压的必要电压，至少在一个或多个相邻模块未处于SCFM模式的情况下是如此。电池的优点是低成本和低重量。然而，如果正好在熔丝额定以下的栅极泄露电流持续了较长时间，则可能超过电池容量。电流变换器的优点是持续电压供应，但具有20W功率的电流变换器是重的并且昂贵的。因此，电流变换器和电池的组合是特别有利的。电流变换器可容易地提供IW的功率，并且用于燃烧熔丝所需的能量可来自电池或大电容器。在一个实施例中，控制构件还连接到功率半导体芯片的集电极侧和/或发射极侧和/或栅极端子，用于检测功率半导体芯片的故障模式，和/或用于将集电极与发射极之间的电压变换成适当的正常第一栅极电压和第二栅极电压以及适当的增大的第三栅极电压。并联连接的功率半导体芯片组的根据本发明的SCFM模式由增大的栅极电压实现。然而，仍有利的是将功率半导体芯片安装在封装中，使得在目前技术水平的介绍中所描述的单独SCFM模式得以实现。由此，根据本发明，与出故障的功率半导体芯片并联的功率半导体芯片可在故障之后容易地切换到SCFM模式，这是因为出故障的功率半导体芯片熔化并形成低欧姆连接以桥接出故障的功率半导体芯片一段时间。在备选实施例中，所述系统包括没有示出单独SCFM能力(如在相对冷却金属层电绝缘的模块中)的布置的功率半导体芯片。然而，第三栅极电压必须立即被施加，即在小于10微秒之后，尤其是在小于I微秒之后。如果一个芯片出故障了，则至少一个并联的子模块或至少一个并联的芯片可接管出故障芯片的电流。为了补偿由于更高电流引起的其余芯片的增大的负担，通过向其余功率半导体芯片的栅极端子提供第三栅极电压，以较低电阻将其余芯片持续保持在接通状态(导通状态)。这允许使用良好适合于开关高电流的更便宜的功率半导体模块。由此，甚至能降低功率半导体芯片的总数或功率半导体模块的总数。在下文，借助于附图
描述本发明的示范实施例。附图显示
图I是根据本发明第一实施例的功率半导体模块的结构；
图2是根据本发明第一实施例用于控制功率半导体芯片的系统的堆叠元件；
图3是根据本发明第一实施例的堆叠元件的栅极单元；
图4是根据本发明第一实施例用于控制功率半导体芯片的系统的示范电压供应；
图5是根据本发明备选实施例的两个并联连接的功率半导体模块；
图6是根据本发明另一个备选实施例的堆叠元件；
图7是根据本发明一个实施例的功率半导体模块的备选电路；及 图8是根据本发明用于控制功率半导体模块的方法步骤的图。图I示出根据本发明第一实施例作为包括IGBT 1、2、3和4的功率半导体模块的紧压包装10的示意结构，IGBT 1、2、3和4作为可有源开关的半导体芯片。IGBT I和2布置在第一子模块5中，并且IGBT 3和4布置在第二子模块6中。子模块5和6作为单兀被预先处理，并且可根据要求以任意数量布置在紧压包装10中，这里是两个子模块5和6。每个子模块可含有任意数量的电子元件，其中需要至少一个用于开关的功率半导体芯片，诸如IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。在第一实施例中，每个子模块5和6分别包括两个IGBT 1、2和3、4。然而，本发明不限于2个，每个子模块5和6内多个开关功率半导体芯片1、2、3和4。每个子模块5和6也可以仅包括一个有源开关功率半导体芯片连同其它功率半导体芯片。经常，二极管与IGBT反向并联。子模块5和6甚至能各对应于一个开关功率半导体芯片。还有利的是，一样地设计每个子模块5和6以增大生产数量，简化构造，并确保子模块5和6具有相同功能性。紧压包装10连同图I中未示出的控制电路在本发明第一实施例中形成所谓的堆叠元件。堆叠元件是并联连接的至少两个，优选为多个，功率半导体芯片(如IGBT 1、2、3、4)的单元，其中堆叠元件适合于与多个另外的，优选为一样的，堆叠元件串联连接。串联连接的堆叠元件的堆叠形成开关站，作为根据本发明用于开关HVDC光变电站的高电压和高电流的系统。在备选实施例中，堆叠元件甚至可包括两个或多个并联连接的功率半导体模块，如紧压包装10。紧压包装10中的所有IGBT 1、2、3、4并联连接，使得IGBT 1、2、3、4可以划分堆叠电流。因此，子模块5和6也并联连接。集电极端子11与第一和第二子模块5和6的集电极端子连接。子模块5的集电极端子与IGBT I和2的集电极端子连接。IGBT I和2的发射极端子连接到子模块5的发射极端子。子模块6的集电极端子与IGBT 3和4的集电极端子连接。IGBT3和4的发射极端子连接到子模块6的发射极端子。最后，子模块5和6的发射极端子连接到紧压包装10的发射极端子12。功率半导体模块10甚至示出辅助发射极端子14，以检测和使用紧压包装10的发射极电势。然而，在备选实施例中，对发射极和集电极电势的检测和使用可直接在集电极和发射极端子11和12处执行，或在辅助发射极端子14和附加辅助集电极端子处执行，或在辅助集电极端子和发射极端子12处执行，其中辅助集电极端子代替辅助发射极端子14。IGBT 1、2、3和4的所有栅极端子通过子模块5和6的对应栅极端子8和9连接到公共栅极端子7。然而，IGBT 1、2、3和4的栅极端子或子模块5和6的栅极端子8和9也可单独从紧压包装10引出。在正常情况下在外壳中准备子模块5和6，外壳一起布置在紧压包装10中(其包含所有IGBT 1、2、3和4)。紧压包装10的集电极端子11和发射极端子12布置在顶侧和底侧。这允许通过将堆叠元件布置在堆叠中并通过在高压下将堆叠元件压在一起来串联连接作为堆叠元件的紧压包装10。尽管优选使用作为功率半导体模块的紧压包装10，但本发明不限于那些，并且甚至可以使用不同的模块。备选地，甚至堆叠元件之间的有线连接也是可能的。施加到栅极端子7的第一栅极电压或第二栅极电压将紧压包装10切换到集电极与发射极端子11与12之间的导通或阻断状态。根据本发明第一实施 例，IGBT 1、2、3和4这样布置在紧压包装10中使得IGBT 1、2、3和4示出各个SCFM模式，使得如果一个IGBT 1、2、3和4出故障，则出故障的IGBT形成低欧姆导体。这种具有实现单独SCFM模式的IGBT 1、2、3和4的布置的紧压包装10有时也称为StakPak (注册商标)模块。然而，本发明不限于IGBT 1、2、3和4这种布置，并且具有没有单独SCFM模式的IGBT布置的备选实施例也是可能的。图2示意性例证了根据本发明第一实施例的堆叠元件15。这里，堆叠元件15包括一个紧压包装10以及用于紧压包装10中的IGBT 1、2、3和4的控制电路。堆叠元件15包括之前描述为堆叠元件的紧压包装10以及栅极单元16和SCFM电压供应电路17作为控制构件。紧压包装10、栅极单元16和SCFM电压供应电路17可全都布置在一个电路板上，或者包括堆叠元件15的所有单元10、16和17并将它们适当地连接的公共外壳上。栅极单元16经由导线18向栅极端子7提供所选的第一栅极电压或第二栅极电压用于在接通状态与关闭状态之间开关紧压包装10。对于接通状态，即，建立紧压包装的集电极端子11与发射极端子12之间的导电连接，正常情况下在栅极端子7与发射极端子12之间施加15V的第一栅极电压。对于关闭状态，正常情况下，在栅极端子7与发射极端子12之间提供-15V的第二栅极电压。因此，栅极单元16经由导线19与辅助发射极端子14连接。可从由集电极端子11和辅助发射极端子14夹持并经由导线20和19引导到栅极单元16的紧压包装10的集电极侧与发射极侧之间的电势差中获取用于生成第一栅极电压和第二栅极电压的倉tfi。栅极单元16借助辅助集电极和发射极14检测紧压包装10的IGBT 1、2、3、4中的一个或多个是否出故障。该检测机制可能对栅极泄露电流的不规则、阻断状态下集电极-发射极电压的损耗和/或导通状态下增大的集电极-发射极电压敏感。如果在紧压包装10中检测到出故障的IGBT 1、2、3或4，则通过触发导线21将触发信号发送到作为SCFM电压供应电路17中的开关构件的开关22。开关22也连接到紧压包装10的辅助发射极端子14，其作为栅极单元16的触发信号开关该开关22的参考电势。在第一位置，开关22将导线18 (即用于提供接通状态或关闭状态的第一栅极电压或第二栅极电压的栅极单元16的第一电源26)经由导线23与栅极端子7连接。或者，在第二位置，开关22将与第二电源25连接的导线24连接到栅极端子7。第二电源25也连接到导线19以在栅极端子7与发射极端子12之间施加增大的栅极电压作为第二电源25的第三栅极电压。第二电源25的增大的第三栅极电压是20V，并且高于15V的接通状态的正常第一栅极电压和由第一电源提供的-15V的关闭状态的正常第二栅极电压。在第一实施例中，出故障的IGBT熔化并形成集电极端子11与发射极端子12之间的低欧姆连接。在备选实施例中，开关22可实现成使得，当在导线21的触发信号与导线19的发射极电势之间至少施加预定电压时，开关22仍保持在第一位置。否则，当触发信号与发射极12之间的电压差降到预定电压以下时，开关22自动落入第二位置。由此，可阻止栅极单元16中的错误。图3示出了根据本发明第一实施例的栅极单元16，具有第一电源26以及检测单元27，第一电源26用于提供15V或-15V的电压作为栅极电极7与发射极端子12之间的第一栅极电压和第二栅极电压，检测单元27用于检测1、2、3和4中是否有一个IGBT或多个IGBT出故障。作为故障的结果，相应的IGBT 1、2、3或4熔化到低欧姆状态。如果检测单元 27在紧压包装10中检测到出故障的IGBT 1、2、3或4，则检测单元27通过触发导线21向开关22发出触发信号以将开关22改变到第二位置，并且由此将栅极电压增大到20V。因此，紧压包装10被开关在持续接通状态。出故障的IGBT 1、2、3或4形成低欧姆连接，并且其余IGBT通过20V的增大栅极电压示出降低的电阻。所以，当低欧姆连接的寿命结束时，准备其余IGBT以接管出故障的IGBT 1、2、3或4的电流。这延长了其后发生SCFM转变的时间，这是因为在SCFM寿命结束时以出故障的IGBT 1、2、3或4的不断增大电阻的增大电流，其余IGBT加热较少。此外，出故障的IGBT 1、2、3或4在安全SCFM中保持较长时间，这是因为具有20V的增大栅极电压的其余IGBT由于减小的电阻而接管更高电流。开关站设计成使得作为堆叠元件的紧压包装10的某一百分比可以出故障，并且可操作在具有增大的第三栅极电压的持续接通状态，而没有对其余紧压包装10过度加压。本发明不限于系统15的所示结构。图I附加地示出了熔丝28到31，以在出现栅极发射极短路的情况下从其余栅极端子断开IGBT 1、2、3或4的栅极端子。出故障的IGBT 1、2、3或4的熔化有时可能引起栅极发射极短路。栅极发射极短路从在检测到出故障的IGBT 1、2、3或4之后使用的第二电源25提取高电流。所以，第二电源25的第三栅极电压将下降，并且所有IGBT 1、2、3和4都落入阻断模式。然而，必须阻止紧压包装10的阻断模式，以便不阻断HVDC光变电站的完整开关站。栅极发射极短路将导致高电流流过连接在具有栅极发射极短路的IGBT 1、2、3或4和栅极端子7之间的熔丝，并且相应的熔丝28到31将熔化。所以，具有栅极发射极短路的一个或多个IGBT的栅极端子通过对应的熔丝28到31从栅极端子7断开。在第一实施例中，对于每个IGBT 1、2、3、4的栅极端子与第二电源25之间的每个连接，仅使用一个单独的熔丝28到31，使得仅具有栅极发射极短路的IGBT
1、2、3、4切断第二电源25。其余IGBT 1、2、3、4继续传导堆叠电流。在具有栅极发射极短路的IGBT I的示范情况下，IGBT I通过熔丝28断开。熔丝28到31通常是能够在正常操作期间携带栅极电流的细线。熔丝28到31必须在第二电源25可提供的最大电流以下熔化。用于熔丝28到31的典型电流额定值可能是200mA。这种熔丝28到31可用于大约I欧姆的电阻。这个电阻对应于在子模块级上使用的栅极电阻值。所以，栅极电阻可实现为熔丝28到31，代替电阻器。熔丝28到31有利地布置在芯片级上，这是因为在那里电流低于在子模块级上的，并且熔丝的电阻不干扰栅极电压供应。如果通过设计可排除栅极-发射极短路，则不需要熔化熔丝28到31的概念。例如，IGBT故障可烧掉栅极线。然而，液化和汽化金属可呈现在栅极电路附近，并且仍可引起栅极-发射极短路。而且，不在SCFM中的IGBT 1、2、3或4的故障也可能导致栅极-发射极短路。在备选实施例中，附加子模块熔丝32、33可保证每个子模块5和6的安全，和/或如果多于一个紧压包装10并联连接在一个堆叠元件中，则附加模块熔丝44可保证每个紧压包装10的安全。图I用虚线示出了紧压包装10的这种备选实施例。由此，单独熔丝(如28到31)的网状熔丝28到33和44以及子模块熔丝32、33和/或模块熔丝44可增大本发明备选实施例的堆叠元件的安全性。如果单独熔丝(如28)在IGBT I的栅极发射极短路的情况下出于某种原因不熔化，则堆叠元件的所有其余IGBT 2、3、4可由于不断下降的第三栅极电压而都落入阻断模式。子模块熔丝32可选择成使得该子模块熔丝在具有栅极发射极短路的IGBT I的子模块5中栅极发射极短路电流加上其余IGBT 2、3、4的正常栅极电流的情况下熔化。对于具有栅极发射极短路的IGBT的完整紧压包装10，模块熔丝44以相同 方式工作。另一方面，这通过保证切断具有栅极发射极短路的IGBT I增大了发明系统的安全性。另一方面，完整子模块5或者甚至完整紧压包装10的分离导致子模块5或紧压包装10中的所有其余IGBT 2或2、3、4的阻断模式切断第二电源25。由此，其余子模块6或紧压包装中的其余IGBT 2或2、3、4的负载急剧增大。因此，有利的是，子模块熔丝32、33和/或模块熔丝44在比各个熔丝28到31高的电流处熔化，使得当各个熔丝28到31之一不熔化或者子模块5、6和/或紧压包装10的IGBT 1、2、3、4中的多个显示栅极发射极短路时，公共子模块熔丝32、33和/或模块熔丝44仅在极端情况下熔化。越多IGBT被熔丝控制，熔丝的电阻越低。由此，单独控制每个IGBT 1、2、3、4的熔丝28到31具有比控制子模块5和6的熔丝32和33更大的电阻。控制子模块5和6的熔丝32和33的电阻比控制模块10的熔丝44的电阻更大。如果熔丝布置在更多级上，如在芯片和子模块级上、在子模块和模块级上或在所有级上，则串联连接的熔丝的电阻之和应该更小。串联连接的单独熔丝28到31和子模块熔丝32、33和/或模块熔丝44有利地具有近似I欧姆的公共电阻。如果多于一个模块并联连接(它们具有未发生在IGBT 1、2、3、4中的短路)，则网状熔丝28到33还具有切断子模块5、6或模块的优点。在另外的备选实施例中，代替熔丝28到31，仅子模块熔丝32和33可保证栅极电压供应的安全，免于栅极发射极短路的损坏。这允许通过实现熔丝来使用标准子模块，没有改变它们的设计，并减少了熔丝数量。在多个模块的情况下，熔丝甚至可以仅实现在模块的栅极端子与第二电源25之间。第二电源25应该能够以20V提供大约IA的栅极电流，使得在栅极发射极短路的情况下，对应的每个熔丝28到31迅速熔化。如果栅极发射极泄露对于IGBT I缓慢开始，则对应的熔丝28不会迅速熔化。因此，第二电源25必须能够提供泄露电流，直到在备选实施例中对应的熔丝28或对应的熔丝28、32或44之一熔化。例如，如果泄露大约为500mA，并且熔丝额定值是200mA，则可花数分钟，直到熔丝熔化。因此，栅极电压供应25的典型持续输出电流可能大约是1A。所需的功率是20W。图4示出了根据本发明第一实施例的第二电源25。可从紧压包装10的集电极11与发射极12之间的模块电流提取功率。那意味着，第二电源25实现为用于变换从紧压包装10的集电极11流到发射极12的电流36的电流变换器35。电流变换器35由绕磁芯37的两个线圈38和39实现，使得通过线圈39流IA的电流。因此，紧压包装10由横截面大约Icm2的磁芯37包围。铜线围绕磁芯例如缠绕1000次，并形成第二线圈39。通过磁芯37的中心传导堆叠电流36的紧压包装10形成具有一个绕组的线圈。线圈39的两侧连接到这里由四个二极管组成的整流器41。整流器41的输出用作第二电源25的电压，并连接到用于存储所变换能量的电容器42。线圈39的两侧可通过开关40短路。如果开关40打开，则对电容器42充电，并且如果开关40闭合，则短路的线圈39不从堆叠电流36提取任何功率。为了具有能转移到第二电源25的足够磁场能量，在与电流流过紧压包装10的方向正交的平面中在模块10周围需要磁芯37。在由堆叠的紧压包装10作为堆叠元件形成的开关的情况下，该平面与堆叠方向正交。可以计算和/或模拟从作为第二电源25的电流模块36提供足够功率所需的磁芯37的大小。磁芯37形成为围绕模块堆叠的环形线圈。对 于IT的操作磁场，对于U: =4OC0的铁磁导率，以及100 Hz的开关频率，A=16cm2的环形线圈的横截面积，达到20W的所需功率。所以，需要重16kg的大约2 dm3的铁体积。由此，由第二电源25进行第三栅极电压供应是可能的，但对于开关堆叠引起严重的机械负担，这是因为每个堆叠元件都需要这种电流变换器。所需的磁材料量可通过如下方法之一或组合来降低。磁芯可操作在高磁通，例如饱和时操作在I. 5T。磁芯布置得离绕组越近，即离堆叠电流越近，磁芯中的磁通量越大。代替铁，可使用具有高饱和度和低磁导率的磁材料。可通过让熔丝定额在最低可能电流来降低第二电源25的所需功率。它也可通过栅极-发射极泄露导致快速电流上升的设计来确保。燃烧熔丝所需的快速电流上升可来自电容器(如电容器42)。开关频率可被增大以便迅速熔化熔丝或网状熔丝之一。也有利的是，减少次级侧上磁芯37周围的线圈39的匝数。所以，用于给电容器42充电的次级电流将更高。由于磁芯中的有限磁能量，在初级侧上的下一开关事件之前，即在由初级侧上的开关事件再次给磁芯充电之前，次级电流将更迅速下降，并且消失或几乎消失。备选地，从处于SCFM的紧压包装10的集电极11与发射极12之间的电压电势差提取第二电源25的电压。然而，这个电势差非常小。所以，集电极11与发射极12之间的电压要被变换成20V的电压以便用作第二电源25。电压转换器具有如下缺点它需要被保护免受高电压。在堆叠元件中使用多于一个紧压包装10的备选解决方案将是使用与紧压包装10相邻并且没有出故障IGBT的紧压包装的电压差。然而，如果甚至相邻紧压包装出故障，则无法保证功率供应。电池是第二电源25的第四解决方案。电池具有低成本和低重量的优点，但如果栅极泄露电流正好在熔丝额定值以下持续较长时间，则可能超过电池容量。在另一个实施例中，组合所呈现的电源的两种模式以组合它们的优点。在一个实施例中，电流变换器可容易地提供IW的功率以便保持20V的持续栅极电压，并且用于燃烧熔丝所需的能量可来自电池或大电容器。这减少了堆叠的机械负担，并允许有限时间的足够功率迅速燃烧出故障的IGBT I的相关熔丝28。
一般而言，可以从相同的第一电源和第二电源26和25提供包括任意数量功率半导体模块、任意数量子模块和至少与子模块相同数量的IGBT的堆叠元件中并联连接的所有IGBT (如1、2、3、4)的栅极端子。图2所示的第一电源和第二电源以及控制电路有利地集成在堆叠兀件15中，在本发明的第一实施例中，第一电源和第二电源26和25甚至可直接集成在紧压包装10中。在更多紧压包装10的情况下，对于堆叠元件中的所有紧压包装10，可在堆叠元件中实现图2所示的公共控制电路。图5示出了本发明备选实施例的堆叠元件49中的两个紧压包装47和48的布置。图5中未示出的控制电路与图2中的堆叠元件15中示出的控制电路一样。紧压包装47和48设计得几乎与图I中呈现的紧压包装10—样。因此，对于紧压包装47和48的一样的部分，也使用紧压包装10的附图标记。IGBT 1、2、3、4的并联连接和子模块5和6的并联连接未明确示出，但与紧压包装10的一样。与紧压包装10不同，子模块5和6具有公共子模块熔丝32和33。此外，每个紧压包装47和48具有模块熔丝50和51。代替堆叠元件15的控制电路，对于不同紧压包装47和48可使用不同电源。那意味着，第一电源和第二电源可与紧压包装47的栅极端子7直接连接，并且第三电源和第四电源可与紧压包装48的栅极端子7直接连接。由此，熔丝50和51不再是必要的，这是因为具有栅极发射极短路的紧压 包装47不提取第三电源以及尤其是还有第四电源的任何电流。在这种设计中，控制电路可集成在功率半导体模块中。图6示出了设计得几乎与图I中呈现的紧压包装10 —样的本发明备选实施例的备选紧压包装52。因此，对于紧压包装52的一样部分，也使用紧压包装10的附图标记。与紧压包装10不同，紧压包装52将子模块5和6的端子8和9直接引到与端子8和9连接的模块端子53和54。在备选实施例中，端子53与第一子模块电源55连接，并且端子54与第二子模块电源56连接。子模块电源55和56都连接到发射极端子12以在子模块5和6的IGBT的栅极端子与发射极端子12之间施加栅极电压。第一子模块电源和第二子模块电源55和56适合于当子模块5和6之一中的IGBT 1、2、3、4之一出故障时给出三个不同的栅极电压_15V的阻断状态的第一栅极电压；15V的导通状态的第二栅极电压以及20V的第三栅极电压。公共控制单元57与每一个电源55和56连接。控制单元57包括用于检测紧压包装52中出故障的IGBT 1、2、3或4的检测电路。如果检测到一个出故障的IGBT I、
2、3、4，则电源55和56都受控制单元57控制，使得第三栅极电压施加在IGBT 1、2、3、4的栅极端子与发射极端子12之间。由此，在这个实施例中，控制构件由第一和第二子模块电源55、56和控制单元57形成。单个子模块5和6的IGBT 1、2、3、4的栅极电压供应是有利的，这是因为子模块5中的栅极发射极短路不能从独立的第二子模块电源56提取任何电流。由此，子模块熔丝32和33不再是必要的。每个子模块的这种独立的栅极电压供应提高了系统的稳定性，这是因为系统的操作不依赖于一个熔丝28到31的熔化。在一个实施例中，负责一个子模块5、6的电压供应55、56可集成在子模块5、6中。这种独立的电源甚至可用于每个模块或多个模块中的每个子模块。在另一个实施例中，紧压包装10的熔丝32和33布置在紧压包装43的外部，作为图7中所示的子模块熔丝58和59。紧压包装43设计得如图I中所示，只是每个子模块5和6的栅极端子8和9与紧压包装43的栅极端子45和46连接。由此，紧压包装43具有对应于所述若干子模块5和6的若干栅极端子45和46。电路将栅极端子44和45各与对应于熔丝32和33的熔丝58和59连接。在第二实施例中，系统与第一实施例或备选实施例之一中一样实现。第二实施例不同于之前描述的实施例之处在于它使用绝缘功率模块代替紧压包装。绝缘功率模块具有功率半导体芯片、如IGBT，它们通过绝缘衬底层与冷却金属层电绝缘。这种布置生产起来更便宜。然而，封装不提供IGBT的单独SCFM模式。多个标准绝缘IGBT模块(如HiPak (注册商标)模块)可用作构建堆叠元件的所描述的模块。此外，IGBT的这些布置很适合于开关高电压。然而，当它们出故障时，它们具有爆炸的缺陷。因此，在每个IGBT和/或每个子模块和/或每个模块之间布置了作为防爆装置的安全壁，以当一个子模块出故障并爆炸时保护相邻的IGBT、子模块和/或模块。由与图3中第一实施例中的紧压包装10的一样的电 路提供的持续的、增大的20V第三栅极电压连接通过(connect through)其余IGBT。由此，其余子模块可在一个子模块故障之后通过更高栅极电压处理更高电流，没有破坏其余子模块。增大的栅极电压必须在数微秒内施加到其余子模块的IGBT的栅极端子，以防止由于故障引起的突然阻断的IGBT破坏不得不处理出故障IGBT的附加电流的其余IGBT。由此，本发明克服了具有SCFM能力的IGBT模块的使用。图8示出了具有用于控制之前所描述的功率半导体模块10的方法步骤的流程图。在第一步骤SI，栅极单元16检验模块10的IGBT 1、2、3、4之一中是否发生了 SCFM，直到检测结果为肯定。在检测到出故障的IGBT 1、2、3或4之后，在第二步骤S2，IGBT的栅极端子的栅极电压不处于故障模式，在之前的示例中，2、3和4增大到20V。无疑，这包含在本发明第一实施例中所描述的通过公共栅极导线增大堆叠元件的所有IGBT 1、2、3、4的栅极电压、甚至是出故障的IGBT I的栅极电压的可能性。如之前所描述的通过从第一电源26切换到第二电源25或通过切换能够向20V的第三栅极电压提供3个栅极电压的公共电源来提供增大的栅极电压。在第三步骤S3，检验IGBT 1、2、3、4之一、特别是出故障的那个IGBT的栅极电流是否超过阈值。该阈值定义足够高以降低第二电源25的20V栅极电压的电流。如果一个IGBT 1、2、3、4的电流增大超过这个阈值，则在第四步骤S4，具有这个栅极发射极短路的IGBT通过熔丝切断。在熔丝的情况下，当电流超过阈值时，通过熔化的熔丝自动切断连接。本发明不限于所描述的实施例。本发明所有实施例都可有利地组合。
权利要求
1.一种系统，包括 -至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)，并联连接并且各包括栅极端子，所述栅极端子用于通过第一栅极电压在阻断状态开关所述功率半导体芯片(1，2，3，4)并用于通过第二栅极电压在导通状态开关所述功率半导体芯片(1，2，3，4);以及 -控制构件(16，17;55，56，57)，适合于将第一栅极电压或第二栅极电压施加到所述至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)的所述栅极端子； 其特征在于 所述控制构件(16，17; 55，56，57)适合于当所述至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)中的功率半导体芯片(1，2，3，4)出故障时，将第三栅极电压施加到所述至少一个其余功率半导体芯片(1，2，3，4)的所述栅极端子，并且所述第三栅极电压超过所述第二栅极电压。
2.如权利要求I所述的系统，其特征在于 所述系统包括至少一个模块(10; 43; 47，48; 52)，每个模块(10; 43; 47, 48; 52)包括至少一个子模块(5，6)，并且每个子模块(5，6)包括所述至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)中的至少一个。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于 每个子模块(5，6)包括连接到所述控制构件(16，17; 55，56，57)并连接到所述子模块(5，6)的所述至少一个功率半导体芯片(1，2，3，4)的每个栅极端子的栅极端子(8，9)，并且所述控制构件(16，17; 55, 56, 57)与所述子模块(5,6)的所述栅极端子(8,9)之间的每个连接都包括单独熔丝(32，33; 58，59)。
4.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于 每一个所述模块(10;47，48)包括连接到所述控制构件(16，17; 55，56，57)并连接到每个功率半导体芯片(1，2，3，4)的所述栅极端子的栅极端子(7)，并且所述控制构件(16，17; 55，56，57)与所述模块(10; 47, 48)的所述栅极端子(7)之间的每个连接都包括单独熔丝(44; 50，51)。
5.如权利要求I到4中任一项所述的系统，其特征在于 所述控制单元(16，17; 55，56，57)与每个功率半导体芯片(1，2，3，4)的所述栅极端子之间的每个连接都包括单独熔丝(28，29，30, 31)。
6.如权利要求2到5所述的系统，其特征在于 每个熔丝(28，29，30，31，32，33，44，50，51，58，59)或所有串联连接的熔丝(28，29，30，.31，32，33，44，50，51，58，59) 一起具有栅极电阻的电阻，并充当栅极电阻器。
7.如权利要求I到6所述的系统，其特征在于 所述控制构件(16，17;55，56，57)包括用于提供第一栅极电压和第二栅极电压的第一电源(26)和可与所述至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)的所述栅极端子连接以便提供所述第三栅极电压的第二电源(25)。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于 所述控制构件(16，17; 55, 56, 57)包括用于将第一电源(26)或第二电源(25)与所述至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)的所述栅极端子连接的开关构件(22)。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于 所述开关构件(22)连接到用于控制所述开关构件(22)的开关状态的检测单元(27)，并且在于所述控制构件(16，17; 55，56，57)适合于当所述功率半导体芯片(1，2，3，4)之一中发生故障时将所述功率半导体芯片(1，2，3，4)的所述栅极端子与第二电源(25)连接。
10.如权利要求7到9所述的系统，其特征在于 第二电源(25)包括电池、电容器(42)、变换所述功率半导体芯片(1，2，3，4)的电流的电流变换器(35)和用于变换所述功率半导体芯片(1，2，3，4)的集电极-发射极电压的电压变换器之一，或它们的组合。
11.如权利要求I到10中任一项所述的系统，其特征在于 所述控制构件(16，17; 55，56，57)连接到所述至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)的集电极侧(11)和/或发射极侧(12)和/或所述栅极端子，用于检测出故障的功率半导体芯片(1，2，3，4)和/或用于将所述功率半导体单元(10)的电压或电流变换成第一电源和/或第二电源(25，26)的第一栅极电压、第二栅极电压和/或第三栅极电压。
12.如权利要求I到11中任一项所述的系统，其特征在于 所述系统包括至少一个模块(10)，每个模块(10)包括至少一个子模块(5，6)，并且每个子模块(5，6)包括所述至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)中的至少一个，并且通过对于功率半导体芯片(1，2，3，4)的爆炸抵抗的壁将每个功率半导体芯片和/或每个子模块(5，6)和/或模块(10)分开。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于 所述至少两个功率半导体芯片和/或所述至少一个子模块(5，6)和/或所述至少一个模块(10; 43; 47，48; 52)相对冷却金属层通过绝缘衬底层电绝缘。
14.如权利要求I到13中任一项所述的系统，其特征在于 所述至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)是绝缘栅双极晶体管。
15.如权利要求I到14中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于 第三栅极电压超过15V。
16.如权利要求I到15中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于 当功率半导体芯片(1，2，3，4)出故障时，第三栅极电压被持续地施加到所述至少一个其余功率半导体芯片(1，2，3，4)的栅极端子。
17.用于操作并联连接的至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)的方法，并且每个功率半导体芯片(1，2，3，4)包括栅极端子，所述方法其特征在于如下步骤 -检测(SI)出故障的功率半导体芯片(1，2，3，4)； -当检测到出故障的功率半导体芯片(1，2，3，4)时，将比施加用于所述至少两个功率半导体芯片(1，2，3，4)的导通状态的栅极电压高的栅极电压提供(S2)到所述至少一个其余功率半导体芯片(1，2，3，4)的所述栅极端子。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于 当到功率半导体芯片(1，2，3，4)的栅极端子的连接中的电流超过阈值时(S3)，切断该连接(S4)。
全文摘要
根据本发明的系统包括至少两个功率半导体芯片(1,2,3,4)，它们并联连接并且各包括用于通过第一栅极电压在阻断状态开关功率半导体芯片(1,2,3,4)并用于通过第二栅极电压在导通状态开关功率半导体芯片(1,2,3,4)的栅极端子。该系统还包括适合于将第一栅极电压或第二栅极电压施加到至少两个功率半导体芯片(1,2,3,4)的栅极端子的控制构件(16,57)。控制构件(16)适合于当功率半导体芯片(1,2,3,4)出故障时，将第三栅极电压施加到至少一个其余功率半导体芯片(1,2,3,4)的栅极端子，并且第三栅极电压高于第二栅极电压。
文档编号H03K17/12GK102754345SQ201080054704
公开日2012年10月24日 申请日期2010年12月1日 优先权日2009年12月3日
发明者S.克拉卡, S.哈特曼 申请人:Abb 技术有限公司