高功率半導體模塊的制作方法

高功率半導體模塊的制作方法
【專利摘要】本發明提出高功率半導體模塊（10），其包括安裝在模塊（10）上并且包括至少兩個電連接（14a，14b）的高功率半導體設備（12）。該模塊（10）進一步包括安裝在模塊（10）上的短路設備（16）。該短路設備（16）適應于在接收觸發信號（23）時通過電損毀高功率半導體模塊（10）的半導體（30，32）而在兩個電連接（14a，14b）之間產生持續導電路徑（92）。
【專利說明】高功率半導體模塊

【技術領域】
[0001] 本發明涉及高功率半導體模塊、模塊化多電平轉換器系統(modular multilevel converter system)和用于旁路高功率半導體模塊的方法。

【背景技術】
[0002] 因為電壓的增加可通過增加級數來實現，具有多電平拓撲(采用高功率半導體模 塊）的模塊化轉換器可很適合于許多應用。冗余也可通過采用多個這樣的半導體模塊而實 現。然而，當多電平轉換器系統的半導體模塊有故障時，可需要使模塊的電路短路以便盡管 有故障但使系統保持運作。多電平轉換器系統然后在少了一個模塊的情況下運行，但如果 剩余模塊仍在它們的安全極限內操作，則功率轉換可繼續而在輸出中幾乎沒有任何顯著的 變化。
[0003] 盡管在模塊化多電平轉換器系統中采用的所謂的雙極壓裝式設備(例如，相控晶 閘管、二極管、GT0、IGBT或IGCT)可以在失效時變成短路，可以假設不是所有能想到的失效 事件都可確實導致短路；設備可被阻斷而不是可控的，即可未開啟或關閉它們。常見失效可 以是由于一些原因而失去半導體模塊的開關的控制，例如由于有故障的門控單元、斷開的 光纖或任何其他故障。如果半導體模塊未能關閉，模塊的電容器可過量充電或高度增加的 電壓可最終引起電路的一部分的損壞，這又可由于存儲在電容器中能量的釋放而導致非常 高能量的浪涌電流。具有分離控制的機械旁路開關(例如磁或煙火信號開關)可以是用于最 終旁路半導體模塊并且使它脫離操作的技術方案。這樣的機械旁路開關的一個主要缺點可 以是這樣的設備占據寶貴的模塊空間、可是昂貴的并且可需要定期維護來確保正常運作。


【發明內容】

[0004] 本發明的目標是以低成本并且在不需要定期維護的情況下對高功率半導體模塊 提供安全操作。
[0005] 該目標通過獨立權利要求的主旨實現。另外的示范性實施例從從屬權利要求和下 列描述中顯而易見。
[0006] 本發明的方面涉及高功率半導體模塊，例如模塊化多電平轉換器的半導體模塊。 必須理解術語高功率可意指高功率半導體模塊可適應于處理10A以上的電流和/或1000V 以上的電壓。
[0007] 根據本發明的實施例，高功率半導體模塊包括高功率半導體設備，其安裝在模塊 上并且包括至少兩個電連接。高功率半導體模塊進一步包括短路設備，其也安裝在模塊上 并且適應于在接收觸發信號時在這兩個電連接之間產生持續導電路徑。該持續導電路徑通 過電損毀高功率半導體模塊的半導體而產生。
[0008] 也就是說，高功率半導體模塊可采用控制的方式通過在半導體模塊中的任何失效 (例如，出故障、阻斷或不可控半導體結或模塊的電或電子部件中的任何其他失效）時用電 信號損毀模塊的半導體而被電旁路。由此，高功率半導體設備的兩個電連接(其可以是陽極 和陰極）可電連接并且從而短路以便使整個模塊安全放電和/或使它脫離操作。
[0009] 本發明的主旨可體現在電子自毀通道在高功率模塊的集成中，這可在模塊化多電 平轉換器系統中和/或在具有串聯冗余的高功率半導體系統中使用。
[0010] 高功率半導體模塊可例如是轉換器模塊。一般，轉換器可以是電設備，其適應于將 第一 AC或DC電流轉化成第二AC或DC電流，該第二AC或DC電流在電壓和/或頻率上與 第一電流不同。
[0011] 除規定的高功率半導體模塊的電旁路外，機械旁路(例如，用于使高功率半導體設 備短路的磁或煙火信號開關）也可安裝到模塊以便進一步增加安全性。
[0012] 根據本發明的實施例，持續導電路徑通過損毀高功率半導體設備的高功率半導體 的至少一部分而產生和/或持續導電路徑通過損毀短路設備的短路半導體的至少一部分 而產生。
[0013] 對應地，在半導體模塊失效(例如，阻斷或不可控的半導體結）時，可供應電信號， 其可強大到足以局部損毀高功率半導體的至少一部分和/或半導體模塊的短路半導體的 至少一部分，例如通過使對應半導體的部分局部加熱和熔化，這將產生永久導電路徑。
[0014] 根據本發明的實施例，短路設備可包括晶閘管作為短路半導體和/或高功率半導 體設備可包括半導體開關作為高功率半導體，其可適應于開關電流，例如晶閘管、晶體管、 GTO、IGCT、IGBT 和 / 或二極管。
[0015] 短路設備和高功率半導體設備兩者可包括多個各種不同的半導體，即，不同類型 的半導體的組件可在高功率半導體模塊中集成。
[0016] 根據本發明的實施例，短路設備包括提供犧牲區的短路半導體，其配置成用于被 觸發信號觸發的電流脈沖損毀。
[0017] 這可意指短路設備的區域可通過電流絲而被局部損毀來犧牲以便旁路高功率半 導體設備。由此，觸發信號可以是電信號或任何其他信號，例如由光纖通信提供的光信號。 電觸發信號如果它未強大到足以提供電流脈沖并局部損毀犧牲區則可被放大，而任何其他 信號可直接轉換成電流脈沖或轉換成電信號并且如必要的話也可被放大。電流源轉換器、 感應器、電容器或外部電流源可充當用于提供電流脈沖和/或用于放大電信號的電力供 應。
[0018] 除此之外，損毀半導體的實際電流脈沖也可由高功率半導體設備本身提供。更準 確地，電觸發信號可在模塊失效時提供。該觸發信號可起到開啟短路設備（即，例如開關短 路設備的晶閘管)的作用，其中導電路徑可在高功率半導體設備的兩個電連接之間產生。而 高功率半導體可釋放電能，其可例如存儲在單個或多個電容器中，從而提供高到足以損毀 短路設備的半導體的至少一部分的電流脈沖。
[0019] 對于短路設備的半導體的開啟，需要的能量可是相當小的。另一方面，為了損毀半 導體，供應的能量可以是大約30mJ以便使半導體局部熔化，例如典型的GCT或晶閘管的片 段。然而，如果充電到約20V，在高功率半導體設備中應用的典型電容器(例如對于GCT片段 的關閉溝道電容器）可包含該能量的許多倍的量，并且通常在高功率半導體設備的門控單 元上存在幾十個這樣的電容器。因此，可容易提供開啟短路設備的半導體以及損毀模塊的 半導體(即，短路設備或高功率半導體設備的半導體）這兩個策略所需要的能量。
[0020] 根據本發明的實施例，高功率半導體設備包括高功率半導體并且短路設備包括短 路半導體，它們設置在共同襯底中。
[0021] 高功率半導體和短路半導體兩者在共同襯底中的集成可允許生產相當緊湊的高 功率半導體模塊并且可有助于減少模塊的部件數量。這又可減少生產模塊的成本并且可使 對部件維護簡化。除此之外，在共同襯底中的集成可確保導電路徑可因為該路徑可直接在 共同襯底中產生并且可不需要外部部件(例如磁或煙火信號開關）而可靠地產生。
[0022] 高功率半導體模塊還可分別包括共同襯底的多個單元，其中這些單元中的每個可 包括高功率半導體和短路半導體以及至少兩個電連接。因此，高功率半導體設備還可包括 多個高功率半導體，并且短路設備還可包括多個短路半導體。在模塊中的任何失效時，兩個 電連接之間的持續導電路徑可在接收觸發信號時分別在每個單元中產生，或在多個單元中 產生。每個單元內的導電路徑可如在之前和后續章節中描述的那樣產生以便使整個模塊脫 離操作。
[0023] 根據本發明的實施例，短路半導體完全被高功率半導體環繞。
[0024] 這樣的構造可使高功率半導體模塊的生產簡化并且降低生產成本，以及它可允許 通過減少模塊的易出錯部件的數量而以可靠的方式在高功率半導體的兩個電連接之間產 生導電路徑。
[0025] 根據本發明的實施例，極片附連到高功率半導體的側面，其中該極片包括孔，其具 有用于例如用于將觸發信號傳送到短路半導體的彈簧承載觸銷的絕緣架，和/或其中極片 包括溝槽，其具有絕緣安裝到極片的控制引線，其可連接到彈簧承載觸銷。
[0026] 控制引線不必定通過彈簧承載觸銷而與短路半導體接觸，而可采用任何其他方式 例如與焊料接觸件連接或用插件連接而連接。
[0027] 極片可例如包括銅或任何其他適合的導電材料或由它們制成。用于觸銷的絕緣架 可例如包括在極片的孔中釬焊、從而與極片接觸用于絕緣的陶瓷襯套的第一區，和用于使 觸銷與控制引線接觸的第二區。該第二區可例如是在第一區中釬焊并且通過第一區而絕緣 的銅襯套。
[0028] 對于控制引線的溝槽可簡單地是極片中的溝道，其可例如與用塑料、陶瓷或任何 其他絕緣材料做襯里。
[0029] 根據本發明的實施例，高功率半導體設備包括設置在共同襯底中的續流二極管。
[0030] 一般，可使用續流二極管(其還可稱為反激、抑制器或鉗位二極管）以便消除反激， 其在電力供應突然減少或移除時是跨電路中的感應負載出現的電壓中的突發尖峰。因此， 通過將續流二極管設置在共同襯底中，可避免由于例如有故障或阻斷半導體結或連接到電 力供應的電路的一部分的崩潰而引起的電壓尖峰。
[0031] 根據本發明的另一個實施例，高功率半導體設備和短路半導體設備設置在共同襯 底的盤中。由此，該盤可包括中間區(其包括短路半導體)、環繞該中間區并且包括續流二極 管的第一環形區和環繞該第一環形區并且包括高功率半導體的第二環形區。
[0032] 共同襯底內的短路半導體、續流二極管和高功率半導體的設置可促進以低成本生 產緊湊的高功率半導體模塊。此外，通過減少單獨部件的數量，易出錯部件的數量可減少， 這又可增加模塊的可靠性。
[0033] 高功率半導體模塊還可包括多個單元，其還可以是盤狀形的，其中這些單元中的 每個可包括高功率半導體、短路半導體和續流二極管。單元中的每個可分別通過兩個電連 接而電連接。因此，高功率半導體設備可包括多個高功率半導體并且短路設備可包括多個 短路半導體。高功率半導體模塊這樣的布局可特別適應于基于IGBT的模塊。在這樣的模 塊上，多個IGBT單元通常安裝在模塊上并且并聯連接。在模塊中的任何失效時，兩個電連 接之間的持續導電路徑可在接收觸發信號時分別在每個IGBT單元或在多個IGBT單元中產 生。每個IGBT單元內的導電路徑可如在之前和后續章節中描述的那樣產生以便使整個模 塊脫離操作。
[0034] 根據本發明的再另一個實施例，短路設備包括用于提供電能用于損毀半導體的至 少一部分使得產生導電路徑和/或用于觸發短路設備（即，例如用于開關短路半導體設備 的短路半導體）的電容器。
[0035] 通過使短路設備配備有單獨且分離的電容器，用于開關短路半導體和/或用于局 部損毀模塊的半導體的電力供應可被確保，即使模塊的部分可由于任何原因(例如，斷開電 路）而有故障或閑置著也如此。
[0036] 根據本發明的另一個實施例，在高功率半導體設備的電容器卸載時，短路設備的 電容器經由二極管而連接到高功率半導體設備的電容器，用于防止短路設備的電容器的卸 載。
[0037] -旦模塊在操作中，短路設備的電容器可由高功率半導體設備加載。在操作期間 可能出現模塊的任何失效的情況下，可確保短路設備的電容器在可產生持續導電路徑之前 可不放電。例如，即使高功率半導體設備的主門控單元可能短路，短路設備的電容器可仍能 夠提供電能用于通過防止通過二極管從短路設備到高功率設備的電流的任何逆流而產生 導電路徑。這可確保短路設備的正常運作和模塊的安全操作。
[0038] 除此之外，二極管可起到使短路設備與高功率半導體設備電分離同時避免通過最 終短路的任何功率逆流的作用。這又允許將短路設備和高功率半導體設備安裝在例如模塊 的共同印刷電路板上。
[0039] 根據本發明的另一個實施例，短路設備包括光纖連接和用于將來自光纖連接的觸 發信號轉換成電觸發信號的控制電路。
[0040] 根據本發明的再另一個實施例，高功率半導體設備包括光纖連接和用于處理來自 該光纖連接的控制信號的控制電路。
[0041] 在模塊附近，由于在模塊中流動的相當強的電流，可存在相當強的靜電、磁和/或 電磁場。因此，通過光纖連接接觸短路設備和高功率設備中的兩個或一個可確保在相應的 連接中可未出現擾亂或電干擾。
[0042] 短路設備和高功率半導體設備兩者的控制電路可例如包括用于接收信號的接收 器、用于將光信號轉換成電信號并且反之亦然的轉換器、用于放大光和/或電信號的放大 器、用于傳送光和/或電信號的傳送器和/或用于處理光和/或電信號的處理單元。
[0043] 短路設備和高功率半導體設備兩者可包括多個冗余光纖連接和控制電路以便確 保整個模塊的正常通信和運作，即使例如光纖連接可被擾亂也如此。除此之外，連接和電路 中的冗余可提供用于記錄錯誤信號的工具。例如，如果兩個信號(其可假設為等同的）彼此 非常不同，這可指示錯誤。
[0044] 本發明的另外的方面涉及模塊化多電平轉換器系統，其包括多個如之前并且在后 續章節中描述的多個高功率半導體模塊。模塊化多電平轉換器系統進一步包括用于控制高 功率半導體模塊的高功率半導體設備的控制器，其中該控制器適應于檢測高功率半導體模 塊的失效并且用于向短路設備提供觸發信號用于旁路失效的高功率半導體設備。
[0045] 通過增加高功率半導體模塊的數量，可實現電壓以及一定冗余度的增加。
[0046] 模塊化多電平轉換器系統的控制器可包括用于從模塊接收光和/或電信號的接 收器、用于將光信號轉換成電信號并且反之亦然的轉換器、用于放大光和/或電信號的放 大器、用于傳送光和/或電信號的傳送器和/或用于處理光和/或電信號的處理單元。所 有這些部件可采用多種方式可用以便提供冗余并且確保系統的正常運作。
[0047] 有故障模塊可例如由控制器通過評估和/或解釋從對應模塊接收的信號并且通 過將該信號與參考值比較而檢測。這些參考值可例如在控制器中實現或可由控制器訪問， 例如在查找表中。除此之外，例如，頻率的缺乏、延遲、改變或模塊信號的強度的改變可對于 有故障高功率半導體模塊(例如斷開的光纖）起到指示器的作用，并且可促使控制器響應地 向對應的短路設備提供觸發信號。此外，由冗余光纖連接提供的信號中的差異(其可假設為 等同的）也可指示模塊部件的失效。
[0048] 本發明的另一個方面涉及用于旁路高功率半導體模塊的方法。該方法包括以下步 驟：檢測高功率半導體模塊的失效；在檢測到失效時產生觸發信號；以及在接收觸發信號 時通過電損毀高功率半導體模塊的半導體而在高功率半導體模塊的兩個電連接之間產生 持續導電路徑。
[0049] 高功率半導體模塊的兩個電連接可以是高功率半導體設備的兩個電連接，其可安 裝在如在之前和后續章節中描述的模塊上。
[0050] 必須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 系統和/或模塊的特征。
[0051] 如果技術上可能但未明確提出，在上文和下文中描述的本發明的實施例的組合也 可以是方法和系統的實施例。
[0052] 本發明的這些和其他方面將從之后描述的實施例顯而易見并且參考其來闡述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0053] 本發明的主旨將在下文中參考在附圖中圖示的優選示范性實施例更加詳細地說 明，其中： 圖1示意地示出根據本發明的示范性實施例的高功率半導體模塊的電路圖； 圖2示意地示出根據本發明的示范性實施例的高功率半導體模塊的電路圖； 圖3示意地示出根據本發明的實施例的高功率半導體模塊的橫截面側視圖； 圖4示意地示出圖3的高功率半導體模塊的頂視圖； 圖5示意地示出通過圖3的高功率半導體模塊的一部分的橫截面； 圖6示意地示出通過圖3的高功率半導體模塊的一部分的橫截面； 圖7示意地示出模塊化多電平轉換器及其控制器的系統； 圖8示出示意地圖示根據本發明的實施例旁路高功率半導體模塊的方法的步驟的流 程圖。
[0054] 原則上，等同的部件在圖中提供有相同的標號。

【具體實施方式】
[0055] 圖1示意地示出根據示范性實施例的高功率半導體模塊10的電路圖。該模塊10 包括具有至少兩個電連接14a、14b的高功率半導體設備12和短路設備16。高功率半導體 設備12可包括晶閘管、GTO、IGCT、IGBT和/或二極管作為高功率半導體30。
[0056] 高功率半導體設備12進一步包括電容器18,其經由二極管22而電連接到短路設 備16的電容器20。該二極管22適應于在高功率半導體設備12的電容器18卸載時防止短 路設備16的電容器20的卸載。電容器20可具有比電容器18更小的電容。
[0057] 短路設備16適應于在接收觸發信號23時通過損毀半導體30的至少一部分而在 兩個電連接14a、14b之間產生持續導電路徑，其中觸發信號23可在模塊10失效時提供。
[0058] 短路設備16可包括快門或開關13,其在接收觸發信號23時關閉。當開關13關閉 時，在短路設備16的電容器20中存儲的電能產生流過半導體設備12的電流。該電流損毀 半導體30,由此產生持續導電路徑。存儲在電容器20中的能量從而可大到足以使由高功 率半導體30的至少一部分提供的電路的電阻路徑加熱以便至少部分熔化它并且因此產生 導電路徑。
[0059] 圖2示意地示出根據另一個示范性實施例的高功率半導體模塊10的電路圖，其中 短路設備16包括晶閘管24作為短路半導體32。
[0060] 在接收觸發信號23時，可觸發短路設備16來開關晶閘管24。該晶閘管24可在兩 個電連接14a、14b之間提供導電路徑并且可使模塊10短路。
[0061] 圖3示意地示出高功率半導體模塊10的橫截面側視圖。圖4示出圖3的高功率 半導體模塊10的頂視圖。
[0062] 高功率半導體設備12安裝在模塊10的電路板11上。短路設備16也安裝在模塊 10的電路板11上。
[0063] 在共同襯底28的盤26中，設置高功率半導體設備12的高功率半導體30、短路設 備16的短路半導體32和續流二極管34。更準確地，盤26包括中間區36,其包括短路半導 體32 (例如，晶閘管24)、環繞中間區36并且包括續流二極管34的第一環形區38和環繞 該第一環形區38并且包括高功率半導體30的第二環形區40。
[0064] 晶閘管24可提供襯底28的犧牲區，其配置成用于被電容器20提供并且由觸發信 號23觸發的電流脈沖損毀。補充損毀晶閘管24的犧牲區的方法，高功率半導體30的一部 分也可如在圖1中指示的那樣被損毀。
[0065] 高功率半導體設備12進一步包括：電容器18,該電容器18具有多個電容器構件 31，其可具有電解或膜類型，并且其可起到提供能量用于開關高功率半導體30的作用；和 控制電子器件（門控單元)42,其可例如適應于控制高功率半導體設備12。控制電子器件42 可例如包括接收器、轉換器、放大器、傳送器和/或處理電子器件。控制電子器件42經由引 線44而連接到晶閘管24的門極，該引線44可以是或可包括電纜。
[0066] 如在圖4中由盤26中的虛圓指示的，短路半導體32設置在盤26的中間區36中 并且完全被包括續流二極管34的第一環形區38環繞，并且第一環形區38又被第二環形區 40環繞，該第二環形區40包括高功率半導體30。
[0067] 構件26在橫截面上不必定是圓形的，而可以是任意形狀，例如橢圓、四方的或矩 形。此外，高功率半導體模塊10可不一定僅包括一個盤26,而可包括多個盤26,其可并聯 或串聯電連接并且可采用任意方式設置在模塊10上。這又意指高功率半導體設備12也可 包括多個高功率半導體30和續流二極管34,并且短路設備16可包括多個短路半導體32。
[0068] 模塊10包括電力供應47,用于向模塊10供應電能。該電力供應47可為了該目的 而連接到任何種類的外部電源。
[0069] 電力供應47可電連接到高功率半導體設備12的主電路49。該主電路49包括控 制電子器件42和多個電容器31。主電路49此外可包括使高功率半導體設備12的部件連 接的多個電線，其中這些電線可例如印刷在電路板11上。
[0070] 高功率半導體設備12進一步包括連接到控制電路49的光纖連接52。然而，也可 應用例如同軸連接、多芯導體或扁平導體。光纖連接52適應于傳送(S卩，用于接收和/或發 送)光信號并且可連接到控制器96 (未明確示出，參見圖7)。從控制器96接收的光信號可 由控制電子器件42轉換成電信號。這些電信號可進一步被控制電子器件42放大和/或處 理，例如分析和/或解釋，以便控制高功率半導體設備12,其中電容器31可被致動以便開關 高功率半導體30。反之亦然，來自高功率半導體設備12的電信號可由控制電子器件42處 理和/或轉換成電信號并且可經由光纖連接52發送到控制器96 (參見圖7)。
[0071] 高功率半導體設備12可不僅包括單個光纖連接52,而還可包括多個光纖連接52， 其可適應于各種任務和/或其可由于冗余原因而設置。
[0072] 短路設備16包括連接到短路設備電路46的光纖連接54。然而，也可應用例如同 軸連接、多芯導體或扁平導體。光纖連接54可連接到控制器96 (參見圖7)并且設置成從 控制器96接收觸發信號23。另外，光纖連接54可起到向控制器96發送光信號的作用。
[0073] 控制電路46包括具有多個電容器構件56的電容器20,其可具有電解或膜類型并 且可設置成用于對短路設備16供應電能。控制電路46可進一步包括使短路設備16的部 件連接的電線，其中這些電線可印刷在電路板11上。
[0074] 短路設備16的電容器56中的至少一個由二極管22連接到高功率半導體設備12 的電容器31中的至少一個。二極管22可對于短路設備16起到電力供應的作用并且適應 于在高功率半導體設備12的電容器31卸載時防止短路設備16的電容器56卸載。也就是 說，二極管22設置成防止電能從短路設備16逆流到高功率半導體設備12同時允許電流在 相反方向上流動。
[0075] 此外，控制電路46包括短路設備16的控制電子器件58，其可適應于將來自光纖連 接54的觸發信號23轉換成電觸發信號。因此，控制電路46的控制電子器件58可包括用 于接收觸發信號23的接收器、用于將光觸發信號23轉換成電觸發信號的轉換器和用于放 大電信號的放大器。
[0076] 電觸發信號可經由控制引線44傳送到短路半導體32。
[0077] 圖5示出通過圖3和4的高功率半導體模塊10的一部分的橫截面。極片60 (其 可由銅制成或其可包括銅)設置在盤26與電路板11之間。另外的極片可設置在盤26的相 對側處。極片提供電連接14a、14b并且設置成用于使高功率半導體30、續流二極管34和短 路半導體32電接觸。
[0078] 極片60包括用于容納引線44的溝槽74,該引線44由溝槽74引導到盤26的中間 區36以便使短路設備16的電路46與短路半導體32的門極端子電連接。引線44通過溝 槽74內部的絕緣材料73 (例如，陶瓷材料）而與極片60絕緣。
[0079] 在盤26與極片60之間，鑰盤61設置成提供盤26與極片60的正確電連接。
[0080] 極片60和鑰盤61兩者都分別包括中心部分中的孔62,其具有用于使引線44與短 路半導體32電連接的絕緣架64。極片60和鑰盤61兩者從而都可是圓環狀形狀并且可幾 乎完全覆蓋盤26的一側。
[0081] 絕緣架64包括在極片60的孔62中釬焊并且與極片60直接接觸的陶瓷襯套66。 在陶瓷襯套66的中間區域中，銅襯套68在其中釬焊。因此，銅襯套68通過陶瓷襯套66而 與極片60電絕緣。
[0082] 此外，觸銷70設置在銅襯套68的中心部分中。該觸銷70突出通過孔62并且按 壓襯底28。更準確地，觸銷70按壓短路半導體32的表面以便在短路半導體32與銅襯套 68之間提供電接觸。觸銷70 (其可由銅或任何其他導電材料(例如Au)制成）是彈簧承載 的。
[0083] 在與襯底28的盤26相對的銅襯套68的側面上，引線44的尾端件72電連接到銅 襯套68。尾端件72未絕緣，而引線44可例如通過塑料材料而在中心部分中絕緣。尾端件 72可例如插進銅襯套68或在其中釬焊以便使控制引線44與觸銷70電接觸。
[0084] 引線44的另外的尾端件電連接到短路設備16的控制電路46以便經由銅襯套68 將由控制電路46提供的電觸發信號傳送到彈簧承載觸銷70和短路半導體32。
[0085] 圖6示意地示出在圖3和4中示出的模塊10的一部分的另一個橫截面。圖6示出 通過盤26的共同襯底的中間區36和第一環形區38以及通過極片60 (其包括具有絕緣架 64 (其包含觸銷70)的孔62)的橫截面。第二環形區40 (其包括晶閘管、GTO、IGCT、IGBT 和/或二極管作為高功率半導體30)由在圖6的投影平面中的續流二極管34的兩側上延 伸的虛線指示。極片60和鑰盤61也在續流二極管34的兩側上延伸，其也由虛線指示。
[0086] 觸銷70與起到短路半導體32的作用的晶閘管24的高p摻雜部分76電接觸。該 高P摻雜部分76是晶閘管24的門極端子78。該門極端子78被環形高η摻雜部分79環 繞，其起到晶閘管24的陰極80的作用。在與門極端子78相對的襯底28的側面上，設置高 Ρ摻雜部分81，其起到晶閘管24的陽極82的作用。在陰極80與陽極82之間，鄰近門極端 子78和陰極80設置ρ摻雜部分83。在ρ摻雜部分83和陽極82之間，設置η摻雜部分84。 該η摻雜部分84可均勻地包含在襯底28的整個盤26內并且可起到在盤26內傳導電荷載 體的作用。
[0087] 在圖6的投影平面中晶閘管24的兩側上，續流二極管34連接到晶閘管34,其中二 極管34的高ρ摻雜陽極86鄰近鑰盤61而設置。鄰近二極管34的陽極86并且在陽極86 與η摻雜部分84之間設置ρ摻雜部分88。在與鑰盤61相對并且鄰近η摻雜部分84的續 流二極管34的側面上，設置續流二極管34的陰極90。
[0088] 續流二極管34與晶閘管24之間的ρ摻雜部分88和83通過η摻雜部分84而彼 此分離。然而，如果晶閘管24在高功率半導體模塊10的操作期間未自主開啟（例如由于電 壓隨時間的大的改變)，Ρ摻雜部分88與83的該分離可不是必需的。
[0089] 在經由光纖連接54接收光觸發信號23時，電觸發信號可由電容器56提供給晶閘 管24的門極端子78。電觸發信號可強大到足以損毀晶閘管24的短路半導體32的一部分 和/或它可開啟晶閘管24,其中電流從晶閘管24的陽極82流到陰極80。該電流又可使晶 閘管24的一部分加熱并且通過熔化晶閘管24的所述部分而在陽極82與陰極80之間產生 持續導電路徑92。該導電路徑92可例如是環形形狀并且定位在盤26的中間區36中。整 個高功率半導體模塊10可以短路并且/或可經由持續導電路徑92而安全放電。
[0090] 襯底28的改進布局可不包括晶閘管陰極80并且p摻雜部分88和83可未分離。 在該情況下，持續導電路徑可在續流二極管的門極端子78與陽極86之間產生，并且模塊10 可經由該路徑而放電。
[0091] 圖7示意地示出具有模塊化多電平轉換器96和它的控制器96的系統94。
[0092] 作為特定示例，模塊化多電平轉換器96包括多個高功率半導體模塊10,其中的每 個包括高功率半導體設備12 (在圖7中由開關指示)、電容器18和短路設備16。高功率半 導體模塊10串聯連接來形成支路102,其在一側上連接到DC鏈路104并且在另一側上連接 到轉換器96的相位輸出106。利用高功率半導體設備12 (其包括半導體開關)，電容器18 (其起到DC電壓的存儲元件的作用）可被旁路或插入相應的支路102內。插入/旁路支路 102中的電容器18允許施加相位輸出106處的各種電壓水平。
[0093] 通過開關高功率半導體設備12,轉換器96適應于將DC鏈路處的DC電壓轉換成相 位輸出106的每個處的AC電壓。模塊化多電平轉換器的相位輸出106可連接到電網（有源 前端操作）或到負載(功率逆變器應用）。
[0094] 對于模塊化多電平轉換器96存在其他可能的轉換器拓撲，例如直接轉換器拓撲， 其適應于將AC電壓之間轉換成另一個AC電壓。
[0095] 系統94此外包括控制器98(例如基于DSP或FPGA)，其從轉換器96并且可選地從 轉換器所連接的另一個電系統接收控制信號。控制器96還經由光纖連接42對模塊10提 供門信號。
[0096] 圖8示出旁路高功率半導體模塊10的方法，其可由控制器96和至少一個模塊10 執行。
[0097] 在步驟S1中，檢測高功率半導體模塊10的失效。例如，除其他任務外，控制器96 還適應于檢測模塊10的失效。如果失去對模塊10中的一個的控制，可例如檢測到模塊10 的失效，這可由于例如高功率半導體設備12中的一個上的有故障門控單元、斷開的光纖或 任何其他故障而引起，例如出故障、阻斷或不可控的半導體結。模塊10的電或電子部件中 的其他失效也由控制器96檢測。
[0098] 在步驟S2中，當檢測到失效時，產生觸發信號23。在該情況下，控制器可產生光觸 發信號23,其經由光纖連接54發送到有故障模塊10的對應短路設備16。
[0099] 在步驟S3中，在接收觸發信號23時，在高功率半導體模塊10的兩個電連接14a、 14b之間通過電損毀高功率半導體模塊10的半導體30、32而產生持續導電路徑92。短路 設備16可接收光觸發信號23并且可例如通過閉合開關13而將它變換成電觸發信號。 [0100] 作為一個備選方案，在高功率半導體設備12的半導體30的襯底中產生持續導電 路徑92。作為第二備選方案或另外，在短路設備16的另外的半導體32的襯底中產生持續 導電路徑92。
[0101] 這樣，有故障模塊1〇短路且被旁路，并且盡管有故障，系統94仍可運轉。多電平 轉換器系統94然后可在少了一個模塊10的情況下運行，但如果剩余模塊10仍在它們的安 全極限內操作，則可以安全地繼續功率轉換。
[0102] 盡管本發明已經在圖和前述描述中詳細地圖示和描述，這樣的圖示和描述要認為 是說明性的或示范性的而不是限制性的；本發明不限于公開的實施例。對公開的實施例的 其他變化形式可以被本領域內技術人員理解和實現并且從對圖、公開和附上的權利要求的 學習實踐本要求權利的發明。在權利要求中，單詞"包括"不排除其他元件或步驟，并且"一" (不定冠詞"a"或"an"）不排除多數。單個處理器或控制器或其他單元可實現在權利要求 中列舉的若干項的功能。在互不相同的從屬權利要求中列舉某些措施的這一事實不指示這 些措施的組合無法被有利地使用。在權利要求中的任何標號不應該解釋為限制范圍。
[0103] 附圖標記說明

【權利要求】
1. 一種高功率半導體模塊（10)，所述模塊（10)包括： 高功率半導體設備（12)，其安裝在所述模塊（10)上并且包括至少兩個電連接（14a， 14b);以及 短路設備（16)，其安裝在所述模塊（10)上并且適應于在接收觸發信號（23)時通過電 損毀所述高功率半導體模塊（10)的半導體（30, 32)而在所述兩個電連接（14a，14b)之間產 生持續導電路徑（92)。
2. 如權利要求1所述的高功率半導體模塊（10)， 其中通過損毀所述高功率半導體設備（12)的高功率半導體（30)的至少一部分而產生 所述持續導電路徑（92);和/或 其中通過損毀所述短路設備（16)的短路半導體（32)的至少一部分而產生所述持續導 電路徑（92)。
3. 如權利要求1或2所述的高功率半導體模塊（10)， 其中所述短路設備（16)包括晶閘管（24)作為短路半導體（32)和/或其中所述高功率 半導體設備（12)包括晶閘管、GTO、IGCT、IGBT和/或二極管作為高功率半導體（30)。
4. 如以上權利要求中的一項所述的高功率半導體模塊（10 )， 其中所述短路設備（16)包括提供犧牲區的短路半導體（32)，其配置成用于被由所述 觸發信號（23)觸發的電流脈沖損毀。
5. 如以上權利要求中的一項所述的高功率半導體模塊（10 )， 其中所述高功率半導體設備（12)包括高功率半導體（30)并且所述短路設備（16)包括 短路半導體（32)，它們設置在共同襯底（28)中。
6. 如權利要求5所述的高功率半導體模塊（10)， 其中所述短路半導體（32)完全被所述高功率半導體（30)環繞。
7. 如權利要求5或6所述的高功率半導體模塊（10)，其進一步包括： 極片（60)，其附連到所述高功率半導體（30)的側面； 其中所述極片（60)包括孔（62)，所述孔（62)具有用于彈簧承載觸銷（70)的絕緣架 (64)，用于將所述觸發信號（23)傳送到所述短路半導體（32);和/或 其中所述極片（60)包括溝槽（74)，所述溝槽（74)具有絕緣安裝到所述極片（60)的控 制引線（44)。
8. 如權利要求5-7中的一項所述的高功率半導體模塊（10)， 其中所述高功率半導體設備（12)包括設置在所述共同襯底（28)中的續流二極管 (34)。
9. 如權利要求5-8中的一項所述的高功率半導體模塊（10)， 其中所述高功率半導體設備（12)和所述短路半導體設備（16)設置在共同襯底（28)的 盤（26)中； 其中所述盤（26)包括包括所述短路半導體（32)的中間區（36)、環繞所述中間區（36) 并且包括續流二極管（34)的第一環形區（38 )和環繞所述第一環形區（38 )并且包括所述高 功率半導體（30)的第二環形區（40)。
10. 如以上權利要求中的一項所述的高功率半導體模塊（10 )， 其中所述短路設備（16)包括電容器（20)用于提供電能，用于損毀半導體（30,32)使得 產生所述導電路徑（92)和/或用于觸發所述短路設備（16)。
11. 如權利要求10所述的高功率半導體模塊（10)， 其中在所述高功率半導體設備（12)的所述電容器（20)卸載時，所述短路設備（16)的 所述電容器（20)經由二極管（22)而連接到所述高功率半導體設備（12)的電容器（18)，用 于防止所述短路設備（16)的所述電容器（18)的卸載。
12. 如以上權利要求中的一項所述的高功率半導體模塊（10 )， 其中所述短路設備（16)包括光纖連接（54)和用于將來自所述光纖連接（54)的觸發信 號（23 )轉換成電觸發信號的控制電路（46 )。
13. 如以上權利要求中的一項所述的高功率半導體模塊（10 )， 其中所述高功率半導體設備（12)包括光纖連接（52)和用于處理來自所述光纖連接 (52)的控制信號的控制電路（49)。
14. 一種模塊化多電平轉換器系統（94)，其包括： 多個如以上權利要求中的一項所述的高功率半導體模塊（10 ); 控制器（98)，用于控制所述高功率半導體模塊（10)的高功率半導體設備（12); 其中所述控制器（98)適應于檢測高功率半導體模塊（12)的失效并且用于向短路設備 (16)提供觸發信號（23)用于旁路所述失效的高功率半導體設備（12)。
15. -種用于旁路高功率半導體模塊（10)的方法，所述方法包括： 檢測（S1)所述高功率半導體模塊（10)的失效并且在檢測到所述失效時產生（S2)觸發 信號（23); 在接收所述觸發信號（23)時通過電損毀所述高功率半導體模塊（10)的半導體（30， 32)而在所述高功率半導體模塊（10)的兩個電連接（14a，14b)之間產生（S3)持續導電路 徑（92)。
【文檔編號】H01L23/48GK104282647SQ201410329748
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月11日 優先權日:2013年7月12日
【發明者】T.維克斯特雷姆, T.塞茨 申請人:Abb 技術有限公司