專利名稱：短路電流限流器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于能量分配和傳輸的功率半導體模塊，具有經過連接導 線與能量存儲器相連的功率半導體電路。
背景技術：
這樣的功率半導體模塊例如由GB2294821A公開。在那里描述了由功率半 導體模塊的串聯電路組成的所謂的多級換流器。每個功率半導體模塊具有與功 率半導體電路相連的能量存儲器。在此電容器形式的能量存儲器與功率半導體 一起構成所謂的全橋式電路。根據功率半導體的不同開關位置，在功率半導體 模塊的輸出端產生正的電容電壓、負的電容電壓或零電壓。
在電壓中間電路換流器中，具有功率半導體的功率半導體電路或換言之功 率電子電路通常低感應地連接到存儲單元、如中間電路電容器上。在故障情況 下，例如在功率半導體損壞(Durchlegieren)的情況下，由于漏感和中間電路 電容的比值關系可能出現完全達到數十萬安培的非常高的短路電流幅值。由此 的結果是，會使某些功率半導體電子組件受到嚴重損壞。例如也可能隨著電弧 的形成出現功率半導體組件的爆炸。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，限制在故障情況下出現的電流幅值并且有效 保護換流器的功率電子電路或其它組件。
本發明通過如下解決上述技術H巍，連接導線具有在電流負荷超過閾值時 會斷裂的標定斷裂點，其中連接導線還具有與標定斷裂點并聯的電阻。
按照本發明，在能量存儲器如電容器和關于所說的高電流特別敏感的功率 電子電路之間設置了標定斷裂點。這樣構造該標定斷裂點，使得該標定斷裂點 在經過該標定斷裂點的電流上升的情況下斷裂。為了避免或至少抑制在標定斷 裂點上形成電弧，并行于標定斷裂點設置了所謂的旁路或分路，即在標定斷裂點斷裂之后電流可以流經的輔助電流支路，從而可以基本上避免在標定斷裂點 形成電弧。按照本發明在輔助電流支路中設置了電阻。由此短路電流流經該電 阻。該電阻限制短路電流，產生分散的發熱。以這種方式通過功率半導體電3各 的功率半導體的電流被限制并且由電阻全部轉換為熱。如果電流不能通過電阻 很強地得到限制，使得不能可靠地避免在功率半導體電子電路中的電弧，則按
照本發明，關鍵是降低在功率半導體的電弧中出現的能量轉換，以避免功率半 導體的爆炸或無論如何將爆炸減弱到能夠避免相鄰組件的損壞。
電流負荷例如被理解為經過連接導線上的和由此經過標定斷裂點流過的 電流的幅值。在此這樣構造標定斷裂點，使得當所說的電流的幅值超過閾值電 流時標定斷裂點斷裂。與此不同，闊值還可以是在標定斷裂點上被轉換的確定 的損耗能量等。
標定斷裂點優選包括在標定斷裂點上的損耗能量超過閾值時會熔化的載 流線。在高電流時載流線熔化并且由此導致主電流^^徑中斷，而轉換到輔助電 流支路上。
與此不同的是，連接導線還可以具有兩個互相并行延伸的載流線段，在其 中電容器的放電電流反向流過，使得產生推斥力，在此在所說的載流線段中的 電流超過閾值電流時該推斥力導致標定斷裂點斷裂。按照該優選擴展，利用了 在并行線路上反向流過的電流的電動力學的力。在此合適地，堅固地構造載流 線段中的 一個，而另 一個載流線段例如以具有小的材料強度的區段的形式存在。 在高的電流時出現的高的電磁推斥力情況下，由此在其中設置有標定斷裂點的 線路段發生斷裂。使用電動力學的力具有如下優點，該力直接依賴于電流并且 由此不出現大的時間延遲。
以優選方式標定斷裂點包括導電薄片。該薄片具有的厚度在額定電流下對 電流傳導是足夠的，而由于機械影響的推斥力，由于熔化效應在短路電流情況 下斷裂或裂開。
與此不同的是，標定斷裂點包括導電的金屬線。
此外合適的是，功率半導體電路具有可關斷的功率半導體。相對不可關斷 的功率半導體來說，這些可關斷的功率半導體例如晶體管具有如下優點，其既
可以被開啟也可以被關斷。可關斷功率半導體的調節可能性由此得到極大提高。
以優選方式功率半導體電路具有鍵合(gebondete)的功率半導體。鍵合的 功率半導體是可以從市場獲得的。其通常包括互相并聯的功率半導體芯片，其經過導線連接互相連接。鍵合的功率半導體比壓接接觸的功率半導體成本更低。 然而其具有如下缺陷，在短路情況下，流經連接在功率半導體芯片之間的金屬 線的電流會毀壞金屬線連接，從而會形成損壞功率半導體并且導致外殼爆炸的 電弧。然而本發明限制經過功率半導體流過的電流，從而就是在具有高存儲容 量和高放電電流的能量存儲器情況下也可以與鍵合的功率半導體一起使用。按 照本發明至少可以降低在電弧中的能量轉換。作為功率半導體可以考慮例如所
謂的IGBT、 IGCT、 GTO等。特別是考慮IGBT。
按照本發明，功率半導體模塊以優選方式具有第一接線柱、第二接線柱、 能量存儲器和按照與能量存儲器并聯的電路形式的具有兩個串聯的功率半導體 的功率半導體支路，其中，每個功率半導體與一個反向續流二極管并聯，并且 功率半導體支路的第一功率半導體的發射極和與第一功率半導體對應的反向二
極管的陽極的連接點形成第一接線柱，以及功率半導體支路的功率半導體和續 流二極管的連接點形成第二接線柱。功率半導體的這樣的電路也被稱為 Marquardt電路，其具有開關狀態，在該開關狀態中降落在能量存儲器上的電壓 或零電壓降落到接線柱上。
與此不同的是，功率半導體模塊具有第一接線柱、第二接線柱、能量存儲 器和按照與能量存儲器并聯的電路形式的具有兩個串聯的功率半導體的功率半 導體支路，其中，每個功率半導體與一個反向續流二極管并聯，并且功率半導 體支路的第一功率半導體的集電極和與第一功率半導體對應的反向續流二極管 的陰極的連接點形成第 一接線柱，以及功率半導體支路的功率半導體和續流二 極管的連接點形成第二接線柱。這是Marquardt電路的替換實施方式，其基本 上具有相同的特性。
電阻合適地大于30mQ。該取值范圍對于在能量傳輸和分配中的應用來說 被證明是合適的。
連接導線(18, 19)優選具有與標定斷裂點并聯的電容器。通過例如附加 于歐姆電阻設置的電容器，可以更可靠地避免在標定斷裂點斷裂時產生電弧。
除了功率半導體模塊，本發明還涉及一種用于能量分配的換流器整流支 路，其具有由按照本發明的功率半導體模塊構成的串聯電路。
此外本發明還涉及一種換流器，其由按照本發明的換流器整流支路構成， 其中換流器整流支路互相連接成橋式電路。在此兩個換流器整流支路形成所謂 的相位模塊，該相位模塊在兩側與直流電壓電路的兩極相連以及在換流器整流支路之間的連接點上與交流電壓網相連。
按照本發明的功率半導體模塊當然還可以被用于其它應用。按照本發明的
功率半導體模塊例如對所謂的柔性交流輸電系統FACTS也是合適的。
本發明其它合適的實施方式和優點是以下結合附圖對本發明的實施例的 描述的內容，其中相同的組件用相同的附圖標記表示，其中 圖1示出了按照本發明的換流器整流支路的一種實施例， 圖2示出了按照本發明的功率半導體模塊的 一種實施例的等效電路圖， 圖3示出了按照本發明的功率半導體模塊的另 一 個實施例的等效電路圖， 圖4示出了可以具有按照圖3或圖4的電路的、按照本發明的功率半導體 模塊的實施例，以及
圖5示出了按照圖4的功率半導體模塊的詳細圖示。
具體實施例方式
圖1示出了按照本發明的換流器整流支路1的實施例，這些換流器整流支 路1分別具有由功率半導體模塊2構成的串聯電路。每個功率半導體整流支路 1在一端配備有直流電壓接頭3或4以及背離該直流電壓接頭的交流電壓4妄頭 5。在所示出的實施例中換流器整流支路1對稱地構造，其中交流電壓接頭5 設置在兩個整流支路之間。交流電壓接頭5被設置用來經過未圖形示出的電感 與未圖形示出的交流電壓網的一相相連。同樣未圖形示出的換流器例如總共由 六個換流器整流支路1構成，其中如在圖1中所示，每兩個互相串聯，在此換 流器整流支路的連接點分別與交流電壓網的一相相連。
圖2以等效電路圖的形式示出了在圖1中僅示意性示出的按照本發明的功 率半導體;f莫塊2的實施例。功率半導體模塊2具有兩個互相串聯的可關斷的功 率半導體6、 7,它們在所示出的實施例中被實現為所謂的IGBT。每個功率半 導體6或7與反向續流二極管8或9并聯連接。作為能量存儲器的電容器11 與由功率半導體6、 7的串聯電路組成的功率半導體支路10并聯連接。電容器 11經過連接導線12與包括功率半導體6、 7， 二極管8、 9和未示出的控制電子 電路的功率半導體電子電路相連。
此外功率半導體模塊2還具有兩個接線柱13和14,其中接線柱14與作為第一功率半導體的功率半導體7的發射極和與反向二極管9的陽極相連。第二 接線柱13與功率半導體6和7的連接點以及與各對應的續流二極管8和9的連 接點相連。如果功率半導體7從其截止狀態轉移到導通狀態，則降落在接線柱 13和14之間的電壓等于零。然而如果功率半導體7處于截止狀態、功率半導 體6處于導通狀態，則電容器11的電壓降落在接線柱13和14之間。
為了保護功率半導體6和7以及二極管8和9，連接導線12具有標定斷裂 點15,其在所示出的按照圖2的實施例中被實現為熔絲。歐姆電阻16與標定 斷裂點15并聯連接，在此歐姆電阻16被設置在橋接支路17中。在短路情況下 電容器11突然放電并由此造成經過連接導線12和熔絲15的電流上升。如果通 過熔絲15的電流超過取決于熔絲厚度和材料的閾值，則導致標定斷裂點15熔 化并由此斷裂。電流流過橋接支^各17,在此電流被歐姆電阻16限制。在此歐 姆電阻16負責將電容器11中存儲的能量分散地轉換為熱能。
圖3示出了按照圖2的功率半導體模塊2的替換實施方式。與在圖2中示 出的Marquardt電路的變形不同，在圖3中第一接線柱14與可關斷功率半導體 7的集電極和反向續流二極管9的陰極相連。第二接線柱13與功率半導體6、 7 的連接點和續流二極管8、 9的連接點相連。在這兩個圖中示出的Marquardt電 路的實施例是互相等效的并且由此具有相同的特性。
圖4示出了按照本發明的功率半導體模塊1的另一個實施例，其中功率半 導體僅僅示意性作為功率半導體電路18示出。與在圖2中示出的實施例相比， 連接導線12具有兩個互相并行延伸的載流線段19和20，在其中如通過箭頭表 示的電流反向流過。由于電動力學相互作用產生推斥力，但是該推斥力在正常 運行時不會導致標定斷裂點15斷裂。只有在故障情況下電流和由此的推斥力上 升，導致發生標定斷裂點15的斷裂。在此盡可能堅固地構造載流線19，例如 作為堅固的銅導體，在此標定斷裂點15是具有相對小的機械強度的導體。
圖5示出了在圖3中示意性示出的實施例的放大視圖。此處在圖3的上部 示出的連接導體19被構造為堅固的銅導體，其包括基本上直線延伸的載流線 段。同樣為直線的金屬薄片21作為標定斷裂點在空間靠近連接導體19的載流 線段并行地延伸。在與金屬薄片21的并聯電路中設置了金屬線16形式的歐姆 電阻。經過金屬薄片21和連接導體19的電流反向流過。由此在短路情況下產 生高的推斥力。這導致金屬薄片21斷裂并且導致電流流經歐姆電阻16。
權利要求
1. 一種用于能量分配和傳輸的功率半導體模塊(2)，具有經過連接導線(19，20)與能量存儲器(11)相連的功率半導體電路(18)，其特征在于，該連接導線(18，19)具有在電流負荷超過閾值時會斷裂的標定斷裂點(15，21)，該連接導線(18，19)還具有與該標定斷裂點(15，21)并聯的電阻(16)。
2. 根據權利要求1所述的功率半導體模塊(2)，其特征在于，所述標定斷裂點(15， 21)包括在該標定斷裂點(12, 21)上的損耗能量超過閾值時會熔化的載流線。
3. 根據權利要求1所述的功率半導體模塊(2),其特征在于，所述連接導線(18， 19)還具有兩個互相并行延伸的載流線段，在其中電流反向流過，使得產生推斥力，當在所說的載流線段中的電流超過閾值電流時該推斥力導致標定斷裂點(21)斷裂。
4. 根據權利要求1至3中任一項所述的功率半導體模塊(2 )，其特征在于，所述標定斷裂點(21)包括導電薄片。
5. 根據權利要求1至4中任一項所述的功率半導體模塊(2)，其特征在于，所述標定斷裂點包括導電的金屬線。
6. 根據權利要求1至5中任一項所述的功率半導體模塊(2)，其特征在于，所述功率半導體電路(18)具有可關斷的功率半導體(6, 7)。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的功率半導體模塊(2),其特征在于，所述功率半導體電路具有鍵合的功率半導體。
8. 根據權利要求1至7中任一項所述的功率半導體模塊，其特征在于，具有第一接線柱(14)、第二接線柱(13)、能量存儲器(11)和與該能量存儲器(11)并聯連接的具有兩個相串聯的功率半導體(6， 7)的功率半導體支路(IO),其中，每個功率半導體(6， 7)與一個續流二極管(8， 9)反向并聯，并且功率半導體支路(10)的第一功率半導體(14)的發射極和與第一功率半導體(7)對應的反向續流二極管(9)的陽極的連接點形成第一接線柱(14),以及功率半導體支路(10)的功率半導體(6, 7)和續流二極管(8, 9)的連接點形成第二接線柱(13)。
9. 根據權利要求1至7中任一項所述的功率半導體模塊，其特征在于，具有第一接線柱(14)、第二接線柱(13)、能量存儲器(11)和與能量存儲器(11)并聯連接的具有兩個相串聯的功率半導體(6， 7)的功率半導體支路(IO),其中，每個功率半導體(6, 7)與一個續流二極管(8， 9)反向并聯，并且功率半導體支路(10)的第一功率半導體(14)的集電極和與第一功率半導體(7)對應的反向續流二極管(9)的陰極的連接點形成第一接線柱(14)，以及功率半導體支路(10)的功率半導體(6, 7)和續流二極管(8, 9)的連接點形成第二接線柱(13)。
10. 根據權利要求1至9中任一項所述的功率半導體模塊(2),其特征在于，所述電阻(16)大于30mQ。
11. 根據權利要求1至10中任一項所述的功率半導體模塊(2)，其特征在于，所述連接導線(18, 19)具有與標定斷裂點(15， 21)并聯的電容器。
12. —種換流器整流支路(1 )，其特征在于，具有由按照上述權利要求中任一項所述的功率半導體模塊(2)構成的串聯電路。
13. —種換流器，具有設置在橋式電路形式中的按照權利要求12所述的換流器整流支路(1 )。
全文摘要
為了提供一種用于能量分配和傳輸的功率半導體模塊(2)，具有經過連接導線(19，20)與能量存儲器(11)相連的功率半導體電路(18)，該功率半導體模塊限制在故障情況下出現的電流幅值并且有效保護功率電子電路，本發明提出，該連接導線(18，19)具有在電流負荷超過閾值時會斷裂的標定斷裂點(15，21)，其中該連接導線(18，19)還具有與標定斷裂點(15，21)并聯的電阻(16)。
文檔編號H02H9/02GK101512862SQ200680055780
公開日2009年8月19日 申請日期2006年9月6日 優先權日2006年9月6日
發明者喬爾格·多恩 申請人:西門子公司