CN101512862B - 短路电流限流器 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种用于能量分配和传输的功率半导体模块(2)，具有经过连接导线(19，20)与能量存储器(11)相连的功率半导体电路(18)，该功率半导体模块限制在故障情况下出现的电流幅值并且有效保护功率电子电路，本发明提出，该连接导线(18，19)具有在电流负荷超过阈值时会断裂的标定断裂点(15，21)，其中该连接导线(18，19)还具有与标定断裂点(15，21)并联的电阻(16)。

Description

短路电流限流器
技术领域
本发明涉及一种用于能量分配和传输的功率半导体模块，具有经过连接导线与能量存储器相连的功率半导体电路。
背景技术
这样的功率半导体模块例如由GB2294821A公开。在那里描述了由功率半导体模块的串联电路组成的所谓的多级换流器。每个功率半导体模块具有与功率半导体电路相连的能量存储器。在此电容器形式的能量存储器与功率半导体一起构成所谓的全桥式电路。根据功率半导体的不同开关位置，在功率半导体模块的输出端产生正的电容电压、负的电容电压或零电压。
在电压中间电路换流器中，具有功率半导体的功率半导体电路或换言之功率电子电路通常低感应地连接到存储单元、如中间电路电容器上。在故障情况下，例如在功率半导体损坏(Durchlegieren)的情况下，由于漏感和中间电路电容的比值关系可能出现完全达到数十万安培的非常高的短路电流幅值。由此的结果是，会使某些功率半导体电子组件受到严重损坏。例如也可能随着电弧的形成出现功率半导体组件的***。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，限制在故障情况下出现的电流幅值并且有效保护换流器的功率电子电路或其它组件。
本发明通过如下解决上述技术问题，连接导线具有在电流负荷超过阈值时会断裂的标定断裂点，其中连接导线还具有与标定断裂点并联的电阻。
按照本发明，在能量存储器如电容器和关于所说的高电流特别敏感的功率电子电路之间设置了标定断裂点。这样构造该标定断裂点，使得该标定断裂点在经过该标定断裂点的电流上升的情况下断裂。为了避免或至少抑制在标定断裂点上形成电弧，并行于标定断裂点设置了所谓的旁路或分路，即在标定断裂点断裂之后电流可以流经的辅助电流支路，从而可以基本上避免在标定断裂点形成电弧。按照本发明在辅助电流支路中设置了电阻。由此短路电流流经该电阻。该电阻限制短路电流，产生分散的发热。以这种方式通过功率半导体电路的功率半导体的电流被限制并且由电阻全部转换为热。如果电流不能通过电阻很强地得到限制，使得不能可靠地避免在功率半导体电子电路中的电弧，则按照本发明，关键是降低在功率半导体的电弧中出现的能量转换，以避免功率半导体的***或无论如何将***减弱到能够避免相邻组件的损坏。
电流负荷例如被理解为经过连接导线上的和由此经过标定断裂点流过的电流的幅值。在此这样构造标定断裂点，使得当所说的电流的幅值超过阈值电流时标定断裂点断裂。与此不同，阈值还可以是在标定断裂点上被转换的确定的损耗能量等。
标定断裂点优选包括在标定断裂点上的损耗能量超过阈值时会熔化的载流线。在高电流时载流线熔化并且由此导致主电流路径中断，而转换到辅助电流支路上。
与此不同的是，连接导线还可以具有两个互相并行延伸的载流线段，在其中电容器的放电电流反向流过，使得产生推斥力，在此在所说的载流线段中的电流超过阈值电流时该推斥力导致标定断裂点断裂。按照该优选扩展，利用了在并行线路上反向流过的电流的电动力学的力。在此合适地，坚固地构造载流线段中的一个，而另一个载流线段例如以具有小的材料强度的区段的形式存在。在高的电流时出现的高的电磁推斥力情况下，由此在其中设置有标定断裂点的线路段发生断裂。使用电动力学的力具有如下优点，该力直接依赖于电流并且由此不出现大的时间延迟。
以优选方式标定断裂点包括导电薄片。该薄片具有的厚度在额定电流下对电流传导是足够的，而由于机械影响的推斥力，由于熔化效应在短路电流情况下断裂或裂开。
与此不同的是，标定断裂点包括导电的金属线。
此外合适的是，功率半导体电路具有可关断的功率半导体。相对不可关断的功率半导体来说，这些可关断的功率半导体例如晶体管具有如下优点，其既可以被开启也可以被关断。可关断功率半导体的调节可能性由此得到极大提高。
以优选方式功率半导体电路具有键合(gebondete)的功率半导体。键合的功率半导体是可以从市场获得的。其通常包括互相并联的功率半导体芯片，其经过导线连接互相连接。键合的功率半导体比压接接触的功率半导体成本更低。然而其具有如下缺陷，在短路情况下，流经连接在功率半导体芯片之间的金属线的电流会毁坏金属线连接，从而会形成损坏功率半导体并且导致外壳***的电弧。然而本发明限制经过功率半导体流过的电流，从而就是在具有高存储容量和高放电电流的能量存储器情况下也可以与键合的功率半导体一起使用。按照本发明至少可以降低在电弧中的能量转换。作为功率半导体可以考虑例如所谓的IGBT、IGCT、GTO等。特别是考虑IGBT。
按照本发明，功率半导体模块以优选方式具有第一接线柱、第二接线柱、能量存储器和按照与能量存储器并联的电路形式的具有两个串联的功率半导体的功率半导体支路，其中，每个功率半导体与一个反向续流二极管并联，并且功率半导体支路的第一功率半导体的发射极和与第一功率半导体对应的反向二极管的阳极的连接点形成第一接线柱，以及功率半导体支路的功率半导体和续流二极管的连接点形成第二接线柱。功率半导体的这样的电路也被称为Marquardt电路，其具有开关状态，在该开关状态中降落在能量存储器上的电压或零电压降落到接线柱上。
与此不同的是，功率半导体模块具有第一接线柱、第二接线柱、能量存储器和按照与能量存储器并联的电路形式的具有两个串联的功率半导体的功率半导体支路，其中，每个功率半导体与一个反向续流二极管并联，并且功率半导体支路的第一功率半导体的集电极和与第一功率半导体对应的反向续流二极管的阴极的连接点形成第一接线柱，以及功率半导体支路的功率半导体和续流二极管的连接点形成第二接线柱。这是Marquardt电路的替换实施方式，其基本上具有相同的特性。
电阻合适地大于30mΩ。该取值范围对于在能量传输和分配中的应用来说被证明是合适的。
连接导线(18，19)优选具有与标定断裂点并联的电容器。通过例如附加于欧姆电阻设置的电容器，可以更可靠地避免在标定断裂点断裂时产生电弧。
除了功率半导体模块，本发明还涉及一种用于能量分配的换流器整流支路，其具有由按照本发明的功率半导体模块构成的串联电路。
此外本发明还涉及一种换流器，其由按照本发明的换流器整流支路构成，其中换流器整流支路互相连接成桥式电路。在此两个换流器整流支路形成所谓的相位模块，该相位模块在两侧与直流电压电路的两极相连以及在换流器整流支路之间的连接点上与交流电压网相连。
按照本发明的功率半导体模块当然还可以被用于其它应用。按照本发明的功率半导体模块例如对所谓的柔***流输电***FACTS也是合适的。
附图说明
本发明其它合适的实施方式和优点是以下结合附图对本发明的实施例的描述的内容，其中相同的组件用相同的附图标记表示，其中：
图1示出了按照本发明的换流器整流支路的一种实施例，
图2示出了按照本发明的功率半导体模块的一种实施例的等效电路图，
图3示出了按照本发明的功率半导体模块的另一个实施例的等效电路图，
图4示出了可以具有按照图3或图4的电路的、按照本发明的功率半导体模块的实施例，以及
图5示出了按照图4的功率半导体模块的详细图示。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的换流器整流支路1的实施例，这些换流器整流支路1分别具有由功率半导体模块2构成的串联电路。每个功率半导体整流支路1在一端配备有直流电压接头3或4以及背离该直流电压接头的交流电压接头5。在所示出的实施例中换流器整流支路1对称地构造，其中交流电压接头5设置在两个整流支路之间。交流电压接头5被设置用来经过未图形示出的电感与未图形示出的交流电压网的一相相连。同样未图形示出的换流器例如总共由六个换流器整流支路1构成，其中如在图1中所示，每两个互相串联，在此换流器整流支路的连接点分别与交流电压网的一相相连。
图2以等效电路图的形式示出了在图1中仅示意性示出的按照本发明的功率半导体模块2的实施例。功率半导体模块2具有两个互相串联的可关断的功率半导体6、7，它们在所示出的实施例中被实现为所谓的IGBT。每个功率半导体6或7与反向续流二极管8或9并联连接。作为能量存储器的电容器11与由功率半导体6、7的串联电路组成的功率半导体支路10并联连接。电容器11经过连接导线12与包括功率半导体6、7，二极管8、9和未示出的控制电子电路的功率半导体电子电路相连。
此外功率半导体模块2还具有两个接线柱13和14，其中接线柱14与作为第一功率半导体的功率半导体7的发射极和与反向二极管9的阳极相连。第二接线柱13与功率半导体6和7的连接点以及与各对应的续流二极管8和9的连接点相连。如果功率半导体7从其截止状态转移到导通状态，则降落在接线柱13和14之间的电压等于零。然而如果功率半导体7处于截止状态、功率半导体6处于导通状态，则电容器11的电压降落在接线柱13和14之间。
为了保护功率半导体6和7以及二极管8和9，连接导线12具有标定断裂点15，其在所示出的按照图2的实施例中被实现为熔丝。欧姆电阻16与标定断裂点15并联连接，在此欧姆电阻16被设置在桥接支路17中。在短路情况下电容器11突然放电并由此造成经过连接导线12和熔丝15的电流上升。如果通过熔丝15的电流超过取决于熔丝厚度和材料的阈值，则导致标定断裂点15熔化并由此断裂。电流流过桥接支路17，在此电流被欧姆电阻16限制。在此欧姆电阻16负责将电容器11中存储的能量分散地转换为热能。
图3示出了按照图2的功率半导体模块2的替换实施方式。与在图2中示出的Marquardt电路的变形不同，在图3中第一接线柱14与可关断功率半导体7的集电极和反向续流二极管9的阴极相连。第二接线柱13与功率半导体6、7的连接点和续流二极管8、9的连接点相连。在这两个图中示出的Marquardt电路的实施例是互相等效的并且由此具有相同的特性。
图4示出了按照本发明的功率半导体模块1的另一个实施例，其中功率半导体仅仅示意性作为功率半导体电路18示出。与在图2中示出的实施例相比，连接导线12具有两个互相并行延伸的载流线段19和20，在其中如通过箭头表示的电流反向流过。由于电动力学相互作用产生推斥力，但是该推斥力在正常运行时不会导致标定断裂点15断裂。只有在故障情况下电流和由此的推斥力上升，导致发生标定断裂点15的断裂。在此尽可能坚固地构造载流线19，例如作为坚固的铜导体，在此标定断裂点15是具有相对小的机械强度的导体。
图5示出了在图3中示意性示出的实施例的放大视图。此处在图3的上部示出的连接导体19被构造为坚固的铜导体，其包括基本上直线延伸的载流线段。同样为直线的金属薄片21作为标定断裂点在空间靠近连接导体19的载流线段并行地延伸。在与金属薄片21的并联电路中设置了金属线16形式的欧姆电阻。经过金属薄片21和连接导体19的电流反向流过。由此在短路情况下产生高的推斥力。这导致金属薄片21断裂并且导致电流流经欧姆电阻16。

Claims (12)

1.一种用于能量分配和传输的功率半导体模块(2)，具有经过连接导线(19，20)与能量存储器(11)相连的功率半导体电路(18)，其特征在于，
该连接导线(18，19)具有在电流负荷超过阈值时会断裂的标定断裂点(15，21)，该连接导线(18，19)还具有与该标定断裂点(15，21)并联的电阻(16)并且
其中，所述连接导线(18，19)还具有两个互相并行延伸的载流线段，在其中电流反向流过，使得产生推斥力，当在所说的载流线段中的电流超过阈值电流时该推斥力导致标定断裂点(21)断裂。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(2)，其特征在于，
所述标定断裂点(15，21)包括在该标定断裂点(12，21)上的损耗能量超过阈值时会熔化的载流线。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块(2)，其特征在于，
所述标定断裂点(21)包括导电薄片。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块(2)，其特征在于，
所述标定断裂点包括导电的金属线。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体模块(2)，其特征在于，
所述功率半导体电路(18)具有可关断的功率半导体(6，7)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体模块(2)，其特征在于，
所述功率半导体电路具有键合的功率半导体。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于，
具有第一接线柱(14)、第二接线柱(13)、能量存储器(11)和与该能量存储器(11)并联连接的具有两个相串联的功率半导体(6，7)的功率半导体电路(10)，其中，每个功率半导体(6，7)与一个续流二极管(8，9)反向并联，并且功率半导体电路(10)的第一功率半导体(14)的发射极和与第一功率半导体(7)对应的续流二极管(9)的阳极的连接点形成第一接线柱(14)，以及功率半导体电路(10)的两个功率半导体(6，7)和两个续流二极管(8，9)的共同连接点形成第二接线柱(13)。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体模块，其特征在于，
具有第一接线柱(14)、第二接线柱(13)、能量存储器(11)和与能量存储器(11)并联连接的具有两个相串联的功率半导体(6，7)的功率半导体电路(10)，其中，每个功率半导体(6，7)与一个续流二极管(8，9)反向并联，并且功率半导体电路(10)的第一功率半导体(14)的集电极和与第一功率半导体(7)对应的续流二极管(9)的阴极的连接点形成第一接线柱(14)，以及功率半导体电路(10)的两个功率半导体(6，7)和两个续流二极管(8，9)的共同连接点形成第二接线柱(13)。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体模块(2)，其特征在于，所述电阻(16)大于30mΩ。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体模块(2)，其特征在于，所述连接导线(18，19)具有与标定断裂点(15，21)并联的电容器。
11.一种换流器整流支路(1)，其特征在于，
具有由按照上述权利要求中任一项所述的功率半导体模块(2)构成的串联电路。
12.一种换流器，具有设置在桥式电路形式中的按照权利要求11所述的换流器整流支路(1)。
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