CN105939152B - 用于栅控制功率半导体装置的电路布置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为用于栅控制功率半导体装置的电路布置和方法。创建开关模块，其为壳体提供：第一和第二连接和至少一个驱动连接；若干开关元件，其设置在壳体内部，相互并联连接并且通过其控制电极是可控的；以及故障保护装置，其有效地***至少一个驱动连接与开关元件之间。故障保护装置提供无源电气组件，其按照如下方式来确定尺寸：使得在一个或多个开关元件的故障情况下，所有其他无故障开关元件的控制电极处的至少一个驱动连接的预定义控制创建控制信号，其足以导电地激活这些无故障开关元件或者导电地保持它们。还创建具有指配给至少这种类型的开关模块和至少一个开关模块的驱动单元的功率电子模块。

Description

用于栅控制功率半导体装置的电路布置和方法
技术领域
本发明涉及具有短路保护的开关模块以及具有这个开关模块的功率电子模块。
背景技术
例如，具有功率半导体的开关模块适用于将直流转换为交流以及将交流转换为直流并且用于许多其他应用的转换器。开关模块表示可控部件，其状态能够通过导通状态与截止状态之间的控制信号来改变。对于高性能应用、例如高压直流(HVDC)应用，在许多多电平转换器拓扑中，若干开关模块常常相互串联连接，以便允许高压应用并且能够尽可能创建正弦形状电压。冗余度要求(在一个或多个开关模块的故障情况下必须根据其来确保装置的功能)能够要求应用串联连接的两个或更多开关模块。
重要的是，有故障开关模块不影响作为整体、例如转换器的无故障开关模块和功率电子模块或装置的功能。在在这点上，期望在开关模块的系列中，有故障开关模块能够设置在短路差错模式，其中它连续导通，使得与其他具有功能性的开关模块的操作能够持续。例如，在许多电路拓扑中，如果差错模式的开关模块转移到导通状态的差错模式以使得H桥的交变电压连接均能够连续导电地相互连接，则H桥、半桥等是有用的。
开关模块又能够包括多个功率半导体，例如IGBT、MOSFET等，其相互并联连接并且联合切换。由此电流负载能够分布到若干电路，这实现采用高电流和输出的操作。提供驱动单元，以便基于来自高级控制的控制信号为开关模块的功率半导体电路馈送适当的公共控制信号。功率半导体开关能够容纳在公共壳体、例如压力接触壳体(所谓的压装壳体)中。在壳体中，其他组件、例如对称电阻处于控制电路中，以便实现对称性，并且在外部控制的情况下实现所有功率半导体的最大可能的同时相等切换。驱动单元主要设置在开关模块壳体外部，并且连接到引出开关模块的栅极。
如果并联连接的功率半导体芯片其中之一、例如IGBT开关在开关模块中其集电极与发射极之间遭受短路并且因此变成有故障和被破坏，则这一般导致开关元件的栅电极和控制电极与其发射电极之间的短路。因并联切换引起的有故障开关的栅极-发射极短路还将其他具有功能性的元件的栅电极短接到发射电极，并且防止这个栅电极保持充分电压以便保持在导电状态或者转移到这种状态。由此，具有功能性的开关元件的控制通过栅控制电极是不可能的。
在功率半导体开关元件的故障下(以下应当被理解为差错)，其引起控制或栅电极到另一个电极、特别是功率半导体开关元件的发射电极的短路。
有故障开关元件必须再次传导整个负载电流并且对它进行管理。具有开关模块的标称电流或者最终的过电流及关联过热的有故障开关元件的电流负载能够导致开关模块的破坏，并且还损坏驱动单元和其他***组件。另外，故障电弧能够出现，其能够导致其他组件的断电、组件的***或火灾。应当防止这种情况。此外，应当通过有故障开关模块来安装慢低欧姆电流通路，以便进一步确保功率半导体模块的功能能力。
为了避免通过***对装置的机械破坏，防止***或防爆金属壳体的装置用于半导体周围，这是费时和昂贵的。复合超快***驱动机械旁路开关也用于转换器单元。更进一步研制功率半导体开关，其在IGBT故障的情况下提供稳定短路差错模式(SCFM、短路故障模式)。实现SCFM能力，其中金属板放置在功率模块的IGBT芯片之上(参见例如EP 0989611B1)。导致中断以及随后熔融金属板和硅芯片的差错则形成导电金属硅合金，其实现通过模块的低欧姆电流通路。由于在被损坏IGBT芯片的电阻增加时的材料氧化，另一个电并联连接芯片则将损坏，它熔融并且形成下一个低欧姆合金。这些类型的SCFM转变持续到全部芯片用尽。尽管高复杂度，但是也无法确保稳定短路差错模式。
WO2006/1004430 A1描述电流转换器阀及其控制过程，其使用若干并联连接的半导体元件，由此将各半导体元件指配给独立驱动单元。半导体元件其中之一的差错通过电流测量来记录，而另一个无差错半导体元件具体通过其关联驱动单元进一步供电，以便创建转换器阀的导电状态。短路保护以高切换和控制代价来获得。
WO2013/139373 A1建议一种开关模块，其具有：第一连接；第二连接；栅极；若干开关元件，其相互并联连接在第一连接、第二连接和栅极之间；熔断器，其设置在若干开关元件的每个单独电极与栅极之间；以及旁路开关，其设置在栅极与第二连接之间。如果在开关元件中识别短路差错，则旁路开关被触发并且闭合，以便分出流经短路开关元件的负载电流的一部分，以及通过关联熔断器来传导旁路电阻，并且使开关旁路到开关元件的第二连接以便熔融熔断器。当熔断器熔融时，到有故障开关元件的控制线立即被中断，使得开关的其余部分保持起作用。但是，这种解决方案要求开关模块中的附加有源开关以及用于在故障情况下控制这个附加有源开关的有源逻辑。
发明内容
基于此，本发明的目的是创建一种具有若干并联功率半导体开关的开关模块，其能够在开关模块或者单独功率半导体元件中的故障之后实现其余无故障开关元件的全部或部分的有限可控性，以便实现开关模块的连续导通状态，以使得降低***的危险，并且创建通过有故障开关模块的稳定低欧姆电流通路。这主要涉及简单部件并且具有简单结构，其中对制造和操作具有较小开销和较低成本。
本发明的另一目的是创建一种具有一种类型的开关模块的功率半导体模块，其特别适合于高性能应用。
这个目的通过具有如独立权利要求1的特征的开关模块以及如权利要求15所述的功率半导体模块来解决。
按照本发明的一个方面，创建一种开关模块，其提供：第一连接；第二连接和至少一个栅极；若干开关元件，其相互并联连接；以及故障保护装置。若干开关元件分别通过第一电极连接到第一连接、通过第二电极连接到第二连接以及通过控制电极连接到至少一个栅极。故障保护装置有源地***至少一个栅极与开关元件之间。故障保护装置提供无源电气组件，其按照如下方式来测量：使得在若干开关元件的至少一个的故障情况下，完全无源地对全部其他无故障开关的控制电极的至少一个栅极的预定义控制创建控制信号，其足以导电地激活或停止这些元件。
本发明基于如下思路：在开关模块中的开关元件的故障情况下，最初并非并联连接的全部开关元件受到影响，而是只有单个或几个开关元件受到影响。按照本发明的故障保护装置自动启用以借助于无源组件按照完全无源的方式来控制未被故障影响的开关元件，以便在它们因有故障元件中的短路故障通过过电流、热积聚、故障电弧等被损坏或破坏之前激活它们或者使它们保持为被激活。这按照完全无源的方式自动实现，而无需附加有源逻辑、有源控制或有源开关，无需附加有源连接或者电流通路的完全改变或者其他附加措施。为此，具有适当测量的无源电气和电子组件的适当设计的切换布置是充分的。具有功能性的开关元件保持为可控并且处于导电状态，使得稳定低欧姆电流通路通过模块来创建，并且避免或者至少降低***的危险以及对部件的损坏。
开关元件优选地从特别是属于IGBT、BIGT、MOSFET和JFET的电压控制组件的编组中选取。IGBT因其无线可控性、高阻塞电压、针对短路的健壮性及其串联和/或并联连接的适用性而是优选地。
开关模块能够提供公共壳体，其中容纳所有开关元件，由此第一和第二连接以及至少一个栅极从壳体中引出。壳体能够具体是压力接触壳体(所谓的压装壳体)，其中将功率半导体开关芯片压制、密封在压力接触板之间。在具有集电极-发射极的IGBT芯片的故障情况下，并且因芯片的栅极-发射极短路，集电极-发射极短路通过对中期间、即至少在数小时或数天的范围中的芯片的压力接触来保护。从长远观点来看，它能够引起短路的消耗。在这里，故障保护装置能够对数月或数年保护短路。壳体还能够是其中接合芯片的模块的模块壳体。在差错的情况下，有故障芯片的接合导线这时常常没有连续携带集中电流，并且能够剥离芯片，这能够导致***。这个过程能够在部件破坏之后的数秒钟内运行。具有其无源保护网络的故障保护装置在这里能够没有任何延迟地起作用，以便导电地切换或者保持其他无故障开关元件的导电。
在优选实施例中，故障保护装置提供具有无源组件的开关布置，其实现差错保护功能性，由此开关布置设置在至少一个栅极与开关元件的控制电极之间。备选地，开关布置的至少一些部件设置在开关元件的第二连接、例如IGBT开关的发射极连接、关联第二电极、例如发射电极之间。
故障保护装置和开关布置能够提供电阻矩阵，其中第一电阻与各控制电极连接。能够提供这些第一电阻，以用于在通过公共驱动单元进行控制的同时确保开关元件的同时相等切换。通过适当尺寸，电阻矩阵的这些电阻还满足故障保护功能性。
特别是电阻矩阵能够按照如下方式来设计：使得对于给定控制电压(其由驱动单元通过外部驱动电阻施加到至少一个栅极)，无故障开关元件的控制电极处的所产生电压大于开关元件的阈值切换电压，以便将其切换为安全导电并且使其保持为这样。
在一实施例中，电阻矩阵的第一电阻分别直接连接在相应开关元件的控制电极与至少一个栅极之间，由此它能够设置在半导体芯片上或者其公共壳体外部或内部。第一电阻、例如R11、R12、…、R1m优选地提供相同的电阻Rint = R11 = R12 = … = R1m。在有故障开关元件和/或芯片的假设下，在满足下列条件时能够实现短路功能性：
Rint > Rtot / (VG-on / VGE-th – (m-1) / m)，
由此Rtot是整个等效驱动电阻，例如在IGBT开关的情况下的栅极电阻，对于处于正常操作的开关模块为：
Rtot = RG + Rint / m，
由此RG是控制单元的驱动电阻，VG-On是驱动单元的控制电压VGE-th是开关元件和半导体芯片的阈值电压，以及m是壳体中的开关模块的开关元件和芯片的总数。
在另一个实施例中，电阻矩阵提供另外两个电阻，其分别连接在第一电阻与至少一个栅极、例如栅极连接之间，由此另一个电阻能够与第一电阻或者与若干第一电阻串联连接，以便形成开关元件的组。第一电阻能够设置在芯片的公共衬底上，而其他电阻能够设置在芯片外部但是在公共壳体之内。
上述类型的开关模块能够具体按照如下方式来安装：使得在第j开关元件的故障情况下，对其指配电阻矩阵的第一电阻R1j和与此串联连接的电阻R2i，对于其，满足下列条件以使控制电压最低限度施加到开关模块的一个栅极以用于无故障开关元件的传导性：
VG-on > VGE-th×(RG + R2i + R1j)/ (R2i + R1j)
由此VGE-th是开关元件和/或芯片的阈值电压，以及RG是外部驱动单元的外部驱动电阻。
在一实施例中，以上对电阻矩阵的类型所述的优选类型的开关模块提供从单独开关元件或者开关元件的组的公共壳体引出的多个栅极，由此数量为最小数二。提供栅极，以便与驱动单元连接，其提供与引出的栅极的数量一致的对应数量的并联驱动输出和驱动电阻，与电阻矩阵相比，其电阻比较高。通过适当确定尺寸，能够确保所有外出栅极的驱动单元能够同时地并且没有差别地控制，以便为所有非缺陷芯片和编组提供充分启动信号，以使得切换或导电地保持这种状态。
在另一个实施例中，指配各开关元件和/或各组开关元件、熔断器、例如安全熔断器或者可复位熔断器(其能够基于SMD来运行)，其***至少一个栅极与一个或多个开关元件的控制电极之间，并且根据电阻矩阵和待施加控制电压来测量，以便在差错的情况下触发有故障开关元件的短路控制电极与关联栅极的分隔，同时无差错熔断器不受影响。
在另一个实施例中，对各开关元件和各组开关元件，PTC电阻元件(或PTC电阻器)被***至少一个控制连接与一个或多个开关元件的控制电极之间的控制线中，并且根据电阻矩阵和待施加控制电压来测量，以便在故障情况下加热关联开关元件，以便增加其电阻。因此，较高电阻在驱动单元与短路控制电极之间建立，其阻塞到短路控制电极的电流，并且由此实现通过其控制电极对未影响开关元件的控制。PTC电阻和/或熔断器能够优选地集成在相应芯片上或者芯片外部但是在公共壳体之内。
在另一个实施例中，对各开关元件和各组开关元件指配串联电容器，其串联***到至少一个栅极与一个或多个开关元件的控制电极之间的控制线中的电阻矩阵的一个或多个关联电阻，并且并联连接到高欧姆电阻。能够应用串联电容器，以在开关元件的基于短路的断电的情况下阻塞到控制电极的直流，以便停用这个元件并且激活其他无差错开关元件。串联电容器的电容按照如下方式来测量：使得在正常操作中，在开关元件之间没有实行控制电压的不许可偏移。
按照本发明的另一方面，如上所述具有至少一个开关模块的功率半导体模块采用指配给开关模块的驱动单元来创建。驱动单元提供：能量源；至少一个驱动输出，其与开关模块的至少一个栅极连接；驱动电阻；以及可控开关。开关能够控制进行闭合，以便通过驱动电阻、驱动输出、开关模块的至少一个栅极将驱动单元的能量源的电压和/或电流施加到开关元件的关联控制电极。功率半导体模块适合于多级转换器的研制，并且有利地提供按照本发明的短路保护功能性。针对功率半导体模块的开关模块的进步及关联优点，在对开关模块的概述中参照上述描述。
能够安装上述优选类型的功率半导体模块的驱动单元，以便识别开关元件的至少一个中的故障，并且作为反应，将启动信号连续施加到至少一个栅极或者实现将启动信号连续施加到至少一个栅极。开关元件中的故障能够例如通过监测开关元件的电流和电压或者作为整体的开关模块的电流和电压来监测。
在一实施例中，为了与提供若干栅极的开关模块一起动作，安装驱动单元。为此，驱动单元提供具有关联驱动电阻的若干并联连接驱动输出，其与关联开关模块的单独栅极连接。还安装驱动单元，以便通过所有驱动输出同时向关联开关模块的所有栅极施加相同驱动信号，而与开关元件的哪一个有故障。能够避免识别故障点和/或隔离并且具体仅激活具有功能性的开关元件和/或芯片所需的有源逻辑、有源开关等。通过上述保护技术，故障保护功能的开销比较小。保护技术也能够相互组合应用。
技术方案1：一种开关模块，包括：
第一端子(18)、第二端子(19)和至少一个控制端子(21)；
多个开关元件(17a-m)，相互并联地通过第一电极(22)连接到所述第一端子(18)、通过第二电极(23)连接到所述第二端子(19)并且通过控制电极(24)连接到所述至少一个控制端子(21)；以及
故障保护装置(26)，操作上***所述至少一个控制端子(21)与所述开关元件(17a-m)之间，其中所述故障保护装置(26)包括无源电气组件(34；41；42；43)，所述无源电气组件确定大小成使得在所述多个开关元件(17a-m)的至少一个的故障情况下，在所述至少一个控制端子(21)处的预定驱动控制在所有其他无故障开关元件的所述控制电极(24)处以完全无源的方式生成驱动信号，所述驱动信号足以开关所述无故障开关元件或者将它们保持在导电状态。
技术方案2：如技术方案1所述的开关模块，其特征在于，所述开关元件(17a-m)由功率半导体管芯来形成，并且优选地从由包括IGBT、BIGT、MOSFET和JFET的电压控制组件所组成的编组中选取。
技术方案3：如技术方案1或2所述的开关模块，其特征在于，还包括容纳所有开关元件(17a-m)的公共壳体(25)，其中所述第一和所述第二端子(18，19)和所述至少一个控制端子(21)被引出所述壳体(25)。
技术方案4：如以上技术方案中的任一项所述的开关模块，其特征在于，所述故障保护装置(26)包括设置在所述至少一个控制端子(21)与所述开关元件(17a-m)的所述控制电极(24)之间的电路布置(33)。
技术方案5：如以上技术方案中的任一项所述的开关模块，其特征在于，所述故障保护装置(26)包括具有连接到各控制电极(24)的电阻器(36a-m)的电阻器矩阵(34)。
技术方案6：如技术方案5所述的开关模块，其特征在于，所述电阻器矩阵(34)设计成使得对于由驱动单元(14)施加到所述至少一个控制端子(21)的所定义驱动电压，在所述无故障开关元件(17a-m)的所述控制电极(24)处的所产生电压大于所述开关元件(17a-m)的接通阈值电压。
技术方案7：如技术方案6所述的开关模块，其特征在于，所述第一电阻器(36a-m)各连接在相应一个开关元件(17a-m)的控制电极(24)与所述至少一个控制端子(21)之间，并且具有基本上相同的电阻Rint = R11 = R12 = … = R1m以及满足下列条件：
Rint> k×Rtot/ (VG-on/VGE-th – (m-k)/m)，
其中，Rtot是正常操作中的所述开关模块(11)的总有效驱动电阻，其为：
Rtot = RG + Rint/m，
其中，RG是驱动单元(14)的驱动电阻，VG-on是所述驱动单元(14)的所述驱动电压，VGE-th是所述开关元件(17a-m)的所述接通阈值电压，k是分别具有栅极-发射极短路的所述有故障开关元件和功率半导体管芯的数量，以及m是所述开关模块(11)中的所述开关元件(17a-m)的总数。
技术方案8：如技术方案5-6中的任一项所述的开关模块，其特征在于，所述电阻器矩阵(34)还包括各连接在所述第一电阻器(36a-m)与所述至少一个控制端子(21)之间的附加电阻器(38a-n)，其中所述附加电阻器(38a-n)的每一个与一个或多个第一电阻器(36a-m)串联连接，以形成开关元件(17a-m)的组。
技术方案9：如技术方案8所述的开关模块，配置成使得在被指配具有电阻R1j的所述第一电阻器(36j)和与其串联连接并且具有电阻R2i的所述附加电阻器(38i)的开关元件(17j)的故障情况下，下式应用于要施加到所述至少一个控制端子(21)用于将所述无故障开关元件(17a-m)切换为导电状态的所述驱动电压VG-on：
VG-on> VGE-th×(RG + R2i + R1j) / (R2i + R1j)，
其中，VGE-th是所述开关元件(17a-m)的接通阈值电压，以及RG是驱动单元(14)的驱动电阻。
技术方案10：如技术方案5-9中的任一项所述的开关模块，其特征在于，包括一定数量的控制端子(21a-n)，其被引出相应单独开关元件(17a-m)或者相应开关元件(17a-m)的组的公共壳体(25)，其中所述数量至少为二，并且其中提供所述控制端子(21-n)以连接到驱动单元(14)，所述驱动单元包括与所述引出控制端子(21a-n)的所述数量对应的一定数量的并联驱动输出(29a-n)和驱动电阻器(31a-n)。
技术方案11：如技术方案5-10中的任一项所述的开关模块，其特征在于，各开关元件(17a-m)和各组开关元件(17a-m)分别被指配熔断器(39a-m，39'a-n)，所述熔断器***所述至少一个控制端子(21)与所述一个或多个开关元件(17a-m)的所述控制电极(24)之间，并且确定大小成在故障情况下跳闸以将出故障开关元件(17a-m)和开关元件(17a-m)的组的所述控制电极(24)分别与所述控制端子(21)断开。
技术方案12：如技术方案5-11中的任一项所述的开关模块，其特征在于，各开关元件(17a-m)和各组开关元件(17a-m)分别被指配PTC电阻器元件(41a-m，41'a-n)，所述PTC电阻器元件***所述至少一个控制端子(21)与所述一个或多个开关元件(17a-m)的所述控制电极(24)之间的所述驱动控制线中，并且确定大小成在对应开关元件(17a-m)和/或开关元件(17a-m)的组的故障情况下加热以充分增加其电阻。
技术方案13：如技术方案5-12中的任一项所述的开关模块，其特征在于，各开关元件(17a-m)和/或各组开关元件(17a-m)被指配串联电容器(42a-m)，所述电容器与所述电阻器矩阵(34)的一个或多个对应电阻器(36a-m；38a-n)串联***所述至少一个控制端子(21)与所述一个或多个开关元件(17a-m)的所述控制电极(24)之间的所述驱动控制线中，并且并联连接到高阻抗旁路电阻器(43a-m)。
技术方案14：如技术方案13所述的开关模块，其特征在于，所述串联电容器(42a-m)的电容确定大小成使得不引起正常操作中的所述开关元件(17a-m)之中的所述驱动电压的任何不许可变化，但是在故障情况下阻塞流入所述出故障开关元件(17a-m)的所述控制电极(24)中的直流。
技术方案15：一种功率半导体模块，具有如以上技术方案中的任一项所述的至少一个开关模块(11)并且包括指配给所述至少一个开关模块(11)的驱动单元(14)，所述驱动单元包括电源(28)、连接到所述开关模块(11)的所述至少一个控制端子(21)的至少一个驱动输出(29)、驱动电阻器(31)和可控开关(32)。
技术方案16：如技术方案15所述的功率半导体模块，其特征在于，所述驱动单元(14)配置成检测所述开关元件(17a-m)的至少一个的故障，并且对其进行响应而将接通信号持久地施加或者保持施加在所述至少一个控制端子(21)。
技术方案17：如技术方案15或16所述的功率半导体模块，其特征在于，所述驱动单元(14)包括多个驱动输出(29a-n)，各通过对应驱动电阻器(31a-n)连接到所述开关模块(11)的多个控制端子(21a-n)之一，并且配置成经由所有驱动输出(29a-n)向所述开关模块(11)的所有控制端子(21a-n)施加相同驱动信号，而不管所述开关元件(17a-m)的哪一个出故障。
附图说明
本发明的实施例的其他有利细节产生于从属权利要求、附图和关联描述。借助于附图详细描述本发明，附图示出按照本发明的示范但决不是限制的实施例，由此相同参考标号应用于所有附图中，以便表示相同元件。附图示出：
图1示出说明功率电子模块的应用的示范转换器的相级的简化图示；
图2以与图1详述形式相比的简化实施例示出具有开关模块的第一实施例、按照图1的功率电子模块；
图3以更简化图示示出具有按照本发明的其他实施例的开关模块的功率电子模块；
图4示出以更简化图示示出按照本发明的其他实施例的开关模块；
图5以更简化图示示出按照图4的开关模块的修改；
图6以更简化图示示出开关模块的另一个实施例；以及
图7以更简化图示示出具有开关模块的进一步修改实施例、按照本发明的功率电子模块的另一个实施例。
具体实施方式
图1示出说明本发明的示范应用的高压转换器1的相的分支的开关布置的简化示意图。转换器1能够是单相转换器，其将输入侧直流转换为输出侧的交流，或者是二或多相转换器，其对应地提供所示相的分支的两个或更多。转换器1为相模块2的每相提供要与其连接的交流电网，由此各相模块具有两个直流连接3、4和交流连接6。在各直流连接3和/或4与各交流连接6之间，相模块分支7、8延伸，其包括子模块9(其在下文表示为功率电子模块)的串联连接。备选地，相模块分支7、8或转换器1可被看作是功率电子模块。
每个子模块和功率电子模块9提供一个或多个开关模块11，其与可控开关12(适当续流二极管13能够与其并联连接)串联或并联连接。各功率电子模块9提供一个或多个驱动单元14，其控制关联开关12，以便闭合或导电地激活它或者断开它或者不导电地激活它。驱动单元14又由超级驱动单元16适当地控制，使得通过开关12的适当闭合和断开，直流连接3、4之间的直流能够按照预定义方案和/或通过脉宽调制来计时，以使得预期正弦形状交变电压在滤波之后在交流连接6处产生。通过每个相模块分支若干开关模块11的应用，能够实现较高连接输出电压。
显然，这里所示的高压转换器1只是示例，并且能够应用本发明的许多其他转换器拓扑存在。特别是如果功率半导体或者基于半导体的单元、例如半桥或H桥模块作为复合开关布置的组成部分来应用并且例如冗余度要求需要甚至在单独功率半导体或者单独功率半导体单元的故障情况下也必须确保切换功能，则能够应用本发明。
如果来自按照图1的相模块分支7或8的子模块系列的子模块9出故障，则这应当改变成导电短路差错模式，使得转换器1的功能也能够通过其他具有功能性的开关模块11来实现。特别是应当确保转换器1的具有功能性的组件不受任何***部件限制，以及连续低欧姆电流通路通过有故障开关模块来实现。这些要求能够由按照本发明的不同实施例的功率电子模块9和开关模块11来满足，因为它们例如在图2至图7的更简化原理图示中示出。
图2示出包括开关模块11和驱动单元14的功率电子模块9的框图。如所示，开关模块11提供若干并联连接开关元件17a、17b、…17m，其相互并联连接在第一连接18、第二连接19和栅极21之间。开关模块11能够提供相互并联设置的优选数量的开关元件、最少两个开关元件17。
各开关元件17a-m优选地采用半导体芯片来构建，其表示IGBT、功率MOSFET或类似可控功率半导体开关，其能够通过控制来改变为导通和不导通和/或阻塞状态。附图中，为了简化以下描述，IGBT开关示为开关元件17a-m(由此为了清楚起见而省略关联续流二极管)，使得以下描述中与IGBT关联地应用术语。因此，例如表示为栅极连接的栅极和/或第一和第二连接分别表示为集电极和发射极连接。但是，显然，实施例并不局限于IGBT的使用，而是例如MOSFET、BIGT或JFET等的其他电压控制功率半导体开关能够应用来代替它们。
在具有图2示范所示的IGBT半导体芯片的实施例中，各开关元件17a-m提供：第一或集电极22(C)，其与公共集电极连接18连接；第二和/或发射电极23(E)，其与公共发射极连接19连接；以及控制和/或栅电极24(G)，其与栅极和栅极连接21连接。
如已经说明，开关元件17a-m优选地通过并联连接的半导体芯片来形成，并且容纳在公共壳体25中、例如压力接触壳体(所谓的压装壳体)中，或者它们按照模块化构造来制造并且提供有公共壳体25。从壳体25，向外引出连接18、19和21。在本例中，引入另一个连接、辅助发射极连接27(E(Aux))，其随发射极连接19连接在壳体25内部，并且用于将具有驱动单元14的控制电网与负载电流分离。
在壳体25内部，设置故障保护装置26，其被安装以便在开关元件和/或半导体芯片17a-m中的故障的情况下确保开关模块11的可控连续导电状态。下面更详细说明故障保护装置26。
功率电子模块9包括驱动单元14，其在这里以简化方式示为具有能量源28、至少一个驱动输出29、驱动电阻31和可控开关32。驱动输出29与栅极连接21和辅助发射极连接27和发射极连接19连接。能量源28示为电源单元，其驱动电压VG-on在闭合开关32时通过驱动电阻31和电阻网络34在栅电极24同时施加到所有开关元件17a-m。
如上所述，故障保护装置26用于如下目的：开关模块11在开关元件和/或半导体芯片17a-m其中之一的故障情况下能够改变为可控连续导通差错模式。一般来说，本文一般描述为故障的差错采取IGBT半导体芯片或开关元件17a-m的集电极-发射极短路的形式导致其栅电极24与其发射电极23之间的短路，如图2中在元件17m示范所示。由此，其他具有功能性的开关元件的栅电极相对发射电极23短接并且不再是可控的。具有功能性的IGBT芯片由此被停用，并且丢失其可控性，而缺陷芯片吸收整个负载电流。由于过电流、所产生的热和电弧，这能够导致功率电子模块9的开关模式11或其他组件的严重损坏。这通过按照本发明的故障保护装置26来防止，其中确保具有功能性的IGBT芯片的全部或部分保持在有限可控和/或导电状态或者通过以下所述方法其中之一在这种状态中激活或者它们的组合。
按照本发明的故障保护装置26包括开关布置33，其连同半导体17a-m一起容纳在开关模块壳体25内部。显然，开关布置33只从无源组件来形成，组件不具有任何扩大效应或控制功能。按照图2的实施例中的开关布置33特别提供电阻矩阵34(第一电阻36a-m在本例中是其组成部分)，其与关联开关元件17a-m的栅电极24的连接相连接。通过其另一连接，第一电阻36a-m分别相互成对连接到连接点37，使得例如第一电阻36a、b相互连接、第一电阻36c、d相互连接、…以及第一电阻36m-1、m相互连接。
电阻矩阵34还提供另一个第二电阻38a-n，其连接在第一电阻36a-m的连接点37与公共栅极连接21之间。在所示示范实施例中，m＝2n。在其他实施例中，三个或更多第一电阻36a-m能够组合以形成编组，其分别与第二电阻38a-n连接，m总共为n的三倍或数倍。
虽然这没有在图2中详细示出，但是电阻矩阵34的第一电阻36a-m能够与开关元件17a-m共同设置在半导体芯片上，即使它们也能够容纳在芯片17a-m外部但是在开关模块壳体25之内。第一电阻36-m能够适用于平衡切换，以便实现全部开关元件17a-m在通过控制单元14的控制的情况下尽可能地同时和相等地激活。一般来说，这些类型的平衡电阻具有较低欧姆。其他电阻38a-n能够设置在芯片37a-m外部，并且还设置在芯片17a-m上，但是优选地设置在芯片外部但是在壳体25之内。
至此对故障保护26所述的功率电子模块9按如下所述起作用：
在正常操作中，驱动单元适当地控制所有开关元件17a-m，以便同时激活或停用所有开关元件17a-m，并且将整个开关模块11改变为导通和/或不导通状态。因此，如已经所述，当开关元件之一出故障并且其栅极-发射极通路短路时，借助于电阻矩阵34、故障保护装置26，仍然有可能通过施加充分驱动电压VG-on来激活起作用的无故障开关元件17a-m，使得这个开关元件17a-m的栅极-发射极电压超过其阈值电压值VGE-th。
在关于故障在这里例如在第j开关元件17j(例如开关元件17m，如图2所示)中发生的假设下，必要的驱动电压的条件如下：
VG-on> VGE-th×(RG + R2i + R1j) / + (R2i + R1j)　　(等式1)
由此，VGE-th是开关元件的阈值电压，RG是驱动电阻31的电阻，R1j是指配给开关元件17j的第一电阻36j的电阻，以及R2i是与第一电阻36j连接的第二电阻38i的电阻。由此，确保在不属于有故障开关元件17j的编组的开关元件，施加超过其阈值电压值VGE-th的栅极-发射极电压。
可理解，故障能够在优选开关元件17a-m其中之一或者在一对单独的两个或若干并联连接开关元件17a-m处发生，并且具有功能性的开关元件17a-m仍然能够通过施加充分驱动电压VG-on导电地激活或保持为导电(注：等式1仅可适用于例如缺陷芯片等的特殊情况)。此外，显然，上式1仅可适用于缺陷芯片，但是，平均导出能够得出在两个或更多缺陷芯片的情况下的必要驱动电压VG-on的对应关系。
作为示例，通过各按照第一和第二电阻36a-m、38a-n和驱动电阻31的每个所定义值的大约10伏特的阈值电压VGE-th，15伏特和50伏特的范围中的驱动电压VG-on是必要的。但是，这取决于栅极连接21与开关元件17a-m的栅电极24之间的开关模块11的内电阻矩阵。
如果在开关模块11的芯片的集电极连接18与发射极连接19之间识别断电、特别是短路，则驱动电压VG-on能够按照以上定义的值来施加，其如此大以致于根据电阻矩阵的阻抗，所有具有功能性的开关元件能够被激活或保持为激活。相反，根据先前定义的驱动电压VG-on，能够对差错情况测量电阻36a-m和38a-m。
因此，通过施加预先定义的充分驱动电压的适当测量的电阻矩阵34在一个或部分开关元件17a-m的故障情况下实现具有充分正负载的其他具有功能性的开关元件的栅电极24，使得它们能够导电地激活或者保持为导电，而与同一电阻矩阵34连接的有故障开关元件的栅电极24的一个或部分短路。由此，半导体芯片17a-m进一步保持为可控，并且能够连续保持在导电状态。
通过例如经过监测到开关模块11的连接18、19、21、27的电压和电流和快速或持续控制功率半导体芯片17a-m以记录差错，负载电流能够分布到所有半导体芯片，由此避免故障电弧或***的形成。能够降低针对***的保护措施、例如具有***保护或过电压保护装置的壳体。另外，连续和稳定低欧姆电流通路由有故障模块来创建。有利地，通过故障保护装置26的保护仅采用无源元件、即电阻矩阵34完全无源地实现。对于这个非有源逻辑，有源开关等是必要的，以便识别差错源和/或隔离、改变或转移电流通路，并且具体仅激活具有功能性的芯片。
图3示出与图2的开关模块11的少许修改实施例相比的功率电子模块9。如在这里显而易见，省略另一和/或第二电阻38a-n，使得所有第一电阻36a-m通过连接点37相互直接连接并且与栅极连接21连接。在芯片17m，例如，标记故障中涉及的集电极-发射极短路和栅极-发射极短路。在这种情况下，通过适当测量电阻矩阵34，能够确保对于给定驱动电压VG-on(其由驱动单元14通过驱动电阻31施加在开关模块的连接21、19)，在具有功能性的无故障芯片的栅电极处的电压大于其阈值电压。
作为示例，对于图3所示的开关结构，在关于栅极连接21与栅电极24之间的所有第一电阻36a-m的电阻基本上相等、因此Rint = R11 = R12 = … = R1m的假设下，必须满足下列条件：
Rint > k×Rtot/ (VG-on /VGE-th – (m-k) / m)，　　(等式2)
由此，开关模块11的整个有效栅极电阻的Rtot处于正常状态，其为：
Rtot = RG + Rint/m， (等式3)
由此m是开关模块11中的半导体芯片17a-m的总数，k是具有栅极-发射极短路的有故障芯片的数量，VG-on是栅极驱动单元14的栅极驱动电压，以及VGE-th是半导体芯片17a-m的栅极-发射极阈值电压。
再次通过按照上式2和3适当测量电阻矩阵34，尽管一个或多个有故障半导体芯片17a-m的短路栅极-发射极通路，也有可能通过施加预先定义的驱动电压VG-on(其能够与正常操作中的驱动电压相同)导电地激活其他具有功能性的芯片或者将它们保持为导电。这再次按照完全无源的方式来实现，而无需任何有源逻辑、有源开关等，以识别故障点和/或隔离并且具体仅激活具有功能性的芯片，并且具有针对***和故障电弧的保护以及通过有故障模块的低欧姆持久电流通路的已经说明的其他优点。
图4示出以更简化图示示出按照本发明的另一个实施例的开关模块11。开关模块11与按照图2的开关模块的显著差别在于，在这里，对各开关元件17a-m和每组所连接开关元件指配熔断器39a-m，其被***各开关元件17a-m的栅电极24与相应开关元件的组的连接点17之间的各控制通路中。取决于电阻矩阵34，熔断器39a-m安全熔断器按照如下方式来测量：使得它们在差错情况下触发一个或多个开关元件17a-m，以便将有故障开关元件的短路栅电极24与栅极连接21分隔，而指配给无故障开关元件的其他熔断器不受影响。
在有故障开关元件17a-m的短路栅极结构的情况下，所产生栅极电流(其通过驱动单元14施加正栅极信号来馈入短路栅极结构中)比正常操作条件下要高许多，因为在电压控制组件、例如IGBT的情况下，在正常操作条件下，只有短期电流在栅极连接的激活和停用过程期间，以用于重新加载芯片内部栅极电容。还能够设计安全熔断器或可复位熔断器39a-m，以便在栅极电流电平将短路栅电极24与栅极驱动单元14分隔，通过其实现具有功能性的无故障栅极结构的控制，即，导电地激活它们或者将它们保持为导电。熔断器39a-m能够基于SMD技术，并且与第一和/或第二电阻36a-m、38a-n共同集成在半导体芯片上或者芯片外部但是在公共壳体25中。熔断器31a-m实现快速反应，其有效地避免因***和故障电弧引起的损坏。
图5示出与按照图4的实施例相比的少许修改，由此熔断器39'a-n设置在栅极连接21与串联连接到第二电阻38a-n的相应编组的开关元件17a-m的连接点37之间的栅极电流通路中。安全熔断器和可复位熔断器39'a-n再次能够建立，以便在故障情况下触发电流电平，由此考虑各熔断器39'a-n在正常操作中传导电流两次(或者电流的倍数，如果两个以上开关元件17a-m分别连接到一组)。
备选地，在按照图4和图5的实施例中，而是能够应用熔断器39a-m和39'a-n电阻器或所谓的PTC电阻元件41a-m(图4)和41'a-n(图5)，其能够在低温下比在高温下更好地传导电流。换言之，PTC电阻元件是组件，其电阻随增加温度而增加。在一个或多个有故障开关元件17a-m的情况下，栅极电流(其通过施加正栅极驱动信号从驱动单元14流入短路栅极结构中)比在正常操作条件下要高许多。适当地放置PTC电阻元件，以便在这些较高电流电平充分变暖，以便建立栅极驱动单元14与短路栅电极24之间的栅极电流通路中的高电阻，以使得阻塞栅极驱动电流或者将它明显减小，通过其，实现其他具有功能性的栅极结构的控制。
虽然在这里，栅极驱动单元14与有故障开关元件17a-m的短路栅电极24之间的连接没有完全分隔，如同图4和图5中的熔断器39a-m、39'a-n的情况那样，但是栅极电流只是明显减小，具有PTC电阻元件的故障保护装置26的功能性与具有熔断器的故障保护装置26相似，使得能够参照上述描述。
图6示出具有故障保护装置26的开关模块11的另一个修改实施例。在这里，将串联电容器42a-m指配给各开关元件17a-m和各组开关元件，其串联连接到一个或多个关联第一电阻36a-m。图6中，串联电容器42a-m分别在栅电极24与连接点37之间串联设置到第一电阻36a-m。与各串联电容器42a-m并联，高欧姆电阻43a-m并联连接，其形成到相应串联电容器42a-m的旁路。串联电容器42a-m按照如下方式来测量：使得它在正常操作中在功率半导体17a-m下没有引起栅极驱动电压的任何不许可偏移。
在正常操作中，半导体芯片17a-m的栅极-发射极和栅极-集电极电容备选地通过栅极驱动电流(其是按照驱动模型的交流)来充电或放电。栅极驱动电流中的各直流成分从寄生效应产生并且是很小的。这个直流部分通过相应高欧姆旁路电阻43a-m来吸收。串联电容器42a-m要被选择为明显高于开关元件17a-m的栅极-发射极电容，使得在正常操作中，仅释放小电压。
在短路情况下，当有故障开关元件17a-m的关联栅极-发射极电容短缺时，串联电容器42a-m从15伏特快速充电到栅极驱动电压，其是较高强度的直流，其上阻塞到短路栅极结构的直流。由此，充分栅极驱动信号在具有功能性的半导体芯片17a-m的栅电极24处自动充分准备，并且它们导电地激活或保持。
再次如同上述实施例那样，借助于切换布置33(其只提供无源组件)，在一个或多个开关元件短路差错的情况下，其他具有功能性的开关元件自动在稳定导通状态中完全无源地保持为可控，而无需用于此目的的有源逻辑、有源开关等，以识别故障位置和/或具体单独激活具有功能性的芯片。连续稳定低欧姆电流通路通过开关模块11来创建，并且通过有故障开关元件的电压最小化，使得避免或者明显降低因***和故障电弧引起的危险。
在修改中，来自串联电容器42a-m和旁路电阻43a-m的并联连接也能够串联设置到连接点37与栅极连接21之间的栅极电流通路中的两个电阻38a-n。
图7示出按照本发明、具有修改开关模块11和修改驱动单元14的功率电子模块9的其他实施例。按照图7的开关模块与按照图2的开关模块的差别只在于，它提供引出公共壳体25的驱动连接21a-n和若干、至少两个栅极，其分别被指配给一组两个开关元件17a-m。备选地，对各开关元件，能够指配单独引导驱动连接21。在另一个备选方案中，三个或三个以上开关元件17a-m能够指配给公共栅极21。
此外，公共辅助发射极连接27能够是所有开关元件17a-m公共的，或者它能够分派到单独发射极连接27a-n中。
栅极和驱动单元14提供若干并联驱动输出或驱动连接29a-n，其与开关模块11的驱动连接21a-n连接。对各输出连接29a-n，指配驱动电阻31a-n，由此一侧的驱动电阻31a-n分别与驱动输出连接29a-n连接，以及在相对站点各连接到中性点44，并且通过可控开关32与电源28连接。驱动电阻31a-n能够提供相同的电阻。
如所示通过开关模块11的单独IGBT芯片17a-m或者芯片组的栅极连接21a-n准许在本发明的意义上控制具有功能性的芯片和/或芯片编组，而无需任何有源逻辑、有源开关等，以便识别故障点和/或隔离并且具体单独激活具有功能性的芯片。
驱动单元14而是能够同时并且无区别地控制所有栅极连接，由此在中性点44，因并联配备的栅极驱动电阻31a-n，能够得到较高电压电平，而不管相应有故障芯片17a-m处的短路，其没有如同公共栅极连接那样崩溃，因此其他无故障芯片被充分加载并且保持为可控。最后，这些无故障芯片和芯片编组分别通过IGBT的激活阈值电压接收充分激活信号，使得它们导电地激活和/或保持为这样。驱动单元14能够按照如下方式整体设计：它能够保存单独短路栅电极24中的短路电流，这是可能的，因为单独第二电阻38a-n、例如驱动电阻31a-n具有高欧姆、例如20至100欧姆，并且仅在其并联连接中给予从0.5至10欧姆的典型栅极驱动电阻。驱动单元的单独通道能够备选地按照如下方式设计为防短路：使得它们在短路或过负载的情况下在高欧姆状态激活并且显著限制电流。为此，对故障位置的无源分离所述的措施、例如熔断器、PTC电阻或串联电容器的使用能够具体适用于驱动单元的通道。
再次实现没有用于定位故障位置和/或隔离有故障芯片以便能够激活并联芯片的有源过程的差错保护。而是仅应用故障保护装置26的适当设置和确定尺寸的无源组件，其实现通过单个驱动单元14对并联芯片的导通的激活和保持。这与在生产和操作中具有较小复杂度和较小成本的切换布置的简单构造关联。
可理解，上述故障保护方法还能够与其他方法相组合，以便创建其他可能的实施例。另外，其他修改和变更是专业人员能够想到的，其落入所附权利要求书的保护范围中。例如，不同电阻矩阵设置在或者设置到栅极连接21与栅电极24之间，以便注意平衡开关元件17a-m并且满足按照本发明的故障保护功能。例如，电阻矩阵能够提供两级以上电阻36a-m和38a-n，如图2所示。如已经说明，开关元件17a-m还能够提供其他功率半导体开关、例如MOSFET等，并且能够在公共壳体25的压装壳体中或者模块化构造中连同故障保护装置26一起设置为并联连接半导体芯片。按照本发明的开关模块11和功率电子模块9能够用于多种应用、例如HVDC或驱动应用(其中要满足冗余度要求)，用于不同拓扑的转换器和其他***和应用(其中可控半导体装置、例如IGBT-MOSFET等)必须在差错之后采取安全导通状态)。功率半导体模块9和开关模块11使得能够在故障之后通过避免附加组件和措施来实现长期稳定性，并且避免***所引起的破坏。本发明还适合于具有电流源特性的拓扑。所提出方法其中的优点在于，能够确保无限时期的长期稳定性，因为半导体芯片按照正常、指定导通操作进行操作。另外，在长期稳定性与装置中的温度变化的难题之间不需要如同一些常规装置情况下那样的折衷。故障保护装置26的降低复杂度形成长维护间隔和关联较低成本以及操作中的***的高可靠性的基础。
创建开关模块11，其为壳体25提供：第一和第二连接18、19和至少一个驱动连接21；若干开关元件17a-m，其设置在壳体25内部，相互并联连接并且通过其控制电极24是可控的；以及故障保护装置26，其有效地***至少一个驱动连接21与开关元件17a-m之间。故障保护装置(26)提供无源电气组件34、41、42、43，其按照如下方式来确定尺寸：使得在一个或多个开关元件17a-m的故障情况下，所有其他无故障开关元件(17a-m)的控制电极24处的至少一个驱动连接21的预定义控制创建控制信号，其足以导电地激活这些无故障开关元件17a-m或者导电地保持它们。还创建具有指配给至少这种类型的开关模块11和至少一个开关模块11的驱动单元14的功率电子模块9。

Claims (17)

1.一种开关装置，包括：
第一端子(18)、第二端子(19)和至少一个控制端子(21)；
多个开关元件(17a-m)，相互并联地通过第一电极(22)连接到所述第一端子(18)、通过第二电极(23)连接到所述第二端子(19)并且通过控制电极(24)连接到所述至少一个控制端子(21)；以及
故障保护装置(26)，操作上***所述至少一个控制端子(21)与所述开关元件(17a-m)之间，其中所述故障保护装置(26)包括无源电气组件(34；41；42；43)，所述无源电气组件确定大小成使得在所述多个开关元件(17a-m)的至少一个的故障情况下，在所述至少一个控制端子(21)处的预定驱动控制在所有其他无故障开关元件的控制电极(24)处以完全无源的方式生成驱动信号，所述驱动信号足以将所述无故障开关元件切换为导电状态或者将它们保持在所述导电状态，
其中所述故障保护装置包括电阻器矩阵(34)，所述电阻器矩阵(34)将所述驱动信号提供给所述无故障开关元件的所述控制电极，其中所述驱动信号大于所述开关元件的接通阈值电压并且响应于由驱动单元(14)施加给所述至少一个控制端子的所定义驱动电压而提供。
2.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，所述开关元件(17a-m)由功率半导体管芯形成。
3.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，所述开关元件(17a-m)从由包括IGBT、BIGT、MOSFET和JFET的电压控制组件所组成的编组中选取。
4.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，还包括容纳所有开关元件(17a-m)的公共壳体(25)，其中所述第一和所述第二端子(18，19)和所述至少一个控制端子(21)被引出所述壳体(25)。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的开关装置，其特征在于，所述故障保护装置(26)包括设置在所述至少一个控制端子(21)与所述开关元件(17a-m)的所述控制电极(24)之间的电路布置(33)。
6.如权利要求1-4中的任一项所述的开关装置，其特征在于，所述电阻器矩阵(34)包括连接到各控制电极(24)的第一组电阻器(36a-m)。
7.如权利要求6所述的开关装置，其特征在于，所述第一组电阻器(36a-m)各自连接在相应一个开关元件(17a-m)的控制电极(24)与所述至少一个控制端子(21)之间，并且具有相同的电阻Rint = R11 = R12 = … = R1m以及满足下列条件：
Rint> k×Rtot/ (VG-on/VGE-th – (m-k)/m)，
其中，Rtot是正常操作中所述开关装置的总有效驱动电阻，其为：
Rtot= RG + Rint/m，
其中，RG是所述驱动单元(14)的驱动电阻，VG-on是所述驱动单元(14)的所述驱动电压，VGE-th是所述开关元件(17a-m)的所述接通阈值电压，k是具有栅极-发射极短路的有故障开关元件的数量，以及m是所述开关装置中所述开关元件(17a-m)的总数。
8.如权利要求6所述的开关装置，其特征在于，所述电阻器矩阵(34)还包括各连接在所述第一组电阻器(36a-m)与所述至少一个控制端子(21)之间的第二组电阻器(38a-n)，其中所述第二组电阻器(38a-n)的每一个与所述第一组电阻器(36a-m)中的一个或多个串联连接。
9.如权利要求8所述的开关装置，配置成使得在被指配所述第一组电阻器(36a-m)中具有电阻R1j的第一电阻器(36j)和所述第二组电阻器(38a-n)中与其串联连接并且具有电阻R2i的第二电阻器(38i)的开关元件(17j)的故障情况下，下式应用于要施加到所述至少一个控制端子(21)用于将所述无故障开关元件(17a-m)切换为导电状态的驱动电压VG-on：
VG-on> VGE-th×(RG + R2i + R1j) / (R2i + R1j)，
其中，VGE-th是所述开关元件(17a-m)的接通阈值电压，以及RG是所述驱动单元(14)的驱动电阻。
10.如权利要求6所述的开关装置，其特征在于，包括一定数量的控制端子(21a-n)，其被引出相应单独开关元件(17a-m)或者相应组开关元件(17a-m)的公共壳体(25)，其中所述数量至少为二，并且其中提供所述控制端子(21-n)以连接到所述驱动单元(14)，所述驱动单元包括与所述引出控制端子(21a-n)的所述数量对应的一定数量的并联驱动输出(29a-n)和驱动电阻器(31a-n)。
11.如权利要求6所述的开关装置，其特征在于，各开关元件(17a-m)和各组开关元件(17a-m)分别被指配熔断器(39a-m，39'a-n)，所述熔断器***所述至少一个控制端子(21)与所述一个或多个开关元件(17a-m)的控制电极(24)之间，并且确定大小成在故障情况下跳闸以将出故障开关元件(17a-m)和一组开关元件(17a-m)的控制电极(24)分别与所述控制端子(21)断开。
12.如权利要求6所述的开关装置，其特征在于，各开关元件(17a-m)和各组开关元件(17a-m)分别被指配PTC电阻器元件(41a-m，41'a-n)，所述PTC电阻器元件***所述至少一个控制端子(21)与所述一个或多个开关元件(17a-m)的控制电极(24)之间的驱动控制线中，并且被确定大小成在对应开关元件(17a-m)和/或一组开关元件(17a-m)的故障情况下加热以充分增加其电阻。
13.如权利要求6所述的开关装置，其特征在于，各开关元件(17a-m)和/或各组开关元件(17a-m)被指配串联电容器(42a-m)，所述串联电容器与所述电阻器矩阵(34)的一个或多个对应电阻器(36a-m；38a-n)串联***所述至少一个控制端子(21)与所述一个或多个开关元件(17a-m)的控制电极(24)之间的驱动控制线中，并且并联连接到高阻抗旁路电阻器(43a-m)。
14.如权利要求13所述的开关装置，其特征在于，所述串联电容器(42a-m)的电容被确定大小成使得不引起正常操作中所述开关元件(17a-m)之中的驱动电压的任何不许可变化，但是在故障情况下阻塞流入出故障开关元件(17a-m)的控制电极(24)中的直流。
15.一种功率半导体设备，具有至少一个如权利要求1-14中的任一项所述的开关装置(11)并且包括指配给所述至少一个开关装置(11)的驱动单元(14)，所述驱动单元包括电源(28)、连接到所述开关装置(11)的至少一个控制端子(21)的至少一个驱动输出(29)、驱动电阻器(31)和可控开关(32)。
16.如权利要求15所述的功率半导体设备，其特征在于，所述驱动单元(14)配置成检测所述开关元件(17a-m)的至少一个的故障，并且对其进行响应而将接通信号持久地施加或者保持施加在所述至少一个控制端子(21)。
17.如权利要求15或16所述的功率半导体设备，其特征在于，所述驱动单元(14)包括多个驱动输出(29a-n)，其各自通过对应驱动电阻器(31a-n)连接到所述开关装置(11)的多个控制端子(21a-n)之一，并且所述驱动单元(14)配置成经由所有驱动输出(29a-n)向所述开关装置(11)的所有控制端子(21a-n)施加相同驱动信号，而不管所述开关元件(17a-m)的哪一个出故障。
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