JP2010503221A - パワー半導体モジュール、電力変換器弁アーム及び電力変換器 - Google Patents

Abstract

接続導体（１９，２０）を介してエネルギー蓄積器（１１）に接続されているパワー半導体回路（１８）を備えた配電および送電用のパワー半導体モジュール（２）であって、故障時に発生する電流振幅を制限してパワー電子装置を効果的に保護するパワー半導体モジュール（２）を提供するために、接続導体（１９，２０）が、閾値を上回る電流負荷時に開路する開路設定点（１５）を有し、接続導体（１９，２０）がさらに開路設定点に並列接続された抵抗（１６）を有することを提案する。

Description

本発明は、接続導体を介してエネルギー蓄積器に接続されているパワー半導体回路を備えた配電および送電用のパワー半導体モジュールに関する。

このようなパワー半導体モジュールは、例えば英国特許出願公開第２２９４８２１号明細書から既に公知である。それにはパワー半導体モジュールの直列回路からなるいわゆるマルチレベルコンバータが記載されている。各パワー半導体モジュールは、パワー半導体回路に接続されているエネルギー蓄積器を持っている。この場合にコンデンサの形でのエネルギー蓄積器がパワー半導体によるいわゆる純ブリッジ回路を構成する。パワー半導体のスイッチング状態に応じて、パワー半導体モジュールの出力端において正のコンデンサ電圧、負のコンデンサ電圧または零の電圧が発生可能である。

電圧中間回路形コンバータの場合には、パワー半導体回路が、または換言するならばパワー半導体を備えたパワー電子装置が、一般に低誘導性にて蓄積器ユニット、例えば中間回路コンデンサに接続されている。故障時に、例えばパワー半導体のブレークダウン時に、漏れインダクタンスと中間回路キャパシタンスとの関係に基づいて数百キロアンペアにも達し得る非常に高い短絡電流振幅が発生することがある。その結果として、特定のパワー電子装置構成要素がそれによって重大な損傷を負う。例えば、アーク発生を伴うパワー半導体モジュールの爆発という結果にもなる。

本発明の課題は、故障時に発生する電流振幅を制限し、コンバータのパワー電子装置または他の構成部分を効果的に保護することにある。

本発明は、この課題を、接続導体が閾値を上回る電流負担時に開路する開路設定点を有し、この接続導体が更に開路設定点に並列接続された抵抗を有することによって解決する。

本発明によれば、例えばコンデンサのようなエネルギー蓄積器と上述の高い電流に関して特に敏感なパワー電子装置との間に開路設定点が設けられている。この開路設定点は、開路設定点を通って流れる電流が上昇した際に開路するように設計されている。開路設定点におけるアーク発生を回避するために、または少なくとも抑制するために、開路設定点に並列にいわゆるバイパスまたは分路、すなわち開路設定点の開路後に電流を流す補助電流分岐が設けられているので、開路設定点におけるアーク発生が本質的に回避される。補助電流分岐中には、本発明にしたがって抵抗が設けられている。したがって、短絡電流はこの抵抗を介して流れる。この抵抗は結果として損失熱発生をともなって短絡電流を制限する。このやり方で、パワー半導体回路のパワー半導体を通る電流の流れが制限されて、抵抗によって徐々に熱に変換される。抵抗を通る電流をあまり強くは制限することができず、その結果パワー半導体電子装置におけるアークが確実には避けられない場合には、本発明により、パワー半導体の爆発を回避するか、または隣接する構成部分の破損が回避される程度まで弱めるために、パワー半導体のアーク時に発生するエネルギー変換を低減することが重要である。

電流負荷とは、例えば接続導体を介して、したがって開路設定点を介して流れる電流の振幅であると理解することができる。この場合に開路設定点は、上述の電流の振幅が閾電流を上回るとき、開路設定点を開路するように構成されている。これとは違って、閾値は、開路設定点において変換される規定の損失エネルギー等であってもよい。

開路設定点が、閾値を上回る損失エネルギー発生時に開路設定点において溶解する導電体を含むとよい。それゆえ、高い電流時にはこの導電体の溶解、したがって結果として補助電流分岐への転流をともなう主電流路の遮断が生じる。

これとは違って、接続導体が、反発力が発生させられるように、コンデンサの放電電流が逆方向に流れる２つの互いに平行に走る導電部を有し、前記導電部において閾電流を上回る電流が流れる時に反発力が開路設定点の開路を生じさせるのもよい。この有利な発展形態では、平行な導体条における逆方向に流れる電流の電気力学的な力が利用される。この場合に、導電部の一方が肉厚に構成されていて、これに対して他方の導電部が、例えば材料強度の小さい部分の形で存在することが目的に適っている。高電流時に発生する高い電磁的な反発力は、そこに開路設定点が設けられている導体条部の破断をもたらす。電気力学的な力の利用は、力が電流に直接的に依存し、したがって大きな時間遅れなしに発生するという利点を有する。

この開路設定点が導電性の薄膜を含むことが有利である。この薄膜は、定格電流においては通電のために十分であるが、しかし機械的に作用する反発力に基づくにせよ、溶解に基づくにせよ、短絡電流時に開路または破断する厚さを有すると有利である。

これとは違って開路設定点が導電線を含むのもよい。

更に、パワー半導体回路がターンオフ制御可能なパワー半導体を有することが目的に適っている。このようなターンオフ制御可能なパワー半導体は、例えばサイリスタのようにターンオフ制御可能でないパワー半導体に比べて、ターンオン制御もターンオフ制御も可能であるという利点を有する。したがって、制御の可能性が大幅に高められる。

パワー半導体回路がワイヤボンディング接続されたパワー半導体を有するとよい。ワイヤボンディングされたパワー半導体は市場で入手可能である。これらは一般に並列接続されたパワー半導体チップを含み、このパワー半導体チップがワイヤ接続を介して互いに接続されている。ワイヤボンディングされたパワー半導体は、同等の加圧接触形のパワー半導体よりも安価である。しかしながら、ワイヤボンディングされたパワー半導体は、短絡時にパワー半導体チップ間のワイヤ接続を介して流れる電流がワイヤ接続を破壊し、アーク形成が始まり、アークがパワー半導体を破壊し、容器爆発という結果になりかねない欠点を有する。しかしながら、本発明は、パワー半導体を介して流れる電流を制限するので、高い蓄積容量および高い放電電流を有するエネルギー蓄積器の場合にも、ワイヤボンディングされたパワー半導体が使用可能である。
本発明によれば、少なくともアークへのエネルギー変換が低減される。パワー半導体として、例えば、いわゆるＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、ＧＴＯなどが考慮に値する。特に、ＩＧＢＴが考慮に値する。

本発明によるパワー半導体モジュールは、第１の接続端子と、第２の接続端子と、エネルギー蓄積器と、エネルギー蓄積器に並列接続され２つの直列接続されたパワー半導体を有するパワー半導体アームとを持ち、各パワー半導体にフライホイールダイオードが逆並列接続されていて、パワー半導体アームの第１のパワー半導体のエミッタと第１のパワー半導体に付設された逆極性のフライホイールダイオードのアノードとの接続点が第１の接続端子を構成し、パワー半導体アームの２つのパワー半導体と２つのフライホイールダイオードとの接続点が第２の接続端子を構成する。このパワー半導体の回路は、いわゆるマルクワルト回路とも呼ばれ、この回路はエネルギー蓄積器の電圧または零電圧がこの接続端子に現れる開閉状態を有する。

これとは違って、パワー半導体モジュールが、第１の接続端子と、第２の接続端子と、エネルギー蓄積器と、エネルギー蓄積器に並列接続され２つの直列接続されたパワー半導体を有するパワー半導体アームとを持ち、各パワー半導体にフライホイールダイオードが逆並列接続されていて、パワー半導体アームの第１のパワー半導体のコレクタと第１のパワー半導体に付設された逆極性のフライホイールダイオードのカソードとの接続点が第１の接続端子を構成し、パワー半導体アームの２つのパワー半導体と２つのフライホイールダイオードとの接続点が第２の接続端子を構成するのもよい。これは、ほとんど同じ特性を有するマルクワルト回路の代替構成である。

抵抗が３０ｍΩよりも大きいことが好ましい。この値範囲は送電および配電における用途にとって合理的であることが判明した。

接続導体が開路設定点に対して並列に接続されたコンデンサを有することが好ましい。

本発明は、パワー半導体モジュールのほかに、本発明によるパワー半導体モジュールからなる直列回路を有する配電用電力変換器弁アームにも関する。

本発明は、さらに、本発明による電力変換器弁アームから構成され、電力変換器弁アームがブリッジ回路に互いに結線されている電力変換器に関する。この場合に２つの電力変換器弁アームが１つのいわゆる相（そう）モジュールをなし、この相モジュールは両側が２極性の直流電圧回路に接続され、電力変換器弁アーム間の接続点が交流電圧系統に接続されている。

もちろん、本発明によるパワー半導体モジュールは他の用途と関連しても使用可能である。例えば、本発明によるパワー半導体モジュールは、例えばいわゆるフレキシブル交流送電システム、すなわちＦＡＣＴＳにも適している。

本発明の他の有効な構成および利点は、以下における図面を参照する本発明の実施例の説明の対象である。図面において、同じ構成部分には同じ符号が付されていて、図１は本発明による電力変換器弁アームの実施例を示し、図２は本発明によるパワー半導体モジュールの実施例の等価回路図を示し、図３は本発明によるパワー半導体モジュールの他の実施例の等価回路図を示し、図４は図２または図３による回路を有し得る本発明によるパワー半導体モジュールの実施例を示し、図５は図４によるパワー半導体モジュールの詳細図を示す。

図１は本発明による電力変換器弁アーム１の実施例を示す。電力変換器弁アーム１は、それぞれパワー半導体モジュール２からなる直列回路を有する。各電力変換器弁アーム１は、一方の側に直流電圧端子３もしくは４を備え、これと対向する側に交流電圧端子５を備えている。図示の実施例では、電力変換器弁アーム１は対称に構成されていて、両方の弁アーム間に交流電圧端子５が配置されている。交流電圧端子５は、図示されていない交流電圧系統の１つの相への図示されていないインダクタンスを介しての接続のために設けられている。同様に図示されていない電力変換器は、例えば全体として６つの電力変換器弁アーム１から構成されていて、これらの電力変換器弁アーム１のうちそれぞれ２つが、図１に示されているように、直列に接続されていて、これらの電力変換器弁アームの接続点がそれぞれ交流電圧系統の１つの相に接続されている。

図２は、図１に概略的にのみ示された本発明によるパワー半導体モジュール２の実施例を等価回路図にて示す。パワー半導体モジュール２は、互いに直列接続されたターンオフ制御可能なパワー半導体６，７を有し、これらのターンオフ制御可能なパワー半導体は、図示の例では、いわゆるＩＧＢＴとして実現されている。各パワー半導体６もしくは７には逆極性のフライホイールダイオード８もしくは９が並列に接続されている。パワー半導体６，７の直列回路からなるパワー半導体アーム１０は、エネルギー蓄積器としてのコンデンサ１１に並列に接続されている。コンデンサ１１は接続導体１２を介してパワー半導体電子装置に接続されていて、このパワー半導体電子装置はパワー半導体６，７、ダイオード８，９および図示されていない電子制御装置を含む。

このパワー半導体モジュール２はさらに２つの接続端子１３および１４を有し、接続端子１４は第１のパワー半導体としてのパワー半導体７のエミッタと逆極性のダイオード９のアノードとに接続されている。第２の接続端子１３は、パワー半導体６および７の接続点と、それぞれ付設のフライホイールダイオード８および９の接続点とに接続されている。パワー半導体７が阻止状態から導通状態に移行させられると、接続端子１３および１４間の電圧は零に等しい。しかしながら、パワー半導体スイッチ７が阻止状態にあって、パワー半導体６が導通状態にあるときには、接続端子１３および１４間にコンデンサ１１の電圧が現れる。

パワー半導体６および７ならびにダイオード８および９の保護のために、接続導体１２は図２の実施例では可溶性の電線として実現されている開路設定点１５を持つ。開路設定点１５には抵抗１６が並列に接続されていて、この抵抗１６がブリッジアーム１７内に配置されている。短絡時にはコンデンサ１１の突然の放電およびそれにともなう接続導体１２および可溶性の電線を介する高められた電流が生じる。可溶性の電線を通る電流が可溶性の電線の太さおよび材料に依存した閾値を上回ったときに、可溶性の電線は溶解し、それにともなって開路設定点１５が開路する。その際に電流がブリッジアーム１７を介して流れ、この電流は抵抗１６によって制限される。この場合に、抵抗１６が、コンデンサ１１内に蓄積されたエネルギーの熱エネルギーへの消散的な変換を惹き起こす。

図３は、図２によるパワー半導体モジュール２の代替構成を示す。図２に示されたマルクワルト回路の変形と違って、図３においては、第１の接続端子１４がターンオフ制御可能なパワー半導体７のコレクタとこれに対して逆極性のフライホイールダイオード９のカソードとに接続されている。第２の接続端子１３は、パワー半導体６，７の接続点とフライホイールダイオード８，９の接続点とに接続されている。マルクワルト回路の図示された２つの実施例は互いに等価であり、したがって同じ特性を有する。

図４は、本発明によるパワー半導体モジュール１の他の実施例を示す。パワー半導体はごく概略的にパワー半導体回路１８として示されている。しかし、図２に示された実施例と違って、平行に走る２つの接続導体１９および２０を有し、これらの接続導体には、電流が矢印によって示されているように互いに逆方向に流れる。電気力学的相互作用に基づいて反発力が発生する。しかしながら、この反発力は正常動作時には開路設定点１５の開路を生じさせない。故障時に初めて電流が上昇し、開路設定点１５の開路が結果として生じるほどに反発力が上昇する。この場合に、接続導体１９はできるだけ肉厚に、例えば塊状の銅導体として構成され、開路設定点１５は比較的小さい機械的強度を有する導体である。

図５は図４に概略的に示された実施例の拡大図である。ここでは図４の上に示された接続導体１９がほとんど直線状に延びる導電部を有する肉厚の銅導体として構成されている。接続導体１９の導電部に対して空間的に近くに、これに平行に同様に直線状に延びる金属薄膜２１が開路設定点として延びている。金属薄膜２１に対する並列回路において抵抗１６が金属線の形で設けられている。金属薄膜２１および接続導体１９を流れる電流は逆方向に導かれる。したがって、短絡時には高い反発力が発生する。金属薄膜２１が破断し、抵抗１６を介して電流が流れるという結果になる。

本発明による電力変換器弁アームの実施例を示す接続図 本発明によるパワー半導体モジュールの実施例を示す等価回路図 本発明によるパワー半導体モジュールの他の実施例を示す等価回路図 図２または図３による回路を有し得る本発明によるパワー半導体モジュールの実施例を示す接続図 図４によるパワー半導体モジュールの部分詳細図

１ 本発明による電力変換器弁アーム
２ パワー半導体モジュール
３ 直流電圧端子
４ 直流電圧端子
５ 交流電圧端子
６ ターンオフ制御可能なパワー半導体
７ ターンオフ制御可能なパワー半導体
８ フライホイールダイオード
９ フライホイールダイオード
１０ パワー半導体アーム
１１ コンデンサ
１２ 接続導体
１３ 接続端子
１４ 接続端子
１５ 開路設定点
１６ 抵抗
１７ ブリッジアーム
１８ パワー半導体回路
１９ 接続導体
２０ 接続導体
２１ 金属薄膜

Claims (13)

1. 接続導体（１９，２０）を介してエネルギー蓄積器（１１）に接続されているパワー半導体回路（１８）を備えた配電および送電用のパワー半導体モジュール（２）において、この接続導体（１９，２０）が、閾値を上回る電流負荷時に開路する開路設定点（１５）を有し、接続導体（１９，２０）がさらに開路設定点に並列接続された抵抗（１６）を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 開路設定点（１５，２１）が、閾値を上回る損失エネルギー発生時に開路設定点（１５，２１）において溶解する導電体を含むことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
3. 接続導体（１９，２０）が、反発力を発生するように電流が逆方向に流れる２つの互いに平行に走る導電部を有し、閾値を上回る電流が流れる時に前記導電部において反発力が開路設定点（１５）の開路を生じさせることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
4. 開路設定点（１５）が導電性の薄膜を含むことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のパワー半導体モジュール。
5. 開路設定点が導電線を含むことを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のパワー半導体モジュール。
6. パワー半導体回路（１８）がターンオフ制御可能なパワー半導体（６，７）を有することを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のパワー半導体モジュール。
7. パワー半導体回路がワイヤボンディング接続されたパワー半導体を有することを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のパワー半導体モジュール。
8. 第１の接続端子（１４）と、第２の接続端子（１３）と、エネルギー蓄積器（１１）と、エネルギー蓄積器（１１）に並列接続され２つの直列接続されたパワー半導体（６，７）を有するパワー半導体アーム（１０）とを備えたパワー半導体モジュール（２）であって、各パワー半導体（６，７）にフライホイールダイオード（８，９）が逆並列接続されていて、パワー半導体アーム（１０）の第１のパワー半導体（７）のエミッタと第１のパワー半導体（７）に付設された逆極性のフライホイールダイオード（９）のアノードとの接続点が第１の接続端子（１４）を構成し、パワー半導体アーム（１０）の２つのパワー半導体（６，７）と２つのフライホイールダイオード（８，９）との接続点が第２の接続端子（１３）を構成することを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のパワー半導体モジュール。
9. 第１の接続端子（１４）と、第２の接続端子（１３）と、エネルギー蓄積器（１１）と、エネルギー蓄積器（１１）に並列接続され２つの直列接続されたパワー半導体（６，７）を有するパワー半導体アーム（１０）とを備えたパワー半導体モジュール（２）であって、各パワー半導体（６，７）にフライホイールダイオード（８，９）が逆並列接続されていて、パワー半導体アーム（１０）の第１のパワー半導体（７）のコレクタと第１のパワー半導体（７）に付設された逆極性のフライホイールダイオード（９）のカソードとの接続点が第１の接続端子（１４）を構成し、パワー半導体アーム（１０）の２つのパワー半導体（６，７）と２つのフライホイールダイオード（８，９）との接続点が第２の接続端子（１３）を構成することを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のパワー半導体モジュール。
10. 抵抗（１６）が３０ｍΩよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載のパワー半導体モジュール。
11. 接続導体（１９，２０）が開路設定点（１５）に対して並列に接続されたコンデンサを有することを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載のパワー半導体モジュール。
12. 請求項１乃至１１の１つに記載のパワー半導体モジュールからなる直列回路を特徴とする電力変換器弁アーム（１）。
13. ブリッジ回路に配置された請求項１２記載の電力変換器弁アーム（１）を備えた電力変換器。

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