用于柵控制功率半導(dǎo)體裝置的電路布置和方法
【專利摘要】本發(fā)明題為用于柵控制功率半導(dǎo)體裝置的電路布置和方法。創(chuàng)建開(kāi)關(guān)模塊，其為殼體提供：第一和第二連接和至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)連接；若干開(kāi)關(guān)元件，其設(shè)置在殼體內(nèi)部，相互并聯(lián)連接并且通過(guò)其控制電極是可控的；以及故障保護(hù)裝置，其有效地插入至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)連接與開(kāi)關(guān)元件之間。故障保護(hù)裝置提供無(wú)源電氣組件，其按照如下方式來(lái)確定尺寸：使得在一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件的故障情況下，所有其他無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件的控制電極處的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)連接的預(yù)定義控制創(chuàng)建控制信號(hào)，其足以導(dǎo)電地激活這些無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件或者導(dǎo)電地保持它們。還創(chuàng)建具有指配給至少這種類型的開(kāi)關(guān)模塊和至少一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的驅(qū)動(dòng)單元的功率電子模塊。
【專利說(shuō)明】
用于柵控制功率半導(dǎo)體裝置的電路布置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及具有短路保護(hù)的開(kāi)關(guān)模塊以及具有這個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的功率電子模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]例如，具有功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)模塊適用于將直流轉(zhuǎn)換為交流以及將交流轉(zhuǎn)換為直流并且用于許多其他應(yīng)用的轉(zhuǎn)換器。開(kāi)關(guān)模塊表示可控部件，其狀態(tài)能夠通過(guò)導(dǎo)通狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)之間的控制信號(hào)來(lái)改變。對(duì)于高性能應(yīng)用、例如高壓直流(HVDC)應(yīng)用，在許多多電平轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲?，若干開(kāi)關(guān)模塊常常相互串聯(lián)連接，以便允許高壓應(yīng)用并且能夠盡可能創(chuàng)建正弦形狀電壓。冗余度要求(在一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的故障情況下必須根據(jù)其來(lái)確保裝置的功能)能夠要求應(yīng)用串聯(lián)連接的兩個(gè)或更多開(kāi)關(guān)模塊。
[0003]重要的是，有故障開(kāi)關(guān)模塊不影響作為整體、例如轉(zhuǎn)換器的無(wú)故障開(kāi)關(guān)模塊和功率電子模塊或裝置的功能。在在這點(diǎn)上，期望在開(kāi)關(guān)模塊的系列中，有故障開(kāi)關(guān)模塊能夠設(shè)置在短路差錯(cuò)模式，其中它連續(xù)導(dǎo)通，使得與其他具有功能性的開(kāi)關(guān)模塊的操作能夠持續(xù)。例如，在許多電路拓?fù)渲?，如果差錯(cuò)模式的開(kāi)關(guān)模塊轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)的差錯(cuò)模式以使得H橋的交變電壓連接均能夠連續(xù)導(dǎo)電地相互連接，則H橋、半橋等是有用的。
[0004]開(kāi)關(guān)模塊又能夠包括多個(gè)功率半導(dǎo)體，例如IGBT、M0SFET等，其相互并聯(lián)連接并且聯(lián)合切換。由此電流負(fù)載能夠分布到若干電路，這實(shí)現(xiàn)采用高電流和輸出的操作。提供驅(qū)動(dòng)單元，以便基于來(lái)自高級(jí)控制的控制信號(hào)為開(kāi)關(guān)模塊的功率半導(dǎo)體電路饋送適當(dāng)?shù)墓部刂菩盘?hào)。功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)能夠容納在公共殼體、例如壓力接觸殼體(所謂的壓裝殼體)中。在殼體中，其他組件、例如對(duì)稱電阻處于控制電路中，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性，并且在外部控制的情況下實(shí)現(xiàn)所有功率半導(dǎo)體的最大可能的同時(shí)相等切換。驅(qū)動(dòng)單元主要設(shè)置在開(kāi)關(guān)模塊殼體外部，并且連接到引出開(kāi)關(guān)模塊的柵極。
[0005]如果并聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體芯片其中之一、例如IGBT開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)模塊中其集電極與發(fā)射極之間遭受短路并且因此變成有故障和被破壞，則這一般導(dǎo)致開(kāi)關(guān)元件的柵電極和控制電極與其發(fā)射電極之間的短路。因并聯(lián)切換引起的有故障開(kāi)關(guān)的柵極-發(fā)射極短路還將其他具有功能性的元件的柵電極短接到發(fā)射電極，并且防止這個(gè)柵電極保持充分電壓以便保持在導(dǎo)電狀態(tài)或者轉(zhuǎn)移到這種狀態(tài)。由此，具有功能性的開(kāi)關(guān)元件的控制通過(guò)柵控制電極是不可能的。
[0006]在功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的故障下(以下應(yīng)當(dāng)被理解為差錯(cuò))，其引起控制或柵電極到另一個(gè)電極、特別是功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的發(fā)射電極的短路。
[0007]有故障開(kāi)關(guān)元件必須再次傳導(dǎo)整個(gè)負(fù)載電流并且對(duì)它進(jìn)行管理。具有開(kāi)關(guān)模塊的標(biāo)稱電流或者最終的過(guò)電流及關(guān)聯(lián)過(guò)熱的有故障開(kāi)關(guān)元件的電流負(fù)載能夠?qū)е麻_(kāi)關(guān)模塊的破壞，并且還損壞驅(qū)動(dòng)單元和其他系統(tǒng)組件。另外，故障電弧能夠出現(xiàn)，其能夠?qū)е缕渌M件的斷電、組件的爆炸或火災(zāi)。應(yīng)當(dāng)防止這種情況。此外，應(yīng)當(dāng)通過(guò)有故障開(kāi)關(guān)模塊來(lái)安裝慢低歐姆電流通路，以便進(jìn)一步確保功率半導(dǎo)體模塊的功能能力。
[0008]為了避免通過(guò)爆炸對(duì)裝置的機(jī)械破壞，防止爆炸或防爆金屬殼體的裝置用于半導(dǎo)體周圍，這是費(fèi)時(shí)和昂貴的。復(fù)合超快爆炸驅(qū)動(dòng)機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)也用于轉(zhuǎn)換器單元。更進(jìn)一步研制功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，其在IGBT故障的情況下提供穩(wěn)定短路差錯(cuò)模式(SCFM、短路故障模式)。實(shí)現(xiàn)SCFM能力，其中金屬板放置在功率模塊的IGBT芯片之上(參見(jiàn)例如EP 0989611BI)。導(dǎo)致中斷以及隨后熔融金屬板和硅芯片的差錯(cuò)則形成導(dǎo)電金屬硅合金，其實(shí)現(xiàn)通過(guò)模塊的低歐姆電流通路。由于在被損壞IGBT芯片的電阻增加時(shí)的材料氧化，另一個(gè)電并聯(lián)連接芯片則將損壞，它熔融并且形成下一個(gè)低歐姆合金。這些類型的SCFM轉(zhuǎn)變持續(xù)到全部芯片用盡。盡管高復(fù)雜度，但是也無(wú)法確保穩(wěn)定短路差錯(cuò)模式。
[0009]W02006/1004430 Al描述電流轉(zhuǎn)換器閥及其控制過(guò)程，其使用若干并聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件，由此將各半導(dǎo)體元件指配給獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元。半導(dǎo)體元件其中之一的差錯(cuò)通過(guò)電流測(cè)量來(lái)記錄，而另一個(gè)無(wú)差錯(cuò)半導(dǎo)體元件具體通過(guò)其關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)一步供電，以便創(chuàng)建轉(zhuǎn)換器閥的導(dǎo)電狀態(tài)。短路保護(hù)以高切換和控制代價(jià)來(lái)獲得。
[0010]W02013/139373 Al建議一種開(kāi)關(guān)模塊，其具有:第一連接;第二連接;柵極;若干開(kāi)關(guān)元件，其相互并聯(lián)連接在第一連接、第二連接和柵極之間；熔斷器，其設(shè)置在若干開(kāi)關(guān)元件的每個(gè)單獨(dú)電極與柵極之間；以及旁路開(kāi)關(guān)，其設(shè)置在柵極與第二連接之間。如果在開(kāi)關(guān)元件中識(shí)別短路差錯(cuò)，則旁路開(kāi)關(guān)被觸發(fā)并且閉合，以便分出流經(jīng)短路開(kāi)關(guān)元件的負(fù)載電流的一部分，以及通過(guò)關(guān)聯(lián)熔斷器來(lái)傳導(dǎo)旁路電阻，并且使開(kāi)關(guān)旁路到開(kāi)關(guān)元件的第二連接以便熔融熔斷器。當(dāng)熔斷器熔融時(shí)，到有故障開(kāi)關(guān)元件的控制線立即被中斷，使得開(kāi)關(guān)的其余部分保持起作用。但是，這種解決方案要求開(kāi)關(guān)模塊中的附加有源開(kāi)關(guān)以及用于在故障情況下控制這個(gè)附加有源開(kāi)關(guān)的有源邏輯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]基于此，本發(fā)明的目的是創(chuàng)建一種具有若干并聯(lián)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)模塊，其能夠在開(kāi)關(guān)模塊或者單獨(dú)功率半導(dǎo)體元件中的故障之后實(shí)現(xiàn)其余無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件的全部或部分的有限可控性，以便實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)模塊的連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，以使得降低爆炸的危險(xiǎn)，并且創(chuàng)建通過(guò)有故障開(kāi)關(guān)模塊的穩(wěn)定低歐姆電流通路。這主要涉及簡(jiǎn)單部件并且具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，其中對(duì)制造和操作具有較小開(kāi)銷和較低成本。
[0012]本發(fā)明的另一目的是創(chuàng)建一種具有一種類型的開(kāi)關(guān)模塊的功率半導(dǎo)體模塊，其特別適合于高性能應(yīng)用。
[0013]這個(gè)目的通過(guò)具有如獨(dú)立權(quán)利要求1的特征的開(kāi)關(guān)模塊以及如權(quán)利要求15所述的功率半導(dǎo)體模塊來(lái)解決。
[0014]按照本發(fā)明的一個(gè)方面，創(chuàng)建一種開(kāi)關(guān)模塊，其提供:第一連接;第二連接和至少一個(gè)柵極;若干開(kāi)關(guān)元件，其相互并聯(lián)連接；以及故障保護(hù)裝置。若干開(kāi)關(guān)元件分別通過(guò)第一電極連接到第一連接、通過(guò)第二電極連接到第二連接以及通過(guò)控制電極連接到至少一個(gè)柵極。故障保護(hù)裝置有源地插入至少一個(gè)柵極與開(kāi)關(guān)元件之間。故障保護(hù)裝置提供無(wú)源電氣組件，其按照如下方式來(lái)測(cè)量:使得在若干開(kāi)關(guān)元件的至少一個(gè)的故障情況下，完全無(wú)源地對(duì)全部其他無(wú)故障開(kāi)關(guān)的控制電極的至少一個(gè)柵極的預(yù)定義控制創(chuàng)建控制信號(hào)，其足以導(dǎo)電地激活或停止這些元件。
[0015]本發(fā)明基于如下思路:在開(kāi)關(guān)模塊中的開(kāi)關(guān)元件的故障情況下，最初并非并聯(lián)連接的全部開(kāi)關(guān)元件受到影響，而是只有單個(gè)或幾個(gè)開(kāi)關(guān)元件受到影響。按照本發(fā)明的故障保護(hù)裝置自動(dòng)啟用以借助于無(wú)源組件按照完全無(wú)源的方式來(lái)控制未被故障影響的開(kāi)關(guān)元件，以便在它們因有故障元件中的短路故障通過(guò)過(guò)電流、熱積聚、故障電弧等被損壞或破壞之前激活它們或者使它們保持為被激活。這按照完全無(wú)源的方式自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需附加有源邏輯、有源控制或有源開(kāi)關(guān)，無(wú)需附加有源連接或者電流通路的完全改變或者其他附加措施。為此，具有適當(dāng)測(cè)量的無(wú)源電氣和電子組件的適當(dāng)設(shè)計(jì)的切換布置是充分的。具有功能性的開(kāi)關(guān)元件保持為可控并且處于導(dǎo)電狀態(tài)，使得穩(wěn)定低歐姆電流通路通過(guò)模塊來(lái)創(chuàng)建，并且避免或者至少降低爆炸的危險(xiǎn)以及對(duì)部件的損壞。
[0016]開(kāi)關(guān)元件優(yōu)選地從特別是屬于IGBT、BIGT、MOSFET和JFET的電壓控制組件的編組中選取。IGBT因其無(wú)線可控性、高阻塞電壓、針對(duì)短路的健壯性及其串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的適用性而是優(yōu)選地。
[0017]開(kāi)關(guān)模塊能夠提供公共殼體，其中容納所有開(kāi)關(guān)元件，由此第一和第二連接以及至少一個(gè)柵極從殼體中引出。殼體能夠具體是壓力接觸殼體(所謂的壓裝殼體)，其中將功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)芯片壓制、密封在壓力接觸板之間。在具有集電極-發(fā)射極的IGBT芯片的故障情況下，并且因芯片的柵極-發(fā)射極短路，集電極-發(fā)射極短路通過(guò)對(duì)中期間、即至少在數(shù)小時(shí)或數(shù)天的范圍中的芯片的壓力接觸來(lái)保護(hù)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)來(lái)看，它能夠引起短路的消耗。在這里，故障保護(hù)裝置能夠?qū)?shù)月或數(shù)年保護(hù)短路。殼體還能夠是其中接合芯片的模塊的模塊殼體。在差錯(cuò)的情況下，有故障芯片的接合導(dǎo)線這時(shí)常常沒(méi)有連續(xù)攜帶集中電流，并且能夠剝離芯片，這能夠?qū)е卤ā＿@個(gè)過(guò)程能夠在部件破壞之后的數(shù)秒鐘內(nèi)運(yùn)行。具有其無(wú)源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)裝置在這里能夠沒(méi)有任何延遲地起作用，以便導(dǎo)電地切換或者保持其他無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)電。
[0018]在優(yōu)選實(shí)施例中，故障保護(hù)裝置提供具有無(wú)源組件的開(kāi)關(guān)布置，其實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)保護(hù)功能性，由此開(kāi)關(guān)布置設(shè)置在至少一個(gè)柵極與開(kāi)關(guān)元件的控制電極之間。備選地，開(kāi)關(guān)布置的至少一些部件設(shè)置在開(kāi)關(guān)元件的第二連接、例如IGBT開(kāi)關(guān)的發(fā)射極連接、關(guān)聯(lián)第二電極、例如發(fā)射電極之間。
[0019]故障保護(hù)裝置和開(kāi)關(guān)布置能夠提供電阻矩陣，其中第一電阻與各控制電極連接。能夠提供這些第一電阻，以用于在通過(guò)公共驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行控制的同時(shí)確保開(kāi)關(guān)元件的同時(shí)相等切換。通過(guò)適當(dāng)尺寸，電阻矩陣的這些電阻還滿足故障保護(hù)功能性。
[0020]特別是電阻矩陣能夠按照如下方式來(lái)設(shè)計(jì):使得對(duì)于給定控制電壓(其由驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)外部驅(qū)動(dòng)電阻施加到至少一個(gè)柵極)，無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件的控制電極處的所產(chǎn)生電壓大于開(kāi)關(guān)元件的閾值切換電壓，以便將其切換為安全導(dǎo)電并且使其保持為這樣。
[0021]在一實(shí)施例中，電阻矩陣的第一電阻分別直接連接在相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件的控制電極與至少一個(gè)柵極之間，由此它能夠設(shè)置在半導(dǎo)體芯片上或者其公共殼體外部或內(nèi)部。第一電阻、例如Rll、Rl2、…、Rlm優(yōu)選地提供相同的電阻Rint = Rll = Rl2 =…=Rim。在有故障開(kāi)關(guān)元件和/或芯片的假設(shè)下，在滿足下列條件時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)短路功能性:
Rint〉Rtot / (Vg-οπ / VGE-th _ (ill-1) / Π1)，
由此Rtcit是整個(gè)等效驅(qū)動(dòng)電阻，例如在IGBT開(kāi)關(guān)的情況下的柵極電阻，對(duì)于處于正常操作的開(kāi)關(guān)模塊為:
Rtot — Rg + Rint / rn，
由此Re是控制單元的驅(qū)動(dòng)電阻，V(M)n是驅(qū)動(dòng)單元的控制電壓VCE-th是開(kāi)關(guān)元件和半導(dǎo)體芯片的閾值電壓，以及m是殼體中的開(kāi)關(guān)模塊的開(kāi)關(guān)元件和芯片的總數(shù)。
[0022]在另一個(gè)實(shí)施例中，電阻矩陣提供另外兩個(gè)電阻，其分別連接在第一電阻與至少一個(gè)柵極、例如柵極連接之間，由此另一個(gè)電阻能夠與第一電阻或者與若干第一電阻串聯(lián)連接，以便形成開(kāi)關(guān)元件的組。第一電阻能夠設(shè)置在芯片的公共襯底上，而其他電阻能夠設(shè)置在芯片外部但是在公共殼體之內(nèi)。
[0023]上述類型的開(kāi)關(guān)模塊能夠具體按照如下方式來(lái)安裝:使得在第j開(kāi)關(guān)元件的故障情況下，對(duì)其指配電阻矩陣的第一電阻Ru和與此串聯(lián)連接的電阻R21，對(duì)于其，滿足下列條件以使控制電壓最低限度施加到開(kāi)關(guān)模塊的一個(gè)柵極以用于無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件的傳導(dǎo)性:
Vc-on > VcE-thX (Re + R2i + Rlj)/ (R2i + Rlj)
由此VGE-th是開(kāi)關(guān)元件和/或芯片的閾值電壓，以及Rg是外部驅(qū)動(dòng)單元的外部驅(qū)動(dòng)電阻。
[0024]在一實(shí)施例中，以上對(duì)電阻矩陣的類型所述的優(yōu)選類型的開(kāi)關(guān)模塊提供從單獨(dú)開(kāi)關(guān)元件或者開(kāi)關(guān)元件的組的公共殼體引出的多個(gè)柵極，由此數(shù)量為最小數(shù)二。提供柵極，以便與驅(qū)動(dòng)單元連接，其提供與引出的柵極的數(shù)量一致的對(duì)應(yīng)數(shù)量的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸出和驅(qū)動(dòng)電阻，與電阻矩陣相比，其電阻比較高。通過(guò)適當(dāng)確定尺寸，能夠確保所有外出柵極的驅(qū)動(dòng)單元能夠同時(shí)地并且沒(méi)有差別地控制，以便為所有非缺陷芯片和編組提供充分啟動(dòng)信號(hào)，以使得切換或?qū)щ姷乇３诌@種狀態(tài)。
[0025]在另一個(gè)實(shí)施例中，指配各開(kāi)關(guān)元件和/或各組開(kāi)關(guān)元件、熔斷器、例如安全熔斷器或者可復(fù)位熔斷器(其能夠基于SMD來(lái)運(yùn)行)，其插入至少一個(gè)柵極與一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件的控制電極之間，并且根據(jù)電阻矩陣和待施加控制電壓來(lái)測(cè)量，以便在差錯(cuò)的情況下觸發(fā)有故障開(kāi)關(guān)元件的短路控制電極與關(guān)聯(lián)柵極的分隔，同時(shí)無(wú)差錯(cuò)熔斷器不受影響。
[0026]在另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)各開(kāi)關(guān)元件和各組開(kāi)關(guān)元件，PTC電阻元件(或PTC電阻器)被插入至少一個(gè)控制連接與一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件的控制電極之間的控制線中，并且根據(jù)電阻矩陣和待施加控制電壓來(lái)測(cè)量，以便在故障情況下加熱關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)元件，以便增加其電阻。因此，較高電阻在驅(qū)動(dòng)單元與短路控制電極之間建立，其阻塞到短路控制電極的電流，并且由此實(shí)現(xiàn)通過(guò)其控制電極對(duì)未影響開(kāi)關(guān)元件的控制。PTC電阻和/或熔斷器能夠優(yōu)選地集成在相應(yīng)芯片上或者芯片外部但是在公共殼體之內(nèi)。
[0027]在另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)各開(kāi)關(guān)元件和各組開(kāi)關(guān)元件指配串聯(lián)電容器，其串聯(lián)插入到至少一個(gè)柵極與一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件的控制電極之間的控制線中的電阻矩陣的一個(gè)或多個(gè)關(guān)聯(lián)電阻，并且并聯(lián)連接到高歐姆電阻。能夠應(yīng)用串聯(lián)電容器，以在開(kāi)關(guān)元件的基于短路的斷電的情況下阻塞到控制電極的直流，以便停用這個(gè)元件并且激活其他無(wú)差錯(cuò)開(kāi)關(guān)元件。串聯(lián)電容器的電容按照如下方式來(lái)測(cè)量:使得在正常操作中，在開(kāi)關(guān)元件之間沒(méi)有實(shí)行控制電壓的不許可偏移。
[0028]按照本發(fā)明的另一方面，如上所述具有至少一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的功率半導(dǎo)體模塊采用指配給開(kāi)關(guān)模塊的驅(qū)動(dòng)單元來(lái)創(chuàng)建。驅(qū)動(dòng)單元提供:能量源;至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出，其與開(kāi)關(guān)模塊的至少一個(gè)柵極連接;驅(qū)動(dòng)電阻；以及可控開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)能夠控制進(jìn)行閉合，以便通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻、驅(qū)動(dòng)輸出、開(kāi)關(guān)模塊的至少一個(gè)柵極將驅(qū)動(dòng)單元的能量源的電壓和/或電流施加到開(kāi)關(guān)元件的關(guān)聯(lián)控制電極。功率半導(dǎo)體模塊適合于多級(jí)轉(zhuǎn)換器的研制，并且有利地提供按照本發(fā)明的短路保護(hù)功能性。針對(duì)功率半導(dǎo)體模塊的開(kāi)關(guān)模塊的進(jìn)步及關(guān)聯(lián)優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)開(kāi)關(guān)模塊的概述中參照上述描述。
[0029]能夠安裝上述優(yōu)選類型的功率半導(dǎo)體模塊的驅(qū)動(dòng)單元，以便識(shí)別開(kāi)關(guān)元件的至少一個(gè)中的故障，并且作為反應(yīng)，將啟動(dòng)信號(hào)連續(xù)施加到至少一個(gè)柵極或者實(shí)現(xiàn)將啟動(dòng)信號(hào)連續(xù)施加到至少一個(gè)柵極。開(kāi)關(guān)元件中的故障能夠例如通過(guò)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)元件的電流和電壓或者作為整體的開(kāi)關(guān)模塊的電流和電壓來(lái)監(jiān)測(cè)。
[0030]在一實(shí)施例中，為了與提供若干柵極的開(kāi)關(guān)模塊一起動(dòng)作，安裝驅(qū)動(dòng)單元。為此，驅(qū)動(dòng)單元提供具有關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)電阻的若干并聯(lián)連接驅(qū)動(dòng)輸出，其與關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)模塊的單獨(dú)柵極連接。還安裝驅(qū)動(dòng)單元，以便通過(guò)所有驅(qū)動(dòng)輸出同時(shí)向關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)模塊的所有柵極施加相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而與開(kāi)關(guān)元件的哪一個(gè)有故障。能夠避免識(shí)別故障點(diǎn)和/或隔離并且具體僅激活具有功能性的開(kāi)關(guān)元件和/或芯片所需的有源邏輯、有源開(kāi)關(guān)等。通過(guò)上述保護(hù)技術(shù)，故障保護(hù)功能的開(kāi)銷比較小。保護(hù)技術(shù)也能夠相互組合應(yīng)用。
[0031]技術(shù)方案1:一種開(kāi)關(guān)模塊，包括:
第一端子(18)、第二端子(19)和至少一個(gè)控制端子(21);
多個(gè)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)，相互并聯(lián)地通過(guò)第一電極(22)連接到所述第一端子(18)、通過(guò)第二電極(23)連接到所述第二端子(19)并且通過(guò)控制電極(24)連接到所述至少一個(gè)控制端子(21);以及
故障保護(hù)裝置(26)，操作上插入所述至少一個(gè)控制端子(21)與所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)之間，其中所述故障保護(hù)裝置(26)包括無(wú)源電氣組件(34;41;42;43)，所述無(wú)源電氣組件確定大小成使得在所述多個(gè)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的至少一個(gè)的故障情況下，在所述至少一個(gè)控制端子(21)處的預(yù)定驅(qū)動(dòng)控制在所有其他無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件的所述控制電極(24)處以完全無(wú)源的方式生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)足以開(kāi)關(guān)所述無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件或者將它們保持在導(dǎo)電狀態(tài)。
[0032]技術(shù)方案2:如技術(shù)方案I所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)元件(17a_m)由功率半導(dǎo)體管芯來(lái)形成，并且優(yōu)選地從由包括IGBT、BIGT、MOSFET和JFET的電壓控制組件所組成的編組中選取。
[0033]技術(shù)方案3:如技術(shù)方案I或2所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，還包括容納所有開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的公共殼體(25)，其中所述第一和所述第二端子(18，19)和所述至少一個(gè)控制端子(21)被引出所述殼體(25)。
[0034]技術(shù)方案4:如以上技術(shù)方案中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述故障保護(hù)裝置(26)包括設(shè)置在所述至少一個(gè)控制端子(21)與所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述控制電極(24)之間的電路布置(33)。
[0035]技術(shù)方案5:如以上技術(shù)方案中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述故障保護(hù)裝置(26)包括具有連接到各控制電極(24)的電阻器(36a-m)的電阻器矩陣(34)。
[0036]技術(shù)方案6:如技術(shù)方案5所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述電阻器矩陣(34)設(shè)計(jì)成使得對(duì)于由驅(qū)動(dòng)單元(14)施加到所述至少一個(gè)控制端子(21)的所定義驅(qū)動(dòng)電壓，在所述無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述控制電極(24)處的所產(chǎn)生電壓大于所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的接通閾值電壓。
[0037]技術(shù)方案7:如技術(shù)方案6所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述第一電阻器(36a_m)各連接在相應(yīng)一個(gè)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的控制電極(24)與所述至少一個(gè)控制端子(21)之間，并且具有基本上相同的電阻Rint = Rll = Rl2 =…=Rlm以及滿足下列條件:Rint〉k X Rtot/ ( V G-on/V GE-th _ (ffl-k)/ni) j
其中，Rtcit是正常操作中的所述開(kāi)關(guān)模塊(11)的總有效驅(qū)動(dòng)電阻，其為:
Rtot — Rg + Rint/rn，
其中，Re是驅(qū)動(dòng)單元(14)的驅(qū)動(dòng)電阻，￥(；-。11是所述驅(qū)動(dòng)單元(14)的所述驅(qū)動(dòng)電壓，VCE-th是所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述接通閾值電壓，k是分別具有柵極-發(fā)射極短路的所述有故障開(kāi)關(guān)元件和功率半導(dǎo)體管芯的數(shù)量，以及m是所述開(kāi)關(guān)模塊(11)中的所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的總數(shù)。
[0038]技術(shù)方案8:如技術(shù)方案5-6中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述電阻器矩陣(34)還包括各連接在所述第一電阻器(36a-m)與所述至少一個(gè)控制端子(21)之間的附加電阻器(38a_n)，其中所述附加電阻器(38a_n)的每一個(gè)與一個(gè)或多個(gè)第一電阻器(36a-m)串聯(lián)連接，以形成開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的組。
[0039]技術(shù)方案9:如技術(shù)方案8所述的開(kāi)關(guān)模塊，配置成使得在被指配具有電阻Rlj的所述第一電阻器(36j)和與其串聯(lián)連接并且具有電阻R21的所述附加電阻器(38i)的開(kāi)關(guān)元件(17j)的故障情況下，下式應(yīng)用于要施加到所述至少一個(gè)控制端子(21)用于將所述無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件(17a-m)切換為導(dǎo)電狀態(tài)的所述驅(qū)動(dòng)電壓Vc-Cin:
Vc-on> VcE-thX (Re + R2i + Rlj) / (R2i + Rlj),
其中，VCE-th是所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的接通閾值電壓，以及Rc是驅(qū)動(dòng)單元(14)的驅(qū)動(dòng)電阻。
[0040]技術(shù)方案10:如技術(shù)方案5-9中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，包括一定數(shù)量的控制端子(21a-n)，其被引出相應(yīng)單獨(dú)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)或者相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的組的公共殼體(25)，其中所述數(shù)量至少為二，并且其中提供所述控制端子(21-n)以連接到驅(qū)動(dòng)單元(14)，所述驅(qū)動(dòng)單元包括與所述引出控制端子(21 a-n)的所述數(shù)量對(duì)應(yīng)的一定數(shù)量的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸出(29a-n)和驅(qū)動(dòng)電阻器(31a-n)。
[0041 ]技術(shù)方案11:如技術(shù)方案5-10中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，各開(kāi)關(guān)元件(17&-111)和各組開(kāi)關(guān)元件(17&-111)分別被指配熔斷器(39&-111，39’&-11)，所述熔斷器插入所述至少一個(gè)控制端子(21)與所述一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述控制電極(24)之間，并且確定大小成在故障情況下跳閘以將出故障開(kāi)關(guān)元件(17a-m)和開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的組的所述控制電極(24)分別與所述控制端子(21)斷開(kāi)。
[0042]技術(shù)方案12:如技術(shù)方案5-11中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，各開(kāi)關(guān)元件(17&-111)和各組開(kāi)關(guān)元件(173-111)分別被指配?1'(:電阻器元件(413-111，41、-11)，所述?1'(:電阻器元件插入所述至少一個(gè)控制端子(21)與所述一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述控制電極(24)之間的所述驅(qū)動(dòng)控制線中，并且確定大小成在對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)和/或開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的組的故障情況下加熱以充分增加其電阻。
[0043]技術(shù)方案13:如技術(shù)方案5-12中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，各開(kāi)關(guān)元件(17a-m)和/或各組開(kāi)關(guān)元件(17a-m)被指配串聯(lián)電容器(42a-m)，所述電容器與所述電阻器矩陣(34)的一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)電阻器(36a-m;38a-n)串聯(lián)插入所述至少一個(gè)控制端子(21)與所述一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述控制電極(24)之間的所述驅(qū)動(dòng)控制線中，并且并聯(lián)連接到高阻抗旁路電阻器(43a-m)。
[0044]技術(shù)方案14:如技術(shù)方案13所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述串聯(lián)電容器(42a-m)的電容確定大小成使得不引起正常操作中的所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)之中的所述驅(qū)動(dòng)電壓的任何不許可變化，但是在故障情況下阻塞流入所述出故障開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述控制電極(24)中的直流。
[0045]技術(shù)方案15:—種功率半導(dǎo)體模塊，具有如以上技術(shù)方案中的任一項(xiàng)所述的至少一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊(11)并且包括指配給所述至少一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊(11)的驅(qū)動(dòng)單元(14)，所述驅(qū)動(dòng)單元包括電源(28)、連接到所述開(kāi)關(guān)模塊(11)的所述至少一個(gè)控制端子(21)的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出(29)、驅(qū)動(dòng)電阻器(31)和可控開(kāi)關(guān)(32)。
[0046]技術(shù)方案16:如技術(shù)方案15所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元
(14)配置成檢測(cè)所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的至少一個(gè)的故障，并且對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)而將接通信號(hào)持久地施加或者保持施加在所述至少一個(gè)控制端子(21)。
[0047]技術(shù)方案17:如技術(shù)方案15或16所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元(14)包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出(29a-n)，各通過(guò)對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電阻器(31a-n)連接到所述開(kāi)關(guān)模塊
(11)的多個(gè)控制端子(21a-n)之一，并且配置成經(jīng)由所有驅(qū)動(dòng)輸出(29a-n)向所述開(kāi)關(guān)模塊
(11)的所有控制端子(21a-n)施加相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而不管所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的哪一個(gè)出故障。
【附圖說(shuō)明】
[0048]本發(fā)明的實(shí)施例的其他有利細(xì)節(jié)產(chǎn)生于從屬權(quán)利要求、附圖和關(guān)聯(lián)描述。借助于附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，附圖示出按照本發(fā)明的示范但決不是限制的實(shí)施例，由此相同參考標(biāo)號(hào)應(yīng)用于所有附圖中，以便表示相同元件。附圖示出:
圖1示出說(shuō)明功率電子模塊的應(yīng)用的示范轉(zhuǎn)換器的相級(jí)的簡(jiǎn)化圖示；
圖2以與圖1詳述形式相比的簡(jiǎn)化實(shí)施例示出具有開(kāi)關(guān)模塊的第一實(shí)施例、按照?qǐng)D1的功率電子模塊；
圖3以更簡(jiǎn)化圖示示出具有按照本發(fā)明的其他實(shí)施例的開(kāi)關(guān)模塊的功率電子模塊；
圖4示出以更簡(jiǎn)化圖示示出按照本發(fā)明的其他實(shí)施例的開(kāi)關(guān)模塊；
圖5以更簡(jiǎn)化圖示示出按照?qǐng)D4的開(kāi)關(guān)模塊的修改；
圖6以更簡(jiǎn)化圖示示出開(kāi)關(guān)模塊的另一個(gè)實(shí)施例；以及
圖7以更簡(jiǎn)化圖示示出具有開(kāi)關(guān)模塊的進(jìn)一步修改實(shí)施例、按照本發(fā)明的功率電子模塊的另一個(gè)實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0049]圖1示出說(shuō)明本發(fā)明的示范應(yīng)用的高壓轉(zhuǎn)換器I的相的分支的開(kāi)關(guān)布置的簡(jiǎn)化示意圖。轉(zhuǎn)換器I能夠是單相轉(zhuǎn)換器，其將輸入側(cè)直流轉(zhuǎn)換為輸出側(cè)的交流，或者是二或多相轉(zhuǎn)換器，其對(duì)應(yīng)地提供所示相的分支的兩個(gè)或更多。轉(zhuǎn)換器I為相模塊2的每相提供要與其連接的交流電網(wǎng)，由此各相模塊具有兩個(gè)直流連接3、4和交流連接6。在各直流連接3和/或4與各交流連接6之間，相模塊分支7、8延伸，其包括子模塊9(其在下文表不為功率電子模塊)的串聯(lián)連接。備選地，相模塊分支7、8或轉(zhuǎn)換器I可被看作是功率電子模塊。
[0050]每個(gè)子模塊和功率電子模塊9提供一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊11，其與可控開(kāi)關(guān)12(適當(dāng)續(xù)流二極管13能夠與其并聯(lián)連接)串聯(lián)或并聯(lián)連接。各功率電子模塊9提供一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元14，其控制關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)12，以便閉合或?qū)щ姷丶せ钏蛘邤嚅_(kāi)它或者不導(dǎo)電地激活它。驅(qū)動(dòng)單元14又由超級(jí)驅(qū)動(dòng)單元16適當(dāng)?shù)乜刂?，使得通過(guò)開(kāi)關(guān)12的適當(dāng)閉合和斷開(kāi)，直流連接
3、4之間的直流能夠按照預(yù)定義方案和/或通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)計(jì)時(shí)，以使得預(yù)期正弦形狀交變電壓在濾波之后在交流連接6處產(chǎn)生。通過(guò)每個(gè)相模塊分支若干開(kāi)關(guān)模塊11的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)較高連接輸出電壓。
[0051]顯然，這里所示的高壓轉(zhuǎn)換器I只是示例，并且能夠應(yīng)用本發(fā)明的許多其他轉(zhuǎn)換器拓?fù)浯嬖?。特別是如果功率半導(dǎo)體或者基于半導(dǎo)體的單元、例如半橋或H橋模塊作為復(fù)合開(kāi)關(guān)布置的組成部分來(lái)應(yīng)用并且例如冗余度要求需要甚至在單獨(dú)功率半導(dǎo)體或者單獨(dú)功率半導(dǎo)體單元的故障情況下也必須確保切換功能，則能夠應(yīng)用本發(fā)明。
[0052]如果來(lái)自按照?qǐng)D1的相模塊分支7或8的子模塊系列的子模塊9出故障，則這應(yīng)當(dāng)改變成導(dǎo)電短路差錯(cuò)模式，使得轉(zhuǎn)換器I的功能也能夠通過(guò)其他具有功能性的開(kāi)關(guān)模塊11來(lái)實(shí)現(xiàn)。特別是應(yīng)當(dāng)確保轉(zhuǎn)換器I的具有功能性的組件不受任何爆炸部件限制，以及連續(xù)低歐姆電流通路通過(guò)有故障開(kāi)關(guān)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些要求能夠由按照本發(fā)明的不同實(shí)施例的功率電子模塊9和開(kāi)關(guān)模塊11來(lái)滿足，因?yàn)樗鼈兝缭趫D2至圖7的更簡(jiǎn)化原理圖示中示出。
[0053]圖2示出包括開(kāi)關(guān)模塊11和驅(qū)動(dòng)單元14的功率電子模塊9的框圖。如所示，開(kāi)關(guān)模塊11提供若干并聯(lián)連接開(kāi)關(guān)元件17a、17b、…17m，其相互并聯(lián)連接在第一連接18、第二連接19和柵極21之間。開(kāi)關(guān)模塊11能夠提供相互并聯(lián)設(shè)置的優(yōu)選數(shù)量的開(kāi)關(guān)元件、最少兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件17。
[0054]各開(kāi)關(guān)元件17a-m優(yōu)選地采用半導(dǎo)體芯片來(lái)構(gòu)建，其表示IGBT、功率MOSFET或類似可控功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，其能夠通過(guò)控制來(lái)改變?yōu)閷?dǎo)通和不導(dǎo)通和/或阻塞狀態(tài)。附圖中，為了簡(jiǎn)化以下描述，IGBT開(kāi)關(guān)示為開(kāi)關(guān)元件17a-m(由此為了清楚起見(jiàn)而省略關(guān)聯(lián)續(xù)流二極管)，使得以下描述中與IGBT關(guān)聯(lián)地應(yīng)用術(shù)語(yǔ)。因此，例如表示為柵極連接的柵極和/或第一和第二連接分別表示為集電極和發(fā)射極連接。但是，顯然，實(shí)施例并不局限于IGBT的使用，而是例如M0SFET、BIGT或JFET等的其他電壓控制功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)能夠應(yīng)用來(lái)代替它們。
[0055]在具有圖2示范所示的IGBT半導(dǎo)體芯片的實(shí)施例中，各開(kāi)關(guān)元件17a_m提供:第一或集電極22(C)，其與公共集電極連接18連接;第二和/或發(fā)射電極23(E)，其與公共發(fā)射極連接19連接;以及控制和/或柵電極24(G)，其與柵極和柵極連接21連接。
[0056]如已經(jīng)說(shuō)明，開(kāi)關(guān)元件17a_m優(yōu)選地通過(guò)并聯(lián)連接的半導(dǎo)體芯片來(lái)形成，并且容納在公共殼體25中、例如壓力接觸殼體(所謂的壓裝殼體)中，或者它們按照模塊化構(gòu)造來(lái)制造并且提供有公共殼體25。從殼體25，向外引出連接18、19和21。在本例中，引入另一個(gè)連接、輔助發(fā)射極連接27(E(Aux))，其隨發(fā)射極連接19連接在殼體25內(nèi)部，并且用于將具有驅(qū)動(dòng)單元14的控制電網(wǎng)與負(fù)載電流分離。
[0057]在殼體25內(nèi)部，設(shè)置故障保護(hù)裝置26，其被安裝以便在開(kāi)關(guān)元件和/或半導(dǎo)體芯片17a-m中的故障的情況下確保開(kāi)關(guān)模塊11的可控連續(xù)導(dǎo)電狀態(tài)。下面更詳細(xì)說(shuō)明故障保護(hù)裝置26。
[0058]功率電子模塊9包括驅(qū)動(dòng)單元14，其在這里以簡(jiǎn)化方式示為具有能量源28、至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出29、驅(qū)動(dòng)電阻31和可控開(kāi)關(guān)32。驅(qū)動(dòng)輸出29與柵極連接21和輔助發(fā)射極連接27和發(fā)射極連接19連接。能量源28示為電源單元，其驅(qū)動(dòng)電壓Vc-Cin在閉合開(kāi)關(guān)32時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻31和電阻網(wǎng)絡(luò)34在柵電極24同時(shí)施加到所有開(kāi)關(guān)元件17a-m。
[0059]如上所述，故障保護(hù)裝置26用于如下目的:開(kāi)關(guān)模塊11在開(kāi)關(guān)元件和/或半導(dǎo)體芯片17a-m其中之一的故障情況下能夠改變?yōu)榭煽剡B續(xù)導(dǎo)通差錯(cuò)模式。一般來(lái)說(shuō)，本文一般描述為故障的差錯(cuò)采取IGBT半導(dǎo)體芯片或開(kāi)關(guān)元件17a-m的集電極-發(fā)射極短路的形式導(dǎo)致其柵電極24與其發(fā)射電極23之間的短路，如圖2中在元件17m示范所示。由此，其他具有功能性的開(kāi)關(guān)元件的柵電極相對(duì)發(fā)射電極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，并且丟失其可控性，而缺陷芯片吸收整個(gè)負(fù)載電流。由于過(guò)電流、所產(chǎn)生的熱和電弧，這能夠?qū)е鹿β孰娮幽K9的開(kāi)關(guān)模式11或其他組件的嚴(yán)重?fù)p壞。這通過(guò)按照本發(fā)明的故障保護(hù)裝置26來(lái)防止，其中確保具有功能性的IGBT芯片的全部或部分保持在有限可控和/或?qū)щ姞顟B(tài)或者通過(guò)以下所述方法其中之一在這種狀態(tài)中激活或者它們的組合。
[0060]按照本發(fā)明的故障保護(hù)裝置26包括開(kāi)關(guān)布置33，其連同半導(dǎo)體17a_m—起容納在開(kāi)關(guān)模塊殼體25內(nèi)部。顯然，開(kāi)關(guān)布置33只從無(wú)源組件來(lái)形成，組件不具有任何擴(kuò)大效應(yīng)或控制功能。按照?qǐng)D2的實(shí)施例中的開(kāi)關(guān)布置33特別提供電阻矩陣34(第一電阻36a-m在本例中是其組成部分)，其與關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)元件17a-m的柵電極24的連接相連接。通過(guò)其另一連接，第一電阻36a-m分別相互成對(duì)連接到連接點(diǎn)37，使得例如第一電阻36a、b相互連接、第一電阻36c、d相互連接、…以及第一電阻36m-l、m相互連接。
[0061 ]電阻矩陣34還提供另一個(gè)第二電阻38a-n，其連接在第一電阻36a-m的連接點(diǎn)37與公共柵極連接21之間。在所示示范實(shí)施例中，m = 2n。在其他實(shí)施例中，三個(gè)或更多第一電阻36a-m能夠組合以形成編組，其分別與第二電阻38a-n連接，m總共為η的三倍或數(shù)倍。
[0062]雖然這沒(méi)有在圖2中詳細(xì)示出，但是電阻矩陣34的第一電阻36a_m能夠與開(kāi)關(guān)元件17a-m共同設(shè)置在半導(dǎo)體芯片上，即使它們也能夠容納在芯片17a-m外部但是在開(kāi)關(guān)模塊殼體25之內(nèi)。第一電阻36-m能夠適用于平衡切換，以便實(shí)現(xiàn)全部開(kāi)關(guān)元件17a-m在通過(guò)控制單元14的控制的情況下盡可能地同時(shí)和相等地激活。一般來(lái)說(shuō)，這些類型的平衡電阻具有較低歐姆。其他電阻38a-n能夠設(shè)置在芯片37a-m外部，并且還設(shè)置在芯片17a-m上，但是優(yōu)選地設(shè)置在芯片外部但是在殼體25之內(nèi)。
[0063]至此對(duì)故障保護(hù)26所述的功率電子模塊9按如下所述起作用:
在正常操作中，驅(qū)動(dòng)單元適當(dāng)?shù)乜刂扑虚_(kāi)關(guān)元件17a-m，以便同時(shí)激活或停用所有開(kāi)關(guān)元件17a-m，并且將整個(gè)開(kāi)關(guān)模塊11改變?yōu)閷?dǎo)通和/或不導(dǎo)通狀態(tài)。因此，如已經(jīng)所述，當(dāng)開(kāi)關(guān)元件之一出故障并且其柵極-發(fā)射極通路短路時(shí)，借助于電阻矩陣34、故障保護(hù)裝置26，仍然有可能通過(guò)施加充分驅(qū)動(dòng)電壓Vdn來(lái)激活起作用的無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件17a-m，使得這個(gè)開(kāi)關(guān)元件17a-m的柵極-發(fā)射極電壓超過(guò)其閾值電壓值VCE-th。
[0064]在關(guān)于故障在這里例如在第j開(kāi)關(guān)元件17j(例如開(kāi)關(guān)元件17m，如圖2所示)中發(fā)生的假設(shè)下，必要的驅(qū)動(dòng)電壓的條件如下:
Vc-on> VGE-thX (Re + R2i + Ru) / + (R2i + Ru) (等式I)
由此，VCE-th是開(kāi)關(guān)元件的閾值電壓，Rc是驅(qū)動(dòng)電阻31的電阻，叫是指配給開(kāi)關(guān)元件17j的第一電阻36」的電阻，以及R21是與第一電阻36」連接的第二電阻38,的電阻。由此，確保在不屬于有故障開(kāi)關(guān)元件17」的編組的開(kāi)關(guān)元件，施加超過(guò)其閾值電壓值VCE-th的柵極-發(fā)射極電壓。
[0065]可理解，故障能夠在優(yōu)選開(kāi)關(guān)元件17a_m其中之一或者在一對(duì)單獨(dú)的兩個(gè)或若干并聯(lián)連接開(kāi)關(guān)元件17a-m處發(fā)生，并且具有功能性的開(kāi)關(guān)元件17a-m仍然能夠通過(guò)施加充分驅(qū)動(dòng)電壓Vc-Cin導(dǎo)電地激活或保持為導(dǎo)電(注:等式I僅可適用于例如缺陷芯片等的特殊情況)。此外，顯然，上式I僅可適用于缺陷芯片，但是，平均導(dǎo)出能夠得出在兩個(gè)或更多缺陷芯片的情況下的必要驅(qū)動(dòng)電壓Vc-Cin的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0066]作為示例，通過(guò)各按照第一和第二電阻36a-m、38a_n和驅(qū)動(dòng)電阻31的每個(gè)所定義值的大約1伏特的閾值電壓VGE-th，15伏特和50伏特的范圍中的驅(qū)動(dòng)電壓Vc是必要的。但是，這取決于柵極連接21與開(kāi)關(guān)元件17a-m的柵電極24之間的開(kāi)關(guān)模塊11的內(nèi)電阻矩陣。
[0067]如果在開(kāi)關(guān)模塊11的芯片的集電極連接18與發(fā)射極連接19之間識(shí)別斷電、特別是短路，則驅(qū)動(dòng)電壓Vc-C11Jg夠按照以上定義的值來(lái)施加，其如此大以致于根據(jù)電阻矩陣的阻抗，所有具有功能性的開(kāi)關(guān)元件能夠被激活或保持為激活。相反，根據(jù)先前定義的驅(qū)動(dòng)電壓Vg-。n，能夠?qū)Σ铄e(cuò)情況測(cè)量電阻36a-m和38a-m。
[0068]因此，通過(guò)施加預(yù)先定義的充分驅(qū)動(dòng)電壓的適當(dāng)測(cè)量的電阻矩陣34在一個(gè)或部分開(kāi)關(guān)元件17a-m的故障情況下實(shí)現(xiàn)具有充分正負(fù)載的其他具有功能性的開(kāi)關(guān)元件的柵電極24，使得它們能夠?qū)щ姷丶せ罨蛘弑３譃閷?dǎo)電，而與同一電阻矩陣34連接的有故障開(kāi)關(guān)元件的柵電極24的一個(gè)或部分短路。由此，半導(dǎo)體芯片17a-m進(jìn)一步保持為可控，并且能夠連續(xù)保持在導(dǎo)電狀態(tài)。
[0069]通過(guò)例如經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)到開(kāi)關(guān)模塊11的連接18、19、21、27的電壓和電流和快速或持續(xù)控制功率半導(dǎo)體芯片17a-m以記錄差錯(cuò)，負(fù)載電流能夠分布到所有半導(dǎo)體芯片，由此避免故障電弧或爆炸的形成。能夠降低針對(duì)爆炸的保護(hù)措施、例如具有爆炸保護(hù)或過(guò)電壓保護(hù)裝置的殼體。另外，連續(xù)和穩(wěn)定低歐姆電流通路由有故障模塊來(lái)創(chuàng)建。有利地，通過(guò)故障保護(hù)裝置26的保護(hù)僅采用無(wú)源元件、即電阻矩陣34完全無(wú)源地實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這個(gè)非有源邏輯，有源開(kāi)關(guān)等是必要的，以便識(shí)別差錯(cuò)源和/或隔離、改變或轉(zhuǎn)移電流通路，并且具體僅激活具有功能性的芯片。
[0070]圖3不出與圖2的開(kāi)關(guān)模塊11的少許修改實(shí)施例相比的功率電子模塊9ο如在這里顯而易見(jiàn)，省略另一和/或第二電阻38a-n，使得所有第一電阻36a-m通過(guò)連接點(diǎn)37相互直接連接并且與柵極連接21連接。在芯片17m，例如，標(biāo)記故障中涉及的集電極-發(fā)射極短路和柵極-發(fā)射極短路。在這種情況下，通過(guò)適當(dāng)測(cè)量電阻矩陣34，能夠確保對(duì)于給定驅(qū)動(dòng)電壓Vc-cm(其由驅(qū)動(dòng)單元14通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻31施加在開(kāi)關(guān)模塊的連接21、19)，在具有功能性的無(wú)故障芯片的柵電極處的電壓大于其閾值電壓。
[0071]作為示例，對(duì)于圖3所示的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，在關(guān)于柵極連接21與柵電極24之間的所有第一電阻36a-m的電阻基本上相等、因此Rint = Rn = Ri2 =…=Rim的假設(shè)下，必須滿足下列條件:
Rint > kX Rtot/ (Vc-on /VcE-th _ (m_k) / m)， (等式2)
由此，開(kāi)關(guān)模塊11的整個(gè)有效柵極電阻的Rtot處于正常狀態(tài)，其為:
Rtot = Rg + Rint/m,(等式 3)
由此m是開(kāi)關(guān)模塊11中的半導(dǎo)體芯片17a-m的總數(shù)，k是具有柵極-發(fā)射極短路的有故障芯片的數(shù)量，￥(；-。11是柵極驅(qū)動(dòng)單元14的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，以及￥(^11是半導(dǎo)體芯片17&-111的柵極-發(fā)射極閾值電壓。
[0072]再次通過(guò)按照上式2和3適當(dāng)測(cè)量電阻矩陣34，盡管一個(gè)或多個(gè)有故障半導(dǎo)體芯片17a-m的短路柵極-發(fā)射極通路，也有可能通過(guò)施加預(yù)先定義的驅(qū)動(dòng)電壓Vc-Cin(其能夠與正常操作中的驅(qū)動(dòng)電壓相同)導(dǎo)電地激活其他具有功能性的芯片或者將它們保持為導(dǎo)電。這再次按照完全無(wú)源的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需任何有源邏輯、有源開(kāi)關(guān)等，以識(shí)別故障點(diǎn)和/或隔離并且具體僅激活具有功能性的芯片，并且具有針對(duì)爆炸和故障電弧的保護(hù)以及通過(guò)有故障模塊的低歐姆持久電流通路的已經(jīng)說(shuō)明的其他優(yōu)點(diǎn)。
[0073]圖4示出以更簡(jiǎn)化圖示示出按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的開(kāi)關(guān)模塊U。開(kāi)關(guān)模塊11與按照?qǐng)D2的開(kāi)關(guān)模塊的顯著差別在于，在這里，對(duì)各開(kāi)關(guān)元件17a-m和每組所連接開(kāi)關(guān)元件指配恪斷器39a-m，其被插入各開(kāi)關(guān)元件17a-m的柵電極24與相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件的組的連接點(diǎn)17之間的各控制通路中。取決于電阻矩陣34，熔斷器39a-m安全熔斷器按照如下方式來(lái)測(cè)量:使得它們?cè)诓铄e(cuò)情況下觸發(fā)一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件17a-m，以便將有故障開(kāi)關(guān)元件的短路柵電極24與柵極連接21分隔，而指配給無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件的其他熔斷器不受影響。
[0074]在有故障開(kāi)關(guān)元件17a_m的短路柵極結(jié)構(gòu)的情況下，所產(chǎn)生柵極電流(其通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元14施加正柵極信號(hào)來(lái)饋入短路柵極結(jié)構(gòu)中)比正常操作條件下要高許多，因?yàn)樵陔妷嚎刂平M件、例如IGBT的情況下，在正常操作條件下，只有短期電流在柵極連接的激活和停用過(guò)程期間，以用于重新加載芯片內(nèi)部柵極電容。還能夠設(shè)計(jì)安全熔斷器或可復(fù)位熔斷器39a-m，以便在柵極電流電平將短路柵電極24與柵極驅(qū)動(dòng)單元14分隔，通過(guò)其實(shí)現(xiàn)具有功能性的無(wú)故障柵極結(jié)構(gòu)的控制，即，導(dǎo)電地激活它們或者將它們保持為導(dǎo)電。熔斷器39a-m能夠基于SMD技術(shù)，并且與第一和/或第二電阻36a-m、38a-n共同集成在半導(dǎo)體芯片上或者芯片外部但是在公共殼體25中。熔斷器31a-m實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，其有效地避免因爆炸和故障電弧引起的損壞。
[0075]圖5示出與按照?qǐng)D4的實(shí)施例相比的少許修改，由此熔斷器39’a-n設(shè)置在柵極連接21與串聯(lián)連接到第二電阻38a-n的相應(yīng)編組的開(kāi)關(guān)元件17a_m的連接點(diǎn)37之間的柵極電流通路中。安全熔斷器和可復(fù)位熔斷器39’a-n再次能夠建立，以便在故障情況下觸發(fā)電流電平，由此考慮各熔斷器39’a-n在正常操作中傳導(dǎo)電流兩次(或者電流的倍數(shù)，如果兩個(gè)以上開(kāi)關(guān)元件17a-m分別連接到一組)。
[0076]備選地，在按照?qǐng)D4和圖5的實(shí)施例中，而是能夠應(yīng)用熔斷器39a_m和39’a-n電阻器或所謂的PTC電阻元件41a-m(圖4)和41’a-n(圖5)，其能夠在低溫下比在高溫下更好地傳導(dǎo)電流。換言之，PTC電阻元件是組件，其電阻隨增加溫度而增加。在一個(gè)或多個(gè)有故障開(kāi)關(guān)元件17a-m的情況下，柵極電流(其通過(guò)施加正柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)從驅(qū)動(dòng)單元14流入短路柵極結(jié)構(gòu)中)比在正常操作條件下要高許多。適當(dāng)?shù)胤胖肞TC電阻元件，以便在這些較高電流電平充分變暖，以便建立柵極驅(qū)動(dòng)單元14與短路柵電極24之間的柵極電流通路中的高電阻，以使得阻塞柵極驅(qū)動(dòng)電流或者將它明顯減小，通過(guò)其，實(shí)現(xiàn)其他具有功能性的柵極結(jié)構(gòu)的控制。
[0077]雖然在這里，柵極驅(qū)動(dòng)單元14與有故障開(kāi)關(guān)元件17a_m的短路柵電極24之間的連接沒(méi)有完全分隔，如同圖4和圖5中的熔斷器39a-m、39’a-n的情況那樣，但是柵極電流只是明顯減小，具有PTC電阻元件的故障保護(hù)裝置26的功能性與具有熔斷器的故障保護(hù)裝置26相似，使得能夠參照上述描述。
[0078]圖6示出具有故障保護(hù)裝置26的開(kāi)關(guān)模塊11的另一個(gè)修改實(shí)施例。在這里，將串聯(lián)電容器42a-m指配給各開(kāi)關(guān)元件17a-m和各組開(kāi)關(guān)元件，其串聯(lián)連接到一個(gè)或多個(gè)關(guān)聯(lián)第一電阻36a-m。圖6中，串聯(lián)電容器42a-m分別在柵電極24與連接點(diǎn)37之間串聯(lián)設(shè)置到第一電阻36a-m。與各串聯(lián)電容器42a-m并聯(lián)，高歐姆電阻43a-m并聯(lián)連接，其形成到相應(yīng)串聯(lián)電容器42a-m的旁路。串聯(lián)電容器42a-m按照如下方式來(lái)測(cè)量:使得它在正常操作中在功率半導(dǎo)體17a-m下沒(méi)有引起柵極驅(qū)動(dòng)電壓的任何不許可偏移。
[0079]在正常操作中，半導(dǎo)體芯片17a_m的柵極-發(fā)射極和柵極-集電極電容備選地通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電流(其是按照驅(qū)動(dòng)模型的交流)來(lái)充電或放電。柵極驅(qū)動(dòng)電流中的各直流成分從寄生效應(yīng)產(chǎn)生并且是很小的。這個(gè)直流部分通過(guò)相應(yīng)高歐姆旁路電阻43a-m來(lái)吸收。串聯(lián)電容器42a-m要被選擇為明顯高于開(kāi)關(guān)元件17a-m的柵極-發(fā)射極電容，使得在正常操作中，僅釋放小電壓。
[0080]在短路情況下，當(dāng)有故障開(kāi)關(guān)元件17a_m的關(guān)聯(lián)柵極-發(fā)射極電容短缺時(shí)，串聯(lián)電容器42a-m從15伏特快速充電到柵極驅(qū)動(dòng)電壓，其是較高強(qiáng)度的直流，其上阻塞到短路柵極結(jié)構(gòu)的直流。由此，充分柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)在具有功能性的半導(dǎo)體芯片17a-m的柵電極24處自動(dòng)充分準(zhǔn)備，并且它們導(dǎo)電地激活或保持。
[0081]再次如同上述實(shí)施例那樣，借助于切換布置33(其只提供無(wú)源組件)，在一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件短路差錯(cuò)的情況下，其他具有功能性的開(kāi)關(guān)元件自動(dòng)在穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)中完全無(wú)源地保持為可控，而無(wú)需用于此目的的有源邏輯、有源開(kāi)關(guān)等，以識(shí)別故障位置和/或具體單獨(dú)激活具有功能性的芯片。連續(xù)穩(wěn)定低歐姆電流通路通過(guò)開(kāi)關(guān)模塊11來(lái)創(chuàng)建，并且通過(guò)有故障開(kāi)關(guān)元件的電壓最小化，使得避免或者明顯降低因爆炸和故障電弧引起的危險(xiǎn)。
[0082]在修改中，來(lái)自串聯(lián)電容器42a_m和旁路電阻43a_m的并聯(lián)連接也能夠串聯(lián)設(shè)置到連接點(diǎn)37與柵極連接21之間的柵極電流通路中的兩個(gè)電阻38a-n。
[0083]圖7示出按照本發(fā)明、具有修改開(kāi)關(guān)模塊11和修改驅(qū)動(dòng)單元14的功率電子模塊9的其他實(shí)施例。按照?qǐng)D7的開(kāi)關(guān)模塊與按照?qǐng)D2的開(kāi)關(guān)模塊的差別只在于，它提供引出公共殼體25的驅(qū)動(dòng)連接21a-n和若干、至少兩個(gè)柵極，其分別被指配給一組兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件17a-m。備選地，對(duì)各開(kāi)關(guān)元件，能夠指配單獨(dú)引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)連接21。在另一個(gè)備選方案中，三個(gè)或三個(gè)以上開(kāi)關(guān)元件17a-m能夠指配給公共柵極21。
[0084]此外，公共輔助發(fā)射極連接27能夠是所有開(kāi)關(guān)元件17a_m公共的，或者它能夠分派到單獨(dú)發(fā)射極連接27a-n中。
[0085]柵極和驅(qū)動(dòng)單元14提供若干并聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸出或驅(qū)動(dòng)連接29a_n，其與開(kāi)關(guān)模塊11的驅(qū)動(dòng)連接2la-n連接。對(duì)各輸出連接29a-n，指配驅(qū)動(dòng)電阻3la_n，由此一側(cè)的驅(qū)動(dòng)電阻3la_n分別與驅(qū)動(dòng)輸出連接29a-n連接，以及在相對(duì)站點(diǎn)各連接到中性點(diǎn)44，并且通過(guò)可控開(kāi)關(guān)32與電源28連接。驅(qū)動(dòng)電阻31a-n能夠提供相同的電阻。
[0086]如所示通過(guò)開(kāi)關(guān)模塊11的單獨(dú)IGBT芯片17a_m或者芯片組的柵極連接21a_n準(zhǔn)許在本發(fā)明的意義上控制具有功能性的芯片和/或芯片編組，而無(wú)需任何有源邏輯、有源開(kāi)關(guān)等，以便識(shí)別故障點(diǎn)和/或隔離并且具體單獨(dú)激活具有功能性的芯片。
[0087]驅(qū)動(dòng)單元14而是能夠同時(shí)并且無(wú)區(qū)別地控制所有柵極連接，由此在中性點(diǎn)44，因并聯(lián)配備的柵極驅(qū)動(dòng)電阻31a-n，能夠得到較高電壓電平，而不管相應(yīng)有故障芯片17a-m處的短路，其沒(méi)有如同公共柵極連接那樣崩潰，因此其他無(wú)故障芯片被充分加載并且保持為可控。最后，這些無(wú)故障芯片和芯片編組分別通過(guò)IGBT的激活閾值電壓接收充分激活信號(hào)，使得它們導(dǎo)電地激活和/或保持為這樣。驅(qū)動(dòng)單元14能夠按照如下方式整體設(shè)計(jì):它能夠保存單獨(dú)短路柵電極24中的短路電流，這是可能的，因?yàn)閱为?dú)第二電阻38a-n、例如驅(qū)動(dòng)電阻31a-n具有高歐姆、例如20至100歐姆，并且僅在其并聯(lián)連接中給予從0.5至10歐姆的典型柵極驅(qū)動(dòng)電阻。驅(qū)動(dòng)單元的單獨(dú)通道能夠備選地按照如下方式設(shè)計(jì)為防短路:使得它們?cè)诙搪坊蜻^(guò)負(fù)載的情況下在高歐姆狀態(tài)激活并且顯著限制電流。為此，對(duì)故障位置的無(wú)源分離所述的措施、例如熔斷器、PTC電阻或串聯(lián)電容器的使用能夠具體適用于驅(qū)動(dòng)單元的通道。
[0088]再次實(shí)現(xiàn)沒(méi)有用于定位故障位置和/或隔離有故障芯片以便能夠激活并聯(lián)芯片的有源過(guò)程的差錯(cuò)保護(hù)。而是僅應(yīng)用故障保護(hù)裝置26的適當(dāng)設(shè)置和確定尺寸的無(wú)源組件，其實(shí)現(xiàn)通過(guò)單個(gè)驅(qū)動(dòng)單元14對(duì)并聯(lián)芯片的導(dǎo)通的激活和保持。這與在生產(chǎn)和操作中具有較小復(fù)雜度和較小成本的切換布置的簡(jiǎn)單構(gòu)造關(guān)聯(lián)。
[0089]可理解，上述故障保護(hù)方法還能夠與其他方法相組合，以便創(chuàng)建其他可能的實(shí)施例。另外，其他修改和變更是專業(yè)人員能夠想到的，其落入所附權(quán)利要求書的保護(hù)范圍中。例如，不同電阻矩陣設(shè)置在或者設(shè)置到柵極連接21與柵電極24之間，以便注意平衡開(kāi)關(guān)元件17a-m并且滿足按照本發(fā)明的故障保護(hù)功能。例如，電阻矩陣能夠提供兩級(jí)以上電阻36a-m和38a-n，如圖2所示。如已經(jīng)說(shuō)明，開(kāi)關(guān)元件17a-m還能夠提供其他功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、例如MOSFET等，并且能夠在公共殼體25的壓裝殼體中或者模塊化構(gòu)造中連同故障保護(hù)裝置26—起設(shè)置為并聯(lián)連接半導(dǎo)體芯片。按照本發(fā)明的開(kāi)關(guān)模塊11和功率電子模塊9能夠用于多種應(yīng)用、例如HVDC或驅(qū)動(dòng)應(yīng)用(其中要滿足冗余度要求)，用于不同拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器和其他系統(tǒng)和應(yīng)用(其中可控半導(dǎo)體裝置、例如IGBT-M0SFET等)必須在差錯(cuò)之后采取安全導(dǎo)通狀態(tài))。功率半導(dǎo)體模塊9和開(kāi)關(guān)模塊11使得能夠在故障之后通過(guò)避免附加組件和措施來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并且避免爆炸所引起的破壞。本發(fā)明還適合于具有電流源特性的拓?fù)?。所提出方法其中的?yōu)點(diǎn)在于，能夠確保無(wú)限時(shí)期的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因?yàn)榘雽?dǎo)體芯片按照正常、指定導(dǎo)通操作進(jìn)行操作。另外，在長(zhǎng)期穩(wěn)定性與裝置中的溫度變化的難題之間不需要如同一些常規(guī)裝置情況下那樣的折衷。故障保護(hù)裝置26的降低復(fù)雜度形成長(zhǎng)維護(hù)間隔和關(guān)聯(lián)較低成本以及操作中的系統(tǒng)的高可靠性的基礎(chǔ)。
[0090]創(chuàng)建開(kāi)關(guān)模塊11，其為殼體25提供:第一和第二連接18、19和至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)連接21;若干開(kāi)關(guān)元件17a-m，其設(shè)置在殼體25內(nèi)部，相互并聯(lián)連接并且通過(guò)其控制電極24是可控的；以及故障保護(hù)裝置26，其有效地插入至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)連接21與開(kāi)關(guān)元件17a-m之間。故障保護(hù)裝置(26)提供無(wú)源電氣組件34、41、42、43，其按照如下方式來(lái)確定尺寸:使得在一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)元件17a-m的故障情況下，所有其他無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的控制電極24處的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)連接21的預(yù)定義控制創(chuàng)建控制信號(hào)，其足以導(dǎo)電地激活這些無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件17a-m或者導(dǎo)電地保持它們。還創(chuàng)建具有指配給至少這種類型的開(kāi)關(guān)模塊11和至少一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊11的驅(qū)動(dòng)單元14的功率電子模塊9。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種開(kāi)關(guān)模塊，包括: 第一端子(18)、第二端子(19)和至少一個(gè)控制端子(21); 多個(gè)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)，相互并聯(lián)地通過(guò)第一電極(22)連接到所述第一端子(18)、通過(guò)第二電極(23)連接到所述第二端子(19)并且通過(guò)控制電極(24)連接到所述至少一個(gè)控制端子(21);以及 故障保護(hù)裝置(26)，操作上插入所述至少一個(gè)控制端子(21)與所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)之間，其中所述故障保護(hù)裝置(26)包括無(wú)源電氣組件(34;41;42;43)，所述無(wú)源電氣組件確定大小成使得在所述多個(gè)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的至少一個(gè)的故障情況下，在所述至少一個(gè)控制端子(21)處的預(yù)定驅(qū)動(dòng)控制在所有其他無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件的所述控制電極(24)處以完全無(wú)源的方式生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)足以開(kāi)關(guān)所述無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件或者將它們保持在導(dǎo)電狀態(tài)。2.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)由功率半導(dǎo)體管芯來(lái)形成，并且優(yōu)選地從由包括IGBT、BIGT、MOSFET和JFET的電壓控制組件所組成的編組中選取。3.如權(quán)利要求1或2所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，還包括容納所有開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的公共殼體(25)，其中所述第一和所述第二端子(18，19)和所述至少一個(gè)控制端子(21)被引出所述殼體(25)。4.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述故障保護(hù)裝置(26)包括設(shè)置在所述至少一個(gè)控制端子(21)與所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述控制電極(24)之間的電路布置(33)。5.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述故障保護(hù)裝置(26)包括具有連接到各控制電極(24)的電阻器(36a-m)的電阻器矩陣(34)。6.如權(quán)利要求5所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述電阻器矩陣(34)設(shè)計(jì)成使得對(duì)于由驅(qū)動(dòng)單元(14)施加到所述至少一個(gè)控制端子(21)的所定義驅(qū)動(dòng)電壓，在所述無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述控制電極(24)處的所產(chǎn)生電壓大于所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的接通閾值電壓。7.如權(quán)利要求6所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述第一電阻器(36a-m)各連接在相應(yīng)一個(gè)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的控制電極(24)與所述至少一個(gè)控制端子(21)之間，并且具有基本上相同的電阻Rint = Rll = Rl2 =…=Rlm以及滿足下列條件:Rint〉k X Rtot / (VG-on/VGE-th _ (π?—k) /ffl) j 其中，Rtcit是正常操作中的所述開(kāi)關(guān)模塊(11)的總有效驅(qū)動(dòng)電阻，其為:Rtot — Rg + Rint/rn j 其中，Re是驅(qū)動(dòng)單元(14)的驅(qū)動(dòng)電阻，Vc是所述驅(qū)動(dòng)單元(14)的所述驅(qū)動(dòng)電壓，VCE-th是所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的所述接通閾值電壓，k是分別具有柵極-發(fā)射極短路的所述有故障開(kāi)關(guān)元件和功率半導(dǎo)體管芯的數(shù)量，以及m是所述開(kāi)關(guān)模塊(11)中的所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的總數(shù)。8.如權(quán)利要求5-6中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，所述電阻器矩陣(34)還包括各連接在所述第一電阻器(36a-m)與所述至少一個(gè)控制端子(21)之間的附加電阻器(38a-n)，其中所述附加電阻器(38a_n)的每一個(gè)與一個(gè)或多個(gè)第一電阻器(36a_m)串聯(lián)連接，以形成開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的組。9.如權(quán)利要求8所述的開(kāi)關(guān)模塊，配置成使得在被指配具有電阻Rlj的所述第一電阻器(36j)和與其串聯(lián)連接并且具有電阻R21的所述附加電阻器(38i)的開(kāi)關(guān)元件(17j)的故障情況下，下式應(yīng)用于要施加到所述至少一個(gè)控制端子(21)用于將所述無(wú)故障開(kāi)關(guān)元件(17a-m)切換為導(dǎo)電狀態(tài)的所述驅(qū)動(dòng)電壓Vc-Cin:Vc-on> VcE-thX (Re + R2i + Rlj) / (R2i + Rlj), 其中，VCE-th是所述開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的接通閾值電壓，以及Rc是驅(qū)動(dòng)單元(14)的驅(qū)動(dòng)電阻。10.如權(quán)利要求5-9中的任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模塊，其特征在于，包括一定數(shù)量的控制端子(21a-n)，其被引出相應(yīng)單獨(dú)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)或者相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件(17a-m)的組的公共殼體(25)，其中所述數(shù)量至少為二，并且其中提供所述控制端子(21-n)以連接到驅(qū)動(dòng)單元(14)，所述驅(qū)動(dòng)單元包括與所述引出控制端子(21 a-n)的所述數(shù)量對(duì)應(yīng)的一定數(shù)量的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸出(29a_n)和驅(qū)動(dòng)電阻器(31a_n)。
【文檔編號(hào)】H03K17/12GK105939152SQ201610122799
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年3月4日
【發(fā)明人】T.布呂克納, R.亞科布
【申請(qǐng)人】通用電氣能源能量變換技術(shù)有限公司