專利名稱：短路電流限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于能量分配和傳輸?shù)墓β拾雽?dǎo)體模塊，具有經(jīng)過(guò)連接導(dǎo) 線與能量存儲(chǔ)器相連的功率半導(dǎo)體電路。
背景技術(shù)：
這樣的功率半導(dǎo)體模塊例如由GB2294821A公開(kāi)。在那里描述了由功率半 導(dǎo)體模塊的串聯(lián)電路組成的所謂的多級(jí)換流器。每個(gè)功率半導(dǎo)體模塊具有與功 率半導(dǎo)體電路相連的能量存儲(chǔ)器。在此電容器形式的能量存儲(chǔ)器與功率半導(dǎo)體 一起構(gòu)成所謂的全橋式電路。根據(jù)功率半導(dǎo)體的不同開(kāi)關(guān)位置，在功率半導(dǎo)體 模塊的輸出端產(chǎn)生正的電容電壓、負(fù)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(dǎo)體的功率半導(dǎo)體電路或換言之功 率電子電路通常低感應(yīng)地連接到存儲(chǔ)單元、如中間電路電容器上。在故障情況 下，例如在功率半導(dǎo)體損壞(Durchlegieren)的情況下，由于漏感和中間電路 電容的比值關(guān)系可能出現(xiàn)完全達(dá)到數(shù)十萬(wàn)安培的非常高的短路電流幅值。由此 的結(jié)果是，會(huì)使某些功率半導(dǎo)體電子組件受到嚴(yán)重?fù)p壞。例如也可能隨著電弧 的形成出現(xiàn)功率半導(dǎo)體組件的爆炸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，限制在故障情況下出現(xiàn)的電流幅值并且有效 保護(hù)換流器的功率電子電路或其它組件。
本發(fā)明通過(guò)如下解決上述技術(shù)H巍，連接導(dǎo)線具有在電流負(fù)荷超過(guò)閾值時(shí) 會(huì)斷裂的標(biāo)定斷裂點(diǎn)，其中連接導(dǎo)線還具有與標(biāo)定斷裂點(diǎn)并聯(lián)的電阻。
按照本發(fā)明，在能量存儲(chǔ)器如電容器和關(guān)于所說(shuō)的高電流特別敏感的功率 電子電路之間設(shè)置了標(biāo)定斷裂點(diǎn)。這樣構(gòu)造該標(biāo)定斷裂點(diǎn)，使得該標(biāo)定斷裂點(diǎn) 在經(jīng)過(guò)該標(biāo)定斷裂點(diǎn)的電流上升的情況下斷裂。為了避免或至少抑制在標(biāo)定斷 裂點(diǎn)上形成電弧，并行于標(biāo)定斷裂點(diǎn)設(shè)置了所謂的旁路或分路，即在標(biāo)定斷裂點(diǎn)斷裂之后電流可以流經(jīng)的輔助電流支路，從而可以基本上避免在標(biāo)定斷裂點(diǎn) 形成電弧。按照本發(fā)明在輔助電流支路中設(shè)置了電阻。由此短路電流流經(jīng)該電 阻。該電阻限制短路電流，產(chǎn)生分散的發(fā)熱。以這種方式通過(guò)功率半導(dǎo)體電3各 的功率半導(dǎo)體的電流被限制并且由電阻全部轉(zhuǎn)換為熱。如果電流不能通過(guò)電阻 很強(qiáng)地得到限制，使得不能可靠地避免在功率半導(dǎo)體電子電路中的電弧，則按
照本發(fā)明，關(guān)鍵是降低在功率半導(dǎo)體的電弧中出現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換，以避免功率半 導(dǎo)體的爆炸或無(wú)論如何將爆炸減弱到能夠避免相鄰組件的損壞。
電流負(fù)荷例如被理解為經(jīng)過(guò)連接導(dǎo)線上的和由此經(jīng)過(guò)標(biāo)定斷裂點(diǎn)流過(guò)的 電流的幅值。在此這樣構(gòu)造標(biāo)定斷裂點(diǎn)，使得當(dāng)所說(shuō)的電流的幅值超過(guò)閾值電 流時(shí)標(biāo)定斷裂點(diǎn)斷裂。與此不同，闊值還可以是在標(biāo)定斷裂點(diǎn)上被轉(zhuǎn)換的確定 的損耗能量等。
標(biāo)定斷裂點(diǎn)優(yōu)選包括在標(biāo)定斷裂點(diǎn)上的損耗能量超過(guò)閾值時(shí)會(huì)熔化的載 流線。在高電流時(shí)載流線熔化并且由此導(dǎo)致主電流^^徑中斷，而轉(zhuǎn)換到輔助電 流支路上。
與此不同的是，連接導(dǎo)線還可以具有兩個(gè)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(guò)，使得產(chǎn)生推斥力，在此在所說(shuō)的載流線段中的 電流超過(guò)閾值電流時(shí)該推斥力導(dǎo)致標(biāo)定斷裂點(diǎn)斷裂。按照該優(yōu)選擴(kuò)展，利用了 在并行線路上反向流過(guò)的電流的電動(dòng)力學(xué)的力。在此合適地，堅(jiān)固地構(gòu)造載流 線段中的 一個(gè)，而另 一個(gè)載流線段例如以具有小的材料強(qiáng)度的區(qū)段的形式存在。 在高的電流時(shí)出現(xiàn)的高的電磁推斥力情況下，由此在其中設(shè)置有標(biāo)定斷裂點(diǎn)的 線路段發(fā)生斷裂。使用電動(dòng)力學(xué)的力具有如下優(yōu)點(diǎn)，該力直接依賴于電流并且 由此不出現(xiàn)大的時(shí)間延遲。
以優(yōu)選方式標(biāo)定斷裂點(diǎn)包括導(dǎo)電薄片。該薄片具有的厚度在額定電流下對(duì) 電流傳導(dǎo)是足夠的，而由于機(jī)械影響的推斥力，由于熔化效應(yīng)在短路電流情況 下斷裂或裂開(kāi)。
與此不同的是，標(biāo)定斷裂點(diǎn)包括導(dǎo)電的金屬線。
此外合適的是，功率半導(dǎo)體電路具有可關(guān)斷的功率半導(dǎo)體。相對(duì)不可關(guān)斷 的功率半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，這些可關(guān)斷的功率半導(dǎo)體例如晶體管具有如下優(yōu)點(diǎn)，其既
可以被開(kāi)啟也可以被關(guān)斷?？申P(guān)斷功率半導(dǎo)體的調(diào)節(jié)可能性由此得到極大提高。
以優(yōu)選方式功率半導(dǎo)體電路具有鍵合(gebondete)的功率半導(dǎo)體。鍵合的 功率半導(dǎo)體是可以從市場(chǎng)獲得的。其通常包括互相并聯(lián)的功率半導(dǎo)體芯片，其經(jīng)過(guò)導(dǎo)線連接互相連接。鍵合的功率半導(dǎo)體比壓接接觸的功率半導(dǎo)體成本更低。 然而其具有如下缺陷，在短路情況下，流經(jīng)連接在功率半導(dǎo)體芯片之間的金屬 線的電流會(huì)毀壞金屬線連接，從而會(huì)形成損壞功率半導(dǎo)體并且導(dǎo)致外殼爆炸的 電弧。然而本發(fā)明限制經(jīng)過(guò)功率半導(dǎo)體流過(guò)的電流，從而就是在具有高存儲(chǔ)容 量和高放電電流的能量存儲(chǔ)器情況下也可以與鍵合的功率半導(dǎo)體一起使用。按 照本發(fā)明至少可以降低在電弧中的能量轉(zhuǎn)換。作為功率半導(dǎo)體可以考慮例如所
謂的IGBT、 IGCT、 GTO等。特別是考慮IGBT。
按照本發(fā)明，功率半導(dǎo)體模塊以優(yōu)選方式具有第一接線柱、第二接線柱、 能量存儲(chǔ)器和按照與能量存儲(chǔ)器并聯(lián)的電路形式的具有兩個(gè)串聯(lián)的功率半導(dǎo)體 的功率半導(dǎo)體支路，其中，每個(gè)功率半導(dǎo)體與一個(gè)反向續(xù)流二極管并聯(lián)，并且 功率半導(dǎo)體支路的第一功率半導(dǎo)體的發(fā)射極和與第一功率半導(dǎo)體對(duì)應(yīng)的反向二
極管的陽(yáng)極的連接點(diǎn)形成第一接線柱，以及功率半導(dǎo)體支路的功率半導(dǎo)體和續(xù) 流二極管的連接點(diǎn)形成第二接線柱。功率半導(dǎo)體的這樣的電路也被稱為 Marquardt電路，其具有開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在該開(kāi)關(guān)狀態(tài)中降落在能量存儲(chǔ)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(dǎo)體模塊具有第一接線柱、第二接線柱、能量存儲(chǔ) 器和按照與能量存儲(chǔ)器并聯(lián)的電路形式的具有兩個(gè)串聯(lián)的功率半導(dǎo)體的功率半 導(dǎo)體支路，其中，每個(gè)功率半導(dǎo)體與一個(gè)反向續(xù)流二極管并聯(lián)，并且功率半導(dǎo) 體支路的第一功率半導(dǎo)體的集電極和與第一功率半導(dǎo)體對(duì)應(yīng)的反向續(xù)流二極管 的陰極的連接點(diǎn)形成第 一接線柱，以及功率半導(dǎo)體支路的功率半導(dǎo)體和續(xù)流二 極管的連接點(diǎn)形成第二接線柱。這是Marquardt電路的替換實(shí)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(duì)于在能量傳輸和分配中的應(yīng)用來(lái)說(shuō) 被證明是合適的。
連接導(dǎo)線(18, 19)優(yōu)選具有與標(biāo)定斷裂點(diǎn)并聯(lián)的電容器。通過(guò)例如附加 于歐姆電阻設(shè)置的電容器，可以更可靠地避免在標(biāo)定斷裂點(diǎn)斷裂時(shí)產(chǎn)生電弧。
除了功率半導(dǎo)體模塊，本發(fā)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(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊構(gòu)成的串聯(lián)電路。
此外本發(fā)明還涉及一種換流器，其由按照本發(fā)明的換流器整流支路構(gòu)成， 其中換流器整流支路互相連接成橋式電路。在此兩個(gè)換流器整流支路形成所謂 的相位模塊，該相位模塊在兩側(cè)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(diǎn)上與交流電壓網(wǎng)相連。
按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊當(dāng)然還可以被用于其它應(yīng)用。按照本發(fā)明的
功率半導(dǎo)體模塊例如對(duì)所謂的柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS也是合適的。


本發(fā)明其它合適的實(shí)施方式和優(yōu)點(diǎn)是以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的 描述的內(nèi)容，其中相同的組件用相同的附圖標(biāo)記表示，其中 圖1示出了按照本發(fā)明的換流器整流支路的一種實(shí)施例， 圖2示出了按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的 一種實(shí)施例的等效電路圖， 圖3示出了按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的另 一 個(gè)實(shí)施例的等效電路圖， 圖4示出了可以具有按照?qǐng)D3或圖4的電路的、按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體 模塊的實(shí)施例，以及
圖5示出了按照?qǐng)D4的功率半導(dǎo)體模塊的詳細(xì)圖示。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了按照本發(fā)明的換流器整流支路1的實(shí)施例，這些換流器整流支 路1分別具有由功率半導(dǎo)體模塊2構(gòu)成的串聯(lián)電路。每個(gè)功率半導(dǎo)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(shí)施例中換流器整流支路1對(duì)稱地構(gòu)造，其中交流電壓接頭5 設(shè)置在兩個(gè)整流支路之間。交流電壓接頭5被設(shè)置用來(lái)經(jīng)過(guò)未圖形示出的電感 與未圖形示出的交流電壓網(wǎng)的一相相連。同樣未圖形示出的換流器例如總共由 六個(gè)換流器整流支路1構(gòu)成，其中如在圖1中所示，每?jī)蓚€(gè)互相串聯(lián)，在此換 流器整流支路的連接點(diǎn)分別與交流電壓網(wǎng)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(fā)明的功 率半導(dǎo)體;f莫塊2的實(shí)施例。功率半導(dǎo)體模塊2具有兩個(gè)互相串聯(lián)的可關(guān)斷的功 率半導(dǎo)體6、 7,它們?cè)谒境龅膶?shí)施例中被實(shí)現(xiàn)為所謂的IGBT。每個(gè)功率半 導(dǎo)體6或7與反向續(xù)流二極管8或9并聯(lián)連接。作為能量存儲(chǔ)器的電容器11 與由功率半導(dǎo)體6、 7的串聯(lián)電路組成的功率半導(dǎo)體支路10并聯(lián)連接。電容器 11經(jīng)過(guò)連接導(dǎo)線12與包括功率半導(dǎo)體6、 7， 二極管8、 9和未示出的控制電子 電路的功率半導(dǎo)體電子電路相連。
此外功率半導(dǎo)體模塊2還具有兩個(gè)接線柱13和14,其中接線柱14與作為第一功率半導(dǎo)體的功率半導(dǎo)體7的發(fā)射極和與反向二極管9的陽(yáng)極相連。第二 接線柱13與功率半導(dǎo)體6和7的連接點(diǎn)以及與各對(duì)應(yīng)的續(xù)流二極管8和9的連 接點(diǎn)相連。如果功率半導(dǎo)體7從其截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)通狀態(tài)，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(dǎo)體7處于截止?fàn)顟B(tài)、功率半導(dǎo) 體6處于導(dǎo)通狀態(tài)，則電容器11的電壓降落在接線柱13和14之間。
為了保護(hù)功率半導(dǎo)體6和7以及二極管8和9，連接導(dǎo)線12具有標(biāo)定斷裂 點(diǎn)15,其在所示出的按照?qǐng)D2的實(shí)施例中被實(shí)現(xiàn)為熔絲。歐姆電阻16與標(biāo)定 斷裂點(diǎn)15并聯(lián)連接，在此歐姆電阻16被設(shè)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(jīng)過(guò)連接導(dǎo)線12和熔絲15的電流上升。如果通 過(guò)熔絲15的電流超過(guò)取決于熔絲厚度和材料的閾值，則導(dǎo)致標(biāo)定斷裂點(diǎn)15熔 化并由此斷裂。電流流過(guò)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(fù)責(zé)將電容器11中存儲(chǔ)的能量分散地轉(zhuǎn)換為熱能。
圖3示出了按照?qǐng)D2的功率半導(dǎo)體模塊2的替換實(shí)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(guān)斷功率半導(dǎo)體 7的集電極和反向續(xù)流二極管9的陰極相連。第二接線柱13與功率半導(dǎo)體6、 7 的連接點(diǎn)和續(xù)流二極管8、 9的連接點(diǎn)相連。在這兩個(gè)圖中示出的Marquardt電 路的實(shí)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(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊1的另一個(gè)實(shí)施例，其中功率半 導(dǎo)體僅僅示意性作為功率半導(dǎo)體電路18示出。與在圖2中示出的實(shí)施例相比， 連接導(dǎo)線12具有兩個(gè)互相并行延伸的載流線段19和20，在其中如通過(guò)箭頭表 示的電流反向流過(guò)。由于電動(dòng)力學(xué)相互作用產(chǎn)生推斥力，但是該推斥力在正常 運(yùn)行時(shí)不會(huì)導(dǎo)致標(biāo)定斷裂點(diǎn)15斷裂。只有在故障情況下電流和由此的推斥力上 升，導(dǎo)致發(fā)生標(biāo)定斷裂點(diǎn)15的斷裂。在此盡可能堅(jiān)固地構(gòu)造載流線19，例如 作為堅(jiān)固的銅導(dǎo)體，在此標(biāo)定斷裂點(diǎn)15是具有相對(duì)小的機(jī)械強(qiáng)度的導(dǎo)體。
圖5示出了在圖3中示意性示出的實(shí)施例的放大視圖。此處在圖3的上部 示出的連接導(dǎo)體19被構(gòu)造為堅(jiān)固的銅導(dǎo)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(biāo)定斷裂點(diǎn)在空間靠近連接導(dǎo)體19的載流 線段并行地延伸。在與金屬薄片21的并聯(lián)電路中設(shè)置了金屬線16形式的歐姆 電阻。經(jīng)過(guò)金屬薄片21和連接導(dǎo)體19的電流反向流過(guò)。由此在短路情況下產(chǎn) 生高的推斥力。這導(dǎo)致金屬薄片21斷裂并且導(dǎo)致電流流經(jīng)歐姆電阻16。
權(quán)利要求
1. 一種用于能量分配和傳輸?shù)墓β拾雽?dǎo)體模塊(2)，具有經(jīng)過(guò)連接導(dǎo)線(19，20)與能量存儲(chǔ)器(11)相連的功率半導(dǎo)體電路(18)，其特征在于，該連接導(dǎo)線(18，19)具有在電流負(fù)荷超過(guò)閾值時(shí)會(huì)斷裂的標(biāo)定斷裂點(diǎn)(15，21)，該連接導(dǎo)線(18，19)還具有與該標(biāo)定斷裂點(diǎn)(15，21)并聯(lián)的電阻(16)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊(2)，其特征在于，所述標(biāo)定斷裂點(diǎn)(15， 21)包括在該標(biāo)定斷裂點(diǎn)(12, 21)上的損耗能量超過(guò)閾值時(shí)會(huì)熔化的載流線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊(2),其特征在于，所述連接導(dǎo)線(18， 19)還具有兩個(gè)互相并行延伸的載流線段，在其中電流反向流過(guò)，使得產(chǎn)生推斥力，當(dāng)在所說(shuō)的載流線段中的電流超過(guò)閾值電流時(shí)該推斥力導(dǎo)致標(biāo)定斷裂點(diǎn)(21)斷裂。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊(2 )，其特征在于，所述標(biāo)定斷裂點(diǎn)(21)包括導(dǎo)電薄片。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊(2)，其特征在于，所述標(biāo)定斷裂點(diǎn)包括導(dǎo)電的金屬線。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊(2)，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體電路(18)具有可關(guān)斷的功率半導(dǎo)體(6, 7)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊(2),其特征在于，所述功率半導(dǎo)體電路具有鍵合的功率半導(dǎo)體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)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(chǔ)器(11)和與該能量存儲(chǔ)器(11)并聯(lián)連接的具有兩個(gè)相串聯(lián)的功率半導(dǎo)體(6， 7)的功率半導(dǎo)體支路(IO),其中，每個(gè)功率半導(dǎo)體(6， 7)與一個(gè)續(xù)流二極管(8， 9)反向并聯(lián)，并且功率半導(dǎo)體支路(10)的第一功率半導(dǎo)體(14)的發(fā)射極和與第一功率半導(dǎo)體(7)對(duì)應(yīng)的反向續(xù)流二極管(9)的陽(yáng)極的連接點(diǎn)形成第一接線柱(14),以及功率半導(dǎo)體支路(10)的功率半導(dǎo)體(6, 7)和續(xù)流二極管(8, 9)的連接點(diǎn)形成第二接線柱(13)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)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(chǔ)器(11)和與能量存儲(chǔ)器(11)并聯(lián)連接的具有兩個(gè)相串聯(lián)的功率半導(dǎo)體(6， 7)的功率半導(dǎo)體支路(IO),其中，每個(gè)功率半導(dǎo)體(6, 7)與一個(gè)續(xù)流二極管(8， 9)反向并聯(lián)，并且功率半導(dǎo)體支路(10)的第一功率半導(dǎo)體(14)的集電極和與第一功率半導(dǎo)體(7)對(duì)應(yīng)的反向續(xù)流二極管(9)的陰極的連接點(diǎn)形成第一接線柱(14)，以及功率半導(dǎo)體支路(10)的功率半導(dǎo)體(6, 7)和續(xù)流二極管(8, 9)的連接點(diǎn)形成第二接線柱(13)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊(2),其特征在于，所述電阻(16)大于30mQ。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊(2)，其特征在于，所述連接導(dǎo)線(18, 19)具有與標(biāo)定斷裂點(diǎn)(15， 21)并聯(lián)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(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊(2)構(gòu)成的串聯(lián)電路。
13. —種換流器，具有設(shè)置在橋式電路形式中的按照權(quán)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?shù)墓β拾雽?dǎo)體模塊(2)，具有經(jīng)過(guò)連接導(dǎo)線(19，20)與能量存儲(chǔ)器(11)相連的功率半導(dǎo)體電路(18)，該功率半導(dǎo)體模塊限制在故障情況下出現(xiàn)的電流幅值并且有效保護(hù)功率電子電路，本發(fā)明提出，該連接導(dǎo)線(18，19)具有在電流負(fù)荷超過(guò)閾值時(shí)會(huì)斷裂的標(biāo)定斷裂點(diǎn)(15，21)，其中該連接導(dǎo)線(18，19)還具有與標(biāo)定斷裂點(diǎn)(15，21)并聯(lián)的電阻(16)。
文檔編號(hào)H02H9/02GK101512862SQ200680055780
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2006年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月6日
發(fā)明者喬爾格·多恩 申請(qǐng)人:西門子公司