包括至少两个功率半导体开关的半导体电源模块和电路装置.pdf

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摘要
申请专利号:

CN95100600.2

申请日:

1995.02.20

公开号:

CN1110833A

公开日:

1995.10.25

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情:

申请人ABB管理有限公司亚瑞亚勃朗勃威力有限公司|||公开||||||

IPC分类号:

H01L25/11; H01L23/473; H01L23/02; H02M1/088; H03K17/12

主分类号:

H01L25/11; H01L23/473; H01L23/02; H02M1/088; H03K17/12

申请人:

ABB管理有限公司;

发明人:

T·施托克迈耶; U·蒂曼

地址:

瑞士巴登

优先权:

1994.02.21 DE P4405443.2

专利代理机构:

中国专利代理(香港)有限公司

代理人:

吴增勇;马铁良

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内容摘要

一种电路装置和一种功率半导体模块,其中电路装置包括多个并联连接的功率半导体模块,而其中只有一个主模块被连接到一控制器。其他模块作为从模块并通过信号总线从主模块抽取触发所需信号。为此,功率半导体模块有许多互连的信号接头。该信号接头可按信号位置例如经接口连到选通接头。按本发明的功率半导体模块提供的电路装置,其多个模块能无限制地加以并联连接直至达到最大性能要求。

权利要求书

1: 一种包括至少两个功率半导体模块的电路装置,每个模块包括: a)一外壳,至少两个主连接件,和能连到一控制装置的至少一个选通连接件,借助该选通连接件,该功率半导体模块能被触发和被监控, 其中 b)仅仅一个可自由选择的功率半导体模块通过选通连接件连接到所述控制装置, c)设置可按信号方向连接到选通连接件的若干信号连接件,和 d)该功率半导体模块的相应信号连接件被互连。
2: 如权利要求1的电路装置,其特征在于:所述选通连接件包括为将信号引导到模块而设置的第一连接件和用于将信号导离模块的第二连接件,这些连接件,尤其被设计成光波导连接件并能通过光波导连接到控制装置。
3: 如权利要求2的电路装置,其特征在于:所述主连接件被置于外壳的第一侧,所述信号连接件被置于外壳的第二侧,所述光波导连接件置于外壳的第三侧。
4: 如权利要求3的电路装置,其特征在于: a)所述外壳安装在一散热器上, b)一种冷却剂流过该散热器, c)冷却剂入口和出口设在外壳的第三侧面上。
5: 如1-4中任一权利要求所述的电路装置,其特征在于:所述信号连接件具体包括: -用于触发功率半导体模块的开关的第一路径; -用于功率半导体模块的故障信号的第二路径; -用于功率半导体模块计时的第三路径;和 -借助它可连接功率半导体模块之开关的所有栅极的第四路径。
6: 如1-5中任一权利要求所述的电路装置,其特征在于:在每一模块中选通连接件与信号连接件之间设有一接口。
7: 如1-5任一权利要求所述的电路装置,其特征在于:仅在连接到所述控制装置的那个模块中设置选通接件与信号连接件之间的接口。
8: 一种功率半导体模块,包括: a)有至少两个主连接件和可连接到一控制装置的至少一个选通连接件的外壳,该功率半导体模块能通过该选通连接件被触发和被监控, 其中 b)设置有能按信号方向连接到所述选通连接件的若干信号连接件。
9: 如权利要求8所述的功率半导体模块,其特征在于:所述主连接件被置于外壳的第一侧面上,所述信号连接件置于外壳的第二侧面上,和所述选通连接件置于外壳的第三侧面上。
10: 如权利要求9所述的功率半导体模块,其特征在于: a)所述外壳安装在一散热器上, b)一种冷却剂流过该散热器, c)冷却剂入口和出口设置在外壳的第三侧面上。
11: 如权利要求10的功率半导体模块,其特征在于:所述信号连接件具体包括: -用于触发功率半导体模块的开关的第一路径; -用于功率半导体模块的故障信号的第二路径; -用于功率半导体模块计时的第三路径;和 -可借以连接功率半导体模块开关的所有栅极的第四路径。
12: 如权利要求11的功率半导体模块,其特征在于:所述选通连接件和信号连接件之间设有一接口。

说明书


本发明涉及功率电子学领域。

    本发明从按照相应独立权利要求的前序部分的电路装置或从半导体电源模块出发。

    欧洲专利申请EP-A2-0417747已描述了这种电路装置或这种半导体电源模块。

    在那种情况下,电路装置包括至少两个功率半导体开关模块,该模块有一个封装盒,两个主接头和两个选通接头。就此构成该常用功率半导体模块。

    通常一个模块包括能将其组合形成一逻辑功能部件的若干半导体元件。实例为整流器,包含正反向并联的二极管或整体相位组件的专用开关。这种模块(晶体闸流管,晶体三极管IGBT,二极管模块)当前普遍用于1200V和几百安培的功率范围并主要用于工业传动设备。

    为获得所需性能通常将一种类型的若干元件并联连接在一个模块中。这样,例如,每个150A,1200V的IGBT半桥模块按每个开关功能而言,可包含六个并联连接的IGBT和两个并联连接的逆并联二极管。

    目前,由于模块不能以任何所需大小构成故上限对模块性能产生影响(特别是有关载流量)。困难在于种种可靠性问题极大地增大了总体尺寸,加之大量元件的并联连接,使其变得更加困难。

    此外,随着模块尺寸日益增大,使其失去了显着特点之一,即模块性(modularity),也就是说,增大电功率不是通过采用更大元部件而是通过并联连接尽可能更多相似的元件来实现。为这些缘故,模块不受限制的可并联的连接性则是一个理想特征。

    遗憾的是,对模块可并联的连接性是要加以限制的。因为各模块的所有的电气参数决不会完全相同,故模块地正向,反向和开关性能可能不同。在并联连接情况下,这可导致各模块的振荡或过载直至它们被破坏。在本文开头提到的公布的专利申请试图通过利用电极的特殊配置竭力减小转换电路的电感来抵消该作用。

    然而,该方法并未考虑由于参数不同引起的上述种种问题。通常,该问题是通过对关健参数予选待并联连接的模块来解决的。因此,这使后来在应用中要更换一个并联电路中的一块模块变得实际上是不可能的了。另一可能性是这些模块不运用至尽其额定特性(“下降”)。

    就称之为集成或智能模块(集成功率模块,IPM)的一种新类别模块而言,在该模块中可包括诸如待转换元部件的触发,用于识别故障(例如电源的超温度,过电流,低电压)的逻辑和触发信号和故障信号的电气隔离等附加功能。

    在那些并联连接需要高功率的并联模块情况下,除上述问题以外还有所述触发,故障检测和故障处理等等不能同时精确地起作用的问题。

    因此,例如,为无电位(potential-free)传输触发信号所用的并装在模块中的光波导的接收机电源电压的稍许变动均可能导致传播时间延迟几百nsec,这对这种模块的并联连接具有不可忽视的有害影响。

    因此,本发明的一个目的是提供一种新颖的电路装置和一种功率半导体模块,其中在并联连接情况下可避免上述诸问题。具体地说,本发明旨在使该功率半导体模块可不经过予选和不降低全额定性能情况下可同其他模块进行并联连接。

    该目的是在本文开头所述那种模块或电路装置中借助相应独立权利要求的特性来达到的。

    所以本发明的实质在于功率半导体模块除有选通连接和主连接以外,还有许多信号接线,这些接线在将多个模块并联连接时是相互连接的。再者,仅仅一个可自由选择的功率半导体模块被连接到控制装置。

    若根据本发明将多个模块并联连接时,则会导致由连到控制装置的那个模块驱动公共信号总线。因此所述那个模块即充当主模块,而其它模块则充当从动模块。

    最好,选通接线和控制装置间的连接以无电位方式进行,特别是,采用光波导。此外,可将这些模块安装在散热器(heat  sink)上。

    此外,在选通接线与信号接线之间可设置承担所需信号匹配的一接口。所述接口可仅在主模块情况下或在所有并联连接模块情况下设置。

    其他例举的实施例由相应从属权利要求显现。

    按本发明结构的优点,特别是:按本发明的多个模块能在不经过予选或减额(derating)情况下加以并联连接,因为主模块控制着其他模块,从而消除了本文开头所述的种种问题。而且,必须要制造的仅为一种类型的模块同时必须提供的仅为一种无电位连接。这就大大降低了用户的生产成本。还能有效地降低保养费,因为,首先,由主模块控制的全部模块的均匀负载延长了使用寿命,其次,可毫无困难地更换并联连接中的有故障模块。

    通过参考结合附图所作的下列详细说明,将会更好理解本发明更全面的应用及其许多附带优点,唯一附图(图1)表示按本发明的四个功率半导体模块的并联连接。

    现参照附图,图1示出一个按本发明的功率半导体模块(1)的结构。这可为任一种功率半导体模块,例如,GTO,晶体闸流管,IGBT或二极管模块。

    模块(1)总是包括一外壳(2),该外壳,例如,有两个主接头(connection)(3.1,3.2),至少一个选通接头(5.1,5.2)和若干信号接头(4.1-4.4)。选通接头包括(例如),用于传导离开该模块的信号的第一接头和用于导通到该模块的信号的第二接头。该模块属于(具体说)无电位设计并可(例如)通过光波导(8)连接到一个控制装置(图中未示)。最好,该功率半导体模块(1)被安装在(例如)其内有流过冷却剂的一个散热器(6)上。在此情况下,散热器(6)上设置有冷却剂接头(7.1,7.2)。按照一个最佳结构的改型,该液体接头(7.1和7.2)和光波导接头(5.1和5.2)设置在同一侧面上。

    按照本发明,该功率半导体模块(1)还有若干(图中示出四个)信号接头(4.1-4.4)。该信号接头可包括,例如:

    -用于触发开关的第一路径,

    -用于故障信号的第二路径,

    -用于该功率半导体模块计时的第三路径,和

    -可连接开关的栅极的第四路径。

    若将按本发明的多个模块(1)并联连接,则会产生具有,例如,以上诸信号的一条信号总线。最好将信号接头(4.1-4.4)都设置在外壳的单独的侧面上。

    此外,可在该功率半导体模块(1)中装有一接口,该接口将来自控制装置并通过光波导传送的信号变换为适用于该信号总线的信号。因此该信号接头(4.1-4.4)按信号方向(signalwise)被连接到选通接头(5.1,5.2)。

    在仅仅是连到控制装置的那个模块(1)配置一接口的情况下,该装置变得尤为廉价。

    若将多个按本发明的功率半导体模块(1)加以并联连接,则将产生如下所述电路装置。

    -仅仅一个,可自由选择的功率半导体模块(1)通过选通接头(5.1,5.2)连到一控制装置,

    -可按信号方向被连到选通接头(5.1,5.2)的若干信号接头(4.1-4.4)被互连和形成一信号总线。

    由于仅仅一块模块被连到控制装置,该模块起到一个主模块作用,其他模块随从它。这样,就有可能避免由多个模块并联连接所迂到的和本文开头提及的问题。

    总之,本发明提供了一种在包含并联连接模块的电路结构中能毫无困难地被用于达到最大功率的功率半导体模块。

    虽然,从上述教导的观点出发对本发明作出诸多改型和变动是可能的。因此除了在此详述的以外,本发明还可在所附权利要求书的范围内加以实施。

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一种电路装置和一种功率半导体模块,其中电路装置包括多个并联连接的功率半导体模块,而其中只有一个主模块被连接到一控制器。其他模块作为从模块并通过信号总线从主模块抽取触发所需信号。为此,功率半导体模块有许多互连的信号接头。该信号接头可按信号位置例如经接口连到选通接头。按本发明的功率半导体模块提供的电路装置,其多个模块能无限制地加以并联连接直至达到最大性能要求。 。

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