[发明专利]功率模块、其控制方法及使用、以及功率模块栈

说明书

一种功率模块（10）包括：基于宽带隙衬底的多个常导通半导体开关（14），常导通半导体开关（14）被并联连接；以及平衡单元（24），包括串联连接的电容器（32）和平衡半导体开关（34），它们被并联连接到常导通半导体开关（14）。

技术领域

本发明涉及高电压功率转换器的领域。特定地说，本发明涉及功率模块和功率模块栈、功率模块的使用和用于操作功率模块的方法。

背景技术

对于高电压应用，一个半导体开关的阻断电压可不够高以阻断由功率转换器处理的高电压。在串联连接半导体开关时，结果开关的阻断电压容量被增大。

半导体开关的更高阻断电压可允许转换器拓扑的简化结构，其可具有降低系统复杂性，降低成本和增大可靠性的可能。例如，在像带有大量功率模块的高电压DC(HVDC)应用的模块式多级转换器拓扑中，一个功率模块的阻断电压的翻倍可将功率模块的数量减半，这可大幅简化系统复杂性。类似地，在多级中压驱动装置中，可能将3级拓扑替换为2级拓扑。

SiC和其它宽带隙材料开关以低开关损耗允许高阻断电压。因此，它们可很好地适合像HVDC或中压驱动装置的中压和高压应用。然而，除与动态和静态电压平衡有关的问题外，可存在在芯片失效情况下的问题。

在带有Si IGBT半导体开关的功率模块中，短路失效模式(SCFM)可用，其由直接连接到每个Si-IGBT半导体开关的金属垫片提供。在芯片失效情况下，该半导体开关的金属垫片和Si衬底一起形成导电合金。

对于SiC半导体开关和其它宽带隙材料开关，此熔化过程不可以采用可靠的方式被控制，使得单芯片失效可不但使该半导体开关失效，而且使整个转换器失效。

WO2015 090 428A1涉及一种处理转换器单元的失效的半导体开关模块的方法。该转换器单元包括单元电容器和多个半导体开关模块，每个半导体开关模块具有短路失效模式并且包括由栅极单元和切断开关可控的多个半导体子模块。

Kokokis Sotirios等人所著“Forced Current Balancing of Parallel-Connected SiC JFETs During Forward and Reverse Conduction Mode”(IEEETransactions on power electronics，电气和电子工程师协会，USA，vol.32，no.2)在图6(a)中示出被布置在测试电路中的两个并联的SiC JFET。这些JFET与开关和电容器并联连接。为测试这些JFET的并联连接，在电感器中生成电流，该电流随后被施加到这些JFET。

US 2011/267 852A涉及在带有冗余开关单元的转换器中的故障保护。示出了带有可以是IGBT或GTO的开关的紧压包装布置。

发明内容

本发明的目的是提供可靠的转换器拓扑，其仅需要很少的维护并且可与宽带隙半导体器件组合使用。

此目的通过本公开的技术方案而得以实现。其它示范实施例通过下面的描述得以阐明。

本发明的第一方面涉及一种功率模块。功率模块可以是由一个或多个半导体芯片、其电气和机械互连及用于这些组件的外壳组成的任何器件。用语“功率”在这里和在下文中可指适于处理大于100V和/或大于10A的电流的模块和/或半导体开关。

根据本发明的一实施例，该功率模块包括基于宽带隙衬底的多个常导通(normally-on)半导体开关，这些开关被并联连接。每个半导体开关可被提供在由宽带隙衬底制成的半导体芯片中。例如，常导通半导体开关可以基于SiC衬底。还有，常导通半导体开关可具有大于10kV的阻断能力。