[发明专利]用于功率半导体的隔离装置及其操作方法、功率模块和系统设备

说明书

目前，其中以高电压或大电流切换的电子系统设备配备有所谓的 功率模块。系统设备例如是风力发电机。功率模块包含一个或多个例 如为IGBT半桥形式的功率半导体。由于单个功率模块毁坏或故障， 可能会导致例如功率模块与系统地电位的短路或接地故障。当相应的 功率模块发生故障时，目前已知的手段是关闭系统设备，然后移除遭 到破坏的功率模块并对其进行更换或修理。在插入无故障的功率模块 之后，系统设备重又开始运行。因而功率模块的这种故障会导致系统 设备运行的突然或未预料到的中断或干扰，并从而导致可观的成本。

许多系统设备具有多个通常并行设置以增加系统总功率的功率 模块。如果在例如大规模并行的情况下单个功率模块发生了故障，则 系统功率实际上仅下降一点点。尽管有可能具有完好的并行设置或者 冗余设置的功率模块，但设备的运行在例如在单个有缺陷的模块中发 生短路的情况下不能维持正常。整个设备必须由于单个缺陷功率模块 的原因而被关闭。

本发明的目的是给出一种能够消除以上提到的缺点的改进了的 装置和方法。

关于装置的目的通过一种隔离装置来实现，该隔离装置用作功率 半导体或相关功率模块的镇流器，并能够与之一起操作。这种功率半 导体具有n个功率连接端，功率半导体经由这些功率连接端能够连接 到电网。如果功率半导体例如是半桥，则它具有三个连接端，即用于 直流电压中间电路的“+”连接端和“-”连接端、以及用于交流电网中的 一相的“AC”连接端。

因此，隔离装置具有相应数量的可连接到功率半导体的功率连接 端的n个模块连接端和可连接到电网的n个电网连接端。此外，隔离 装置还具有n条连接线路，这些连接线路中的每根线路分别把一个电 网连接端连接到一个对应的模块连接端。每条连接线路分别包含一个 过流保护器。

隔离装置包括一个连接到至少两个、但通常是连接到所有的过流 保护器的跳闸控制器。该跳闸控制器包括用于识别出过流保护器中的 至少第一个过流保护器断开的检测器，以及用于切断过流保护器中的 至少第二个过流保护器的跳闸单元。

换句话说，隔离装置能够以n极的方式连接在电网和功率半导体 之间。在这种情况下，每个极受到一个过流保护器的保护，即在过流 保护器完好的情况下，相应的极接通，而在过流保护器跳闸或断开的 情况下，功率半导体的各功率连接端与电网的相应的极隔离开来。检 测器监视过流保护器看是否发生了故障。跳闸单元用于有目的地切断 过流保护器。

根据本发明的隔离装置提供的优点是检测器了解到表明在功率 半导体中发生故障的过流保护器切断的情况。然后跳闸控制器可以通 过跳闸单元切断至少一个相关的过流保护器，它使得有缺陷的或者在 所连接的电网中造成问题的功率半导体的其它或剩余功率连接端从 电网被隔离开。在保护器切断以后，电网不再例如由于短路或接地故 障的原因而对功率半导体造成负担，并且能够继续被操作。借助于隔 离装置，即使功率半导体发生了故障，也可以维持电网的通常至少是 有限的操作。

因此，通过本发明使得可以避免在系统设备中操作的中断，节省 开销，并且确保了系统设备的不受故障影响的进一步操作。特别具有 显著优点的是用在诸如风力发电机的能量产生设备中。

在本发明的一个优选实施例中，检测器和/或跳闸单元分别被分 配给的所有过流保护器。因此，隔离装置在第一种情况下具有完全的 诊断可能性，并且在第二种情况下，还具有使功率半导体的任意或所 有功率连接端从电网隔离的完全的可控性。如果需要的话，整个功率 半导体可以被从电网完全地隔离，即所有的n个连接端都从电网隔离。

在本发明的另一个优选的实施方式中，过流保护器是熔断保险 丝。原则上，隔离装置还可以被构造带有自动安全断路器的隔离装置。 然而，特别是在大规模并行系统设备的情况下，例如在具有许多并行 功率模块的风力设备中，这会导致非常大的开销。相比之下，熔断保 险丝是成本低廉的，因此使得整个隔离装置成本低廉。