[发明专利]故障安全开关

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子学。

背景技术

根据拨款协议第283857号，执行本发明的工作已获得来自欧盟第七框架计划(FP7/2007-2011)的资助。

在电力电子学领域中，绝缘栅双极晶体管(IGBT)半导体装置用于开关应用，例如，用于高压直流转换器。在发生失效的情况下，传统的导线联结的塑料模块在失效电流非常大的情况下可能不能断开电路。

为了比用单独装置实现更高的截止电压，已经研究了压装模块，其被设计为堆叠在彼此之上(参见US6426561、EP1403923、US2002/0060371)。施加到每个装置的压力确保了适当的电连接和热连接。为了保护模块内部的精细的芯片，可以提供活塞或弹簧从而限制芯片上的压力。任何过大的压力都由模块壳体支撑。在存在缺陷或高电流峰值的情况下，硅熔化形成产生稳定短路的导电通道。然后，堆叠中的其余模块承受额外的负载，单个有缺陷的模块将不会导致整个堆叠出现故障。芯片还可以设置有覆盖芯片的一部分的牺牲层。该层可以包含例如银，该层与半导体材料一起形成低共熔混合物，该低共熔混合物的熔点低于两种组成材料的熔点。因此，这提供了短路，同时保全了芯片的一部分。然而，现有的故障短路IGBT模块是压装装置，并且就给予故障短路能力的问题提供既复杂又昂贵的解决方案。

如今已经研究出故障安全开关，其克服了或基本上减轻了与现有技术关联的上面提到的和/或其他缺点。

发明内容

在本发明的第一方面中提供了一种电气装置，该电气装置具有与其并联连接的故障安全开关，该故障安全开关包括：机械致动器，该机械致动器响应于通过电气装置的预定电流而激活以使开关闭合，由此形成电气装置的电流旁路。

根据本发明的故障安全开关(FSS)的优势在于：其获取包含在电气装置的灾难性故障事件中或与电气装置的灾难性故障事件关联的能量的一小部分。使用所获取的能量来释放先前存储的势能以形成低阻抗电流路径短路。因此，即使当发生故障事件时，其内设置有电气装置的电路路径仍保持闭合。FSS设计成使得正常的电流和瞬时但安全的失效电流二者不会启动开关内的触发器，但是较大的失效电流，例如由于半导体故障引起的较大失效电流将启动FSS的动作并且快速地提供安全的短路电流路径。根据本发明的FSS的另一优势在于：其在行业标准封装和轮廓内提供了可以依靠n+1冗余的串联连接的应用中使用的塑料封装件。

根据本发明的电气装置为如下电气装置：其所经受的电流可以高达几千安培且在几千安培的量级内并且其所经受的电压可以高达几千伏且在几千伏的量级内。这样的装置的示例可以包括但不限于如在运输车辆中使用的功率质量管理系统、电压源转换器、高压传输系统或牵引逆变器。这些装置的其他示例可以包括但不限于可控硅整流器(SCR)/晶闸管、GTO(栅控晶闸管)、BJT(双极结型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)、IGFET(绝缘栅型场效应晶体管)或二极管。优选地，电气装置为IGBT(绝缘栅双极晶体管)。

机械致动器为适于接通该装置所处的电路的任意机械器件。机械致动器优选地包括能量获取元件、触发元件、弹簧以及短路元件。

能量获取元件为获取来自电气装置的故障事件的能量并且触发所述触发元件的任意元件。电气装置的故障事件优选为装置经受例如由于半导体故障引起的较大失效电流的情况。电气装置的非故障事件优选为装置经受正常电流或瞬时但安全的失效电流的情况。能量获取元件可以得到与故障事件关联的能量的至少一部分，从而与触发元件一起运用。预定电流优选为从电气装置的故障事件中获得或者与电气装置的故障事件关联的电流。优选地根据很可能损坏电气装置的电流水平来设置预定电流。很可能损坏电气装置的电流水平通过装置的部件的容限、预设的部件参数、物理特性和/或电路以及各部件来确定。

能量获取元件优选地响应于通过能量获取元件的电流而提高温度。能量获取元件的温度优选地正比于通过能量获取元件的电流。能量获取元件可以为具有高热阻(Rth)的元件。在这种情况下，高热阻描述了能量获取元件的如下性能，该性能使得当预定电流通过能量获取元件时，使该元件变热至能够触发所述触发元件的程度。该能量获取元件可以为FSS内部的具有设计阻抗的结构，该设计阻抗响应于预定电流呈现出显著的焦耳加热。优选地，能量获取元件为高热阻(Rth)金属元件。能量获取元件也可以为SCR、半导体或硅芯片。