[0001] 本发明涉及电力电子学。

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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)。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 弹簧为FSS内部的能够存储势能的任意元件。因此，弹簧可以为片簧、在张力作用下扭曲的金属或作用于加压气体的活塞。优选地，弹簧为螺旋弹簧。弹簧优选地迫使短路元件将开关闭合。

[0013] 触发元件包括适于将弹簧保持于存储能量状态并且将存储的能量从弹簧释放的任意装置。触发元件优选地包括响应于来自能量获取元件的温度增加而触发弹簧的材料。触发元件优选地在达到预定温度时触发弹簧。在一种实施方式中，优选地，当触发元件经受的增加的温度导致触发元件的物理状态的变化足以使触发元件变性而由此除去了用于将弹簧保持在存储能量状态所需的力时，触发元件释放存储在弹簧内的能量。合适的触发元件的示例包括但不限于：低熔点金属、焊料、可变形的夹子或双金属带。优选地，触发元件为形状记忆合金。触发元件可以是磁性装置。

[0014] 短路元件包括适于使开关闭合的任意装置。因此，短路元件可以为导电元件并且与电气装置和/或开关的电端子连接。短路元件也可以是非导电元件但适于致动导电元件以在电气装置和/或开关内建立电路路径。优选地，短路元件适于在IGBT的集电极与发射极之间接通电路路径。

[0015] 可选地，FSS还包括容纳FSS的所有部件的壳体。壳体优选地适于容纳电气装置的适于电连通的各部分。优选地，所述各部分包括母线或等同物。优选地，壳体是绝缘的。

[0016] 现将参照附图，通过举例说明的方式，更详细地描述本发明的优选实施方式。

[0017] 图1示出了根据本发明的在起始位置处并且在尚未达到预定电流的情况下的FSS的实施方式的示意性侧视图。

[0018] 图2示出了根据本发明的在激活位置处、在已经达到预定电流的情况下并且在适当位置处具有短路电流路径的FSS的实施方式的示意性侧视图。

[0019] 图3示出了根据本发明的在起始位置处并且在尚未达到预定电流的情况下的FSS的实施方式的三维示意图。

[0020] 图4示出了根据本发明的在激活位置处、在已经达到预定电流的情况下并且在适当位置处具有短路电流路径的FSS的实施方式的三维示意性侧视图。

[0021] 在图1中，示出了电气装置的总体上由1表示的故障安全开关(FSS)。FSS1处于起始位置并且处于尚未达到预定电流的情况。FSS1包括能量获取元件10、弹簧20、触发元件30以及短路元件40。

[0022] 能量获取元件10为连接至电路的其他部分(未示出)的由高阻抗金属制成的环形加热元件。能量获取元件10具有围绕触发元件30延伸的两个弓形部分。能量获取元件10还具有与两个弓形部分结合的环形部分(在图3和图4中示出)。弹簧20为螺旋金属弹簧。短路元件40为具有延伸到元件10的中央部中的窄部和位于弹簧20之上的宽部的绝缘活塞。弹簧20围绕短路元件40的窄部延伸并且推压短路元件40的宽部和壳体44。
触发元件30为呈围绕短路元件40的活塞的窄部中的周向凹槽延伸的弹性挡圈形式的形状记忆合金。短路元件40在其最上表面上还具有导电板42。以上描述的FSS1的所有部件如图1所示进行组装。在图1中的实施方式中还示出了包含FSS的所有部件的绝缘圆柱形壳体44。

[0023] FSS1如图1所示进行组装，并且与电气装置(未示出)进行并联连接。在这样的位置中，弹簧20由短路元件40的活塞的宽部压缩抵靠壳体44。通过触发元件30防止短路元件在壳体内移动，该触发元件30围绕短路元件40的窄部延伸并且与能量获取装置10的边缘接合。

[0024] 在电气装置发生故障事件时，例如，发生高电流失效时，来自电气装置内的高电流失效的能量的一部分被能量获取元件10获取。在能量获取元件10中，这部分能量被具有增强的热阻的精心设计的串联阻抗获取。响应于失效电流，预定电流产生显著的焦耳加热和增大的通态电压。升高的温度通过改变位于短路元件40的窄部周围的触发元件30的高温度敏感性的形状记忆合金的状态来触发该触发元件30。一旦发生这种情况，短路元件40被允许在壳体44内移动。因此，弹簧20驱动短路元件40以在电气装置的(在图2中的E区中的)部件与导电板42之间产生短路。例如，这些部件可以是IGBT的集电极和发射极。如此，开关闭合，并且围绕电气装置形成电流旁路。通过装置的部件可以预设预定电流的水平使得电路路径在接近电气装置发生故障时接通。有利地，在所计划的维护期间，能够替换包括FSS1的电气装置(例如IGBT)。还有利地，在多个电气装置(例如多个IGBT模块)被连接在一起以控制电气应用(例如用于火车的电动机)的情况下，一个或更多个装置的故障不会导致电气应用的整体故障。因此，甚至当在一个或更多个电气装置中发生故障事件时，电气应用仍能继续工作。

[0025] 在另一实施方式中，能量获取元件为高热阻(Rth)桥。能量获取元件经由焦耳加热获取来自故障事件的能量。弹簧为如上所描述的，并且围绕该桥进行定位。FSS还包括能够与弹簧和能量获取元件接触的热散布器。热散布器优选地散布由能量获取元件传递的热能量。FSS具有由形状记忆合金制成的弹性挡圈。当尚未经受故障事件时，弹性挡圈围绕弹簧延伸并且阻止弹簧延伸。FSS还包括负载板。该负载板包括保持触发元件的区域中/附近的能量的具有低热阻(Rth)的任意材料。短路元件设置在负载盘的顶部。当开关已经被致动时，短路元件使IGBT的母线或其他电气装置短路。也就是说，在使用中，当电气装置经受故障事件时，到达高热阻桥的预定电流加热弹性挡圈并且使弹性挡圈变性，由此释放弹簧上的保持力。由此，弹簧迫使短路元件与电气装置所处的电路接触，并且电路路径接通。