Power semiconductor module of the short-circuit device

本発明は、接続手段を介して直列回路の構成のために互いに接続されたパワー半導体モジュールを備え、各パワー半導体モジュールに、該各パワー半導体モジュールの短絡のために短絡装置が付設されている装置に関する。

このような装置は、独国特許出願公開第１０３２３２２０号明細書から公知である。 それには、ブリッジアームを備えたブリッジ回路を含むコンバータが開示されている。 この場合、各ブリッジアームは、接続手段を介して互いに接続されたパワー半導体モジュールの直列回路を有する。 ２極のパワー半導体モジュールは、制御可能な、個々のスイッチング状態において異なる端子電圧を示す。 更に、各パワー半導体モジュールは、エネルギー蓄積器を有する内部の電圧中間回路を含んでいる。 パワー半導体モジュールは、各パワー半導体の圧力接触を介して互いに接続されていない。 従って、パワー半導体モジュール内部の短絡はアークの発生をもたらすことがあり、アークは結果として爆発ガスを伴う。 アークから起電力を取り去るために、故障パワー半導体モジュールは、短絡され、このやり方で直列回路内において橋絡される。 この短絡のために、パワー半導体モジュールには、半導体からなる犠牲構成要素を含む短絡装置が並列接続されている。 犠牲構成要素は故障発生の際の短絡時にブレークダウンし、このとき犠牲構成要素が破壊される。 しかし、公知の短絡装置は、複雑な構造を有し高コストである。

独国特許出願公開第１９９５５６８２号明細書から、主電流路開放のための装薬を有する高電圧用電流制限装置が公知である。 主電流路開放後に電流がコンデンサを有するバイパス路に転流する。 コンデンサのインピーダンスに依存して、装置を介して流れる電流が制限される。

独国特許第１０２５４４９７号明細書には、反応混合物の光化学反応を活性化するために使用される光出力信号を有する光受信器を備えた短絡装置が開示されている。 発生する故障アークの光が、光導波路を介して反応混合物を満たされた反応室に導かれる。 反応混合物の光化学的点火によって反応室内において爆発的な圧力上昇が起き、それによってこの場合にも短絡装置が機械的に操作される。

更に、独国特許出願公開第１０３２３２２０号明細書から、爆発物点火手段を備えた電気スイッチ用の駆動装置が公知である。

本発明の課題は、信頼性が高く同時に低コストの短絡装置を有する冒頭に述べた如き装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、短絡装置が、起爆装置と起爆装置によって移動可能な作動手段とを有する火工技術的機械要素であることによって解決される。

本発明の枠内においては、低コストの火工技術的機械要素がパワー半導体モジュールの橋絡のために使用される。 このような火工技術的機械要素は、例えばシートベルトテンショナとして、又は装甲車両を開口用として知られている。 火工技術的機械要素は高速の応答時間の他に極めて高い信頼性を有する。 更に、起爆装置の作動のために限られたエネルギーしか必要としないが、しかし発生する圧力波を介して火工技術的機械要素の残りの構成部分内に移動可能に支持された作動手段へ大きな力が導入される。 作動手段は、作動時に予め定められた行程区間にわたってのみ移動可能に支持されていることが好ましい。 かくして、本発明による装置の敏感な構成部分の損傷を更に回避することができる。 本発明によれば、長寿命の場合にも信頼性の高い開閉が可能となる。 従って、火工技術的機械要素の使用は、例えばモジュール構成されていてかつ個々のモジュールが接続手段を介して接続されている電力変換器のような本発明による装置の構成を可能にする。 従って個々のパワー半導体モジュールの高価な圧力接触が不要となる。 それ故、電力変換器が低コストにて製造可能である。 短絡時には故障パワー半導体モジュールを火工技術的機械要素により確実に短絡することができるので、電力変換器の残りの部分の損傷又は電力変換器付近でのけがの発生を本発明によれば高信頼性をもって回避できる。 配電分野における火工技術による作動は確かに公知であるが、本発明によれば、敏感なパワー半導体モジュールと一緒にして起爆装置を使用することも可能であることを確認した。 このため、各火工技術的機械要素は、本発明の枠内において、パワー半導体モジュールに関して、作動時におけるその際に行なわれる爆発による上記損傷を回避できるように配置され、又はそのように装備される。

各パワー半導体モジュールは、例えば少なくとも１つのコンデンサの如き、少なくとも１つの付設のエネルギー蓄積器を持つことが好ましい。

本発明の有利な構成によれば、火工技術的機械要素が容器を有し、該容器内に起爆装置が配置される。 容器により、例えばパワー半導体モジュールの保護が可能となる。 容器は爆発時における容器又は火工技術的機械要素のその他の部分の破裂が回避されるような厚みに構成されているとよい。

これに関して適切な本発明の発展形態によれば、容器が作動時に気密なので、爆発ガスの発生が回避される。 この方法で、起爆装置の爆発に伴うパワー半導体モジュールの損傷の危険が回避される。 火工技術的機械要素は、作動時に作動手段の移動が行なわれるにすぎないように構成される。 他の副次的な作用は、この発展形態によれば、本発明の範囲内では発生しない。 これと関連して、室温における起爆装置の点火後に外側への爆発ガスの解放なしに約６０℃まで加熱されるにすぎない火工技術的機械要素が既に公知である。

火工技術的機械要素は、起爆装置の作動のための少なくとも２つの制御線を有すると好ましい。 ２つの制御線を設けることで、爆発セットの冗長制御が可能となり、それによって作動の信頼性を更に高められる。

火工技術的機械要素は、少なくとも導電材料からなり、作動位置において、火工技術的機械要素に付設されているパワー半導体モジュールが短絡されているように、直列回路をバイパス路に接続することが好ましい。 この本発明の発展形態によれば、故障時に電流の流れが火工技術的機械要素自体を介して行なわれる。 換言すれば、火工技術的機械要素が故障パワー半導体モジュールのためのバイパス路の一部を構成する。

火工技術的機械要素は電気的に点火可能であるとよい。 このような電気点火は、信頼性が高く、かつ低コストでもある。

これに関する発展形態によれば、火工技術的機械要素が、付設のパワー半導体モジュールの監視すべき電気信号の検出のために少なくとも１つの測定センサを有し、各測定センサが、起爆装置の電気点火のために装備されている制御ユニットに接続される。 制御ユニットは、例えば内部ロジックに基づいて監視すべき信号を検査するように構成された適切なロジックを装備している。 監視すべき信号は、例えば監視すべきパワー半導体モジュールのコンデンサに生じる電圧、電流又は前記電圧又は前記電流の時間的変化に比例する。 電圧が監視される場合には、測定センサは、例えばその電圧に依存した電圧信号を発生する検定された電圧変成器であり、この電圧信号が制御ユニットによってサンプル値の取得のためにサンプリングされ、サンプル値がアナログ−ディジタル変換器によってディジタル電圧測定値に変換される。 ディジタル電圧測定値を、例えばパラメータ化された閾値と比較するとよい。 しかしながら、これとは違って測定センサ信号のアナログ評価も可能である。 このような作動制御過程は専門家によく知られているので、これに関して更に詳細に立ち入ることは必要としないところである。

移動可能な作動手段が、起爆装置によって容器内へ引き込み移動可能であるとよい。 このような火工技術的機械要素は市場において「Pin puller」なる名称で知られている。 この有利な発展形態によれば、火工技術的機械要素が錠のように作用し、鎖錠が起爆装置の作動後に解除され、例えば予め付勢されていたばねが解放され、ばねが付設のスイッチ又は接触子を閉成する。

開閉移動が火工技術的機械要素によって直接的に発生可能であるように、移動可能な作動手段を容器から外の方へ移動させることも可能であることは自明である。 これにひき続き、開閉移動が適切な運動に変換されることによって、接触子が各付設のパワー半導体モジュールの橋絡ために接続される。 火工技術的機械要素は、例えば火工技術的アクチュエータなる概念の下に知られている。 移動の行程区間は、この場合にも制限されて設計されるので、装置の他の構成部分の損傷の危険は回避できる。

本発明による装置は補助接点を持つとよい。 その補助接点を用いて、火工技術的機械要素が点火後に作動したかどうかをチェックできる。

以下において、図面を参照しながら本発明の実施例に基づいて本発明の他の好ましい構成および利点を更に説明する。 図面中、同じ作用をする構成要素には同じ参照符号を付している。 図１は作動ユニットを有する火工技術的機械要素を概略図で示し、図２は火工技術的機械要素の実施例を示し、図３は図２による他の実施例を示す。

図１は火工技術的機械要素１の実施例を示し、該要素１は気密容器を有し、この容器内に起爆装置が配置されている。 起爆装置の作動に伴い、図１では見えない作動手段の移動が起こり、該作動手段の駆動移動がスイッチ又は短絡器３の閉成のために適切な運動２へ導入される。 スイッチ３が閉じると、パワー半導体モジュールの直列回路内に配置されたパワー半導体モジュールが橋絡される。 上述の直列回路は電力変換器の一部である。

火工技術的機械要素１の作動のために、図１には図示しない測定センサと接続線５を介して接続されている制御ユニット４が設けられている。

図１の実施例において、制御ユニットはパワー半導体モジュール１の監視のために用いられる。 パワー半導体モジュール１は前述のパワー半導体モジュール１に付設された図示しない、例えばコンデンサの形態のエネルギー蓄積器を有する。 制御ユニット４は、接続線５を介して、コンデンサに現れる電圧を監視する。 短絡時には電圧の急崩壊が起こる。 この勾配が予め定めた閾を上回った際に、制御ユニットは火工技術的機械要素１の起爆装置の爆発を作動させ、それによってスイッチ３の閉成をもたらす。 この方法で故障のあるパワー半導体モジュールが橋絡され、故障のあるパワー半導体モジュール１と直列に接続された残りのパワー半導体１を介する電流の流れが可能となる。

更に、定められた電圧閾値の超過が検出可能であり、それによりパワー半導体モジュール１内における故障が推定可能である。 この場合、パワー半導体モジュールのコンデンサに現れるコンデンサ電圧の更なる増大およびそれにともなう該コンデンサにおける高いエネルギー単位を回避すべく、このパワー半導体モジュールは直ちに短絡される。

制御ユニットへの給電のために、接続線７を介して電源に接続された給電用電子装置６が設けられている。

図２は、容器８、開閉ピン９ならびに制御線１０を持った火工技術的機械要素１の実施例を示す。 容器８内での起爆装置の爆発が、容器８内への開閉ピン９の引き込みを生じさせる。 容器８は適切な密閉手段によって気密に構成されているので、起爆装置の爆発にも係わらず容器外への爆発ガス発生は回避できる。 従って、敏感なパワー半導体エレメントの損傷が、本発明のこの発展的構成の枠内において回避できる。

開閉ピン９は、図示の実施例では鎖錠のために役立つ。 この理由から開閉ピン９の先端は楔形であり、楔形先端が開閉棒１２の相補的な穴１１に結合する。 正常動作時には圧縮ばね１３が鎖錠された開閉棒１２によって予め付勢されている。 火工技術的機械要素１の作動後に圧縮ばね１３の鎖錠が解除され、圧縮ばね１３が解放されるので、橋絡接触部１５による接触子１４の橋絡がもたらされる。 橋絡接触部１５が接触子１４を橋絡する場合には、故障のある当該パワー半導体エレメントが橋絡される。

図３は火工技術的機械要素１の他の実施例を示す。 この火工技術的機械要素１は、図示の実施例では、完全に導電材料、例えば適切な金属から作られている。 図２による実施例に対応し、図３に示す火工技術的機械要素１は容器８と開閉ピン９を有する。 図２に示す実施例と異なり、開閉ピン９は起爆装置の爆発時に容器８から外へ飛び出すように構成されている。 図示の動作状態においては、開閉ピン９が対向接触子１４から分離している。 しかしながら、外に飛び出した状態で開閉ピン９と対向接触子１４との間の接触が生じ、従って火工技術的機械要素１を介する電流の流れが可能となり、故障のあるパワー半導体モジュールが橋絡される。

作動ユニットを有する火工技術的機械要素を示す概略図

火工技術的機械要素の実施例を示す概略図

火工技術的機械要素の他の実施例を示す概略図

符号の説明

１ 火工技術的機械要素、２ 運動、３ スイッチ、４ 制御ユニット、５ 接続線、６ 給電用電子装置、７ 接続線、８ 容器、９ 開閉ピン、１０ 制御線、１１ 穴、１２ 開閉棒、１３ 圧縮ばね、１４ 接触子、１５ 橋絡接触部