[發明專利]一種可隔離重構功率半導體模塊及其隔離重構方法

有效

• 申請號: 201710630639.1
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN109309446B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 劉文業;李彥涌;羅劍波;賴偉;范偉;李冬蕾
• 申請（專利權）人: 中車株洲電力機車研究所有限公司
• 主分類號: H02M1/32
• 分類號: H02M1/32;H02H7/12
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 陳暉

本發明公開了一種可隔離重構功率半導體模塊及其隔離重構方法，功率半導體模塊包括：兩組以上的功率芯片組，功率芯片組包括兩組以上采用對稱結構布置的功率芯片；與功率芯片的柵極相連的脈沖發生單元；與功率芯片的集電極和發射極分別相連的狀態檢測單元；分別與脈沖發生單元、狀態檢測單元相連的功率芯片管理單元；功率芯片組的集電極公共連接端，及發射極公共連接端至各個功率芯片的電氣主端子之間的連接段采用快熔材料。本發明能夠解決單個功率芯片或芯片組損壞的情況下，無法實現剩余正常功率芯片的電路和參數自平衡，需要緊急更換功率半導體模塊的技術問題。同時，還可以有效提高整個系統的可靠性，并降低功率半導體模塊的運營維護成本。

技術領域

本發明涉及功率半導體技術領域，尤其是涉及一種可隔離重構的功率半導體模塊及其隔離重構方法。

背景技術

隨著科研技術的進步和制造工藝的提高，IGBT模塊已成為電力電子領域理想的開關器件，已廣泛應用于新能源發電、機車牽引、高壓輸電等諸多關鍵領域中。典型的IGBT器件結構由鍵合線、芯片、焊料層、襯板上部銅層、襯板陶瓷層、襯板下部銅層、基板等組成。如附圖1所示，功率半導體模塊1包括基板14，及設置在基板14上的多個襯板13，襯板13上設置有多個功率芯片10，從襯板13上引出發射極端子15和集電極端子16。作為一種當前廣泛應用的功率開關元件，功率芯片10采用IGBT芯片，當然功率芯片10還可以采用其它功率開關元件，如晶閘管、GTO(Gate Turn-Off Thyristor，門極可關斷晶閘管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬氧化物半導體場效晶體管)、IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成門極換流晶閘管)等。

現有大功率IGBT元件通常由多組IGBT和Diode芯片焊接至襯板13上形成，當單片IGBT或Diode芯片因為故障不能使用時，整個IGBT元件都將報廢。進而，由IGBT元件所構成的功率變流器也將停止使用，其弊端是嚴重影響了變流系統的工作可靠性，并增加了IGBT元件及系統的應用成本。大功率IGBT元件一般以襯板13為載體分成幾塊芯片組單元構成，每塊襯板13上安裝有若干組IGBT、Diode芯片。IGBT元件常見的故障為過流和過壓故障，最終表現為器件電氣短路或開路。當IGBT通過大電流的情況下，鍵合線將燒壞。另外，當IGBT出現過壓擊穿時，在芯片表面擊穿點將出現大電流形成的熔點，使芯片組的C極(集電極)和E極(發射極)短路。以上故障共同作用的結果是：單個芯片出現故障將導致整個IGBT元件報廢。

當由IGBT元件構成的整個變流器出現IGBT元件故障時，系統將會出現停機故障，無法正常運營。另一方面，當大功率IGBT元件應用在軌道交通領域時，若列車運營途中冗余設備已經無法使用，將最終導致列車停在路中，需要依賴拖車拉回段內維修。在以上情況下，IGBT使用成本以及由IGBT過程變流器的運營成本將增加。目前，即使采用最新的IPM智能型IGBT模塊，雖然其能夠實現IGBT在非正常工況的主動實時保護，比如過流，短路，欠壓等，但一旦產生保護動作，將導致IPM封鎖開關脈沖，使變流設備中斷正常工作。另外，由很多組IGBT芯片所構成的IPM將直接報廢，使用和維護成本高的問題也一直存在。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種可隔離重構功率半導體模塊及其隔離重構方法，以解決單個功率芯片或芯片組損壞的情況下，無法實現剩余正常功率芯片的電路和參數自平衡，需要緊急更換功率半導體模塊的技術問題。

為了實現上述發明目的，本發明具體提供了一種可隔離重構功率半導體模塊的技術實現方案，一種可隔離重構功率半導體模塊，所述功率半導體模塊包括：

兩組以上的功率芯片組，所述功率芯片組包括兩組以上采用對稱結構布置的功率芯片；

與所述功率芯片的柵極相連的脈沖發生單元；

與所述功率芯片的集電極和發射極分別相連的狀態檢測單元；