(57)【要約】  少なくとも１つのパワー半導体素子（７）と、パワー半導体モジュール（２）の接続のための接続端子（９，１０）と、ハウジング（１１）とを備えた配電用のパワー半導体モジュール（２）であって、アーク発生時にも爆発保護が可能なパワー半導体モジュール（２）を提供するために、各パワー半導体素子（７）および各接続端子（９，１０）がハウジング（１１）内に配置され、ハウジング（１１）が、爆発時の熱気および／又はプラズマの制御された排出のための排気通路（１２）を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのパワー半導体素子（７）と、パワー半導体モジュール（２）の接続のための接続端子（９，１０）と、ハウジング（１１）とを備えた配電用のパワー半導体モジュール（２）において、
各パワー半導体素子（７）および各接続端子（９，１０）がハウジング（１１）内に配置され、ハウジング（１１）が、爆発時の熱気および／又はプラズマの制御された排出のための排気通路（１２）を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
排気通路（１２）が、耐熱性を有する通流可能な充填材で満たされており、充填材が大きな内部表面積を有することを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
【請求項３】
耐熱性を有する充填材がセラミックスから作られていることを特徴とする請求項２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項４】
耐熱性を有する充填材が金属フォームであることを特徴とする請求項２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項５】
金属フォームが開孔の金属フォームであることを特徴とする請求項４記載のパワー半導体モジュール。
【請求項６】
耐熱性を有する充填材が金属ウールであることを特徴とする請求項２記載のパワー半導体モジュール。
【請求項７】
ハウジング（１１）がプラスチックハウジング又は金属ハウジングであることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のパワー半導体モジュール。
【請求項８】
パワー半導体素子（７）がターンオフ制御可能なパワー半導体素子であることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載のパワー半導体モジュール。
【請求項９】
第１の接続端子（９）と、第２の接続端子（１０）と、エネルギー蓄積器（５）と、直列接続され制御可能な２つのパワー半導体素子（７）を有し、かつエネルギー蓄積器（５）に対して並列接続されたパワー半導体アーム（６）とを備え、
各制御可能なパワー半導体素子（７）に、逆向きのフリーホイールダイオード（８）が並列接続されていて、
パワー半導体アーム（６）の第１の制御可能なパワー半導体素子（７）のエミッタと第１の制御可能なパワー半導体素子（７）に付設された逆向きのフリーホイールダイオード（８）のアノードとの接続点が第１の接続端子（９）を形成し、パワー半導体アーム（６）の制御可能なパワー半導体素子（７）同士の接続点およびフリーホイールダイオード（８）同士の接続点が第２の接続端子（１０）を形成することを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
第１の接続端子（９）と、第２の接続端子（１０）と、エネルギー蓄積器（５）と、２つの直列接続された制御可能なパワー半導体素子（７）とを有し、かつエネルギー蓄積器（５）に対し並列接続されたパワー半導体アーム（６）とを備え、
各制御可能なパワー半導体素子（７）に、逆向きのフリーホイールダイオード（８）が並列接続されていて、
パワー半導体アーム（６）の第１の制御可能なパワー半導体素子（７）のコレクタと第１の制御可能なパワー半導体素子（７）に付設された逆向きのフリーホイールダイオード（８）のカソードとの接続点が第１の接続端子（９）を形成し、パワー半導体アーム（６）の制御可能なパワー半導体素子（７）同士の接続点およびフリーホイールダイオード（８）同士の接続点が第２の接続端子（１０）を形成することを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の１つに記載のパワー半導体モジュール（２）からなる直列回路を備えた電力変換器弁アーム。
【請求項１２】
請求項１１記載の電力変換器弁アーム（１）からなるブリッジ回路を備えた電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのパワー半導体素子と、パワー半導体モジュールの接続のための接続端子と、ハウジングとを備えた配電用のパワー半導体モジュールに関する。
【０００２】
このようなパワー半導体モジュールは独国特許出願公開第９８３９４２２号明細書から既に公知である。それには半導体モジュールのための爆発保護が開示されていて、パワー半導体素子の爆発時に放出される破片を受け止める保護カバー内に半導体素子が配置されている。このようにして、人又は隣接の構成部分が爆発よって損傷を被ることを防止しようとするものである。公知のパワー半導体構成要素における欠点は、爆発保護がアーク発生時に十分な保護を保証するのに適していないことにある。
【０００３】
従って、本発明の課題は、爆発保護がアーク発生時にも用意されている冒頭に述べた如きパワー半導体モジュールを提供することにある。
【０００４】
本発明は、各パワー半導体素子および各接続端子がハウジング内に配置されていて、ハウジングが爆発時の熱気および／又はプラズマの制御された排出のための排気通路を有することによって解決される。
【０００５】
本発明では、構成部分内に本来のパワー半導体素子が配置されるだけではない。むしろパワー半導体電子装置の全ての構成要素がハウジング内に配置されていて、ハウジング自体がパワー半導体モジュールの一部でもある。パワー半導体電子装置は、例えば全てのパワー半導体素子、従って全ての制御可能なパワー半導体素子およびこれらに並列に接続されたフリーホイールダイオード並びにパワー半導体素子の制御のための制御ユニットを含む。パワー半導体モジュールの接続端子の自由端だけが、このパワー半導体モジュールを他の構成部分、例えば本発明による他のパワー半導体モジュールに接続すべく、ハウジングから外に導き出される。従って、パワー半導体素子の１つによって故障時に引き起こされるアークはハウジング内で発生し、ハウジングにより外に向けては遮蔽される。爆発力および発生する熱気を制御して外に向けて排出すべく外に向けて排気通路が設けられる。この場合、流出する熱気又は放出される破片が隣接構成部分も人も傷つけることがないように、排気通路が案内され、かつ排気通路出口が適切に位置決めされる。
【０００６】
排気通路が耐熱性を有する通流可能な充填材で満たされ、充填材が大きな内部表面積を有するとよい。この有利な本発明の発展形態によって、流出する熱気又はプラズマが排気通路からの流出前に充填材により冷却される。冷却は充填材の内部表面積が大きい程一層大きくなる。更に充填材は、故障時の爆発に際し形成される加速された粒子を押しとどめる。更に、充填材によって圧力軽減が可能となる。
【０００７】
これに関する適切な発展形態では、耐熱性を有する充填材が、例えばセラミックスから作られている。この場合、セラミックスは、熱ガス又はプラズマが通流可能のままであるように、セラミックスの中に多数の内部通路および通り抜け可能な孔が存在するように構成されているとよい。更に、セラミックスは耐熱性を有し、アーク発生時に生じる高温に大きな損傷なしに耐えることができる。
【０００８】
しかし本発明の有利な変形例では、耐熱性の充填材として金属フォームを用いる。適切な金属フォームが市場で入手でき、それ自体問題なく購入可能である。金属フォームは大きな内部表面積と小さな重量を有する。更に、金属フォームの熱容量は非常に大きく、アーク時に高いプラズマ温度に耐える耐熱性も十分である。更に、金属フォームは抵抗能力を有するので、粒子が効果的に押しとどめられ、更に特に高い圧力軽減が可能である。
【０００９】
これに関する適切な発展形態では、金属フォームは開孔の金属フォームである。金属フォームの開孔によって熱気およびプラズマのための十分な通流性が保証されるので、ハウジング全体の爆発が効果的に防止される。
【００１０】
これとは異なり、耐熱性を有する充填材は金属ウールである。金属ウールは、所謂無秩序な金属糸玉を形成し、「金属スポンジ」とも呼ばれる。金属ウールはしばしば火炎跳ね返り防御手段として使用され、例えば金属フォームよりも低コストで適用可能である。
【００１１】
ハウジングは、本発明の枠内において、基本的に、あらゆる適切な温度に対し耐熱性を有しかつ十分な機械的頑丈さを有するハウジングから構成できる。しかしながら、ハウジングはプラスチックハウジング又は金属ハウジングであるとよい。プラスチックハウジングのプラスチックは繊維によって強化されるとよい。
【００１２】
パワー半導体素子がターンオフ制御可能なパワー半導体素子を含むとよい。ターンオフ制御可能なパワー半導体素子は、電気制御信号によって、パワー半導体素子を介する電流の流れが遮断されている阻止状態からターンオフ制御可能なパワー半導体素子を介する電流の流れが可能にされている導通状態へ移行可能である。そして更に、ターンオフ制御可能なパワー半導体素子の導通状態から阻止状態への移行を能動的に制御パルスにより起こさせることができる。ターンオフ制御可能なパワー半導体素子自体は専門家に知られており、市場で入手可能である。ターンオフ制御可能なパワー半導体素子の例がＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、ＧＴＯなどである。
【００１３】
本発明の有利な実施形態によれば、パワー半導体モジュールが、第１の接続端子と、第２の接続端子と、エネルギー蓄積器と、２つの直列接続された制御可能なパワー半導体素子を有しかつエネルギー蓄積器に対し0並列接続されたパワー半導体アームとを有し、各制御可能なパワー半導体素子に逆向きのフリーホイールダイオードが並列接続されていて、パワー半導体アームの第１の制御可能なパワー半導体素子のエミッタと第１の制御可能なパワー半導体素子に付設された逆向きのフリーホイールダイオードのアノードとの接続点が第１の接続端子を形成し、パワー半導体アームの制御可能なパワー半導体素子同士の接続点およびフリーホイールダイオード同士の接続点が第２の接続端子を形成する。このような回路はマルクワルト回路としても公知になっていて、第１のスイッチング状態において接続端子に現れる電圧が零に等しく、第２のスイッチング状態においてエネルギー蓄積器の電圧に等しい。
【００１４】
これとは違って、パワー半導体モジュールが、第１の接続端子と、第２の接続端子と、エネルギー蓄積器と、２つの直列接続された制御可能なパワー半導体素子を有しかつエネルギー蓄積器に対して並列接続されたパワー半導体アームとを持ち、各制御可能なパワー半導体素子に逆向きのフリーホイールダイオードが並列接続されていて、パワー半導体アームの第１の制御可能なパワー半導体素子のコレクタと第１の制御可能なパワー半導体素子に付設された逆向きのフリーホイールダイオードのカソードとの接続点が第１の接続端子を形成し、パワー半導体アームの制御可能なパワー半導体素子同士の接続点およびフリーホイールダイオード同士の接続点が第２の接続端子を形成する。これは、殆ど同じ特性を有するマルクワルト回路の代替構成である。
【００１５】
更に、本発明は、先行する請求項の１つによるパワー半導体モジュールからなる直列回路を備えた電力変換器弁アームに関する。
【００１６】
更に、本発明は、上述の電力変換器弁アームからなるブリッジ回路を備えた電力変換器に関する。
【００１７】
換言すれば、本発明は、本発明によるパワー半導体モジュールの直列回路から構成された電力変換器にも関する。このような電力変換器はマルチレベル電力変換器と呼ばれる。マルチレベル電力変換器は、個々のパワー半導体モジュールの電圧の段階的な投入および遮断を可能にし、従って細かい正確な電圧制御を可能にする。
【００１８】
本発明の他の適切な実施形態および利点は、以下における図面の図を参照する本発明実施例の説明の対象であり、同じ符号は同じ作用をする構成部分を示す。
【００１９】
図１は、パワー半導体モジュール２の直列回路からなる本発明による電力変換器弁アーム１の実施例を示す。電力変換器弁アーム１は互いに直列に配置されている。電力変換器弁アーム１内のパワー半導体モジュール２の個数は、各用途に従い、特に必要な電圧に従って用意される。従って、個数は数１０個から数１００個迄のパワー半導体モジュール２の間で変わり得る。
【００２０】
電力変換器弁アーム１間には交流電圧端子３が設けられている。交流電圧端子３は交流電圧系統の１つの相に接続するために設けられている。各電力変換器弁アーム１の交流電圧端子３と反対側の端部に、直流電圧端子４が設けられている。それ故、各電力変換器弁アーム１は、交流電圧端子３と直流電圧端子４との間に配置されている。従って、本発明による電力変換器の実施例は、３相交流電圧系統に接続されるべきである場合に、例えば６つの電力変換器弁アームからなり、該電力変換器弁アームが、これ自体公知であるブリッジ回路に互いに結線される。これは、所謂６パルスブリッジ回路であるが、しかし１２パルスブリッジ回路であってもよい。
【００２１】
図２は、本発明によるパワー半導体モジュール２の実施例の等価回路図を示す。各パワー半導体モジュール２は、コンデンサ５の形でのエネルギー蓄積器を有する。コンデンサ５はパワー半導体アーム６に並列接続されていて、パワー半導体アーム６は２つの所謂ＩＧＢＴ７の直列回路からなる。各ＩＧＢＴ７に、フリーホイールダイオード８が逆並列接続されている。制御可能なパワー半導体素子７並びに逆向きのダイオード８からなる構成部分を制御電子装置と一緒にして、以下パワー電子装置と呼ぶ。パワー電子装置はコンデンサ５に並列接続されている。図２において、更に第１の接続端子９と第２の接続端子１０を認識できる。第１の接続端子９は、制御可能なパワー半導体素子７のエミッタに接続されていると同時に、付設の逆向きのダイオード８のアノードに接続されており、換言すればそれらの接続点に接続されている。第２の接続端子１０は、制御可能なパワー半導体素子７同士の接続点並びに逆向きのダイオード８同士の接続点に接続されている。接続端子９と１０の間に配置された制御可能なパワー半導体素子７が導通状態にあるとき、接続端子９と１０に零の電圧が現れる。これに対し、当該パワー半導体素子７が阻止状態にあり、しかし接続端子９および１０間に配置されていない制御可能なパワー半導体素子７が導通状態にあるとき、接続端子９と１０にはコンデンサ５に存在する電圧が現れる。
【００２２】
図３は、図２によるパワー半導体モジュール２の代替形態を示す。図２に示すマルクワルト回路の一変形と違って、図３においては、第１の接続端子９がターンオフ制御可能なパワー半導体素子７のコレクタと、これに対し逆向きのフリーホイールダイオード８のカソードとに接続されている。第２の接続端子１０は、ターンオフ制御可能なパワー半導体素子７同士の接続点およびフリーホイールダイオード８同士の接続点に接続されている。マルクワルト回路の図示した実施例は互いに等価であり、従って同じ特性を有する。
【００２３】
図４は、本発明によるパワー半導体モジュール２の実施例を示す。パワー半導体モジュール２が制御可能なパワー半導体素子７、接続端子９および１０の他にハウジング１１も有することが解る。ハウジング１１は、図示の実施例では、鋼板等の金属からなる。ハウジング１１内には、更に、接続端子に向かって部分的に開いている排気通路１２設けられている。従って、ハウジング１１内でアークが発生した場合、熱気が排気通路１２を介して外へ向けて案内される。排気通路１２の出口は、ハウジング１１の外側に配置されている構成部分の損傷を確実に回避できるように向きを調整されている。熱気の冷却のため、排気通路１２内に大きな内部表面積を有する金属フォームが配置されている。換言すれば金属フォームは開孔であるので、金属フォームは熱気又は他の爆発ガスによって通流可能である。大きな表面積の故に金属フォームと発生熱気との間の大きな温度交換が起こり、かくして熱気が冷却される。更に、金属フォームは粒子の流出を防止し、付加的に圧力負担軽減が用意されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による電力変換器弁アームの実施例を示す概略図
【図２】本発明によるパワー半導体モジュールの実施例の等価回路図
【図３】本発明によるパワー半導体モジュールの他の実施例の等価回路図
【図４】エネルギー蓄積器なしの本発明によるパワー半導体モジュールの実施例を示す概略図
【符号の説明】
【００２５】
１  電力変換器弁アーム、２  パワー半導体モジュール、３  交流電圧端子、４  直流電圧端子、５  コンデンサ、６  パワー半導体アーム、７  パワー半導体素子、８  フリーホイールダイオード、９  第１の接続端子、１  第２の接続端子、１１  ハウジング、１２  排気通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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