[发明专利]一种抗短路故障和抑爆的功率器件

说明书

本发明公开了一种抗短路故障和抑爆的功率器件，属于电力电子器件技术领域。功率器件包括直流正极功率端子、直流负极功率端子，两个交流功率端子和若干个功率半导体芯片。功率器件内部的第一换流回路和第二换流回路在器件内部解耦，因此短路故障电流路径包含了两个交流功率端子，增大了短路回路电感，抑制了短路电流上升率及幅值。通过在交流功率端子上连接保险丝或热敏元件，进一步实现对短路电流上升率和幅值的抑制。该构型设计不影响功率器件的正常运行，可实现功率器件“换流回路电感”和“短路耐受能力”的协同优化，具备自主抑制短路故障电流和防止器件爆炸的功能。

技术领域

本发明属于电力电子器件技术领域，具体涉及一种抗短路故障和抑爆的功率器件。

背景技术

电磁能变换装置是进行资源探索与开发的大型核心装备，需要面临高温、高湿、高海拔等极端环境下，以及大电流密度、高温度冲击和强磁场脉冲的极端工况。功率器件是电磁能变换装置中的核心部件，同时也是失效率最高的器件。以应用于柔性直流输电领域的模块化多电平变换器(Modular Multi-level Converter,MMC)为例，采用了3.3kV/2400A的高压大功率器件，在发生桥臂直通短路或直流侧短路故障时，短路故障电流可达功率器件额定电流的数十至数百倍，大电流产生的热量使功率器件内部组成部件气化，增大器件内部压强，引发电弧和冲击波，造成功率器件爆裂烧毁、外壳飞溅，损毁周围组件，引发系统故障，严重情况下还会导致二次安全事故，例如火灾等。因此，功率器件的设计需要考虑短路耐受能力。

正常运行工况下，功率器件在换流时，有源半导体芯片关断过程中的电流变化率设为di/dt_(σ)，换流回路电感L_σ上产生的感应电压ΔV＝L_σ·di/dt_(σ)会叠加在有源半导体芯片的集电极(或漏极)和发射极(或源极)之间，造成有源半导体芯片的关断损耗增大，同时电压过冲过大会击穿有源半导体芯片导致失效。

短路故障工况下，功率器件内部的有源或无源半导体芯片失去对能量的控制作用，相当于导线，母线电容电压V_DC直接加在功率器件的直流正极功率端子和直流负极功率端子之间，在短路回路电感L_S上产生电流，短路电流变化率di/dt_(S)＝V_DC/L_S，短路电流过大会烧毁功率器件内部的组成部件，增大功率器件内部的压强，造成功率器件结构解裂、爆炸以及碎片飞溅，严重影响周围组件、系统及人身的安全，甚至造成二次事故，例如火灾等。

图5、图6和图7分别为传统功率器件构型及其换流回路和短路回路，换流回路与短路回路的路径长度和电感值基本一致，换流回路电感L_σ和短路回路电感L_S呈正相关。换流电感L_σ和短路回路电感L_S越小，功率半导体芯片所需承受的电压过冲ΔV越小，不容易发生过压击穿，但是短路故障工况下，短路电流变化率di/dt_(S)和幅值越大，功率器件易发生过流爆炸；相反，换流电感L_σ和短路回路电感L_S越大，功率器件的短路耐受能力越高，但是会增大功率半导体芯片的关断损耗的所承受的电压过冲值ΔV，提高发生过压击穿失效的风险。综上，在传统的功率器件构型设计中，降低电压过冲和提高短路耐受能力之间存在折中关系。

现有功率器件构型设计在处理上述折中关系时，仅考虑通过优化设计减小换流回路电感L_σ以降低电压过冲，忽视了功率器件短路耐受能力的退化。