[发明专利]基于半导体模块的固态开关及半导体模块利用率提升方法

说明书

本发明属于固态开关领域，具体涉及了一种基于半导体模块的固态开关及半导体模块利用率提升方法，旨在解决现有技术无法使用半导体模块的多个器件来提升器件利用率，降低损耗、减少资源消耗的问题。本发明包括：半导体模块1包括全控器件S1和全控器件S3，半导体模块2包括全控器件S2和全控器件S4；全控器件S1和全控器件S2串联构成固态开关的主通流支路，用于实现主支路两侧的系统中的电流流通；全控器件S3、全控器件S4和避雷器MOV1串联构成固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量；避雷器MOV2和避雷器MOV3为固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低避雷器MOV1承受的静态电压。本发明器件利用率高，损耗低、资源消耗小。

技术领域

本发明属于固态开关领域，具体涉及了一种基于半导体模块的固态开关及半导体模块利用率提升方法。

背景技术

对半导体器件芯片而言，目前的大功率商业化半导体芯片多面向高频变换器场景研发，其设计参数需综合考虑开关频率、导通损耗、开关损耗、器件耐压等指标，在多目标优化过程多参数间需要相互妥协。因此传统器件的导通损耗对固态开关这一特定低频应用场景而言普遍偏高，一方面多个固态开关装入系统显著降低了系统效率和器件利用率，另一方面大功率固态开关需要单独匹配水冷系统，显著增加了固态开关产品的成本、体积、复杂度、降低了产品可靠性。

而对半导体器件模块而言，目前的大功率半导体模块（如：晶闸管、IGBT、SiCMOSFET等）多以桥臂形式封装成模块，如图1所示，从而使其更适配变流器场景。而固态开关通常面临双向阻断故障的应用场景，需要半导体器件反向并联或串联。这就导致在通常情况下一个模块难以满足固态开关的需求，桥臂形式封装的大功率半导体模块通常只能有一个用于固态开关中发挥作用，器件利用率只有一半，这大大增加了固态开关中半导体模块的使用数量。

已有技术一般只能通过一些方法来改善避雷器(MOV)的特性曲线，从而尽可能提高模块中半导体器件的电压利用率，主要包括：（1）采用瞬态电压抑制（TVS）二极管替代MOV，但是成本特别高昂，（2）通过并联多个MOV，使得单个MOV的最大电流减小，从而减小Vres的值，这个方法也增加了系统的体积和成本；（3）通过间隙避雷器和MOV串联混合使用[1]，但是有间隙避雷器体积较大，另外特性离散，寿命不确定。

总之，现有方法都是在半导体模块的低利用率基础上去想办法提高单器件的电压或者电流利用率，对尽可能多的使用模块中器件的数量方面研究较少。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1] 张翔宇、刘珂鑫、齐磊、马慧远，高压固态半导体开关器件及提高该电压利用率方法和应用，2021-08-24，CN2021109777792。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法使用半导体模块的多个器件来提升器件利用率，降低损耗、减少资源消耗的问题，本发明提供了一种基于半导体模块的固态开关，所述固态开关包括半导体模块1、半导体模块2、避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3；

所述半导体模块1包括全控器件S1和全控器件S3，所述半导体模块2包括全控器件S2和全控器件S4；

所述全控器件S1和所述全控器件S2串联构成所述固态开关的主通流支路，用于实现主支路两侧的系统中的电流流通；

所述全控器件S3、所述全控器件S4和所述避雷器MOV1串联构成所述固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量；

所述避雷器MOV2和所述避雷器MOV3为所述固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低所述避雷器MOV1承受的静态电压。

在一些优选的实施例中，所述半导体模块1还设置有二极管D1、二极管D3；