一种可隔离重构功率半导体模块及其隔离重构方法技术

本发明专利技术公开了一种可隔离重构功率半导体模块及其隔离重构方法，功率半导体模块包括：两组以上的功率芯片组，功率芯片组包括两组以上采用对称结构布置的功率芯片；分别与功率芯片的门极相连的脉冲发生单元和状态检测单元；分别与脉冲发生单元、状态检测单元相连的功率芯片管理单元；功率芯片组的集电极公共连接端，及发射极公共连接端至各个功率芯片的电气主端子之间的连接段采用快熔材料。本发明专利技术能够解决单个功率芯片或芯片组损坏的情况下，无法实现剩余正常功率芯片的电路和参数自平衡，需要紧急更换功率半导体模块的技术问题。同时，还可以有效提高整个系统的可靠性，并降低功率半导体模块的运营维护成本。

An Isolated Reconfigurable Power Semiconductor Module and Its Isolated Reconfiguration Method

The invention discloses an isolation reconfigurable power semiconductor module and its isolation reconfiguration method. The power semiconductor module includes two or more power chips, which include two or more power chips arranged symmetrically; pulse generating unit and state detecting unit connected with the gate of the power chip, respectively; and pulse generating unit and state detecting unit, respectively. Fast melting materials are used in the power chip management unit connected by the units, the collector common connector of the power chipset, and the transmitter common connector to the main electrical terminals of each power chip. The invention can solve the technical problem that the circuit and parameters of the remaining normal power chips can not be self-balanced when a single power chip or chipset is damaged, and the power semiconductor module needs to be replaced urgently. At the same time, it can effectively improve the reliability of the whole system and reduce the operation and maintenance costs of power semiconductor modules.

【技术实现步骤摘要】
一种可隔离重构功率半导体模块及其隔离重构方法
本专利技术涉及功率半导体
，尤其是涉及一种可隔离重构的功率半导体模块及其隔离重构方法。
技术介绍
随着科研技术的进步和制造工艺的提高，IGBT模块已成为电力电子领域理想的开关器件，已广泛应用于新能源发电、机车牵引、高压输电等诸多关键领域中。典型的IGBT器件结构由键合线、芯片、焊料层、衬板上部铜层、衬板陶瓷层、衬板下部铜层、基板等组成。如附图1所示，功率半导体模块1包括基板14，及设置在基板14上的多个衬板13，衬板13上设置有多个功率芯片10，从衬板13上引出发射极端子15和集电极端子16。作为一种当前广泛应用的功率开关元件，功率芯片10采用IGBT芯片，当然功率芯片10还可以采用其它功率开关元件，如晶闸管、GTO(GateTurn-OffThyristor，门极可关断晶闸管)、MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效晶体管)、IGCT(IntegratedGateCommutatedThyristors，集成门极换流晶闸管)等。现有大功率IGBT元件通常由多组IGBT和Diode芯片焊接至衬板13上形成，当单片IGBT或Diode芯片因为故障不能使用时，整个IGBT元件都将报废。进而，由IGBT元件所构成的功率变流器也将停止使用，其弊端是严重影响了变流系统的工作可靠性，并增加了IGBT元件及系统的应用成本。大功率IGBT元件一般以衬板13为载体分成几块芯片组单元构成，每块衬板13上安装有若干组IGBT、Diode芯片。IGBT元件常见的故障为过流和过压故障，最终表现为器件电气短路或开路。当IGBT通过大电流的情况下，键合线将烧坏。另外，当IGBT出现过压击穿时，在芯片表面击穿点将出现大电流形成的熔点，使芯片组的C极(集电极)和E极(发射极)短路。以上故障共同作用的结果是：单个芯片出现故障将导致整个IGBT元件报废。当由IGBT元件构成的整个变流器出现IGBT元件故障时，系统将会出现停机故障，无法正常运营。另一方面，当大功率IGBT元件应用在轨道交通领域时，若列车运营途中冗余设备已经无法使用，将最终导致列车停在路中，需要依赖拖车拉回段内维修。在以上情况下，IGBT使用成本以及由IGBT过程变流器的运营成本将增加。目前，即使采用最新的IPM智能型IGBT模块，虽然其能够实现IGBT在非正常工况的主动实时保护，比如过流，短路，欠压等，但一旦产生保护动作，将导致IPM封锁开关脉冲，使变流设备中断正常工作。另外，由很多组IGBT芯片所构成的IPM将直接报废，使用和维护成本高的问题也一直存在。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种可隔离重构功率半导体模块及其隔离重构方法，以解决单个功率芯片或芯片组损坏的情况下，无法实现剩余正常功率芯片的电路和参数自平衡，需要紧急更换功率半导体模块的技术问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术具体提供了一种可隔离重构功率半导体模块的技术实现方案，一种可隔离重构功率半导体模块，所述功率半导体模块包括：两组以上的功率芯片组，所述功率芯片组包括两组以上采用对称结构布置的功率芯片；分别与所述功率芯片的门极相连的脉冲发生单元和状态检测单元；分别与所述脉冲发生单元、状态检测单元相连的功率芯片管理单元；所述功率芯片组的集电极公共连接端，及发射极公共连接端至各个功率芯片的电气主端子之间的连接段采用快熔材料。优选的，当所述功率芯片发生故障时，所述连接段熔断，断开发生故障的功率芯片与所述功率芯片组内其它正常功率芯片的集电极或发射极连接，实现物理电气隔离。优选的，当所述功率芯片发生故障时，所述功率芯片的电气主端子连接至所述集电极公共连接端或发射极公共连接端的连接段熔断。优选的，当所述状态检测单元检测到所述功率芯片发生故障时，形成相关功率芯片的故障信息输出至所述功率芯片管理单元，所述功率芯片管理单元根据预设的功率芯片重构策略产生控制字，并通过所述脉冲发生单元实现对相应功率芯片脉冲通道的封锁控制，以实现控制逻辑隔离。优选的，所述功率半导体模块的栅极端连接至所述脉冲发生单元，当所述状态检测单元检测到所述功率芯片发生故障时，所述功率芯片管理单元通过所述脉冲发生单元封锁相应功率芯片的栅极脉冲通道。优选的，所述状态检测单元通过检测所述功率芯片集电极与发射极之间的电压判断所述功率芯片是否发生故障。优选的，采用对称结构布置的功率芯片包括芯片一和芯片二，所述芯片一和芯片二的集电极均连接至所述集电极公共连接端，所述芯片一和芯片二的发射极均连接至所述发射极公共连接端。优选的，当所述功率芯片组内的芯片一发生故障时，所述连接段熔断，将发生故障的所述芯片一物理隔离。同时，所述状态检测单元将所述芯片一的故障结果反馈至所述功率芯片管理单元。所述功率芯片管理单元根据参数对称匹配要求，发送信号至所述脉冲发生单元，屏蔽与所述芯片一对称运用的芯片二的栅极脉冲，实现所述功率芯片的重构及所述芯片二的逻辑隔离，保证所述功率半导体模块内部各个功率芯片组的电路和参数对称。优选的，所述功率芯片管理单元输出当前功率半导体模块内部功率芯片的工作状态信息，并通过对外接口实现与外部上层控制系统的信息交互。本专利技术还另外具体提供了基于上述功率半导体模块的隔离重构方法的技术实现方案，一种功率半导体模块隔离重构方法，包括以下步骤：S10)当功率芯片发生故障时，连接段熔断，断开发生故障的功率芯片与所述功率芯片组内其它正常功率芯片的集电极或发射极连接，实现物理电气隔离；S20)当状态检测单元检测到所述功率芯片发生故障时，形成相关功率芯片的故障信息输出至功率芯片管理单元，所述功率芯片管理单元根据预设的功率芯片重构策略产生控制字，并所述脉冲发生单元实现对相应功率芯片脉冲通道的封锁控制，以实现控制逻辑隔离。优选的，在所述步骤S10中，当所述功率芯片发生故障时，所述功率芯片的电气主端子连接至集电极公共连接端或发射极公共连接端的连接段熔断。优选的，在所述步骤S20中，当所述状态检测单元检测到所述功率芯片发生故障时，所述功率芯片管理单元通过与功率半导体模块的栅极端相连的脉冲发生单元封锁相应功率芯片的栅极脉冲通道。优选的，在所述步骤S10中，所述状态检测单元通过检测所述功率芯片集电极与发射极之间的电压判断所述功率芯片是否发生故障。优选的，采用对称结构布置的功率芯片包括芯片一和芯片二，所述芯片一和芯片二的集电极均连接至所述集电极公共连接端，所述芯片一和芯片二的发射极均连接至所述发射极公共连接端。当所述功率芯片组内的芯片一发生故障时，所述连接段熔断，将发生故障的所述芯片一物理隔离。同时，所述状态检测单元将所述芯片一的故障结果反馈至所述功率芯片管理单元。所述功率芯片管理单元根据参数对称匹配要求，发送信号至所述脉冲发生单元，屏蔽与所述芯片一对称运用的芯片二的栅极脉冲，实现所述功率芯片的重构及所述芯片二的逻辑隔离，保证所述功率半导体模块内部各个功率芯片组的电路和参数对称。优选的，所述方法进一步包括以下步骤：S30)所述功率芯片管理单元输出当前功率半导体模块内部功率芯片的工作状态信息，并通过对外接口实现与外部上层控制系统的信息交互。通过实施上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可隔离重构功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体模块(1)包括：两组以上的功率芯片组(2)，所述功率芯片组(2)包括两组以上采用对称结构布置的功率芯片(10)；分别与所述功率芯片(10)的门极相连的脉冲发生单元(7)和状态检测单元(8)；分别与所述脉冲发生单元(7)、状态检测单元(8)相连的功率芯片管理单元(6)；所述功率芯片组(2)的集电极公共连接端(9)，及发射极公共连接端(11)至各个功率芯片(10)的电气主端子(12)之间的连接段(3)采用快熔材料。

【技术特征摘要】
1.一种可隔离重构功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体模块(1)包括：两组以上的功率芯片组(2)，所述功率芯片组(2)包括两组以上采用对称结构布置的功率芯片(10)；分别与所述功率芯片(10)的门极相连的脉冲发生单元(7)和状态检测单元(8)；分别与所述脉冲发生单元(7)、状态检测单元(8)相连的功率芯片管理单元(6)；所述功率芯片组(2)的集电极公共连接端(9)，及发射极公共连接端(11)至各个功率芯片(10)的电气主端子(12)之间的连接段(3)采用快熔材料。2.根据权利要求1所述的可隔离重构功率半导体模块，其特征在于：当所述功率芯片(10)发生故障时，所述连接段(3)熔断，断开发生故障的功率芯片(10)与所述功率芯片组(2)内其它正常功率芯片(10)的集电极或发射极连接，实现物理电气隔离。3.根据权利要求2所述的可隔离重构功率半导体模块，其特征在于：当所述功率芯片(10)发生故障时，所述功率芯片(10)的电气主端子(12)连接至所述集电极公共连接端(9)或发射极公共连接端(11)的连接段(3)熔断。4.根据权利要求2或3所述的可隔离重构功率半导体模块，其特征在于：当所述状态检测单元(8)检测到所述功率芯片(10)发生故障时，形成相关功率芯片(10)的故障信息输出至所述功率芯片管理单元(6)，所述功率芯片管理单元(6)根据预设的功率芯片(10)重构策略产生控制字，并通过所述脉冲发生单元(7)实现对相应功率芯片(10)脉冲通道的封锁控制，以实现控制逻辑隔离。5.根据权利要求4所述的可隔离重构功率半导体模块，其特征在于：所述功率半导体模块(1)的栅极端连接至所述脉冲发生单元(7)，当所述状态检测单元(8)检测到所述功率芯片(10)发生故障时，所述功率芯片管理单元(6)通过所述脉冲发生单元(7)封锁相应功率芯片(10)的栅极脉冲通道。6.根据权利要求5所述的可隔离重构功率半导体模块，其特征在于：所述状态检测单元(8)通过检测所述功率芯片(10)集电极与发射极之间的电压判断所述功率芯片(10)是否发生故障。7.根据权利要求5或6所述的可隔离重构功率半导体模块，其特征在于：采用对称结构布置的功率芯片(10)包括芯片一(4)和芯片二(5)，所述芯片一(4)和芯片二(5)的集电极均连接至所述集电极公共连接端(9)，所述芯片一(4)和芯片二(5)的发射极均连接至所述发射极公共连接端(11)。8.根据权利要求7所述的可隔离重构功率半导体模块，其特征在于：当所述功率芯片组(2)内的芯片一(4)发生故障时，所述连接段(3)熔断，将发生故障的所述芯片一(4)物理隔离；同时，所述状态检测单元(8)将所述芯片一(4)的故障结果反馈至所述功率芯片管理单元(6)；所述功率芯片管理单元(6)根据参数对称匹配要求，发送信号至所述脉冲发生单元(7)，屏蔽与所述芯片一(4)对称运用的芯片二(5)的栅极脉冲，实现所述功率芯片(10)的重构及所述芯片二(5)的逻辑隔离，保证所述功率半导体模块(1)内部各个功率芯片组(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文业，李彦涌，罗剑波，赖伟，范伟，李冬蕾，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43