包括主组件以及传感器和发射器单元的功率组件、以及具有功率组件的系统技术方案

一种功率组件(100

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括主组件以及传感器和发射器单元的功率组件、以及具有功率组件的系统


[0001]本专利技术的实施例涉及功率组件，特别是功率熔断器和功率半导体器件，并且涉及具有功率组件的模块和系统以及相关方法。

技术介绍

[0002]在电力电子领域，能够切换大电流和/或在较高电压下操作的功率半导体以及对应半导体熔断器被广泛用于不同目的，例如在放大器、整流器和转换器中。所使用的功率半导体二极管和功率半导体开关通常能够在超过若干100V的电压差下操作，和/或能够处理大电流，例如在同一半导体块或半导体本体内的至少几安培的电流。为了进一步提高电流处理能力，可以并联若干功率半导体。出于安全原因，(一个或多个)功率半导体可以由(一个或多个)半导体熔断器保护。
[0003]根据负载，功率半导体(半导体本体)和/或熔断器本体的温度可能在操作期间改变。因此，器件的电子属性(如电流电压特性、二极管的正向电压降、和半导体开关的开关属性)可能在操作期间改变。这甚至可能导致并联耦合的功率半导体之间的电流不平衡。同样，温度可能会改变熔断器的操作参数，诸如给定电流下的电阻和电压降，并且从而改变其分断能力。
[0004]在操作期间可靠地测量高功率/高压应用中器件的温度和其他参数是复杂和/或昂贵的。这可能是由于传感器需要适应(物理)条件，它们必须在这些条件下工作，而不会对器件操作产生重大影响。
[0005]例如，光纤传感器原则上适用于高压条件下的测量，但通常相对较大(光纤线圈)。此外，可能需要多个不同传感器。由于对应大量光纤，设置可能变得更加复杂。这也可能使组装和维护工作更加困难。此外，测量和评估测量数据可能很复杂。此外，可能需要附加(光学)接口。
[0006]因此，需要在操作期间进一步改进功率组件的特性。

技术实现思路

[0007]综上所述，提供了根据权利要求1所述的功率组件、根据权利要求17所述的功率模块、根据权利要求20所述的系统、根据权利要求28所述的方法、根据权利要求30所述的方法和根据权利要求31所述的方法。
[0008]根据功率组件的一个实施例，功率组件包括两个电端子、组件壳体、主组件以及传感器和发射器单元，主组件由组件壳体至少部分被包围，与两个端子连接并且被配置为承载在两个电端子之间流动的电源电流，传感器和发射器单元被配置为测量表征主组件的操作状态的物理量的值并且发射电磁信号，物理量的测量值被编码在该电磁信号中。传感器和发射器单元包括用于发射电磁信号的天线。天线与主组件间隔开并且布置在组件壳体中、组件壳体上和/或组件壳体处。
[0009]由于天线与通常导电的主组件间隔开，因此天线的承载/接收属性不受主组件的显著(负面)影响，天线对主组件的属性也没有显著影响。此外，由于使用天线用于发射电磁信号，因此可以非接触地读出物理量的测量值。
[0010]这导致很多进一步的优点。特别地，一般设置、尤其是使用这些功率组件中的一个或多个功率组件的功率模块和系统的接线可以保持不变。即使是表征一个、若干或甚至大量功率组件的主组件的操作状态的大量相关测量值也可以通过这种方式以简单且成本高效的方式被读出。注意，传感器和发射器单元可以相对较小和/或分别使用现有技术以相对较低成本大量制造。此外，可以(随后)进一步分析承载的测量值。特别地，承载的测量值可以用于基于状态的监测和/或保护(一个或多个)功率组件，用于收集(一个或多个)功率组件的寿命数据，并且通常用于统计分析，用于调节甚至优化功率组件的操作，和/或甚至用于调节甚至优化(一个或多个)功率组件的设计。
[0011]电磁信号通常是射频信号，例如超高频(UHF)无线电信号，即，在300兆赫(MHz)到3吉赫(GHz)之间的频率范围内。
[0012]在本申请中使用的术语“高电压”应当涵盖至少约600V、更典型地至少约1kV或甚至至少约5kV的AC电压和DC电压。
[0013]本申请中使用的术语“高电流”和“电源电流”应当涵盖至少约10A、更典型地至少约50A或甚至至少约100A或1kA的AC电流和DC电流。
[0014]本申请中使用的术语“高功率”应当涵盖至少约2kW、更典型地至少约5kW或甚至至少约15kW的电功率。
[0015]同样，在本申请中使用的术语“功率组件”应当涵盖至少约2kW、更典型地至少约5kW或甚至至少约15kW的电功率。
[0016]因此，主组件的额定电流为至少约10A和/或主组件的额定功率为至少约2kW。
[0017]此外，功率组件通常是高压组件。
[0018]特别地，主组件的额定电压通常为至少约600V，更通常为至少约680V，或甚至至少约1kV或甚至约5kV。
[0019]功率组件可以被配置为控制电源电流，特别是放大、切换和/或中断电源电流。
[0020]特别地，功率组件可以是功率半导体器件，特别是垂直功率半导体器件，或者是功率熔断器，通常是相应的所谓的半导体熔断器，即，适于保护功率半导体器件免受过载和/或短路的熔断器。分断能力(熔断器可以安全地分断的最大电流)可以例如对应于熔断器适用的功率半导体器件的额定电流的十倍。
[0021]功率半导体器件可以实现为功率半导体二极管、功率半导体晶体管和/或功率半导体开关，和/或可以包括一个或多个功率半导体二极管和/或一个或多个功率半导体开关，特别是相应功率晶体管，诸如功率晶闸管、功率MOSFET或功率IGBT。
[0022]功率半导体二极管和功率半导体开关的主组件通常包括相应(结构化)半导体本体或管芯。半导体本体或管芯可以包括功能上耦合在两个电端子之间的整流结，特别是pn结。根据器件类型，半导体本体或管芯还可以包括若干pn结。同样，两个电端子还可以包括多于两个端子，例如两个电源端子，诸如阳极和阴极端子(例如，在涉及二极管和/或晶闸管的实施例中)，以及开关端子，诸如用于控制和/或切换两个电源端子之间的电流的栅极端子(例如，在涉及MOSFET和/或晶闸管的实施例中)。
[0023]功率熔断器的主组件通常包括导电元件或由其形成，特别是已校准导体。导电元件可以被填充物包围并且分别被壳体和熔断器本体封闭。此外，功率熔断器可以包括用于熔断器跳闸的指示和/或远程信令的辅助开关。
[0024]传感器和发射器单元通常是低功率单元。在下文中，传感器和发射器单元也称为感测和发射单元。
[0025]如在本申请中使用的术语“低功率”应当涵盖最多约5W的电功率，更典型地最多约2W或甚至最多约1W的电功率。
[0026]因此，传感器和发射器单元的额定功率最多为5W，更典型地为最多约2W或甚至最多约1W。
[0027]这允许传感器和发射器单元在更长时间内操作，而无需再充电或更换内部电源。
[0028]通常，传感器和发射器单元包括低功率发射器，特别是用于与读取器进行双向通信的低功率转发器。
[0029]低功率转发器可以是相应Bluetooth转发器或RFID转发器，特别是有源RFID标签或甚至是无源RFID标签。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种功率组件(100
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300)，包括：
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两个电端子(111，112，211，212，311，312)；
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组件壳体(120，220，320)；
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主组件(110，210，310)，由所述组件壳体(120，220，320)至少部分地包围，与所述两个端子(111，112，211，212，311，312)连接，并且被配置为承载在所述两个电端子(111，112，211，212，311，312)之间流动的功率电流；以及
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传感器和发射器单元(130，230，330)，被配置为测量表征所述主组件(110，210，310)的操作状态的物理量(T，V，ΔV)的值，并且发射电磁信号，所述物理量的测量值被编码在所述电磁信号中，所述传感器和发射器单元(130，230，330)包括用于发射所述电磁信号的天线(133)，所述天线(133)与所述主组件(110，210，310)间隔开并且布置在所述组件壳体(120，220，320)中、所述组件壳体上和/或所述组件壳体处。2.根据权利要求1所述的功率组件(100
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300)，其中所述主组件(110，210，310)的额定电流为至少约10A，其中所述功率组件(100
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300)是高压组件，其中所述主组件(110，210，310)的额定电压为至少约600V，其中所述主组件(110，210，310)的额定功率为至少约2kW，和/或其中所述功率组件(100
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300)被配置为控制所述功率电流和/或中断所述功率电流。3.根据前述权利要求中任一项所述的功率组件(100
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300)，其中所述功率组件(100
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300)是功率熔断器(100，200)，特别是相应半导体熔断器，或者其中所述功率组件是功率半导体器件(200，300)，特别是垂直功率半导体器件，和/或包括功率半导体二极管和/或功率半导体开关，特别是功率晶闸管、功率MOSFET或功率IGBT。4.根据前述权利要求中任一项所述的功率组件(100
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300)，其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)包括低功率转发器，其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)被配置为至少暂时存储所述物理量的若干测量值，其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)被配置为将所述物理量的若干测量值编码到所述电磁信号中，通常与相应测量时间一起，和/或其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)被配置为将用于所述功率组件的标识符编码到所述电磁信号中。5.根据权利要求4所述的功率组件(100
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300)，其中所述低功率转发器是蓝牙转发器或RFID转发器，特别是有源RFID标签或无源RFID标签。6.根据前述权利要求中任一项所述的功率组件(100
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300)，其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)包括传感器单元(131)和发射器单元(132)，所述发射器单元(132)包括所述天线(133)，其中所述发射器单元(132)与所述传感器单元(131)间隔开，其中所述传感器单元(131)被配置为将表示所述物理量(T，V)的模拟输入信号转换为数字值，存储所述数字值，处理所述数字值和/或向所述发射器单元(132)传送所述数字值和/或处理后的数字值，其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)由一个或多个RFID传感器提供，和/或其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)的额定功率最多为5W。7.根据前述权利要求中任一项所述的功率组件(100
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300)，其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)包括两个传感器，所述两个传感器中的每个传感器被配置为测量表征所述主组件(110，210，310)的所述操作状态的相应物理量，其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)被配置为测量不同物理量，所述不同物理量中的每个物理量表征所述主组件(110，210，310)的所述操作状态，和/或其中所述传感器和发射器单元(130，230，330)被
配置为测量所述主组件(110，210，310)的温度、所述两个电端子(111，112，211，212，311，312)中的至少一个电端子的电压(V)、和/或跨所述主组件(110，210，310)和/或所述两个端子(111，112，211，212，311，312)的电压降(ΔV)。8.根据前述权利要求中任一项所述的功率组件(100
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300)，其中所述功率组件是功率半导体器件(300)，其中所述主组件(110，210，310)至少基本成形为圆柱体，其中所述两个电端子(111，112，211，212，311，312)中的至少一个电端子至少基本成形为圆柱体，其中所述组件壳体(120，220，320)至少基本成形为空心圆柱体，其中所述主组件(310)包括半导体本体(310)，所述半导体本体(310)包括整流结，其中所述主组件(310)和/或所述半导体本体(310)的直径为至少2英寸，通常在2英寸到6英寸的范围内，和/或其中所述功率半导体器件(300)包括按压封装设计或按压设计。9.根据权利要求8所述的功率组件(100
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300)，其中所述传感器和发射器单元(330)被配置为测量所述整流结的温度和/或所述半导体本体(310)的核心温度。10.根据权利要求9所述的功率组件(100
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300)，其中所述整流结在横截面中延伸至少基本穿过所述半导体本体，其中所述整流结在功能上被连接在所述两个电端子(311，312)之间，其中所述整流结被配置为在所述两个电端子(111，112，211，212，311，312)之间承载功率电流，和/或其中所述整流结是形成在所述半导体本体(310)的p型半导体区与n型半导体区之间的PN结。11.根据权利要求10所述的功率组件(100
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300)，其中所述p型半导体区和所述n型半导体区中的每个半导体区与所述两个电端子(111，112，211，212，311，312)中的一个电端子欧姆接触和/或至少基本被所述两个电端子(111，112，211，212，311，312)中的一个电端子覆盖。12.根据权利要求8至11中任一项所述的功率组件(100
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300)，还包括布置在所述整流结处或附近的集成电阻结构、和/或布置在所述半导体本体(310)的中心处或附近的集成电阻结构。13.根据权利要求1至7中任一项所述的功率组件(100
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300)，其中所述功率组件是功率熔断器(100，200)，其中所述组件壳体(120，220)提供熔断器本体，其中所述主组件(110，210)至少基本成形为圆柱体，其中所述功率熔断器(110，210)包括方形本体设计，和/或其中所述电端子(111，112，211，212)包括平齐端设计。14.根据权利要求13所述的功率组件(100
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300)，其中所述功率组件(100，200)包括电阻结构，所述电阻结构布置在所述熔断器本体的中心处或附近，特别是相对于所述熔断器本体和/或所述主组件(110，210)的纵向轴线和/或圆柱轴线的中心，和/或布置在所述主组件(110，210)处或附近，特别是在所述主组件(110，210)的侧表面处或附近。15.根据前述权利要求中任一项所述的功率组件(100
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300)，其中所述组件壳体(120，220，320)包括电介质和/或陶瓷，其中所述组件壳体(120，220，320)基本封闭所述主组件(110，210，310)，其中所述天线(133)是基本扁平的天线和/或线圈天线，和/或其中所述天线(133)布置在所述组件壳体(120，220，320)的外侧。16.根据前述权利要求中任一项所述的功率组件(100
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300)，其中所述功率组件(100
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【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳斯，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：