CN110915088B - 具有过电压限制器的电子开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子开关(1)，其具有至少一个能关断的半导体开关(2)、压敏电阻器(3)和电容器(4)，其中电子开关(1)具有第一接头(11)和第二接头(12)，根据能关断的半导体开关(2)的开关状态能够借助至少一个能关断的半导体开关(2)在接头之间建立或中断导电连接。为了在过电压保护方面改进电子开关而提出，由压敏电阻器(3)和电容器(4)构成的串联电路(5)分别通过第一二极管(15)与第一接头(11)连接并且通过第二二极管(16)与第二接头(12)连接。本发明还涉及具有这种电子开关(1)的直流电压***(10)。本发明还涉及用于限制在这种电子开关(1)或这种直流电压***(10)中的过电压的方法，其中在由压敏电阻器(3)设定的极限被超过之后，在关断过程中将与电子开关(1)连接的元件(25)的感应能量传输到电容器(4)中。

Description

具有过电压限制器的电子开关
技术领域
本发明涉及一种电子开关，其具有至少一个能关断的半导体开关、压敏电阻器和电容器，其中电子开关具有第一接头和第二接头，根据能关断的半导体开关的开关状态能够借助至少一个能关断的半导体开关在第一接头与第二接头之间建立或中断导电连接。本发明还涉及一种具有这种电子开关的直流电压***，其中直流电压***具有第一电势和第二电势，其中电子开关的接头之一与直流电压***的第一电势连接。本发明还涉及一种用于限制在这种电子开关或这种直流电压***中的过电压的方法。
背景技术
为了能够切换直流电流，需要直流开关。与交流开关的切换不同，直流开关具有明显更复杂的构造，因为例如在直流电压网络中发生的直流运行中电流没有过零点，而在该点处能够以简单的方式消除电流。直流电压网络也被称为DC网络。
已经证明有利的是，使用电子开关来构造直流开关。电子开关例如包括诸如晶体管或晶闸管的半导体开关。如果开关是能关断的半导体，则该开关适合作为用于切换直流电流的机械开关的替代产品。
当发生故障时，迅速关断半导体很快就成为问题。此时问题在于，从DC网络到故障位置的供电线路具有电感，该电感与线路的长度成正比并且通常约为500nH/m。在线路长度为50m时，该电感因此约为25μH。由于电感中的电流不能突然变为零并且要继续流动但不存在续流路径，所以由半导体开关的关断过程在该电感处引起高的过电压。因此，开关的接头处的电势上升至大的值。该电压因此也出现在电子开关处并且能够损坏或破坏该电子开关。
通过使机械开关具有明显更慢的关断速度并且还在机械开关的电弧中将存储的能量转换成热量，机械开关解决了该问题。然而，机械开关的缺点在于，机械开关由于其缓慢的关断能够在DC网络中产生巨大的电压扰动，该扰动影响并联的其他负载。
发明内容
本发明的目的是改进电子开关。
该目的通过一种电子开关实现，其具有至少一个能关断的半导体开关、压敏电阻器和电容器，其中，该电子开关具有第一接头和第二接头，根据能关断的半导体开关的开关状态能够借助至少一个能关断的半导体开关在第一接头与第二接头之间建立或中断导电连接，其中，由压敏电阻器和电容器构成的串联电路分别通过第一二极管与第一接头连接并且通过第二二极管与第二接头连接。此外，该目的通过具有这种电子开关的直流电压***实现，其中，借助于电子开关，能够中断直流电压***的、在电子开关的第一接头与第二接头之间的电连接。此外，该目的还通过一种用于限制在这种电子开关或这种直流电压***中的过电压的方法来实现，其中，在由压敏电阻器设定的极限被超过之后，在至少一个能关断的半导体开关的关断过程期间将与电子开关连接的元件的感应能量传输到电容器中。
本发明基于以下认识，即通过压敏电阻器与电容器的串联连接能够以简单的方式消除由***中的电感引起的过电压。由此能够可靠地防止电子开关的一个能关断的半导体或多个能关断的半导体被损坏或破坏。压敏电阻器的任务是在电压升高的情况下导通并且将在直流电压***的元件中存储的感应能量(也就是例如存储在电感、特别是寄生电感中的电能)输送给电容器。该电容器无损地吸收该能量。
相反，如果想在不使用电容器的情况下仅用压敏电阻器保护电子开关不受过压影响，则很难设计压敏电阻器的规格。例如，在DC网络的最大电压为850V的情况下，压敏电阻器可能仅消耗最小的电流，因此压敏电阻器在发生故障时不会被破坏。然而，在假定半导体的最大反向电压为1200V的情况下，压敏电阻器必须承载全部故障电流以限制过电压。具有这种硬特性的压敏电阻器在经济方面不划算。
如果仅使用电容器代替压敏电阻器来吸收感应能量，则电容器的规格必须足够大，以使其能够吸收能量但不被加载不允许的大数值。在此，电容器的电容量的设计规则取决于半导体的关断电流与超过常规直流电压的允许的电压增量的商的平方。这导致电容器的电容量C需要大的值。由于误差还能在电流的任何流动方向上出现，但是当使用电解电容器时电容器只能在一个方向上吸收电压，并且当半导体再次导通时必须限制电容器的充电电流，因此必须为两个电压方向分别设计限制，例如通过由电阻、电容和二极管组成的电路设计限制。
仅通过将压敏电阻器与电容器组合成根据本发明的串联电路的方式才得出特别有利的解决方案，其中对压敏电阻器以及电容器的电容量C的要求很低，从而使这种电路能够被简单并且成本低廉地生产和实施。
如果如下布置由压敏电阻器和电容器构成的串联电路，即串联电路的第一端通过二极管与电子开关的相应接头连接且串联电路的第二端与DC网络的第二电势连接，这些接头之一与DC网络的第一电势连接，则能以明显减小功率的方式设计压敏电阻器。因此能使用便宜的压敏电阻器。
即使电容器是单极电容器，通过这种开关装置也可以在电流关断过程期间对于两个电流方向成功限制过电压。因此，电解电容器特别适合用在电子开关的过电压限制器中。
在此，电子开关具有至少两个能关断的半导体开关，这些能关断的半导体开关布置在串联电路中，其中，至少两个能关断的半导体开关中的两个互相反向串联(antiseriell)布置，其中，该串联电路布置在电子开关的第一接头与第二接头之间。通过这种布置，能够利用电子开关来切换不同极性的直流电流。在本发明的范畴中，反向串联表示能关断的半导体开关分别如下地布置，即使得能关断的半导体开关的开关元件能够各自引导和断开不同极性的电流。在此，各个能关断的半导体模块通常已经具有与半导体开关的开关元件并联布置的二极管。二极管在此设计为与能关断的半导体开关的开关元件反向并联(antiparallel)。这表示：二极管能够引导与通过开关元件的电流相反的电流。这种能关断的半导体开关也被称为反向导通的开关。
通过布置在压敏电阻器和电容器与电子开关的各个接头之间的二极管，可以利用由压敏电阻器和电容器构成的串联电路吸收来自电感的能量，该电感与流过开关的电流方向无关。因此，能够以简单的方式保护能关断的半导体开关免受不允许的高电压影响。为此仅需要由压敏电阻器和电容器构成的串联电路形式的过电压限制器。
在此，第一二极管利用其阳极与电子开关的第一接头连接，并且第一二极管利用其阴极与由压敏电阻器和电容器构成的串联电路的第一端连接，其中，第二二极管利用其阳极与电子开关的第二接头连接，并且第二二极管利用其阴极与第一二极管的阴极连接。通过将二极管布置在该方位，可以将过电压限制为能关断的半导体开关的允许值，该过电压与要由电子开关切断的电流的流动方向无关。能关断的半导体开关的已经反向并联布置的二极管能够有利地用于这种二极管。因此，可以放弃使用另外的或额外的二极管。可选地，除了能关断的半导体开关的已经存在的二极管之外，还可以使用按照上述布置的另外的二极管。因此，可以在电子开关内按需要布置能关断的半导体开关。
如果电子开关布置在DC网络的第一电势中并且由压敏电阻器和电容器构成的串联电路的第二端与DC网络的第二电势连接，则这种实施方式特别有利。DC网络的第一电势与第二电势之间的差形成DC网络的电压。
在本发明的一个有利的实施方式中，电阻器与由第一二极管和第二二极管构成的串联电路并联布置。如果由压敏电阻器和电容器构成的串联电路的第二端与DC网络的第二电势连接，则必须在运行中或运行开始前使电容器充电达到DC网络的电压。为了避免充电电流过大，已经证明有利的是使用电阻器并且使电阻器并联连接二极管的串联电路。如果还将第一开关与第一二极管串联连接，则通过断开开关能够实现电容器的充电电流流过电阻器。由此能可靠地避免DC网络中的电容器的过大的充电电流。
在本发明的另一有利的实施方式中，第二开关与电阻器串联布置。利用该开关，可以容易地通过电阻器来控制或调节电容器的预充电。
在本发明的另一有利的实施方式中，在电子开关的第一接头与能关断的半导体开关之一之间布置有第三开关、特别是多极开关。该第三开关用于将电子开关与DC网络电隔离。另外，利用该第三开关可以去除第一开关，并且仍然能够经由电阻器给电容器预充电。去除第一开关对过电压限制器的成本具有特别积极的影响，因为在发生故障时必须设计使第一开关经受大电流。通过这种设计能够去除第一开关，这导致开关构造的成本显著降低。
在本发明的另一有利的实施方式中，电子开关具有至少四个二极管，其中，至少四个二极管形成桥式整流器电路，其中，由压敏电阻器和电容器构成的串联电路布置在桥式整流器电路的整流路径中，并且桥式整流器电路的输入端分别与电子开关的接头之一连接。通过这种布置可以实现不需要与DC网络的第二电势接触的过电压限制器。因此能够取消用于电容器预充电的所有措施。在电子开关中能够以简单的方式实现将限制电路作为压敏电阻器与电容器的串联电路，而不增加电子开关的接头的数量。换句话说，带有这种过电压限制器的电子开关还可以利用刚好两个接头工作。通过整流器电路可以将该过电压限制器用于在两个电流方向上切断电流的电子开关。
此外，通过整流器电路确保了可以使用单极电容器来限制电压，而与流过开关的电流的流动方向无关。特别地，使用低成本的电解电容器对于这种设计是特别有利的。
在本发明的另一有利的实施方式中，电子开关具有第三接头，其中，由压敏电阻器和电容器构成的串联电路的第二端与第三接头连接。第一接头和第二接头用于实现中断直流电压***中的连接。因此，串联电路的第二端是串联电路的不与第一二极管和第二二极管连接的端部。因此，第一接头与直流电压***的第一电势连接。第三接头被设置和/或设计为与直流电压***的第二电势连接。为了通过直流电压***传输能量，必须存在至少两个不同的电势。这些电势可以有利地用于与第一接头和第三接头的连接。同样也可以将地电势用作第二电势。
附图说明
下面根据在附图中示出的实施例详细描述和阐述本发明。附图示出：
图1至图5示出了具有过电压限制器的电子开关的多个实施例。
具体实施方式
图1示出了具有负载8的直流电压***10，该负载由DC网络7供电。DC网络7的直流电压位于第一电势41与第二电势42之间。电子开关1布置在DC网络7与负载8之间。除了该电子开关1之外还设有接触器或隔离器80，负载8利用接触器或隔离器也能够与DC网络7电隔离。对于电子开关1的功能，接触器或隔离器80不是绝对必要的。馈电线路中存在的电感由元件25表示。在此，电感可以是线路或电感元件(例如扼流圈、线圈或变压器)的寄生电感。电子开关1在其第一接头11与第二接头12之间具有由两个半导体开关2构成的串联电路。这两个半导体开关互相反向串联布置。这表示：两个能关断的半导体开关2的开关元件各自能够引导并且因此切换具有不同方向的电流。为了提高截止能力、即待切换的电压，能够进一步增加串联电路5中的能关断的半导体开关2的数量。
二极管15、16与开关元件反向并联布置。也就是说，流过二极管的电流的方向与流过能关断的半导体开关2的相应反向并联的开关元件的电流的方向不同。两个能关断的半导体开关2的反向串联的布置导致的是，电流在第一接头11与第二接头12之间流动经过一个能关断的半导体开关的二极管并且经过另一个能关断的半导体开关的开关元件。能关断的半导体开关2的串联电流与DC网络7的第一电势41连接。电子开关1还具有压敏电阻器3和电容器4。压敏电阻器和电容器形成串联电路5。该串联电路5利用第一端51与由两个能关断的半导体开关构成的串联电路连接。该连接被设计成，即使能关断的半导体开关断开、也就是截止，电流也能分别从第一接头11和/或第二接头12经过二极管15、16流到由压敏电阻器3和电容器4构成的串联电路5。由压敏电阻器3和电容器4构成的串联电路5的第二端52与DC网络7的第二电势42连接。
如果现在电流在第一电势41中从DC网络7通过电子开关1流到负载8，则二极管15导通并且二极管16截止。电流流过与二极管16并联布置的能关断的半导体开关2的开关元件。如果现在电子开关1通过将能关断的半导体开关截止而被断开，则通过元件25的电感的电流继续流动。该电流从第一接头11通过二极管15流入由压敏电阻器3和电容器4构成的串联电路5。一旦由压敏电阻器设定的电压值被超过，压敏电阻器3变为导通并且电容器4吸收元件25的能量，直到电流变为零为止。由此可靠地避免了在能关断的半导体开关2处的过电压。这也相应地适用于从负载8到DC网络7的电流。在这种情况下，两个能关断的半导体开关2的行为被颠倒。
图2示出具有过电压限制器的电子开关1的另一个实施例。为了避免重复，参考图1的描述以及在那里引入的附图标记。在该实施例中，使用不布置在能关断的半导体开关内的二极管15、16。这些二极管15、16用于过压保护。因此，这些二极管可以用于具体情况，即用于允许的和期望的电流和电压值。能关断的半导体开关2在其串联电路中还可以随意布置。现在，由压敏电阻器3和电容器4构成的串联电路5的第一端与两个二极管15、16的连接点连接。现在将由压敏电阻器3和电容器4构成的串联电路5与能关断的半导体开关2之间的连接点分开。换句话说，不再存在到由两个能关断的半导体开关2构成的串联电路6的连接。在该实施例中，也能针对不允许的高电压实现对能关断的半导体开关2的可靠保护。
图3示出具有电压限制器的电子开关1的另一个实施例。为了避免重复，参考图1和图2的描述以及在那里引入的附图标记。由也布置在串联电路5中的压敏电阻器3和电容器4构成的限压元件现在与DC网络7的第二电势42无关。由压敏电阻器3和电容器4构成的串联电路5通过桥式整流器电路与电子开关1的第一接头11和第二接头12连接。由压敏电阻器3和电容器4构成的串联电路5在此位于桥式整流器电路的整流路径30中。除第一二极管15和第二二极管16之外，桥式整流器电路还具有布置在整流器电路中的第三二极管17和第四二极管18。桥式整流器电路的输入端31分别与电子开关1的第一接头11和第二接头12连接。当使用单极性电容器(例如电解电容器)时，桥式整流器电路也可用于限制电压，而与流过开关的电流的流动方向无关。该电路的优点在于，其易于集成到电子开关1中，并且该电路仅具有第一接头11和第二接头12。能去除用于DC网络7的第二电势42的接头。这使得该开关尤其对于现有***的改装特别有利，因为该解决方案可以容易并且廉价地集成到现有***中。
图4示出了电子开关1的另一个实施例。在该实施例中，以与图1和图2类似的方式，将由压敏电阻器3和电容器4构成的串联电路5布置在DC网络7的第一电势41与第二电势42之间。根据压敏电阻器3的设计，当电子开关1接通时，压敏电阻器能导致为电容器4预充电。为了在为电容器4预充电时将由DC网络7中的过大电流引起的负荷保持得尽量小，可以将电阻器19用作串联电阻器。为了确保用于对电容器4充电的电流流过电阻器19，与第一二极管15串联地接入第一开关21。该开关21在预充电期间保持断开，以使第一电势41中的电流从DC网络经由二极管16的电阻器19流入电容器4。为了避免重复，参考图1至图3的描述以及在那里引入的附图标记。
图5示出了具有过电压限制器的电子开关1的另一个实施例，该过电压限制器同样实现通过电阻器19为电容器4预充电。为了避免重复，参考图1至图4的描述以及在那里引入的附图标记。与图4中的实施例不同，不再存在与第一二极管15串联的第一开关。为此，第二开关22与电阻器19串联布置。该开关22将电子开关1的第一接头11与电阻器19连接。优选设计为两极开关的第三开关23用于将负载8与DC网络7电隔离。该第三开关布置在电子开关1中。通过在第三开关23断开时同时闭合第二开关22，可以实现通过电阻器19和二极管16对电容器4进行预充电。由于电流流过电阻器19，因此这种预充电特别适合网络使用，因为电流受电阻器19限制并且不出现不允许的高负荷。一旦电容器4被充分充电，第三开关23能够闭合。压敏电阻器3上的电压对应于直流电压与电容器4上的电压之间的差。如果电容器4被充分充电，则压敏电阻器3上的电压很小以使压敏电阻器不再导通。在这种情况下，即使第三开关23闭合，也没有电流通过第一二极管15流向电容器4。在这种情况下，预充电完成并且第二开关22也能断开。
总之，本发明涉及一种电子开关，其具有至少一个能关断的半导体开关、压敏电阻器和电容器，其中，该电子开关具有第一接头和第二接头，根据能关断的半导体开关的开关状态能够借助至少一个能关断的半导体开关在第一接头与第二接头之间建立或中断导电连接。为了在过电压保护方面改进电子开关而提出，由压敏电阻器和电容器构成的串联电路分别通过第一二极管与第一接头连接并且通过第二二极管与第二接头连接。本发明还涉及具有这种电子开关的直流电压***。本发明还涉及一种用于限制在这种电子开关或这种直流电压***中的过电压的方法，其中，在由压敏电阻器设定的极限被超过之后，在关断过程中将与电子开关连接的元件的感应能量传输到电容器中。

Claims (11)

1.一种电子开关(1)，具有：
-至少两个能关断的半导体开关(2)，
-压敏电阻器(3)，和
-电容器(4)，
其中，所述电子开关(1)具有第一接头(11)和第二接头(12)，根据所述能关断的半导体开关(2)的开关状态能够借助至少一个所述能关断的半导体开关(2)在所述第一接头与所述第二接头之间建立或中断导电连接，其中，由所述压敏电阻器(3)和所述电容器(4)构成的串联电路(5)分别通过第一二极管(15)与所述第一接头(11)连接并且通过第二二极管(16)与所述第二接头(12)连接，其中，至少两个所述能关断的半导体开关(2)布置在串联电路(6)中，其中，至少两个所述能关断的半导体开关(2)中的两个互相反向串联布置，其中，所述能关断的半导体开关(2)的串联电路(6)布置在所述电子开关(1)的所述第一接头(11)与所述第二接头(12)之间，其中，所述第一二极管(15)利用所述第一二极管的阳极与所述电子开关(1)的所述第一接头(11)连接，并且所述第一二极管利用所述第一二极管的阴极与由所述压敏电阻器(3)和所述电容器(4)构成的串联电路(5)的第一端(51)连接，其中，所述第二二极管(16)利用所述第二二极管的阳极与所述电子开关(1)的所述第二接头(12)连接，并且所述第二二极管利用所述第二二极管的阴极与所述第一二极管(15)的阴极连接；
其中，所述电子开关(1)具有至少四个二极管(15、16、17、18)，其中，所述至少四个二极管(15、16、17、18)形成桥式整流器电路，其中，由所述压敏电阻器(3)和所述电容器(4)构成的串联电路(5)布置在所述桥式整流器电路的整流路径(30)中，并且所述桥式整流器电路的输入端(31)分别与所述电子开关(1)的所述第一接头(11)和所述第二接头(12)之一连接。
2.根据权利要求1所述的电子开关(1)，其中，与由所述第一二极管(15)和所述第二二极管(16)构成的串联电路并联地布置有电阻器(19)。
3.根据权利要求2所述的电子开关(1)，其中，在所述电子开关(1)的所述第一接头(11)与所述第一二极管(15)之间布置有第一开关(21)。
4.根据权利要求2或3所述的电子开关(1)，其中，与所述电阻器(19)串联地布置有第二开关(22)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电子开关(1)，其中，在所述电子开关(1)的所述第一接头(11)与所述能关断的半导体开关(2)之一之间布置有第三开关(23)。
6.根据权利要求5所述的电子开关(1)，其中，所述第三开关是多极开关。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电子开关(1)，其中，所述电子开关(1)具有第三接头，其中，由所述压敏电阻器(3)和所述电容器(4)构成的串联电路(5)的第二端(52)与所述第三接头连接。
8.一种直流电压***(10)，具有根据权利要求1至7中任一项所述的电子开关(1)，其中，借助于所述电子开关(1)，能够中断所述直流电压***的、在所述电子开关(1)的所述第一接头(11)与所述第二接头(12)之间的电连接。
9.根据权利要求8所述的直流电压***(10)，具有根据权利要求7所述的电子开关(1)，其中，所述直流电压***(10)具有第一电势(41)和第二电势(42)，其中，所述电子开关(1)的所述第一接头(11)与所述直流电压***(10)的所述第一电势(41)连接，其中，所述电子开关(1)的第三接头与所述直流电压***(10)的所述第二电势(42)连接。
10.一种用于限制在根据权利要求1至7中任一项所述的电子开关(1)或者根据权利要求8或9所述的直流电压***(10)中的过电压的方法，其中，在由所述压敏电阻器(3)设定的极限被超过之后，在至少一个能关断的半导体开关(2)的关断过程期间将与所述电子开关(1)连接的元件(25)的感应能量传输到所述电容器(4)中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在接通所述电子开关(1)之前，为所述电容器(4)预先加载流过权利要求2中的电阻器(19)的电流。
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