DE112019005375T5

DE112019005375T5 - Spannungsklemmschaltung für festkörper-leistungsschalter

Info

Publication number: DE112019005375T5
Application number: DE112019005375.2T
Authority: DE
Inventors: Xiaoqing Song; Yu Du
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-07-15
Also published as: US20210288636A1; CN113678222A; WO2020106964A1; US11973493B2

Abstract

Einzigartige Systeme, Verfahren, Techniken und Vorrichtungen zum Schutz von Festkörper-Leistungsschaltern werden offenbart. Eine beispielhafte Ausführungsform ist ein Festkörper-Leistungsschalter mit eine primäre Schaltvorrichtung mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und eine Spannungsklemmschaltung, die parallel zu der primären Schaltvorrichtung gekoppelt ist. Die Spannungsklemmschaltung enthält einen Metalloxid-Varistor (MOV), der in Reihe zwischen den ersten Anschluss und eine Hilfs-Halbleitervorrichtung geschaltet ist, wobei die Hilfs-Halbleitervorrichtung so angeordnet ist, dass sie den MOV selektiv mit dem zweiten Anschluss koppelt, und eine Bypass-Schaltung, die zwischen den ersten Anschluss und die Hilfs-Halbleitervorrichtung geschaltet ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht eine Priorität gemäß 35 U.S.C. 119(e) von der am 21. November 2018 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/770,306 mit dem Titel „VOLTAGE CLAMPING CIRCUIT FOR SOLID STATE CIRCUIT BREAKER“, die hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf den Schutz von Festkörper-Leistungsschaltern (SSCBs). Metalloxid-Varistoren (MOVs) werden häufig verwendet, um die primäre Schaltvorrichtung in SSCBs vor Überspannungsschäden zu schützen und die überschüssige Energie in der Leitungsimpedanz während der Überstrom-Fehlerunterbrechung zu absorbieren. Bei der Auswahl des richtigen MOV in Bezug auf die Betriebsspannung gibt es zwei Anforderungen. Erstens sollte die Spitzenklemmspannung des MOVs niedriger sein als die Durchbruchspannung der primären Schaltvorrichtung. Zweitens sollte der Leckstrom des MOVs niedrig genug sein, um sicherzustellen, dass die resultierende Verlustleistung innerhalb der Verlustleistungsfähigkeit des MOVs liegt. Diese Anforderungen erfordern einen kleinen Betriebsbereich für das MOV, wenn die Quellenspannung (oder Systemspannung) nahe an der Durchbruchspannung der primären Schaltvorrichtung liegt, wie in 1 gezeigt, wo der MOV-Betriebsbereich 105 durch die Durchbruchspannung 101 der primären Schaltvorrichtung und die Quellenspannung 103 der im Normalbetrieb durch das SSCB fließenden Leistung begrenzt ist. Bestehende SSCBs leiden unter einer Reihe von Unzulänglichkeiten und Nachteilen. In bestimmten konventionellen Designs wird aufgrund des großen Spannungsbetriebsbereichs der MOVs eine einmalige Spannungsmarge zur Power-Source-Spannung für die Halbleiter-Leistungsschalter hinzugefügt, was die Spannungsausnutzung verringert und die Kosten der Schalter erhöht. Angesichts dieser und anderer Unzulänglichkeiten im Stand der Technik besteht ein erheblicher Bedarf an den hier offenbarten einzigartigen Vorrichtungen, Verfahren, Systemen und Techniken.
OFFENBARUNG ILLUSTRATIVER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Für die Zwecke der klar, prägnant und genau beschreiben nicht-begrenzende beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung, die Art und Weise und das Verfahren zur Herstellung und Verwendung der gleichen, und um die Praxis, die Herstellung und Verwendung der gleichen, wird nun auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen, einschließlich der in den Figuren dargestellt werden, und spezifische Sprache verwendet werden, um die gleiche zu beschreiben gemacht werden. Es soll jedoch verstanden werden, dass dadurch keine Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Offenbarung geschaffen wird, und dass die vorliegende Offenbarung solche Änderungen, Modifikationen und weitere Anwendungen der beispielhaften Ausführungsformen einschließt und schützt, wie sie einem Fachmann mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung einfallen würden.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung umfassen einzigartige Systeme, Methoden, Techniken und Vorrichtungen für den Schutz von Festkörper-Leistungsschaltern. Weitere Ausführungsformen, Formen, Gegenstände, Merkmale, Vorteile, Aspekte und Nutzen der Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das die elektrischen Eigenschaften eines Metalloxid-Varistors zeigt.
2 ist ein Schaltplan zur Veranschaulichung eines beispielhaften Festkörper-Leistungsschalters.
3 ist ein Schaltplan, der den Stromfluss durch den beispielhaften Festkörper-Leitungsschalter von 2 zeigt.
4A ist ein Schaltplan, der einen beispielhaften Festkörper-Leistungsschalter mit einer Thyristor-basierten Spannungsklemmschaltung zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) zeigt.
4B ist ein Diagramm, das die elektrischen Eigenschaften eines TVS-Thyristors, wie z. B. des TVS-Thyristors des beispielhaften Festkörper-Leistungsschalters aus 4A, darstellt.
5A ist eine grafische Darstellung der elektrischen Eigenschaften eines Festkörper-Leistungsschalters ohne die beispielhafte Bypass-Schaltung des Festkörper-Leistungsschalters aus 4A.
5B-6B sind Diagramme, die die elektrischen Eigenschaften des beispielhaften Festkörper-Leistungsschalters aus 4A zeigen.
7 ist ein Schaltplan zur Veranschaulichung eines beispielhaften Festkörper-Leistungsschalters mit einer auf einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) basierenden Spannungsklemmschaltung.
8 ist ein Schaltplan, der einen beispielhaften Festkörper-Leistungsschalter mit einer weiteren IGBT-basierten Spannungsklemmschaltung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG ILLUSTRATIVER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf 2 ist ein beispielhafter Festkörper-Leistungsschalter (SSCB) 200 dargestellt, der so aufgebaut ist, dass er den Stromfluss durch ein Stromversorgungssystem steuert, in das der SSCB 200 eingebaut ist. Es soll deutlich werden, dass der SSCB 200 in einer Vielzahl von Anwendungen implementiert werden kann, einschließlich Gleichstromsystemen (DC), Niederspannungsverteilungssystemen, Mittelspannungsverteilungssystemen und Hochspannungsübertragungssystemen, um nur einige Beispiele zu nennen.
Der SSCB 200 enthält eine primäre Schaltvorrichtung 205 mit einem ersten Anschluss 201 und einem zweiten Anschluss 203. Während des normalen Betriebs des Stromversorgungssystems, in das der SSCB 200 eingebaut ist, ist die primäre Schaltvorrichtung 205 geschlossen, auch bekannt als eingeschaltet, wodurch ein Strom zwischen den Klemmen 201 und 203 fließen kann. Als Reaktion auf eine Fehlerbedingung wird die primäre Schaltvorrichtung 205 geöffnet, auch als ausgeschaltet bezeichnet, und unterbricht so den Fluss des Fehlerstroms durch die primäre Schaltvorrichtung 205. Eine Fehlerbedingung kann z. B. ein Überstromzustand sein, bei dem der Fehlerstrom eine Stromschwelle überschreitet. Die primäre Schaltvorrichtung 205 reagiert auf die Fehlerbedingung, indem sie den Fehlerstrom zum Schutz des Stromnetzes unterbricht.
Die primäre Schaltvorrichtung 205 umfasst einen oder mehrere Halbleiterschalter, wie z. B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Bipolartransistoren mit Sperrschicht (BJTs), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Gate-Turn-off-Thyristoren (GTOs), MOS-gesteuerte Thyristoren (MCTs), integrierte Gate-gesteuerte Thyristoren (IGCTs), Siliziumkarbid-(SiC)-Schalter, Galliumnitrid-(GaN)-Schalter oder jede andere Art von Halbleiterschalter, der zur Steuerung des Stromflusses strukturiert ist. Der oder die Halbleiterschalter der primären Schaltvorrichtung 205 können in Reihe, parallel, antireihengeschaltet, antiparallel oder in einer Kombination daraus gekoppelt sein.
SSCB 200 enthält eine Spannungsklemmschaltung 206, die so aufgebaut ist, dass sie die primäre Schaltvorrichtung 205 während eines Fehlerzustands schützt. Die Spannungsklemmschaltung 206 umfasst einen Metalloxid-Varistor (MOV) 207, ein Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 und eine Bypass-Schaltung 209. Der MOV 207 und die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 sind zwischen den Klemmen 201 und 203 in Reihe geschaltet, so dass der MOV 207 und die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 parallel zur Schaltvorrichtung 205 geschaltet sind. Die Bypass-Schaltung 209 ist mit der Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 gekoppelt und parallel zu MOV 207 geschaltet.
Der MOV 207 ist so aufgebaut, dass er den Fehlerstrom ableitet, indem er den Fehlerstrom in Wärme umwandelt. Wenn der Fehlerstrom weiterhin durch die Bypass-Schaltung 209 fließt, steigt eine Spannung über dem MOV 207, die auch als MOV 207-Spannung bezeichnet wird, bis die Spannung eine Spannung erreicht, bei der der MOV 207 so strukturiert ist, dass er die Spannung klemmt und verhindert, dass die MOV 207-Spannung weiter ansteigt, was auch als MOV 207-Klemmspannung bezeichnet wird. Die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 ist so aufgebaut, dass sie den Stromfluss durch die Spannungsklemmschaltung 206 steuert. Die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 kann einen Thyristor zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS), eine TVS-Diode, einen IGBT oder einen MOSFET enthalten, um nur einige Beispiele zu nennen. Die Vorrichtung 211 kann auch eine Steuerschaltung enthalten, die so aufgebaut ist, dass sie einen Halbleiterschalter der Vorrichtung 211 unter Verwendung des von der Bypass-Schaltung 209 empfangenen Stroms betreibt.
Während des normalen Betriebs des Stromversorgungssystems ist die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 ausgeschaltet, wodurch der Leckstrom des MOV 207 reduziert und ein Teil der Spannung an der Spannungsklemmschaltung 206 blockiert wird. Durch die Reduzierung des Leckstroms des MOV ist die Spannungsklemmschaltung 206 so angeordnet, dass sie die thermische Belastung und die Leistungsverluste während des normalen Betriebs reduziert. Durch das Sperren eines Teils der Spannung an der Spannungsklemmschaltung 206 reduziert die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 die Spannungsbelastung des MOV 207.
Während eines Fehlerzustands ist die Spannungsklemmschaltung 206 so strukturiert, dass sie die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 einschaltet, so dass der Fehlerstrom durch MOV 207 zur Klemme 203 fließen kann. Zwischen dem ersten Empfang des Fehlerstroms von der Bypass-Schaltung 209 und dem Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 tritt eine kurze Verzögerung auf. Wenn die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 beispielsweise einen TVS-Thyristor enthält, kann das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 einige Mikrosekunden (2-3 µs) dauern, bis die geräteinterne Trägermodulation aufgebaut ist. Infolge der Verzögerung wird eine Spannungsspitze über der Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 erzeugt.
Die Bypass-Schaltung 209 ist so aufgebaut, dass ein Fehlerstrom den MOV 207 umgehen und die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 einschalten kann. In bestimmten Ausführungsformen ist die Bypass-Schaltung 209 so strukturiert, dass sie die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 ohne Steuerschaltung einschaltet, was die SSCB 200 vereinfacht und die Kosten reduziert. Durch die Umgehung des MOV 207 ist die Spannungsklemmschaltung 206 so aufgebaut, dass sie einen Anstieg der Spannung des MOV 207 verzögert, so dass die Kombination aus der Spannung des MOV 207 und der Spannungsspitze der Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 niemals die Begrenzungsspannung des MOV 207 überschreitet.
Ohne die Bypass-Schaltung 209 würde der Fehlerstrom von der primären Schaltvorrichtung 205 zum MOV 207 und zur Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 kommutiert werden. Die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 würde die Spannungsspitze erzeugen, wenn es zur gleichen Zeit eingeschaltet wird, in der die Spannung des MOV 207 die MOV-Klemmspannung erreicht, wodurch sich die Gesamtklemmspannung an der primären Schaltvorrichtung 205 erhöht. Diese erhöhte Gesamtklemmspannung würde erfordern, dass das primäre Schaltvorrichtung 205 eine höhere Nennspannung hat, wodurch die Spannungsausnutzung der primären Schaltvorrichtung 205 sinkt.
Die Bypass-Schaltung 209 kann z. B. einen Kondensator enthalten, der zwischen Klemme 201 und der Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 gekoppelt ist. Der Kondensator kann mit einem Halbleiterschalter und einer Steuerschaltung der Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 gekoppelt sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Bypass-Schaltung 209 einen Widerstand enthalten, der mit der Klemme 201 und einer Steuerschaltung der Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 gekoppelt ist.
Sobald die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 während eines Fehlerzustands eingeschaltet wird, kommutiert der Fehlerstrom vom Bypass-Schaltkreis 209 zum MOV 207. Nachdem der Fehlerstrom von der Bypass-Schaltung 209 zum MOV 207 kommutiert hat, beginnt ein wesentlicher Teil des Fehlers durch den MOV 207 statt durch die Bypass-Schaltung zu fließen, aber ein Teil des Fehlerstroms kann weiterhin durch die Bypass-Schaltung fließen. Der Teil des Fehlerstroms, der weiterhin durch den Bypass-Schaltkreis 209 fließt, nachdem der Fehlerstrom vom Bypass-Schaltkreis 209 zum MOV 207 kommutiert wurde, kann weniger als 1 % der Fehlerstromgröße zum Zeitpunkt der Kommutierung betragen, um nur ein Beispiel zu nennen. Es ist zu verstehen, dass einige oder alle der vorgenannten Merkmale des SSCB 200 auch in den anderen hier offengelegten Leistungsschaltern vorhanden sein können, wie z. B. in den beispielhaften Festkörper-Leistungsschaltern, die in den 4A, 7 und 8 dargestellt sind.
Mit Bezug auf 3 sind die Strompfade 301 und 303 durch die Spannungsklemmschaltung 206 des SSCB 200 in 2 dargestellt. Während eines Fehlerzustands gibt es eine Stromleitungssequenz in der Spannungsklemmschaltung 206. Nachdem die primäre Schaltvorrichtung 205 ausgeschaltet ist, fließt der Fehlerstrom durch den Pfad 301, einschließlich der Bypass-Schaltung 209 und der Hilfs-Halbleitervorrichtung 211. Über die Bypass-Schaltung 209 wird die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 eingeschaltet. Wenn die Spannung des MOV 207 auf die Klemmspannung des MOV 207 ansteigt, beginnt der Fehlerstrom durch den Pfad 303 zu fließen, wobei er von der Bypass-Schaltung 209 zum MOV 207 kommutiert. Wenn der Fehlerstrom auf Null oder im Wesentlichen Null sinkt, wird die Hilfs-Halbleitervorrichtung 211 ausgeschaltet, um die Sperrspannung mit MOV 207 zu teilen. In einem Beispiel kann „im Wesentlichen Null“ eine Stromgröße sein, die kleiner ist als ein Haltestrompunkt der Hilfs-Halbleitervorrichtung. Daher ist der Leckstrom im Vergleich zu einem eigenständigen MOV viel kleiner.
Mit Bezug auf 4A ist ein beispielhafter SSCB 400 dargestellt, der eine primäre Schaltvorrichtung 405 und eine parallel geschaltete Spannungsklemmschaltung 406 enthält. Die primäre Schaltvorrichtung 405 umfasst die Klemmen 401 und 403. Die Spannungsklemmschaltung 406 umfasst einen MOV 407 und einen TVS-Thyristor 411, die in Reihe zwischen die Klemmen 401 und 403 geschaltet sind, sowie eine Bypass-Schaltung mit einem Kondensator 409, der parallel zum MOV 407 geschaltet ist.
In 4B ist ein Diagramm 420 zu sehen, das die Strom-Spannungs-Kennlinien des TVS-Thyristors 411 zeigt. TVS-Thyristor 411 ist ein bidirektionales Gerät mit zwei Anschlüssen. Der TVS-Thyristor 411 bleibt ausgeschaltet, solange die Spannung an den Anschlüssen des TVS-Thyristors 411 kleiner als die Durchbruchspannung des TVS-Thyristors 411 ist. Der TVS-Thyristor 411 wird eingeschaltet, wenn die angelegte Spannung auf die Überschlagsspannung ansteigt. Der TVS-Thyristor 411 bleibt eingeschaltet, solange sein Leitungsstrom größer ist als der Haltestrompunkt des TVS-Thyristors 411, und schaltet dann ab, wenn der Strom unter den Haltestrompunkt sinkt.
Mit weiterem Bezug auf 4A sperrt der TVS-Thyristor 411 bei ausgeschaltetem TVS-Thyristor 411 einen Teil der Spannung an der Spannungsklemmschaltung 406, wodurch der MOV 407 einen geringeren Leckstrom im Vergleich zu einer Spannungsklemmschaltung aufweist, die keine Hilfs-Halbleitervorrichtung wie den TVS-Thyristor 411 enthält. Während eines Fehlerzustands lädt der durch den Kondensator 409 fließende Fehlerstrom einen parasitären Kondensator des TVS-Thyristors 411 auf und erhöht dessen Spannung. Wenn die Spannung des TVS-Thyristors 411 die Überschlagsspannung erreicht, wird der TVS-Thyristor 411 eingeschaltet. Das Einschalten des TVS-Thyristors 411 kann aufgrund des Aufbaus der geräteinternen Trägermodulation ein paar Mikrosekunden (2-3 µs) dauern. Der Kondensator 409 ist so aufgebaut, dass er den TVS-Thyristor 411 einschaltet und die beim Einschalten des TVS-Thyristors 411 erzeugte Spannungsspitze absorbiert. Da die Spannung am TVS-Thyristor 411 beim Einschalten nur wenige Volt beträgt, wird die Gesamtklemmspannung der Spannungsklemmschaltung 406 im Wesentlichen durch die Klemmspannung des MOV 407 bestimmt. Wenn der Fehlerstrom unter den Haltestrompunkt des TVS-Thyristors 411 sinkt, schaltet der TVS-Thyristor 411 ab und teilt sich einen Teil der Sperrspannung mit MOV 407.
Die 5A-B zeigen die elektrischen Eigenschaften von zwei Festkörper-Leistungsschaltern während eines Fehlerzustands. 5A zeigt die Spannungs- und Stromwellenformen einer Spannungsklemmschaltung mit einem in Reihe geschalteten MOV und TVS-Thyristor ohne eine parallel zum MOV geschaltete Bypass-Schaltung. 5B zeigt die Spannungs- und Stromwellenformen der Spannungsklemmschaltung 406 in 4A. 5A enthält ein Spannungs-Wellenform-Diagramm 510 und ein Strom-Wellenform-Diagramm 520. Diagramm 510 enthält Linien, die die Gesamtspannung 511 über einem MOV und einem TVS-Thyristor, die Spannung 513 über dem MOV und die Spannung 515 über dem TVS-Thyristor darstellen. Diagramm 520 enthält Linien, die den Gesamtfehlerstrom 521 darstellen, der durch den SSCB fließt, bevor die MOV-Spannung die Klemmspannung erreicht, und einen Klemmstrom 523, der durch den MOV fließt. 5B enthält ein Spannungs-Wellenform-Diagramm 530 und ein Strom-Wellenform-Diagramm 540. Diagramm 530 enthält Linien, die die Gesamtspannung 531 über MOV 407 und Thyristor 411, die Spannung 533 über MOV 407 und die Spannung 535 über Thyristor 411 darstellen. Diagramm 540 enthält Linien, die den Gesamtfehlerstrom 541 darstellen, der durch den SSCB 400 fließt, bevor der Fehlerstrom durch den Kondensator 409 den Gesamtfehlerstrom erreicht, einen Klemmstrom 543, der durch MOV 407 fließt, und einen Fehlerstrom 545, der durch den Kondensator 409 fließt.
Wie in 5A gezeigt, tritt die durch das Einschalten des TVS-Thyristors erzeugte Spannungsspitze gleichzeitig mit dem Erreichen der MOV-Klemmspannung auf, wodurch die Gesamtklemmspannung der Summe aus MOV-Klemmspannung und TVS-Thyristor-Durchbruchspannung entspricht. Im Gegensatz dazu veranschaulichen die Diagramme in 5B die reduzierte Gesamtklemmspannung der beispielhaften Spannungsklemmschaltung einschließlich der Bypass-Schaltung. Mit dem Kondensator 409 parallel zum MOV 407 wird die MOV-Spannung während des Einschaltens des TVS-Thyristors 411 durch den Kondensator begrenzt. Daher übersteigt die Kombination aus der Spannungsspitze des TVS-Thyristors 411 und der Spannung des MOV 407 niemals die Klemmspannung des MOV 407.
Unter Bezugnahme auf die 6A und 6B zeigen die Diagramme 610 und 620 die experimentellen Ergebnisse des SSCB 400 in 4 bei 700 V Quellenspannung und 130 A Stromunterbrechung. Die Diagramme 610 und 620 enthalten jeweils eine Leitung 611, die die Gesamtspannung über MOV 407 und TVS-Thyristor 411 darstellt; eine Leitung 613, die die Spannung über TVS-Thyristor 411 darstellt; eine Leitung 615, die den Laststrom darstellt; und eine Leitung 617, die den Strom darstellt, der durch die Spannungsklemmschaltung 406 fließt. In 6A ist zu erkennen, dass der TVS-Thyristor 411 während eines Sperrzustands einen Teil der Spannung (etwa 80 V) mit dem MOV 407 teilt. Wenn die primäre Schaltvorrichtung 405 bei 130A Laststrom ausgeschaltet wird, kommutiert der Strom von der Vorrichtung 405 zur Spannungsklemmschaltung 406, wodurch die Spannung am TVS-Thyristor 411 aufgeladen wird, wie in 6B gezeigt. Wenn die Spannung des TVS-Thyristors 411 die Umschaltspannung erreicht, wird er eingeschaltet und seine Spannung fällt auf die Einschaltspannung. Während dieses Zeitraums wird die Spannung des MOV 407 durch den Kondensator 409 begrenzt und die Spannung der Klemmschaltung ist etwas höher als die Durchbruchspannung des TVS-Thyristors 411. Nach dem Einschalten des TVS-Thyristors 411 wird die Klemmkreisspannung nur durch MOV 407 bestimmt. Wie in 6A gezeigt, wird der TVS-Thyristor 411 wieder ausgeschaltet, wenn der Fehlerstrom unter den Haltestrompunkt des TVS-Thyristors 411 fällt, und beginnt, die Spannung zu sperren.
In 7 ist ein beispielhafter SSCB 700 dargestellt, der eine primäre Schaltvorrichtung 705 und eine parallel geschaltete Spannungsklemmschaltung 706 enthält. Die primäre Schaltvorrichtung 705 umfasst die Klemmen 701 und 703. Die Spannungsklemmschaltung 706 enthält einen MOV 707, eine Bypass-Schaltung 709 und eine Hilfs-Halbleitervorrichtung 711. Die Bypass-Schaltung 709 enthält einen Kondensator, der so strukturiert ist, dass er die Hilfs-Halbleitervorrichtung 711 einschaltet. Die Hilfs-Halbleitervorrichtung 711 enthält einen IGBT 713, der zwischen MOV 707 und Klemme 703 gekoppelt ist, sowie eine Steuerschaltung, die so aufgebaut ist, dass sie den IGBT 713 unter Verwendung des von der Bypass-Schaltung 709 empfangenen Fehlerstroms betreibt. Die Steuerschaltung enthält eine Diode 715, die mit der Bypass-Schaltung 709 und einem Gate des IGBT 713 verbunden ist. Die Steuerschaltung umfasst auch eine Zener-Diode 721, einen Gate-Kondensator 717 und einen Widerstand 719, die alle parallel zwischen dem Gate des IGBT 713 und der Klemme 703 geschaltet sind.
Während eines Fehlerzustands fließt der Fehlerstrom zunächst durch die Bypass-Schaltung 709 und den Gate-Kondensator 717. Sobald die Gate-Spannung von IGBT 713 eine Gate-Schwellenspannung überschreitet, wird IGBT 713 eingeschaltet und der Fehlerstrom fließt durch Bypass-Schaltung 709 und IGBT 713. Wenn die Spannung der Bypass-Schaltung 709 auf die Klemmspannung von MOV 707 ansteigt, pendelt der Fehlerstrom von der Bypass-Schaltung 709 zum MOV 707. Da der MOV 707 den Fehlerstrom absorbiert, ist der Widerstand 719 so aufgebaut, dass der Gate-Kondensator 717 entladen wird. Sobald die Spannung am Gate-Kondensator 717 unter die Gate-Schwellenspannung sinkt, wird der IGBT 713 ausgeschaltet.
Mit Bezug auf 8 ist ein beispielhafter SSCB 800 dargestellt, der eine primäre Schaltvorrichtung 805 und eine parallel geschaltete Spannungsklemmschaltung 806 enthält. Die primäre Schaltvorrichtung 805 umfasst die Klemmen 801 und 803. Die Spannungsklemmschaltung 806 enthält einen MOV 807, eine Bypass-Schaltung 809 und eine Hilfs-Halbleitervorrichtung 815.
Die Bypass-Schaltung 809 enthält einen Kondensator 811 und einen Widerstand 813, die mit der Klemme 801 verbunden sind. Der Kondensator 811 ist so aufgebaut, dass er einen Fehlerstrom an die Hilfs-Halbleitervorrichtung 815 liefert, die das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung 815 bewirkt. Der Widerstand 813 ist so aufgebaut, dass er der Hilfs-Halbleitervorrichtung 815 einen Fehlerstrom zuführt, der zum Ausschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung 815 führt.
Die Hilfshalbleitervorrichtung 815 enthält einen IGBT 817, der zwischen MOV 807 und Klemme 803 gekoppelt ist, und eine Steuerschaltung, die so aufgebaut ist, dass sie den IGBT 817 unter Verwendung des von der Bypass-Schaltung 809 empfangenen Fehlerstroms betreibt. Die Steuerschaltung enthält einen Gate-Kondensator 819, der zwischen den Kondensator 811 und die Klemme 803 geschaltet ist. Ein Gate des IGBT 817 ist mit dem Kondensator 811 und dem Gate-Kondensator 819 gekoppelt. Der Steuerkreis enthält auch einen IGBT 821, der parallel zum Gate-Kondensator 819 gekoppelt ist, einen Gate-Kondensator 823, der zwischen dem Widerstand 813 und der Klemme 803 gekoppelt ist, und eine Zener-Diode, die parallel zum Gate-Kondensator 823 gekoppelt ist. Ein Gate des IGBT 821 ist mit dem Widerstand 813 und dem Gate-Kondensator 823 gekoppelt.
Während eines Fehlerzustands fließt der Fehlerstrom durch den Kondensator 811 und den Gate-Kondensator 819. Sobald eine Gate-Spannung des IGBT 817 einen Gate-Spannungs-Schwellenwert überschreitet, wird der IGBT 817 eingeschaltet und der Fehlerstrom kommutiert von der Bypass-Schaltung 809 zum MOV 807. Da der MOV 807 den Fehlerstrom absorbiert, fließt ein Teil des Fehlerstroms durch den Widerstand 813 und den Gate-Kondensator 823. Wenn die Gate-Spannung des IGBT 821 einen Schwellenwert für die Gate-Spannung überschreitet, wird der IGBT 821 eingeschaltet. Als Reaktion auf das Einschalten von IGBT 821 sinkt die Gate-Spannung von IGBT 817 unter den Gate-Schwellenwert, wodurch IGBT 817 ausgeschaltet wird. Die Kapazitäten der Kondensatoren 811, 819 und 823 sowie der Widerstandswert des Widerstands 813 sind so bemessen, dass der IGBT 817 als Reaktion darauf, dass die Spannungsklemmschaltung 806 einen Fehlerstrom empfängt, eingeschaltet und ausgeschaltet wird, wenn der Fehlerstrom auf Null sinkt.
Es folgt nun eine weitere schriftliche Beschreibung einer Reihe von beispielhaften Ausführungsformen. Eine Ausführungsform ist ein Festkörper-Leistungsschalter (SSCB), der Folgendes umfasst: eine primäre Schaltvorrichtung, die einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst; und eine Spannungsklemmschaltung, die parallel zu der primären Schaltvorrichtung gekoppelt ist und Folgendes umfasst: einen Metalloxid-Varistor (MOV), der zwischen dem ersten Anschluss und einer Hilfs-Halbleitervorrichtung in Reihe geschaltet ist, wobei die Hilfs-Halbleitervorrichtung so angeordnet ist, dass sie den MOV selektiv mit dem zweiten Anschluss koppelt, und eine Bypass-Schaltung, die zwischen dem ersten Anschluss und der Hilfs-Halbleitervorrichtung gekoppelt ist.
In bestimmten Formen des vorstehenden SSCB ist die Spannungsklemmschaltung so strukturiert, dass sie einen Fehlerstrom empfängt, nachdem die primäre Schaltvorrichtung geöffnet wurde, und wobei die Hilfs-Halbleitervorrichtung so strukturiert ist, dass sie als Reaktion auf den Empfang des Fehlerstroms über die Bypass-Schaltung einschaltet. In bestimmten Formen kommutiert der Fehlerstrom von der Bypass-Schaltung zum MOV in Reaktion auf das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung. In bestimmten Formen erzeugt das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung eine Spannungsspitze über der Hilfs-Halbleitervorrichtung, bevor die Hilfs-Halbleitervorrichtung eingeschaltet wird, wobei eine MOV-Spannung auf eine MOV-Klemmspannung ansteigt, nachdem die Hilfs-Halbleitervorrichtung eingeschaltet ist, und wobei die Spannungs-Klemmschaltung so strukturiert ist, dass eine Kombination aus der Spannungsspitze und der MOV-Spannung niemals die MOV-Klemmspannung überschreitet. In bestimmten Formen ist die Bypass-Schaltung so strukturiert, dass ein Fehlerstrom von der ersten Klemme zu der Hilfs-Halbleitervorrichtung fließen kann, ohne durch den MOV zu fließen, der zum Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung wirksam ist, bevor die MOV-Spannung auf eine MOV-Klemmspannung ansteigt. In bestimmten Formen ist die Spannungsklemmschaltung so aufgebaut, dass eine Gesamtklemmspannung über der Spannungsklemmschaltung eine MOV-Klemmspannung nicht überschreitet. In bestimmten Formen enthält die Hilfs-Halbleitervorrichtung einen Thyristor zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) oder eine TVS-Diode, die zwischen dem MOV und den zweiten Anschluss geschaltet ist, und wobei die Bypass-Schaltung einen parallel zum MOV geschalteten Kondensator enthält. In bestimmten Formen enthält die Hilfs-Halbleitervorrichtung eine Schaltvorrichtung und eine Steuerschaltung, wobei die Schaltvorrichtung und die Steuerschaltung mit der Bypass-Schaltung gekoppelt sind. In bestimmten Formen enthält die Bypass-Schaltung einen Kondensator, der mit der Steuerschaltung gekoppelt und parallel zu dem MOV geschaltet ist. In bestimmten Formen enthält die Bypass-Schaltung einen Kondensator, der mit der Schaltvorrichtung und dem Steuerkreis gekoppelt ist, und einen Widerstand, der mit dem Steuerkreis gekoppelt ist.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform ist ein Verfahren zum Schutz einer primären Schaltvorrichtung eines Festkörper-Leistungsschalters (SSCB), wobei die primäre Schaltvorrichtung umfasst: Koppeln einer Spannungsklemmschaltung parallel zu der primären Schaltvorrichtung, wobei die Spannungsklemmschaltung einen Metalloxid-Varistor (MOV), eine Hilfs-Halbleitervorrichtung und eine Bypass-Schaltung enthält; Empfangen eines Fehlerstroms mit der Hilfs-Halbleitervorrichtung über die Bypass-Schaltung, nachdem die primäre Schaltvorrichtung ausgeschaltet ist; Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Fehlerstroms; und Kommutieren des Fehlerstroms von der Bypass-Schaltung zu dem MOV in Reaktion auf das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung.
In bestimmten Formen des vorstehenden Verfahrens ist das MOV parallel mit der Bypass-Schaltung gekoppelt, und wobei das MOV in Reihe mit einer Schaltvorrichtung der Hilfs-Halbleitervorrichtung gekoppelt ist. In bestimmten Formen beginnt der Fehlerstrom, der von der Bypass-Schaltung zum MOV kommutiert wird, nachdem eine Schaltvorrichtung der Hilfs-Halbleitervorrichtung, die mit dem MOV gekoppelt ist, schließt und endet, wenn eine MOV-Spannung auf eine MOV-Klemmenspannung ansteigt. In bestimmten Formen erzeugt das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung eine Spannungsspitze über der Hilfs-Halbleitervorrichtung, wobei eine MOV-Spannung des MOV auf eine MOV-Klemmspannung ansteigt, nachdem die Hilfs-Halbleitervorrichtung eingeschaltet wurde, und wobei die Spannungs-Klemmschaltung so strukturiert ist, dass eine Kombination aus der Spannungsspitze und der MOV-Spannung niemals die MOV-Klemmspannung überschreitet. In bestimmten Formen ermöglicht die Bypass-Schaltung, dass der Fehlerstrom von einem ersten Anschluss des SSCB zu der Hilfs-Halbleitervorrichtung fließt, ohne durch das MOV zu fließen, das das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung bewirkt, bevor die MOV-Spannung eine MOV-Klemmspannung erreicht. In bestimmten Formen ist die Spannungsklemmschaltung so aufgebaut, dass eine Gesamtklemmspannung über der Spannungsklemmschaltung eine MOV-Klemmspannung des MOV nicht überschreitet. In bestimmten Formen enthält die Hilfs-Halbleitervorrichtung einen Thyristor zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) oder eine TVS-Diode, die in Reihe mit dem MOV geschaltet ist, und wobei die Bypass-Schaltung einen Kondensator enthält, der parallel zum MOV geschaltet ist. In bestimmten Formen enthält die Hilfs-Halbleitervorrichtung eine Schaltvorrichtung und eine Steuerschaltung, und wobei die Schaltvorrichtung und die Steuerschaltung mit der Bypass-Schaltung gekoppelt sind. In bestimmten Formen enthält die Bypass-Schaltung einen Kondensator, der mit der Steuerschaltung gekoppelt und parallel zu dem MOV geschaltet ist. In bestimmten Formen enthält die Bypass-Schaltung einen Kondensator, der mit der Schaltvorrichtung und dem Steuerkreis gekoppelt ist, und einen Widerstand, der mit dem Steuerkreis gekoppelt ist.
Während die vorliegende Offenbarung illustriert und im Detail in den Zeichnungen und vorstehende Beschreibung beschrieben wurde, ist sie als illustrativ und nicht einschränkender Charakter zu betrachten, wobei davon ausgegangen wird, dass nur bestimmte beispielhafte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, und dass alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Geistes der vorliegenden Offenbarung kommen, erwünscht sind, geschützt zu werden. Es sollte verstanden werden, dass, während die Verwendung von Wörtern wie „vorzugsweise“, „bevorzugt“ oder „bevorzugter“ in der obigen Beschreibung darauf hinweist, dass das so beschriebene Merkmal wünschenswerter sein kann, es dennoch nicht notwendig sein muss, und Ausführungsformen, denen es fehlt, als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung betrachtet werden können, wobei der Umfang durch die folgenden Ansprüche definiert ist. Beim Lesen der Ansprüche ist zu beachten, dass bei der Verwendung von Wörtern wie „ein“, „ein“, „mindestens ein“ oder „mindestens ein Teil“ nicht beabsichtigt ist, den Anspruch auf nur einen Gegenstand zu beschränken, es sei denn, im Anspruch ist ausdrücklich das Gegenteil angegeben. Der Begriff „von“ kann sowohl eine Assoziation mit oder eine Verbindung zu einem anderen Gegenstand bedeuten, als auch eine Zugehörigkeit zu oder eine Verbindung mit dem anderen Gegenstand, wie aus dem Kontext hervorgeht, in dem er verwendet wird. Die Begriffe „gekoppelt an“, „gekoppelt mit“ und dergleichen schließen eine indirekte Verbindung und Kopplung ein und umfassen darüber hinaus auch eine direkte Kopplung oder Verbindung, erfordern diese aber nicht, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Wenn die Formulierung „mindestens ein Teil“ und/oder „ein Teil“ verwendet wird, kann der Gegenstand einen Teil und/oder den gesamten Gegenstand umfassen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/770306 [0001]

Claims

Ein Festkörper-Leistungsschalter (SSCB), der umfasst: eine primäre Schaltvorrichtung mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss; und eine Spannungsklemmschaltung, die parallel zu der primären Schaltvorrichtung gekoppelt ist, umfassend: einen Metalloxid-Varistor (MOV), der zwischen dem ersten Anschluss und einer Hilfs-Halbleitervorrichtung in Reihe gekoppelt ist, wobei die Hilfs-Halbleitervorrichtung so angeordnet ist, dass sie den MOV selektiv mit dem zweiten Anschluss koppelt, und eine Bypass-Schaltung, die zwischen dem ersten Anschluss und der Hilfs-Halbleitervorrichtung gekoppelt ist.
SSCB nach Anspruch 1, wobei die Spannungsklemmschaltung so strukturiert ist, dass sie einen Fehlerstrom empfängt, nachdem die primäre Schaltvorrichtung geöffnet ist, und wobei die Hilfs-Halbleitervorrichtung so strukturiert ist, dass sie in Reaktion auf den Empfang des Fehlerstroms über die Bypass-Schaltung einschaltet.
SSCB nach Anspruch 2 und wobei der Fehlerstrom als Reaktion auf das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung von der Bypass-Schaltung zu dem MOV kommutiert.
SSCB nach Anspruch 3, wobei das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung eine Spannungsspitze über der Hilfs-Halbleitervorrichtung erzeugt, bevor die Hilfs-Halbleitervorrichtung eingeschaltet wird, wobei eine MOV-Spannung auf eine MOV-Klemmspannung ansteigt, nachdem die Hilfs-Halbleitervorrichtung eingeschaltet ist, und wobei die Spannungs-Klemmschaltung so strukturiert ist, dass eine Kombination aus der Spannungsspitze und der MOV-Spannung niemals die MOV-Klemmspannung überschreitet.
SSCB nach Anspruch 1, wobei die Bypass-Schaltung so strukturiert ist, dass ein Fehlerstrom von der ersten Klemme zu der Hilfs-Halbleitervorrichtung fließen kann, ohne durch den MOV zu fließen, der wirksam ist, um die Hilfs-Halbleitervorrichtung einzuschalten, bevor die MOV-Spannung auf eine MOV-Klemmenspannung ansteigt.
SSCB nach Anspruch 1, wobei die Spannungsklemmschaltung so aufgebaut ist, dass eine Gesamtklemmspannung über der Spannungsklemmschaltung eine MOV-Klemmspannung nicht überschreitet.
SSCB nach Anspruch 1, wobei die Hilfs-Halbleitervorrichtung einen Thyristor zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) oder eine TVS-Diode enthält, die zwischen dem MOV und dem zweiten Anschluss gekoppelt ist, und wobei die Bypass-Schaltung einen Kondensator enthält, der parallel zum MOV gekoppelt ist.
SSCB nach Anspruch 1, wobei die Hilfs-Halbleitervorrichtung eine Schaltvorrichtung und eine Steuerschaltung enthält, wobei die Schaltvorrichtung und die Steuerschaltung mit der Bypass-Schaltung gekoppelt sind.
SSCB nach Anspruch 8, wobei die Bypass-Schaltung einen Kondensator enthält, der mit der Steuerschaltung gekoppelt ist und parallel zu dem MOV geschaltet ist.
SSCB nach Anspruch 8, wobei die Bypass-Schaltung einen mit der Schaltvorrichtung und der Steuerschaltung gekoppelten Kondensator und einen mit der Steuerschaltung gekoppelten Widerstand enthält.
Verfahren zum Schutz einer primären Schaltvorrichtung eines Festkörper-Leistungsschalters (SSCB), wobei die primäre Schaltvorrichtung umfasst: Koppeln einer Spannungsklemmschaltung parallel zu der primären Schaltvorrichtung, wobei die Spannungsklemmschaltung einen Metalloxid-Varistor (MOV), eine zusätzliche Halbleitervorrichtung und eine Bypass-Schaltung umfasst; Empfangen eines Fehlerstroms mit der Hilfs-Halbleitervorrichtung über die Bypass-Schaltung, nachdem die primäre Schaltvorrichtung ausgeschaltet wurde; Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung unter Verwendung des Fehlerstroms; und Kommutieren des Fehlerstroms von der Bypass-Schaltung zum MOV als Reaktion auf das Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der MOV parallel mit der Bypass-Schaltung gekoppelt ist, und wobei der MOV in Reihe mit einer Schaltvorrichtung der Hilfs-Halbleitervorrichtung gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, und wobei der Fehlerstrom, der von der Bypass-Schaltung zum MOV kommutiert, beginnt, nachdem eine Schaltvorrichtung der mit dem MOV gekoppelten Hilfs-Halbleitervorrichtung schließt, und endet, wenn eine MOV-Spannung auf eine MOV-Klemmenspannung ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Einschalten der Hilfs-Halbleitervorrichtung eine Spannungsspitze über der Hilfs-Halbleitervorrichtung erzeugt, wobei eine MOV-Spannung des MOV auf eine MOV-Klemmspannung ansteigt, nachdem die Hilfs-Halbleitervorrichtung eingeschaltet wurde, und wobei die Spannungs-Klemmschaltung so strukturiert ist, dass eine Kombination aus der Spannungsspitze und der MOV-Spannung niemals die MOV-Klemmspannung überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Bypass-Schaltung es dem Fehlerstrom ermöglicht, von einem ersten Anschluss des SSCB zu der Hilfs-Halbleitervorrichtung zu fließen, ohne durch den MOV zu fließen, der wirksam ist, um die Hilfs-Halbleitervorrichtung einzuschalten, bevor die MOV-Spannung eine MOV-Klemmenspannung erreicht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Spannungsklemmschaltung so aufgebaut ist, dass eine Gesamtklemmspannung über der Spannungsklemmschaltung eine MOV-Klemmspannung des MOV nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Hilfs-Halbleitervorrichtung einen Thyristor zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) oder eine TVS-Diode enthält, die mit dem MOV in Reihe geschaltet ist, und wobei die Bypass-Schaltung einen Kondensator enthält, der mit dem MOV parallel geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Hilfs-Halbleitervorrichtung eine Schaltvorrichtung und eine Steuerschaltung enthält und wobei die Schaltvorrichtung und die Steuerschaltung mit der Bypass-Schaltung gekoppelt sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Bypass-Schaltung einen Kondensator enthält, der mit der Steuerschaltung gekoppelt ist und parallel zu dem MOV geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Bypass-Schaltung einen Kondensator, der mit der Schaltvorrichtung und der Steuerschaltung gekoppelt ist, und einen Widerstand, der mit der Steuerschaltung gekoppelt ist, enthält.