具有过电压限制器的电子开关制造技术

本发明专利技术涉及一种电子开关(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。本发明专利技术还涉及具有这种电子开关(1)的直流电压系统(10)。本发明专利技术还涉及用于限制在这种电子开关(1)或这种直流电压系统(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。

Electronic switch with overvoltage limiter

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有过电压限制器的电子开关
本专利技术涉及一种电子开关，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。本专利技术还涉及一种具有这种电子开关的直流电压系统，其中直流电压系统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系统的第一电势连接。本专利技术还涉及一种用于限制在这种电子开关或这种直流电压系统中的过电压的方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，该目的通过具有权利要求8的特征的直流电压系统实现。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系统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。本专利技术基于以下认识，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系统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系统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专利技术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。在本专利技术的范畴中，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。在本专利技术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网络的第二电势本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子开关(1)，具有：/n-至少两个能关断的半导体开关(2)，/n-压敏电阻器(3)，和/n-电容器(4)，/n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(11)的阴极连接。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170714 EP 17181402.31.一种电子开关(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(11)的阴极连接。


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和所述第二二极管(15、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4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...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡贝特·席尔林，本诺·魏斯，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE