具有过压保护的电开关制造技术

本发明专利技术涉及具有至少一个能关断的半导体开关(2、21、22)的电开关(1)，其中电开关(1)具有电容器(3)和变阻器(4)，其中电容器(3)和变阻器(4)布置成第一串联电路(10)，其中由电容器(3)和变阻器(4)构成的第一串联电路(10)与能关断的半导体开关(2、21、22)并联。为了使电开关(1)尤其在其开关表现方面改进而提出：电开关(1)具有开关(5)和电阻(6)，其中开关(5)和电阻(6)布置成第二串联电路(11)，其中由开关(5)和电阻(6)构成的第二串联电路(11)与能关断的半导体开关(2、21、22)并与第一串联电路(10)并联。本发明专利技术还涉及用于运行这种电开关(1)的方法，其中在接通能关断的半导体开关(2、21、22)之前接通开关(5)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有过压保护的电开关
本专利技术涉及具有至少一个能关断的半导体开关的电开关，其中电开关具有电容器和变阻器，其中电容器和变阻器布置成第一串联电路，其中由电容器和变阻器构成的第一串联电路与能关断的半导体开关并联。本专利技术还涉及用于运行这种电开关的方法。
技术介绍
如今，电能的供应主要经由交流电网实现。交流电网的优点是：可以借助变压器产生不同的电压级。由于市场上可提供的半导体越来越便宜，对于直流(DC)电网也能以简单的方式产生不同的电压级，使得经由直流电网尤其在工业网络内进行能量供应刚好也变得特别经济。在此，直流电网应在未来的工业设备中减少损耗，保证变流器、存储器和马达之间的直接能量交换，并提高稳定性。在此，例如可以运行在不同的负载出口和馈入部之间具有不同电缆长度的小型直流电网。短的电缆长度导致馈线中的非常小的纵向电感，使得故障电流可以具有非常急剧的电流增加。这对于故障情况而言需要非常快地识别故障并且关断。通常机械开关无法满足该要求。因此，引入具有半导体开关的所谓的电开关。半导体开关也被称为固态断路器。该开关的特征在于与机械开关不同的特别快的开关，开关典型地在100ns的数量级中进行。从DE3718941A1中已知一种用于将高压电流引入到化学溶液中的设备。该设备由存储装置、接收装置、检测设备和包括高磁轭开关的引导设备组成。从EP3367567A1已知一种用于分离电流路径的开关设备。该文献涉及一种用于分离直流电网的、包括源侧的和负载侧的电感的电流路径的开关设备。开关设备包括至少两个串联的开关模块，其中每个开关模块包括至少一个可控的半导体开关元件，由电阻和电容器构成的串联电路与半导体开关元件并联。在优先权日之后公开的WO2018/172134A1中提出一种用于控制直流开关的方法。在此，直流开关具有第一能关断的半导体开关和第二能关断的半导体开关，其中第一和第二能关断的半导体开关设置在第一接头和第二接头之间，从而能够引导具有第一极性的电流经过第一能关断的半导体开关，并且能够引导具有相对于第一极性相反的极性的电流经过第二能关断的半导体开关，其中根据电流测量值关断能关断的半导体开关之一。在优先权日之后公开的WO2019/011642A1中提出一种电开关，其具有至少一个能关断的半导体开关、变阻器和电容器。在此，电开关具有第一接头和第二接头，在接头之间可以借助于至少一个能关断的半导体开关根据能关断的半导体开关的开关状态来建立或中断导电的连接。在此提出：由变阻器和电容器构成的串联电路分别借助第一二极管与第一接头连接并且借助第二二极管与第二接头连接。
技术实现思路
本专利技术的基本目的在于给出一种尤其在电开关的开关表现方面有改进的电开关。该目的通过一种电开关实现，其具有至少一个能关断的半导体开关、电容器和变阻器，其中电容器和变阻器布置成第一串联电路，其中由电容器和变阻器构成的第一串联电路与能关断的半导体开关并联，其中电开关具有开关和电阻，其中开关和电阻布置成第二串联电路，其中由开关和电阻构成的第二串联电路与能关断的半导体开关并联并且与第一串联电路并联。该目的还通过一种用于运行这种电开关的方法来实现，其中在接通能关断的半导体开关之前接通开关。在从属权利要求中给出本专利技术的其他有利的设计方案。本专利技术基于如下认知，即如果将由变阻器和电容器构成的串联电路与能关断的半导体开关并联，则可以改善电开关的开关表现。串联电路可以保护能关断的半导体开关免受开关时形成的电压峰值影响进而确保无干扰运行并且同时提高其使用寿命。能关断的功率半导体开关可以是仅能关断沿一个方向的电流的开关。该开关特别适合于不能回馈的负载并因此仅引导沿一个方向的电流。同样地，其可以是能关断沿两个方向的电流的、能关断的功率半导体开关。能关断的半导体开关对于在电流开关时、尤其在其关断时出现的电压峰值是敏感的。通过直流电网中存在的电感，例如由于线缆的寄生电感引起电流变化，尤其电流中断导致高电压，该高电压随后部分地在能关断的半导体开关上下降并且能够损坏半导体开关或降低其使用寿命。通过由变阻器和电容器构成的第一串联电路的并联设置，可以可靠地保护能关断的半导体开关免受形成的过压和电压峰值影响。在此，将从开关的截止状态到导通状态的过渡称为接通，并且将从开关的导通状态到截止状态的过渡称为断开或关断。根据其电流电压特性曲线，在关断能关断的半导体开关时形成的电压的一部分降在变阻器上，而另一部分降在电容器上。在此有利是：变阻器的设计从现在起变得更简单，因为其现在不必再承担全部截至电压。来自负载中以及直流电网的相关支路中的电感的能量现在也由电容器吸收。由此，在电容器中建立电压，该电压被添加至变阻器的电压。在此特别有帮助的是：在负载电流下降时，电容器电压上升并且补偿变阻器的较小的反向电压。负载电流根据等式u(t)＝L*di/dt通过电容器的施加的反向电压而下降，并且由于i(t)＝C*du/dt的电容器表现越来越多地在电容器上建立反向电压。在任何情况下，由此产生比驱动的直流电压更大的反向电压，因为通过经过电容器的电流建立反向电压，反向电压在一定时间之后强制性地且可靠地抑制电流。换言之，位于要关断或已关断的支路中的一个或多个电感的能量从该一个或多个电感传递到电容器上，电容器的电压由此升高。在断开能关断的半导体开关时，由于大的电流变化而形成电压峰值。电压峰值引起变阻器击穿并过渡到导通状态，并实现从电感流到电容器的电流。因此，存在于电容器处的且仅经由对流过电容器的电流建立的电压进行积分，并且在过渡到导通状态下的变阻器处的小的电压也施加到能关断的半导体开关处，半导体开关与由变阻器和电容器构成的第一串联电路并联。由此，能关断的半导体开关处的电压也很小，并且可靠地保护半导体开关免受电压峰值影响。即使在相关的能关断的支路中的高电流或高电感被关断时，这也确保其功能。此外，在关断能关断的半导体开关时，适度的电压提高其使用寿命。如果现在在直流电网中的负载中出现短路，则可以通过关断电开关来将直流电源与故障点分离。经过负载电感的电流没有续流路径，由此在半导体开关上会建立如下电压，该电压加载至半导体开关或者甚至会破坏半导体开关。由变阻器和电容器构成的第一串联电路形式的限压网络在此不仅可在具有能关断的半导体开关的、在此示意示出的电开关中使用，而且可以在直流电网中的任意构造的直流电压开关中使用。在此，电开关具有开关和电阻，其中开关和电阻布置成第二串联电路，其中由开关和电阻构成的第二串联电路与能关断的半导体开关并联并且与第一串联电路并联。通过为电开关扩展使用开关和电阻，在关断过程之后可以尤其低损失地实施再次接通。由电容器在关断过程中从电感吸收的能量在重新接通开关时为负荷，因为该能量在接通电开关时突然地经由能关断的半导体开关放电。放电电流通过变阻器的电流/电压特征曲线被预设，并且可以设置相当大的值。当在断开和重新接通之间仅存在短的时间段时，尤其适用这种情况。在短的时间段内，电容器仅可以被少量放电并且存储的能量会引起能关断的半导体开关的负荷。为了减小通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电开关(1)，具有：/n-至少一个能关断的半导体开关(2、21、22)，/n-电容器(3)，和/n-变阻器(4)，/n其中，所述电容器(3)和所述变阻器(4)布置成第一串联电路(10)，其中，由所述电容器(3)和所述变阻器(4)构成的所述第一串联电路(10)与所述能关断的半导体开关(2、21、22)并联，其特征在于，所述电开关(1)具有开关(5)和电阻(6)，其中，所述开关(5)和所述电阻(6)布置成第二串联电路(11)，其中，由所述开关(5)和所述电阻(6)构成的所述第二串联电路(11)与所述能关断的半导体开关(2、21、22)并联并且与所述第一串联电路(10)并联。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181115 EP 18206463.41.一种电开关(1)，具有：
-至少一个能关断的半导体开关(2、21、22)，
-电容器(3)，和
-变阻器(4)，
其中，所述电容器(3)和所述变阻器(4)布置成第一串联电路(10)，其中，由所述电容器(3)和所述变阻器(4)构成的所述第一串联电路(10)与所述能关断的半导体开关(2、21、22)并联，其特征在于，所述电开关(1)具有开关(5)和电阻(6)，其中，所述开关(5)和所述电阻(6)布置成第二串联电路(11)，其中，由所述开关(5)和所述电阻(6)构成的所述第二串联电路(11)与所述能关断的半导体开关(2、21、22)并联并且与所述第一串联电路(10)并联。


2.根据权利要求1所述的电开关(1)，其中，所述电开关(1)具有至少两个能关断的半导体开关(2)，其中，两个所述能关断的半导体开关(2、21、22)中的第一能关断的半导体开关(21)设置成能够关断从所述电开关(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡斯滕·汉特，斯特凡·亨泽尔，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE