CN101019318A - 电子开关设备，尤其是断路器，及其相关操作方法 - Google Patents

Abstract

已知一种由两个碳化硅JFET(1，1′)和两个硅MOSFET(2，2′)构成的反向串联共射－共基电路。本发明涉及一种由所述JFET(1，1′)与一被称为智能功率MOSFET的SPM(20)和一与所述SPM(20)并联且带有附属控制电路(30)的晶闸管(9)构成的组合，其中，由一逻辑电路(10)协调功能顺序。

Description

电子开关设备，尤其是断路器，及其相关操作方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的电子开关设备，尤其是一种断路器。此外，本发明还涉及所述开关设备的相关操作方法。

背景技术

众所周知，交流电的通断通常用的是机电和电子开关设备。机电开关设备有正常工作条件下的通断用开关设备(“接触器”)和短路断开用开关设备(“断路器”)之分。可视具体的保护方案而定用断路器或接触器切断过载。

实践中用的电子开关设备建立在晶闸管技术基础上，且只适用于正常工作条件下的通断或过载断路。与此同时，功率半导体逐渐受到关注：其中，尤其是将两个反向串联的碳化硅面结型场效应晶体管(碳化硅JFET，SiC-JFET)和硅门极绝缘型场效应晶体管(硅MOSFET，SI-MOSFET)组合起来的所谓的“共射-共基”是已知的最新发展技术。

本发明的目的是一种电子断路器，其不仅适用于正常工作条件下的过载断路，也适用于短路断开。其中，迄今所用的电子断路器将具有新的扩展功能。

电子断路器必须具有下列功能/开关特性(接通，断开)：

-瞬时接通

-必要时的相控接通

-瞬时工作：断开，例如针对电阻负载

-电流过零时断开：正常工作条件下和过载情况下，特别是由于切断大感抗，例如电动机

-共射-共基短路保护：即时断开

-共射-共基过载保护：与电子断路器的过载保护相一致

-可能情况下的支路过载保护：与电动机和导线的过载保护相一致

-电子断路器的过压保护

-电位隔离控制

-电位隔离状态信息

-在开关电位上供电

其中，真正具有断路功能的元件是一由上文提及的碳化硅JFET和硅MOSFET组合构成的反向串联共射-共基电路，图1对其进行了详细图示，此外，下文中也将对其进行详细说明。

如图1所示的现有技术中的电路只能实现以下功能：

-瞬时接通，和

-瞬时断开。

上文所述的其他功能则无法用该电路实现。

结合一软起动器控制部件中或一过载保护单元中的其他相，可实现“相控接通”功能和“过载保护：支路”功能，所述过载保护单元可保护用电设备(电动机保护)和例如为导线的工作构件。这种单元已应用在带晶闸管的软起动器中，就其本身而言属于当前技术水平。

因此除“瞬时接通”和“瞬时断开”外，单相中的附加电路必须实现下列功能：

-电流过零时断开

-共射-共基短路保护

-共射-共基过载保护

-过压保护

-电位隔离控制

-电位隔离状态信息

-在开关电位上供电。

带晶闸管的设备(如上文所述)适合用作电流阀。晶闸管开关设备由一控制电位上的控制部件和主电压电位上的开关元件构成。视具体设备而定可在控制部件中存储以下功能/开关特性：

-瞬时接通

-相控接通(所谓的“软起动”)

-在下一次电流过零时通过晶闸管正常断开

-电源部分过载保护

-支路过载保护

-电位隔离控制

-电位隔离状态信息，这一功能目前只能在上级控制设备中实现。

正常工作条件下和过载情况下的电流过零时断开通过晶闸管的组件特性而实现。如果设备不受一上级开关元件的保护，就会由于短路而毁坏。

现有技术中的有关电子断路器的方案可参见DE 19612216 A1和US 5216352 A。其中使用了晶体管。

上述功能通过单个的功能单元实现。通常需要记录电流瞬时值，该值可通过下列方法之一进行记录：

-电流测量：通过转换器、分流器和半导体中的电流反射镜而实现。

-电流过零时断开：通过借助比较器和发送到共射-共基上的相应信号来分析电流信号而实现。

-共射-共基短路保护：进行“U_CE”监控或电流瞬时值监控。为此使用TOK( Tolerantes  Ortskurven- Kriterium，容许轨迹标准)规定的已知方法，或通过测试脉冲来防止短路接通。

-共射-共基过载保护：通过延时电流分析/短时过载特性曲线、各种加热模型、用于长时过载保护的温度传感器而实现。

-过压保护：通过箝位、齐纳二极管和压敏变阻器而实现。

-电位隔离控制、电位隔离状态信息：通过光耦合器和必要时用作IC的变换器，以及通过L和N之间的R/C分压器而实现。在供电基础上借助脉冲宽度调制对信号传输进行调谐；也可借助MR耦合器。

-在开关电位上供电：可以使用来自L-N或L-L的阻抗/二极管由L-N或L-L进行转换，必要时采用人工星点通过L和N之间的R/C分压器，通过短时断开的半导体开关元件和电容器充电，使用电流/电压转换器信号、例如Burr Brown的DC/DC转换器、例如为变压器的AC/DC转换器，压电变换器产生的超声，光学方面借助光导体/光电管，加热元件/热电偶组合。

此外，DE 10062026 A1中公开了一种电子开关设备，其包括一用于施加工作电压的工作电路，所述工作电路中存在断路构件，所述断路构件会在危险情况下充分利用工作电流或工作电压中的能量来自动使开关元件进入断开状态。为此存在一SiC-JFET。而DE 19600807 A1中则存在一包括至少一个功率晶体管的智能型分离式半桥功率模块，其中，所述功率晶体管由一过压端和去饱和检测回路保护。其中，每个功率晶体管均分配有一隔离变压器，所述隔离变压器的初级绕组和一与其分离的控制通信接口相连。其中，功率晶体管的栅极控制装置连接在变压器的次级绕组上。最后，DE 69124740 T2中公开了一种单片式电流控制中断系统，这个系统借助一适用的微处理器控制装置在能量可忽略不计的电流过零时在必要时进行断路。

上述电路只有在具有极其复杂的构造的情况下才能实现断路器的功能。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种开关设备，借助所述开关设备可特别实现断路器的功能。

根据本发明，这个目的通过一种符合开篇所述类型的、且具有权利要求1所述的全部特征的开关设备而达成。权利要求10涉及的是相关操作方法。从属权利要求涉及的是改进方案。

本发明涉及的是一碳化硅面结型场效应晶体管、一门极绝缘型场效应晶体管以及一晶闸管的专门组合，所述门极绝缘型场效应晶体管为一称作智能功率门极绝缘型场效应晶体管(Smart Power MOSFET，智能功率MOSFET，SPM)，所述晶闸管具有附属控制部件，其中，所述晶闸管与所述SPM并联，存在一独立的逻辑电路，所述逻辑电路用于协调SPM和晶闸管电路。

附图说明

下面借助附图所示的实施例以及联系附图说明和权利要求对本发明的其他细节部分和优点进行说明，其中：

图1为一现有技术中的反向串联共射-共基电路的原理图；

图2为一开关电路布置的半个部分，所述开关电路布置将一SiC-JFET专门与一SPM及其附属逻辑电路组合在一起；

图3为SiC-JFET的特性曲线与SPM的特性输出曲线图；

图4为图2所示的逻辑电路中的程序运行过程；

图5为带有晶闸管和相应过渡的碳化硅共射-共基的开关工作状态；

图6至图9为SPM和晶闸管在不同开关工作状态下的电流特性曲线；以及

图10为故障识别示意图。

具体实施方式

图1显示的是一现有技术中的反向串联共射-共基电路。其由两个分别与一硅MOSFET2和2′相连的SiC-JFET1和1′构成。其中，元件1、2和1′、2′构成一反向串联的串联布置。存在一阻塞二极管3和3′。二极管4和4′反向接收电流。

图2为一具有过载保护功能的基于晶闸管的软起动器控制部件，其组合有一所谓的SPM( Smart  Power  MOSFET，智能功率MOSFET)。其中，图2只显示了一半电路。整个电路必须采取如图1所示的反向串联连接方式，从而特别构成一交流电压开关。

具体而言，图2中的参考符号1仍表示图1中的SiC-JFET。SPM整体而言用20表示。此外还存在一具有一附属控制部件30的晶闸管9。通过一逻辑模块10可确保SPM 20与晶闸管9共同起作用。借此可通过逻辑模块10由软件将SPM 20的功能与晶闸管9联系起来。

在图2中，电流以如图1所示的阻断方向流过二极管4。一压敏变阻器8用于过压保护。

图2中还存在二极管24和24′、电阻器25和25′、一电容器26与一用作限压器的齐纳二极管27。这种线路布置是现有技术的一部分。

SPM是配有一附加的逻辑电路、且多数情况下配有一温度和电流传感器的MOSFET。通常也会发送状态信息来报告故障情况，例如短路或过载。对电流信号进行分析后即时断开短路，或将电流限制在一允许值上。通过SiC-JFET和SPM的精细调谐，SiC-JFET也能受到SPM的过载和短路保护。

SPM作为瞬时接通和瞬时断开式开关时的作用是短路保护和限流，并可借助集成式温度监控功能起到共射-共基过载保护的作用。

通过图2所示的开关电路布置可在尽可能不做改动的情况下使用一在其他情况下未经改动的、基于晶闸管的电动机控制设备的控制部件30，所述基于晶闸管的电动机控制设备例如为一所谓的软起动器。

图3为与电压相关的电流示意图。电压U_DS为横坐标，电流I_DS为纵坐标。33表示一SiC-JFET的一特性曲线，34表示一SPM的输出特性曲线。参考符号35表示保护阈值。

如图3所示，SPM的饱和电流I_DS小于SiC-JFET的饱和电流I_DS。在此情况下，当达到SPM 20的饱和电流时，SPM的电压U_DS会迅速上升，SPM的短路保护或限流功能会开始发生作用，从而使SiC-JFET无法进入一不允许的工作状态(饱和)。同样，当SiC-JFET的发热程度由于例如散热器尺寸较大而低于SPM的发热程度，或者当SiC-JFET的热稳定性高于SPM的热稳定性时，SPM的温度监控功能可以保护SiC-JFET。

通过将晶闸管9与SPM 20并联，可以实现在电流过零时的断开，其中，逻辑电路10用于协调SPM 20和晶闸管9。逻辑电路或逻辑模块中实施的执行方案如图4的流程所示，下文将借助流程图对其进行说明。所述流程图的结构非常清楚明了。

下面借助图4对程序体系结构100的开关工作状态进行说明：

在位置101上发出一启动指令。在一逻辑连接位置102之后是一切换指令103和位置104上的一判定。SPM 20在位置105上被接通，在位置106上检测短路。若检测出短路，则判定路径沿标有“是”的线路进行，并在位置121上断开SPM 20。随后是一逻辑连接点107和紧接着的一切换指令108与一判定阶段109。若检测出短路，SPM则仍相应地在位置121上被断开。

如果没有检测出短路，则在判定菱形111中返回至107。

在位置112上接通一晶闸管，接通时间为Δt₁。在位置113上，逻辑电路10识别短路。如果存在短路，则晶闸管电路如位置114所示被断开，SPM 20如位置115所示在一时间间隔Δt₄之后也被断开。

如果不存在短路，则SPM 20如位置116所示在一时间间隔Δt₂之后被断开。在如位置117所示的判定菱形中，逻辑电路10识别出短路并如位置118所示通过路径c将SPM 20接通。如果不存在短路，晶闸管控制电路30就会如位置120所示在过零后断开。

如位置119所示，SPM 20在ΔT₃之后断开。程序运行过程在点122处结束。

图5借助状态图对主要的功能关系进行了说明：带有SPM 20和晶闸管9的碳化硅共射-共基的开关工作状态用圆圈表示，相应的过渡用箭头表示，状态图借此可清楚说明共同作用。位置51表示断开的开关，也就是说，SPM20和晶闸管9在此处是不导电的。圆圈52表示闭合的开关。在此情况下，SPM 20闭合，而晶闸管9断开。圆圈53表示闭合的开关，即，SPM 20闭合，而晶闸管9断开。位置54表示开关在正常工作条件下的断开，在此情况下，SPM 20断开，晶闸管控制电路30开始工作。

四个位置51至54之间的过渡表示的是不同状态之间的接通指令和短路识别等动作：例如从位置51指向位置52的箭头表示接通指令。从位置52指向位置51的箭头表示短路识别。从位置53指向位置51的箭头表示电流如何从晶闸管9换向至SPM 20。从位置52指向位置54的箭头表示断开指令，其中，晶闸管9被触发，SPM 20被断开。从位置54指向位置53的箭头表示短路识别，其中，SPM 20被接通。最后，从位置54指向位置51的箭头表示晶闸管9在电流过零时断开。

图6至图9显示的是通过SPM 20实现接通，正常状态下SPM 20中有电流流动。通过SPM 20实现短路断开。在此情况下，晶闸管不受控制。

图6显示的是图4中的一条路径所示的短路断开措施。具体而言，i(t)-局部曲线图a)至c)中的各i(t)分别表示控制61与总电流63(局部曲线图a)、SPM控制64与SPM电流65(局部曲线图b)和晶闸管控制与晶闸管电流(局部曲线图c——空白)。箭头62表示识别短路的时间点。通过SPM实现短路断开。晶闸管不受控制。

图7显示的是正常工作条件下的过载断路，其中，显示有电流73、75和77的局部曲线图a)至c)与图6结构相同。箭头72表示断开指令，时间箭头79表示整流换向的时间点。

通过SPM实现接通。正常状态下SPM中有电流流动。在电流进入允许的过流范围时以及在此之前，通过晶闸管实现过零时的断开。其中，先对晶闸管进行控制，紧接着断开SPM。在此情况下，电流会在过零时自动消失。

如果在电流过零之前的断开过程中出现短路，SPM不会向模块10发送短路信号。逻辑电路通过U_DS检测而接收到短路断开指令。逻辑电路随后将SPM短时接通。当电流换向至SPM时，SPM断开，如果SPM采用较小的ON电阻器，则所述整流换向过程很快便会完成。整个过程只在短短几μs内即可完成。由于SiC-JFET非常坚固，因此在这段时间内不会受到损坏。形成一如图8所示的过程，图8的局部曲线图中包括电流83、85和87、表示断开指令的时间箭头81和表示识别出短路的信号82。

短路断开时会发生相应的情况，其中，晶闸管9受控制，SPM 20导电。

图9显示的是晶闸管9接通时的短路断开，其中，显示有电流的各局部曲线图a)至c)仍与图6至图8相对应。91表示控制，时间箭头92表示断开指令，93表示总电流。94表示SPM控制，95表示SPM电流，96表示晶闸管控制，97表示经晶闸管控制96之后的晶闸管电流97。时间箭头98表示识别出短路。

整体而言，通过一光耦合器11、11′和通过压敏变阻器8而实现的过压保护形成对各单元的电位隔离控制。光耦合器11、11′和压敏变阻器8在前文所述的图2中分别表示为单个单元。此外还可设置一具有热过载保护作用的温度测量单元。

图10显示的是如何在复杂的故障情况时，也能通过光耦合器11、11′传输状态信息。没有故障时，发出的信号58为HIGH(“life zero”)，出现故障时，发出的信号表示为下降边。随后的位模式59表示故障类型。

在图2中，在开关电位上借助一已知的供电设备(图2所示的二极管24、24′，电阻器25、25′，电容器26，齐纳二极管27)用电源电压供电。其中，即使电子断路器应持续导电，但仍须存在一使开关不导电的最小点火角，来确保电容器的充电。

根据可选的接线方案，也可采用不使用压敏变阻器、而是借助整个SPM20来进行“箝位”的电路，这种方案得以实现的特别条件是栅极端子可以接触。

借助一如图2所示的布置和逻辑电路10的软件式实现方案，整体而言可获得以下优点：

短路时瞬时断开：由于SPM的存在，便无需布置分立电路。通过调整SPM的短路保护功能，便无需设置单独的保护功能。

在工作电流和过载电流过零时断开。通过使用一晶闸管9，便无需使用带有分离式电流测量单元的复杂的比较电路。通过共射-共基实现过载保护。通过调整SPM的过载保护功能，便无需为SiC-JFET设置单独的保护功能。

图2所示的控制电路30可在或多或少有所改动的情况下用作一已知软起动器的一控制部件。形成一电位隔离控制与一电位隔离状态信息。在开关电位上供电。

Claims (13)

1.一种电子开关设备，尤其是一种电子断路器，其能实现以下开关功能：

瞬时接通，必要时也可相控接通，

电流过零时瞬时正常断开，也就是既在正常工作条件下也在过载情况下，

作为短路保护的即时断开，包括过载保护、必要时的支路过载保护和过压保护，

带有隔离控制、隔离状态信息和在开关电位上供电，

其特征在于，一SiC-JFET(1，1′)与一MOSEFT(2，2′；20)以及至少一个晶闸管(9)的组合，所述MOSFET为一所谓SMP(智能功率MOSFET)，其中，所述晶闸管(9)与所述SPM(20)并联连接，为所述SiC-JFET(1，1′)、SPM(20)以及带有并联连接晶闸管(9)的组合分配一逻辑电路(10)。

2.根据权利要求1所述的电子开关设备，其特征在于，

为所述至少一个晶闸管分配一以电位方式去耦的控制单元(30)。

3.根据权利要求1所述的电子开关设备，其特征在于，

结合所述晶闸管控制电路(30)中的其他相来实现“相控接通”和“过载保护/支路”功能。

4.根据权利要求2所述的电子开关设备，其特征在于，

所述晶闸管控制电路(30)实现一过载保护单元。

5.根据权利要求1所述的电子开关设备，其特征在于，

所述SPM(20)为瞬时接通、瞬时断开提供短路保护、限流和过载保护功能。

6.根据权利要求5所述的电子开关设备，其中，所述SiC-JFET(1，1′)与所述MOSFET(2，2′；20)的组合中存在一控制电路(30)和附属的逻辑电路(10)，所述MOSFET为SMP(智能功率MOSFET)，其特征在于，

存在至少一个与所述SPM(20)并联的、用于电流过零时断开的晶闸管(9)，所述逻辑电路(10)用于协调所述SPM(20)和所述的至少一个晶闸管(9)。

7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电子开关设备，其特征在于，

存在用于电位隔离的构件(11，11′)，所述构件尤其为光耦合器。

8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电子开关设备，其特征在于，

存在用于过压保护的构件，所述构件尤其为压敏变阻器(8)。

9.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电子开关设备，其特征在于，

存在用于温度测量和热过载保护的构件。

10.一种根据权利要求1或权利要求2至9中任一项权利要求所述的电子开关设备的操作方法，其特征在于，

按一逻辑顺序询问状态，并根据结果对所述SPM和/或所述晶闸管控制电路进行控制。

11.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于，

首先接入所述SPM，随后接入所述晶闸管控制电路。

12.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于，

所述逻辑顺序以软件方式进行。

13.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于，

使用一具有过程控制功能的逻辑电路。

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