CN101965669B - 电子直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于连接和断开直流电源的设备，所述设备包括一连接到电路板(1)和一个绝缘栅双极晶体管的收集器端口(C)上的输入直流电源(直流输入)。所述绝缘栅双极晶体管连接到所述电路板(1)上。一个输出直流电源(直流输出)连接到所述绝缘栅双极晶体管和电路板(1)的发射极端口(E)。所述电路板(1)连接到所述绝缘栅双极晶体管的栅极端口(G)，且所述电路板(1)是用于监测所述输入和输出直流电源(直流输入，直流输出)的预定条件。

Description

电子直流断路器
技术领域
本发明涉及一种连接和断开直流电源并作为快断保险丝的设备。
更特别地，本发明涉及一种电子直流断路器(E-DCB)，该电子直流断路器包括一个大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT晶体管)，其用于连接和断开直流电源，并作为一个快断电流保险丝。本发明的设备主要是用在具有几个马达驱动器的钻井平台上，这几个马达驱动器通过共同的直流电源供电。
背景技术
用于断开直流的电流断路器已经在市面上有销售。这些商用的直流断路器通常被设计出来用于处理大约1.5千瓦的最大功率。这些电流断路器运用在机械部件上，有些只适合在小型器件上，如家用电子产品上。另一组商用的直流断路器使用爆炸物来断开电路，这就需要更换和维修零件。
美国专利申请第6,738,246B1号揭露了一种保护小的过流和大的过流的电气线路断路器。该发明的工作电压范围为100V至1KV。一个微型继电器开关与一个用于限制短路电流的元件连接一起。该微型继电器开关是一种机械式开关且开关小的过流，以及该用于限制短路电流的元件切断大的过流。该用于限制短路电流的元件的使用破坏了该微型继电器开关。
专利申请号为WO2007/022744的专利申请揭示了一种限流开关，该限流开关包含一个机械式开关单元。
专利申请号WO2007/020539的这篇专利提供了一个电池充电电路的电流限制器电路配置。这种电路结构快速探测并限制通过门控开关装置的任何电流变化。该发明的目的是要在便携设备和移动设备上使用。
德国专利第199 55 682A1号公开了高压电流限制装置。该发明使用爆炸物打开电流路径。使用爆炸物意味着需要更换部件，以恢复设备的操作和系统维护。维修需要时间和备用零件。在维修过程中的时间系统无法完全运作。
美国专利第2005/0002152A1号公开了一种故障电流限制系统和方法，该系统和方法是基于联合的快速开关和平行的电熔丝的使用。检测到故障后，快速开关在很短的时间内打开且和将电流传输到保险丝，这样会爆裂，从而中断了短路电流。一种自动系统以一种新的保险丝取代这种爆裂保险丝。一个爆炸盒可以用来代替一个快速开关。
发明人G·沃克出版了名为“电动车电池组的直流断路器”书籍公开了一种静态的直流断路器，该静态的直流断路器使用一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这种技术方案处理的电压范围为成千上万伏。
其他已知的技术方案的范例是由德国专利第4108049号公开了，该专利描述了交流系统的保护系统，因而不适合直流(DC)应用。美国专利第2002/0030532号解释说明了一个解决方案，该解决方案避免了由高温导致了具有绝缘栅双极晶体管(IGBT)安装在一电路板的半导体开关产生故障，众所周知，该欧洲专利第1811665号描述了一种门控制开关，和由克斯蒂克·S等人撰写的名称为“先进船舶动力系统的电路断路器”的文章也描述了在船舶上使用的基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)和集成门极换流晶闸管(Integrated GateCommutated Thyristor，简称IGCT)的快速电路开关，该文章来自于2007年的电动船技术研讨会，ESTS apos；07.IEEE2007年五月21-23日，第201-208页。
发明目的
本发明的目的是提供一种用于连接和断开直流电源的电子装置。本发明是基于发现了一种改进的电子直流断路器，该电子直流断路器可处理高电压且充当一种快断保险丝，它可在钻井平台，船舶马达驱动器和工业设备上使用，这并不需要更换零件能够在断电后重新运行。
本发明的上述提到的这些目的可以在附属的权利要求中得到。
发明内容
解决本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：提供一种名称为电子直流断路器的设备(E-DCB)，该电子直流断路器处理大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT晶体管)。该设备充当一个快断电流保险丝，以致于在一个晶体管的内部短路上，在同一直流分布上没有其他的晶体管受到影响。并且，根据目前的技术方案，该设备不需要更换或维修零部件，该设备主要是为了应用在比较大的装置上，如具有几个共同的直流连接的马达驱动器钻井平台，船舶马达驱动器以及具有几个在同一直流分布上的马达驱动器的工业设备。
本发明提供了一种用于连接和断开直流电源的设备的较佳实施例，该设备包括一连接到电路板和一个绝缘栅双极晶体管的收集器端口上的输入直流电源。该绝缘栅双极晶体管连接到该电路板上。一个输出直流电源连接到该绝缘栅双极晶体管和电路板的发射极端口。该电路板连接到该绝缘栅双极晶体管的栅极端口和一直流负上，该电路板是用于监测该输入和输出直流电源的预定条件。
根据本发明设备的另一个较佳实施例，信号传输装置连接到该电路板上，并且将控制命令发送到设备上。
根据本发明设备的一个较佳实施例，该信号传输装置是光纤，在其性质上，该光纤提供一个非常安全的连接。
根据本发明设备的又一个较佳实施例，该信号传输装置是光电耦合器。
根据本发明设备的另一个较佳实施例，该信号传输装置是电隔离的。
根据本发明设备的再一个较佳实施例，温度测量装置连接到该电路板上以测量散热器的温度。若测得的散热器温度超过一个给定数值限制，则该设备处于关闭状态。
根据本发明设备的一个较佳实施例，控制命令要么开启要么关闭。
根据本发明设备的另一个较佳实施例，在相邻的转换器被干扰之前，该设备隔离在一个共同的直流分布上的转换器出现的故障。
根据本发明设备的又一个较佳实施例，该设备将测量值发送到信号传输装置。
根据本发明设备的一个较佳实施例，该测量值是输入的直流电压，直流输入，输出直流电压，直流输出，电流，IE-DCB和散热器的温度。如果这些测量值的变化超过预定值时，设备处于关闭状态。
根据本发明设备的再一个较佳实施例，该设备用于处理大功率，如150万瓦。这种大功率用在大型设备上。
根据本发明设备的一个较佳实施例，该设备用于大型应用，如钻井平台，船舶马达驱动器或工业设备。
根据本发明设备的又一个较佳实施例，该设备用于控制一个直流分布的直流电容器电池。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，附图中：
图1为本发明电子直流断路器的结构示意图。
具体实施方式
请参考图1，该电子直流断路器(E-DCB)的任务是根据接收到的控制信号连接和断开直流输出直流输入。
图1显示了该电子直流断路器(E-DCB)，其包括一个用于连接和断开直流电源的绝缘栅双极晶体管(IGBT)，并且，该绝缘栅双极晶体管可作为一个快断电流保险丝。本领域的技术人员都知道该绝缘栅双极晶体管(IGBT)的原理。
正如图1所示，输入直流功率直流输出是连接到电路板1和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极端口C。输出直流电源直流输出连接到绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射端口E和电路板1。该电路板1连接到绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅极端口G，并且该电路板1监测直流电源直流输入和直流输出的预定的输入和输出条件。一个测量散热器温度的温度测量设备2连接到该电路板1上。
在该电子直流断路器里，在电路板1上的内部直流-直流转换器将高直流电压，直流输入转换为电子设备必要的内部电压。执行此转换不需要额外的电源。该电路板1测量输入的直流电压，直流输入，输出的直流电压，直流输出，电流，IE-DCB，以及该温度测量设备2测量散热器温度。
该电路板1上连接有一对光纤，通过这对光纤控制该电子直流断路器(E-DCB)。就其性质而言，通过光纤连接是非常安全的。这些光纤的另一端连接到主控板，该主控板没有显示出来，其中该主控板上设有开/关命令，并发送到该电子直流断路器上并且状态可以读取。该光纤3是用于控制该电子直流断路器，因为通过光纤连接是非常安全的。与任何其他连接相比通过光纤3连接是必要的。使用例如光电耦合器或具有电流隔离的任何信号传输装置可以代替光纤3。该光电耦合器可用于在任何情况下，除非他们不符合隔离要求。该光纤3将来自该主控板的控制命令传输到该电子直流断路器，并且该电子直流断路器不断发出测量数值(输入直流电压，直流输入，输出直流电压，直流输出，电流，IE-DCB和散热器的温度和利用因数(热动态模型))和状态信号(该电子直流断路器开启或关闭)通过光纤3传回给主控板。通过光纤3传输给该电子直流断路器的信号要么是状态开启信号要么是关闭状态信号。
当光纤3将一个开启的命令传输到该电子直流断路器，通过用短电流控制开启间隔脉冲该电子直流断路器，该电路板上的负载电容充电，直到一个开启间隔持续超过10微秒，没有达到该负载电容的电流限制(例如3500安)，然后，该电子直流断路器处于开启状态。如果该电子直流断路器在两秒内没有达到的接收标准(通过一个计时器装置记录10微秒内没有达到电流限制)，该充电阶段终止和故障报告返回到该控制电路板。
当该电子直流断路器处于开启状态时，该电子直流断路器监测各种变量。如果在下面的例子中变量超过了限制，该电子直流断路器就关闭：
如果上述被监测电流是超过3500安且持续时间超过10微秒，
如果上述被监测的电流超过2500安且持续时间超过2分钟，即，利用因数是在103％以上，
如果被监测的散热器温度高于60℃。
上述这些限制仅仅是关闭该电子直流断路器的例子。显而易见地，本领域技术人员可以对这些限制进行调整。
由于上述任何标准使得该电子直流断路器在任何时候关闭，该电子直流断路器保持300毫秒。当该电子直流断路器收到来自光纤3的关闭命令时，该电子直流断路器立即关闭。要再次开启该电子直流断路器时，必须删除关闭命令，一项新的开启命令必须在300毫秒后收到。
如果在负载中检测到完全短路，该电子直流断路器中断电流30微秒。因此，其他的具有电力电子转换器的直流转电容器电池只能看到一个小于大约50V直流电压的骤降，也就是说，它们没有因为相邻的电容器电池的短路故障而全部受到干扰，并且继续不中断运行。
该电子直流断路器需要约400V的最低运行电压(该电子直流断路器在断开模式设定的较低电压)。最大持续电压大约1250V，以及最大峰值电压大约是1600V持续100微秒。这些规格电压是直流输入和直流输对直流负的电压。这些值可以通过选择不同绝缘栅双极晶体管(IGBT)和具有合适尺寸的电流传感器来调整，例如通过采用更高电压的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和适配的电路板进行调整，上述电压值可以延长。
相对于传统的使用机械式断路器的电子电路断路器而言，本发明的电路断路器是使用电子断路器。绝缘栅双极晶体管(IGBT)与一起使用的电子器件形成该电子直流断路器。将绝缘栅双极晶体管(IGBT)运用在该电子断路器的优点是它可能控制非常大的功率，通常是150万瓦。绝缘栅双极晶体管(IGBT)有能力控制非常大的功率是由于其内部结构允许具有低传导损失的更高电压等级。相比之下，一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)只能控制1.5千瓦左右，因为它的电阻阻值随着电压等级的增加而二次方增加。该绝缘栅双极晶体管(IGBT)能够利用其过流和过压的能力以积极的方式提供比其它晶体管更多的优点。本发明中使用该绝缘栅双极晶体管(IGBT)，该绝缘栅双极晶体管(IGBT)保护自身不会过压。因为该绝缘栅双极晶体管(IGBT)，以及该电子直流断路器(E-DCB)可处理非常高的电压，该绝缘栅双极晶体管(IGBT)在工业上的应用比金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或其他类似晶体管更为广泛。该工业应用可为大型应用，如钻井平台，船舶马达驱动器等。
该电子直流断路器(E-DCB)的另一个优点是起作高速保险丝作用。作为一个高速保险丝的功能是由该绝缘栅双极晶体管(IGBT)的性质提供的。被动式熔断器通常在至少10-100毫秒会断掉，但快速电子直流断路器保险丝的断开速度是微秒级的。本发明提供了极其快的快断保险丝，运用该快断保险丝，在一个晶体管内部短路时，在同一直流分布上其他的晶体管没有受到影响。在速度上，这个差距是非常大的，从毫秒到微秒，这意味着本发明的电子直流断路器的反应比被动保险丝的反应更快，本发明的电子直流断路器已经具有完全不同的可能性和应用。
该电子直流断路器的信号分离的处理是通过光纤或其他类型的信号隔离装置来实现的。在该绝缘栅双极晶体管(IGBT)上使用的隔离是标准的内部陶瓷隔离以隔离散热器。安装在该绝缘栅双极晶体管(IGBT)上的散热器是直接导致功率损耗。该散热器的温度是通过温度测量设备2测量的。流过该电子直流断路器(E-DCB)，需要冷却的散热器损失大约2‰的效果。
除了水冷或风冷散热器之外，该电子直流断路器(E-DCB)需要一个单独的测量卡和控制卡。该电子直流断路器(E-DCB)的重量和体积是适中的，并且该电子直流断路器(E-DCB)的成本是相对较小或适中。
调整该电子直流断路器(E-DCB)以形成不同的电流，以及调整该电子直流断路器开启和关闭的限制，这是很容易的。通过选择绝缘栅双极晶体管(IGBT)和合适尺寸的电流传感器很容易实现。
该电子直流断路器(E-DCB)的典型应用是具有分布式直流电源电容器的电压反馈电力电子转换器，其中该电子直流断路器控制每一个独立的直流分布的直流电容器电池，即，一个电子直流断路器对应一个直流电容器电池。在这个电容器周围，每个独立的直流电容器电池通常是独立的电电力电子转换器的一个部分。
根据本发明，该电子直流断路器(E-DCB)主要目的是用在钻井平台上，该钻井平台具有几个共同的直流连接的马达驱动器。
本发明还可以在船舶马达驱动器上使用。推进器和来自同一直流分布的主要发动机连接该电子直流断路器，以保护在推进器的驱动器里的主要发动机不会出故障。
该电子直流断路器的另一个应用是在工业设备上，该工业设备具有在同一直流分布下的马达驱动器，在其中一个驱动器出现故障的情况下，剩余的驱动器不会中断运行(相当于上述船舶的应用)。
总之，如果超过指定的限制，该电子直流断路器连接最初的充电阶段，直流连接的分布式直流电容器，该电子直流断路器执行必要的负载电流，且中断负载电流。该电子直流断路器中断没有被损坏的满载短路，并且不需要更换任何部件以重新运行。

Claims (10)

1.一种电子直流断路器，其特征在于，所述电子直流断路器包括一连接到电路板(1)和一个绝缘栅双极晶体管的收集器端口(C)上的输入直流电源(直流输入)，所述绝缘栅双极晶体管连接到所述电路板(1)上，一个输出直流电源(直流输出)连接到所述绝缘栅双极晶体管和电路板(1)的发射极端口(E)，所述电路板(1)连接到所述绝缘栅双极晶体管的栅极端口(G)和一直流负上，电路板(1)测量输入的直流电压，输出的直流电压，电流，以及温度测量设备测量散热器温度，如果输入的直流电压，输出的直流电压，电流或散热器温度超出限定范围，该电子直流断路器被关闭，该电子直流断路器不需要更换或维修零部件，
其中，该电子直流断路器因为输入的直流电压，输出的直流电压，电流或散热器温度超出限定范围而被关闭后，该电子直流断路器保持关闭300毫秒；当该电子直流断路器收到关闭命令时，该电子直流断路器立即关闭；要再次开启该电子直流断路器时，必须删除关闭命令，一项新的开启命令必须在300毫秒后收到。
2.根据权利要求1所述的电子直流断路器，其特征在于，信号传输装置(3)连接到所述电路板(1)上，并且将该关闭命令或开启命令发送到所述电子直流断路器上。
3.根据权利要求2所述的电子直流断路器，其特征在于，所述信号传输装置(3)是光纤。
4.根据权利要求2所述的电子直流断路器，其特征在于，所述信号传输装置(3)是光电耦合器。
5.根据权利要求2所述的电子直流断路器，其特征在于，所述信号传输装置(3)是电隔离的。
6.根据权利要求1所述的电子直流断路器，其特征在于，温度测量装置(2)连接到所述电路板(1)上以测量散热器的温度。
7.根据权利要求1所述的电子直流断路器，其特征在于，所述电子直流断路器用于控制一个直流分布的直流电容器电池。
8.根据权利要求1所述的电子直流断路器的用途，其特征在于，在相邻的转换器被干扰之前，所述电子直流断路器隔离在一个共同的直流分布上的转换器出现的故障。
9.根据权利要求1所述的电子直流断路器的用途，其特征在于，所述电子直流断路器将测量值发送到信号传输装置(3)。
10.根据权利要求9所述的电子直流断路器的用途，其特征在于，所述测量值是输入直流电压，输出直流电压，电流，和散热器的温度。
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