CN102077305B - 具有半导体开关元件的分接开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于无中断地在可调式变压器的绕组分接头(抽头n，抽头n+1)之间进行转换的分接开关，其中两个绕组分接头中每一个分别经由一个机械开关(DS)和与其串联的由两个相反连接的IGBT(Ip，In)构成的串联电路与共同的负载引线连接。根据本发明，每个IGBT由与其并联的特别参数设置的压敏电阻(Vp，Vn)跨接。

Description

具有半导体开关元件的分接开关

技术领域

本发明涉及一种具有半导体开关元件的分接开关（Stufenschalter），用于无中断地在可调式变压器（Stufentransformator）的绕组分接头之间切换。

背景技术

在WO01/22447中公开了被构造为混合式IGBT开关的一种具有半导体开关元件的分接开关。在那里所描述的分接开关根据其中可以不需要蓄能器（Kraftspeicher）的有载切换开关（Lauflastschalter）的原理而工作。该分接开关具有一个机械部件和一个电气部件作为混合式开关。

作为WO01/22447的实际对象的机械部件具有机械的开关触点；中央部件是借助于电机驱动沿着与中性点（Sternpunkt）连接的接触滑轨被移动并且连接其中固定的接触元件的可移动的滑动触头。实际的负载转换本身通过分别具有格列茨电路中的四个二极管的两个IGBT实现。

混合式开关的这个已知设计在机械方面很复杂且要求高，以确保必需的负载转换正好在负载电流过零时。

WO97/05536公开了另一IGBT开关装置，其中电力变压器的调整线圈的分接头经由两个IGBT的串联电路而与公共的负载引线连接。

这种已知的开关装置根据脉宽调制的原理工作；其中，对回路电流的限制通过抽头线圈的暂态无功电抗（transiente reactiveReaktanz:TER）来实现。

这种已知的电路结构以及所基于的电路原理要求分接开关对各自的应当连接的可调式变压器的特定匹配。也就是说，可调式变压器和分接开关相互协调并且电气地共同作用。这种已知的开关装置因此不能生产作为单独的能通用的装置。

最后，GB-A-2424766公开了用于分接开关的不同电路结构，这些电路结构包含不同连接的压敏电阻。在一种实施方式中，压敏电阻与各自的开关元件并联连接，并且用于分压。

发明内容

本发明的目的是提供开头所提到的类型的一种分接开关，其构造简单、运行安全性高，并且不需要必须只有正好在负载电流过零时开关。此外，本发明的另一目的是提供这样的一种分接开关，其不必专门适配于要连接的可调式变压器的相应额定负载电流和相应绕组，而是可以几乎“现成地”作为功能装置连接到完全不同的可调式变压器。

该任务通过一种具有半导体开关元件的分接开关来实现，用于无中断地在可调式变压器的绕组分接头之间进行转换，所述分接开关包括两个能与各自的绕组分接头连接的负载支路，所述半导体开关元件是IGBT，这两个负载支路中的每一个都经由所设置的由两个相反连接的IGBT构成的串联电路与共同的负载引线电气连接，并且与每个IGBT并联设置一个二极管，每个负载支路中的两个二极管相互相反地连接，其中，在每个负载支路中分别有一个机械开关与由IGBT和并联的二极管构成的串联电路串联连接，与由IGBT和二极管构成的每个并联电路分别并联连接一个压敏电阻，并且所述压敏电阻被参数设置为使得其压敏电压小于各自并联的IGBT的最大阻断电压，并且大于级电压的最大瞬时值。

本发明涉及两个开关单元，其中每个开关单元分别由两个配套的反向并联的IGBT构成。为每个单个IGBT分配与其并联连接的压敏电阻。其中，压敏电阻被参数设计为使得压敏电压低于各自并联的IGBT的最大阻断电压，但比级电压（Stufenspannung）的最大瞬时值大。

特别有利地，一个反向并联的开关单元的两个配套的IGBT以紧凑堆叠的形式紧密结合。

此外，特别有利是，为了实现尽可能感应低的并行路径，直接在每个IGBT的旁边定位相应的压敏电阻并将其集成到堆叠中。以这种方式可以实现IGBT和并联的压敏电阻之间特别短的导线连接。该结构使得即使在负载电流的完全的瞬时值的情况下也能够实现在IGBT上流动的负载电流的非常快的“硬”切断，其中在0.1到1μs之内转换到感应特别低地连接的压敏电阻，该压敏电阻本身只具有ns级的非常小的响应延迟。

IGBT的“硬切换”显著地减小了在IGBT中转换的切换损耗能量，并且如后面还要详细介绍的那样使得能够在每个任意瞬时负载电流值的情况下实现分接开关（OLTC）换接的这里提供的开关设计，而没有OLTC中附加的转换阻抗、不需要了解抽头线圈的漏电抗、不需要OLTC对相应额定负载电流或者级电压的适配、并且不需要进行切断和进行接管的IGBT接线组的精确到μs的在时间上的校准。

虽然从DE10118743A1和许多其他公开文献中已经公开了结合IGBT的压敏电阻。但是，它们在现有技术中只用于针对过电压保护半导体，因此只具有限压功能。

相反，在本发明中，与每个IGBT并行设置压敏电阻的功能是另一功能：在附带的、由电网电压驱动的负载电流从进行切断的IGBT转换到并联的压敏电阻（小的转换回路）之后，负载电流所流过的压敏电阻根据其I-U特性曲线而产生一个电压，该电压对电流瞬时值的依赖性相对很小并且在OLTC转换过程期间实际上保持恒定。

其中尤其有利地，压敏电阻被参数设计为使得在加载以最大电流峰值时所产生的压敏电压还具有对于IGBT最大截止电压足够的安全距离。

另一方面，压敏电阻的钳位电压（在1mA时的U_Var）必须明显高于最大级电压的峰值，因此负载电流可以从切断的OLTC侧经由级电压转换到接收负载电流的侧上（大的转换回路）。

压敏电阻上的电压降的瞬时值与级电压的瞬时值之间的差别ΔU通过压敏电阻的特殊参数设计而导致负载电流经由导线电感和抽头线圈的漏电感而转换到分接开关的接收侧，并且决定转换过程的di/dt（di/dt=ΔU/L_Kom）。

这意味着，在本发明的范围中，压敏电阻并不是如根据现有技术已知的那样用于减小瞬间过电压。在本发明中，压敏电阻承担对于其类型非典型的并且现有技术未涉及的以下功能：

-从硬切断的IGBT接收负载电流

-生成与负载电流瞬时值无关地必须位于IGBT最大截止电压与最大级电压的峰值之间的电压降

-提供将负载电流从分接开关的电流传导侧经由相反方向的级电压转换到进行接收的分接开关侧的电压-时间面。

通过本发明，得到了功率电子的接线组的非常简单且成本经济的参数设计，因为能量吸收量在压敏电阻的情况下能灵活地改变，并且比IGBT芯片的小得多、贵得多并且在量方面仅能很难地改变的容量大得多。

作为通过压敏电阻进行负载电流传导、通过压敏电阻提供所必需的转换-电压-时间面、以及同样通过压敏电阻吸收其中所产生的损耗能量的另一有利效果，对于进行切断的IGBT组的切断时刻与进行接收的IGBT组的接通时刻的同步产生非常大的公差范围。

如果随着工作时间的经过，由于控制电子元件中工作点偏移以及部件老化而应当设置数量级为约±10μs的重叠的或有间隔的（lueckend）转换特性，则由此在根据本发明的电路设计中不产生功能危害。

总之，本发明具有以下优点：

-在没有IGBT的热过载的情况下在负载电流的任何每个瞬时值时进行转换的选择可能性

-大约10μs的分接开关侧的负载电流的A→B或B→A的非常快的转换过程

-避免产生干扰的振动

-不需要每个分接开关特定于任务地适配订购情形的具体额定级数据（级电压，额定贯通电流（Nenn-Durchgangsstrom），漏电感），只要级电压的极限值和额定贯通电流不被超过的话。

-对于两个IGBT接线组之间的转换时间偏移具有非常大的公差范围的、健壮的本身安全的转换设计。在较长工作时间后不需要再校准。

附图说明

以下借助于附图示例性地更详细地介绍本发明。

附图1示出了根据本发明的第一分接开关的电路。

附图2示出了在本发明范围中修改后的第二分接开关的电路。

具体实施方式

如图1所示，两个线圈分接头（抽头n及抽头n+1）中每一个经由机械开关DS_a或DSb利用由各自的两个相反连接的IGBT（在n侧为I_an和I_ap，以及在n+1侧为I_bn和I_bp）构成的串联电路与分接开关引线连接。与一侧的两个串联的IGBT（I_an和I_ap）和另一侧的两个串联的IGBT（I_bn和I_bp）中每一个分别并联连接二极管d_an、d_ap或d_bn、d_bp。其中，一侧的二极管（即d_an和d_ap或d_bn和d_bp）相互相反地连接，即以相反的流通方向连接。

与IGBT和二极管的这些并联电路中每一个并联地分别设置压敏电阻V_an、V_ap或V_bn、V_bp。

最后还示出了每个侧的分别在固定运行时桥接整个开关装置的长期工作主触头MC_a或MC_b。两个侧的IGBT（I_an、I_ap；I_bn、I_bp）由公共的、仅示意性示出的、现有技术中已知的IGBT驱动器控制。

以下将更详细地以从抽头n到抽头n+1为例说明转换过程：在原位上，负载电流经由抽头n的长期工作主触头MC_a流到分接开关引线Y。

作为转换过程的第一步骤，自由开关触点（Freischaltkontakt）DS_a和DS_b被接通。

然后，在IGBT：I_an和I_ap的栅极上施加启动电压。现在，长期工作主触头MC_a断开，并且负载电流I_L转换到IGBT组I_an/I_ap上。

在IGBT组I_an/I_ap上I_L的小于10ms的电流流动持续时间之后这些IGBT获得切断指令，并且IGBT组I_bn/I_bp同时（至少在正常情况下）获得接通指令。

在切断的IGBT上产生的电压传播到并联的压敏电压上。如果在几百ns后达到压敏电阻的钳位电压，则压敏电阻开始导通，从而开始从IGBT：I_an和I_ap接收负载电流。

根据本发明，压敏电阻被参数设置为使得负载电流流过的压敏电阻的电压一方面低于并联的IGBT的最大阻断电压、另一方面高于级电压的最大瞬时值地变化。

压敏电压的瞬时值超过级电压的瞬时值导致A侧负载电流以几乎恒定的di/dt降低转换（Abkommutierung）以及经由抽头线圈L_σ（大转换回路）的漏电感和级电压以相同的di/dt（在该情况下正值地）转移到B侧上。虽然持续降低的电流流过A侧上的压敏电阻，但是压敏电压在第一近似中保持恒定。

在大约10μs之后，整个负载电流从A侧的电流流过的压敏电阻转换到B侧的导通的IGBT。随着A侧的电流接近值0，开关组A上的电压基本上变化：

压敏电压击穿，瞬态的

变为零，并且在IGBT/压敏电阻组A上出现取决于一个阻断的IGBT上的极性、与其并联的二极管以及各自又并联的压敏电阻的级电压。即使在加载以级电压的峰值，压敏电阻也还不允许显著的电流流动。

在负载电流功率电子地从A侧转换到B侧后少于10ms时，长期工作主触头MC_b闭合，并且IGBT组B分流。然后，IGBT：I_bn/I_bp经由栅极控制被转换到未导通状态。

转换过程以机械的自由开关触点DS_a和DS_b断开结束，这些自由开关触点可以针对可能作用于抽头线圈上的瞬时电压负载对IGBT进行保护。

在图2中示出了根据本发明的分接开关的一种进行了改变的电路，其中一侧各自的两个压敏电阻V_an、V_ap或V_bn、V_bp被组合为各自的共同压敏电阻V_a或V_b。其中，每个侧各自的机械开关DS_a或DS_b以及相应侧各自的压敏电阻V_a或V_b同样构成到公共负载引线的串联电路。

Claims (3)

1.一种具有半导体开关元件的分接开关，用于无中断地在可调式变压器的绕组分接头之间进行转换，

所述分接开关包括两个能与各自的绕组分接头连接的负载支路，所述半导体开关元件是IGBT（I_an，I_ap；I_bn，I_bp），

这两个负载支路中的每一个都经由所设置的由两个相反连接的IGBT（I_an，I_ap；I_bn，I_bp）构成的串联电路与共同的负载引线电气连接，并且

与每个IGBT（I_an，I_ap；I_bn，I_bp）并联设置一个二极管（d_an，d_ap，d_bn，d_bp），每个负载支路中的两个二极管（d_an，d_ap或d_bn，d_bp）相互相反地连接，

其特征在于，

在每个负载支路中分别有一个机械开关（DS_a，DS_b）与由IGBT（I_an，I_ap；I_bn，I_bp）和并联的二极管（d_an，d_ap，d_bn，d_bp）构成的串联电路串联连接，

与由IGBT（I_an，I_ap；I_bn，I_bp）和二极管（d_an，d_ap，d_bn，d_bp）构成的每个并联电路分别并联连接一个压敏电阻（V_an，V_ap；V_bn，V_bp），并且

所述压敏电阻（V_an，V_ap；V_bn，V_bp或V_a，V_b）被参数设置为使得其压敏电压小于各自并联的IGBT的最大阻断电压，并且大于级电压的最大瞬时值。

2.根据权利要求1所述的分接开关，其特征在于，每个IGBT（I_an，I_ap；I_bn，I_bp）与与其并联的压敏电阻（V_an，V_ap；V_bn，V_bp）及二极管（d_an，d_ap，d_bn，d_bp）一起在结构上结合为堆叠。

3.根据权利要求1或2所述的分接开关，其特征在于，与这两个负载支路中每一个分别并联连接一个机械的长期工作主触头（MC_a，MC_b）。

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