CN102545853B - 尤其用于切换强电流的电开关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及尤其用于切换强电流的电开关设备。根据本发明的电开关设备(10)包括多个可控电子开关(12)，每个可控电子开关包括第一初级电极(12A)、第二初级电极(12B)和控制电极(12C)。所述开关(12)设置为形成具有至少两列(16)和至少两行(18)的矩阵(14)，每列包括至少两个开关(12)以及每行包括每列(16)的开关(12)中的一个开关。每个开关(12)的第一初级电极(12A)电连接到该列(16)的第一电支路(20)，各列(16)的第一电支路(20)在第一电节点(22)处相互电连接。每个开关(12)的第二初级电极(12B)电连接到该列(16)的第二电支路(24)，各列(16)的第二电支路(24)在第二电节点(26)处相互电连接。该设备(10)包括几个不同的控制支路(28)，每行(18)的每个开关(12)的控制电极(12C)均电连接到该行(18)的同一控制支路(28)。

Description

尤其用于切换强电流的电开关设备

技术领域

本发明涉及一种尤其用于切换强电流的电开关设备。

背景技术

在现有技术中已知一种包括多个可控电子开关的电开关设备，每个可控电子开关包括第一初级电极、第二初级电极和控制电极。

可控开关选自具有至少一个开关控制电极的所有电子元件。通常这些可控开关是半导体元件，诸如晶体管或闸流管。例如，每个可控开关可以是场效应晶体管，其中第一初级电极被称为“漏电极”、第二初级电极被称为“源电极”，以及控制电极被称为“栅电极”。

在这种开关装置中，可控开关通常全部并联连接在其第一和第二初级电极之间，并且由共用的控制电路以其控制电极进行控制。

当开关设备具有许多个可控开关时，则相距甚远的开关之间会产生比较大的切换时移。这种时移会给整体控制开关设备带来困难，从而降低这种设备的性能和可靠性。

这种时移尤其与用于相互电连接各个开关的装置中存在的杂散阻抗有关。这种杂散阻抗可以是杂散电感和杂散电容的任意组合，并且尤其依赖于上述电连接装置的长度。

然而，用于电连接电路中开关的装置都或多或少要依赖于电路中开关的位置。因此，与开关有关的杂散阻抗根据电路中开关的位置而不同。

发明内容

本发明尤其是旨在通过提供一种能够快速切换的电开关设备来解决上述缺陷，其中，不管是否存在杂散阻抗，均可基本同时实现开关的切换操作。

为此，本发明尤其涉及一种包括多个可控电子开关的电开关设备，每个可控电子开关包括第一初级电极、第二初级电极和控制电极，其特征在于：

-所述开关设置为形成具有至少两列和至少两行的矩阵，每列包括至少两个开关以及每行包括每列的开关中的一个开关，

-每列的每个开关的第一初级电极电连接到该列的第一电支路，各列的第一支路在第一电节点处相互电连接，

-每列的每个开关的第二初级电极电连接到所述列的第二电支路，各列的第二电支路在第二电节点处相互电连接，

-该设备包括至少两个不同的控制支路，每行的每个开关的控制电极均电连接到该行的同一控制支路。

这种矩阵布置结构使得能够限制杂散阻抗之间的不一致性。

实际上，同一行的开关均以相同方式设置在其相应列中，同时利用类似连接装置连接到该列的其它开关。通过这种方式，同一行开关与基本相同的杂散阻抗相关联。

本发明规定利用不同的控制支路来按行地控制开关，从而使得每行的开关基本同时地进行切换，其中每行开关的相关杂散阻抗基本相同。

矩阵布置结构的另一个优点是，各行相互独立，因此在某行出现故障时，开关设备可以以降级模式继续操作。

而且，这种矩阵布置结构使得还能够限制在包括该电开关设备的电路中可能出现的回路电感。

应当理解的是，该回路电感就是通过开关的第一和第二初级电极的电源电路中的杂散电感。这些回路电感通常在开关被切换时在开关接线端产生过电压。

因为该矩阵布置结构，电流沿相同方向并行流过开关的初级电极。这种结构减小回路电感，同时使得能够并联连接许多个可控开关。

根据本发明的开关设备还可以包括一个或多个以下特征，这些特征可以单独考虑或者在技术上可能的情况下进行组合：

-每条控制支路采用共用的激励装置来激励；

-每条控制支路包括控制元件，该控制元件电连接到对应行的每个开关的控制电极并且连接到供电装置；

-每条控制支路包括相应的供电装置；

-所述供电装置相互电绝缘；

-每条控制支路连接到至少两个相邻行的开关的控制电极；

-每列包括至少一个二极管，该二极管阳极和阴极，该阳极连接到第一电支路以及该阴极连接到第二电支路；

-每个开关是晶体管；

-每列包括第一基片和第二基片，该第一基片具有形成该列的第一电支路的第一导电迹线，该第二基片基本平行于第一基片布置并且包括形成该列的第二电支路的第二导电迹线；

-每个开关的第二初级电极经由凸起连接到第二导电迹线；

-第二基片具有下表面和上表面，该下表面支承第二导电迹线，该上表面与上表面相对并支承第三导电迹线，该第三导电迹线利用穿过第二基片的连接元件电连接到该第二迹线；

-第一基片包括电连接到至少一个开关的控制电极的至少一个控制迹线，以及该设备包括连接到所述控制迹线的控制销，所述控制销从所述控制迹线垂直于第一基片延伸到控制板，该控制板包括一行的至少一个控制支路；

-开关设备包括至少一个返回销，所述返回销电连接到第二电迹线并且垂直于第二基片延伸直至控制板；

-至少一个控制元件至少部分地设置在第一基片上；

-开关设备包括去耦合板，所述去耦合板包括至少两个去耦合电路，每个去耦合电路与一列并联设置，从而限制所述列之间的干涉。

本发明还涉及一种逆变器臂，包括：

-如上所述的相同的第一和第二开关设备，

-第一接线端，称为正接线端，其连接到第一开关设备的每列的第一支路，

-至少一个导电桥，其将第一开关设备的一列的第二支路与第二开关设备的该列的第一支路电连接，

-第二接线端，称为相接线端，其电连接到导电桥，以及

-第三接线端，称为负接线端，其电连接到第二开关设备的每列的第二支路。

一种具有上述逆变器臂的逆变器例如要用于与铁路车辆一起工作，从而将由架空吊线(catenary)供应的直流转变为交流，以便为火车机车供电。

本发明还涉及一种具有至少一个电力机车的电力铁路车辆，其特征在于，它包括至少一个逆变器，所述逆变器包括三个如上所述的逆变器臂，要用于为机车供电。

本发明还涉及一种尤其用于铁路、机动车或者航空应用领域的电力牵引系统，其特征在于，它包括如上所述的开关设备。

本发明最后涉及一种在核能、风能或水电应用领域用于转换或者产生能量的系统，其特征在于，它包括如上所述的开关设备。

附图说明

通过阅读下面的描述将更好理解本发明，下面的描述单独作为示例提出并且参照附图进行说明，其中：

-图1是根据本发明的一个实施例的形成矩阵开关的电开关设备的示意图，

-图2是具有两个开关设备的逆变器臂的顶视图，每个开关设备包括类似于图1开关矩阵的开关矩阵，

-图3是图2的详细视图，示出了图2的开关矩阵的列，

-图4是示出图3的列的电路图，

-图5是图2的逆变器臂的横截面图，以及

-图6是图2的逆变器臂的简化电路图。

具体实施方式

图1示出了包括多个可控电子开关的电开关设备10，每个开关用附图标记12表示。

每个可控电子开关12按惯例均包括第一初级电极12A、第二初级电极12B和控制电极12C。

例如，每个可控电子开关12是VJFET(垂直沟道结型场效应晶体管)型场效应晶体管。在这种情况下，第一初级电极12A被称为“漏电极”，第二初级电极12B被称为“源电极”，以及控制电极12C被称为“栅电极。

如图1所示，开关12设置为形成矩阵14，该矩阵包括至少两列16，例如六列16，其中每列16包括至少两个开关12，例如十个开关12。

矩阵14还包括多个行18，例如十行18，每行包括每列16的开关12中的一个开关。

每列16包括第一电支路20，该列16的每个开关12的第一初级电极12A电连接到该第一电支路。各第一支路20在第一电节点22处相互电连接。

每个列16单元还具有第二电支路24，该列16的每个开关12的第二初级电极12B电连接到该第二电支路。各第二支路24在第二电节点26处相互电连接。

而且，每行18的每个开关12的控制电极电连接到该行18的控制支路28。

每个控制支路28例如包括控制元件30，该控制元件利用控制链路32电连接到对应行18的每个开关12的控制电极。控制元件30还利用返回(return)链路38电连接到该行18的每个开关12的每个第二初级电极12B，从而将控制电极12C关联到上述第二初级电极12B。

而且，每个控制元件30利用电源链路34连接到相应的供电装置36。

需要注意的是，控制支路28、尤其是控制元件30和供电装置36相互电绝缘，从而避免上述控制支路28之间的干涉。

优选地，每条控制支路28通过共用的激励装置40来激励，其形成开关设备10的总控制装置。通过这种方式，可以同时激励每条控制支路28，从而控制相应行18的所有开关12的切换。

需要注意的是，以行为单位而非整体地控制开关12的切换使得能够限制切换偏差。

实际上，与各个开关12有关的杂散阻抗尤其是依赖于所述开关12与第一电节点22和第二电节点26的电连接装置的长度，该长度也就是所述开关12离第一电节点22和第二电节点26的距离。换言之，靠近第一电节点22的第一开关将与位于所述第一电节点22那侧(漏极侧)的杂散阻抗相关联，该杂散阻抗要比同一列的离所述第一电节点22更远的第二开关的杂散阻抗弱。而且，第一开关将更好地与第二电节点26和第二开关间隔开来，使得其将与位于第二电节点26那侧(源极侧)的杂散阻抗相关联，该杂散阻抗大于所述第二开关的杂散阻抗。

另一方面，同一行18的所有开关12与电节点22、26之间的距离均相同，使得与这些开关12有关的杂散阻抗也基本相同。同一行18的这些开关因此可以基本同时进行切换，同时由同一控制支路28控制。

而且，各控制支路28相互独立，其使得能够独立地切换各开关行18，而没有会导致切换偏差的干涉。

图2至6示出图1的开关设备的一个实施例。

特别地，图2示出逆变器臂42，其具有两个开关设备，被称为第一开关设备10A和第二开关设备10B，其相应矩阵14A、14B类似于参照图1所述的矩阵14。

该逆变器臂42例如要用于装备铁路车辆，从而将由架空吊线(catenary)供应的直流转变成交流，以便为火车机车供电。

每个开关设备10A、10B具有六个基本相同的列16，在图3中更加详细地示出了其中的一列。为了清楚起见，在图4中示出了所述列16的电路图。

每列16具有第一绝缘基片44，第一绝缘基片例如由陶瓷制成并具有第一导电迹线46，例如是铜或铝迹线，形成该列16的第一电支路20。

所述列16的每个开关12连接到第一迹线46，以使得每个所述开关12的第一初级电极12A连接到导电迹线46。例如，所述列16的每个开关12铜焊到所述迹线46上，但是它可替选地可利用任意其它手段连接到所述迹线46。

每列16还具有例如由陶瓷制成的第二绝缘基片48，第二绝缘基片基本平行于第一基片44并且具有支承第二导电迹线50的下表面、以及与下表面相对并支承第三导电迹线52的上表面，第二导电迹线形成该列16的第二电支路24。第二迹线50和第三迹线52经由连接元件54电连接，该连接元件也称为“通孔”，它穿过第二基片48.

每个开关12的第二初级电极12B例如利用导电球(称为凸起，bump)56电连接到第二迹线50。可替选地，每个开关12的第二初级电极可以通过导线连接装置而连接到第二迹线50。然而，通过平行地设置基片44、48，尤其是它们的迹线46、50、52，以及结合所述凸起56，使得能够减小回路电感。

而且，第一基片44也包括至少一条控制迹线58，例如五条控制迹线58，每条迹线利用电缆60连接到至少一个开关12的控制电极12C。

例如，根据参照图2至6所述的实施例，每条控制迹线58均连接到两个开关12的控制电极。换言之，两个连续行18由同一控制支路28来控制。这种设置是可行的，因为与两个连续行18的开关12相关联的杂散阻抗差异相当小，导致这些开关12之间的切换偏差足够小到不会改变逆变器臂42的操作。

可替选地，开关12的每行18可连接到不同的控制支路28，如图1所示。然而，与两行18共用一条控制支路相比，这种方式需要为每行18设置相应的控制支路，从而导致体积变大，因此两个连续行18共用一条控制支路通常是优选方案。

每条控制支路28包括控制销62，它与电缆60一起形成控制链路32。该控制销62连接到控制迹线58，同时垂直于第一基片44从所述控制迹线58延伸直至控制板64，如图5所示。

每条控制支路28还包括形成返回链路38的返回销66，它电连接到第三电迹线52，因此也电连接到第二电迹线50，并且垂直于第二基片48延伸直至控制板64。

需要注意的是，控制板64设置在开关12的正上方，控制销62和返回销66设置为相互靠近。通过这种方式，控制支路28的杂散阻抗最小化，这对于能够非常快速地切换开关12是必要的。

控制板64包括供电装置36和每条控制支路28的控制元件30，以及总控制装置(general control device)40。应该理解，供电装置36、控制元件30相互电绝缘，从而不会在它们之间产生干涉。

可替选地，控制元件30可以至少部分地设置在基片44上，从而定位成尽可能地靠近开关12。通过这种方式，进一步减小了控制回路28的杂散阻抗。

有利地，每列16还包括至少一个二极管68，例如五个二极管68，每个二极管包括连接到第一电支路46的阳极和连接到第二电支路50的阴极。这些二极管68被称为反并联二极管，按惯例可避免在开关12的接线端出现电流断路。

可选地，每列16包括热敏电阻69，其设置在第二基片48的上表面上。这种热敏电阻69要用于收集与列16的温度有关的信息，从而监测该设备。

如图2所示，第一开关设备10A的各列16利用第一共用连接接线端子70和第二共用连接接线端子72并联连接，第一共用连接接线端子形成第一电节点22，每列16的第一迹线46连接到所述第一电节点；第二共用连接接线端子形成第二电节点26，每列的第三迹线52连接到所述第二电节点。

类似地，第二开关设备10B的各列16利用第二共用连接接线端子72和第三共用连接接线端子74并联连接，每列的第一迹线46连接到所述第二共用连接接线端子，每列16的第三迹线52连接到所述第三共用连接接线端子。

需要注意的是，逆变器臂42包括导电桥76，尤其是如图5所示，每个导电桥将第一设备10A的列16的第三迹线52电连接到第二设备10B的列16的第一迹线46。通过这种方式，通过导电桥76连接的第一开关设备10A和第二开关设备10B的各列16一起形成基本逆变器臂部分77。

需要注意的是，每个导电桥76也连接到第二连接接线端子72。

第一接线端子70、第二接线端子72和第三接线端子74分别形成逆变器的正接线端子、相位接线端子和负接线端子。

根据一个可选实施例(未示出)，正接线端子70和负接线端子74在逆变器臂42的同一侧相互靠近地设置，从而通过所谓的公知母线效应而减小杂散回路电感。

有利地，逆变器臂42包括去耦合板78，如图5所示。该去耦合板包括六个独立的去耦合电路80，每个去耦合电路80与相应的基本部分77相关联。去耦合电路80在图6中示意性示出。

在所述图6中，出于方便理解考虑，每个开关设备10A、10B的每列16的所有开关12均由等效的开关82来表示。

每个去耦合电路80与基本逆变器臂部分77并联设置，从而限制所述基本部分77之间的干涉。为此，每个去耦合电路80包括一组84相互并联连接的电容器(由图6中的等效负载电容器表示)，它们与相互并联的电阻器组86(由图6中的等效电阻表示)串联连接。

需要注意的是，本发明不限于上述实旋例，在不超出权利要求的范围的前提下，还可以设想多种变型方式。

特别地，该开关设备可以装备任意类型的开关结构，例如限幅器臂或者强制单相开关桥；和/或装备任意类型的电力牵引系统，例如铁路、机动车或航空应用领域，或者任意类型的能量转换和产生系统，例如核能、风能或水电应用领域。

Claims (19)

1.一种包括多个可控电子开关(12)的电开关设备(10)，每个可控电子开关包括第一初级电极(12A)、第二初级电极(12B)和控制电极(12C)，其特征在于：

-所述开关(12)设置为形成具有至少两列(16)和至少两行(18)的矩阵(14)，其中，每列包括至少两个开关(12)，以及每行包括每列(16)的开关(12)中的一个开关，

-每列(16)的每个开关(12)的第一初级电极(12A)电连接到该列(16)的第一电支路(20)，每列(16)的第一支路(20)在第一电节点(22)处相互电连接，

-每列(16)的每个开关(12)的第二初级电极(12B)电连接到所述列(16)的第二电支路(24)，每列(16)的第二电支路(24)在第二电节点(26)处相互电连接，

-该设备(10)包括至少两个不同的控制支路(28)，每行(18)的每个开关(12)的控制电极(12C)均电连接到该行(18)的同一控制支路(28)。

2.根据权利要求1所述的开关设备(10)，其中，每条控制支路(28)采用共用的激励装置(40)来激励。

3.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中，每条控制支路(28)包括控制元件(30)，该控制元件电连接到对应行(18)的每个开关(12)的控制电极(12C)并且连接到供电装置(36)。

4.根据权利要求3所述的开关设备(10)，其中，每条控制支路(28)包括相应的供电装置(36)。

5.根据权利要求4所述的开关设备(10)，其中，所述供电装置(36)相互电绝缘。

6.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中，每条控制支路(28)连接到至少两个相邻行(18)的开关(12)的控制电极(12C)。

7.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中，每列(16)包括至少一个二极管(68)，该二极管包括阳极和阴极，所述阳极连接到第一电支路(20)并且所述阴极连接到第二电支路(24)。

8.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中，每个开关(12)为晶体管。

9.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中，每列(16)包括：

-第一基片(44)，该第一基片具有形成该列(16)的第一电支路(20)的第一导电迹线(16)；

-基本上平行于第一基片(44)设置的第二基片(48)，所述第二基片包括形成所述列(16)的第二电支路(24)的第二导电迹线(50)。

10.根据权利要求9所述的开关设备(10)，其中，每个开关(12)的第二初级电极(12B)经由凸起(56)连接到第二导电迹线(50)。

11.根据权利要求9所述的开关设备(10)，其中，第二基片(48)具有下表面和上表面，所述下表面支承第二导电迹线(50)，所述上表面与下表面相对并支承第三导电迹线(52)，所述第三导电迹线利用穿过第二基片(48)的连接元件(54)而电连接到第二导电迹线(50)。

12.根据权利要求9所述的开关设备(10)，其中：

-第一基片(44)包括电连接到至少一个开关(12)的控制电极(12C)的至少一个控制迹线(58)，

-所述设备(10)包括连接到所述控制迹线(58)的控制销(62)，所述控制销从所述控制迹线(58)垂直于第一基片(44)延伸到控制板(64)，所述控制板包括一行(18)的至少一个控制支路(28)。

13.根据权利要求12所述的开关设备(10)，包括至少一个返回销(66)，所述返回销电连接到第二电迹线(50)并且垂直于第二基片(48)延伸直至所述控制板(64)。

14.根据权利要求3所述的开关设备(10)，其中，

每列(16)包括：

-第一基片(44)，该第一基片具有形成该列(16)的第一电支路(20)的第一导电迹线(16)；

-基本上平行于第一基片(44)设置的第二基片(48)，所述第二基片包括形成所述列(16)的第二电支路(24)的第二导电迹线(50)；以及

至少一个控制元件(30)至少部分地设置在第一基片(44)上。

15.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中，所述开关设备包括去耦合板(78)，所述去耦合板包括至少两个去耦合电路(80)，每个去耦合电路(80)与一列(16)并行设置，从而限制所述列(16)之间的干涉。

16.一种逆变器臂(42)，包括：

-第一开关设备(10A)和与所述第一开关设备(10A)相同的第二开关设备(10B)，所述第一开关设备(10A)和所述第二开关设备(10B)都是根据前述权利要求中任一项所述的开关设备，

-第一接线端(70)，称为正接线端，连接到第一开关设备(10A)的每列(16)的第一支路(20)，

-至少一个导电桥(76)，将第一开关设备(10A)的一列(16)的第二支路(24)与第二开关设备(10B)的所述列(16)的第一支路(20)电连接，

-第二接线端(72)，称为相接线端，电连接到导电桥(76)，以及

-第三接线端(74)，称为负接线端，电连接到第二开关设备(10B)的每列(16)的第二支路(24)。

17.一种具有至少一个电力机车的电力铁路车辆，其特征在于，所述铁路车辆包括至少一个逆变器，所述逆变器包括三个根据权利要求16所述的逆变器臂(42)，要用于为所述机车供电。

18.一种尤其用于铁路、机动车或者航空应用领域的电力牵引系统，其特征在于，所述牵引系统包括根据权利要求1至15中任一项所述的开关设备(10)。

19.一种尤其在核能、风能或水电应用领域用于转换或产生能量的系统，其特征在于，所述系统包括根据权利要求1至15中任一项所述的开关设备(10)。