CN103368544A - 开关装置和开关设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关装置和开关设备。其中，该开关装置包括：驱动单元，用于生成第一控制信号；开关单元，与驱动单元耦合，开关单元用于根据第一控制信号，在导通状态和关断状态之间进行切换；馈能单元，并联在开关单元的两端，用于在开关单元处于关断状态时，利用开关单元的两端之间的电位差进行充电，并根据充电后的馈能单元的端电压为驱动单元供电。本发明解决了现有技术中由于通过外部电源向开关器件供电需要进行电压隔离而造成的供电系统结构复杂且成本较高的技术问题，通过馈能单元从主电路取能并供电的设计，达到了降低开关系统的复杂程度及其制造成本的技术效果。

Description

开关装置和开关设备

技术领域

本发明涉及电气领域，具体而言，涉及一种开关装置和开关设备。

背景技术

作为开关特性良好的半导体器件，绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor）在电气领域有着非常广泛的应用。然而，在大功率高电压的场合下，作为线路开关，单个IGBT的耐压等级通常难以满足要求。虽然目前出现了耐压等级较高的IGBT，但其价格昂贵。将耐压等级低的几个IGBT进行串联能有效解决单个IGBT耐压等级低的缺陷，成本较低，受到了广泛关注。IGBT串联技术的关键在于保证每个IGBT在开通和关断瞬间保持一致。IGBT串联过程中还有一个重要的难点在于：多级IGBT会造成驱动电路悬浮在高电位上，并且各驱动电源参考地电位均不一致导致驱动电路隔离供电困难。

目前在高压大功率电力半导体器件的驱动控制系统中，驱动电路的供电通常采用分压电阻取能、光纤送能、电磁馈能等方式，其中，由于采用电阻取能的供电方式可靠性较差，而采用光纤送能的供电方式成本较高，因而，现有技术中最为常见的是采用电磁馈能的供电方式。

一般而言，电磁馈能的供电方式是通过电磁转换将低电位的能量送到高压侧，但在电压等级较高时，电磁转换的变压器设计难度较大，例如，系统隔离通常采用多副边的变压器的设计，然而，当串联级数较多且工作电压达到上百kV时，变压器的设计需要考虑同样高的隔离电压，并且副边各绕组之间也要求有较高的隔离电压，从而导致变压器的结构复杂且体积庞大。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种开关装置和开关设备，以至少解决现有技术中由于通过外部电源向开关器件供电需要进行电压隔离而造成的供电系统结构复杂且成本较高的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种开关装置，包括：驱动单元，用于生成第一控制信号；开关单元，与驱动单元耦合，上述开关单元用于根据上述第一控制信号，在导通状态和关断状态之间进行切换；馈能单元，并联在上述开关单元的两端，用于在上述开关单元处于上述关断状态时，利用上述开关单元的两端之间的电位差进行充电，并根据充电后的上述馈能单元的端电压为上述驱动单元供电。

可选地，上述开关单元的两端包括：第一连接端和第二连接端，上述开关单元还包括控制输入端，其中，上述控制输入端用于接收电位信号作为上述第一控制信号，其中，在上述控制输入端的电位相对于上述第二连接端的电位的差值位于第一电压区间时，上述第一连接端与上述第二连接端之间断开，并形成上述开关单元的上述关断状态，在上述控制输入端的电位相对于上述第二连接端的电位的差值位于第二电压区间时，上述第一连接端与上述第二连接端之间导通，并形成上述开关单元的上述导通状态。

可选地，上述开关单元包括：绝缘栅双极型晶体管IGBT，其中，上述第一连接端为上述IGBT的集电极，上述第二连接端为上述IGBT的发射极，上述控制输入端为上述IGBT的栅极，其中，在上述栅极相对于上述发射极的电位差小于预定的导通电压时，上述集电极与上述发射极断开，在上述栅极相对于上述发射极的电位差大于或等于上述导通电压时，上述集电极与上述发射极导通。

可选地，上述开关单元还包括以下至少之一：栅极电阻，连接在上述栅极与上述驱动单元之间；栅射极电阻，连接在上述栅极与上述发射极之间；第一瞬态电压抑制器TVS，连接在上述栅极与上述发射极之间。

可选地，上述驱动单元包括：驱动模块，用于接收第二控制信号，并对上述第二控制信号进行功率放大处理，以生成上述电位信号。

可选地，上述驱动单元还包括：接收模块，用于接收光信号，并将上述光信号转换为电信号，以上述转换生成的电信号作为上述第二控制信号输送至上述驱动模块。

可选地，上述馈能单元包括：电容器，连接在上述第一连接端与上述第二连接端之间，用于在上述第一连接端与上述第二连接端之间断开时，利用上述第一连接端与上述第二连接端之间的电位差进行充电；二极管，连接在上述第一连接端和上述第二连接端之间，其中，上述二极管的阳极与上述第一连接端直接或间接相连，上述二极管的阴极与上述第二连接端直接或间接相连，其中，上述第一连接端的电位高于上述第二连接端的电位；直流转换器，包括正输入端、负输入端、正输出端和负输出端，其中，上述正输入端连接在上述电容器与上述第一输入端之间，上述负输入端连接在上述电容器与上述第二输入端之间，上述直流转换器用于在上述正输出端与上述负输出端之间输出恒定的电压，并通过上述正输出端以及上述负输出端为上述驱动单元供电。

可选地，上述馈能单元还包括以下至少之一：限流电阻，连接在上述第一连接端和上述第二连接端之间；第二TVS，并联在上述电容器的两端。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种开关设备，包括：多个上述开关装置，串联形成为一体。

可选地，上述开关设备包括：均压单元，并联在上述开关装置中的开关单元的两端，上述均压单元用于在上述多个开关装置之间，均衡加载在上述开关单元的两端的电压差。

在本发明实施例中，通过馈能单元与主电路的耦合达到了在开关单元的工作电位取能的目的，进而通过馈能单元与驱动单元的耦合实现了在工作电位对驱动单元进行供电的效果，从而克服了现有技术中由于通过外部电源向开关器件供电需要进行电压隔离而造成的供电系统结构复杂且成本较高的技术问题，进而达到了降低开关系统的复杂程度及其制造成本的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种优选的开关装置的示意图；

图2（a）是根据本发明实施例的另一种优选的开关装置的示意图；

图2（b）是根据本发明实施例的又一种优选的开关装置的示意图；

图3是根据本发明实施例的又一种优选的开关装置的示意图；

图4是根据本发明实施例的又一种优选的开关装置的示意图；

图5是根据本发明实施例的又一种优选的开关装置的示意图；

图6是根据本发明实施例的一种优选的开关设备的示意图；

图7是根据本发明实施例的另一种优选的开关设备的示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本发明实施例提供了一种可选的开关装置，如图1所示，该装置包括：

1）驱动单元102，用于生成第一控制信号；

2）开关单元104，用于接收第一控制信号，并根据第一控制信号的状态在导通状态和关断状态之间进行切换；

3）馈能单元106，并联在开关单元104的两端，用于在开关单元104处于关断状态时，利用开关单元104的两端之间的电位差进行充电，并根据充电后的馈能单元的端电压为驱动单元供电。

作为本发明技术方案所能够实现的技术效果之一，通过本发明实施例提供的开关装置，顾名思义，可以对电路的导通与断开进行控制，例如，在本发明的一些实施例中，开关单元104的两端可以用于接入到主电路中，从而可以根据开关单元104所接收的第一控制信号实现在导通和关断状态之间切换，例如，在第一控制信号处于第一状态时，开关单元104的两端可以处于断开状态，在第一信号处于第二状态时，开关元件104的两端可以处于导通状态。当然，这只是一种示例，本发明对此不作限定。

一般而言，在本发明实施例中，上述开关装置可以用于对主电路也即一次电路进行控制，其中，该主电路既可以为弱电线路，也可以为强电线路，如高压配电线路等，从而可以进一步实现对强电线路的安全可靠的通断控制。然而值得注意的是，上述主电路应视为与控制电路也即二次电路相对应的概念，且不应理解为对本发明构成了任何不必要的限制，例如，根据本发明技术方案，上述控制电路可以由驱动单元102来实现，然而在本发明的一些实施例中，该驱动单元102的工作电压并非必然为本领域中控制电路所通常使用的特低电压ELV（Extra-Low Voltage），其中，由驱动单元102生成并由开关单元104接收的第一控制信号也可以表现为与地之间存在较高电压差的一个电位信号。此外，为便于描述，下文中所称的电位信号、连接端、或装置中某一电路节点的电位，均用于表示对地电位。

当然，在本发明的实施例中，可以利用以电位信号作为控制信号的电压型控制器件对本发明技术方案进行描述，然而这并不意味着本发明对此作出了限定，例如，在本发明的另一些实施例中，也可以通过电流型控制器件实现上述开关装置。

此外，以上对于本发明的实施环境的描述仅作为示例提出，本发明的技术方案还可以在其他场景下实施，例如，上述开关装置的工作环境也可以为主电路以外的电路、电气或电子设备、控制系统等，本发明对此不作任何限定。

下面将通过本发明的一些实施例对上述开关装置进行更为详细的描述。

如图1所示，在根据本发明实施例的开关装置中，开关单元104可以用于接收第一控制信号，并根据第一控制信号的状态在导通状态和关断状态之间进行切换，其中，作为受控的功能模块，开关单元104的具体实现方式可以有多种。

一般而言，开关单元104通常可以包括场效应管FET（Field Effect Transistor），如金属-氧化层-半导体-场效晶体管MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor FET），或者双极型晶体管及其二者的结合使用，如绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），等。然而这并不意味着本发明对此作出了限定，例如，在本发明的另一些实施例中，开关单元104还可以包括半导体器件以外的传统或新型开关部件。

具体地，在本发明的一些实施例中，对于电压或电位控制型的开关部件，例如，对于上述由FET或IGBT等半导体器件构成的开关单元104，上述的第一控制信号可以表现为电位信号。其中，作为一种可选的实施方式，如图2（a）所示，开关单元104可以包括：

1）第一连接端202（为便于进一步描述，以第一连接端的电位作为第一电位）；

2）第二连接端204（类似地，以第二连接端的电位作为第二电位）；以及

3）控制输入端206，用于接收电位信号作为上述第一控制信号（类似地，以控制输入端的电位作为第三电位），其中，

在控制输入端206的电位相对于第二连接端204的电位的差值位于第一电压区间时，第一连接端202与第二连接端204之间断开，并形成开关单元104的关断状态，

在控制输入端206的电位相对于第二连接端204的电位的差值位于第二电压区间时，第一连接端202与第二连接端204之间导通，并形成开关单元104的导通状态。

其中，本发明对第一电压区间和第二电压区间的具体形式不作限定，其可以为封闭的区间，也可以为一端开放的区间，其可以为连续的区间，也可以为多个相互之间不连续的区间的组合，具体地，可以根据开关单元104的具体结构而定。

值得注意的是，上述第一连接端202与第二连接端204作为上述开关单元104的两端，应当理解为一个相对的概念，其中，第一连接端202与第二连接端204中的任一个既可以连接在电源电路的一侧，也可以连接在执行机构的一侧，本发明对此不作任何限定。特别地，由于上述断开与导通状态的切换由控制输入端206与第二连接端204之间的电位差决定，因此，第一控制信号也可以视为从二者之间输入，从而在本发明的一些实施例中，第二连接端204也可以视为驱动单元102与开关单元104的公共端。

更具体地，在本发明实施例中，作为一种可选的方式，如图2（b）所示，开关单元104可以包括：

1）IGBT210，

其中，第一连接端202可以为IGBT210的集电极212，第二连接端204可以为IGBT210的发射极214，控制输入端206可以为IGBT210的栅极216，其中，

在栅极216相对于发射极214的电位差小于预定的IGBT210的导通电压时，集电极212与发射极214断开，

在栅极216相对于发射极214的电位差大于或等于上述导通电压时，集电极212与发射极214导通。

一般而言，本发明实施例中的IGBT210可以由大功率晶体管GTR（Giant Transistor），例如双极型晶体管BJT（Bipolar Junction Transistor），与MOSFET的组合形成，其中，IGBT210可以同时具备GTR的较低饱和压降与较大载流密度、以及MOSFET的较高输入阻抗与较快开关速度的特点，从而可以在低饱和压降的条件下，降低IGBT210的驱动功率，进而达到了上述开关装置在高耐压、快速通断的脉冲功率技术等应用领域的要求。

一般地，对于IGBT210而言，当栅极相对于发射极的电位差大于或等于IGBT210的导通电压，或者说栅极阈值电压时，在IGBT210的集电极与发射极之间的压降，也即饱和压降接近于零，从而可以视为二者之间导通，对应IGBT210的上述导通状态；而当栅极相对于发射极的电位差小于IGBT210的导通电压时，在IGBT210的集电极与发射极之间可以视为断路，对应IGBT210的上述关断状态。

从以上描述可知，可以通过IGBT210实现开关单元104的上述通断功能，且可以兼顾较高输入阻抗及较低饱和压降的优势，降低开关单元104的功率消耗，并获得较为良好的开关性能。然而这并不意味着本发明对此作出了限定，在本发明实施例中，开关单元104的实现方式还可以有多种，本发明在此不作累述。

可选地，如图5所示，在本发明实施例中，开关单元104还可以包括：

1）栅极电阻512，连接在栅极216与驱动单元102之间；

2）栅射极电阻514，连接在栅极216与发射极214之间；

3）第一瞬态电压抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor）516，连接在栅极216与发射极214之间。

其中，栅极电阻512可以用于消除由驱动单元102输出至栅极216的第一控制信号的驱动脉冲在栅极216与发射极214之间的容性结构和栅极回路的寄生电感构成的振荡电路中产生的栅极振荡。另一方面，由于栅极回路中的容性结构和寄生电感均属于无功结构，从而栅极电阻512还可以作为功率元件分担散热的压力。此外，栅极电阻512还可以用于调节IGBT210的通断速度，从而可以达到在预定的通断速度要求下，达到降低由于通断速度过快导致的开关单元104中电压和电流变化率过大所产生的较大电磁干扰的技术效果。具体地，栅极电阻512可以根据IGBT210的额定电流及其栅极驱动功率选定，本发明对此不作限定。

栅射极电阻514可以用于防止由于米勒效应（Miller Effect）而导致的误导通，并能够释放电荷，从而可以实现IGBT210的快速、准确的关断。

第一TVS516可以用于在栅射极间承受瞬态较高电压或干扰电压时，通过降低自身的工作阻抗至较低的导通值，以将电压钳制在预定的范围内，从而可以达到保护IGBT210的效果。具体地，第一TVS可以为TVS二极管。

应当理解的是，上述作为保护器件的栅极电阻512、栅射极电阻514、以及第一TVS既可以单独使用，也可以相互结合使用，还可以与其他器件结合使用，从而在上述开关装置中起到保护作用，也即，本发明的技术方案可以与为本领域的技术人员所知的其他技术手段相互结合使用。

值得注意的是，上述保护器件还可以用于IGBT以外的起到类似的开关作用的半导体器件或开关部件，并起到类似的保护效果，也即，对于本发明的技术方案中的特征的等效替换、变形或者其相互结合使用，也应视为本发明所保护的范围。

此外，需要说明的是，上述实施例中对于第一连接端202和第二连接端204的区分及其与IGBT210的电极之间的对应关系，仅作为一种示例提出，以便对本发明作出更为清楚地说明，并不应理解为对本发明的限定。一般地，对于半导体器件而言，能够以其电极作为第一连接端、第二连接端和控制输入端，并实现上述开关功能的具体的元器件及其组态方式也可以有多种，本发明在此不作累述，当然，也不应将本发明技术方案理解为仅限于其中的某一种或数种。

如图1所示，在根据本发明实施例的开关装置中，驱动单元102可以用于生成上述第一控制信号，并可以将该第一控制信号输送至开关单元104，从而可以实现通过第一控制信号对开关单元104的控制。

具体地，在本发明的一些实施例中，对于第一控制信号至少包括电位信号的情形，驱动单元102可以用于生成并输出电位信号，其中，该电位信号可以输送至上述的控制输入端206，从而该电位信号的电位也可以通过控制输入端206的第三电位来反映。

一般而言，开关单元104需要接收一定功率以上的第一控制信号以实现在上述关断与导通状态之间的切换。其中，对于开关单元104的第一控制信号的输入阻抗较小的情形，驱动单元102在生成第一控制信号之外，第一控制信号的输出功率可以设置在预定的阈值之上，其中，可选地，如图3所示，在本发明实施例中，驱动单元102可以包括：

1）驱动模块302，用于接收第二控制信号，并对第二控制信号进行功率放大处理，以生成电位信号。

其中，第二控制信号通常可以表现为电压信号或电流信号，然而，在本发明的一些实施例中，第二控制信号也可以包括其他类型的电信号或其他信号，例如声、光信号等。一般而言，第二控制信号的功率可以小于第一控制信号的功率，从而可以实现利用较低的电流或电压对工作电流或电压较大的电路，如主电路的控制。

另一方面，在本发明实施例中，驱动模块302也可以有多种具体的实施方式，例如图5所示，该驱动模块302可以包括：

推挽放大器，其中，该推挽放大器的电源端可以与馈能单元106的输出端直接或间接相连，推挽放大器的输出端中的一个与第二连接端204直接或间接相连，另一个与控制输入端206直接或间接相连，用于将电位信号输送至控制输入端206，推挽放大器的输入端用于接收电压信号作为第二控制信号。

其中，利用推挽放大器的输出电阻较小的特点，可以实现对接收的电压信号的功率进行放大，从而可以驱动功耗较大的负载，并可以进一步达到提高开关单元104的导通速度的效果。

当然，以上只是一种示例，本发明对于驱动模块302的具体实现方式不作任何限定，例如，也可以通过集成电路芯片实现上述对信号功率的放大作用。

作为一种可选的实施方式，如图4所示，根据本发明实施例的开关装置中的驱动单元106还可以包括：

接收模块402，用于接收光信号，并将光信号转换为电信号，以转换后的电信号作为第二控制信号输送至驱动模块。

可选地，如图5所示，接收模块402可以包括光电转换器516，以将上述光信号转换为上述电信号，其中，该电信号通常可以为电压信号，然而在本发明的一些实施例中，也可以为电流信号，或其他种类的电信号，本发明对此不作限定。另一方面，对于上述的光电转换器也可以有多种实现方式，在此不作累述。可选地，上述接收模块402接收的上述光信号可以来自于图5中示出的光纤518。

在以上实施例中，通过接收模块402与驱动模块302的耦合，可以实现第二控制信号与第一控制信号及开关单元104的隔离，从而达到了提高上述开关装置的操作安全性的效果。

如图1所示，在根据本发明实施例的开关装置中，馈能单元106可以并联在开关单元104的两端，其中，如前所述，结合图2，上述开关单元104的两端可以包括第一连接端202和第二连接端204。

如前所述，在本发明实施例中，开关单元104处于上述关断状态时，第一连接端202和第二连接端204之间断开。在这一场景下，第一连接端202的第一电位与第二连接端204的第一电位可以为不同的电位值，例如，在主电路中，第一连接端202可以与配电网络中的主干线路或者动力系统的电源电路相连，对应地，第二连接端204可以与分支线路或者执行机构相连，在上述关断状态下，第一电位通常可以高于第二电位，从而，馈能单元106可以利用二者之间的电位差进行充电以储存电能，其中，充电后的馈能单元106的端电压，或者说，馈能单元106的充电端的电位，可以为悬浮在第一电位和/或第二电位附近的电压区间内的电位值。

进一步地，如图1所示，馈能单元106还可以与驱动单元102直接或间接相连，从而利用储存的电能为驱动单元102供电。值得注意的是，作为驱动单元102的电源，馈能单元106的输出端可以根据上述的端电压进行输出，从而可以通过驱动单元102直接在该端电压，也即第一电位和/或第二电位附近的电压区间内生成上述电位信号。

在上述场景下，对于第一电位和第二电位较高的情形，可以通过馈能单元106与驱动单元102的直接连接实现对驱动单元102的供电，从而克服了从端电压较低的外部电源向工作电位较高的开关装置供电时所导致的问题，例如，在不同电压等级之间进行电能变送的隔离问题等，避免了现有技术中的光纤送能或电磁馈能的供电方式的缺陷，达到了降低开关装置的复杂程度及其制造成本的技术效果。

可选地，如图5所示，在本发明实施例中，馈能单元106可以包括：

1）电容器502，连接在第一连接端202与第二连接端204之间，用于在第一连接端202与第二连接端204之间断开时，利用第一连接端202与第二连接端204之间的电位差进行充电；

2）二极管504，连接在第一连接端202和第二连接端204之间，其中，二极管504的阳极与第一连接端202直接或间接相连，二极管504的阴极与第二连接端204直接或间接相连，其中，第一连接端202的电位高于第二连接端204的电位；

3）直流转换器506，包括正输入端、负输入端、正输出端和负输出端，其中，正输入端连接在电容器502与第一连接端202之间，负输入端连接在电容器502与第二连接端204之间，直流转换器用于在正输出端与负输出端之间输出恒定的电压，并通过正输出端以及负输出端为驱动单元102供电。

其中，电容器502作为储能器件，连接在第一连接端202和第二连接端204之间，可以利用开关单元104处于关断状态下的上述第一电位与上述第二电位之间的电位差进行充电，其中，在充电完成后，馈能单元106的端电压，也即电容器502两端的电位，可以分别与第一电位和第二电位一致。

具体地，根据驱动单元的功率要求，电容器502可以选自不同种类的储能型电容，例如铝电解电容器，或适用于更大功率的罐型螺旋端子电容器等，本发明对此不作限定。此外，根据本发明实施例的开关装置中的电容器502也可以由多个电容器及其与其他可行的元器件的组合形成，也即，应当将电容器502理解为具有电容特性的器件或部件。

更具体地，作为一种优选的实施方式，电容器502的电容值可以根据以下公式设置：

$C=\left\{\begin{array}{cc}100& t_{\mathrm{on}}\≤100\mathrm{ms}\\ t_{\mathrm{on}}& t_{\mathrm{on}}>100\mathrm{ms}\end{array}\right.\left(\mathrm{\μF}\right)$

其中，C可以用于表示电容器502的电容值，t_on可以用于表示开关单元104预设的以毫秒为单位的导通时间长度。例如，对于开关单元104的预定的导通时间为50ms的情形，电容器502的电容值可以设置为100μF，而对于预定的导通时间为200ms的情形，电容器502的电容值可以设置为200μF。其中，若上述电容值过小，则充电后的电容器502所储存的电能将不足以维持对驱动单元102的供电，以实现开关单元104在预定的导通时间长度内的导通，另一方面，若上述电容值过大，则电容器502所储存的电能过剩，将导致在预定的导通时间长度内放电不完全，从而在电容器502两端容易持续存在较大的电压差，导致充电效率的降低，以及上述开关装置的能量损耗的增加。因此，通过上述电容值的合理选定，通过在电容值与开关单元104的导通时间之间的匹配，可以在有效地实现对开关单元104进行控制的基础上，进一步地达到降低上述开关装置的能量损耗的技术效果。

在图5中，二极管504可以与电容器502串联在第一连接端202和第二连接端204之间，用于在开关单元104处于上述导通状态时，防止电容器502通过开关单元104进行放电。

具体地，如图5所示，二极管504可以连接在电容器502与第一连接端202之间，其中，对于第一电位高于第二电位的情形，二极管504的阳极可以与第一连接端202连接，阴极可以与电容器502连接。在上述场景下，在开关单元104处于关断状态时，由于第一电位通常高于电容器502两端的电位，从而二极管504处于正向导通状态，电荷可以通过二极管504以实现对电容502的充电；在开关单元104处于导通状态时，由于主电路导通带来的压降，第一电位通常将下降至电容器502的充电端的端电压以下，从而二极管504处于反向关断状态，导致电容器502与开关元件104形成的放电回路断开，限制了电容器502通过开关单元504进行放电。

当然，在本发明的一些实施例中，二极管504也可以连接在电容器502与第二连接端204之间，其中，对于第一电位高于第二电位的情形，二极管504的阴极可以与第一连接端202连接，阳极可以与电容器502连接。类似地，可以在开关单元104处于关断状态时，实现上述充电回路的开通，以及在开关单元104处于导通状态时，实现上述放电回路的断开，本发明在此不作累述。

在图5中，直流转换器506可以连接在电容器504的两端与驱动单元102之间，用于在作为储能器件的电容器504与驱动单元102之间传递电能，其中，直流转换器506可以实现宽电压输入以及稳压输出的功能。具体地，直流转换器506可以包括正输入端、负输入端、正输出端和负输出端，其中，在正输入端与负输入端之间，可以接收一个较宽的电压区间内的电压输入，该电压输入可以由电容器504提供，而在正输出端与负输出端之间，可以输出一个稳定的电压，从而对于驱动单元102而言，直流转换器506也可以视为一个稳压电源。

可选地，如图5所示，在本发明的一些实施例中，馈能单元106还可以包括：

1）限流电阻508，连接在第一连接端202和第二连接端204之间；

2）第二TVS510，并联在电容器502的两端。

在图5中，限流电阻508连接在第一连接端202和电容器502之间，可以用于在开关元件104处于上述关断状态时，对电容器502的充电电流进行限制，从而在对电路起到保护作用的同时，降低充电过程中的功率损耗。当然，在本发明的一些实施例中，限流电阻508也可以连接在第二连接端204和电容器502之间，另一方面，限流电阻508也可以由多个电阻及其与其他元件的组合形成，本发明对此不作限定。

此外，在馈能单元106中，还可以在电容器502的两端并联第二TVS510，其中，第二TVS510可以抑制电容器502两端的瞬态较高电压或者干扰电压，从而可以避免电容器502被瞬态较高电压击穿，并且对与电容器502的两端并联的直流转换器506的两个输入端之间的输入电压进行了限制，提高了对驱动电路102供电的可靠性，并进一步提高了上述开关装置的可靠性。

当然，上述限流电阻508和第二TVS510作为馈能单元106中的附加器件提出，还可以与其他本领域常用的可行的功能性器件结合使用，对于此类应用，仍应视为在本发明所保护的范围之内。

具体地，作为一种优选的实施方式，限流电阻508的电阻值根据以下公式设置：

100V_min≤R≤120V_max

其中，R用于表示限流电阻508的电阻值，V_min用于表示上述的第一电位与第二电位之间的电压差值的最小值，V_max用于表示第一电位与第二电位之间的电压差值的最大值。在上述阻值范围内，既可以对电容器502的充电电流以及充电过程中的功率损耗作出有效的限制，又可以避免过长的充电时间，从而导致电容器502的两端的电压也即直流转换器506的正负输入端之间的电压过低造成的供电能力不足的问题。

本发明提供了一些优选的实施例来进一步对本发明进行解释，但是值得注意的是，上述优选实施例只是为了更好的描述本发明，并不构成对本发明不当的限定。

实施例2

本发明实施例提供了一种可选的开关设备，如图6所示，该设备可以包括：

1）多个上述的开关装置602，串联形成为一体。

一般而言，在本发明实施例中，多个开关装置602中的开关单元204所接收的第一控制信号可以用于对开关单元104的导通和关断的状态进行同步地控制，从而使多个开关装置602串联所形成的整体可以视为一个能够在导通和关断状态之间进行切换的开关。

具体地，作为一种可选的实施方式，可以结合图3和图4中所示的两种优选的开关装置602的结构，实现对第一控制信号的同步，例如，驱动模块302可以用于接收相同的或者同一第二控制信号，从而生成同步的第一控制信号。

在上述场景下，在多个开关装置602中的每一个均处于上述导通状态下时，开关设备可以处于相对应的导通状态，而在多个开关装置602中的每一个均处于上述断开状态下时，开关设备可以处于相对应的断开状态，且开关设备两端的电压可以由多个开关装置602来分担，从而达到了降低开关装置602以及其中的开关单元104的耐压性能要求的效果，并在另一方面可以实现提高开关设备的可靠性的技术效果。

可选地，如图7所示，在本发明的一些实施例中，上述开关设备还可以包括：

1）均压单元702，并联在所述开关装置602中的开关单元104的两端，所述均压单元702用于在所述多个开关装置602之间，均衡加载在所述开关单元104的两端的电压差。

通过均压单元702，可以实现对上述开关设备中的多个开关装置602中的每一个中的开关单元104的两端加载的电压的均衡分配，从而可以进一步降低对于开关装置602中加载电压最高的一个的耐压性能要求，并进一步提高了开关设备的可靠性。

具体地，作为一种可选的实施方式，均压单元可以包括静态均压模块和动态均压模块。其中，静态均压模块可以用于平衡如图7中所示的多个开关单元104的两端的静态电压，例如，该静态均压模块可以包括并联在多个开关单元104中的每一个的两端的阻值相同的电阻器，优选地，该电阻器的阻值可以小于开关单元104的两端之间的漏电电阻的阻值。当然，以上只是一种示例，本发明对此不作限定。另一方面，动态均压模块可以用于进行动态均压，例如，可以用于平衡在开关单元104在上述导通状态与关断状态之间进行切换所导致的电压变动，其中，动态均压模块也可以通过多种方式来实现，例如反馈控制、同步变压器控制或电压钳位控制，等，本发明在此不作累述。

此外，根据本发明实施例的开关设备还可以与其他可行的电路或结构方面的设计，例如，上述开关设备还可以包括高压电极和/或均压环，从而可以达到增大高压侧的等效曲率半径的效果，进而改善电场强度的分布，使高压侧的场强分布较为均匀，从而可以有效避免放电的发生。

本发明提供了一种优选的实施例来进一步对本发明进行解释，但是值得注意的是，该优选实施例只是为了更好的描述本发明，并不构成对本发明不当的限定。

从以上的描述中，可以看出，本发明至少实现了如下技术效果：

1）通过馈能单元与主电路的耦合达到了在开关单元的工作电位取能的目的；

2）进而通过馈能单元与驱动单元的耦合实现了在工作电位对驱动单元进行供电的效果；

3）克服了现有技术中由于通过外部电源向开关器件供电需要进行电压隔离而造成的供电系统结构复杂且成本较高的技术问题，进而达到了降低开关系统的复杂程度及其制造成本的技术效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关装置，其特征在于，包括：

驱动单元，用于生成第一控制信号；

开关单元，与驱动单元耦合，所述开关单元用于根据所述第一控制信号，在导通状态和关断状态之间进行切换；

馈能单元，并联在所述开关单元的两端，用于在所述开关单元处于所述关断状态时，利用所述开关单元的两端之间的电位差进行充电，并根据充电后的所述馈能单元的端电压为所述驱动单元供电。

2.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于，所述开关单元的两端包括：第一连接端和第二连接端，所述开关单元还包括控制输入端，其中，所述控制输入端用于接收电位信号作为所述第一控制信号，其中，

在所述控制输入端的电位相对于所述第二连接端的电位的差值位于第一电压区间时，所述第一连接端与所述第二连接端之间断开，并形成所述开关单元的所述关断状态，

在所述控制输入端的电位相对于所述第二连接端的电位的差值位于第二电压区间时，所述第一连接端与所述第二连接端之间导通，并形成所述开关单元的所述导通状态。

3.根据权利要求2所述的开关装置，其特征在于，所述开关单元包括：

绝缘栅双极型晶体管IGBT，其中，所述第一连接端为所述IGBT的集电极，所述第二连接端为所述IGBT的发射极，所述控制输入端为所述IGBT的栅极，其中，

在所述栅极相对于所述发射极的电位差小于预定的导通电压时，所述集电极与所述发射极断开，

在所述栅极相对于所述发射极的电位差大于或等于所述导通电压时，所述集电极与所述发射极导通。

4.根据权利要求3所述的开关装置，其特征在于，所述开关单元还包括以下至少之一：

栅极电阻，连接在所述栅极与所述驱动单元之间；

栅射极电阻，连接在所述栅极与所述发射极之间；

第一瞬态电压抑制器TVS，连接在所述栅极与所述发射极之间。

5.根据权利要求2所述的开关装置，其特征在于，所述驱动单元包括：

驱动模块，用于接收第二控制信号，并对所述第二控制信号进行功率放大处理，以生成所述电位信号。

6.根据权利要求5所述的开关装置，其特征在于，所述驱动单元还包括：

接收模块，用于接收光信号，并将所述光信号转换为电信号，以所述转换生成的电信号作为所述第二控制信号输送至所述驱动模块。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的开关装置，其特征在于，所述馈能单元包括：

电容器，连接在所述第一连接端与所述第二连接端之间，用于在所述第一连接端与所述第二连接端之间断开时，利用所述第一连接端与所述第二连接端之间的电位差进行充电；

二极管，连接在所述第一连接端和所述第二连接端之间，其中，所述二极管的阳极与所述第一连接端直接或间接相连，所述二极管的阴极与所述第二连接端直接或间接相连，其中，所述第一连接端的电位高于所述第二连接端的电位；

直流转换器，包括正输入端、负输入端、正输出端和负输出端，其中，所述正输入端连接在所述电容器与所述第一输入端之间，所述负输入端连接在所述电容器与所述第二输入端之间，所述直流转换器用于在所述正输出端与所述负输出端之间输出恒定的电压，并通过所述正输出端以及所述负输出端为所述驱动单元供电。

8.根据权利要求7所述的开关装置，其特征在于，所述馈能单元还包括以下至少之一：

限流电阻，连接在所述第一连接端和所述第二连接端之间；

第二TVS，并联在所述电容器的两端。

9.一种开关设备，其特征在于，包括：

多个如权利要求1至8中任一项所述的开关装置，串联形成为一体。

10.根据权利要求9所述的开关设备，其特征在于，包括：

均压单元，并联在所述开关装置中的开关单元的两端，所述均压单元用于在所述多个开关装置之间，均衡加载在所述开关单元的两端的电压差。

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