CN105009241A - 包括半导体开关元件的有载分接开关和用于运行有载分接开关的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电压调节的、包括半导体开关元件(61、62、71、71)的有载分接开关(1)和一种用于可调变压器(2)的电压调节的方法。所述有载分接开关(1)具有第一负载支路(6)和与该第一负载支路并联设置的第二负载支路(7)。在第一和第二负载支路(6、7)之间设置子绕组(8)。在第一负载支路(6)中设置有在子绕组(8)上游的第一半导体开关元件(61)和在子绕组(8)下游的第二半导体开关元件(62)。在第二负载支路(7)中设置有在子绕组(8)上游的第一半导体开关元件(71)和在子绕组(8)下游的第二半导体开关元件(72)。有载分接开关(1)包括至少一个开关模块(5)，所述开关模块包括有载分接开关的第一负载支路(6)和第二负载支路(7)。通过切换运行所述半导体开关元件中的相应的开关以及确定相应的开关模块(5)中的电流路径应减少开关损耗并且因此减少发热。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括半导体开关元件的有载分接开关。特别地，所述有载分接开关包括多个开关模块并且与调节绕组连接。
此外，本发明涉及一种用于运行有载分接开关的方法。
背景技术
由DE 10 2011 012 080 A1已知一种用于电压调节的、包括半导体开关单元的分接开关。分接开关具有两个并联的负载支路，其中，在两个负载支路中半导体开关单元串联。在此，第一负载支路和第二负载支路的各一个半导体开关单元成对地对置。各一个子绕组和一个电桥分别交替地在这些成对的半导体开关单元之间并联地连接在两个负载支路之间。这些子绕组具有不同的匝数。半导体开关单元可以构成为晶闸管对或IGBT对。通过对半导体开关单元进行有技巧地接线可以接通或切断绕组。由此，能够匹配变压器的转化比并且由此可以调节次级侧的电压。通过使用IGBT也可能借助于脉冲宽度调制实现子绕组的交替的接通或切断并且由此实施精细级的电压调节。通过半导体开关单元的持续的接通和切断产生开关损耗，并且半导体开关单元发热，这对冷却装置提出高的要求。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于电压调节的、包括半导体开关元件的有载分接开关，该有载分接开关具有较少的开关损耗、需要较小的冷却装置并且因此是低成本且可靠的。
该任务通过按照权利要求1的根据本发明的用于电压调节的有载分接开关得以解决。在此，从属权利要求涉及本发明的有利的扩展方案。
此外，本发明的任务在于，提供一种用于运行包括半导体开关元件的有载分接开关的方法，在该方法中产生较少的开关损耗、减少发热并且提高安全性。
该任务通过按照权利要求5的用于运行电压调节用的有载分接开关的根据本发明的方法得以解决。在此，从属权利要求涉及所述方法的有利的扩展方案。
本发明的总构思在于，两个反向串联地连接的IGBT与反向二极管一起用作半导体开关元件并且在脉冲宽度调制的情况下考虑电流的方向和子绕组上的电压的取向，以便在此负载支路的一部分不进行开关并且由此避免开关损耗。
按照本发明的优选实施方式，用于电压调节的有载分接开关具有半导体开关元件并且设置在包括调节绕组的调节变压器上。有载分接开关设置在调节绕组的固定的、不可调节的部分和负载引线之间。此外，有载分接开关具有第一负载支路和与该第一负载支路并联设置的第二负载支路，其中，在所述负载支路之间设置一个子绕组。第一负载支路具有在子绕组上游的第一半导体开关元件和在子绕组下游的第二半导体开关元件。第二负载支路同样具有在子绕组上游的第一半导体开关元件和在子绕组下游的第二半导体开关元件。所述有载分接开关包括至少一个开关模块，所述开关模块包括所述第一负载支路和所述第二负载支路。
按照本发明的另一个实施方式，每个半导体开关元件分别包括相互反向串联地接线的第一IGBT和第二IGBT。所述IGBT分别这样设有反向二极管，使得反向二极管的正极与所述第一IGBT和所述第二IGBT的发射极端连接并且所述反向二极管的负极与所述第一IGBT和所述第二IGBT的集电极端连接。在此，第一负载支路和第二负载支路的半导体开关元件能选择性地切断。
按照另一个实施方式，所述有载分接开关包括第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块。在此，每一个开关模块的子绕组相互分别具有不同的匝数比、例如9∶3∶1。
在根据本发明的用于运行有载分接开关的方法中首先确定：应在开关模块的子绕组的哪些设定(Stellung)之间变换。在削减设定的情况下，将所述子绕组的匝数从调节绕组中减去，在增加设定的情况下，将所述子绕组的匝数加到所述调节绕组上，并且在额定设定的情况下，将所述子绕组完全忽略。
按照根据本发明的方法的另一个步骤涉及所述开关模块的活动(aktiv)侧和非活动侧(passiv)的确定。在所述开关模块的活动侧上操纵所述半导体开关元件，而在对置的那侧上，所述半导体开关元件被置于确定的开关状态中。
在确定电流的方向和子绕组上的电压的取向之后，确定所述开关模块的半导体开关元件的开关状态。在此，第一半导体开关元件或第二半导体开关元件的与相应活动侧的交替引导电流的反向二极管连接的IGBT始终是截止的(sperrend)。活动侧的所述两个交替引导电流的IGBT中的一个IGBT、更准确地说其集电极端与子绕组的负极连接并且发射极端与子绕组的正极连接的那一个IGBT始终是导通的。活动侧的所述两个交替引导电流的IGBT中的一个IGBT、更确切地说其集电极端与子绕组的正极连接并且发射极端与子绕组的负极连接的那一个IGBT切换运行(getaktet)。在非活动侧上，一个半导体开关元件始终是截止的并且另一个半导体开关元件始终是导通的。
在电流的方向和子绕组上的正极和负极的取向改变的情况下确定：所述半导体开关元件的哪些IGBT在活动侧上切换成切换运行的或导通的，哪些IGBT在非活动侧上切换成导通的或不导通的以及总体来说所述侧中的哪侧活动或非活动。
附图说明
在这里公开的实施方式的这些及其他特征和优点参考以下说明和附图可较好地理解，其中，相同的附图标记始终表示相同的元件。附图中：
图1示出分接开关与变压器相结合的示意图；
图2示出包括半导体开关元件的分接开关的示意图；
图3示出半导体开关元件的电子构造的图示；
图4a-4d示出有载分接开关的不同的开关设定的图示；
图5示出在一个开关设定中的半导体开关元件的一个图示；
图6示出半导体开关元件的一个开关设定的另一个图示，以及
图7示出三个开关模块的接线的示意图。
具体实施方式
为本发明的相同的或作用相同的元件使用相同的附图标记。示出的实施例仅示出如何能构造根据本发明的开关元件的一种可能性。
在图1中示出有载分接开关1，该有载分接开关用于在可调变压器2及调节绕组3中进行电压调节。有载分接开关1设置在调节绕组3的固定的、不可调节的部分和负载引线4之间。
如在图2中示出的那样，有载分接开关1包括至少一个开关模块5。开关模块5具有第一负载支路6和与该第一负载支路并联设置的第二负载支路7。开关模块5的第一和第二负载支路6、7通过子绕组8相互导通地连接。第一负载支路6具有在调节绕组3和子绕组8之间的第一半导体开关元件61和在子绕组8下游的、亦即朝向引线4的第二半导体开关元件62。第二负载支路7同样具有在子绕组8上游的第一半导体开关元件71和在子绕组8下游的第二半导体开关元件72。
在图3中示出，所述半导体开关元件61、62、71和72中的每个半导体开关元件都包括一个第一绝缘栅双极型晶体管(IGBT)11和一个第二IGBT 12，这两个IGBT反向串联地接线。第一IGBT 11和第二IGBT 12分别设有一个反向二极管14。每个IGBT 11和12都具有集电极端C、发射极端E和栅极端G。所述反向二极管14中的每个反向二极管分别以其正极连接于发射极端E并且以负极连接于相应的IGBT 11或12的集电极端C。
如在图4a-4d中示出的那样，首先确定子绕组8占据所述设定中的哪个设定。在削减设定20中(图4a)，将子绕组8的匝数从调节绕组3的固定部分中减去。在此，电流I与方向无关地流经第一负载支路6中的第一半导体开关元件61、子绕组8和第二负载支路7中的第二半导体开关元件72。
在增加设定21中(图4b)，将子绕组8的匝数加到调节绕组3的固定部分上。在此，电流I与方向无关地流经第二负载支路7中的第一半导体开关元件71、子绕组8和第一负载支路6中的第二半导体开关元件62。
在额定设定22中(图4c和4d)，电流I有针对性地在子绕组8旁边要么经由第一负载支路6、要么经由第二负载支路7引导。在这个设定中，子绕组8的匝数对调节绕组3没有影响。
为了实施精细级的调节并且能够产生中间级，利用脉冲宽度调制在三个所解释的设定中的两个设定之间切换运行。如果在额定设定22和削减设定20或者增加设定21之间切换，则必须确定开关模块5的非活动侧和活动侧；这是规定。由此，在相同的侧上处于子绕组8的上游或者下游的半导体开关元件61和71或者62和72始终分别属于一侧。因此，必须确定：第一负载支路6的第一半导体开关元件61和第二负载支路7的第一半导体开关元件71是否活动并且第一负载支路6的第二半导体开关元件62和第二负载支路7的第二半导体开关元件72是否非活动或者反之亦然。根据该确定，半导体开关元件61、62、71和72的IGBT 11和12必须不同地进行开关。在所述方法期间，在确定的、非活动侧上的半导体开关元件始终保持为导通的或截止的，其中，一个半导体开关元件是导通的并且另一个半导体开关元件是不导通的。在活动侧上，所述半导体开关元件基于所执行的脉冲宽度调制活动地进行开关，亦即所述半导体开关元件占据不同的状态。在削减设定20和增加设定21之间切换时，两侧都是活动的。
在图5的实例中，示出的开关模块5的活动侧包括第一负载支路6的第一半导体开关元件61和第二负载支路7的第一半导体开关元件71。因此，在图5中的非活动侧包括第一负载支路6的第二半导体开关元件62和第二负载支路7的第二半导体开关元件72。
在非活动侧上，第二负载支路7的第二半导体开关元件72始终是导通的。相反，第一负载支路6的第二半导体开关元件62始终是不导通的。由此，电流I要么流经第一IGBT 11和与IGBT 12连接的反向二极管14，要么沿相反的方向流经第二IGBT 12和与第一IGBT 11连接的反向二极管14。相反，第一负载支路6中的第二半导体开关元件62的第一和第二IGBT 11和12始终是截止的，从而在这里没有电流I流动。
在活动侧上，第一半导体开关元件61和71的其导通方向与电流流动方向不符的第一或第二IGBT 11或12截止。在此，电流I流经与所述IGBT并联连接的反向二极管14。第一半导体开关元件61和71的其余两个IGBT 11或12中的一个IGBT、更确切地说其集电极端C与子绕组8的负极“-”连接并且发射极端E与该子绕组的正极“+”连接(可能通过其他IGBT或反向二极管)的那一个IGBT始终导通。最后，活动侧的第四个IGBT以相应于要达到的中间级的占空因数()切换运行。因此，这个IGBT的集电极端C位于正极“+”上并且发射极端E位于负极“-”上。
在即将电流交零时接通相应的半导体开关元件的相对于切换运行的IGBT反向串联的IGBT，以便在电流方向改变时确保可靠的电流路径。
在图5中的实例中，电压U的取向是这样的，即，正极“+”位于子绕组8的上侧上并且负极“-”位于该子绕组的下侧上。因为电流I从左向右流动，所以为此使用第一半导体开关元件61和71的第一IGBT 11和4与第一半导体开关元件61和71的第二IGBT 12并联的反向二极管1。如果观察第一半导体开关元件61和71的第一IGBT 11，则子绕组8的正极“+”位于第二负载支路7中的第一半导体开关元件71的第一IGBT 11的集电极端C上并且子绕组8的负极“-”位于发射极端E上。因此，这个IGBT切换运行，而第一负载支路6中的第一半导体开关元件61的第一IGBT 11是持续导通的。第二负载支路7中的第一半导体开关元件71的第二IGBT 12在即将电流交零时、亦即在电流I的方向即将改变时切换成导通的。
在每次电压改变或电流方向改变之后总是重新明确哪些IGBT导通、哪些IGBT截止和哪些IGBT切换运行。在此，活动侧和非活动侧的变换可以有利于损耗的均匀分配并且由此导致构造元件的使用寿命的延长。
在有载分接开关1的纯欧姆负载的情况下，电流I的方向和子绕组8上的电压U的取向同时改变。在电感性负载和电容性负载的情况下，电压U的取向与电流I的方向改变错开地变化。
在图6中示出图5的开关模块5。开关模块5的包括半导体开关元件61和71的左侧如之前所确定的那样总是仍然是活动的并且开关模块5的包括半导体开关元件62和72的右侧是非活动的。在这里，电流I的方向已经改变，从而该电流从开关模块5的右侧向该开关模块的左侧流动。从欧姆负载出发，子绕组8上的电压U的取向同样也已经颠倒。现在，负极“-”位于子绕组8的上端上并且正极“+”位于子绕组8的下端上。
在非活动侧上，电流I经由第二负载支路7中的第二半导体开关元件72、特别是第二半导体开关元件72的第二IGBT以及与第二半导体开关元件72的第一IGBT 11并联连接的反向二极管14进行引导。在这里，第一负载支路中的第二半导体开关元件62始终是不导通的。在开关模块5的活动侧上，电流I只能流经与第一和第二半导体开关元件61和71的第一IGBT 11并联连接的反向二极管14以及第一和第二半导体开关元件61和71的第二IGBT 12。在此，正极“+”位于第二负载支路7中的第一半导体开关元件71的第二IGBT 12的集电极端C上；由此，这个第二IGBT切换运行。因为第二负载支路7中的第一半导体开关元件71的第二IGBT 12切换运行，所以第一负载支路6中的第一半导体开关元件61的第二IGBT 12切换成持续导通的。
基于在所述方法期间在活动侧上的半导体开关元件61、62、71或72始终是持续导通的、亦即低欧姆的事实，在现有技术中在从高欧姆状态向低欧姆状态过渡时产生的开关损耗明显减少。由此，开关模块5上的发热减少，使得更少的热能必须通过冷却导出。通常在使用这个方法时可以使用空间上更小的并且由此成本更低的冷却设备。
在图7中示出有载分接开关1，其中，第一开关模块51、第二开关模块52和第二开关模块53串联连接。这些开关模块51、52和53的子绕组8具有不同的匝数比。匝数比的分配9∶3∶1是特别有利的。通过在所述开关模块51、52或53中的一个开关模块中使用根据本发明的方法可能的是：将在这里产生的更精细的中间级与其他开关模块51、52和53的级进行组合。
Claims (11)
1.包括半导体开关元件(61、62、71、72)的有载分接开关(1)，该有载分接开关用于在包括调节绕组(3)的可调变压器(2)上进行电压调节；
其中，有载分接开关(1)设置在调节绕组(3)的固定的、不可调节的部分和负载引线(4)之间，
其中，有载分接开关(1)具有第一负载支路(6)和与该第一负载支路并联地设置的第二负载支路(7)；
其中，在第一和第二负载支路(6、7)之间设置有子绕组(8),
其中，第一负载支路(6)具有在子绕组(8)上游的第一半导体开关元件(61)和在子绕组(8)下游的第二半导体开关元件(62)，以及
其中，第二负载支路(7)具有在子绕组(8)上游的第一半导体开关元件(71)和在子绕组(8)下游的第二半导体开关元件(72)，
其特征在于，
所述有载分接开关(1)包括至少一个开关模块(5)，所述开关模块包括所述有载分接开关的第一负载支路(6)和第二负载支路(7)。
2.根据权利要求1所述的有载分接开关(1)，
其中，每个半导体开关元件(61、62、71、72)分别包括相互反向串联地接线的第一IGBT(11)和第二IGBT(12)，其中，第一IGBT(11)和第二IGBT(12)分别这样设有反向二极管(14)，使得所述反向二极管(14)的正极与所述第一IGBT(11)和所述第二IGBT(12)的发射极端(E)连接并且所述反向二极管(14)的负极与所述第一IGBT和所述第二IGBT的集电极端(C)连接，以及
其中，第一负载支路(6)和第二负载支路(7)的半导体开关元件(61、62、71、72)能选择性地切断。
3.根据权利要求1或2所述的有载分接开关(1)，
其中，所述有载分接开关(1)包括第一开关模块(51)、第二开关模块(52)和第三开关模块(53)并且每一个开关模块(51、52、53)的子绕组(8)相互具有不同的匝数比。
4.根据权利要求3所述的有载分接开关(1)，
其中，所述子绕组(8)的匝数比为9∶3∶1。
5.用于运行有载分接开关(1)的方法，
其特征在于如下步骤：
-确定开关模块(5)的子绕组(8)的要变换的设定，
-确定所述开关模块(5)的活动侧和非活动侧，
-确定电流(I)的方向和子绕组(8)上的电压(U)的取向，
-确定所述开关模块(5)的半导体开关元件(61、62、71、72)的开关状态。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中，在削减设定(20)中，将所述子绕组(8)的匝数从调节绕组(3)中减去，
其中，在增加设定(21)中，将所述子绕组(8)的匝数加到调节绕组(3)上，以及
其中，在额定设定(22)中，将所述子绕组(8)完全忽略。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的方法，
其中，在所述开关模块(5)的活动侧上操纵半导体开关元件(61、71)或半导体开关元件(62、72)，以及
其中，在所述开关模块(5)的非活动侧上，半导体开关元件(61、71)或半导体开关元件(62、72)保持在确定的开关状态中。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，
其中，第一半导体开关元件(61、71)或第二半导体开关元件(62、72)的与相应活动侧的交替引导电流的反向二极管(14)连接的IGBT(11、12)始终是截止的，
其中，活动侧的两个交替引导电流的IGBT(11、12)中的一个IGBT、更确切地说其集电极端(C)与子绕组(8)的负极(-)连接并且该IGBT的发射极端(E)与子绕组的正极(+)连接的那一个IGBT(11、12)始终是导通的，
其中，活动侧的两个交替引导电流的IGBT(11、12)中的一个IGBT、更确切地说其集电极端(C)与子绕组(8)的正极(+)连接并且发射极端(E)与子绕组的负极(-)连接的那一个IGBT切换运行，以及
其中，在非活动侧上，一个半导体开关元件(61、62、71、72)始终是截止的并且另一个半导体开关元件(61、62、71、72)始终是导通的。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，
其中，在所述电流(I)的方向和所述子绕组(8)上的正极(+)与负极(-)的取向改变的情况下确定：在活动侧上的所述半导体开关元件(61、62、71、72)的哪些IGBT(11、12)切换成切换运行的或导通的。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中，在所述电流(I)的方向和所述子绕组(8)上的正极(+)与负极(-)的取向改变的情况下确定：在非活动侧上的所述半导体开关元件(61、62、71、72)的哪些IGBT(11、12)切换成导通的或不导通的。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，在所述电流(I)的方向和所述子绕组(8)上的正极(+)与负极(-)的取向改变的情况下确定活动侧和非活动侧。
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