CN107241919B - 用于供电线路的控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于供电线路的控制设备。本发明涉及一种旨在被定位在电力供应线路的两个部分(2a、2b)之间的控制设备。根据一般特征，该设备包括双极型晶体管(3)，该双极型晶体管包括宽带隙半导体材料，其中发射极(4b)连接到供电线路的一个部分(2b)，并且集电极(4a)连接到供电线路的另一部分(2a)，并且该设备还包括被连接到所述晶体管的基极(4c)的控制装置(6)。

Description

用于供电线路的控制设备
技术领域
本发明涉及电力供应的一般领域，更具体而言涉及连接在电力供应线路中的控制设备。
背景技术
为了控制在这样的线路中流动的电流，通常的做法是使用连接在电力供应线路中的设备。这样的设备还用来提供对诸如短路或闪电发生之类的某些事件的防护。
这样的设备可以是电子控制的，并且它们通常被本领域技术人员称作固态功率控制器(SSPC)。它们以类似于电子断路器的方式工作。
在这样的设备中可以观察到，电流被测得，并且根据该电流的测得的值作出关于如何控制绝缘栅双极型晶体管(IGBT)型或硅场效应晶体管(MOSFET)型上的金属氧化物的半导体组件(即，它要占用导通状态还是非导通状态)的决定。
某些应用涉及在电力供应线路上使用高压直流(HVDC)。在这样的情况下，目前的设备就其损耗度、其集成度以及其提供的保护水平而言并不令人满意。
本发明具体而言试图缓解这些弊端。
发明内容
本发明通过提出一种布置在电力供应线路的两个部分之间的控制设备来满足这一需求。
根据一般特征，该设备包括双极型晶体管，该双极型晶体管包括宽带隙半导体材料并且使其发射极连接到供电线路的一个部分，使其集电极连接到供电线路的另一部分，并且该设备还包括被连接到所述晶体管的基极并被配置成在开环中工作的控制装置。
已经观察到，使用包括宽带隙半导体材料的双极型晶体管使获得对流过晶体管的电流的精确限制成为可能。作为结果，在出现短路或闪电的情况下非常适合的可调限制被获得。该限制对于包括宽带隙半导体材料的晶体管的结构而言是固有的。
这与以同断路器类似的方式工作并且不用来限制在电力供应线路中流动的电流的现有技术解决方案非常不同。
可以观察到，与通常在两种状态(导通和非导通)之间工作的现有技术的设备相比，获得电流限制还使获得附加的保护成为可能。通过本发明，电流中的异常增加可通过晶体管中存在的固有限制来被处理。
这在航空器的应用中尤其有利，在航空器的应用中，考虑在诸如发生闪电等事件的情况下完全中断电流的流动并不总是可能的。
还可以观察到，当由供电线路供电的负载中出现短路时，温度升高。包括宽带隙半导体材料的晶体管随后对通过它们的电流施加限制，该限制随着温度升高而被加强。换言之，当温度升高时，通过这样的晶体管的电流减少，从而提供由使用宽带隙半导体材料而产生的附加的保护。
因此，与利用硅组件的现有技术的设备不同，在本发明中，通过使用宽带隙半导体材料来限制损耗。
术语“包括宽带隙半导体材料”应被理解为意指一种晶体管，其中该晶体管的基极的至少一个区域包括宽带隙半导体材料，发射极的至少一个区域包括宽带隙半导体材料，并且集电极的至少一个区域包括宽带隙半导体材料。作为示例，这样的晶体管可以在宽带隙半导体材料的晶片内制成。
不同于要求在供电线路上使用探针以用于测量其中流动的电流并接着允许该电流通过或者不通过的现有技术的解决方案，在本发明中，可以直接控制晶体管，使得其提供期望的电流，并且在不测量线路中流动的电流的情况下这么做。正是使用包括宽带隙半导体材料的双极型晶体管才使这成为可能，因为这样的晶体管明确地限制了它们传递的电流。
在特定实施例中，所述控制装置被配置成将电流递送到所述晶体管的基极，该电流的值被选择以将在供电线路部分中流动的电流限制到最大值。
在特定实施例中，控制装置包括开关，该开关被配置成将所述晶体管的基极连接到设备的输入，以用于接收第一晶体管控制电流，或者将所述晶体管的基极连接到设备的至少一个其他输入，以用于接收第二晶体管控制电流。因此，若干控制电流水平可根据期望的应用(例如，根据期望的限制水平)来被使用。
在特定实施例中，控制装置包括可调电压发生器和电阻器。
在特定实施例中，该设备还包括与电阻器和可调电压发生器串联连接的至少一个二极管。
二极管是受温度影响的电子组件，这使得调节流向晶体管基极的电流成为可能，并因此使得把在晶体管的控制上游的温度纳入考虑成为可能，从而使得当温度条件变化时电流的确是以预期的方式受限的。
在另一特定实施例中，电力供应线路是用于接收高压直流的。
在另一特定实施例中，宽带隙半导体材料选自由以下各项组成的组：碳化硅(SiC)；氮化镓(GaN)；和砷化镓(AsGa)。
本发明还提供了一种系统，该系统包括电源、负载和将所述电源连接到所述负载的至少一条供电线路，以及如上定义的连接在所述至少一条供电线路的两个部分之间的至少一个设备。
附图说明
本发明的其他特征和优点从参考附图给出的以下描述中显现，附图示出了不具有限制性特性的示例。
在附图中：
-图1是本发明的实施例中的系统的图示；
-图2是本发明的实施例中的设备的电路图；
-图3是本发明的另一实施例中的设备的电路图；
-图4和图5示出了本发明的实施例中的设备中的晶体管的电流-电压特性；以及
-图6示出了供电线路中的电流如何根据时间变化。
具体实施方式
接下来是对本发明的各实施例的描述，其中宽带隙半导体材料是碳化硅。虽然如此，其他材料也可被使用，具体而言有氮化镓或砷化镓。
图1是示出在高压直流(HVDC)系统1000中使用的控制设备100和100'的图示。更确切地说，控制设备100连接在呈现正电位的供电线路200中，并且设备100'连接在中性线路200'中。
线路200和200'通向产生高压DC的电源1100。该电源1100包括三相交流(AC)发生器1100和AC/DC转换器1120。
最后，供电线路200和200'是用于为待用高压DC供电的负载1200供电的。
图2示出了连接在同一供电线路(例如，用于接收高压DC的电力供应线路)的两个部分2a和2b之间的控制设备1。
供电线路的一部分2a可被连接到电压源，而供电线路的一部分2b可被连接到待供电的负载。
设备1用来限制可在供电线路中流动的电流。作为结果，设备1还用来提供对连接到供电线路的负载中出现的短路的防护或者实际上提供对闪电的防护。
设备1包括双极型晶体管3，该双极型晶体管3包括碳化硅。作为示例，这样的晶体管可以在碳化硅的晶片内制成，并且其发射极、其集电极及其基极可包括碳化硅。
作为指示，可以使用由美国供应商Fairchild Semiconductor根据参考文献FSICBH017A120出售的包括碳化硅的双极型晶体管。
晶体管3的集电极4a被连接到供电线路的一部分2a，而晶体管3的发射极4b被连接到供电线路的另一部分2b。晶体管3还呈现了反并联二极管5。晶体管正是在该配置中限制了流过它的电流，该电流是流过供电线路的电流。
为了控制晶体管3，晶体管的基极4c被连接到控制装置6。控制装置6将电流递送到晶体管3的基极4c，其电流直接与期望通过晶体管3的电流的值相关联。
在图1的示例中，控制装置6包括开关，其能够将晶体管3的基极4c连接到对应于处于导通状态的晶体管3的电流I1，或者将晶体管3的基极4c连接到对应于处于非导通状态的晶体管3的电流I2。电流I1根据通过晶体管3的最大电流来被选择。
控制装置6的开关接收将晶体管3的基极4c连接到分别接收电流I1和I2的输入中的一个或另一个的控制信号CMD。
可以观察到，控制装置6工作在不带反馈的开环中：为了调节在供电线路中流动的电流，不存在测量该电流的需求，因为晶体管提供了对电流的精确限制。事实上，也不必提供传感器。因此，限制是双极型晶体管固有的，并且足以借助晶体管的基极来调节它。
参考图3，接下来是对本发明的变体的描述，其中控制装置使用电压发生器。对图1和图2而言相类似的元件被给予相同的参考标记。
在图3中，控制设备1'具有控制装置6'。控制装置6'包括串联连接并从到部分2b的连接点起始的以下各项：可调电压发生器7、电阻器8，以及两个二极管9，后一个二极管的阴极被连接到晶体管3的基极。对带有电阻器的电压发生器的使用用来提供取决于电阻器的电阻和跨发生器的端子的电压的电流。
作为指示，可以使用线性调节器类型(例如，串联或并联线性调节器)的可调电压发生器。
还可以使用开关模式调节器，例如DC/DC调节器。由电压发生器7生成的电压可产生控制晶体管3的基极的电流。当温度变化时，二极管9补偿这样的温度变化，以便对在供电线路中流动的电流保持相同的限制。
图4示出了晶体管3(例如图1中的设备1的晶体管3)的电流-电压特性。在图3的示例中，晶体管3在25℃的温度下被使用。
在该附图中，晶体管的集电极和发射极之间的电压VCE沿着横轴绘制，并且通过晶体管的电流IC被绘制在纵轴上。
各条曲线根据通过晶体管的基极的电流IB来被绘制。
对包括碳化硅的双极型晶体管的使用使得即使在几十安培的高电流下也可以获得对电流IC的限制。因此，对其中电力供应线路是用于接收高压DC的应用而言，使用这样的晶体管是有利的。
如能在图5中看到的(图5对应于在150℃的温度下使用晶体管的情况)，对应于电流IB的值的电流IC与在25℃下工作相比减小。作为指示，针对电流IB的电流IC从50安培(A)变化到约33A。
可以观察到，取决于应用，该变化可以是可接受的，因为这意味着电流被限制为不超过50A，而不管温度条件如何。这使得减少与短路及闪电相关联的风险成为可能。
替代地，可以通过使用二极管来补偿温度变化，如图3的示例所示。
还可以观察到，伴随温度升高的电流下降提供了附加的保护。具体而言，当出现短路时，温度升高，而本发明的设备固有地降低了通过它的电流。
图6示出了当电流增加(例如由于短路)时供电线路中的电流流动是如何随时间变化的。
本示例中电流的标称值由给出10A的值的连续直线表示。
在现有技术的解决方案表现得像电子断路器的情况下，在采取行动(例如通过控制开关)以促使电流下降之前，电流达到约100A的值。
由于包括宽带隙半导体材料的双极型晶体管的结构，本发明使得在任何时候防止电流超过20A成为可能。

Claims (8)

1.一种被布置在供电线路的供电部和负载部之间的控制设备，所述设备的特征在于，所述设备包括双极型晶体管，所述双极型晶体管包括宽带隙半导体材料并且使其发射极连接到所述供电线路的负载部，使其集电极连接到所述供电线路的供电部，并且所述设备还包括被连接到所述晶体管的基极并被配置成无需测量在所述供电线路中流动的电流而在不带反馈的开环中操作的控制装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述控制装置被配置成将控制电流递送到所述晶体管的基极，所述控制电流的值被选择以将在所述供电线路中流动的电流限制到最大值。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，其中所述控制装置包括开关，所述开关被配置成将所述晶体管的基极连接到所述设备的一个输入，以用于接收第一晶体管控制电流，或者将所述晶体管的基极连接到所述设备的至少另一个输入，以用于接收第二晶体管控制电流。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，其中所述控制装置包括可调电压发生器和电阻器。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括与所述电阻器和所述可调电压发生器串联连接的至少一个二极管。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述供电线路是用于接收高压直流的。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述宽带隙半导体材料选自由以下各项组成的组：碳化硅；氮化镓；以及砷化镓。
8.一种供电系统，所述系统包括电源、负载和将所述电源连接到所述负载的至少一条供电线路，以及至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的设备，所述设备连接在所述至少一条供电线路的供电部和负载部之间。
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