CN111181123B - 具有降低的击穿电压要求的断路器 - Google Patents

Abstract

一种具有降低的击穿电压要求的断路器(12)包括：输入端(17)，其将所述断路器(12)连接到电压源(1)；以及输出端(35)，其将所述断路器(12)连接到负载(9)。所述断路器(12)进一步包括连接到所述输入端(17)的开关电路(30)，和连接到所述开关电路(30)的分离开关单元。所述开关电路(30)包括变阻器装置(10)和可控开关组件(24)。所述变阻器装置(10)和所述可控开关组件(24)串联连接在所述开关电路(30)的第一电流路径(28)与第二电流路径(29)之间。

Description

具有降低的击穿电压要求的断路器

技术领域

本发明涉及具有降低的击穿电压要求的断路器，尤其用于断路器的开关电路的组件。

背景技术

为非线性电阻器的金属氧化物变阻器(MOV)可用于断路器中，例如混合断路器或固态断路器中，作为过电压保护装置。变阻器是在负载电流、故障电流和过电流中断期间最关键的组件。存储于线路中的能量和杂散电感被传递到变阻器。在加热时变阻器耗散将近其能量的99％并且增大其电压以阻止断路器中的电流。

变阻器的电流-电压(I-V)特性在断路器的开关电路中对具有适当击穿电压的适当半导体开关的尺寸设定和选择是重要的。即使在低电压下，如果能量高于变阻器的最大允许能量，那么(金属氧化物)变阻器可传导少量电流并面临热失控。为了避免漏电流在标称源电压下流动通过变阻器，应在最大环境(外壳)温度下选择具有适当钳位电压的(金属氧化物)变阻器。

由于(金属氧化物)变阻器的对数I-V特性，需要具有较大击穿电压的半导体开关。这会导致半导体开关的传导损耗、大小和成本的显著增加。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于半导体开关的具有降低的击穿电压要求的断路器。

断路器的实施例在权利要求1中予以规定。

断路器允许通过主动从保护点连接和断开连接较低的电压钳位MOV来降低击穿电压要求。

附图说明

下文参看图式借助于示范性实施例更详细地解释本文中所描述的断路器。在个别图中相同的元件以相同附图标记指示。根据以下结合附图作出的详细描述将更充分地理解本公开，在附图中：

图1示出根据US 2016/0203932A1的包括变阻器作为过压保护装置的混合断路器的常规实施例；

图2说明变阻器装置的I-V特性；

图3示出在预期短路电流中断期间混合断路器的电流和电压波形；

图4示出标准变阻器的电流-电压特性；

图5说明具有断路器的可控开关单元的可控开关的降低的击穿电压要求的断路器的第一实施例；

图6示出具有断路器的可控开关单元的可控开关的降低的击穿电压要求的断路器的第二实施例；

图7示出具有断路器的可控开关单元的可控开关的降低的击穿电压要求的断路器的第三实施例；

图8说明具有断路器的可控开关单元的背靠背连接的可控开关的降低的击穿电压要求的断路器的实施例；

图9示出配置为具有断路器的可控开关单元的可控开关的降低的击穿电压要求的固态断路器的断路器的实施例；且

图10说明具有可控开关单元的可控开关的降低的击穿电压要求的在背靠背拓扑中的固态断路器的实施例。

具体实施方式

图1示出体现为混合断路器的常规断路器12的实施例。电压源1经由电阻器2和电感器3施加到断路器12。在其它图中，电压源还标记为1，且电阻器标记为2，且电感器标记为3。此外，在所有图中，附图标记9表示耦合到断路器的负载，例如R-L-C负载。附图标记8在所有图中指示故障。

断路器12包括开关电路11。开关电路11包括可控开关单元14，所述可控开关单元包含可控开关15和可控开关16。可控开关15和16可分别配置为嵌入于二极管整流器桥接器中的IGBT(绝缘栅双极晶体管)，以便形成四象限的双向电力半导体开关。四象限开关与旁路开关5并联放置。旁路开关5串联连接到包括分离继电器6和7的分离开关单元4。变阻器装置10并联连接到开关电路11和旁路开关5。

变阻器(可变电阻器)基本上是电压依赖性电阻器，其具有对称V-I特性曲线，如图2中所示出。变阻器的电阻随着电压增大而减小。图1的断路器12的变阻器装置10可配置为金属氧化物变阻器(MOV)。金属氧化物变阻器是非线性电阻器，其在图1的混合断路器中用作过压保护装置。

图3示出在10kA预期短路电流的中断期间体现为如图1中所示出的混合断路器的断路器的电流和电压波形的图式。三个上部图式说明由电压源1生成的源电流、通过旁路开关5的电流I1，以及流动通过开关电路11的电流I2。下部图式示出旁路开关5/变阻器装置10的触点处的电压Vc/Vm和通过变阻器装置10的电流Im。

一旦在时间Td处检测到故障，便触发旁路开关5以断开其接触。由于机电延迟(Tv)，旁路开关5的机械接触开始在Tb处断开。在Tb处，在旁路开关5的第一接触移动的情况下，在触点之间产生电弧电压以迫使故障电流换向到开关电路11。接着，在Ts处，全部故障电流流动通过开关电路11。在To处，可控开关15和16被关断，因此使得电流换向到RCD(电阻器-电容器-二极管)缓冲器网络13和金属氧化物变阻器装置10。网络13用以响应于变阻器装置10而旁路延迟时间。在Te处，故障电流已几乎达到零电平，且分离开关6和7可以在未向触点施加电流和电压的情况下被断开。

变阻器装置10的电流-电压(I-V)特性对尺寸设定和选择具有适当击穿电压的适当可控开关/半导体开关15和16是重要的。图4说明在85°的最大温度下且在EPCOS的最小和最大公差下标准变阻器的电流-电压特性，所述变阻器例如S20K300E3K1。

参看图3，在此实例中，变阻器例如来自EPCOS的S20K300E3K1，其在85℃的外壳温度下具有AC 300Vrms和DC 385V耐受电压，在此情况下，漏电流在稳态中小于1mA。在实例中，使用的变阻器是金属氧化物变阻器。此电压电平在85°下适用于230Vrms和385V标称源电压电平。在状况下，当分离开关6和7，例如电流阻断继电器未断开时，平行于旁路开关5布置的变阻器装置10将连续或至少在分离继电器6和7断开(标准继电器在20毫秒到30毫秒之间断开)之前面临源电压。在1650A周围关断故障电流时，可控开关15和16上的电压峰值为1000V，持续例如几百微秒的短时间。也就是说，可控开关15和16，例如IGBT，在25℃结温度下应具有至少1200V击穿电压。

在推定分离开关/电流阻断继电器6和7将在全部断路器的关断操作期间始终关断的情况下，较低电压钳位变阻器可用以降低在可控开关15和16的关断期间的电压峰值并降低整流器桥接器中可控开关15和16以及二极管的击穿电压要求。如图4中所示出，来自EPCOS的变阻器装置S20K150300EK1可在85℃外壳温度下以AC 150Vrms和DC 200V操作，同时漏电流小于1mA。此变阻器将在关断1650A故障电流期间保持峰值电压低于600V DC。也就是说，600/650V IGBT可用作可控开关，而非1200V IGBT。在本申请中，用作整流器桥接器中的可控开关15和16以及二极管的600/650V IGBT将致使半导体作用区域缩小，成本降低以及接通状态丢失减少，这是因为漂移区随击穿电压的减小而缩小。

尽管如此，在350V DC下，将有约数十安培流动通过S20K150300EK1类型的变阻器。这意味着即使在低电压下，如果能量高于变阻器的最大允许能量，那么变阻器装置可传导少量电流并面临热失控。分离开关6和7，例如电流阻断继电器可作出反应并在电流下断开接触。由于电流阻断继电器与旁路中继5类似是非超快接触断开且具有20ms到30ms常规断开时间，因此耗散的故障能量和流动通过变阻器装置10的额外数安培可能导致装置的热失控。

此外，分离开关6和7将需要能够在10ADC电流下断开接触，由于旁路继电器的DC操作和无灭弧特性，这可能是不可能的或可能是困难的。在根据US 2016/0203932 A1的现有技术水平混合断路器中，旁路继电器被大小设定成在无电流下断开接触且仅提供电流阻断。

从US 2016/0203932 A1中还已知的事实是，在闭合电流阻断继电器时，即使旁路中继5和可控开关15、16处于断开位置，也将存在巨大涌入电流流动通过弹跳触点。这会在可能持续几毫秒的弹跳期间在反复电弧作用下导致触点损坏。

图5示出具有降低的击穿电压要求的断路器12的实施例，所述断路器包括，用以将断路器12连接到电压源1的输入端17，和用以将断路器12连接到负载的输出端35。在所说明的实施例中，由电阻、电感和电容组成的负载RLC受故障而短路。断路器12包括开关电路30，所述开关电路具有连接到断路器的输入端17的输入侧18且具有输出侧27。断路器12进一步包括分离开关单元4，所述分离开关单元连接到输出端35且连接到开关电路30的输出侧27。开关电路30包括第一电流路径28和第二电流路径29。第一电流路径28和第二电流路径29并联连接在开关电路的输入侧18与输出侧27之间。开关电路30包括变阻器装置10和可控开关组件24，所述变阻器装置和可控开关组件串联连接在第一电流路径28与第二电流路径29之间。

开关电路30包括可控开关单元14/DC链路，其布置在第一电流路径28与第二电流路径29之间，以使第一电流路径28和第二电流路径29短路。可控开关单元14包括连接到第一电流路径28和第二电流路径29的至少一个可控开关。确切地说，根据图5中所示出的断路器的实施例，可控开关单元14包括至少第一可控开关15或若干个可控开关。图5示出可控开关单元14的实施例，所述可控开关单元包括并联连接在第一电流路径28与第二电流路径29之间的第一可控开关15和第二可控开关16。至少一个可控开关15、16分别体现为绝缘栅双极晶体管(IGBT)或MOSFET或类似开关。

根据图5中所示出的断路器12的实施例，断路器包括第一二极管19、第二二极管20、第三二极管21和第四二极管22。第一二极管19连接到开关电路30的输入侧18和第一电流路径28。第二二极管20连接到开关电路30的输入侧18和第二电流路径29。第三二极管21连接到开关电路30的输出侧27和第一电流路径28。第四二极管22连接到开关电路30的输出侧27和第二电流路径29。

根据图5中所示出的实施例，断路器12包括(关断缓冲器)网络13，其包含第五二极管23、第一电阻器25和电容器26。第五二极管23连接到第一电流路径28。第一电阻器25和电容器26布置为并联连接，其连接于第五二极管23与第二电流路径29之间。

断路器12包括旁路开关5，所述旁路开关连接到输入端17和开关电路30的输出侧27。旁路开关5并联连接到开关电路30。

图5中所示出的断路器12通过引入可控开关组件24，具体地说单向半导体开关，解决了上文给出的问题，所述可控开关组件与集成到固态四象限双向电力电子开关的DC链路中的变阻器装置10串联。断路器12使得有可能利用具有较低击穿电压要求的可控开关15、16和二极管19、……、23。

如图5中所示出，可控开关组件24可配置为与变阻器装置10串联连接的半导体开关。可控开关组件24用以关断变阻器装置漏电流，以便在没有电流的情况下断开分离开关/电流阻断继电器6和7，以免变阻器装置过热且以便在没有电弧作用的情况下能够断开分离开关6和7。可控开关组件24可配置为MOSFET或IGBT或常规接通的JFET。可控开关组件24将仅在断路器的接通和关断操作期间接通。通过此实现，有可能使用具有600V的击穿电压的IGBT15和16代替使用具有1200V的击穿电压的IGBT 15和16。

图6示出具有可控开关单元14的可控开关15和16的降低的击穿电压要求的断路器12的另一实施例。除图5中所示出的断路器12的实施例之外，图6的断路器12还包括用以控制可控开关组件24的控制电路32。控制电路32包括齐纳二极管33和第二电阻器37。齐纳二极管33和第二电阻器37串联连接在第一电流路径28与第二电流路径29之间。可控开关组件24的控制连接34在齐纳二极管33与第二电阻器37之间连接到控制电路32的内部节点31。与第二电阻器37串联的齐纳二极管33用以接通和关断可控开关组件24，而无需额外栅极驱动器和电源。

图7示出断路器12的实施例，以免在正常接通期间由于图5的(缓冲器)网络13的电容器26的涌入电流而在分离开关6和7的弹跳期间生成电弧。网络13基本上用作过压保护，以保护可控开关单元14并响应于变阻器装置10而旁路延迟时间。网络13包含第五二极管23、第一电阻器25和电容器26。第五二极管23连接到第一电流路径28。第一电阻器25和电容器26配置为并联连接。第一电阻器25与电容器26的并联连接连接在第五二极管23与可控开关组件24之间。

此配置允许消除由于(缓冲器)电容器26而在分离开关6和7的弹跳期间产生的电弧。尽管如此，通过具有尽可能最短长度的变阻器装置10的引线进行的良好连接，可有可能从电路移除(缓冲器)网络13。这是因为变阻器装置10具有非常短的响应时间，例如数十ns。

宇宙射线对始终面对其源电压的断路器的开关电路30的影响可能是一个问题。然而，通过以断路器的关断操作来关断分离开关/电流阻断继电器6和7，分离开关6和7将不面临对其施加的连续源电压。例如在源电压和电流下的100,000次开关循环内，可控开关单元14将仅面临其完整使用寿命中的总共不到一小时。

图8示出具有例如IGBT的可控开关15和16的背靠背拓扑中的断路器的12的另一实施例，自由转动反并联二极管或MOSFET处于反串联位置中。

图5到8示出断路器12的分别实施为混合断路器的各种实施例。本发明可进一步用于固态断路器中，其中断路器面临高固态欧姆损耗，如图9和图10中所示出。用于固态断路器配置中的本发明使断路器的固态欧姆功率损耗降低一半。

根据图9中示出的固态断路器的实施例，移除图5到8的电路断路器的旁路开关5，以使得仅开关电路30连接于断路器的输入端17与分离开关单元4之间。

图10示出背靠背拓扑中的固态断路器的实施例。开关电路30包括第一分支和第二分支，所述第一分支具有在反串联位置中串联连接到变阻器装置V的可控开关组件15和16，所述第二分支包含可控开关24、36，例如MOSFET或IGBT。

总之，本发明的断路器基本上提供两个解决方案。首先，通过与嵌入于二极管整流器中的可控开关/IGBT中的变阻器装置10串联地利用可控开关组件24，有可能通过减小了一半的变阻器钳位电压来使可控开关/IGBT、二极管或MOSFET的击穿电压要求减小一半。

PN二极管及IGBT是少数载流子半导体开关(双极)，且其接通状态压降与击穿电压成正比。MOSFET和肖特基二极管是多数载流子半导体开关(单极)，且其接通状态压降与击穿电压的平方成正比。换句话说，还可通过显著地降低接通状态沟道电阻来使半导体开关的传导损耗减半。通过增大半导体开关的击穿电压要求，可实现具有更大电流密度的混合断路器。

其次，本发明的断路器还避免在弹跳下关闭分离开关6和7期间归因于网络13的(缓冲器)电容器26而发生电弧作用。

本文中所描述的本发明不受参考示例性实施例给出的描述限制。实际上，本发明涵盖任何新颖特征和特征的任何组合，具体地说包含权利要求书中的特征的任何组合，即使此特征或此组合自身未明确地指示于权利要求书或示范性实施例中。

Claims (12)

1.一种断路器，其包括：

输入端（17），其将所述断路器（12）连接到电压源（1），

输出端（35），其将所述断路器（12）连接到负载（9），

开关电路（30），其具有连接到所述输入端（17）的输入侧（18）且具有输出侧（27），

分离开关单元（4），其连接到所述输出端（35）且连接到所述开关电路（30）的所述输出侧（27），

其中所述开关电路（30）包括第一电流路径（28）和第二电流路径（29），所述第一电流路径（28）和所述第二电流路径（29）并联连接在所述输入侧（18）与所述输出侧（27）之间，

其中所述开关电路（30）包括变阻器装置（10）和可控开关组件（24），其中所述变阻器装置（10）和所述可控开关组件（24）串联连接在所述第一电流路径（28）与所述第二电流路径（29）之间，

其中所述可控开关组件（24）是单向半导体开关，其配置为关断变阻器装置漏电流，以便在没有电流的情况下断开所述分离开关单元（4）。

2.根据权利要求1所述的断路器，

其中所述开关电路（30）包括可控开关单元（14），所述可控开关单元（14）布置在所述第一电流路径（28）与所述第二电流路径（29）之间，以使所述第一电流路径（28）和所述第二电流路径（29）短路。

3.根据权利要求2所述的断路器，

其中所述可控开关单元（14）包括连接到所述第一电流路径（28）和所述第二电流路径（29）的至少一个可控开关（15）。

4.根据权利要求3所述的断路器，

其中所述可控开关单元（14）包括并联连接在所述第一电流路径（28）与所述第二电流路径（29）之间的第一可控开关（15）和第二可控开关（16）。

5.根据权利要求4所述的断路器，

其中所述至少一个可控开关（15）或所述第一可控开关（15）和所述第二可控开关（16）分别体现为绝缘栅双极晶体管。

6.根据权利要求1或2所述的断路器，其包括：

第一二极管（19）、第二二极管（20）、第三二极管（21）和第四二极管（22），

其中所述第一二极管（19）连接到所述开关电路（30）的所述输入侧（18）和所述第一电流路径（28），

其中所述第二二极管（20）连接到所述开关电路（30）的所述输入侧（18）和所述第二电流路径（29），

其中所述第三二极管（21）连接到所述开关电路（30）的所述输出侧（27）和所述第一电流路径（28），

其中所述第四二极管（22）连接到所述开关电路（30）的所述输出侧（27）和所述第二电流路径（29）。

7.根据权利要求6所述的断路器，其包括：

网络（13），其包含第五二极管（23）、第一电阻器（25）和电容器（26），

其中所述第五二极管（23）连接到所述第一电流路径（28），

其中所述第一电阻器（25）和所述电容器（26）配置为并联连接，

其中所述第一电阻器（25）与所述电容器（26）的所述并联连接连接于所述第五二极管（23）与所述第二电流路径（29）之间。

8.根据权利要求7所述的断路器，其包括：

控制电路（32），其用以控制所述可控开关组件（24），

其中所述控制电路（32）包括齐纳二极管（33）和第二电阻器（37），

其中所述齐纳二极管（33）和所述第二电阻器（37）串联连接在所述第一电流路径（28）与所述第二电流路径（29）之间，

其中所述可控开关组件（24）的控制连接（34）在所述齐纳二极管（33）与所述第二电阻器（37）之间连接到所述控制电路（32）的内部节点（31）。

9.根据权利要求6所述的断路器，其包括：

网络（13），其包含第五二极管（23）、第一电阻器（25）和电容器（26），

其中所述第五二极管（23）连接到所述第一电流路径（28），

其中所述第一电阻器（25）和所述电容器（26）配置为并联连接，

其中所述第一电阻器（25）与所述电容器（26）的所述并联连接连接于所述第五二极管（23）与所述可控开关组件（24）之间。

10.根据权利要求1或2所述的断路器，其包括：

旁路开关（5），其连接到所述输入端（17）和所述开关电路（30）的所述输出侧（27），

其中所述旁路开关（5）并联连接到所述开关电路（30）。

11.根据权利要求1或2所述的断路器，

其中所述断路器（12）体现为混合断路器。

12.根据权利要求1或2所述的断路器，

其中所述断路器（12）体现为固态断路器。

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