CN112970184A - 直流开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于耦合两个直流电网的直流开关，其中负载侧的直流电网尤其包括负载侧的电容，该直流开关包括‑一个或多个功率半导体，‑预载电阻，其用于在接通过程中限制电流，‑散热器，其用于对功率半导体和预载电阻进行散热，其特征在于，在散热器中，预载电阻在散热器内部被布置在散热器内的凹部中。

Description

直流开关

技术领域

本发明涉及一种借助直流开关耦合包括电源侧和负载侧的电容的两个直流电网的设备。

背景技术

直流电网，也被称为DC电网，通常包括大的电容，例如变流器的中间电路电容器。如果包括电源侧和负载侧的电容的两个直流电网相互连接，其中一个电容已经处于运行电压，而另一直流电网中的电容仍进行放电，当直接连接这两个直流电网时会出现非常高的均衡电流，该均衡电流可能会明显超过额定电流。

为了限制该电流的大小，通过适当的开关设备将包括电源侧和负载侧的电容的两个直流电网连接起来，如图1的电气等效电路图所示。这种开关设备还可以被称为直流开关或“直流断路器”。

图1示出了开关设备1的电气等效电路，开关设备通过电源侧的电感3与直流电压源2相连。与包括直流电压源2和电源侧的电感3的串联电路并联地设置有电源侧的电容7。在输出侧，开关设备1通过负载侧的电感5与负载侧的电容8连接。电源侧和负载侧的电感3、5不一定是通过开关设备1连接的两个直流电网的物理部件。电源侧和负载侧的电感3、5也可以是线路电感。电源侧和负载侧的电容器7、8例如是未示出的变流器的中间电路电容器。

在图1中所示的、已知的开关设备1的变型中，两个直流电压网之间的连接首先通过加载电阻20建立。加载电阻20与开关元件21串联连接，并用于限制电流I并且避免部件的损坏。只有当直流电网的两个线路之间的电压已经接近到可以低阻抗连接时，加载电阻20才会被主开关22桥接。该开关21也被称为预载开关。

已知的开关设备的缺点在于，预载电阻会产生大量的热量。然而，对于单个开关过程，热量是可预测的，因此可以与开关设备的其他部件，如功率半导体相匹配地布置预载电阻，以便不损害开关设备的其他部件。但是，由于外部情况，开关设备可能会连续多次断开和接通，也就是说，可能会连续多次出现大的平衡电流。在这种也可能是由于人为操作而发生的情况下，不再能够预测所产生的热量，并且不能够排除对预载电阻周围的开关设备元件的损坏。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是提供一种用于耦合两个直流电网的直流开关，该直流开关在结构和/或功能上得到改进。

上述技术问题通过具有权利要求1特征的设备来解决。

根据本发明，用于耦合两个直流电网的直流开关包括一个或多个功率半导体、用于在接通过程中限制电流的预载电阻和用于对功率半导体和预载电阻进行散热的散热器。在此，预载电阻在散热器内部被布置在散热器内的凹部中。

在此，散热器包括由位于内部的冷却片形成的冷却通道，这些冷却片在散热器的第一外表面与第二外表面之间延伸，其中一个或多个功率半导体布置在散热器的第三外表面上。最后，凹部从散热器的背向第三外表面的外表面延伸到散热器中。

特别地，直流电网包括负载侧的电容，但也可能包括电源侧的电容和甚至两侧的电感，例如线路电感。

对于本发明已经认识到，如果将预载电阻布置在对于设备本来就存在的散热器内时，则提供了预载电阻的最佳安置。在此，在散热器中设置了凹部，预载电阻被布置在凹部中。在此，凹部表示空腔，其中通常在其他情况下存在的冷却片或者冷却通道已经被移除或不存在。适宜地，该凹部通向散热器的表面。然而，凹部也可能仅位于散热器内。在此，例如通过用两个元件来组装散热器，使得预载电阻的装入是可能的。

由于在散热器中的布置，在预载电阻中产生的所有热量不会散发到周围的电子器件，例如功率半导体，而是直接散发到散热器中。由此，即使预载电阻产生大量的热量，也就是说，即使在多次接通的情况下，也始终存在良好的热量排出，并且在最大程度上降低了直流开关的其他元件受到不利影响的可能。

特别有利地，预载电阻仅用于预载，而不在正常运行中使用，因此，尽管一同使用了散热器的冷却功率，但冷却功率在正常运行中并没有降低。

由权利要求1的从属权利要求还给出了根据本发明的直流开关的有利的实施方式。在此，权利要求1的实施方式可以与从属权利要求之一的技术特征或优选与多个从属权利要求的技术特征相互组合。因此，还可以附加地为直流开关设置以下特征。

-以本身已知的方式，直流开关可以包括用于为散热器主动通风的风扇。通过强制的空气流动明显改善了从直流开关的热量排出。

-散热器包围预载电阻是有利的。换言之，该凹部被设计为，可以将预载电阻装入散热器，使得散热器的外部尺寸完全包围预载电阻。有利地，几乎所有的散热由此以辐射或加热空气的形式在所有方向上都直接传递至散热器并能够被排放。反之，其他组件，如直流开关的壳体仅受到预载电阻加热的轻微影响。

-凹部可以被设计为，使得预载电阻可以沿散热器中的空气流动的方向插入散热器。换言之，在管状的散热器中，凹部可以从管的一端延伸到管内。例如，如果预载电阻布置在电路板上，那么冷却片的一部分可以被设计为，使得这些冷却片用作电路板插入的导轨。

-直流开关可以包括一个或多个温度测量设备，其用于确定散热器的温度，其中该设备被设计为，在超过阈值温度时进行主动通风。换言之，当超过阈值温度时，风扇被接通。众所周知地，作为备选也可以连续地调节风扇转速或可以设置两种可能性的组合。有利地，由此也可以直接通过增强散热来抵消预载电阻的发热。

-直流开关的电气布线可以包括具有至少一个功率半导体的第一电流路径和与第一电流路径并联连接的第二电流路径，所述第二电流路径具有由预载开关和预载电阻组成的串联电路。特别地，第一电流路径可以包括以反串联的形式串联布置的功率半导体。在这种情况下，功率半导体适宜地分别带有反向二极管来运行，以便能够实现两个方向上的电流流动。作为备选，也可以使用反并联连接的反向截止的绝缘栅双极型晶体管、也称IGBT。在此，两个反向截止的IGBT被布置在并联电路中并且被取向为，使得可断开的第一半导体开关可以引导具有第一极性的电流，并且可断开的第二半导体开关可以引导具有相反极性的电流。除了反向截止的IGBT，还可以在反并联电路中布置其他任何反向截止的可断开的半导体开关。一个或多个功率半导体引起直流电网的真正的断开或连接，而预载电阻则为了接通过程而借助预载开关被接入。

在反并联的布置中有利的是，将反并联的二极管集成到晶体管的芯片中。这种开关也被称为反向导通的开关。此外，在金属半场效晶体管、也称MOSFET或结型场效应晶体管、也称JFET的情况下，所述通道可以在两个电流方向下运行(反并联布置)。

-直流开关可以包括用于过压保护的组件、特别是压敏电阻。用于过压保护的组件可以适宜地布置在第三电流路径中，该第三电流路径与第一和第二电流路径并联地连接。

-此外，散热器的冷却功率必须针对直流开关充足地设计。因此，散热器可以通过其相对于已知的直流开关增大的外部尺寸来补偿由于散热器中的凹部而导致的冷却功率降低。

-作为空气冷却的替换方案，直流开关还可以包括水冷却。

-优选地，功率半导体是Si-IGBT、SiC-MOSFET或GaN-FET。

所描述的开关设备尤其被设计用于电压在100V至1500V之间的直流电压网中。设置的额定电流位于8A至2000A的范围中。另外的实施方式规定，在此所描述的类型的直流开关被用作抗短路的断路器。

附图说明

参照附图，从下面对实施例的描述中获得另外的优点和特征。在图中，相同的附图标记表示相同的组件和功能。附图中：

图2示出了具有预载电阻的直流开关的电气等效电路，

图3以侧视图示出了具有预载电阻的直流开关的散热器的剖面图，

图4示出了散热器的正视图，

图5示出了具有预载电阻的散热器的立体图。

具体实施方式

图2示出了示例性的直流开关100的电气等效电路图，其被集成到周围的直流电网。朝向电源侧的输出端，直流开关100通过保险丝30与直流电网32连接。该直流电网32例如可以是工业直流电网，如工厂中的直流电网。直流电网32可以包括发电机、光伏设备、能量供应电网或储能器。保险丝30确保在大电流负荷情况下独立于直流开关100对用电器进行保护。在负载侧，直流开关100通过负载隔离开关31与具有电容部分的负载33连接，例如与具有中间电路电容器的变流器连接。直流开关100用于将电力负载33从直流电网32分离并断开电流。

直流开关100本身包括具有两个反串联连接的IGBT 24、25的第一电流路径。这意味着，流过第一IGBT 24的电流也流过与第二IGBT 25反并联的二极管。当极性颠倒时，即当电流方向反转时，电流流过第二IGBT 25，并流过与第一IGBT 24反并联的二极管。在此未示出替换方式的两个IGBT 24、25的反并联电路。在这种情况下可以省略二极管，但半导体开关必须是能够反向截止的。在正常运行中，在直流开关10的接通状态下使用第一电流路径，即在接通状态下，两个IGBT 24、25被切换为导通。如果直流开关100要执行直流连接的断开，则两个IGBT 24、25被断开。

与第一电流路径并联地存在第二电流路径，第二电流路径包括预载开关21与预载电阻20的串联电路。预载电阻仅用于接通过程，并且因此仅在直流开关100要接通中间电路时借助预载开关21连接预载电阻。当负载33中的电容上的电压已经在很大程度上与直流电网32的电压平衡时，即流动的平衡电流不再过高时，将IGBT 24、25接通。

与第一和第二电流路径并联地还存在第三电流路径，第三电流路径包括过电压限制器，在该示例中是压敏电阻28。未示出的电流测量设备用于测量通过直流开关100的电流，电流测量设备可以布置在直流开关100内部或直流开关100外部。未示出的控制设备用于控制IGBT 24、25，该控制设备与IGBT 24、25的控制连接端相连。

在图3至5中以侧视图、正视图和立体图示出了如何将预载电阻20集成到直流开关100中。直流开关100包括立方体形的散热器101，该散热器具有不同设计的多个冷却片102。散热器101包括两个独立的空气通道，其由两个风扇103主动通风。为此，风扇103布置在散热器101的端部。直流开关100的电子和电气结构，即特别是在相应的电路板上的IGBT 24、25，母线和其他电子组件，例如用于控制和用于显示元件的电子组件布置在散热器101的第一侧面上。

在两个冷却通道的一个中，在散热器101的长度的一部分上引入凹部105，在凹部105中部分地去除冷却片102。在该示例中，冷却片102已经借助铣削被去除。然而，也可以以其他方式实现相应的凹部105的制造。

预载电阻20布置在凹部105中，预载电阻就其本身而言被安装在承载电路板111上。在该示例中，冷却通道包括沿侧面延伸的冷却片，在凹部105的区域中还保有冷却片，并且所述冷却片被用作承载电路板111的插入导轨。由此，预载电阻20布置在散热器101的中间，并且在多个侧面被金属材料包围。因此，由预载电阻20发出的热量以辐射或加热空气的形式在很大程度上击中散热器101的材料并且能够有效地传播和输出。如果将直流开关的其他部件，例如IGBT 24、25布置在电子器件的区域中而不是散热器101内，就不会发生由预载电阻20引起的直流开关的其他部件、例如IGBT 24、25的直接加热或甚至过热。

特别有利的是，使用例如温度传感器的信号来调节风扇103。然后，由预载电阻20引起的热量输入或甚至在短时间内的多个这样的热量输入会导致风扇103的相应的反应，从而达到与开关过程相匹配的最佳的散热。有利地，由此不再需要过度设计的预载电阻20，过度设计的预载电阻在预载过程中仅被轻微加热，但是在短时间多次预载的过程中也会过热。

附图标记列表

1 开关设备

2 直流电压源

3 电源侧的电感

5 负载侧的电感

6 要断开的线路

7 电源侧的电容

8 负载侧的电容

20 预载电阻

21 预载开关

24，25 IGBT

28 压敏电阻

30 保险丝

31 负载隔离开关

32 直流电网

33 容性的负载

100 直流开关

101 散热器

102 冷却片

103 风扇

105 凹部

111 承载电路板

I 电流

Claims (14)

1.一种用于耦合两个直流电网(32)的直流开关(100)，其中负载侧的直流电网尤其包括负载侧的电容(33)，所述直流开关包括

-一个或多个功率半导体(24，25)，

-预载电阻(20)，所述预载电阻用于在接通过程中限制电流，

-散热器(101)，所述散热器用于对功率半导体(24，25)和所述预载电阻(20)进行散热，其中所述散热器(101)包括由位于内部的冷却片(102)形成的冷却通道，所述冷却通道在所述散热器(101)的第一外表面和第二外表面之间延伸，并且其中所述功率半导体(24，25)被布置在所述散热器(101)的第三外表面上，

其特征在于，预载电阻(20)在所述散热器(101)内部被布置在所述散热器(101)内的凹部(105)中，其中所述凹部(105)从所述散热器(101)的背向所述第三外表面的外表面延伸到所述散热器(101)中。

2.根据权利要求1所述的直流开关(100)，其中所述散热器(101)基本上是立方体形的。

3.根据权利要求1或2所述的直流开关(100)，其中所述凹部平行于所述散热器中的冷却通道延伸。

4.根据上述权利要求中任一项所述的直流开关(100)，所述直流开关具有一个或多个风扇(103)，所述风扇用于为所述散热器(103)主动通风。

5.根据上述权利要求中任一项所述的直流开关(100)，其中所述散热器(101)包围所述预载电阻(20)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的直流开关(100)，其中，所述凹部(105)被设计为，使得所述预载电阻(20)能够沿所述散热器(101)中的空气流动的方向插入所述散热器(101)。

7.根据权利要求6所述的直流开关(100)，其中所述预载电阻(20)被布置在承载电路板(111)上，并且所述冷却片(102)的一部分被设计为，使得所述冷却片用作所述承载电路板(111)插入的导轨。

8.根据上述权利要求中任一项所述的直流开关(100)，所述直流开关具有用于确定散热器温度的温度测量设备，其中所述直流开关(100)被设计为，用于在超过阈值温度时进行主动通风。

9.根据上述权利要求中任一项所述的直流开关(100)，其中电气布线包括具有至少一个功率半导体(24，25)的第一电流路径和与第一电流路径并联连接的第二电流路径，所述第二电流路径具有由所述预载开关(21)和所述预载电阻(20)组成的串联电路。

10.根据权利要求9所述的直流开关(100)，其中所述电气布线包括两个相反串联布置的功率半导体(24，25)。

11.根据权利要求9所述的直流开关(100)，其中所述电气布线包括两个反并联布置的反向截止的功率半导体、特别是反向截止的绝缘栅双极型晶体管。

12.根据上述权利要求中任一项所述的直流开关(100)，所述直流开关具有用于过压保护的组件、特别是压敏电阻(28)。

13.根据上述权利要求中任一项所述的直流开关(100)，所述直流开关具有电流测量设备和/或电压测量设备。

14.一种直流电压系统，包括

-至少一个具有直流电压的能量源，

-一个或多个电容性的用电器(33)，其具有直流电压连接端，

-一个或多个根据上述权利要求中任一项所述的直流开关(100)。

Images