CN113396539A - 安全电开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于断开第一接口与第二接口(11、12)之间的电流的电开关(1)，其具有第三接口(13)、半导体开关(2)，保险器(3)、短路器(4)，其中在第一接口(11)与第二接口(12)之间设有由保险器(3)和半导体开关(2)构成的串联电路，并且在第一接口(11)与第三接口(13)之间设有由保险器(3)和短路器(4)构成的串联电路，其中保险器(3)具有触发阈值，触发阈值具有电流边界值，其中电流边界值具有在半导体开关(2)的持久允许的电流与半导体开关(2)的最大允许的电流之间的值。本发明还涉及具有至少一个这种电开关(1)和能量源(7)的电网(10)，其中能量源(7)与电开关(1)的第一接口(11)和第三接口(13)连接。本发明还涉及用于运行这种电开关(1)或这种电网(10)的方法，其中当半导体开关(2)过载时至少暂时地闭合短路器(4)。

Description

安全电开关
技术领域
本发明涉及一种用于利用半导体开关断开第一接口与第二接口之间的电流的电开关。本发明还涉及一种具有至少一个这种电开关和能量源的电网。本发明还涉及一种用于运行这种电开关或这种电网的方法。
背景技术
将也被称为电开关设备或基于半导体的开关设备的电开关理解为如下部件，该部件具有至少一个半导体开关并且可以开关、尤其关断电流。半导体开关的示例是晶体管，例如IGBT、MOSFET、IGCT等。
实际上，基于半导体的开关设备配有串联连接的常规的保险器，以便在半导体开关故障时还可以实施安全水平恢复。保险器的构造和规格设计成使其在有经过半导体开关的短路电流和半导体开关的关断故障的情况下触发。保险器的任务是：保护与其线路连接的负载或连接的子网等等。
将串联电路理解为器件的串联设置，其中，各个器件处的电压相加。因此，星形电路具有多个(至少三个)串联电路。
发明内容
本发明所基于的目的是：改进电开关。
该目的通过一种用于断开第一接口与第二接口之间的电流的电开关来实现，其具有第三接口、半导体开关、保险器和短路器，其中，在第一接口与第二接口之间设有由保险器和半导体开关构成的串联电路，并且在第一接口与第三接口之间设有由保险器和短路器构成的串联电路，其中，保险器具有触发阈值，该触发阈值具有电流边界值，其中，电流边界值具有在半导体开关的持久允许的电流与半导体开关的最大允许的电流之间的值。此外，该目的通过一种具有至少一个这种电开关和能量源的电网来实现，其中，能量源与电开关的第一接口和第三接口连接。此外，该目的通过一种用于运行这种电开关或这种电网的方法来实现，其中，当半导体开关过载时至少暂时地闭合短路器。
本发明的另外的有利设计方案在从属权利要求中给出。
本发明基于以下认识：通过由保险器与短路器构成的串联电路可以产生短路电流，该短路电流引起保险器响应，从而保护半导体开关和与电开关连接的一个负载或多个负载免于过载。在此，能量源、例如馈电的直流总线与电开关的第一接口和第三接口连接，并且负载或具有不同负载的子网与第二接口和第三接口连接。保险器的响应也被称为保险器的触发。
如果半导体开关遭受过载，则半导体开关会尽可能快速断电。这通过如下方式实现：将短路器置于导通状态并经由保险器从所连接的能量源驱控短路电流。结果是，保险器触发并且半导体开关断电。由此也中断电能到与电开关连接的负载的传输，并且保护负载免于过载。代替多个负载，也可以仅将一个负载、用电器或子网与电开关连接。
半导体开关过载时的危险还在于：其不再能断开或者在断开时损坏。通过触发保险器可以避免该危险，即避免开关失效以及关断过程中的损坏，因为关断了经过保险器的电流。在复位或更换保险器后，电开关可再次使用。此外，保险器同样保护与其连接的负载和线路免于过载。
可以借助于标准识别过载或所面临的过载。例如，可以根据经过半导体开关的电流值或通过评估电流值来求出过载。在此，例如也可行的是：根据半导体开关的半导体的温度、尤其截至层温度来识别过载或所面临的过载。也可以将电流值用于尤其根据温度模型的温度确定。
通过所描述的方法可靠地保护半导体开关免于破坏或损坏，使得在更换或重置保险器之后，并且必要时在消除引起过电流的故障之后，可以在没有更换昂贵的半导体开关的情况下继续运行。
因此可以多重避免半导体开关的损坏或破坏，由此实现显著的成本节约。此外，保险器还有用于保险器的第二触发选项，从而存在对半导体开关的冗余，该冗余确保安全关断。
电开关的另外的优点是：即使在半导体开关中出现故障的情况下，电开关也可以实现电开关的安全断开。然后，通过闭合短路器和随后的触发、即断开保险器可以将用电器、负载或所连接的子网与能量源断开，该子网与电开关的第二接口连接，该能量源与第一接口连接。
如果短路器中的开关可以截止不同极性的电压并可以引导不同极性的电流，这通过使用两个反串联或反并联相连的半导体能够以简单的方式实现，则可以将该开关作为交流电压开关用于交流电压应用或也作为直流电压开关用于具有两个极性的直流电压应用。
因此，只要短路器可以禁止不同极性的电压并引导不同极性的电流，电开关可以用于针对不同极性的用作交流开关和直流开关的应用。
已证明特别有利的是：保险器具有触发阈值，该触发阈值具有电流值，该电流值处于半导体开关的持久允许的电流值与半导体开关的最大允许的值之间。通过这种触发值，保险器可以可靠地且彼此独立地执行多个保险功能。一方面，仅通过保险器已经避免不允许高的电流，因为这种电流会触发保险器。此外，具有这种装置的半导体开关可以同时短暂地过载，因为触发阈值设置得足够高，即高于半导体的持久允许的电流值。在此，半导体的负载可以借助于控制/调节或保护设备进行监控。在监控响应时，可以断开半导体开关。短路器仅在过载的情况下才被使用，在这种情况下半导体开关会因断开而损坏。短路器通过保险器驱动这样高的电流进而触发保险器，其中，该电流高于半导体开关的最大允许的电流值。
因此，该触发阈值的特别的优点是：保险器的过电流保护功能与控制短路器进而能经由保险器保护性干预的调节协同配合。
在此，电网的能量源尤其在其短路功率方面应该是高性能的，使得可以产生大于半导体开关的最大允许电流的电流。
在本发明的一个有利的设计方案中，在第二接口与第三接口之间设有另外的短路器。如果负载具有反馈能量或具有能量存储装置，也可以引起从一个或多个负载朝电开关的方向的电流。然后，通过导通的短路器形成从该一个或多个负载经由半导体开关经过短路器的电流。另外的短路器用于：排除来自负载侧的通过半导体开关的电流。在此，当短路器闭合或是闭合的时，另外的短路器至少暂时闭合。另外的短路器的闭合因此可以与短路器的闭合同时或以时间偏移的方式实施，以便可以安全地排除从能量源经过半导体开关和另外的短路器的电流。
因此，为了保护半导体开关而证实为有利的是：只要所连接的负载允许这种短路，就闭合另外的短路器，以避免或甚至完全排除经过半导体开关的电流。
在本发明的另一个有利的设计方案中，短路器设计为晶闸管。晶闸管可以在市场上以低成本获得，并且同时具有非常高的短期过载能力。晶闸管是重要的，以便可以短暂地引导大的短路电流，而短路器、在该情况下的晶闸管没有损坏。晶闸管无法关断电流的缺点无足轻重，因为关断通过保险器实施，使得在短时间之后经过晶闸管的电流停止。
如果短路器通过反并联的晶闸管对形成为开关，则这种开关可用作交流电压开关和/或具有两个极性的直流电压开关。
除了晶闸管之外，还可以使用其他可开关的半导体元件，只要半导体元件可以承载大短路电流并且在此将其之上的电压保持得足够小即可。
在本发明的另一个有利的设计方案中，在半导体开关与第二接口之间设有另外的保险器，使得在第二接口与第三接口之间设有由另外的短路器和另外的保险器构成的串联电路。借助这种设计方案可以将两个子网彼此连接。在开关过载的情况下，短路器和另外的短路器可以同时闭合，从而触发保险器和另外的保险器，并且中断两个子网之间的能量交换。借助短路器和另外的短路器的同时闭合，半导体开关不承受任何短路电流，进而不再负载，而是快速转换至无电压和无电流的状态。
此外，在该设计方案中，电开关对称地构造，使得电开关在多方面适合于所有应用、尤其子网和用电器的任意组合，并且不需要特别的适配。此外，由于有两个保险器而存在冗余，该冗余使电开关特别安全。
在本发明的另一个有利的设计方案中，当短路器闭合时，并且当经过半导体开关的电流超过可预设的边界值时或当经过半导体开关的电流的量值超过预设的边界值时，闭合另外的短路器。因为闭合另外的短路器完全可以表示对于所连接的负载的加载，所以证实为有利的是：当实际上通过负载反馈得到对于半导体开关的加载时，才闭合另外的短路器。在此，有利地根据经过半导体开关的电流来实施触发。如果该所测量的电流值或所测量的电流值的量值或所测量的电流值的有效值超过可预设的边界值，则只要短路器还已经闭合就闭合另外的短路器。
附图说明
在下文中，根据附图中所示的实施例更详细地描述并阐述本发明。附图示出：
图1和图2示出电设备的实施例，
图3示出短路器的实施例，
图4示出电网，并且
图5和图6示出半导体开关的变量的时间变化曲线。
具体实施方式
图1示出了电开关1。电开关1具有第一接口11、第二接口12和第三接口13。由保险器3和半导体开关2构成的串联电路设置在第一接口11和第二接口12之间。半导体开关2具有两个半导体，半导体可以分别关断不同极性的电流。电开关1因此可以与极性无关地开关，尤其关断经过半导体开关2的电流iHL。由保险器3和短路器4构成的串联电路设置在第一接口11和第三接口13之间。在此，保险器3、半导体开关2和短路器4各部件形成星形电路。在星形电路中，这三个部件在星形点相互连接，并且还分别与电开关1的接口连接。第一接口11和第三接口13设置用于与在此未示出的能量源7或与馈送能量的DC(直流)总线连接。第二接口12或第二接口12与第三接口13之间的电压设置用于与负载或用电器连接。同样可行的是：接口与子网连接，子网具有多个负载或用电器。
图2示出电开关1的另一个实施例。为了避免重复，参考图1的描述以及在那里引入的附图标记。电开关1具有另外的短路器41，另外的短路器设置在电开关1的第二接口12与第三接口13之间。由此，另外的短路器41与由半导体开关2和短路器4构成的串联电路并联设置。为了与电源、尤其与在此未示出的能量源7和负载简单连接，电开关1具有电源侧的接口、即第一接口11和第三接口13以及负载侧的接口、即第二接口12和另外的接口14。因为另外的接口14与第三接口13的电势固定地耦联，所以另外的接口14也可以被称为第三接口13。同样在电开关之外也存在用于与用电器或负载连接的另外的接口14。仅可设置到第三接口13的电连接。
此外，电开关可选地在半导体开关2与第二接口12之间具有另外的保险器31。借助该保险器，通过如下方式将第一接口11和第二接口12与半导体开关2安全地电断开，即在半导体开关过载的情况下可以同时闭合短路器4和另外的短路器41。
短路器4和另外的短路器41在该实施例中分别为晶闸管。如果可以假设第一接口11或第二接口12的电位总是大于或等于第三接口13的电位，则单个晶闸管就足够了。相反，如果第三接口也可以具有比第一接口11或第二接口12更高的电位，则有利地分别使用两个彼此反并联设置的晶闸管。图3示出这种设置。具有根据图3的短路器4和/或另外的短路器41的电开关1实现在DC网络中的使用，其中，直流电压的极性可以改变，并且实现在交流电压网络中的使用。
图4示出具有能量源7和电开关1的电网10。在此，电开关1具有上述接口11、12、13。另外的接口14在此设置在电开关1的外部并且与电开关1的第三接口13连接。第二接口12和另外的接口14形成用于与一个或多个用电器或负载或子网连接的负载侧的接口。
图5示出半导体开关2的温度T的时间变化曲线。例如，该温度可以是半导体的截至层温度，截至层温度借助于计算模型从测量变量、例如温度值和/或电流确定。借助温度、尤其是截至层温度可以形成标准，借助该标准可以识别半导体开关2的过载或所面临的过载。
在该示例中，温度T波动，例如根据运行状态和/或半导体开关2上的负载波动。如果温度T例如在时间点toff,1达到可预设的边界值TMax，则短路器4闭合，以便产生经过保险器3的短路电流，并且使保险器3触发。在触发时，保险器3进入断开状态。在保险器3被触发后，由于不再存在由电流引起的加载，温度T下降。
图6示出经过半导体开关2的电流iHL的量值的时间变化曲线。通过触发短路器4，负载的反馈的电流也可以流过半导体开关2和短路器4。由于短路，电流iHL的量值上升。在电流达到边界值IG时，在时间点toff,2，另外的短路器41闭合，并且反馈的电流不再流过半导体开关2，而是流过另外的短路器41。
综上所述，本发明涉及一种电开关，其具有第一接口、第二接口和第三接口、半导体开关、保险器、短路器，其中，保险器和半导体开关所构成的串联电路设置在第一接口和第二接口之间，并且保险器和短路器所构成的串联电路设置在第一接口和第三接口之间。换言之，本发明涉及一种用于断开第一接口与第二接口之间的电流的电开关，其具有第三接口、半导体开关、保险器、短路器，其中，由保险器和半导体开关构成的串联电路设置在第一接口和第二接口之间，并且由保险器和短路器构成的串联电路设置在第一接口和第三接口之间，其中，保险器具有触发阈值，触发阈值具有电流边界值，其中，电流边界值具有在半导体开关的持久允许的电流与半导体开关的最大允许的电流之间的值。本发明还涉及一种具有至少一个这种电开关和能量源的电网，其中，能量源与电开关的第一接口和第三接口连接。本发明还涉及一种用于运行这种电开关或这种电网的方法，其中，在半导体开关过载时至少暂时地闭合短路器。

Claims (9)

1.一种电开关(1)，用于断开第一接口与第二接口(11、12)之间的电流，所述电开关具有：
-第三接口(13)，
-半导体开关(2)，
-保险器(3)，和
-短路器(4)，
其中，在所述第一接口(11)与所述第二接口(12)之间设有由所述保险器(3)和所述半导体开关(2)构成的串联电路，并且在所述第一接口(11)与所述第三接口(13)之间设有由所述保险器(3)和所述短路器(4)构成的串联电路。
2.根据权利要求1所述的电开关(1)，其中，在所述第二接口(12)与所述第三接口(13)之间设有另外的短路器(41)。
3.根据权利要求1或2所述的电开关(1)，其中，短路器(4、41)设计为晶闸管。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电开关(1)，其中，在所述半导体开关(2)与所述第二接口(12)之间设有另外的保险器(31)，使得在所述第二接口(12)与所述第三接口(13)之间设有由另外的短路器(41)和所述另外的保险器(31)构成的串联电路。
5.一种电网(10)，具有至少一个根据权利要求1至4中任一项所述的电开关(1)和能量源(7)，其中，所述能量源(7)与所述电开关(1)的所述第一接口(11)和所述第三接口(13)连接。
6.一种用于运行根据权利要求1至4中任一项所述的电开关(1)或根据权利要求5所述的电网(10)的方法，其中，当所述半导体开关(2)过载时至少暂时地闭合所述短路器(4)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述电开关(1)具有根据权利要求2所述的另外的短路器(41)，其中，当所述短路器(4)闭合或者是闭合的时，至少暂时地闭合所述另外的短路器(41)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述短路器(4)是闭合的时，并且当经过所述半导体开关(2)的电流(iHL)超过预设的边界值(IG)时或者当经过所述半导体开关(2)的电流(iHL)的量值超过预设的边界值(IG)时，闭合所述另外的短路器(41)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述另外的短路器(41)与所述短路器(4)同时闭合。
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