CN113424446A - 用于电子开关的开关模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电子开关(10)的开关模块(1)。为了改进开关模块而提出，开关模块具有带驱控电路(5)的半导体开关(2)、电流传感器(3)和用于与另外的开关模块(1)连接的数据接口(4)，其中开关模块(1)被设置成，根据通过数据接口交换的数据和/或根据电流传感器(3)的测量值借助于驱控电路(5)改变半导体开关(2)的导通电阻。本发明还涉及具有至少两个这种开关模块(1)的电子开关(10)，其中开关模块(1)并联布置，使得半导体开关(2)电并联布置，并且使得经过电子开关(10)的电流(i)分配到开关模块(1)的半导体开关(2)上，其中相应的开关模块(1)的数据接口(4)相互连接，其中电子开关(10)被设置成，借助于驱控电路(5)通过改变半导体开关(2)的相应的导通电阻来开环控制和/或闭环调节经过电子开关(10)的电流(i)到半导体开关(2)的分配。本发明还涉及用于运行这种电子开关(10)的方法。

Description

用于电子开关的开关模块

技术领域

本发明涉及用于电子开关的开关模块和电子开关。本发明还涉及用于运行这种电子开关的方法。

背景技术

开关也被称为开关设备。用于大电流的开关、尤其是机械开关在制造时更加复杂，尤其在涉及直流电压开关时。由于部件数量较少(其随着要切换的电流水平而减少)，用于大电流的开关因此与较小的设计方案相比相应地更加昂贵。在此，开关主要针对要切换的负载进行设计。

除了机械开关之外，电子开关也是已知的。电子开关具有传导或中断通过电子开关的电流的半导体开关。这些电子开关能够快速切换。

大电流可以通过机械开关的并联来控制，例如通过符合运行的接触器。然而，如果没有另外的措施，这种并行操作现在是不可行的。附加的保护继电器(测量设备和监控)因此用于保护功能，其因此控制开关设备。当机械开关并联时，必须考虑因电流分配中的可能的不对称而产生的冲击(10％至30％)。由于冲击很大，两个机械开关的并联连接不再有用。此外，必须使用复杂的结构来互连电流路径，因为小型开关器件无法匹配总电流所需的横截面。单个导体引线也必须非常对称，以使电流均匀分配。同时，必须满足对同步切换的高要求，以在切换操作时不会导致并联的开关之一过载。

半导体具有导通电阻。该电阻是半导体开关端子之间的电阻。如果电流经过半导体，则由于导通电阻等原因，开关端子两端会出现电压降。同时，由于导通电阻，半导体中出现取决于电流的损耗。

电子开关的任务是通过一个或多个半导体开关将至少两个现有端子彼此电隔离以防止电流流动，或将它们彼此电连接以允许电流流动。WO2019/011642A1中给出了这种电子开关的实施例。电子开关不应与变流器的开关元件混淆。半导体在那里也用作开关元件，它们需要产生可预定的电压。然而，变流器的这种开关元件不能容易地用作电子开关。

开关的性能是通过开关可以切换何种电流来衡量的。可切换的电流越大，则开关的性能越好。也就是说开关的切换功率更大。

开关、尤其是电子开关具有建立或中断导电连接的任务。在此，在也被称为接通状态或导通状态的通状态中创建导通连接，而在也被称为关断状态或非导通状态的断状态中，开关的输入和输出端子彼此电隔离。在机械开关中通过移动电流引导元件并且在电子开关中通过控制一个或多个半导体实现在通状态和断状态之间的切换。

发明内容

本发明的目的在于改进电子开关。

该目的通过一种用于电子开关的开关模块来实现，其具有带驱控电路的半导体开关、电流传感器和用于与另外的开关模块连接的数据接口，其中，根据通过数据接口交换的数据和/或根据电流传感器的测量值，能够借助于驱控电路改变半导体开关的导通电阻。此外，该目的通过具有至少两个这种开关模块的电子开关来实现，其中，开关模块并联布置，使得半导体开关电并联地布置，并且使得经过电子开关的电流分配到开关模块的半导体开关上，其中，相应的开关模块的数据接口相互连接，其中，借助于驱控电路通过改变半导体开关的相应的导通电阻能够影响、尤其开环控制和/或闭环调节经过电子开关的电流到半导体开关的分配。该目的还通过用于运行这种电子开关的方法来实现，其中，根据通过数据接口交换的数据和/或根据电流传感器的测量值来开环控制或闭环调节半导体开关的导通电阻，使得通过电子开关的电流分配到半导体开关上，以使相应的半导体开关以最大程度输送相应允许的电流。

本发明的另外的有利设计方案在从属权利要求中给出。

本发明基于如下认识，即如果电子开关模块化地构建，则可以特别便宜地制造电子开关。在模块化结构中，电子开关由开关模块并联组成，其中，每个开关模块具有半导体开关。通过电子开关的电流在并联的半导体开关之间分配。

半导体开关可以具有一个或多个半导体。相应的半导体又具有开关元件，并且根据半导体设计成反向导通或者阻断的，可选地具有与开关元件反向并联布置的二极管。

在此特别有利的是，在开关模块的接通状态中，根据通过数据接口交换的数据和/或根据电流传感器的测量值，借助于驱控电路改变半导体开关的导通电阻，因为尤其在具有多个并联开关模块的电子开关中会导致不均匀的电流分配。

在此，导通电阻的变化能取决于通过接口交换的数据。例如，上级的调节装置可以将关于要设置的导通电阻的水平的数据传输到各个开关模块。可替换地，导通电阻也可以根据电流测量值进行变化。例如，存储的特性曲线可以根据通过开关模块的电流来确定要设置的导通电阻的水平。这还可以实现通过电子开关到开关模块的电流的良好且均匀的分配。此外，根据通过数据接口交换的数据并且根据电流测量值来进行变化也是可行的和有利的。例如，另外的开关模块的电流测量值可以作为数值通过数据接口传输。如果并联开关模块的电流值和通过本开关模块的电流值都是已知的，则能以特别简单的方式实现具有低导通电阻的可预设的电流分配。尤其能够以特别简单的方式将通过电子开关的电流均匀地分配到并联的开关模块，因为调节参数以及调节偏差对于每个开关模块都是已知的。

相同的部件、如相同类型的开关模块或开关模块中相同类型的组件、如数据接口或驱控电路的数量很多，并且因此允许以简单的方式制造具有不同性能的电子开关。为此，多个不同的开关模块并联连接。通过模块化构建的电子开关、特别是具有大开关电流的电子开关能被低成本地实现。

开关模块的并联连接以及半导体开关的并联连接尤其通过开关模块的数据接口实现。并联布置的开关模块通过该数据接口交换有关其模块状态的信息。例如，这可以是关于测量到的电流的信息、关于超过极限值的信息、特别是超过半导体开关允许的电流的信息、关于半导体开关上的负载或关于半导体开关的损耗功率的信息。该信息用于影响通过电子开关到并联布置的半导体开关的电流分配。为此，除了来自并联布置的开关模块的一个或多个信息之外，还可以使用其自身的开关模块的测量电流值。电子开关的电流分配由相应的开关模块的驱控电路实现，该驱控电路改变相应的半导体开关的导通电阻，从而也影响相应的开关模块的电流分配。电流到相应的开关模块的分配因此可以由驱控电路开环控制或闭环调节。

可以使用不同的标准来分配电流。通过调节或控制确保以这种方式实现分配，使得并联布置的半导体开关中没有一个被加载不允许的大电流。换句话说，以这种方式调节或控制分配，使得通过半导体开关的电流以最大程度采用用于该半导体开关的最大允许值并且该半导体开关不过载。该电流可以预设，例如从半导体开关的数据表中预设，或者借助于模型连续计算，其中例如包括半导体开关的功率损耗或温度。此外，已证明有利的是，在并联的半导体开关之间平均分配电流。当开关模块具有相同的结构时，这是特别有利的。均匀分配也对应于开关模块上的均匀负载。使用电流传感器可以轻松实现相应的调节。可替换地，电流被如下地分配，即在单个开关模块中的功率损耗是相同的。这意味着产生的热量均匀分配在开关模块上，并且可以容易地散发到环境中。可能会导致单个开关模块损坏或缩短使用寿命的逐点受热的风险可以通过均匀的功率损耗避免。

由于并联布置的各个半导体开关的差异和线路电阻的差异，例如由于布线的不对称结构导致的偏差可以通过控制各个半导体开关的传输行为来调节。通过适当的调节或控制然后导致电流在各个开关模块的预期的分配。这意味着在电流分配中不存在不对称性，从而在确定电子开关的开关模块的并联连接的尺寸时不必进行任何扣减。通过测量电流以及对传输行为的调节或控制的干预，可以并联连接具有大量开关模块的不同设计方案。由此能够以简单的方式通过开关模块的并联连接制造具有几乎任何开关电流的模块化电子开关。为了覆盖大范围的开关电流，只需要一个或至少几个不同功率的半导体开关的开关模块。

在存在故障时，并联布置的半导体开关可以通过驱控电路同步关断，以防止一个或多个开关模块过载。在开关的导通状态和关断状态之间提供第三状态能是有利的，其中开关在导通状态和关断状态之间以及在关断状态和导通状态之间变换时短暂地、即在最高至1ms的时间范围内在线性范围中运行。由此，通过各个开关模块的分配的电流能受控地减少或增加。因此可靠地避免了由于并联布置的各个半导体开关的时移切换而改变的电流分配引起的过载。1μs到10μs的时间段已被证明是特别有利的，以避免并联布置的各个半导体开关过载，同时使线性范围内的有损运行尽可能短。

与机电开关设备的并联连接相比，基于并联布置的开关模块的电子开关能够通过持续影响各个半导体开关的传输行为来实现所有并联开关模块的有利应用和甚至最大应用。这在具有保护功能的使用中首次成为可能。因为单个开关模块的性能由于可控制或可调节地将电流分配到各个开关模块而被很好地应用，因此可以特别便宜地制造具有大开关电流的电子开关。开关模块的高利用率可以降低设备并联的成本。单独的开关模块可以根据需要并联连接，从而能以模块化方式由它们构建电子开关，从而覆盖较大的功率范围。因此，相同部件的比例特别高，同时开关能特别好地缩放。这使模块化电子开关在制造、仓储、备件服务等方面特别便宜。

通过主动影响导通行为(例如通过栅极电压)，总电流可以被受控或受调节地分配到各个开关模块中。这意味着每个开关模块都可以被充分使用，直到其负载极限。

在本发明的一个有利的设计方案中，半导体开关被设计成能够与经过开关模块的电流的方向无关地关断电流。对于半导体开关的半导体反向传导的情况，半导体具有与其开关元件并联的二极管，该二极管能以与电流相反的方向引导电流通过开关元件。然后开关元件和二极管反向并联布置。在这种情况下，半导体开关的半导体布置在串联电路中，使具有第一电流流动方向的电流流过第一半导体的开关元件和第二半导体的二极管。相反的电流流过第二半导体开关的开关元件和第一半导体开关的二极管。

对于半导体被设计成反向截止、即只能在一个方向上导通和关断电流的情况，半导体分别仅具有一个开关元件。不存在相对于开关元件并联的二极管。为了能够与流过开关模块的电流方向无关地导通和关断电流，将半导体布置在并联电路中。在此，半导体彼此反向并联布置。这意味着具有第一电流流动方向的电流流过第一半导体的开关元件，并且以相反的电流流动方向流过开关模块的电流流过第二半导体的开关元件。

这种布置的优点是，如果可以在电流的两个方向上关闭电流，则能反馈的负载也可以安全地与能源断开连接。此外，这种电子开关使不同的能量分配网络或能量传输网络能够以可分离的方式相互连接。

在本发明的另一个有利的设计方案中，开关模块被以相同结构构造。具有大开关电流的电子开关也可以在标准化开关模块的基础上廉价构建。在此，可以由相同的开关模块生产大量不同功率的电子开关。这些标准化的开关模块可以低成本、高质量地大量生产。这大大节省了具有不同开关电流的电子开关的供应和存储，并且还能够经济地提供用于大电流的开关。多个相同的部件有良好的可扩展性、低存储成本，因为不必储存不同功率级别的不同开关，与机械或非模块化开关相比，模块化电子开关显著降低了成本。当开关模块都构造相同地设计时，则相同部件的数量会进一步增加，从而由于数量增加效应导致成本收益高的解决方案。

在本发明的另一个有利的设计方案中，开关模块以相应的半导体开关的性能进行区分。通过开关模块，这些开关模块具有带不同的功率性能、特别是不同载流能力的半导体开关，可以通过并联布置的几个开关模块产生具有不同功率性能、即具有不同电流的电子开关的广泛的功率范围。即使在半导体开关在其功率性能方面不同时，开关模块仍然可以有很大比例的相同部件，因为相同的驱控电路和相同的数据接口也可以用于不同的半导体开关。这在相同部件和所需数量的并联开关模块之间实现了良好的经济上的折衷。由于开关模块的性能不同，几个开关模块并联可以实现不同的性能，即可以关断的电流不同。

在本发明的另一个有利的设计方案中，用于开关模块的电连接的布线被非对称地构造。通过受控地或受调节地分配经过电子开关到并联的开关模块的电流，可以节省用于尽可能对称的布线的成本。在机械开关的并联连接的情况中，需要这种对称布线，以抵消电流分配到各个并联开关时的不均匀分配。这种对称布线昂贵且需要安装空间。换句话说，当开关模块并联连接时放弃了对称布线。由此可以节省用于形成布线的材料，例如昂贵的铜。这也使得开关模块的空间布置具有更高的自由度，因为这不依赖于对称布线。这消除了开关模块空间布置的对称布线和边界条件的费用，因为该差异也可以通过控制半导体开关的导通电阻来补偿。因此，与所提出的开关模块相结合，电子开关可以特别简单且成本低廉地构造。

在本发明的另一个有利的设计方案中，开环控制或闭环调节电流到半导体开关上的分配，使得半导体开关的负荷程度、特别是经过相应半导体开关的半导体电流是相同的。负荷程度是流过半导体开关的电流与允许通过半导体开关的电流之比。在结构相同的半导体开关的情况下，相同的负荷程度等同于相同的电流。另一方面，如果一个半导体开关的允许电流是另一个半导体开关的两倍，那么在负荷程度相同的情况下，通过该半导体开关的电流也是通过另一个半导体开关的电流的两倍。通过相同的负荷程度，各个开关模块的负载保持尽可能小并且相同，从而可以通过该运行优化电子开关的使用寿命。此外，通过对电流传感器的测量值进行归一化，能以简单的方式确定关于负荷程度的信息。

通过相应开关模块的半导体的电流被称为半导体电流。

在本发明的另一个有利的设计方案中，确定并存储对于分配电流而言必要的参数。为了通过开环控制或闭环调节快速和正确地设置期望的电流分配，并且在切换过程中没有半导体开关过载(这仅通过再次调节进行补偿)，已经证明确定和存储参数是有利的，其中几乎按需要将电流分配到并联开关模块。这些参数考虑了不同开关模块的半导体开关的差异。然后，这些参数可以用作第一次开关电子开关的起点，因为这已经实现电流在开关模块上的优化分配。然后通过调节或控制的工作实现精确的分配。

这种初始测量在此可以自动进行，或者例如由调试人员手动进行。这确保即使在由于元件分散和/或不对称布线而导致分配极不均匀的情况下，也能在切换的时间点、尤其是第一次切换时产生足够好的电流分配。

附图说明

在下文中，使用附图中所示的实施例更详细地描述和阐述本发明。附图示出：

图1示出了开关模块，并且

图2示出了具有开关模块的电子开关。

具体实施方式

图1示出了适合在模块化电子开关10中使用的开关模块1。开关模块1具有半导体开关2、电流传感器3、数据接口4、驱控电路5和调节器7。借助于电流传感器3和/或可经由并联布置的4个另外的开关模块1的数据接口传输的数据，调节器7开环控制或闭环调节经过开关模块的电流。能受驱控电路5影响的半导体开关2的导通行为用作调节机构。为此，调节器7与数据接口4交换数据和/或从电流传感器3接收测量值。调节器7的输出端与驱控电路5连接，以便在半导体开关2上执行调节任务。

图2示出了由多个并联布置的开关模块1构成的电子开关10。为了设置模块化电子开关10，可以使用两个或更多个开关模块1。各个开关模块例如对应于图1中的实施例，它们可以相同或不同。例如，开关模块1可以在半导体开关2的功率性能方面有所不同。因此可以仅用几个并联布置的开关模块1来实现具有不同开关电流的电子开关1。这些开关模块1通过它们的数据接口4相互连接以进行数据交换。数据接口4可以设计为数字或模拟的数据接口4。通过传输的数据，各个开关模块1的调节器7可以开环控制或闭环调节电流i到各个开关模块的分配。可以使用各种优化标准来分配电流i。调节器7确保没有开关模块1流过不允许的大电流。

在此，将开关模块1的半导体开关2彼此并联连接的电子开关10的布线6可以是不对称的，也被称为非对称的。例如，在图示的实施例中，用于连接左开关模块1的线路长度是最小的，并且随着每个开关模块1从左到右增加。

作为图1和图2所示的实施例的替代方案，替代相应的开关模块1的单独的调节器7，还可以为电子开关10提供中央调节器。同样，调节器7的任务也可替代地由驱控电路来执行。例如，中央调节器和驱控电路5之间的数据交换也可以通过数据接口4实现。

总之，本发明涉及开关模块和电子开关。为了改进电子开关而提出，电子开关具有至少两个开关模块。开关模块在此具有带驱控电路的半导体开关、电流传感器和用于连接到另外的开关模块的数据接口，其中，根据通过数据接口交换的数据和/或根据电流传感器的测量值，能够借助于驱控电路改变半导体开关的导通电阻。在具有至少两个这种开关模块的电子开关中，开关模块并联布置，使得半导体开关电并联地布置，并且使得经过电子开关的电流分配到开关模块的半导体开关上，其中，相应的开关模块的数据接口相互连接，其中，借助于驱控电路通过改变半导体开关的相应的导通电阻能够影响、尤其开环控制和/或闭环调节经过电子开关的电流到半导体开关的分配。本发明还涉及用于运行这种电子开关的方法。

换言之，本发明涉及一种用于电子开关的开关模块。为了改进开关模块而提出，开关模块具有带驱控电路的半导体开关、电流传感器和用于连接到另外的开关模块的数据接口，其中，开关模块被设置成，根据通过数据接口交换的数据和/或根据电流传感器的测量值，借助于驱控电路改变半导体开关的导通电阻。本发明还涉及一种具有至少两个这种开关模块的电子开关，其中，开关模块并联地布置，使得半导体开关电并联地布置，并且使得经过电子开关的电流分配到开关模块的半导体开关上，其中，相应的开关模块的数据接口相互连接，其中，电子开关被设置成，借助于驱控电路通过改变半导体开关的相应的导通电阻开环控制和/或闭环调节经过电子开关的电流到半导体开关的分配。本发明还涉及一种用于运行这种电子开关的方法。

Claims (9)

1.一种用于电子开关(10)的开关模块(1)，所述开关模块具有：

-带有驱控电路(5)的半导体开关(2)，

-电流传感器(3)，和

-数据接口(4)，所述数据接口用于与另外的开关模块(1)连接，

其中，所述开关模块(1)被设置成，根据通过所述数据接口交换的数据和/或根据所述电流传感器(3)的测量值，借助于所述驱控电路(5)改变所述半导体开关(2)的导通电阻。

2.根据权利要求1的开关模块(1)，其中，所述半导体开关(2)被设计成能够与经过所述开关模块(1)的电流的方向无关地关断电流。

3.一种电子开关(10)，具有至少两个根据权利要求1或2所述的开关模块(1)，其中，所述开关模块(1)并联布置，使得所述半导体开关(2)电并联地布置，并且使得经过所述电子开关(10)的电流(i)分配到所述开关模块(1)的所述半导体开关(2)上，其中，相应的所述开关模块(1)的所述数据接口(4)相互连接，其中，所述电子开关被设置成，借助于所述驱控电路(5)通过改变所述半导体开关(2)的相应的导通电阻来开环控制和/或闭环调节经过所述电子开关(10)的所述电流(i)到所述半导体开关(2)上的分配。

4.根据权利要求3所述的电子开关(10)，其中，所述开关模块(1)被以相同结构构造。

5.根据权利要求3的电子开关(10)，其中，所述开关模块(1)以相应的所述半导体开关(2)的性能进行区分。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的电子开关(10)，其中，用于所述开关模块(1)的电连接的布线(6)被非对称地构造。

7.一种用于运行根据权利要求3至6中任一项所述的电子开关(10)的方法，

其中，根据通过所述数据接口(4)交换的数据和/或根据所述电流传感器(3)的测量值来开环控制或闭环调节所述半导体开关(2)的导通电阻，使得经过所述电子开关(10)的电流(i)分配到所述半导体开关(2)上，以使相应的所述半导体开关(2)以最大程度输送相应允许的电流。

8.根据权利要求7的方法，其中，开环控制或闭环调节所述电流(i)到所述半导体开关(2)上的分配，使得所述半导体开关(2)的负荷程度、特别是经过相应的半导体开关(2)的半导体电流是相同的。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，确定并存储对于所述电流(i)的分配而言必要的参数。

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