CN113498568A - 负载与直流电网的连接 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将负载(L)与直流电网(N)连接的一种开关模块(M)和一种方法。开关模块(M)包括第一模块接头(1)、第二模块接头(2)、第三模块接头(3)、第一电子开关(T1)和第二电子开关(T2)，该第一电子开关连接在第一模块接头(1)和第二模块接头(2)之间，该第二电子开关连接在第二模块接头(2)和第三模块接头(3)之间。两个电子开关(T1，T2)反串联连接在第一模块接头(1)和第三模块接头(3)之间。

Description

负载与直流电网的连接

技术领域

本发明涉及用于将负载与直流电网连接的一种开关模块和一种方法。

背景技术

在直流电网中，可以在与直流电网连接的两种类型的负载之间进行区分。一方面，存在第一类型的负载，其中，电流始终以相同的电流方向流经直流电网和负载之间的连接线路。这类负载例如是由直流电网馈送能量的纯耗电器。另一方面，存在第二类型的负载，其中，电流可以在两个电流方向上流经直流电网和负载之间的连接线路。这类负载可以由直流电网提供能量并且可以将能量输出到直流电网。第二类型的负载的一个示例是旋转电机，其既可以作为电动机也可以作为发电机运行或起作用。保护第一类型的负载仅须防止一个电流方向上的过电流，而保护第二类型的负载必须防止两个电流方向上的过电流。通常需要能够非常快速地断开例如由过载或短路引起的过电流，以避免或减少损坏。为此通常使用电子开关。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种装置和一种方法，利用该装置和方法可以保护上面提到的两种类型的负载与直流电网的连接以适当地防止过电流。

根据本发明，上述技术问题通过具有权利要求1的特征的开关模块、具有权利要求11的特征的方法和具有权利要求12的特征的直流电网来解决。

本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。

根据本发明的用于将负载与直流电网连接的开关模块包括第一模块接头、第二模块接头、第三模块接头、第一电子开关和第二电子开关。第一电子开关连接在第一模块接头和第二模块接头之间。第二电子开关连接在第二模块接头和第三模块接头之间。此外，两个电子开关反串联地，即以彼此相反的流通方向连接在第一模块接头和第三模块接头之间。在这里和在下文中，还将术语“负载”理解为具有多个设备的负载区域。

根据本发明的开关模块可以实现，依据在负载和直流电网之间需要双向过电流保护以防止两个电流方向上的过电流还是仅需要单向过电流保护以防止一个电流方向上的过电流，来以不同的方式将负载与直流电网连接。

针对双向过电流保护，开关模块具有第一模块接头和第三模块接头。这两个模块接头之间的两个电子开关的反串联互连可以实现在两个电流方向上的过电流保护，其方式是，断开其流通方向对应于过电流的相应流动方向的电子开关。因此，要在双向上防止过电流的负载通过第一模块接头和第三模块接头与直流电网连接，其中，例如第一模块接头与直流电网连接并且第三模块接头与负载连接。

针对单向过电流保护，开关模块具有第二模块接头，第二模块接头通过第一电子开关与第一模块接头连接并且通过第二电子开关与第三模块接头连接。这可以实现，将仅要在单向上防止过电流的负载例如通过作为负载侧接头的第二模块接头并且通过作为电网侧接头的第一或第三模块接头与直流电网连接。因此，电流在负载和直流电网之间必须仅流经两个电子开关中的一个，由此，相对于电流引导通过两个串联连接的开关，有利地减半了损耗。此外，第一模块接头和第三模块接头也可以连接在一起并且与直流电网连接，而第二模块接头可以与负载连接。于是两个电子开关并联连接，并且再次降低损耗。

在本发明的一个实施方式中，每个电子开关是绝缘栅双极晶体管(IGBT＝Insulated-Gate Bipolar Transistor)，其具有集电极接头、发射极接头和栅极接头。在此，例如第一电子开关的集电极接头与第一模块接头连接，第二电子开关的集电极接头与第三模块接头连接，电子开关的发射极接头彼此连接并且分别与第二模块接头连接。替换地，第一电子开关的发射极接头与第一模块接头连接，第二电子开关的发射极接头与第三模块接头连接，电子开关的集电极接头彼此连接并且分别与第二模块接头连接。在一个电路变型中，电子开关的发射极接头彼此连接并且分别与第二模块接头连接，该电路变型具有以下优点，即针对两个栅极接头使用相同的控制电压并且因此可以省去栅极驱动器。在一个电路变型中，电子开关的集电极接头彼此连接并且分别与第二模块接头连接，该电路变型具有抵抗电网换相(netzgeführte)的电磁干扰的更高稳定性的优点。因此，哪种优点占优势以及优选使用哪种电路变型取决于具体的应用。

在本发明的另一个实施方式中，每个电子开关是具有漏极接头、源极接头和栅极接头的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET＝Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。在此例如，第一电子开关的漏极接头与第一模块接头连接，第二电子开关的漏极接头与第三模块接头连接，电子开关的源极接头彼此连接并且分别与第二模块接头连接。替换地，第一电子开关的源极接头与第一模块接头连接，第二电子开关的源极接头与第三模块接头连接，电子开关的漏极接头彼此连接并且分别与第二模块接头连接。上述电路变型对应于上述电子开关为IGBT的情况，其中，MOSFET的漏极接头承担相应IGBT的集电极接头的作用，MOSFET的源极接头承担IGBT的发射极接头的作用。

在本发明的另一个实施方式中，二极管反并联连接到每个电子开关。由此，例如在设计为IGBT的电子开关的情况下可以在IGBT的截止方向上实现电流引导通过二极管。在设计为MOSFET的电子开关的情况下，反并联连接到MOSFET的二极管也可以是有利的，例如当MOSFET的反向二极管处的阈值电压变得太高时。

在本发明的另一个实施方式中，开关模块具有用于模块接头的接头标记，该接头标记将第一模块接头标识为单向和双向输入接头，将第二模块接头标识为单向输出接头，并且将第三模块接头标识为单向输入接头和双向输出接头。这些接头标记有利地使分别与期望的过电流保护(双向或单向)相匹配的开关模块的接线变得容易并且降低了错误接线或不良接线的风险。

在本发明的另一个实施方式中，第一模块接头和第三模块接头可以通过开关彼此连接。这使在仅要在单向上防止过电流的负载的情况下的两个电子开关的上面已经提及的有利的并联连接变得容易，因为通过接通开关就可以实现这种并联连接。

在根据本发明的、用于借助根据本发明的开关模块将负载与直流电网连接的方法中，如果在负载和直流电网之间需要双向过电流保护以防止两个电流方向上的过电流，则将直流电网的电网线路与开关模块的第一模块接头连接并且将负载的负载线路与开关模块的第三模块接头连接。相反地，如果在负载和直流电网之间仅需要单向过电流保护以防止一个电流方向上的过电流，则将直流电网的电网线路与开关模块的第一模块接头和/或第三模块接头连接并且将负载的负载线路与开关模块的第二模块接头连接。根据本发明的方法的优点相应于上面已经提及的根据本发明的开关模块的优点。

附图说明

结合下面对结合附图详细阐述的实施例的描述更清楚且明晰地理解上面描述的本发明的特点、特征和优点以及其实现方式。在此，附图中：

图1示出了根据本发明的开关模块的第一实施例的电路图，

图2示出了根据本发明的开关模块的第二实施例的电路图，

图3示出了根据本发明的开关模块的第三实施例的电路图，

图4示出了根据本发明的开关模块的第四实施例的电路图，

图5示出了根据本发明的开关模块的第五实施例的电路图，

图6示意性地示出了通过开关模块与直流电网针对双向过电流保护连接的负载，

图7示意性地示出了通过开关模块与直流电网针对单向过电流保护连接的负载。

在附图中，彼此相应的部分具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的开关模块M的第一实施例的电路图。开关模块M包括第一模块接头1、第二模块接头2、第三模块接头3、第一电子开关T1、第二电子开关T2、第一二极管D1和第二二极管D2。

每个电子开关T1、T2是具有集电极接头C、发射极接头E和栅极接头G的IGBT。

第一电子开关T1的集电极接头C与第一模块接头1连接。第二电子开关T2的集电极接头C与第三模块接头3连接。电子开关T1、T2的发射极接头E彼此连接并且分别与第二模块接头2连接。因此，第一电子开关T1连接在第一模块接头1和第二模块接头2之间，第二电子开关T2连接在第二模块接头2和第三模块接头3之间，并且两个电子开关T1、T2反串联连接在第一模块接头1和第三模块接头3之间。

第一二极管D1的阴极与第一电子开关T1的集电极接头C连接。第一二极管D1的阳极与第一电子开关T1的发射极接头E连接。由此，第一二极管D1反并联连接到第一电子开关T1。

第二二极管D2的阴极与第二电子开关T2的集电极接头C连接。第二二极管D2的阳极与第二电子开关T2的发射极接头E连接。由此，第二二极管D2反并联连接到第二电子开关T2。

图2示出了根据本发明的开关模块M的第二实施例的电路图。该实施例与图1中所示的第一实施例的不同之处仅在于，电子开关T1、T2的集电极接头C和发射极接头E的互连相较于第一实施例被调换：第一电子开关T1的发射极接头E与第一模块接头1连接，第二电子开关T2的发射极接头E与第三模块接头3连接，电子开关T1、T2的集电极接头C彼此连接并且分别与第二模块接头2连接。再次地，第一二极管D1反并联连接到第一电子开关T1并且第二二极管D2反并联连接到第二电子开关T2。

图3示出了根据本发明的开关模块M的第三实施例的电路图。该实施例与图1中所示的第一实施例的不同之处仅在于附加的开关4，该附加的开关连接在第一模块接头1和第三模块接头3之间，从而通过接通开关4可以将第一模块接头1和第三模块接头3相互连接。由此，通过接通开关4，两个电子开关T1、T2可以在第一模块接头1或第三模块接头3与第二模块接头2之间彼此并联连接。

图4示出了根据本发明的开关模块M的第四实施例的电路图。该实施例与图2中所示的第二实施例的不同之处仅在于附加的开关4，该附加的开关连接在第一模块接头1和第三模块接头3之间，从而类似于图3，可以通过接通开关4将第一模块接头1和第三模块接头3彼此连接。

图5示出了根据本发明的开关模块M的第五实施例的电路图。该实施例与图1中所示的第一实施例的不同之处主要在于，每个电子开关T1、T2是具有漏极接头D、源极接头S和栅极接头G的MOSFET，其中，漏极接头D承担图1中相应IGBT的集电极接头C的作用并且源极接头S承担IGBT的发射极接头E的作用。此外，图5中所示的开关模块M不具有二极管D1、D2，或者说，在图5所示的实施例中，图1中所示的二极管D1、D2的功能由设计为MOSFET的电子开关T1、T2的(本征)反向二极管承担。然而，如果有必要，特别是如果反向二极管处的阈值电压变得太高，图5中所示的实施例可以类似于图1所示实施例地进行改变，方式是，将二极管D1、D2反并联连接到每个电子开关T1、T2。

类似于将图1中所示的实施例改变为图5所示的实施例，也可以对图2至图4所示的实施例进行改变，方式是将每个设计为IGBT的电子开关T1、T2分别替换为设计为MOSFET的、不具有或具有与其反并联连接的二极管D1、D2的电子开关T1、T2，其中，MOSFET的漏极接头D如IGBT的集电极接头C那样地连接，并且MOSFET的源极接头S如IGBT的发射极接头E那样地连接。

图1至图4中所示的实施例相应地可以改变为其他实施例，方式是将每个设计为IGBT的电子开关T1、T2替换为除MOSFET之外的半导体开关。

图1和图5中所示的开关模块M以及其上面所描述的改变被设计为，将负载L与直流电网N连接并且通过以下方式保护连接防止过电流：在过电流的情况下，将过电流流经的相应的电子开关T1、T2断开。为此，从开关模块M中分别引出模块接头1、2、3。

图6示意性地示出了在负载L和直流电网N之间需要双向过电流保护以防止两个电流方向上的过电流的情况。在这种情况下，在开关模块M的所有实施例中，直流电网N的电网线路5与开关模块M的第一模块接头1连接，并且负载L的负载线路6与开关模块M的第三模块接头3连接。

图7示意性地示出了在负载L和直流电网N之间仅需要单向过电流保护以防止一个电流方向上的过电流的情况。在这种情况下，负载L的负载线路6与开关模块M的第二模块接头2连接，并且直流电网N的电网线路5与第一模块接头1和第三模块接头3连接。替换地，在这种情况下，直流电网N的电网线路5也可以仅与第一模块接头1或第三模块接头3连接。在图3和图4中所示的实施例的情况下，在此可以接通开关4。

优选地，开关模块M具有分别用于模块接头1、2、3的接头标记，接头标记将第一模块接头1标识为单向和双向输入接头，将第二模块接头2标识为单向输出接头，并且将第三模块接头3标识为单向输入接头和双向输出接头。

虽然在细节上通过优选的实施例对本发明进行了详细的阐述和描述，但是本发明却不限于所公开的示例并且本领域技术人员可以从中导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于将负载(L)与直流电网(N)连接的开关模块(M)，所述开关模块(M)包括

-第一模块接头(1)，

-第二模块接头(2)，

-第三模块接头(3)，

-第一电子开关(T1)，所述第一电子开关连接在所述第一模块接头(1)和所述第二模块接头(2)之间，和

-第二电子开关(T2)，所述第二电子开关连接在所述第二模块接头(2)和所述第三模块接头(3)之间，其中，

-两个电子开关(T1，T2)反串联连接在所述第一模块接头(1)和所述第三模块接头(3)之间。

2.根据权利要求1所述的开关模块(M)，其中，每个电子开关(T1，T2)是绝缘栅双极晶体管，所述绝缘栅双极晶体管具有集电极接头(C)、发射极接头(E)和栅极接头(G)。

3.根据权利要求2所述的开关模块(M)，其中，所述第一电子开关(T1)的集电极接头(C)与所述第一模块接头(1)连接，所述第二电子开关(T2)的集电极接头(C)与所述第三模块接头(3)连接，所述电子开关(T1，T2)的发射极接头(E)彼此连接并且分别与所述第二模块接头(2)连接。

4.根据权利要求2所述的开关模块(M)，其中，所述第一电子开关(T1)的发射极接头(E)与所述第一模块接头(1)连接，所述第二电子开关(T2)的发射极接头(E)与所述第三模块接头(3)连接，所述电子开关(T1，T2)的集电极接头(C)彼此连接并且分别与所述第二模块接头(2)连接。

5.根据权利要求1所述的开关模块(M)，其中，每个电子开关(T1，T2)是金属氧化物半导体场效应晶体管，所述金属氧化物半导体场效应晶体管具有漏极接头(D)、源极接头(S)和栅极接头(G)。

6.根据权利要求5所述的开关模块(M)，其中，所述第一电子开关(T1)的漏极接头(D)与所述第一模块接头(1)连接，所述第二电子开关(T2)的漏极接头(D)与所述第三模块接头(3)连接，所述电子开关(T1，T2)的源极接头(S)彼此连接并且分别与所述第二模块接头(2)连接。

7.根据权利要求5所述的开关模块(M)，其中，所述第一电子开关(T1)的源极接头(S)与所述第一模块接头(1)连接，所述第二电子开关(T2)的源极接头(S)与所述第三模块接头(3)连接，所述电子开关(T1，T2)的漏极接头(D)彼此连接并且分别与所述第二模块接头(2)连接。

8.根据上述权利要求中任一项所述的开关模块(M)，其中，二极管(D1，D2)反并联连接到每个电子开关(T1，T2)。

9.根据上述权利要求中任一项所述的开关模块(M)，具有用于所述模块接头(1，2，3)的接头标记，所述接头标记将所述第一模块接头(1)标识为单向和双向输入接头，将所述第二模块接头(2)标识为单向输出接头，并且将所述第三模块接头(3)标识为单向输入接头和双向输出接头。

10.根据上述权利要求中任一项所述的开关模块(M)，具有开关(4)，所述第一模块接头(1)和所述第三模块接头(3)能够通过所述开关彼此连接。

11.一种用于将负载(L)与直流电网(N)连接的方法，所述方法借助根据上述权利要求中任一项所述的开关模块(M)，其中，

-如果在所述负载(L)和所述直流电网(N)之间需要双向过电流保护以防止两个电流方向上的过电流，则将所述直流电网(N)的电网线路(5)与所述开关模块(M)的第一模块接头(1)连接并且将所述负载(L)的负载线路(6)与所述开关模块(M)的第三模块接头(3)连接，并且

-如果在所述负载(L)和所述直流电网(N)之间仅需要单向过电流保护以防止一个电流方向上的过电流，则将所述直流电网(N)的电网线路(5)与所述开关模块(M)的第一模块接头(1)和/或第三模块接头(3)连接并且将所述负载(L)的负载线路(6)与所述开关模块(M)的第二模块接头(2)连接。

12.一种直流电网(N)，所述直流电网具有根据权利要求1至10中任一项所述的开关模块(M)。

Images