CN113508527A - 作为衰减元件的电子开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子开关(1)，其中，电子开关(1)具有包括驱控电路(3)的半导体开关(2)。为改进电子开关(1)提出，电子开关(1)还具有用于检测流过电子开关(1)的电流的电流传感器(4)和/或电压传感器，并且驱控电路(3)设置用于根据借助于电流传感器(4)和/或电压传感器测量的振动将半导体开关(2)在接通的状态、在断开的状态或在线性运行中运行。本发明还涉及一种具有这种电子开关(1)和两个子电网(16)的供能系统(10)，其中，两个子电网(16)能够借助于电子开关(1)彼此连接。本发明还涉及一种用于运行这种电子开关(1)或这种供能系统(10)的方法，其中，电子开关(1)的半导体开关(2)为了衰减振动至少暂时地在线性运行中运行。

Description

作为衰减元件的电子开关
技术领域
本发明涉及一种具有半导体开关的电子开关，半导体开关具有驱控电路。本发明还涉及一种具有这种电子开关的供能系统。本发明还涉及一种用于运行这种电子开关或这种供能系统的方法。
背景技术
如今，开关还用于能够在供能系统中将用电器从网络分离。同样地，借助于开关能够关断供电网的部件。在此，出于运行原因能够实现关断或在故障发生时还用于保护供电网的组件。
如今，供能系统大多被实施为交流网络。借助于变压器能够以简单的方式实现不同的电压等级。在此，单独的输出电路或单独的电压等级的保护经由机械开关实现。在此，在开通的状态中实现导通连接，而在关闭的状态中开关的输入和输出连接彼此电绝缘。开通与关闭的状态之间的转换在机械开关中通过导电元件的移动进行。
除机械开关外，还已知基于半导体开关的开关。该开关也被称为电子开关。电子开关的特征在于其能够快速地接通。此外，电子开关对于关断不需要电流过零，从而电子开关也尤其适合应用在直流电压网中。由于在直流电压网中没有变压器，较小的电感引起大的电流上升速度，在达到不允许的高电流强度之前需要快速的关断。
发明内容
本发明基于的任务是改进电子开关。
该任务通过一种电子开关实现，其中，电子开关具有包括驱控电路的半导体开关和用于检测流过电子开关的电流的电流传感器和/或电压传感器，其中，驱控电路对此设置用于根据借助于电流传感器和/或电压传感器测量的振动在接通的状态、在断开的状态或在线性运行中运行半导体开关。该任务还通过一种具有这种电子开关和两个子电网的供能系统实现，其中，两个子电网借助于电子开关彼此连接。该任务还通过一种用于运行这种电子开关或这种供能系统的方法实现，其中，为了衰减振动，至少暂时地在线性运行中运行电子开关的半导体开关。
本发明的其他有利的设计方案在从属权利要求中给出。
本发明基于如下认知，即电子开关能够通过使其除了采用机械开关已知的开通和关闭的状态(也称为接通状态和关断状态以及导通状态和未导通状态)之外，还能够采用第三状态，在第三状态中，电子开关的半导体开关在线性运行下运行。在此，半导体开关的工作点位于线性区域中。线性区域也被称为加强区域。在线性运行中，电流流经半导体并且电压存在于接线端子处，在接线端子之间实现开关操作。在第三状态中，在电子开关处产生与电阻相当的电子损耗。这从通过电子开关的电流与施加在电子开关上的电压相乘的积得到。开通和关闭的开关状态导致不值得注意的损耗，因为既没有电流流动也没有电压施加在电子开关处，从而电流和电压的积为零。因此，对于在电力电子中的应用(例如变流器、直流调节器等)，仅使用开通和关闭两个开关状态，以保持低的损耗。然而，通过调整驱控电路能够实现将电子开关置于第三状态、即线性运行中，其中，开关上的电压下降并且电流流动通过该开关。因为这产生相对高的损耗，因此至今在电力电子中不使用该状态。
此外，利用线性运行能够在供能系统中引入有针对的损耗。这例如能够被用于减小不期望的电流。不期望的电流例如是能够损害或摧毁供能系统中的部件的高的电流，或者是由于电流的频率对能量传输不利的电流。这些电流也被称为无功电流并且例如根据振动而产生，在振动时，供能系统的蓄能器相互作用并且交换在蓄能器之间摆动的能量。这会使供能系统负载，而不会有助于电源与用电器之间期望的能量传输。
例如，当电容性负载(具有电容性能的用电器)连接在网络处时，然后在供能系统中出现高电流。为此，作为实例提及变流器或直流调节器如直流/直流转换器。直流/直流转换器具有在与电源连接时充电的电容器。在此，产生局部非常高的充电电流。充电电流经常借助于预加载电阻被限制。当电子开关识别过高的电流时或当电子开关例如根据电流陡度识别潜在的过高的电流出现时，能够放弃预加载电阻。在这种情况下，电子开关在线性运行中运行。由此，例如通过电容的充电得到的充电电流被限制。然后，能够放弃特定的预加载电阻。在此，半导体开关的工作点能够被调整，使得充电以最大允许电流进行。由此，能够实现电容器的快速充电。
同样可行的是，对于所有能够预期高电流(特别是充电电流)的开关操作，电子开关的半导体开关在预设的时间段内在线性运行中运行。随后，能够放弃用于对过高电流的或潜在的过高电流的识别。
电子开关同样能够用于限制起动电流，起动电流在启动马达时产生，马达直接(即在没有变流器的情况下)与电源连接。在此，电子开关在线性运行中运行直到达到特定的转速，以限制起动电流。在此，在有利的设计方案中，随马达的转速的升高，调整线性运行的工作点为，使得以其最大允许电流给马达馈电。这在运行阶段中能够实现马达的启动阶段的快速过渡。
此外，总存在这种可能性，例如由于切换过程，在供能系统中激励现有的共振。这些共振能够由于电感部件(汇流排、变压器、用电器、电源、网络滤波器等)和电容部件(并联汇流排、变压器的绕组电容、用电器、电源、网络滤波器、支持电容器等)的相互作用存在于供能系统中。例如，能够通过接通电子开关引起激励，并且在供能系统中的电流和/或电压曲线中显示振动。此外，还有多种另外的在供能系统中导致振动现象可能性。在供能系统中通过衰减电阻衰减振动。这随后产生损耗并且降低供能系统的经济性。借助于电子开关在线性运行中限制且减少振动。此外，优点是，仅在振动存在的情况下实施线性运行，并且仅在此时产生损耗。当不存在振动时，电子开关在接通的状态中或在断开的状态中运行并且电子开关至少几乎无损耗地工作。能够放弃在供能系统中持续产生损耗的衰减电阻。
通过使用能够在线性运行中运行的电子开关，供能系统不再需要电阻。预加载电阻、起动电阻和衰减电阻能够通过电子开关的线性运行来代替。电阻的特性仅在需要时激活。由此，避免持久性的损耗。
因此，乍一看在电力电子中由于损耗是非常不利的半导体开关状态被用于运行。因此，半导体开关的状态能够实现以下的优点。不再需要电阻用于限制电流、预加载、限制起动电流、衰减振动、消除电压。由此，得出更低的成本、更少的占地面积以及更高的可靠性和由于更少的部件的更高的可用性。因为所描述的激活电子开关线性运行的状态仅持续短的时间，对电子开关的冷却没有或完全只有很小的要求。如果为电子开关设置冷却，已经被证明有利的是，在此提出的电子开关配备用空气冷却的散热器。散热器具有高的热容量并且因此尤其适用于吸收和排出短期出现的电子损耗。
在此，电子开关具有电流转换器和/或电压转换器。在此，电压转换器能够测量施加在电子开关处相对于参考电势的电压。替代地或附加地，电压转换器还能够测量在供能系统中的电压。在此，例如能够测量也被称为供电网络的供能系统的电压。特别地，在直流电压网中，直流电压网的电压经常借助于电容器被支持。在此，电容器处的电压能够通过电压传感器被测量。
对此，电子开关能够用于彼此连接供能系统的两个子网。在此，这些子系统能够分别具有电源和/或用电器。通过电子开关，部件能够彼此连接用于提高供电安全。同时，在故障情况下，能够通过快速断开子网来确保各个子网的无干扰的运行。
还能够通过传感器由评估测量值来识别振动。对此，例如能够考虑傅里叶分析。评估例如能够在频域或时域中实施。在此，通过在得出振动时(例如借助于类似的和/或数字的过滤器)屏蔽网络电压的频率部分，能够以有利的方式彼此区分期望的振动(例如网络频率)和不期望的振动(例如平衡振动)。
在本发明的有利的设计方案中，电子开关能够作为预加载电阻和/或起动电阻和/或衰减电阻运行。换句话说，在本发明的有利的设计方案中，电子开关的驱控电路对此设置用于通过在线性运行中运行作为衰减电阻衰减振动。在半导体开关的线性运行中的工作点能够选择为，使得工作点符电阻的特性。因此，电阻值能够预设为，通过驱控电路将电阻值转换为在线性区域中的半导体开关的工作点，其中，调节半导体开关处的电压和通过半导体开关的电流，他们的商对应电阻值。通过基于电阻的调节，能够以简单的方式替代已经存在于供能系统中的电阻。系统中基于电阻得出的阻尼的设计，例如借助于用于电网的计算工具，能够以简单的方式通过电子开关实现。同样能够通过计算确定电阻值的范围，在该范围中供能系统能够稳定地运行。因此，确保调节/控制也基于电阻值可靠地且稳定地起作用。
在本发明的其他有利的设计方案中，电子开关设置用于衰减通过基于电子开关的开关操作的暂态产生的振动。通过电子开关的开关操作能够在供能系统中激励振动。能够以简单的方式通过电子开关消除振动，振动至少暂时地在线性运行中运行，直到消退。在此，电子开关已经能够在由断开的状态到接通的状态的过渡期间作为中间步骤在线性运行中运行特定的持续时间，为了因此在振动没有被激励并且甚至没有被衰减时实现轻柔的切换。替代地，可行的是，检查电流传感器和/或电压传感器的测量值是否有不期望的振动部分。在此，不期望的部分是供电网络中的蓄能器之间振荡的暂态，例如导线电感、支持电容器和/或用电器的电容或电感特性。用电器的电感特性的实例是变流器的中间电路电容。所有蓄能器能够在切换暂态时，恰好在直流电压网中部分地引起高电流，能够利用提出的电子开关快速消除高电流。这能够实现供能系统的无干扰的和可靠的运行。
在本发明的其他有利的设计方案中，电子开关具有电流传感器和/或电压传感器，其中，电子开关的半导体开关能够根据电流传感器和/或电压传感器的测量值在线性运行中运行。同样地，供能系统能够具有至少一个电流传感器和/或电压传感器，其中，电子开关的半导体开关能够根据电流传感器和/或电压传感器的测量值在线性运行中运行。供能系统的电流传感器和/或电压传感器能够是电子开关的传感器。同样可行的是，替代地布置相应的传感器在供能系统中的其他位置处。此外，还可行的是，在电子开关中和在供能系统中的其他位置处分别布置相应的传感器。
对于电子开关或供能系统的运行已经被证明是有利的，当电流传感器和/或电压传感器的测量值超过预设的边界值时，使电子开关的半导体开关在线性运行中运行。
为了识别过电流(即不允许的高的电流)以及振动(特别是具有特定频率的电流或电压振动)，已经证明了，在电子开关中并且或者附加地或替代地在供能系统中布置相应的传感器、特别是电流传感器和/或电压传感器。他们布置为，使得他们检测能够通过电子开关至少部分影响的电流。因此，能够确保，半导体开关的线性运行和因此产生的损耗以及相应的热量只有当线性运行真正需要时才是激活的。替代地，在不使用电流或电压传感器的情况下，当实现电子开关的开关操作时，线性运行总能够在此时被设置。在此，能够在接通的状态与断开的状态之间对于能预设的时段设置线性运行。因此，能够可靠地衰减切换过程时的振动以及充电电流或起动电流，而无需事先探测它们。
在本发明的另外的有利的设计方案中，供能系统构造为直流电压网。对于直流电压网使用提出的电子开关出于各种原因是尤其有利的。仅由于基于缺少变压器在供能系统中的低电感，由于高的电流上升速度，较快的开关是有利的。电子开关能够满足快速开关的要求。
此外，变流器和直流电压调节器(直流/直流转换器)直接利用其中间电路并且因此利用其中间电路电容器与直流电压网连接。在此，产生高的放电电流，放电电流能够与提出的电子开关在线性运行中能够可靠地被控制并且被减小。同样地，直流电压网经常具有支持电容器，支持电容器被用于缓冲网络电压。在接通时产生的高的充电电流，也能够被电子开关安全控制并且被减小。支持电容器是分布布置在供能系统中的电容器，该电容器支持汇流排之间的电压，也就是说，应保持恒定或至少减小电压波动。
支持电容器能够利用功率电感形成可振荡的系统，其中，能够出现电流的振动。这也能够通过电子开关在线性运行中以简单的方式被衰减并且被消除。在此通过衰减的特性产生的损耗仅当衰减、即线性运行激活时出现。如果在直流电压网使用电阻来用于衰减，则产生的持久的电损耗，该电损耗减小供能系统的效率。换言之，由于在线性运行中电子开关在时间上限制的损耗，电子开关的使用提高了供能系统的效率。
在本发明的其他有利的设计方案中，电流传感器和/或电压传感器的测量值分为直流部分和交流部分，其中，当电流传感器和/或电压传感器的测量值的直流部分超过第一预设的边界值时，和/或当电流传感器和/或电压传感器的测量值的交流部分超过第二预设的边界值时，电子开关的半导体开关在线性运行中运行。直流部分和交流部分的分配提供了可行性，即准确检测供能系统中不期望的状态并且相应的选择性地做出反应。在振动特性在测量信号的交流部分中变得明显的期间，充电过程或起动电流在直流部分或低频的部分处能够被识别。以这种方式，能够在网络中的各个非期望的状态之间选择性地做出反应。此外还可行的是，设置不同的边界值，例如用于充电过程和起动电流的第一边界值和用于振动的第二边界值。因此，能够灵活地调整和设计电子开关来满足供电网络的要求。
在本发明的其他有利的设计方案中，根据电流传感器和/或电压传感器的测量值确定电阻的值。尤其当根据电阻得出衰减的调节时，已经被证明是有利的，如果这些电阻值取决于测量的电流。因此，能够快速地调整干扰。同时能够快速调整电阻值以匹配供能系统的状态，能够根据测量值识别该状态。
在本发明的其他有利的设计方案中，在接通电子开关时，电子开关的半导体开关在第一步骤中由断开的状态变换为线性运行，并且在第二步中由线性运行变换为接通的状态。如果没有用于确定供能系统的状态的传感器时，能够由此消除供能系统中大部分的过高电流和振动以及其他的干扰或者不期望的效果，通过从断开状态到接通状态的切换期间经由中间步骤实现，其中，半导体开关在线性运行中运行。线性运行衰减暂态，暂态通常通过接通电子部件(如用电器或电源)产生。暂态是蓄能器、例如电容器之间的振动，但是也是电容器的充电过程或起动电流，充电过程例如以中间电路电容器的形式存在于变流器中，起动电流例如在连接不受控的马达与电源时产生。因此，电子开关也能以简单的方式结合到存在的供能系统中，而不用为此设置新的测量传感器。
附图说明
下面，根据在附图中示出的实施例进一步描述和解释本发明。附图示出：
图1示出电子开关；
图2示出具有电子开关的供能系统；和
图3至图6示出在接通电子开关的情况下的时间曲线。
具体实施方式
图1示出电子开关1。电子开关具有半导体开关2，半导体开关能够利用其两个半导体在两个方向上引导和关断电流。半导体开关2和其半导体被驱控电路3驱控。驱控电路3能够实现将半导体开关2和因此布置在半导体开关中的半导体置于接通的状态、断开的状态以及线性运行。接通的状态也被称为导通状态、闭合的状态或开通的状态。断开的状态也被称为非导通的状态、打开的状态或关闭的状态。线性运行也被称为在线性的区域的运行或在加强区域的运行。在此，然而不是必须地，半导体开关2能够根据测量的值、例如根据电流转换器4的测量值由驱控电路3置于线性运行中，以阻止并减小大的电流或衰减振动。在此，在驱控电路3中或在更高级别的、这里未示出的调节器和/或控制器中实现电流转换器4的测量值的评价。
图2示出供能系统10，在供能系统中，两个子网16借助于电子开关1彼此可分离地连接。在此，足够的是，仅在一个或两个导体中布置电子开关，以中断在两个子网16之间的能量交换。在此，子网16之一具有电源11，并且子网16中的第二个具有用电器12。另外的用电器12(例如马达15)经由两个另外的电子开关1与电源11连接。在此，供能系统10被构造为直流电压网。在此，支持电容器14能够布置在直流电压网的两个导体之间用于支持电压。其次，另外的支持电容器14能够分布布置在供能系统中。此外，为了测量电流，附加与或替代于在电子开关1中的电流传感器4，能够在在电子开关1的外部在供能系统10中布置另外的电流传感器41。两个电子开关1能够影响通过另外的电流传感器41测量的电流，因为测量的电流部分地或按比例地流动通过电子开关1。
两个电流传感器4、41能够共同或仅电流传感器4、41之一能够用于电子开关1的调节或控制。出于该原因，电流传感器4与另外的电流传感器41之间不再区分，而是这两个电流传感器分别被称为电流传感器4、41。此外，也可行的是，电子开关1和/或供能系统10无传感器地运行。
在第一实施例中，用电器12是马达15，并且在第二实施例中，用电器12是变流器17。马达15经由电子开关1直接地(即在没有其他调节器的情况下)与直流电压网连接。因此，在接通电子开关1的情况下预期高的起动电流。变流器17的特性类似。通过在变流器17的入口处的中间电路电容器13，在接通相应的电子开关1的情况下也预期高的起动电流。通过相应的电子开关1的半导体开关2至少暂时地在线性运行中运行，能够降低起动电流和充电电流。
在图2示出的网络电压UNetz、电压U1和电流i1的大小应在下面进一步描述。对此，在图3中给出电压U1的时间曲线，并且在图4中给出电流i1的时间曲线，例如能够在变流器17与电源11连接的情况下通过控制/调节得出时间曲线。这示出电子开关1的原则上的功能。原则上，这些特性也能转移到其他的用电器12(例如马达15)。
在该时间曲线中，电子开关1应被接通从而用电器12与电源11连接。与用电器12是否是变流器17或直接与直流电压网连接的马达15无关，对于接通瞬间，能够预期以充电电流或起动电流的形式的高电流。因此，电子开关1的半导体开关2在时间点t1被驱控电路3转变为线性运行。对此能够通过电压U1不会突然变为UNetz来识别出。在该运行中，总的网络电压UNetz不传递给用电器12，而是部分经过电子开关1下降。然后，位于用电器12的入口处的低的电压U1导致减小的电流i1，如图4所示。通过该线性运行能够实现将电流限制在允许的值imax之下或调节到值imax。充电电流或起动电流在时间点t2消失，因为中间电路电容器13充电或马达15起动。因此，半导体开关2在时间点t2或之后转变为接通的状态，在电子开关1中不再出现值得注意的电子损耗。从另外的时间点t3开始，用电器开始运行并且在此接收能量。这能够从那里的电流升高处看出。
在t1与t2之间的时间间隔中产生的电损耗仅持续短时间，从而电子损耗仅短暂地加热电子开关1。因此，大多能够放弃冷却。如果需要冷却，由于相对低的损耗能量，冷却能够以简单的方式利用空气散热器大多无风扇地实施。
图5和图6示出用于衰减振动的实施，振动基于电子开关1的开关操作产生。电子开关1在时间点t3接通。电流i1通过开关1快速地形成。同时在子网16之间出现暂态，暂态在振动的部分、即在电流i1的振动中示出。这通过电流传感器4和/或电压传感器识别，并且电子开关1的半导体开关2在线性运行中运行，从而基于电压下降经由电子开关1在出口处仅产生降低的电压U1。因此，电子开关1在供能系统10中作为衰减电阻起作用，从而减少振动。振动在时间点t4由于衰减通过电子开关1消失，从而半导体开关2能够重新在接通的状态中低损耗地运行。由于半导体的特性，能够快速对出现的振动做出反应。这使得振动在达到高的振幅之前被消除。因此，用于衰减的损耗能量相对地也是少的。在此，这些优点能够以简单的方式通过使用半导体开关的线性运行被使用。
总之，本发明涉及一种具有半导体开关的电子开关，半导体开关具有驱控电路。为改进电子开关提出，驱控电路构造为，使得半导体开关在接通的状态、在断开的状态或在线性运行中运行。本发明还涉及一种具有这种电子开关、至少一个电源和至少一个用电器的供能系统。本发明还涉及一种用于运行这种电子开关或这种供能系统的方法，其中，电子开关的半导体开关至少暂时地在线性运行中运行。
换句话说，本发明综上涉及一种电子开关，其中，电子开关具有包括驱控电路的半导体开关。为改进电子开关提出，电子开关还具有用于检测流过电子开关的电流的电流传感器和/或具有电压传感器，并且驱控电路设置用于根据借助于由电流传感器和/或电压传感器测量的振动使半导体开关在接通的状态、在断开的状态或在线性运行中运行。本发明还涉及一种具有这种电子开关和两个子电网的供能系统，其中，两个子电网借助于电子开关能够彼此连接。本发明还涉及一种用于运行这种电子开关或这种供能系统的方法，其中，在线性运行中至少暂时地运行电子开关的半导体开关用于衰减振动。

Claims (12)

1.一种电子开关(1)，其中，所述电子开关(1)具有带有驱控电路(3)的半导体开关(2)和用于检测流过所述电子开关(1)的电流的电流传感器(4)和/或电压传感器，其中，所述驱控电路(3)设置用于根据借助于所述电流传感器(4)和/或所述电压传感器测量的振动在接通的状态、在断开的状态或在线性运行中运行所述半导体开关(2)。
2.根据权利要求1所述的电子开关(1)，其中，所述电子开关(1)的所述驱控电路(3)设置用于通过在线性运行中的运行作为衰减电阻来衰减振动。
3.根据权利要求1或2所述的电子开关(1)，其中，所述电子开关(1)设置用于衰减振动，所述振动通过基于所述电子开关(1)的开关操作的暂态而产生。
4.一种供能系统(10)，具有：
-根据权利要求1至3中任一项所述的电子开关(1)，和
-两个子电网(16)，
其中，两个所述子电网(16)能够借助于所述电子开关(1)彼此连接。
5.根据权利要求4所述的供能系统(10)，其中，所述供能系统(10)构造为直流电压网。
6.根据权利要求4或5所述的供能系统(10)，其中，所述电子开关(1)的驱控电路(3)设置用于衰减两个所述子电网(16)之间的振动，尤其用于衰减由于接通所述电子开关(1)通过暂态在两个所述子网(16)之间产生的振动。
7.一种用于运行根据权利要求1至3中任一项所述的电子开关(1)或运行根据权利要求4至6中任一项所述的供能系统(10)的方法，其中，所述电子开关(1)的半导体开关(2)为了衰减振动而至少暂时地在线性运行中运行。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，当借助于电流传感器(4、41)和/或电压传感器识别振动并且所述振动的振幅超过预设的边界值时，所述电子开关(1)的所述半导体开关(2)在线性运行中运行。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，为了识别振动，将电流传感器(4)和/或电压传感器的测量值分为直流部分和交流部分，其中，当所述电流传感器(4、41)和/或所述电压传感器的测量值的交流部分超过第二预设的边界值时，所述电子开关(1)的所述半导体开关(2)在线性运行中运行。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，所述方法用于根据权利要求4至6中任一项所述的供能系统，其中，所述供能系统(10)具有用电器(12)，其中，在所述用电器(12)的额定值改变、尤其是跳跃性改变的情况下，所述电子开关在线性运行中运行。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中，通过线性运行模仿衰减电阻，并且根据电流传感器(4)和/或电压传感器的测量值确定电阻的值。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中，在接通所述电子开关(1)的情况下，所述电子开关(1)的所述半导体开关(2)在第一步中由断开的状态变换为线性运行，并且在第二步中由线性运行变换为接通的状态。
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