CN113785482A - 用于直流电压的保护开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种保护开关装置，用于将具有正和负导体的直流电压支路耦合至直流电压总线，其中，保护开关装置具有熔断保险装置和单向开关模块的串联电路，其中，开关模块具有仅在第一电流方向上能够导通的可控的半导体开关元件和在相反的电流方向上导通的二极管的并联电路。

Description

用于直流电压的保护开关装置
技术领域
本发明涉及一种用于将具有正和负导体的直流电压支路耦合至设备的直流电压总线的保护开关装置。
背景技术
直流电压是指最大1500伏的电压。直至该水平的直流电压也称为低压。更具体地，直流电压特别是是指大于具有120伏直流电压的水平的低电压的电压。直流电压特别是是指400-800伏的电压。
直流电压电路或者直流电路是指用于从2到1000安培的电流、特别是标称电流或者最大电流；更具体地用于从2安培到400安培或者200安培的电流的电路。
直流电压总线是指由至少一个能量源提供直流电压的、具有正导体和负导体的至少两线制系统。(直流电压)设备，例如直流电压用电设备、负载、逆变器、组合的能量汇或者能量源、单纯的(另外的)能量源等，相应地通过直流电压支路，连接到直流电压总线。也可以多个直流电压设备连接到一个直流电压支路。
直流电压设备特别是是指具有1千瓦到500千瓦的功率的设备。
同时，越来越多地开发和构建也称为直流电压网络或者低压直流网络的直流电压电路，其通常具有带有直流电压支路的直流电压总线。
通常通过在此称为开关装置的直流电压开关(DC开关)来保护也称为用电设备支路的直流电压支路。这种开关装置具有两个开关模块，开关模块具有可控的半导体开关元件，其也称为功率电子开关元件，半导体开关元件可能并联连接有二极管。
在图1中示出了根据现有技术的用于将直流电压支路耦合到直流电压总线的开关装置。
图1示出了直流电压总线DCB，直流电压总线DCB具有正导体DCP和负导体DCN，它们与未示出的例如具有600伏的直流电压的直流电压能量源连接。
在直流电压总线DCB上设置有第一直流电压支路DCA1、第二直流电压支路DCA2和第三直流电压支路DCA3；可以设置另外的直流电压支路。
第一直流电压支路DCA1通过第一开关装置SCH1与第一设备G1连接，第二直流电压支路DCA2同样通过第二开关装置SCH2与第二设备G2连接。
第一开关装置SCH1具有第一和第二开关模块SM1、SM2的串联电路。第一开关模块SM1针对第一电流方向具有可控的第一半导体开关元件Q1，并且第二开关模块SM2针对相反的电流方向具有可控的第二半导体开关元件Q2。
第一半导体开关元件Q1并联连接有第一二极管D1，第一二极管D1在与第一半导体开关元件Q1相反的电流方向上导通，并且第二半导体开关元件Q2并联连接有第二二极管D2，第二二极管D2在第一半导体开关元件Q1的第一电流方向上导通。
第一开关装置SCH1实施有双极接头(用于正和负导体)，在该示例中，第一和第二开关模块SM1、SM2位于一个导体中，在该示例中位于第一直流电压支路DCA1的正导体中；负导体是贯通的，并且没有开关模块。替换地，开关模块SM1、SM2也可以布置在负导体中，或者两个导体都可以具有开关模块。
两个开关模块SM1、SM2的串联电路之后是设备侧的或者直流电压支路侧的分离触点，其中，第一分离触点TK1被设置为用于正导体，并且第二分离触点TK2被设置为用于负导体，其一般称为分离触点，用于设备或者用电设备的电流(galvanischen)分离。
第二开关装置SCH2以类似的方式构建。可以以类似的方式构建另外的开关装置。
设备G1、G2通常是具有电容的直流电压设备。在该示例中，第一设备G1具有第一电容C1，第二设备G2具有第二电容C2。在(直流电压)设备的电容中经常存储有大量的能量。
如果在根据图1的直流电压电路/直流电压网络或者DC网络中出现故障，例如在位于第二开关装置SCH2和第二设备G2之间的故障位置F1处出现短路，则从周围的直流电压支路或者DC支路以及位于其中的(设备的)能量源或者电容向那里的短路馈电。这在相关的开关装置、在该示例中为第二开关装置SCH2中导致大的电流，相关的开关装置触发关断。
在此重要的是，其它开关装置或者开关不触发，从而进行所谓的故障的选择性的关断。
此外，其它开关装置应当尽可能少地阻止从相应的直流电压支路或者用电设备支路到短路的电流流动，以便开关装置、在该示例中为第二开关装置SCH2可靠地触发。因此，在开关装置中，可关断的半导体、例如具有绝缘栅电极的双极型晶体管(简称为IGBT)更多地是障碍性的，因为其通常具有去饱和特性，并且起限制电流的作用。此外，这些半导体开关将非常快速地、通常在个位数μs的范围内关断。
如果在故障位置F1处发生短路，那么相关的第二设备G2的第二电容C2(或者第二电容器C2)的能量放电至该故障位置中。附加地，不相关的第一和第三直流电压支路DCA1、DCA3的第一电容C1以及可能的(未示出的)第三电容C3的能量也放电至该故障位置F1中。
第一和第三电容C1、C3可能提供大的(故障)电流。例如，如果第一设备G1具有小的标称电流，则第一开关装置SCH1的尺寸相应地被设计为较小，并且即使在另一个支路中发生故障时，第一开关装置SCH1也可以中断电流流动，或者在另一个支路关断之前，不进一步向该另一个支路馈电。
目标是能够尽可能长时间地(不饱和地)承载开关装置的反向方向上的电流。
迄今为止，通过显著过大地设计开关装置的尺寸来解决该问题，这是昂贵的或者不经济的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，给出所提到的问题的一种解决方案，特别是使得能够选择性地触发直流电压支路中的开关装置。
该问题通过具有权利要求1的特征的保护开关装置来解决。
根据本发明，这通过将(熔断)保险装置和单向截止的半导体开关(具有二极管的可关断的半导体开关元件)组合为针对直流电压的保护开关装置来解决。为此，提供一种保护开关装置，用于将具有正和负导体的直流电压支路耦合至直流电压总线，其中，保护开关装置具有熔断保险装置和单向开关模块的串联电路(或者由其针对要引导的直流电压支路的电流构成)，
其中，开关模块具有仅在第一电流方向上能够导通的、可控的半导体开关元件和在相反的电流方向上导通的二极管的并联电路(或者由其构成)。
在从属权利要求中给出了本发明的有利的设计方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，半导体开关元件是具有绝缘栅电极的双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管或者氮化镓晶体管。
这具有以下特别的优点，即，针对开关模块的半导体开关元件，给出了一种简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，设置有电流传感器，其可以确定电流的大小和电流方向。
这具有以下特别的优点，即，针对没有外部传感器的开关装置，给出了一种集成并且紧凑的解决方案。电流传感器例如可以是基于霍尔效应的传感器。这具有以下特别的优点，即，针对电流的大小和方向的确定，给出了一种简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，在开关模块布置在直流电压支路的正导体中的情况下，半导体开关元件能够与直流电压总线的方向相反地，即在直流电压支路或者与其连接的设备的方向上导通，或者
在开关模块布置在直流电压支路的负导体中的情况下，半导体开关元件能够在直流电压总线的方向上导通。
这具有以下特别的优点，即，针对正或者负导体，给出了一种简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，熔断保险装置布置在直流电压总线侧。
这具有以下特别的优点，即，给出直流电压支路、包括开关模块的分离，使得在触发情况下，开关模块是无电压的。
在本发明的一个有利的设计方案中，设置有控制装置，其与开关模块、特别是半导体开关元件和电流传感器连接。控制装置被设计为，在半导体开关元件能够导通的方向上的电流超过第一阈值时，通过开关模块中断电流流动。
控制装置还可以被设计为，在半导体开关元件能够导通的方向上的电流的上升速度或者上升超过电流上升阈值时，通过开关模块中断电流流动。
这具有以下特别的优点，即，当直流电压支路中的流向设备的电流急剧上升时，(正导体中的开关模块)进行(快速的)断开。然而，当保护开关装置看到直流电压总线的方向上的大的电流(其流经二极管)时，仅进行(熔断)保险装置的触发。仅当电流足够长时间地存在时，才触发熔断保险装置。
在本发明的一个有利的设计方案中，熔断保险装置和单向开关模块的串联电路布置在壳体中，特别是，控制装置包含在壳体中。
这具有以下特别的优点，即，可以在一个壳体中提供保护开关装置。
在本发明的一个有利的设计方案中，壳体具有正导体输入接头、负导体输入接头、正导体输出接头和负导体输出接头。输入接头可以与直流电压总线连接；输出接头可以与直流电压支路连接。开关模块可以将正导体输入接头与正导体输出接头连接，或者将负导体输入接头与负导体输出接头连接。
这具有以下特别的优点，即，呈现具有双极接头和壳体的保护开关装置。
在本发明的一个有利的设计方案中，未与开关模块连接的接头通过电导线相互连接。
这具有以下特别的优点，即，针对具有壳体的保护开关装置，呈现了一种简单的解决方案，其中，以成本低廉的方式进行单极分离。
在本发明的一个有利的设计方案中，熔断保险装置被实施为热电触发的保险装置。
这具有以下特别的优点，即，可以根据另外的标准进行针对性的触发。
在此，特别是，热电触发的保险装置或者热火保险装置(Pyrosicherung)可以由控制装置、特别是控制装置SE1来控制或者触发。当电流传感器提供的信号满足预先确定的条件时，控制装置触发触发信号。在直流电压总线的方向上的电流流动的情况下，条件例如可以是超过I2t值。
在本发明的一个有利的设计方案中，二极管具有低的正向电压，二极管特别地是网络二极管(Netzdiode)或者肖特基二极管。
这具有以下特别的优点，即，在反向方向上存在特别低的电压降，由此，一方面存在低的功率损耗，另一方面，在反向方向上给出最大电流，用于提高选择性。
不仅以引用权利要求1的从属的形式、而且仅引用权利要求的各个特征或者特征组合的所有设计方案，使得开关装置得到改进，从而改善了直流电压网络中的选择性。由此，特别是可以在共同的直流电压总线上运行不同功率等级的设备。
附图说明
所描述的本发明的特性、特征和优点以及实现它们的方式，结合下面对结合附图详细说明的实施例的描述，将变得更清楚并且更容易理解。
在相关的附图中：
图1示出了根据现有技术的直流电压总线上的具有开关装置的直流电压支路的原理图；
图2示出了根据本发明的直流电压总线上的具有保护开关装置的直流电压支路的原理图。
具体实施方式
图1示出了开头已经描述了的根据现有技术的直流电压总线上的具有开关装置SCH1的直流电压支路的原理图。
图2示出了根据图1的原理图，不同之处在于，通过保险装置SI1代替了第一开关模块SM1。在此，保险装置(熔断保险装置)SI1和单向开关模块、在该示例中为第二开关模块SM2的串联电路布置在第一直流电压支路DCA1的正导体中。
此外，在正导体中布置有电流传感器SS，用于确定电流的大小和方向。
单向开关模块SM2与控制装置SE1连接，控制装置SE1又与电流传感器SS连接。控制装置SE1可以与分离触点TK1、TK2连接，以使第一直流电压支路DCA1电流分离。
在此，保险装置SI1、单向开关模块SM2、电流传感器SS和控制装置SE1布置在壳体GEH1中，其形成保护开关装置SCHU1。此外，其可以具有第一(和第二)分离触点TK1、TK2。此外，壳体可以具有正导体输入接头、负导体输入接头、正导体输出接头和负导体输出接头。
在根据图2的示例中，输入接头与直流电压总线DCP、DCN连接。输出接头与第一直流电压支路DCA1连接。单向开关模块SM2连接正导体输入接头与正导体输出接头，其中，还包含保险装置SI、电流传感器SS和第一分离触点。
负导体输入接头通过导线与负导体输出接头连接，其中，可以设置第二分离触点TK2。
替换地，根据本发明的串联电路也可以对应地布置在负导体中(电流方向相反)。同样可以在两个导体中包含根据本发明的串联电路。
在该示例中，在正常情况下，电流流动从直流电压总线DCB的正导体DCP，通过保险装置SI1、电流传感器SS和单向(特别是第二)开关模块SM2、第一分离触点TK1，进入第一设备G1。
电流流动通过第二分离触点和导体进入直流电压总线DCB的负导体DCN。
正导体中的单向开关模块SM2的二极管D2能够与正导体的正常电流方向相反地导通。半导体开关元件Q2能够在正导体的正常电流方向上导通。
如果例如在根据图1的故障情况下，第一直流电压支路DCA1上的第一设备G1上的电压超过直流电压总线DCB上的电压，那么电流“在反向方向上”，从第一设备G1通过二极管D2和熔断保险装置SI1，流向直流电压总线DCB的正导体DCP。
必须针对这种情况将二极管D2相应地设计为功率强大的，并且二极管D2应当具有低正向电压。
利用本发明，对于半导体开关元件Q2，可以有利地使用具有绝缘栅电极的双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管或者氮化镓晶体管。
可以以与第一保护开关装置SCHU1类似的方式来构建第二保护开关装置SCHU2，第二保护开关装置SCHU2可以如图2所示设置在第二直流电压支路DCA2中。可以以类似的方式在另外的直流电压支路中设置另外的保护开关装置。
本发明的新颖性在于，在直流电压电路(具有直流电压支路的直流电压总线)中将保险装置与单向半导体开关组合。由此，在故障情况下，可以可靠地保证系统连接中的选择性。与双向可关断的半导体开关相比，整个系统更鲁棒并且成本更低廉。本发明特别关注去电开关(Abgangsschalter)。与在其它半导体开关的情况下相比，损耗明显更低。由于要控制的半导体的数量减少，控制单元的控制也变得更简单。
虽然在细节上通过实施例更详细地说明并且描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的示例，本领域技术人员可以从中推导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种保护开关装置(SCHU1)，用于将具有正和负导体的直流电压支路(DCA1、DCA2、DCA3)耦合至直流电压总线(DCB)，
其中，所述保护开关装置具有熔断保险装置(SI1)和单向开关模块(SM2)的串联电路，
其中，所述开关模块(SM2)具有仅在第一电流方向上能够导通的可控的半导体开关元件(Q2)和在相反的电流方向上导通的二极管(D2)的并联电路。
2.根据权利要求1所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
所述半导体开关元件(Q2)是具有绝缘栅电极的双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管或者氮化镓晶体管。
3.根据权利要求1或2所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
设置有电流传感器(SS)，所述电流传感器能够确定电流的大小和电流方向。
4.根据权利要求1、2或3所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
在所述开关模块(SM2)布置在直流电压支路的正导体中的情况下，所述半导体开关元件(Q2)能够与直流电压总线(DCB)的方向相反地导通，或者
在所述开关模块(SM2)布置在直流电压支路的负导体中的情况下，所述半导体开关元件(Q2)能够在直流电压总线(DCB)的方向上导通。
5.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
所述熔断保险装置(ST1)布置在直流电压总线(DCB)侧。
6.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
设置有控制装置(SE1)，所述控制装置与所述开关模块(SM2)、特别是所述半导体开关元件(Q2)和所述电流传感器(SS)连接，
所述控制装置被设计为，
在所述半导体开关元件能够导通的方向上的电流超过第一阈值时，通过所述开关模块(SM2)中断电流流动。
7.根据权利要求6所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
所述控制装置(SE1)还被设计为，在所述半导体开关元件能够导通的方向上的电流的上升速度超过电流上升阈值时，通过所述开关模块(SM1)中断电流流动。
8.根据权利要求6或7所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
所述熔断保险装置(SI1)和所述单向开关模块(SM2)的串联电路布置在壳体(GEH)中，特别是所述控制装置(SE1)包含在所述壳体(GEH)中。
9.根据权利要求8所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
所述壳体(GEH)具有正导体输入接头、负导体输入接头、正导体输出接头和负导体输出接头；
所述输入接头能够与直流电压总线(DCB)连接；
所述输出接头能够与直流电压支路(DCA1)连接；
所述开关模块(SM2)设置在正导体输入接头与正导体输出接头之间，或者
所述开关模块(SM2)设置在负导体输入接头与负导体输出接头之间。
10.根据权利要求9所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
没有所述开关模块(SM2)的接头通过电导线相互连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
所述熔断保险装置(SI1)实施为热电触发的保险装置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
所述二极管(D2)具有低的正向电压，特别地是网络二极管或者肖特基二极管。
13.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SCHU1)，
其特征在于，
在去电开关中使用所述保护开关装置(SCHU1)。
14.一种直流电压支路，所述直流电压支路具有根据权利要求1至13中任一项所述的保护开关装置(SCHU1)，其中，所述保护开关装置一方面与直流电压总线(DCB)连接，另一方面与设备(G1)、特别是用电设备连接。
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