CN114514700A - 电子保护开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子保护开关(1)，具有两个相同类型的半导体开关(2)，两个半导体开关分别具有一个开关元件(21)和一个与开关元件(21)反并联布置的二极管(22)。为了改进电子开关提出，电子开关还具有第一电源接口(3)和第二电源接口(4)，这些电源接口分别具有一个正电势接口(31，41)和一个负电势接口(32，42)，其中，半导体开关(2)中的第一半导体开关在没有半导体串联电路的情况下被布置在第一电源接口(3)的正电势接口(31)与第二电源接口(4)的正电势接口(41)之间，并且半导体开关(2)中的第二半导体开关在没有半导体串联电路的情况下被布置在第一电源接口(3)的负电势接口(32)与第二电源接口(4)的负电势接口(42)之间，其中，相应的半导体开关(2)的开关元件(21)被布置为，使得能够引导并且关断从第一电源接口(3)到第二电源接口(4)的电流。本发明还涉及一种电网(5)，特别是直流电压网络(6)，具有第一子电网(51)和第二子电网(52)，其中，电网(5)具有这种电子保护开关(1)，用于将第一子电网(51)和第二子电网(52)彼此断开，其中，第一子电网(51)与第一电源接口(3)连接并且第二子电网(52)与第二电源接口(4)连接。本发明还涉及一种用于运行这种电网(5)的方法。

Description

电子保护开关
技术领域
本发明涉及一种具有两个半导体开关的电子保护开关，每个半导体开关分别具有一个开关元件和一个与该开关元件反并联地布置的二极管。此外，本发明涉及具有第一和第二子电网以及用于将第一子电网与第二子电网断开的这种电子保护开关的电网。本发明还涉及一种用于运行这种类型的电网的方法。
背景技术
如今，机械和电子开关用于切换电流。在机械开关的情况下，开关的两个接口之间的接触以机械的方式接通或断开。这特别适用于交流电压电流的切换，因为它们制造成本低，并且由于电流的过零，切换操作也能够以简单的方式实现。对于直流电的切换，机械开关变得更加复杂，因为发生的电弧使切换行为更加困难。如今在这里经常使用电子开关。它们使用一个或多个能关断的半导体开关作为开关元件。这些半导体开关具有在没有电弧的情况下也能够以简单的方式切换直流电的优点。然而，这些电子开关具有正向损耗。另一方面，电子开关具有快速切换能力和大量可行的切换操作的优点。这导致电子开关的使用寿命长。
从EP 3379 725A1已知一种电子开关，也称为直流开关。该文献描述了一种用于控制这种直流开关的方法，其中，该直流开关具有第一能关断的半导体开关和第二能关断的半导体开关，其中，第一能关断的半导体开关和第二能关断的半导体开关布置在第一接口与第二接口之间，使得具有第一极性的电流能够通过第一能关断的半导体开关被引导并且具有与第一极性相反的极性的电流能够通过第二能关断的半导体开关被引导，其中，根据电流测量值来关断其中一个能关断的半导体开关。
由于所使用的半导体开关通常只能关断一个电流方向的电流，因此在一个电子开关中经常使用至少两个半导体开关。在此，半导体具有能够在一个方向上打开和关闭电流的开关元件。另一个方向的电流通过相对于开关元件并联布置的二极管在开关元件处旁路。对此称为二极管与开关元件反并联地布置。因此，通过使用串联布置在电子开关的接口之间的两个半导体开关，能够在两个电流方向上切换通过电子开关的电流，尤其是关断。半导体开关的这种布置彼此反串联地实现。这意味着第一半导体开关能够关断第一极性的电流，即在一个电流方向上，第二开关能够关断相反极性的电流，即相反的电流方向。
对于在直流电压网络中的使用，其中负载通过导线或母线(通常也称为引线或馈电线)与直流电压源连接，仅为两条引线之一设置电子开关就足够了。使用这种电子开关，能够可靠地中断能量供应网络与负载之间的供能。这是因为相同大小但不同极性的电流总是流过两条引线，两条引线之间施加直流电压。特别是在隔离的直流电压网络中，电子开关仅布置在一条引线中，以保持低成本和低损耗。但是，如果想可靠地识别和控制接地故障并对其进行定位，则需要在两条引线中放置一个相应的电子开关。通过测量各条引线中两个电子开关两端的电压，能够获得足够的信息，从而能够识别和定位接地故障。
电网是相互连接的能源和/或用电设备的网络。这些能够分为单独的子电网。电网在此具有用于传输电能的直流或交流电压。
发明内容
本发明的目的在于改进用于直流电压网络的电子开关。
该目的通过一种电子保护开关实现，其具有两个半导体开关，两个半导体开关分别具有一个开关元件和一个与开关元件反并联布置的二极管，还具有第一电源接口和第二电源接口，它们分别具有一个正电势接口和一个负电势接口，其中，第一半导体开关在没有半导体串联电路的情况下被布置在第一电源接口的正电势接口与第二电源接口的正电势接口之间，并且第二半导体开关在没有半导体串联电路的情况下被布置在第一电源接口的负电势接口与第二电源接口的负电势接口之间，其中，相应的半导体开关的开关元件被布置为，使得能够引导并关断从第一电源接口到第二电源接口的电流。此外，该目的通过一种具有第一子电网和第二子电网的电网，尤其是直流电压网络实现，其中，电网具有用于将第一子电网和第二子电网彼此断开的电子保护开关，其中，第一子电网与第一电源接口连接并且第二子电网与第二电源接口连接。此外，该目的还通过一种用于运行这种电网的方法实现，其中，在出现接地故障的情况下在电网中断开电子保护开关。
本发明的其他有利的设计方案在从属权利要求中给出。
本发明基于以下认知，即适用于在电网、特别是直流电压网络中发生故障的情况下、特别是发生接地故障的情况下用于防止损坏的电子开关，通过半导体开关的与已知的电子开关相比的不同的布置来改进。为此，已知电子开关的两个反串联存在的半导体开关现在分布式地布置在供电网络、电源或通常为第一子电网与负载、用电器或通常为第二个子电网之间的不同的引线中。由此，第一电源接口与第二电源接口之间的连接不再具有半导体开关的串联电路。由于在第一与第二电源接口之间不再存在半导体的串联连接，因此这种布置也被称为在没有半导体串联电路的情况下。在此，两个子电网能够分别具有任意数量的电源和/或负载，例如用电设备。
半导体开关具有开关元件和二极管。在此，二极管相对于开关元件反并联地布置。虽然开关元件能够在一个电流方向上引导和传导电流，但二极管只能在相反方向上引导电流，而不能切换。
两个相同类型的半导体开关被理解为半导体开关的相同结构。例如，双极晶体管和场效应晶体管具有不同的结构。在此，各个半导体开关还根据NPN或PNP类型或根据P沟道或N沟道的类型进行区分。因此，两个相同类型的半导体开关被定义为他们是相同类型的。
由于电子开关被设置以防止故障或故障在电网中的影响，因此它也被称为电子保护开关。在反并联布置中，半导体开关被布置成，使得能够将电流从第一电源接口引导到第二电源接口并且将其关断，并且相应的半导体开关的二极管被布置成，使得能够将电流从第二电源接口引导到第一电源接口。在此，相应的半导体开关的开关元件布置在第一与第二电源接口之间，使得在各个电势接口中的电流通过开关元件从第一电源接口流向第二电源接口，并且在相反方向上的电流通过与开关元件反并联布置的二极管从第二电源接口流向第一电源接口。可替换地，也能够将相应的半导体开关的开关元件布置在第一与第二电源接口之间，使得在各个电势接口中的电流通过开关元件从第二电源接口流向第一电源接口，并且在相反方向上的电流通过与开关元件反并联布置的二极管从第一电源接口流向第二电源接口。
通过不同的引线中的布置，能够断开供电网络与负载之间的连接，并且进而断开供电网络与负载之间的能量交换，即使在相应的引线中仅存在一个开关元件，因为通过引线分别流动相同大小但方向不同的电流。一个方向上的电流之和等于分布在不同的引线上的另一方向上的电流之和。在此，半导体布置在相应的引线中，使得它们能够在一个方向上关断该电流，特别是从第一电源接口到第二电源接口。因此，子电网(例如能量源和负载)之间的连接和能量交换能够被中断。电子保护开关因此具有总共至少四个接口，至少两个作为第一电源接口，用于与第一子电网连接，例如能量源，以及至少两个作为第二电源接口的其他接口，用于与第二子电网连接，例如负载。
在直流电压网络中，电子保护开关有利地具有正好两个电势接口作为第一电源接口和正好两个电势接口作为第二电源接口，因为对于这些应用，在能量源与负载之间正好存在两条引线，在其之间施加电源电压，即直流电压。相应的电源接口的两个电势接口然后被设置用于，在直流电压网络的情况下一方面连接到负载或能量源的正电位以及连接到能量源或负载的负电位。通常，代替能量源和负载，它能够是第一子电网，即第一直流电压子网，和第二子电网，即第二直流电压子网。因此，这些电势接口分别也称为正电势接口或负电势接口。通过两条引线的电流在无误差的操作中相同，但符号不同。换言之，电流在两条引线中具有不同的极性。在此，它是能量源与负载之间的正向电流和反向电流。
通常，这种电子保护开关也适用于单相交流电压网络的应用。这也具有两条引线，半导体开关能够分布在这些馈电上。然后，电子保护开关的每个电源接口也具有两个电势接口，其中例如，正电势接口与相位连接，并且负电源接口与中性导体连接。
在三相电网中的应用也是可行的。根据设计方案，它具有三条或四条引线(三相和必要时的中性导体)。用于这种网络的电子保护开关然后具有三个或四个电势接口。在这里，开关元件也都布置在第一与第二电源接口的各个电势接口之间，使得能够将电流从第一电源接口引导到第二电源接口并且将其关断。在此，半导体也在没有半导体串联电路的情况下布置在第一与第二电源接口之间，也就是说，不使用两个半导体开关的串联连接。半导体开关的二极管也相应地与开关元件反并联地位于这种布置中。
为了能够可靠地定位诸如接地故障之类的故障，不可能仅在一条引线中布置电子开关。到目前为止，对于这种情况，因此已经使用了两个电子开关，两个电子开关分别具有两个半导体，用于连接供电网络与负载。然而，在这种情况下，通过各个开关的正向损耗，在相应的半导体导体上导致总共四倍的正向损耗。通过所提议的具有总共只有两个半导体的电子保护开关，能够将正向损耗减半。它也能够更便宜地生产，因为只需要一半的半导体，并且由此能够节省昂贵的半导体开关。
通过半导体开关的布置，第一半导体开关能够引导和中断从第一电源接口的正电势接口到第二电源接口的正电势接口的电流，并且第二半导体开关能够引导和中断从第一电源接口的负电势接口到第二电源接口的负电势接口的电流。因此，两个子电网之间的电流能够不依赖能量流动方向被中断。
在本发明的有利的设计方案中，电子保护开关分别具有电压检测器，用于测量第一电源接口的正电势接口与地电势之间的电压和/或第一电源接口的负电势接口与地电势之间的电压和/或第二电源接口的正电势接口与地电势之间的电压和/或第二电源接口的负电势接口与地电势之间的电压。
与仅在一条引线中的电子开关相比，在相应的引线中具有分别一个半导体的电子保护开关具有也能够获得有关第二引线的状态信息的优点。在直流电压网络中，两个半导体开关在此分布在两条引线上。在此，在第一电源接口与地电势之间和在第二电源接口与地电势之间，借助于相应的电压检测器，根据在相应的半导体开关上的正向电压或在电流流过二极管时二极管上的正向电压来测量不同的值。这些信息在识别和定位故障时是有帮助的，例如直流电压网络中的接地故障。换言之，通过将电子开关的半导体从一条引线分成两条引线，能够获得测量中的自由度，从中能够确定关于故障的信息，特别是直流电压网络中的接地故障。与在两条引线之一中只有一个电子开关的布置相反，在通过半导体开关或对应的另一条馈电线中的二极管产生电流的情况下，根据半导体开关的两个接口相对于地电势的不同电势的正向电压，能够可靠地定位接地故障。同时，电子保护开关不具有任何更高的损耗，因为它通过正好两个半导体开关在要切换的电流路径中被构建用于直流电压网络中的应用。由于在接地故障的情况下，只有正好一个半导体接口的电势等于地电势，因此能够从这些信息中将该接口识别为接地故障的位置。
通过定位接地故障，能够将这些信息传输到更高级别或其他的控制或保护设备处，然后安全地关断存在故障的区域。因此，通过电子保护开关也能够实现安全的运行。然后，受影响的区域能够例如借助于其附属的半导体开关或机械开关关断，这在正常运行期间几乎不会产生任何损耗，并且只需要针对少量的开关操作进行设计。
在本发明的另一个有利的设计方案中，两个相同类型的半导体开关分别由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)半导体开关形成。IGBT根据其载流能力和阻断能力，特别适用于实现所提出的保护开关。其结构基于NPN型晶体管。因此，能够对称地构造电路，并且对于正电势接口和负电势接口的特性相同。此外，IGBT的反应速度足够快，即使在发生接地故障的情况下也能够足够快地将子网络彼此断开。此外，它的阻断能力和过载能力足够，特别是在使用感应负载时，以便能够安全地将网络彼此断开。
附图说明
在下文中，将参照附图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。图中示出：
图1示出了通过已知的电子开关对负载的能量供应，
图2示出了电子保护开关和
图3示出了直流电压系统。
具体实施方式
图1示出了已知的布置，其中能量源55通过两个已知的电子开关7与负载56连接。电子开关7在此布置在将能量源55与负载56电连接的各个引线57中。在此，例如这是一种直流电压网络，其中能量源55和负载56通过两条引线57彼此连接，并且其中，在两条引线57之间施加直流电压。为了能够将负载56与能量供应网络55分离，在两条引线57的每一个中分别存在一个电子开关7。通过两条引线57中的电子开关7能够可靠地关断仅两条引线57之一中的电流，例如在接地故障中能够出现的电流。
电子开关7具有串联连接布置的两个半导体开关2的串联连接。在此，半导体开关2具有开关元件21，该开关元件能够在一个方向上传导并关断电流。二极管22与该开关元件21并联布置，但是二极管不能够关断相反方向的电流。二极管22因此被布置为与开关元件21反并联。半导体开关2在此反串联布置。反串联意味着能够通过电子开关7借助于两个半导体开关2之一在一个方向上关断电流，并且能够通过两个半导体开关2中的另一个在相反方向上关断电流。
图2示出了电子保护开关1。它具有两个半导体开关2，其中二极管22与开关元件21分别反并联布置。与已知的电子开关7相比，它总共具有四个相接口31、32、41、42。这些相接口中的两个31、32形成第一电源接口3，这些相接口中的另外两个41、42形成第二电源接口4。两条引线都连接在第一和第二电源接口3、4处，在直流电压网络6中使用的情况下，直流电压施加在该引线处。因此，在第一电源接口3和第二电源接口处的相接口31、32、41、42分别具有该直流电压的正电势和负电势。为了能够区分电源接口的接口，这些接口被称为正电势接口31、41和负电势接口32、42。如果在交流电压网络中使用电子保护开关并且这涉及相接口和中性导体接口，则该名称也保留在下文中。
半导体开关2布置在引线中，使得第一电源接口3与第二电源接口4之间的能量流被中断。该中断能够确保用于两个能量流动方向，因为在第一电源接口的正电势接口31与第二电源接口4的正电势接口41之间流动着和第一电源接口3的负电势接口32与第二电源接口4的负电势接口42相同的电流。电流仅在它们的方向上不同。该电流在此是从能量源到负载的正向电流和反向电流。为了能够不依赖能量流动方向中断能量流，电流一次流过开关元件21并且一次流过二极管22。因此能够不依赖能量流动方向中断电流。
与根据图1使用两个电子开关7相比，在电子保护开关的情况下，在整个电路中，对于正向电流和反向电流仅出现两次半导体开关2的正向损耗，而在使用两个电子开关7的情况下出现四次。因此，与已知的解决方案相比，电子保护开关1能够将损耗减半。
通过半导体开关2的布置，第一半导体开关能够引导和中断从第一电源接口3的正电势接口31到第二电源接口4的正电势接口41的电流，并且第二半导体开关能够引导和中断从第一电源接口3的负电势接口32到第二电源接口4的负电势接口42的电流。因此，能够不依赖于能量流动方向中断两个子电网之间的电流。
图3示出了电网5。通过其间的两条引线，电网例如能够是直流电压网络6。可替换地，也能够设计为交流电压网络。该电网5通常具有第一子电网51和第二子电网52。它们通过两条引线57相互连接，其中，电子保护开关1被引入这些引线57中，以便能够将两个子网络彼此分离或相互连接。子电网51、52在此能够具有一个或多个未详细示出的能量源和/或一个或多个未详细示出的负载，例如用电设备。在此，子电网可能具有能量源和负载的组合。在简单的情况下，一个子电网51是构造为直流电压源的能量源，并且第二子电网是供应有直流电压的负载。借助于电子保护开关1，能够不依赖能量流动方向中断两个子网络之间的能量流。此外，这种布置允许通过测量和评估相对于地电势施加在相应的电位31、32、41、42处的电压来识别和定位发生的故障，特别是接地故障。这对于在隔离的直流电压网络中的使用特别有利。
总之，本发明涉及一种电子保护开关，其具有两个半导体开关，两个半导体开关分别具有一个开关元件和一个与该开关元件反并联布置的二极管。为了改进电子开关，特别是关于在运行中出现的损耗和关于故障定位而提出，电子开关还具有第一电源接口和第二电源接口，它们电源接口分别具有一个正电势接口和一个负电势接口，其中，第一半导体开关在没有半导体串联电路的情况下被布置在第一电源接口的正电势接口与第二电源接口的正电势接口之间，并且第二半导体开关在没有半导体串联电路的情况下被布置在第一电源接口的负电势接口与第二电源接口的负电势接口之间，其中，相应的半导体开关的开关元件被布置为，使得能够引导并关断从第一电源接口到第二电源接口的电流。本发明还涉及具有第一子电网和第二子电网的电网，特别是直流电压网络，其中，电网具有用于将第一子电网和第二电网彼此断开的电子保护开关，其中，第一子电网与第一电源接口连接并且第二子电网与第二电源接口连接。此外，本发明还涉及一种用于运行这种电网的方法。

Claims (7)

1.一种电子保护开关(1)，具有：
-两个相同类型的半导体开关(2)，所述半导体开关分别具有一个开关元件(21)和一个与所述开关元件(21)反并联布置的二极管(22)；和
-第一电源接口(3)和第二电源接口(4)，所述第一电源接口和所述第二电源接口分别具有一个正电势接口(31，41)和一个负电势接口(32，42)，
其中，两个相同类型的半导体开关中的第一半导体开关(2)在没有半导体串联电路的情况下被布置在所述第一电源接口(3)的正电势接口(31)与所述第二电源接口(4)的正电势接口(41)之间，并且两个相同类型的半导体开关中的第二半导体开关(2)在没有半导体串联电路的情况下被布置在所述第一电源接口(3)的负电势接口(32)与所述第二电源接口(4)的负电势接口(42)之间，其中，相应的半导体开关(2)的开关元件(21)被布置为，使得能够引导并且关断从所述第一电源接口(3)到所述第二电源接口(4)的电流。
2.根据权利要求1所述的电子保护开关(1)，其中，所述电子保护开关(1)正好具有两个半导体开关(2)，所述半导体开关用于在直流电压网络中的电源接口(3，4)之间接通电流。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的电子保护开关(1)，其中，所述电子保护开关(1)分别具有电压检测器，所述电压检测器用于测量所述第一电源接口(3)的正电势接口(31)与地电势之间的电压，和/或测量在所述第一电源接口(3)的负电势接口(32)与所述地电势之间的电压，和/或测量所述第二电源接口(4)的正电势接口(41)与所述地电势之间的电压，和/或测量所述第二电源接口(4)的负电势接口(42)与所述地电势之间的电压。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电子保护开关(1)，其中，两个相同类型的所述半导体开关分别由IGBT半导体开关形成。
5.一种具有第一子电网(51)和第二子电网(52)的电网(5)，所述电网特别是直流电压网络(6)，其中，所述电网(5)具有根据权利要求1至4中任一项所述的电子保护开关(1)，所述电子保护开关用于将所述第一子电网(51)和所述第二子电网(52)彼此断开，其中，所述第一子电网(51)和所述第一电源接口(3)连接并且所述第二子电网(52)和所述第二电源接口(4)连接。
6.一种用于运行根据权利要求5所述的电网(5)的方法，其中，当所述电网(5)中发生接地故障时，所述电子保护开关(1)断开。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，由对所述第一电源接口(3)的正电势接口(31)与地电势之间的电压的测量，和/或对所述第一电源接口(3)的负电势接口(32)与所述地电势之间的电压的测量，和/或对所述第二电源接口(4)的正电势接口(41)与所述地电势之间的电压的测量，和/或对所述第二电源接口(4)的负电势接口(42)与所述地电势之间的电压的测量来得出故障的位置。
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