CN115667949A - 用于直流电网的开关设备和用于开关设备的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于直流电网的开关设备，其具有可控的第一半导体开关和用于第一半导体开关的控制器，第一半导体开关具有控制触点和两个负载触点，控制器被设计用于借助控制触点处的电控制信号控制第一半导体开关，其中，控制器被设计用于执行以下步骤：利用控制脉冲驱动第一半导体开关，该控制脉冲在功能正常的半导体开关中在小于1ms的时间段内引起半导体开关的电导率降低；将电流施加到包括第一半导体开关的检查电路上；确定代表第一半导体开关上的电压或电压变化的第一值作为控制脉冲和施加的结果；根据第一值确定并且输出代表第一半导体开关功能正常的信号。

Description

用于直流电网的开关设备和用于开关设备的运行方法

用于直流电网的开关设备应用在这样的电网中，以便将各个耗电器、但也将子电网(电网支路或负载范围)与直流电网的其余部分分离。这种分离可以是通过上级控制器的开关命令有意关断，或者在保护功能的意义上由开关设备本身引起，例如在故障情况下。

在此已经证明有利的是，在这种开关设备中使用可控的半导体开关，例如IGBT。在此，开关设备的半导体开关中的至少一个典型地布置在负载电流路径中并且在接通状态下承担全部的负载电流。因此，在正常运行中，半导体开关持续地接通。因此，在这种正常运行中，只能识别出使开关变为高阻抗的缺陷。导致开关不再能够建立截止电压的所有缺陷只有在下一次关断时，即在开关失效时才会被识别出来。在这种情况下，不再提供对设备的保护。

在双向开关设备中，两个半导体开关通常反串联地布置在负载电流路径中。经常使用这样的半导体开关，该半导体开关作为构件或本征地包括并联的续流二极管，例如IGBT。在这些情况下，如果电流方向是这样的，即续流二极管阻止在其中一个半导体开关上建立电压，即两个半导体开关中的另一个(没有缺陷的)建立截止电压，那么即使在下一次关断时也不能识别到，所述其中一个半导体开关在导通方面有缺陷。

本发明的要解决的技术问题是，提供一种避免提到的缺点的开关设备，特别是允许与电流方向无关的功能检查。另外的要解决的技术问题在于，提供一种用于这种开关设备的改进的运行方法。

上述技术问题通过具有权利要求1的特征的开关设备来解决。另外的解决方案在于具有权利要求9的特征的运行方法。

根据本发明的用于直流电网的开关设备具有可控的第一半导体开关，例如IGBT，该可控的第一半导体开关具有控制触点和两个负载触点。此外，开关设备包括用于第一半导体开关的控制器，该控制器被设计用于，借助控制触点处的电控制信号、即例如利用栅极上的电压或控制电流来控制第一半导体开关。

控制器被设计为，利用控制脉冲来驱动第一半导体开关，该控制脉冲对于功能正常的半导体开关在小于1ms的时间段内引起半导体开关的电导率的降低。

此外，开关设备被设计为，将电流施加到检查电路上，其中，检查电路包括第一半导体开关。采集和确定代表第一半导体开关上的电压或电压变化的第一值作为控制脉冲和施加的结果。根据第一值又导出和输出代表第一半导体开关功能正常的信号。

因此，通过关断第一半导体开关并且将电流施加到包括第一半导体开关的检查电路上，有利地实现了用于开关的功能检查，该功能检查不依赖于第一半导体开关实际上本身也建立截止电压。

特别有利的是，开关设备包括可控的第二半导体开关。在这种情况下，控制器可以被设计为利用控制脉冲驱动两个半导体开关，以便在短时间内关断负载电流。在此有利的是，开关设备包括放电网络，该放电网络与半导体开关并联地布置，并且对于短的关断时间段承担负载电流并且在此建立不太大的电压。

如果半导体开关分别包括并联的续流二极管并且反串联连接，则控制脉冲仅在两个半导体开关中的一个半导体开关中引起电压建立。涉及到两个半导体开关中的哪一个取决于负载电流的电流方向。下面假定为第二半导体开关。然后在第一半导体开关中通过续流二极管限制电压建立。控制器可以被设计为，附加地确定代表第二半导体开关上的电压或电压变化的第二值作为控制脉冲的结果。根据两个确定的值来确定和输出代表两个半导体开关功能正常的信号。

根据本发明的开关设备和运行方法的其他有利的设计方案由从属权利要求得出。在此，独立权利要求的实施方式可以与其中一个从属权利要求的特征或者优选也与多个从属权利要求中的特征组合。因此，还可以附加地设置以下特征：

控制器可以被设计为，使用小于10μs、特别是小于5μs的时间段。从这些短的开关时间中得到对正在进行的运行的有利的非常小的影响。由此，通过存储在直流电网中的能量在例如放电网络的与半导体开关并联存在的电容上产生的电压建立保持为较小。特别是对于容性负载，由此在重新接通的情况下下较低地保持平衡电流。

控制器可以被设计为，利用控制脉冲引起一个或多个半导体开关的电导率降低，但不引起关断。虽然相应的驱动电路、例如栅极电路必须适合于此，但这有利地实现了更平缓的功能检查，相对于完全关断对电网运行具有更小的反作用。

替换地，控制器可以被设计为，利用控制脉冲完全关断一个或多个半导体开关，即(只要它们是功能正常的)将它们置于非导通状态中。由此得到相对于电导率降低的更明确的信号，并且控制触点的驱动不需要附加开销，因为本来就必须能够实现关断。

只要开关设备包括两个半导体开关，开关设备也可以具有用于每个半导体开关的检查电路。因为检查电路对于在关断时在很大程度上保持无电压的那个半导体开关的功能检查是必需的，所以这实现了与电流方向无关地对两个半导体开关进行功能检查。

检查电路可以包括电阻式分压器，第一或第二半导体开关与该电阻式分压器的电阻并联连接。由此能够实现将半导体开关的截止能力简单且直接地转换成代表值(电压)。

电阻式分压器的电阻可以有利地具有小于10kOhm、特别是小于5kOhm的电阻值。通过电阻的值和所施加的检查电压得到流经待检查的半导体开关的负载触点的电流。电流又调节如下速度，即如果存在截止能力，则以该速度在关断的半导体开关上建立电压。由此得出测量的速度。所述值有利地可以实现在时间窗中足够快速地测量，该时间窗规定了通过控制脉冲的关断并且根据设计方案仅为10μs或更小。

在根据本发明的用于直流电网的开关设备的运行方法中，该开关设备具有可控的第一半导体开关，该第一半导体开关具有控制触点和两个负载触点，第一半导体开关借助控制触点处的电控制信号来控制，并且此外，第一半导体开关利用控制脉冲来驱动，该控制脉冲在功能正常的半导体开关中在小于1ms的时间段内引起半导体开关的电导率的下降。将电流施加到检查电路上，其中，检查电路包括第一半导体开关。确定代表第一半导体开关上的电压或电压变化的第一值作为控制脉冲和电流的施加的结果，并且根据第一值确定和输出代表第一半导体开关功能正常的信号。

本发明的主要优点在于，实现了可靠地评估开关设备的功能性，尤其是在具有反串联连接的半导体开关的情况下。通过检查，可以早期地识别出故障，这些故障例如由老化、组件的自发失效或例如过高的温度或电压引起的过载导致。这防止了由于保护功能或开关功能的失效导致的后续故障或生产故障而造成的损坏，提高了连接到电网的电气设备的可用性，并且还能够提高维护间隔之间的时间间隔。

在此，可以有利地在正在进行的运行中执行检查。因此，不需要为了检查开关设备而关断连接在其上的耗电器或每个耗电器。在此有利地，两个电流方向在一个检查间隔内出现并不重要。特别有利的是，即使在完全不存在负载电流的情况下也可以进行检查。

下面根据在附图中示出的实施例更详细地描述和解释本发明。

附图中示意性地：

图1示出了具有子电网的直流电网，

图2示出了具有放电网络和检查电路的双向直流电压开关。

图1示出了示意性的直流电网10或DC电网10。直流电网10包括直流电压源11，该直流电压源11向直流电网10供应直流电压。直流电压源11例如可以是与供电网络连接的整流器。但也可能的是，直流电压源是与整流器连接的发电机。

直流电网10还包括一系列网络参与者16。在图1中，这些网络参与者16全部以相同的方式示出，但实际上理解为：网络参与者16可以具有非常不同的特性。因此，网络参与者16中的一个或多个可以是部分电容性或电感性的负载，而不是纯电阻性的负载。例如，一部分网络参与者16可以是电动机。同样可能的是，网络参与者16是产消者(Prosumer)，即不仅作为能量消耗者出现，而且还可以将电能反馈到直流电网10中。例如，网络参与者16可以包含蓄电池。最后，网络参与者16中的一些也可以是或包含发电机、例如光伏设备。

在图1中示出的示例性的直流电网10包括第一和第二子电网12、13。第一子电网12包括直流电压源11和网络参与者16中的一些。第二子电网13包括一些另外的网络参与者16。两个子电网12、13在直流电网10中通过直流电压开关14或简称直流开关(DC-Schalter)14彼此连接。因此，子电网12、13可以通过直流开关14彼此分离。因为在直流开关14中不能可靠地确定电流流动方向，所以在此涉及双向直流开关14。

在另外的网络参与者16附近，直流电网同样分别包括直流开关14。对于某些应用可能的是，在此使用单向直流开关。然而，对于该示例，假设也在网络参与者16附近使用双向直流开关14。

图2示出了这种双向直流开关14，如其在示例性的直流电网10中使用的那样。直流开关14包括具有并联的续流二极管153的第一IGBT 151。此外，直流开关14包括控制器152，该控制器152与IGBT 151的栅极接头连接并且在直流开关14的运行中通过不同电压水平形式的控制信号对其进行驱动。附加地，其具有第二IGBT 155，该第二IGBT 155与IGBT 151反串联地连接、即串联地并且在相反的取向上连接。第二IGBT 155同样具有并联的续流二极管156，该续流二极管156同样与续流二极管153的取向相反地布置。第二IGBT 155也由控制器152控制，即提供栅极电压。图2的直流开关14由此是双向直流开关，即可以与其方向无关地关断负载电流。

此外，直流开关14包括放电网络20。其具有三个支路，其中第一支路和第二支路彼此并联并且与两个IGBT 151、155并联连接。第一支路包括压敏电阻201与电容器202的串联电路。第二支路包括电阻203与第二电容器204的串联电路。第三支路包括与第二电容204并联的第二电阻。第一支路和第二支路中的元件之间的中心接头也被连接。

放电网络20负责：在通过直流开关14关断时，在直流电网10中、即例如在线路电感191、192中感应地存储的能量被耗散，而不会导致过电压，该过电压会导致IGBT 151、155的损坏。除了在图2中示出的放电网络20的形式之外，还存在其他形式，这些形式同样能够承担所描述的任务。

直流开关14串联地接入到直流线路中，在该直流线路中电流沿电流方向18流动。因此，在持续的运行中能够直接地识别出直流开关14的故障，该故障导致永久的且不期望的、即不是由控制器152引起的高阻抗状态。反之，不能直接地识别出开关永久保持低阻抗的状态，而只能在下一次尝试关断时在关断不起作用的情况下识别出。因此，直流开关14的控制器152被设计用于，为了针对直流开关14、即针对IGBT 151、155进行功能检查，利用合适的控制脉冲执行IGBT 151、155的短暂关断。

如果IGBT 151、155正常工作，则放电网络20接管负载电流。由于放电网络20在电流路径中具有电容器，IGBT 151、155的短暂关断导致直流开关14上的电压的近似线性的升高，而负载电流流经放电网络20并且电容器202、204被充电。

但这仅当IGBT 151、155在控制器152的通常引起关断、例如栅极电压降低的控制脉冲的情况下也实际上导致IGBT 151、155不导通时才适用。因此，可以通过检测IGBT 151、155上的电压来确定，IGBT 151、155是否以所设置的方式对控制脉冲作出反应。如果这样做，则作为对控制脉冲的响应进行电压建立。如果没有进行电压建立或过低的电压建立，则存在故障。为了确定故障情况，例如可以设置阈值电压。如果由于控制脉冲而未达到该阈值电压，则存在故障。

适宜的是，设置关断时间，使得直流开关14的输入端与输出端之间的电压差在控制脉冲的持续时间期间不会变得太大。控制脉冲的小于1ms的持续时间对此是适宜的。特别地，对于直流开关14的功能检查来说，小于10μs的持续时间已经足够了。由于在μs范围内的持续时间较短，功能检查对持续运行的影响一般保持在较低水平，并且特别是在容性负载的情况下，在重新接通时、即在控制脉冲结束时，平衡电流保持在较低水平。

在直流开关14的替换实施例中，控制脉冲被设置为，使得其不导致IGBT 151、155的关断，而是仅导致电导率的降低。例如，栅极电压的降低可以比完全关断IGBT 151、155所需要的小。IGBT 151、155然后继续在有源区中工作并且传导负载电流。尽管如此，IGBT151、155上的电压由于控制脉冲而上升。

以这种方式，对于IGBT 151、155的功能检查是可能的，其中在完全关断的情况下在IGBT 151、155上产生的电压更小地出现，并且因此在控制脉冲的相同持续时间下，过电压或平衡电流的问题更少地出现。与此相反，控制器152必须被设计为，能够产生相应的控制脉冲，即例如栅极电压的降低。

因为IGBT 151、155分别具有并联的续流二极管153、156，所以由控制脉冲引起的电压建立实际上在很大程度上仅涉及IGBT 151、155中的一个。相反，在另一个IGBT 151、155中，通过续流二极管153、156阻止了电压的建立。在此，这两个IGBT 151、155中的哪一个几乎保持无电压取决于流动的负载电流的方向。如果负载电流在图2中从IGBT 151侧流向IGBT 155侧，则电压建立落在IGBT 151上。在另一种情况下，仅在IGBT 155上产生电压建立。

因此，利用所描述的、用于确定IGBT 151、155是否在导通方面有缺陷的方法，只要不是两个负载电流方向用于测量，就可以实际检查两个IGBT151、155中的仅仅一个IGBT。如果负载电流在一段时间内完全消失，则甚至不能检查两个IGBT 151、155中的任何一个。

为了解决该问题，直流开关14附加地包括第一和第二检查电路41、42，其中，第一检查电路41用于第一IGBT 151的功能检查，并且第二检查电路42用于第二IGBT 155的功能检查。第一和第二检查电路41、42被镜像地构造。

第一和第二检查电路分别包括第一分压器，该第一分压器通过第一和第二检查电阻411、412、421、422形成。第一和第二检查电路还包括第二分压器，该第二分压器包括第三和第四检查电阻413、414、423、424。在此，第一分压器和第二分压器在其外部接头之一处相互连接并且与两个IGBT 151、155之间的节点48连接，即与它们的发射极连接。其他外部接头与辅助电位416、426连接，其例如相对于节点48为+15V。

第二分压器的中点经由一个或多个解耦二极管417、427与相应的IGBT151、155的集电极连接，该解耦二极管必须能够截止在运行中施加的电压。此外，第二分压器的中点与相应的检查电路41、42的运算放大器415、425的反相输入端连接。第一分压器的中点连接到相应的运算放大器415、425的非反相输入端。运算放大器415、425的输出端与控制器152连接并且将功能检查的结果传递到控制器152。

第一分压器构成参考电压。例如，可以将1kOhm的电阻值用于相应的第一检查电阻411、421，并且将2kOhm的电阻值用于相应的第二检查电阻412、422，这在这里给出的示例中导致在运算放大器415、425的非反相输入端处的10V的参考电压。

在第二分压器中，例如可以将1kOhm的电阻值用于相应的第三检查电阻413、423，并且将3kOhm的电阻值用于相应的第四检查电阻414、424。两个IGBT 151、155中的一个与相应的第四检查电阻414、424并联连接。因此，IGBT 151、155也是相应的检查电路41、42的一部分。

如果相应的IGBT 151、155在两个IGBT 151、155通过控制脉冲关断的短时间段内是功能正常的，即实际上是高阻抗的，则这在运算放大器415、425的相应的反相输入端的反相输入端处导致对应于第二分压器的电压、即11.25V。因为该电压高于参考电压，所以相应的运算放大器415、425在输出端输出“低”信号，这可以被处理为用于功能正常的IGBT 151、155的信号。

相反，如果所检查的IGBT 151、155在尽管有控制脉冲的情况下仍是导通的、即有缺陷的，则在反相输入端处的电压下降到对应于解耦二极管417、427和IGBT 151、155的导通电压(Flussspannung)之和的值，即相对于节点48大约为3V。相应的运算放大器415、425随后在输出端输出“高”信号，这可以被处理为用于导通缺陷的IGBT 151、155的信号。

因为在该测量功能中尽可能快速的测量是感兴趣的，所以与已知的饱和测量相反，针对IGBT使用更高的电流并且因此使用更低的第三和第四检查电阻413、414、423、424。

因此，以这种方式提供直流开关14，该直流开关能够在持续运行中、即在负载电流下检查其可控的半导体开关：它们是否在导通方面有缺陷，并且是否在实际等待下一个关断过程之前识别出相应的缺陷。在此，也可以检查两个反串联的IGBT 151、155中的、由于电流方向即使通过关断也不能被置于电压下的那个IGBT。在此充分利用的是，放电网络在关断时接管负载电流并且可以向相关的无电压的IGBT 151、155施加电流。仅关于正常工作的IGBT 151、155产生的电压降被评估为用于功能检查的信号。

此外，根据图2的直流开关的结构甚至能够在无负载电流状态下实现功能检查。如果在布置有直流开关14的相应的子电网12、13中完全不存在负载电流，则通过由检查电路41、42施加电流甚至可以检查阻断性和电导率，其中控制器152为此必须在短的时间段内适当地接通和关断IGBT 151、155。

不言而喻的是，对通过关断和施加电流产生的电压的评估可以以不同的方式进行评估，例如模拟地或数字地进行，通过比较器或者例如通过直接连接到微控制器上。所产生的、代表IGBT 151、155的功能性的信号同样可以呈现不同的形式。因此，信号可以存储在协议中，作为光学或声学信号输出，或者作为电信号馈送给上级控制器或评估单元，或者是这些可能性中的多种。

附图标记列表

10 直流电网

11 直流电压源

12，13 子电网

14 直流开关

16 网络参与者

151，155 IGBT

152 控制器

153，156 续流二极管

154 寄生电容

18 负载电流

191，192 线路电感

20 放电网络

201 压敏电阻

202，204 电容器

203，205 放电电阻

41，42 检查电路

411…414 检查电阻

421…424 检查电阻

415，425 运算放大器

416，426 辅助电位

417，427 解耦二极管

48 节点

Claims (10)

1.一种用于直流电网(10)的开关设备(14)，具有：

可控的第一半导体开关(151，155)以及用于所述第一半导体开关(151，155)的控制器(152)，所述第一半导体开关具有控制触点和两个负载触点，所述控制器被设计为，借助在所述控制触点处的电控制信号来控制所述第一半导体开关(151，155)，其中，所述控制器(152)被设计用于执行以下步骤：

-利用控制脉冲驱动所述第一半导体开关(151，155)，所述控制脉冲在功能正常的半导体开关(151，155)中在小于1ms的时间段内引起所述半导体开关(151，155)的电导率的下降，

-将电流施加到检查电路(41，42)上，所述检查电路包括所述第一半导体开关(151，155)，

-确定代表所述第一半导体开关(151，155)上的电压或电压变化的第一值作为所述控制脉冲和所述施加的结果，

-根据所述第一值确定并且输出代表所述第一半导体开关(151，155)功能正常的信号。

2.根据权利要求1所述的开关设备(14)，其中，所述控制器(152)被设计为使用小于10μs的时间段。

3.根据权利要求1或2所述的开关设备(14)，其中，所述控制器(152)被设计为，利用所述控制脉冲关断所述半导体开关(151，155)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备(14)，所述开关设备具有可控的第二半导体开关(151，155)，其中，所述控制器(152)被设计为，利用所述控制脉冲来驱动两个半导体开关(151，155)。

5.根据权利要求4所述的开关设备(14)，其中，所述半导体开关(151，155)分别包括并联的续流二极管(153，156)并且反串联连接，其中，所述控制脉冲在所述第二半导体开关(151，155)中引起电压建立，而在所述第一半导体开关(151，155)中通过所述续流二极管(153，156)限制所述电压建立，其中，所述控制器(152)被设计用于附加地执行以下步骤：

-确定代表所述第二半导体开关(151，155)上的电压或电压变化的第二值作为所述控制脉冲的结果，

-根据所述值确定并且输出代表两个半导体开关(151，155)功能正常的信号。

6.根据权利要求4或5所述的开关设备(14)，所述开关设备具有用于所述半导体开关(151，155)中的每个半导体开关的检查电路(41，42)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备(14)，其中，所述检查电路(41，42)包括电阻式分压器，所述半导体开关(151，155)与所述电阻式分压器的电阻(414，424)并联连接。

8.根据权利要求7所述的开关设备(14)，其中，所述电阻式分压器的电阻(413，414，423，424)具有小于10kOhm、特别是小于5kOhm的电阻值。

9.一种用于直流电网(10)的开关设备(14)的运行方法，所述开关设备具有可控的第一半导体开关(151，155)，所述第一半导体开关具有控制触点和两个负载触点，其中，借助在所述控制触点处的电控制信号来控制所述第一半导体开关(151，155)，其中：

-利用控制脉冲驱动所述第一半导体开关(151，155)，所述控制脉冲在功能正常的半导体开关(151，155)中在小于1ms的时间段内引起所述半导体开关(151，155)的电导率的降低，

-将电流施加到检查电路(41，42)上，所述检查电路包括所述第一半导体开关(151，155)，

-确定代表所述第一半导体开关(151，155)上的电压或电压变化的第一值作为所述控制脉冲和所述施加的结果，

-根据所述第一值确定并且输出代表所述第一半导体开关(151，155)功能正常的信号。

10.根据权利要求9所述的用于直流电网(10)的开关设备(14)的运行方法，其中，所述开关设备(14)具有可控的第一和第二半导体开关(151，155)，其中，所述半导体开关(151，155)分别包括并联的续流二极管(153，156)并且反串联连接，其中：

-利用所述控制脉冲驱动两个半导体开关(151，155)，由此在所述第二半导体开关(151，155)中引起电压建立，而在所述第一半导体开关(151，155)中通过所述续流二极管(153，156)限制所述电压建立，

-确定代表所述第二半导体开关(151，155)上的电压或电压变化的第二值作为所述控制脉冲的结果，

-根据所述第一值和第二值确定并输出代表所述半导体开关(151，155)功能正常的信号。

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