CN117353719A - 固态开关设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种固态开关设备。该固态开关设备连接在供电电源和负载之间，其包括：一个或多个桥臂电路、一个或多个续流旁路和控制单元，每个桥臂电路连接到供电电源的每个相并包括串联连接的第一单向电力半导体开关和第二单向电力半导体开关；每个续流旁路并联连接到一个桥臂电路并包括串联连接的第三单向电力半导体开关、第四单向电力半导体开关和电阻，或者包括串联连接的双向电力半导体开关和电阻；控制单元被配置为：响应于检测到短路故障，控制第一单向电力半导体开关和第二单向电力半导体开关关断，并且控制第三单向电力半导体开关和第四单向电力半导体开关或者双向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零期间再关断。

Description

固态开关设备

技术领域

本公开涉及固态开关领域，更具体地，涉及一种固态开关设备。

背景技术

短路保护是诸如固态电机启动器、固态断路器或固态接触器之类的固态开关设备的核心功能之一。例如，对于传统机械的电机启动器，短路分断功能由机械断路器实现，对于机械式断路器，评价标准为是否具有足够的分断能力，线路感性的大小并不会对断路器以及分断能力造成致命的影响。然而，对于固态电机启动器，短路时的线路或者负载感性能量有可能造成固态半导体器件的损坏。

目前，可以采用吸收电路吸收感性能量来实现短路保护，诸如RC(resistancecapacitance，阻容)、TVS(Transient Voltage Suppressors，瞬态电压抑制器)和MOV(metal oxide varistors，金属氧化物变阻器)等。然而，吸收电路对感性能量的吸收是有限的，还可能会造成吸收电路的器件损坏。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种固态开关设备，其通过在主路径上并联续流旁路，将由短路引起的短路电流续流至旁路，以消耗短路电流，从而实现更高效、更可靠以及寿命更长的短路保护。

本公开的一方面提供一种固态开关设备，其连接在供电电源和负载之间，所述固态开关设备包括：一个或多个桥臂电路，所述一个或多个桥臂电路中的每一个连接到所述供电电源的每一个相，并且，每一个桥臂电路包括串联连接的第一单向电力半导体开关和第二单向电力半导体开关，其中所述第一单向电力半导体开关的第一端与所述第二单向电力半导体开关的第一端连接；一个或多个续流旁路，所述一个或多个续流旁路中的每一个并联连接到一个桥臂电路，并且，每一个续流旁路包括串联连接的第三单向电力半导体开关、第四单向电力半导体开关和电阻，其中所述第三单向电力半导体开关的第一端与所述第四单向电力半导体开关的第一端连接，或者每一个续流旁路包括串联连接的双向电力半导体开关和电阻；以及控制单元，连接到所述一个或多个桥臂电路和所述一个或多个续流旁路，并且被配置为：响应于检测到短路故障，控制所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关关断，并且控制所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关或者所述双向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零期间再关断。

可选地，所述控制单元还被配置为：响应于所述供电电源与所述负载的连接要被断开且未检测到短路故障，控制所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关或者所述双向电力半导体开关关断，并且控制所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零关断期间再关断。

可选地，控制所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零期间再关断包括：所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关中的一个在所述过零期间且过零点之前的时间点被关断，所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关中的另一个在所述过零期间且过零点之后的时间点被关断，控制所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零期间再关断包括：所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关中的一个在所述过零期间且过零点之前的时间点被关断，所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关中的另一个在所述过零期间且过零点之后的时间点被关断，或者控制所述双向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零期间再关断包括：所述双向电力半导体开关在过零点时被关断。

可选地，基于以下公式来确定电阻的最大值Rmax：Rmax＝(U_BR-V_drop)/I，其中，U_BR是所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的最大反向击穿电压，V_drop是所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关或所述双向电力半导体开关的最大压降，I是预定短路保护电流。

可选地，基于以下公式来确定电阻的最小值Rmin：

Rmin’＝(V_I÷I₁)，

Rmin”＝(V_I÷I)，

Rmin＝max(Rmin’,Rmin”)，

其中V_I是所述固态开关设备的工作电压，I₁是所述续流旁路上的所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关或者所述双向电力半导体开关的预定最大耐受电流，I是预定短路保护电流。

可选地，所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中，所述第一端是漏极和源极中的一个，所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的第二端是漏极和源极中的另一个，并且所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的控制端是栅极；或者所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其中，所述第一端是集电极和发射极中的一个，所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的第二端是发射极和集电极中的另一个，并且所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的控制端是基极。

可选地，所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中，所述第一端是漏极和源极中的一个，所述第三电力半导体开关的第二端是漏极和源极中的另一个，并且所述第三电力半导体开关的控制端是栅极；或者所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其中，所述第一端是集电极和发射极中的一个，所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关的第二端是发射极和集电极中的另一个，并且所述第三电力半导体开关的控制端是基极；或者所述双向电力半导体开关是双向晶闸管(TRIAC)或者反向并联的可控硅整流器(SCR)。

可选地，所述供电电源为三相供电电源，所述固态开关设备还包括一个或多个电流采样单元，在所述续流旁路包括所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关的情况下，所述电流采样单元用于采集一个桥臂电路和一个续流旁路构成的并联电路上的相电流，以及在所述续流旁路包括所述双向电力半导体开关的情况下，每一个电流采样单元用于采集一个桥臂电路上的相电流。

可选地，所述固态开关设备为固态电机启动器、固态断路器或固态接触器。

可选地，所述供电电源为三相供电电源，所述桥臂电路的数量为3，并且所述续流旁路的数量为3。

附图说明

通过下面结合附图对实施例的描述，本公开的方面、特征和优点将变得更加清楚和容易理解。附图用来提供对本公开的实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分。附图与本公开的实施例一起用于解释本公开，但是并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1示出了根据本公开实施例的固态开关设备的示意结构图；

图2A和图2B示出了根据本公开实施例的图1的固态开关设备的操作逻辑的示意图；

图3A示出了供电电源的一相的相电流的示意波形图；

图3B示出了供电电源的一相的相电流的流通的示意图；

图4示出了根据本公开另一实施例的固态开关设备的示意结构图；以及

图5示出了根据本公开又一实施例的固态开关设备的示意结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开的保护范围。

此外，下面所描述的本公开不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

通常，当由于电源或负载发生故障或者线路连接错误等原因导致短路时，电路中的电流的瞬时值超过预定阈值，例如，10～15倍。在电路中的半导体开关器件(例如，晶体管)被关断的瞬间，产生感应电动势，其大小取决于电流的变化速度以形成感性能量。感性能量通常可以计算为W＝1/2×L×I²，其中W表示感性能量，L表示线路或者负载的电感，I表示电流。当电路短路时，过大的电流值导致感性能量较大，这会对电路中的半导体开关器件造成损坏。

吸收电路，诸如RC、TVS和MOV等，可以用来吸收感性能量，从而实现短路保护。例如，采用RC吸收电路，包括一个电阻和一个电容，其原理是在开关断开时，蓄积在寄生电感中能量对开关的寄生电容充电的同时，通过吸收电阻对吸收电容充电，从而抑制浪涌电流，而在开关接通时，吸收电容通过开关放电，其放电电流被吸收电阻所限制。然而，吸收能量的能力与电阻和电容本身有关，例如，电阻和电容的承受能力，因此，吸收能量的能力是有限的，并且吸收能量的次数的增加也会对电阻和电容的性能和寿命产生影响。此外，RC吸收电路通常用于线路较短的线路板的开关，其吸收开关的寄生电感中的能量，例如，纳亨量级。然而，对于线路较长的外部接线的电气设备，例如，固态电机启动器，线路和负载的寄生电感中的能量，相比于线路较短的线路板的开关的寄生电感中的能量大得多，RC吸收电路不能负担这么大的能量。因此，在例如固态电机启动器的这种线路较长的电气设备中不宜采用RC吸收电路。

又例如，采用TVS吸收电路，其原理是在TVS管两端的电压大于一定值时，TVS管被反向击穿，将TVS管两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收瞬间大电流，从而将两端电压钳制在一个预定的数值，以保护电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。在TVS管被反向击穿时，电流瞬间下降到0，使得电流的变化速度较大，从而造成较高的电压尖峰。如果电压尖峰过高，可能会击穿电路中的半导体器件(例如，MOSFET管)，这就要求半导体器件具有很高的耐压能力。此外，TVS管吸收能量的能力也是有限的，并且其性能和寿命也会受到吸收次数的影响。另外，采用TVS管的费用会非常昂贵，提高了产品成本。类似地，采用MOV等其他器件也都会出现如上所述的问题。

本公开的实施例公开了一种固态开关设备，通过将电流续流到旁路上，以消耗短路电流直到完全关断旁路上的半导体器件，而不用直接吸收感性能量。以下将结合图1至图5描述根据本公开的实施例的固态开关设备。

图1示出了根据本公开实施例的固态开关设备的示意结构图。

参照图1，根据本公开实施例的固态开关设备1可以连接在供电电源S和负载M之间。这里的供电电源是交流电源，并且可以是单相或三相供电电源，也可以是其他相供电电源。固态开关设备可以是固态交流电机启动器、固态断路器和固态接触器等。例如，当固态开关设备1是固态电机启动器时，负载M可以是电机的负载。为了清楚和简明起见，图1中以三相供电电源为例且非限制性来进行说明，分别以A、B和C来表示对应的相。

根据本公开实施例的固态开关设备1可以包括一个或多个桥臂电路(例如，图1中所示的第一桥臂电路10、第二桥臂电路10’和第三桥臂电路10”)、一个或多个续流旁路(例如，图1中所示的第一续流旁路20、第二续流旁路20’和第三续流旁路20”)和控制单元30。桥臂电路和续流旁路的数量可以根据例如供电电源的相来确定，例如，对于三相供电电源，桥臂电路和续流旁路的数量可以均为3，如图1所示，对于单相供电电源，桥臂电路和续流旁路的数量均为1。

一个或多个桥臂电路中的每一个可以连接到供电电源S的每一个相，例如，如图1所示，第一桥臂电路10可以连接到A相，第二桥臂电路10’可以连接到B相，并且第三桥臂电路10”可以连接到C相。一个或多个续流旁路中的每一个可以并联连接到每一个桥臂电路，例如，如图1所示，第一续流旁路20可以并联连接到第一桥臂电路10，第二续流旁路20’可以并联连接到第二桥臂电路10’，并且第三续流旁路20”可以并联连接到第三桥臂电路10”。

每一个桥臂电路作为主路径可以包括串联连接的第一单向电力半导体开关和第二单向电力半导体开关，其中第一单向电力半导体开关的第一端可以与第二单向电力半导体开关的第一端连接。例如，如图1所示，第一桥臂电路10可以包括单向电力半导体开关T1(其可以作为第一单向电力半导体开关)和单向电力半导体开关T2(其可以作为第二单向电力半导体开关)，第二桥臂电路10’可以包括单向电力半导体开关T3(其可以作为第一单向电力半导体开关)和单向电力半导体开关T4(其可以作为第二单向电力半导体开关)，并且第三桥臂电路10”可以包括单向电力半导体开关T5(其可以作为第一单向电力半导体开关)和单向电力半导体开关T6(其可以作为第二单向电力半导体开关)。

单向电力半导体开关中的单向是指，电流可以在一个方向被关断，而电流在另一个方向上则不能被关断。具体可以如以下参照图3A和图3B所述。单向电力半导体开关T1-T6可以是例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。此外，T1-T6还可以采用具有高耐压低导通损耗特性的晶体管，例如，SiC MOSFET，以提高主路径的耐压能力并降低损耗，以便提高主路径的性能和可靠性。

每一个续流旁路可以包括串联连接的第三单向电力半导体开关、第四单向电力半导体开关和电阻R，其中第三单向电力半导体开关的第一端可以与第四单向电力半导体开关的第一端连接。例如，如图1所示，第一续流旁路20可以包括单向电力半导体开关T7(其可以作为第三单向电力半导体开关)和单向电力半导体开关T8(其可以作为第四单向电力半导体开关)，第二续流旁路20’可以包括单向电力半导体开关T9(其可以作为第三单向电力半导体开关)和单向电力半导体开关T10(其可以作为第四单向电力半导体开关)，并且第三续流旁路20”可以包括单向电力半导体开关T11(其可以作为第三单向电力半导体开关)和单向电力半导体开关T12(其可以作为第四单向电力半导体开关)。如上所述，单向电力半导体开关T7-T12也可以是例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。这里可以不采用高耐压低导通损耗特性的晶体管，只需能够耐受半个工频周期的短路电流，因为，续流旁路上已经存在电阻，可以消耗短路电流，可以抑制电流上升，使其保持在可接受的水平，不会造成短路。

如果单向电力半导体开关T1-T12是MOSFET管，则单向电力半导体开关T1-T12的第一端可以是漏极和源极中的一个，其第二端是漏极和源极中的另一个，并且其控制端可以是栅极，其中，例如，第一单向电力半导体开关的漏极可以与第二单向电力半导体开关的漏极连接，也就是说，背靠背的连接方式。如果单向电力半导体开关T1-T12是IGBT管，则单向电力半导体开关T1-T12的第一端可以是集电极和发射极中的一个，其第二端可以是发射极和集电极中的另一个，并且其控制端可以是基极，其中，例如，第一单向电力半导体开关的集电极可以与第二单向电力半导体开关的集电极连接，也就是说，背靠背的连接方式。

控制单元30可以是微控制器(Micro Controller Unit，MCU)、单片机、微型计算机或者能够实现控制功能的其他设备、装置或电路。控制单元30可以与每个桥臂电路10、10’、10”和每个续流旁路20、20’、20”连接，向桥臂电路和续流旁路发送控制信号，以控制桥臂电路和续流旁路上的电力半导体开关的关断和开启，为清楚起见，图1中仅示意性地示出了控制单元30与桥臂电路10和续流旁路20连接。例如，如以下结合图2A-图2B和图3A-图3B描述的电力半导体开关的关断和开启可以由控制单元30控制。

以下将结合图2A-图2B和图3A-图3B描述根据本公开的实施例的固态开关设备1如何操作。

图2A示出了根据本公开实施例的图1的固态开关设备1在正常运行和短路情况下的操作逻辑的示意图。图2B示出了根据本公开实施例的图1的固态开关设备1在负载正常运行和正常关断情况下的操作逻辑的示意图。图3A是示出供电电源的一相的相电流的示意波形图。图3B示出了供电电源的一相的相电流在对应的半导体开关中流通的示意图。

如图2A所示，当负载发生短路时，例如，如果相电流大于预定阈值，则可以被认为设备发生短路，如图2A所示的t_f处，桥臂电路上的电力半导体开关(例如，图1中的T1-T6)被关断，例如，可以通过控制电路发送关断指令。续流旁路上的电力半导体开关(例如，图1中的T7-T12)保持开启直到相电流的过零期间(例如，如图2A所示的t1和t’)再关断。过零期间表示为包括过零点在内的电流值较小的一时间段。例如，可以将过零点前后电流值小于预定值的时间段作为过零期间。再例如，可以将过零点前电流值小于预定值的时间段以及过零点后的预定时间段构成的时间段作为过零期间。如图3A所示，过零期间可以是从t1到t2之后预定时间的时间点构成的时间段，t1为电流值小于预定值(阈值)的时间点。下面参照图3A和图3B具体描述。

以图1中的A相、第一桥臂电路上的电力半导体开关T1和电力半导体开关T2为例，A相的相电流I_A的采样值可以形成如图3A所示的相电流I_A的波形。结合图3B，在该波形的正半周期，相电流I_A依次流经电力半导体开关T1的漏极、源极和电力半导体开关T2的体二极管，而在该波形的负半周期，相电流I_A依次流经电力半导体开关T2的漏极、源极和电力半导体开关T1的体二极管。

该波形的过零点为t2，这可以通过相电流I_A的值为零来确定。如上所述的过零期间可以包括在过零点t2之前的时间点t1和在过零点t2之后预定时间的时间点(未示出)，其在周波结束t3之前，例如，过零点t2之后5-10ms以内。电力半导体开关T2可以在时间点t1被关断，电力半导体开关T1可以在过零点t2之后的该时间点(例如，过零点t2之后5-10ms以内，如图2A-图2B中的t1’)被关断。例如，这可以包括：预先设置电流切断阈值I_Ath、在检测到相电流I_A波形下坡并且相电流I_A达到电流切断阈值I_Ath的时间点t1，电力半导体开关T2被关断，其中电流切断阈值I_Ath可以设置为接近过零点的电流值。在t1之后且在t2之前，相电流I_A仍依次流经电力半导体开关T1的漏极、源极和电力半导体开关T2的体二极管。一旦到达过零点t2，相电流I_A换向，但由于T2已被关断，相电流I_A便被切断，实现了过零切断。T2被关断之后，在过零点t2之后的该时间点关断电力半导体开关T1，之后虽然相电流I_A在t3换向，但由于T1已被关断，相电流I_A不能在T1和T2之间流通，相A被切断。

相电流I_B和I_C的过零点关断的原理与此类似，此处不再重复描述。并且，续流旁路上的电力半导体开关(例如，T7和T8)在过零点关断的原理也与此类似，即，第三电力半导体开关中的一个(例如，T8)在过零点之前的时间点被关断，第三电力半导体开关中的另一个(例如，T7)在过零点之后的时间点被关断。

如参照图3A-图3B所描述的，根据本公开的实施例的固态开关设备1通过过零关断的机制可以使得电力半导体开关受到电流的冲击较小，从而保护各电力半导体开关等器件。

如图2B所示，当负载正常运行时，固态开关设备1的所有电力半导体开关(例如，图1中的T1-T12)可以处于导通，电流可以经由每一个桥臂电路和每一个续流旁路流向负载M。当正常关断设备的开关时，也就是说，需要切断供电电源与负载之间的连接且未无短路故障时，如图2B所示的t_off处，续流旁路上的电力半导体开关(例如，图1中的T7-T12)被关断，例如，可以通过控制单元发送关断指令。桥臂电路上的电力半导体开关(例如，图1中的T1-T6)保持开启直到该相的相电流的过零期间(例如，如图2B所示的t1和t1’)再关断。过零期间的关断如上所述，这里不再赘述。

根据本公开的实施例的固态开关设备1，通过在桥臂电路上并联续流旁路，使电流可以在续流旁路上续流。尤其是，当发生短路时，短路电流可以在桥臂电路上的电力半导体开关被关断时，续流到续流旁路，以消耗短路电流，并抑制电流上升，使其保持在可接受的水平，而不是直接吸收感性能量，从而降低了对电力半导体开关的损害，同时不受感性能量的限制，从而提高电力半导体开关的使用寿命。

此外，在发生短路的情况下，通过在过零期间关断电力半导体开关，使得短路电流在过零期间被降低为0，而不产生感性能量，并且由于电流变化不是瞬间突变的，因此不会造成如TVS那样的很高的电压尖峰。此时的电压峰值仅仅取决于I×R，且是通过设定电阻值等而可控制的。因此，根据本公开的实施例的固态开关设备1提高了短路保护的性能和可靠性。此外，在正常关断时也可以采用过零期间关断电力半导体开关，对主路径上的半导体开关也起到了保护作用。也就是说，过零期间关断既可应用于正常关断情况也可以应用于短路保护。

根据本公开实施例的固态开关设备1可以还包括分别对应于每个相的电流采样单元Ia、Ib和Ic，电流采样单元Ia、Ib和Ic可以位于每一个桥臂电路与每一个续流旁路并联的合点之后，以用于采集桥臂电路和续流旁路上的相电流，例如，如上所述的相电流I_A、I_B和I_C。在续流旁路包括两个单向电力半导体开关(例如，第三单向电力半导体开关和第四单向电力半导体开关)的情况下，电流采样单元用于采集一个桥臂电路和一个续流旁路构成的并联电路上的相电流(例如，相电流I_A、I_B和I_C)，如图1所示。电流采样电路Ia、Ib和Ic可以通过电流互感器、采样电阻等熟知的各种方式来实现，本公开对此不做限制。

图4示出了根据本公开另一实施例的固态开关设备的示意结构图。

参照图4，根据本公开另一实施例的固态开关设备4与图1所示的固态开关设备1的一个不同之处在于，固态开关设备4的每一个续流旁路可以包括双向电力半导体开关，代替第一单向电力半导体开关和第二单向电力半导体开关。为了清楚起见，图4中仅示出了对于相A的桥臂电路40和续流旁路60。例如，固态开关设备4的第一续流旁路60可以包括第一双向电力半导体开关T13，其他续流旁路亦是如此，为避免重复，这里不再赘述。

双向电力半导体开关中的双向是指，电流不仅可以在一个方向被关断，也可以在另一个方向上关断。双向电力半导体开关T13可以是例如双向晶闸管(TRIAC)或者反向并联的可控硅整流器(SCR)等。

双向电力半导体开关，例如，TRIAC，可以实现自然过零关断，不用进行过零检测。在相电流经过过零点(例如，图3A中的t2)时，双向电力半导体开关自行关断。

根据本公开另一实施例，与如上所述的单向电力半导体开关类似地，当正常关断设备的开关时，续流旁路上的电力半导体开关(例如，图4中的T13)被关断，例如，可以通过控制单元发送关断指令。桥臂电路上的电力半导体开关(例如，图4中的T1’-T2’)保持开启直到相电流的过零期间再关断。当设备发生短路时，桥臂电路上的电力半导体开关(例如，图4中的T1’-T2’)被立即关断，例如，可以通过控制电路发送关断指令。与如上所述的两个单向电力半导体开关分别被控制以在不同时间点被关断不同，续流旁路上的电力半导体开关(例如，图4中的T13)保持开启用于续流由于短路而引起的电流，直到相电流的过零期间而被关断。由于这里的T13是双向电力半导体开关，其可以实现自然过零关断，因此，对于双向电力半导体开关的过零期间可以为相电流的过零点(例如，图3A中的t2)。

参照图4，根据本公开另一实施例的固态开关设备4与图1所示的固态开关设备1的另一不同之处在于电流采样单元的位置。由于图4中采用双向电力半导体开关，其可以自然过零关断，不用进行过零检测，因此，固态开关设备4的电流采样单元Rcs可以用于采集桥臂电路上的相电流。

结合图4描述的根据本公开的实施例的固态开关设备4，通过将两个单向电力半导体开关替换为一个双向电力半导体开关，可以实现自然过零关断，而无需分别控制两个单向电力半导体开关的关断，从而进一步简化电路。

图5示出了根据本公开又一实施例的固态开关设备的示意结构图。

参照图5，根据本公开又一实施例的固态开关设备5与图1所示的固态开关设备1的不同之处在于，固态开关设备5的电阻R的位置可以位于单向电力半导体开关T7和T8之间，而不是在单向电力半导体开关T7’和T8’之前或之后。其他的器件和操作与以上图1-图4所描述的类似，为避免重复，在此不再赘述。

可见，电阻R的位置是灵活设置的。以下将描述电阻R的值是如何选择的。

可以确定根据以上第一、第二和第三实施例的固态开关设备的电阻R的值，例如，可以基于以下公式(1)来确定电阻R的最大值Rmax：

Rmax＝(U_BR-V_drop)/I， (1)

其中，U_BR是桥臂电路上的第一单向电力半导体开关和第二单向电力半导体开关(例如，MOSFET)的最大反向击穿电压，V_drop是续流旁路上的第三单向电力半导体开关和第四单向电力半导体开关或双向电力半导体开关的最大压降，I是预定短路保护电流，其可以根据额定电流的倍数来预先确定。

此外，可以确定电阻R的最小值，例如，可以基于以下公式(2)-(4)来确定电阻R的最小值Rmin：

Rmin’＝(V_I÷I₁)， (2)

Rmin”＝(V_I÷I)， (3)

Rmin＝max(Rmin’,Rmin”) (4)

V_I是固态半导体设备的工作电压，例如，电网电压，I₁是续流旁路上的电力半导体开关的最大耐受电流，其根据自身特性而预定，I是如上所述的预定短路保护电流，Rmin’是基于电力半导体开关的最大耐受电流的电阻R的最小值，Rmin”是基于短路保护电流的电阻R的最小值。

Rmin＝max(Rmin’,Rmin”)表示取Rmin’和Rmin”中的较大一者，也就是说，电阻R的最小值不能比Rmin’和Rmin”中的任何一个更小，以确保电阻的限流能力。

另外，电阻的选择还可以考虑到耐受瞬时能量功率的能力，也就是说，在短路的情况下，电流流向续流旁路，并开始发热，其功率为此时的电流I₀×R。电流在持续半个工频周期(例如，图3B所示的该波形的正半周期)直到过零点而被切断，电阻需能承受这半个工频周期的发热能量。

如上所述，根据桥臂电路的耐压性来确定电阻R的最大电阻值，并根据续流旁路上的限流作用来确定电阻R的最小电阻值，可以选择合适的电阻，以在实现短路时续流的前提下，不会造成电路中各器件的损坏，保证固态开关设备安全、可靠地工作。

以上，参照附图描述了根据本公开实施例的固态开关设备和用于固态开关设备的方法。与吸收电路相比，根据本公开实施例的固态开关设备具有以下优点：通过在短路时将电流续流到续流旁路上，利用续流旁路来消耗短路电流，不存在感性能量的吸收有限的问题，而是能够无限地续流短路电流，从而降低了对电力半导体开关的损害，提高了其使用寿命；不会造成如TVS那样的很高的电压尖峰，并且电压峰值是可控制的；提高了短路保护的性能和可靠性；根据耐压性和限流作用来选择合适的电阻，以在实现短路时续流的前提下，不会造成电路中各器件的损坏，保证固态开关设备安全、可靠地工作；利用双向电力半导体开关的自然过零关断功能，进一步简化电路，提高控制开关的可靠性；既可以应用于短路保护，也可以应用于正常运行和正常关断的情况。

本公开的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。

本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种固态开关设备，其连接在供电电源和负载之间，所述固态开关设备包括：

一个或多个桥臂电路，所述一个或多个桥臂电路中的每一个连接到所述供电电源的每一个相，并且，每一个桥臂电路包括串联连接的第一单向电力半导体开关和第二单向电力半导体开关，其中所述第一单向电力半导体开关的第一端与所述第二单向电力半导体开关的第一端连接；

一个或多个续流旁路，所述一个或多个续流旁路中的每一个并联连接到一个桥臂电路，并且，每一个续流旁路包括串联连接的第三单向电力半导体开关、第四单向电力半导体开关和电阻，其中所述第三单向电力半导体开关的第一端与所述第四单向电力半导体开关的第一端连接，或者每一个续流旁路包括串联连接的双向电力半导体开关和电阻；以及

控制单元，连接到所述一个或多个桥臂电路和所述一个或多个续流旁路，并且被配置为：

响应于检测到短路故障，控制所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关关断，并且控制所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关或者所述双向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零期间再关断。

2.根据权利要求1所述的固态开关设备，其中，所述控制单元还被配置为：

响应于所述供电电源与所述负载的连接要被断开且未检测到短路故障，控制所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关或者所述双向电力半导体开关关断，并且控制所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零关断期间再关断。

3.根据权利要求2所述的固态开关设备，其中，

控制所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零期间再关断包括：所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关中的一个在所述过零期间且过零点之前的时间点被关断，所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关中的另一个在所述过零期间且过零点之后的时间点被关断，

控制所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零期间再关断包括：所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关中的一个在所述过零期间且过零点之前的时间点被关断，所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关中的另一个在所述过零期间且过零点之后的时间点被关断，或者

控制所述双向电力半导体开关保持开启直到相电流的过零期间再关断包括：所述双向电力半导体开关在过零点时被关断。

4.根据权利要求1所述的固态开关设备，其中，基于以下公式来确定电阻的最大值Rmax：

Rmax＝(U_BR-V_drop)/I，

其中，U_BR是所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的最大反向击穿电压，V_drop是所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关或所述双向电力半导体开关的最大压降，I是预定短路保护电流。

5.根据权利要求1所述的固态开关设备，其中，基于以下公式来确定电阻的最小值Rmin：

Rmin’＝(V_I÷I₁)，

Rmin”＝(V_I÷I)，

Rmin＝max(Rmin’,Rmin”)，

V_I是所述固态开关设备的工作电压，I₁是所述续流旁路上的所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关或者所述双向电力半导体开关的预定最大耐受电流，I是预定短路保护电流。

6.根据权利要求1所述的固态开关设备，其中，所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中，所述第一端是漏极和源极中的一个，所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的第二端是漏极和源极中的另一个，并且所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的控制端是栅极；或者

所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其中，所述第一端是集电极和发射极中的一个，所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的第二端是发射极和集电极中的另一个，并且所述第一单向电力半导体开关和所述第二单向电力半导体开关的控制端是基极。

7.根据权利要求1所述的固态开关设备，其中，所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中，所述第一端是漏极和源极中的一个，所述第三电力半导体开关的第二端是漏极和源极中的另一个，并且所述第三电力半导体开关的控制端是栅极；或者

所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其中，所述第一端是集电极和发射极中的一个，所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关的第二端是发射极和集电极中的另一个，并且所述第三电力半导体开关的控制端是基极；或者

所述双向电力半导体开关是双向晶闸管(TRIAC)或者反向并联的可控硅整流器(SCR)。

8.根据权利要求1所述的固态开关设备，其中，所述固态开关设备还包括一个或多个电流采样单元，在所述续流旁路包括所述第三单向电力半导体开关和所述第四单向电力半导体开关的情况下，所述电流采样单元用于采集一个桥臂电路和一个续流旁路构成的并联电路上的相电流，以及在所述续流旁路包括所述双向电力半导体开关的情况下，每一个电流采样单元用于采集一个桥臂电路上的相电流。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的固态开关设备，其中，所述固态开关设备为固态电机启动器、固态断路器或固态接触器。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的固态开关设备，其中，所述供电电源为三相供电电源，所述桥臂电路的数量为3，并且所述续流旁路的数量为3。