CN117616524A - 低压保护装置 - Google Patents

Abstract

一种低压保护装置(1)，该低压保护装置包括：第一半导体电路布置(11)，该第一半导体电路布置具有功率半导体；控制和驱动单元(13)，该控制和驱动单元用于以控制电压驱动该第一半导体电路布置(11)，该控制和驱动单元(13)：‑在接通过程中，以该控制电压的第一电压值(31)配置该第一半导体电路布置(11)达接通时间(30)，该第一电压值为阈值控制电压；并且‑在该接通时间(30)之后将该控制电压从该第一电压值(31)增加到第二电压值(32)，该第二电压值为峰值控制电压；并且‑在第一关闭步骤(34)中检测到短路电流或过电流时将该控制电压增加到第三电压值(33)，该第三电压值大于该峰值控制电压；并且在第二关闭步骤(35)中将该第一半导体电路布置(11)断电。

Description

低压保护装置

本公开涉及一种根据权利要求1的通用部分的低压保护装置。

从申请人的WO 2015/028634 A1中已知一种混合式低压保护装置。由此，IGBT/二极管电路并联布置到旁路开关。为了关断电流，断开旁路开关，由此使电流经由低压保护装置换向到IGBT电路。随后，通过IGBT电路关断电流。

在这种情况下，IGBT电路持续通电。其目的是在发生短路时使IGBT饱和。这通过IGBT驱动器来检测，并且随后将IGBT断电。

已发现，这种低压保护装置中的IGBT电路负载过重，降低了低压保护装置的使用寿命。由于保护装置必须可靠运行数十年，因此这是非常有问题的。短路断电时集电极-发射极电压的去饱和导致穿过IGBT的最大电流受到限制，功率损耗迅速增加，并可能导致IGBT热过载，从而导致IGBT完全损耗。然而，为了能够可靠地将高短路电流断电，对应的概念使用多个并联连接的IGBT。尽管这解决了总体布置的载流能力和热过载方面的问题，但它仍然导致更复杂和更部件密集的构造。此外，这会增加环路电感，继而增加发生短路时电流的换向时间，从而产生许多新的问题。

本发明的目的是通过提供一种实现长寿命和小体积或小尺寸的低压保护装置来克服现有技术的缺点。

根据本发明，前述目的通过权利要求1的特征解决。

因此，即使是高短路电流，也可仅利用单个功率半导体部件(诸如IGBT或MOSFET)可靠地断电，而不会引起热问题或影响低压保护装置的使用寿命。当然，本发明还能够可靠地将低于短路电流的过电流断电。

大多数AC保护装置不能用于DC网络，因为DC的关断问题比AC更严重。低压保护装置可用于AC和DC。

以此方式，可以可靠地防止当关断过电流或短路电流时电压出现去饱和状态。由于功率半导体中未出现去饱和，因此功率半导体也可以低功率损耗传输对应的高电流。在这种情况下，功率半导体的寿命绝不会因为栅极电压相对于IGBT或MOSFET的峰值栅极电压的过度增加而减少。峰值栅极电压的对应值始终在数据表中定义，以便相应部件的连续运行。然而，由于目前描述的栅极电压的增加仅非常短暂地发生，所以仅当过电流或短路(这种情况相对较少发生)断电时，在低压保护装置的典型20至25年使用寿命期间，功率半导体才会在过高的栅极电压下仅操作几毫秒。这不会减少功率半导体的使用寿命。其结果是可以延长低压保护装置的使用寿命。

此外，通过仅使用单个功率半导体部件，传导路径可保持较短，并且因此环路电感可保持较低，由此短路电流更快地换向到功率半导体。因此，可以进一步缩短负载功率半导体的时间段，并且可以进一步增加使用寿命。

本发明的另一个目的是通过提供一种实现低压保护装置的方法来克服现有技术的缺点。

根据本发明，所述目的通过权利要求9的特征解决。

该方法的优点与设备的优点一致。

从属权利要求描述了本发明的另外的优选实施方案。

参考附图描述本发明。附图仅示出本发明的示例性实施方案。

图1示出了根据本发明的低压保护装置的示意图；

图2示出了根据图1的低压保护装置的细节；并且

图3示出了控制电压随时间变化的示图。

图1至图3示出了低压保护装置1，该低压保护装置包括：

至少一个第一外导体路径2，该至少一个第一外导体路径从低压保护装置1的外导体电源连接件3到低压保护装置1的外导体负载连接件4，

机械旁路开关8，该机械旁路开关布置在外导体路径2中，

低压保护装置1的第一半导体电路布置11，该第一半导体电路布置并联连接到机械旁路开关8，第一半导体电路布置11包括至少一个功率半导体，

控制和驱动单元13，该控制和驱动单元被配置为以控制电压驱动第一半导体电路布置11，

控制和驱动单元13被配置为在低压保护装置1的接通过程中，以控制电压的第一电压值31配置第一半导体电路布置11达接通时间30，第一电压值31至少是功率半导体的阈值控制电压，并且

控制和驱动单元13被配置为在接通时间30之后将控制电压从第一电压值31增加到第二电压值32，第二电压值32小于或等于半导体的峰值控制电压，并且

控制和驱动单元13还被配置为在第一关闭步骤34中检测到短路电流或过电流时将控制电压从第二电压值32增加到第三电压值33，第三电压值33大于功率半导体的峰值控制电压，并且该控制和驱动单元随后在第二关闭步骤35中将第一半导体电路布置11断电。

特别优选的是，至少一个功率半导体是至少一个IGBT 14或MOSFET，控制电压是IGBT 14或MOSFET的栅极电压，并且峰值控制电压是IGBT 14或MOSFET的峰值栅极电压。下面将参考这些优选实施方案来描述本发明。然而，也可考虑使用其他功率半导体，特别是使用双极晶体管。

因此，即使是高短路电流，也可仅利用单个功率半导体部件(诸如IGBT 14或MOSFET)可靠地断电，而不会引起热问题或影响低压保护装置1的使用寿命。当然，本发明还能够可靠地将低于短路电流的过电流断电。

大多数AC保护装置不能用于DC网络，因为DC的关断问题比AC更严重。低压保护装置1可用于AC和DC。

以此方式，可以可靠地防止当关断过电流或短路电流时电压出现去饱和状态。由于功率半导体中未出现去饱和，因此功率半导体也可以低功率损耗传输对应的高电流。在这种情况下，功率半导体的寿命绝不会因为栅极电压相对于IGBT 14或MOSFET的峰值栅极电压的过度增加而减少。峰值栅极电压的对应值始终在数据表中定义，以便相应部件的连续运行。然而，由于目前描述的栅极电压的增加仅非常短暂地发生，所以仅当过电流或短路(这种情况相对较少发生)断电时，在低压保护装置的典型20至25年使用寿命期间，功率半导体才会在过高的栅极电压下仅操作几毫秒。这不会减少功率半导体的使用寿命。其结果是可以延长低压保护装置的使用寿命。

此外，通过仅使用单个功率半导体部件，传导路径可保持较短，并且因此环路电感可保持较低，由此短路电流更快地换向到功率半导体。因此，可以进一步缩短负载功率半导体的时间段，并且可以进一步增加使用寿命。

本开关装置为低压保护装置1。像往常一样，低电压的范围高达1000V AC和/或1500V。

低压保护装置1具有至少一个外导体路径2和中性导体路径5。对于直流电，相应地提供两个不同极性的导体路径。外导体路径2从外导体电源连接件3穿过低压保护装置1延伸到外导体负载连接件4。中性导体路径5从中性连接件6穿过低压保护装置1延伸到中性负载连接件7。相应的连接件3、4、6、7优选地各自设计为螺纹连接端子和/或插件式端子，并且以允许从外部进入的方式布置在低压保护装置1中。

低压保护装置1优选地至少部分地具有绝缘材料的壳体。

机械旁路开关8被布置在外导体路径2中。

在所示的低压保护装置1中，第一机械隔离开关9还与旁路开关8串联设置在外导体路径2中。第二机械隔离开关10优选地布置在中性导体路径5中。这两个隔离开关用于确保电流隔离。

半导体电路布置11并联连接到旁路开关8。

半导体电路布置11被设计为四象限开关。在当前情况下，这被示出为具有背对背IGBT 14，但也可以考虑使用其他IGBT 14或者甚至MOSFET。因此，对于每个半波仅存在和/或恰好存在一个IGBT 14。

IGBT 14和/或MOSFET由低压保护装置1的控制和驱动单元13驱动，该控制和驱动单元优选地被设计为包括微控制器和/或微处理器。

控制和驱动单元13被设计为控制旁路开关8和半导体电路布置11，以及(优选地设置的)第一机械隔离开关9和(优选地设置的)第二机械隔离开关10，并且因此以可定义的方式致动和/或切换它们。为此目的，控制和驱动单元13优选地通过电路系统连接到半导体电路布置11，并且还特别地连接到第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10的电磁致动器元件。图1中未示出控制和驱动单元13。图2示出了电路中的控制和驱动单元13的扩展上下文，其中并非所有模块都用附图标记来指示。

功率半导体(特别是IGBT 14)被结合到二极管整流器电路中。在图1中，这通过背靠背的IGBT来实现。在图2中，这通过经典二极管桥电路来实现。如果电流的流动方向是众所周知的并且不存在任何改变的可能性，则这不是必需的。

此外，低压保护装置1优选地具有整流器电路20，该整流器电路也并联连接到旁路开关8。这仅在图2中示出。仅当电力为AC时才需要这样做。对于DC，此部分不是必需的。

缓冲电路21同样仅在图2中示出。

此外，过电压保护器和/或变阻器19并联连接到旁路开关8。

低压保护装置1还包括电流测量布置12，该电流测量布置被布置在外导体路径2中并且优选地被设计为包括分流电阻器。

电流测量布置12连接到低压保护装置1的控制和驱动单元13。

除了电流测量布置12之外，控制和驱动单元13还被设计为检测IGBT 14或MOSFET的去饱和。这已在申请人的WO 2015/028634 A1中进行了描述。为此目的，控制和驱动单元13具有对应的有线输入，该有线输入被指示为去饱和检测15。因此，当出现过载电流或短路电流时，也可以检测到该电流，并且随后可将低压保护装置1断电。如果低压保护装置1将在预先存在的过载和/或短路条件下投入操作，则这是特别相关的。

在图1中，除了实际低压保护装置1之外，还指示了电气背景。电网被示出为电网电压源16、内部线路电阻17和电网电感18。此外，示出了电气负载23和短路形式的电气故障22。

低压保护装置1主要如申请人的WO 2015/028634 A1中所描述的那样接通。

半导体电路布置11由控制和驱动单元13以不同的方式通电。在低压保护装置1的接通过程中，控制和驱动单元13将第一半导体电路布置11与控制电压的第一电压值31连接。该第一电压值31至少是功率半导体的阈值控制电压。这意味着第一电压值31足够高，至少与阈值控制电压一样高，但不会高很多。第一电压值不小于阈值控制电压，因为这不会导致半导体电路布置11的接通。第一电压值不会比阈值控制电压高很多，因为在接通过程期间如果出现短路电流或过电流，这将是一个问题。换句话说，第一电压值对于半导体电路布置11上的开关来说足够高，并且对于该动作来说尽可能低。特别地，第一电压值31基本上是功率半导体的阈值控制电压。

通过优选使用IGBT 14或MOSFET，功率半导体的阈值控制电压是IGBT 14或MOSFET的栅极阈值电压。通常，IGBT的栅极阈值电压在5V至7V之间，并且MOSFET的栅极阈值电压在3V至4V之间。这些低电压值延长了功率半导体的使用寿命。实际上并且在使用IBGT 14的情况下，第一电压值31通常为约9V。

接通过程需要接通时间30。控制和驱动单元13仅在该接通时间30期间提供第一电压值31。通常，接通时间30在50μs至500μs之间，特别是100μs。接通过程期间的电压电平如图3所示。

如果在启动时已存在短路，则这通过去饱和检测器15来检测。由于发生去饱和的电流也随着栅极电压降低而降低，因此与半导体电路布置11以高栅极电压接通的情况相比，可以更快地检测到这种短路。因此，可以更快地检测到短路并断电。已经表明，在这种情况下，经由去饱和检测15比经由电流测量布置12更快地检测到短路。在检测到去饱和之后，半导体电路布置11由控制和驱动单元13直接断电，而无需预先增加控制电压。

在短时间期间的这种基本接通之后并且如果不存在短路或过电流，则控制和驱动单元13将低压保护装置1置于用于长时间操作稳定性的设置中。为此，控制和驱动单元13通常在接通时间30之后立即将控制电压从第一电压值31增加到第二电压值32。第二电压值32高于第一电压值31。第二电压值32进一步小于或等于功率半导体的峰值控制电压。通过使用IGBT 14，第二电压值32通常为约15V。

为了在存在至多对应于预期操作电流的主要电流时切断低压保护装置1，控制和驱动单元13激活旁路继电器8以断开触点，于是负载电流完全换向到半导体电路布置11。

一旦旁路继电器8的触点达到足够的间隙距离，半导体电路布置11就断电。为此，存在首次等待时间。可以假设，在可通过实验容易地确定的该第一等待时间之后，旁路继电器8的触点已达到必要的间隙距离。由断电过程产生的电压峰值在变阻器19和/或缓冲器21中减小。随后，断开隔离开关9、10。

一旦检测到短路或过电流，控制和驱动单元13就通过相应地激活旁路继电器8来引起旁路继电器的断开。同时，在第一关闭步骤34中，控制和驱动单元13将半导体电路布置11的栅极电压从第二电压值32增加到第三电压值33，第三电压值33大于IGBT 14或MOSFET的峰值栅极电压。在这种情况下，功率半导体反应如此之快，以至于在电流换向之前就已出现较高的控制电压。

第三电压值33优选地在功率半导体的峰值控制电压的120％至170％之间。具体地，在作为IGBT 14或MOSFET的功率半导体的优选实施方案中，第三电压值33优选地在IGBT14或MOSFET的峰值栅极电压的120％至170％之间，特别是在130％至160％之间。给定IGBT中的共同峰值栅极电压为20V，这对应于24V至34V之间的典型电压。

如所描述的，第三电压值33仅在短路或过电流的关闭期间使用。在低压保护装置1处，在接通过程期间，第一电压值31可能会在非常短的时间内与第三电压值33一样高。通过这种方式，可以使用功率半导体来遵守时间-电流曲线。

功率半导体能够应对在不频繁开关操作期间出现的此类高栅极电压。由于这些高栅极电压，即使在通过IGBT 14或MOSFET的高电流下也不会发生去饱和，并且IGBT 14或MOSFET在饱和下操作。

旁路继电器8的断开和栅极电压的增加可以基本上同时发生，因为栅极电压的增加比旁路继电器8的断开发生得快得多。

在旁路继电器8的触点已达到足够的间隙距离之后，控制和驱动单元13在随后的第二关闭步骤35中将半导体电路布置11断电。为此目的，控制和驱动单元13优选地在其执行第二关闭步骤35之前等待可定义的和/或预先指定的第一时间段。这使得可以确保旁路继电器8已断开，并且电流在半导体电路布置11断电之前完全换向到该半导体电路布置。关断操作中的不同电压如图3所示。

所得的电压峰值经由变阻器19和/或缓冲器21耗散掉。

控制和驱动单元13被设计为在低压保护装置1的接通过程中以控制电压的第一电压值31驱动第一半导体电路布置11达接通时间30。第一电压值31至少是功率半导体的阈值控制电压。控制和驱动单元13在接通时间30之后将控制电压从第一电压值31增加到第二电压值32。第二电压值32小于或等于功率半导体的峰值控制电压。

控制和驱动单元13还被设计为执行对应方法中所描述的步骤。在这种情况下，在检测到短路电流或过电流时，控制和驱动单元13在第一关闭步骤34中将栅极电压从第二电压值32增加到第三电压值33，其中第三电压值33大于IGBT 14或MOSFET的峰值栅极电压，并且控制和驱动单元13在随后的第二关闭步骤35中将半导体电路布置11断电。

尽管已在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但这样的示出和描述应被认为是说明性或示例性的而不是限制性的。应当理解，普通技术人员可在所附权利要求的范围内做出改变和修改。具体地，本发明涵盖具有来自上文和下文描述的不同实施方案的特征的任意组合的另外的实施方案。另外，本文中做出的表征本发明的陈述是指本发明的一个实施方案，而不一定是所有实施方案。

权利要求中使用的术语应被解释为具有与前述描述一致的最广泛的合理解释。例如，在介绍要素时使用冠词“一个/一种”或“该/所述”不应被解释为排除多个要素。同样，“或”的表述应被解释为具有包容性，使得“A或B”的表述不排除“A和B”，除非从上下文或前述描述中清楚地表明仅意指A和B中的一者。此外，“A、B和C中的至少一者”的表述应被解释为由A、B、C组成的一组要素中的一个或多个要素，而不应被解释为需要列出的要素A、B和C中的每个要素的至少一个要素，无论A、B和C是否作为类别相关或以其他方式相关。此外，“A、B和/或C”或“A、B或C中的至少一者”的表述应被解释为包括来自所列要素的任何单数实体，例如A(来自所列要素的任何子集)，例如A和B，或要素A、B和C的整个列表。

Claims (9)

1.一种低压保护装置(1)，所述低压保护装置包括：

至少一个第一外导体路径(2)，所述至少一个第一外导体路径从所述低压保护装置(1)的外导体电源连接件(3)到所述低压保护装置(1)的外导体负载连接件(4)，

机械旁路开关(8)，所述机械旁路开关布置在所述外导体路径(2)中，

所述低压保护装置(1)的第一半导体电路布置(11)，所述第一半导体电路布置并联连接到所述机械旁路开关(8)，所述第一半导体电路布置(11)包括至少一个功率半导体，

控制和驱动单元(13)，所述控制和驱动单元被配置为以控制电压驱动所述第一半导体电路布置(11)，

所述控制和驱动单元(13)被配置为在所述低压保护装置(1)的接通过程中，以所述控制电压的第一电压值(31)配置所述第一半导体电路布置(11)达接通时间(30)，所述第一电压值(31)至少是所述功率半导体的阈值控制电压，并且

所述控制和驱动单元(13)被配置为在所述接通时间(30)之后将所述控制电压从所述第一电压值(31)增加到第二电压值(32)，所述第二电压值(32)小于或等于所述功率半导体的峰值控制电压，并且

所述控制和驱动单元(13)还被配置为在第一关闭步骤(34)中检测到短路电流或过电流时将所述控制电压从所述第二电压值(32)增加到第三电压值(33)，所述第三电压值(33)大于所述功率半导体的所述峰值控制电压，并且所述控制和驱动单元随后在第二关闭步骤(35)中将所述第一半导体电路布置(11)断电。

2.根据权利要求1所述的低压保护装置(1)，其特征在于，所述至少一个功率半导体包括至少一个IGBT(14)或MOSFET，所述控制电压是所述IGBT(14)或MOSFET的栅极电压，并且所述峰值控制电压是所述IGBT(14)或MOSFET的峰值栅极电压。

3.根据权利要求1或2所述的低压保护装置(1)，其特征在于，所述第一电压值(31)基本上是所述功率半导体的所述阈值控制电压。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的低压保护装置(1)，其特征在于，所述功率半导体的所述阈值控制电压是所述IGBT(14)或MOSFET的栅极阈值电压。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的低压保护装置(1)，其特征在于，所述接通时间(30)在50μs至500μs之间，尤其是100μs。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的低压保护装置(1)，其特征在于，所述第三电压值(33)在所述功率半导体的所述峰值控制电压的120％至170％之间。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的低压保护装置(1)，其特征在于，所述控制和驱动单元(13)被配置为检测所述功率半导体的去饱和，并且在检测到去饱和之后将所述半导体电路布置(11)断电。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的低压保护装置(1)，其特征在于，所述控制和驱动单元(13)被配置为在所述第一关闭步骤(34)和所述第二关闭步骤(35)之间等待可定义的关闭时间段。

9.一种用于操作低压保护装置(1)的方法，所述低压保护装置包括：

至少一个第一外导体路径(2)，所述至少一个第一外导体路径从所述低压保护装置(1)的外导体电源连接件(3)到所述低压保护装置(1)的外导体负载连接件(4)，

机械旁路开关(8)，所述机械旁路开关布置在所述外导体路径(2)中，

所述低压保护装置(1)的第一半导体电路布置(11)，所述第一半导体电路布置并联连接到所述机械旁路开关(8)，所述第一半导体电路布置(11)包括至少一个功率半导体，

控制和驱动单元(13)，所述控制和驱动单元以控制电压驱动所述第一半导体电路布置(11)，

所述控制和驱动单元(13)在所述低压保护装置(1)的接通过程中，以所述控制电压的第一电压值(31)驱动所述第一半导体电路布置(11)达接通时间(30)，所述第一电压值(31)至少是所述功率半导体的阈值控制电压，并且

所述控制和驱动单元(13)在所述接通时间(30)之后将所述控制电压从所述第一电压值(31)增加到第二电压值(32)，所述第二电压数值(32)小于或等于所述功率半导体的峰值控制电压，并且

所述控制和驱动单元(13)在第一关闭步骤(34)中检测到短路电流或过电流时将所述控制电压从所述第二电压值(32)增加到第三电压值(33)，所述第三电压值(33)大于所述功率半导体的所述峰值控制电压，并且所述控制和驱动单元(13)随后在第二关闭步骤(35)中将所述第一半导体电路布置(11)断电。