CN1288841C - 电子开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关装置，其包括：a)工作电路(10)，a1)在该工作电路上可加载工作电压(UB)，该工作电路包括：a2)至少一个电子开关元件(2)，其具有至少一个用于加载开关信号的控制端，并根据该控制信号处于断开状态或接通状态，以及a3)至少一个电子保护元件(3)，用于在危险情况下，特别是过载或短路情况下，保护处于导通状态下的开关元件免受过高的焦耳损耗，其中，该保护元件承受工作电压在该工作电路上的绝大部分压降，和b)断开装置(4)，当流过工作电路的工作电流或者加在工作电路或保护元件上的电压降超过预定上限值时，该装置在该危险情况下利用工作电流或者工作电压的能量，自动地将所述开关元件置为断开状态。

Description

电子开关装置
技术领域
本发明涉及一种开关装置。
背景技术
为了给用电器(设备、负载)提供电能或功率，通常将该用电器通过一个开关设备(开关装置)与一个电网的线路分支连接。
这种在用电器前连接到线路分支的开关设备用于为用电器接通和断开电流。在正常运行(额定运行)中该开关设备接通用电器所需的额定电流。在特殊的情况下，例如在接通时，用电器可能需要明显高的电功率，因此，流过开关设备的电流明显地高于额定电流。人们称其为过载电流。通过用电器中或向用电器传送功率导线中的短路，可以使用电器的电阻剧烈下降或者消失，并因此使得流过开关设备的电流增加到很高的值。这种高的短路电流造成在开关设备和用电器中很高的功率损失，并由此会很快造成开关设备或用电器的受损或毁坏。因此，必须保护开关装置和用电器不受过长时间的过载电流或者短路电流的影响。为此，采用了专门的保护设备，用于保护用电器不受过高电流的影响，当这种临界电流出现时，将线路分支与电网分离。作为保护设备主要应用的是熔丝功率保护开关或功率开关。
为了防止过载电流和短路电流希望有这样的开关设备，该开关设备本身就是防过载或短路的，因此也称为自保护开关设备。这种自保护开关设备应该独立地保护本身和线路分支，以使得当在分支中使用这种开关设备时不会出现由短路电流或过载电流造成的损害。
为了通断电流，除了主要使用的带有开关触点的机械开关设备外，公知的还有用半导体元件实现的电子开关设备。可以将这些半导体元件一方面划分为电流控制半导体元件，如双极型晶体管和闸流晶体管就属于这类，另一方面为电压控制半导体元件，例如单极MOS(金属氧化半导体)场效应晶体管(MOSFET)或双极型MOS可控闸流管(MCT)或MOS可控双极型晶体管(IGBT)。所有这些提到的半导体元件只能使电流沿一个方向(导通方向)流动，即只能在所加工作电压的一个确定的极性下在导通状态和截止状态之间接通(可导通状态)。每个半导体元件在其截止状态下只能截止到一个最大的截止电压(击穿电压)。在更高的截止电压下会出现能够很快造成元件损坏的载流子击穿。
WO 95/24055 A1公开了一种电子开关装置，其中一个半导体组件具有两个反向串联的FET，在该半导体组件的两侧分别有一个连接在导线(Leitungszug)中的断流器触点。这些断流器触点由一个与该半导体组件并联的脱扣元件(Ausloeseglied)接通或者断开。在两个FET的栅极和源极之间加有一个控制装置的控制电压。在导线中设置了一个与控制装置连接的电流传感器。控制装置检查何时达到或者超过允许的短路电流，并然后对两个FET的控制电压这样进行调节，使得不超过允许的短路电流，其中，通过控制电压提高FET的内部电阻。控制装置借助于辅助能源(外部能源)产生控制电压。电流传感器的信号仅用于分析是否出现了短路的情况。
WO 95/07571 A1公开了一种具有两个反向串联连接的、基于碳化硅的MOSFET的交流电流调节器。每个SiC-MOSFET可以通过各自的栅极-源极控制电压控制。栅极-源极电压在导通方向上的大小这样设定，使得可设置一个希望的漏-源电流的界限，并在反向工作时其大小使得在MOSFET的体二极管中和没有电流。通过这种电路的限流特性，能够将短路限流在可以接受的水平，并通过相应的不断降低的栅-源电压而降低。栅-源电压借助于一个外部能源产生。
DE 196 10 135 C1公开了一种电子开关装置，该装置包括两个用于加载工作电压的电气连接、一个基于硅的半导体元件(硅元件)和附加的一个半导体装置。该半导体装置包括一个预定导电类型的第一半导体区和至少一个导电类型相反的另一半导体区，在它们之间形成一p-n节。这些半导体区分别由击穿场强至少为106V/cm的半导体构成，特别是金刚石、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)以及优选地为碳化硅(SiC)，特别是聚合类(Polytypen)3C、4H和/或6H。
现在至少在半导体装置的第一半导体区内有一个与p-n节相临的隧道区，其在两个接头之间与硅元件串联连接。该硅元件在预定极性的工作电压下具有一个导通状态和一个截止状态。该半导体装置的p-n节电气连接在工作电压截止方向的两个接头之间。如果硅元件处于截止状态，则至少一个p-n节的耗尽区将在第一半导体区的隧道区卡住或者甚至将整个隧道区覆盖。由此，在硅元件的截止状态下通过p-n节耗尽区在两个接头之间的工作电压的大部分已经下降。由于对于p-n节的半导体区使用的半导体至少高达106V/cm的击穿场强，半导体装置的p-n节可以承受比在硅中构成的具有相同的载流子浓度和尺寸的p-n节明显高的截止电压。作为比较，硅的击穿场强大约在2·105V/cm。因此，仅需对两个接头之间截止电压的剩余部分铺设硅元件。这又造成在导通状态下明显地减少硅元件的功率损失。此外，在半导体装置p-n节处在另一电路分支中加有作为截止电压的两个接头之间的总工作电压。在硅元件的导通状态下，半导体装置第一半导体区的隧道区重新开启，此时电流可以通过该隧道区在两个接头之间流动。
作为硅元件建议使用功率MOSFET，优选地是常断类型或者也可以是MESFET(金属半导体场效应管)。半导体装置优选地作为垂直JFET(结型场效应晶体管)构成。JFET的源极与硅MOSFET的漏极短接。JFET的漏极与电子开关装置的第二接头电气连接。JFET的栅极与电子开关装置的第一接头和硅MOSFET的源极电气短接。利用这种可以称为混合功率MOSFET或阴地-栅地电路(Kaskodeschaltung)的公知的装置，如果采用碳化硅(SiC)作为半导体装置的半导体材料的话，则尤其可以得到直到5000V的截止电压和5A到5000A之间的导通电流。在DE 196 10 135 C1所公开的电子装置的另一实施方式中，将基于碳化硅(SiC)的IGBT类型混合制成的半导体装置与硅MOSFET相结合，可以得到直到10000V的截止电压和直到100A/芯片的额定电流。
在另一文献DE 198 33 214 C1中公开了一种以具有用优选基于碳化硅(SiC)的外延层构成的JFET半导体装置的台型结构作为开关元件。这种高截止的JFET半导体装置尤其被建议用于转数可变驱动的变流机应用或者作为电机支路的交流电压开关，其中所接入的元件必须保持“常关(normallyoff)”运行，即当电流断开时自动地转换到截止状态。为此建议，将该高截止的JFET半导体装置以阴地-栅地电路与一个低电压MOSFET或者低电压灵敏MOSFET连接，其中低电压FET可以按公知的硅技术制造。
由DE 196 10 135 C1所公开的和在DE 198 33 214 C1中所描述的阴地-栅地电路如无附加的具有辅助能源的电路就只能有条件地满足开关装置的自保护性。即与常规的在硅基体上的半导体开关元件相比，其允许明显长的过电流时间或者短路时间。但是，由过载或短路长时间在阴地-栅地电路的半导体装置(JFET)中形成的功率损失，在若干电网周期(交流电压)后，或者一般地在过载或短路电流出现一段时间之后会造成保护元件热损坏，并进而造成开关元件损坏。
尽管在DE 196 10 135 C1中建议了，通过所谓的灵敏功率硅MOSFET或相应的智能硅元件将硅功率MOSFET应用于开关，以使电子装置除了开关功能外还具有保护功能，例如过电压保护或者过电流开路。但是，在DE196 10 135 C1中没有具体地给出，在该灵敏功率硅MOSFET中电路是如何连接的，以实现所述保护功能，特别是过电流开路功能，尤其因为JFET的饱和电流位于硅MOSFET的正常欧姆工作区中，因此对MOSFET没有可以检测的过电流。
在另一文献DE 34 45 340 A1中公开了一种单向或双向开关，该开关在线路分支上与具有负载的220V和50Hz的电网电压串连连接。该开关在一种单向开关的实施方式中包括一个MOSFET和与此串联连接的电阻R1，而在一种双向开关的实施方式中包括两个反向串联连接的MOSFET和连接在两个FET之间的电阻R1。电阻R1上的电压降由一个限流电路采集，该限流电路在单向开关的情况下具有另一个电阻和一个双极型晶体管，而在双向开关的情况下具有两个电阻和两个双极型晶体管。如果在电阻R1上的电压降大于0.6V，该限流电路与每个MOSFET的栅极连接并减小在MOSFET栅极和源极之间施加的控制电压。该限流电路通过电阻R1并因此通过整个开关将电流调节到一个平衡状态值，该电流造成一个相应于限流电路的双极型晶体管的基极和发射极电压的一个压降。但是，由于限流电路的总是串联的电阻R1，这种公知的开关就是在额定运行中也具有高的电损耗。限流电路通过MOSFET开关元件本身实现了，通过改变栅极电压由该限流电路控制开关元件的电阻。
此外，按照DE 34 45 340 A1的开关还具有短路保护，其中，设置了两个附加晶体管(FET 3和FET 4)。一个FET(FET 4)构成控制开关，该控制开关与一个电阻R5一起连接在控制电压的两极之间。该控制开关FET的栅极与另一个FET(FET 3)的源极相连。该另一个FET的漏极又通过一个二极管Da与电网电压的一极相连，而其栅极与控制电压的正极连接。如果负载短路，则在接通状态下电流向极限值增加。如果到达该极限值，则
通过二极管Da在第二FET(FET 3)的漏极出现一个瞬间交流电压。FET 3的栅极电压在控制电路时为正的。FET 3源极电平等于FET 4的栅极电平，同样是正的，因而使得FET 4导通。这使得在MOSFET栅极上的控制电压下降至温度栅极-源极电压以下的临界值，并且开关断开。
但是，这种公知的电路在短路情况下非常危险，因为MOSFET(FET 1)只能承受几微秒的短路电流热并随后损坏，而用两个晶体管FET 3和FET 4构成的断路不能保证这种快速的关断。按照DE 34 45 340 A1，限流和短路保护功能在关断MOSFET时都没有外加的能量。但是，为了关断开关元件本身而测取开关元件上的电压降是不实用的，因为MOSFET的导通电阻应尽可能小，以便使开关损耗最小，并因此排除大量热负载，直到达到断开在短路情况下所要求的过压。因此，这种公知的开关不是自保护的。
文献WO 94/11937 A1公开了一种工作电路，该工作电路具有一个作为电子开关元件的FET和一个作为电子保护元件的串联的与温度有关的电阻，用来在危险情况下，特别是在过载或短路情况下，保护开关元件免受过高的焦耳损耗。该保护元件在危险情况下由于与此相关的发热，承受工作电压在由开关元件和保护元件组成的工作电路上的绝大部分压降。还公开了断开装置，如果通过工作电路流动的工作电流或者在工作电路或保护元件上的电压超过一个预定的上限值，该断开装置在危险情况下通过利用在工作电流或者工作电压中的能量，自动地将开关元件置为断开状态。这种断开装置包括一个双极型晶体管电路，该晶体管和作为分压器的二极管和电阻一起与FET开关元件的栅极连接，使其接通或断开。
WO 00/24105 A1公开了一种具有与MOSFET开关元件或者JFET开关元件串联的PTC电阻的电路。该PTC电阻用作在危险情况下开关元件的保护元件。如果在该PTC电阻上的电压超过一定的值，即在故障电流或短路电路的情况下，一个晶体管与一个分压器一同断开MOSFET开关元件。该断开装置同样自主工作，即没有辅助能量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种电子开关装置和一种运行开关装置的方法，其中不引入辅助能量也能实现开关装置的可靠的自保护性。
按照本发明，上述技术问题是通过一种具有如下所述特征的开关装置以及一种运行该开关装置的方法来解决的。
所述开关装置，包括
a)一个工作电路，
a1)在该工作电路上可加载工作电压，该工作电路包括：
a2)至少一个电子开关元件，该开关元件包括至少一个用于加载开关信号的控制端，并且根据该控制信号处于断开状态或者接通状态，以及
a3)至少一个电子保护元件，用于在危险情况下，特别是在过载或短路情况下，保护处于导通状态下的开关元件免受过高的焦耳损耗，其中，该保护元件承受工作电压在该工作电路上的绝大部分压降，
和
b)断开装置，当流过工作电路的工作电流或者加在工作电路或保护元件上的电压降超过预定的上限值时，该装置在该危险情况下利用工作电流或者工作电压中的能量，自动地将所述开关元件设置为断开状态，其中，
c)即便当危险情况不再存在时，所述断开装置也将所述开关元件的断开状态至少保持一个预定的最小时间间隔，以及其中，
d)所述工作电压是交流电压，而所述最小时间间隔选择为至少与该交流工作电压的半个周期一样大。
本发明的出发点是一种开关装置，其具有一个工作电路(运行电路)，该电路有至少一个电子开关元件和至少一个通常与开关元件电气上串联连接的电子保护元件。工作电压加到或者可以加到该工作电路上。开关元件通过一个至少可以加到一个控制接头的开关信号，可以在一个断开状态和一个接通状态之间进行转换。在接通状态，即如果通过该由保护元件和开关元件组成的电路中流通有工作电流时，保护元件保护该开关元件在危险的情况下不受一个过高的热负载，特别是在过载的情况或在短路的情况下，在该情况下流过工作电路的电流比正常运行(额定运行)或者预期的电流明显地高，而开关元件通过由此产生的焦耳损失热量受到热损害。为此，保护元件在危险的情况下为接入的开关元件承受(承担)工作电压(电压降)主要的或基本的部分，并由此也相应承担在危险情况下工作电路中出现的焦耳损失能量的主要部分。该保护元件的运行是相应牢固的。一种特殊的电路和该电路运行的特征在前面提到的DE 196 101 35 C1中公开。
但是，这种开关装置在超过一个过长的时间段流动的高电流和因此的高损失能量(即通过该时间积累的损失能量)下，也对保护元件造成热损害。
本发明基于的第一个思路是，即：在危险情况下当到达由超过临界电流和电压值(或：上限值、门限值、最大值)所表示的断开或关断判据时断开开关元件，并因此消除了在开关元件上的过压和巨大的热能。为了断开考虑到了通过工作电路流动的工作电流或者在整个工作电路或保护元件上的工作电压，和一个对应的所属上限值。
本发明基于的第二个思路是，即：断开开关元件所需的能量不是来自于一个外部的其它或辅助能源，而是直接来自在工作电路中供使用的工作电能。按照本发明，在危险情况下开关元件的断开因此可完全自给自足地实现，并可以不因辅助电源的失效而受到影响。按照本发明的电子开关装置和运行开关装置的方法因此是完全自保护的。因此，按照本发明构造或运行的开关装置包括了电子开关设备的灵活性和同时可以与机械开关设备比较的牢固性。
尽管在过载情况或短路情况下开关元件通过断开装置断开，并由此将通过开关装置的电流限流在一个不临界的值。但是，在开关元件断开之后工作电流下降，并由此在开关元件或保护元件上的工作电压压降又降为所属临界上限值以下的一个值。因此对于断开装置，特别是对于控制开关的控制量又处于一个非临界的、危险情况区域以外的区域。
本发明基于的第三个思路是，即：在危险情况下在开关元件断开之后，断开装置自动地将开关元件的断开状态至少保持一个确定的时间段(最小时间间隔)，特别是在一次断开过程之后不再需要来自工作电压或工作电流的能量。
断开装置在危险情况下断开开关元件，然后仅在一个给定的时间间隔内将开关元件保持在断开状态。在该时间间隔期间由断开装置提供的控制信号独立于当前所加工作电压或工作电流而对应于开关元件的断开开关信号。断开装置由此将开关元件的断开状态保持在预定最小时间间隔，即使危险情况不再存在。反之，在该时间间隔过后断开装置的开关信号再次依赖于当前所加工作电压或工作电流，在危险情况重新出现时才再次过渡到断开模式。由此，开关元件在额定运行中可以再次被开关。
通常工作电压和由此的工作电流所涉及的是一个时间上变化的、多数还是极性变化(交变)的量，例如一个周期变化的电压或电流(交流电压或者交流电流)，如同其通常由供电网或电力发电机所提供的。这种交流电压或交流电流具有理想情况下的正弦形式的时间变化曲线。
选择交变的工作电压有这样的影响，即在过载或短路情况下过载或短路电流同样也是极性变化的，尤其是按照工作电压的周期振荡。即如果工作电压通过断开装置在超出极限值的半个周期(半波)减小或完全断开，则通过对断开装置控制的反馈又将开关元件引入导通状态(接通)。因此，具有开关元件和保护元件的电路将通过在每个半波中低于极限值的电流或电压值的损失功率在电气和温度上被加载。
这种开关元件在交变工作电压的一个极性的相位，特别是半个周期(半波)的相位期间的再次接通，可以通过上述将开关元件的断开状态保持一个预定的最小时间间隔的实施方式得以避免。
在最小时间间隔期间开关元件通过断开装置被保持在截止状态(不导通的状态)，为此，根据本发明的第四发明思路，最小时间间隔选择为最小与交流工作电压的半个周期一样大，以便在这半个危险情况出现的周期不允许或只允许很少的进一步的损耗。优选地将开关元件断开的最小时间间隔选择得至少和交流工作电压的完整周期长度相等，以便也克服交流工作电压的具有相反极性的半个周期。
在第一实施方式中开关装置的断开装置包括至少三个接头，其中两个是输入端和一个是输出端。这两个输入与具有开关元件和保护元件的工作电路这样连接，使得在输入上或输入之间可以测取或已经测取了工作电压本身、或者在具有开关元件和保护元件的电路上或内工作电压的部分压降、或者通过该电路流动的工作电流或该电流分支的一部分。从这种在输入端测取的电的大小(电压或电流)断开装置形成一个开关信号，该信号被提供至输出端并由此可以加到或已经加到开关元件的控制接头。只要危险情况不出现，则断开装置的开关信号不影响正常运行下开关元件的状态。但是，如果出现危险情况，则断开装置借助于工作电压或工作电流中现有能量改变在输出端的开关信号，并由改变后的开关信号断开开关元件，即将开关元件变成截止状态或断开状态。
开关装置的一种特别优选的实施方式的特征在于，所述断开装置包括一个用于开关元件断开的控制开关。该控制开关连接在开关元件的控制接头和一个开关点之间，该开关点上施加一个信号，该信号在控制开关导通时在开关元件的控制接头上将开关元件断开，即对应于一个断开信号。这种施加在开关点上的信号是一个基本上恒定的电平，优选为大地电平或机壳电平。在控制开关的控制端施加一个由工作电压或工作电流产生的控制信号。如果危险情况出现，该控制信号接通控制开关，即使其进入其导通状态或接通状态。反之，即如果危险情况不出现，控制开关通过一个相应变化的控制信号被断开，即被进入其截止状态或断开状态。其结果是，在额定运行中(即正常运行、没有危险情况)在位于控制开关另一侧开关点上的断开信号，特别是恒定电平，通过控制开关与开关元件的控制端去耦，并因此对开关元件的控制失去影响。反之，在危险情况下，控制开关将在控制点上的断开信号，必要时通过其它开关部件，接至开关元件的控制端。此时，接通的开关点上的控制电平或开关信号造成开关元件过渡到其截止状态。断开信号保持开关元件在危险情况下接入(断开)，而不依赖于工作电压或工作电流的当前值正在或已经超出上限值多少。
因为，在大多数情况下，对于控制开关的控制信号工作电路的工作电压，在一个优选的扩展中将工作电压通过一个分压器分压，而将得到的部分电压或者由其导出的电流作为开关信号使用。这样分压器成为断开装置的组成部分。
同样也可以降低工作电流，其中将一个集流电阻接入工作电流或者与工作电流明显相关的分支电流(部件电流、监视器电流)的电流路径中，而开关信号从在集流电阻上测取的测取电压产生，必要时还是利用了分压器的中间电路。
在开关元件的控制端和具有断开信号的开关点之间优选地连接一个与控制开关串联的去耦电阻。该去耦电阻特别是用于对工作电压或测取电压分压的分压器的一个部件。
在一个特别优选的实施方式中断开装置的控制开关包括至少一个控制晶体管。该控制晶体管优选地为一个MISFET(金属绝缘半导体场效应管)，尤其是一个MOSFET。而开关信号则特别是在栅极和源极之间的一个控制电平或一个控制电压。特别优选的是使用自锁的(常断，normally off)MISFET或者MOSFET(饱和类型)。这种自锁的MISFET在0V或者低于门限值的控制电压处于截止(断开)状态，其为了接通或过渡到导通状态需要一个有效的、其值必须大于0V或者总的高于门限值的开关或控制电压。由于不能完全避免损耗，为了保持这种自锁的MISFET的导通状态需要一直有一个一定的最低能量。这种能量在危险情况下取自工作电压或工作电流。如果危险情况不出现，则自锁的MISFET再次断开。由此，自锁的MISFET使得可以开关元件的开关状态自动返回到对于额定运行的接通状态或者可以接通的状态。
不过，控制晶体管也可以是一个(电流控制的)双极晶体管(npn或pnp型)或者一个(电压控制的)IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)。此外，作为控制开关也可以使用一个其它能够开关的元件或半导体元件，例如，一个闸流管或者一个MCT(MOS受控闸流管)。
如果在一个优选的应用中将开关装置在用电器之前接到一个尤其是低压电网(典型地是在额定运行中作为工作电压有效值介于230V和690V之间)的供电电网的线路分支中，则该开关装置在危险情况或短路情况下也及时地将用电器与电位分开，从而避免了对用电器的伤害。
只要危险情况不再出现，则也可以停止断开装置。于是，在工作电压或工作电流再次低于上限值紧接之后，断开装置不再向开关元件的控制端产生断开信号。
保持开关元件的断开状态在危险情况(临时)结束后也可以是长久的且独立于工作电压或工作电流进一步变化的一个子方案，例如在其中选择一个机械开关作为控制开关。在该实施方式中优选地需要一个用于重新接通(不是断开)开关元件的附加的辅助能量接头或者一个与断开装置的接触，以便开关元件在危险情况结束后再次可以被开关。因此，该实施方式不是特别适合实际应用。
在一个优选的实施方式中断开装置包括至少一个电容，用于保持开关元件的断开状态或者开关元件对应的断开信号，该电容优选地连接控制开关的控制端和所属(具有断开信号的)开关点。电容存储由工作电流的充电，并由此保持在其两个电容电极上的电压。该电容电压优选地通过一个与电容并联的齐纳二极管适当地限制。即使没有电容，齐纳二极管、尤其当其连接在控制开关的控制端和所属开关点之间时，起到设置控制电压的作用。在一个优选的扩展中一个放电电阻与电容并联。开关元件的控制端上断开信号保持的最小时间间隔通过由电容和放电电阻构成的并联电路的放电时间(时间常数)确定。
为了实现可以自保护地开关极性交变的工作电压，特别是(周期性)交流电压的开关装置，设计了两个总体上相同的电路，它们分别由在电流路径中反向串联的一个开关元件和一个保护元件和各自所属的断开装置组成。此外，为了在工作电压相反极性下保护工作电路，也可以采用例如并联连接的保护二极管的保护装置。
由开关元件和保护元件组成的工作电路总体上包括一个第一接头和一个第二接头。工作电压加在这两个接头上。工作电路的两个接头的第一个优选地与属于控制开关的开关点连接，并优选地加有和该开关点相同的电平。由此工作电压的有效相位加到另一个，即第二接头上。
控制开关的控制端可以通过第二接头与工作电压连接。断开装置则在控制开关和第二接头之间优选地包括一个附加耐压开关，例如同样是MISFET或MOSFET，以便断开装置在需要时能够停止开关装置并避免在开关装置中的附加损耗，假如开关元件处于断开状态的话。
对于开关装置的额定运行通常设计有控制装置，该控制装置与开关元件的控制端，尤其是通过一个输入电阻连接或可以连接，并在额定运行中将一个用于接通或断开开关元件的控制信号加到其控制端。首先存在的一方面通过控制装置对开关元件的控制和另一方面断开装置之间的竞争这样优选地解决，即如果不出现危险情况，则控制装置确定开关元件的开关状态，而如果出现危险情况，则断开装置确定开关元件的开关状态。为此，按优选方式在对应的情况下分别互相地启动和/或停止控制装置和断开装置。
通过控制装置启动断开装置可以这样实现，即将耐压开关的控制端与控制装置连接，且控制装置接通该耐压开关。由此，接通耐压开关，而在控制开关控制端的控制信号是与在工作电路上或者工作电路内的工作电压或工作电流耦合的。
在一个特别优选的实施方式中，控制装置将耐压开关与开关元件共同(同时、同步)接通。由此，如果开关元件处于接通状态，断开装置才由控制装置启动。反之，如果开关元件已经有控制装置断开，则不必再将断开装置启动，并可以避免了由于断开装置附加的电路造成的损耗。
为了避免在交流工作电压的相反极性期间负的控制，可以在控制开关的控制端和工作电压的两个连线之间额外接入一个二极管。此外，为了调节在控制开关的控制端和工作电压的两个连线之间的控制开关控制点上的信号电平，还优选地连接一个中间电阻。
在一个特别优选的实施方式中，开关元件包括一个以商品名称HITFET公知的、由MISFET导出的、特殊的场效应管，该场效应管具有一个附加的电流监视输出。断开装置优选地通过一个测取电阻，测取HITFET电流监视输出上的工作电流或一个明确依赖工作电流的电流信号，以便产生开关信号，该信号加到或者可以加到HITFET的控制端。
在所有实施方式中，电子保护元件在至少一个半导体基底上建成，该半导体具有至少106V/cm的击穿场强和/或至少2eV的能带宽度，而由此可以适合隔绝更高的电压。因此，保护元件可以承受在危险情况下特别高的工作电压的分量。适合的半导体有碳化硅(SiC)，尤其是β聚合类(Polytypen)3C或α聚合类、例如15R、4H和/或6H聚合类、氮化镓(GaN)、金刚石、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)。优选的半导体材料为碳化硅(SiC)，因为它具有高的击穿场强、小的损耗功率、高的抗温性能、化学电阻和高的导热性能。
反之，对于开关元件尽可能好的开关性能是首选因素，耐压性能则为次要的，因为耐用可以继续由保护元件承担。因此，电子开关元件优选地在由一种或多种由硅(Si)、砷化镓(GaAs)和锗(Ge)组成的半导体组构成。
保护元件尽管在危险情况下吸收尽可能高的工作电路上工作电压的压降和对应的焦耳损耗，例如至少70％和优选地至少90％，但是，反过来在正常运行(额定运行)中，即在没有过载和短路并因此明显小的额定电流的正常运行的用电器，要有尽可能小的导通损耗。保护元件上的压降和在开关元件上的压降的比例，因此也就是保护元件上释放的焦耳损失功率和在开关元件上释放的焦耳损失功率的比例必须在额定运行中明显地小于在危险情况下的比例。因此，优选的是，由保护元件承受的压降和由此焦耳热功率的成分在危险情况下比在额定运行中对应地大量增加。这样也可以保持在开关元件工作电压的压降成分的绝对值低于一个预定的最大值，例如100V或50V。这种在危险情况下相对于在开关元件的电压承受增加了的在保护元件上的电压承受可以通过对应的限流元件实现。
特别适合的是一种具有饱和特性的元件，即其中在导通区域的电流电压特征曲线中在增加的电压下电流接近或达到一个饱和电流。对于出现危险情况工作电路中电压或电流的决定性的或定义的上限值，优选地处于保护元件进入或已经进入其饱和的区域。保护元件在其饱和状态有一个非常平的电流电压特征曲线。所以对于掌握电压的敏感性极大地高于对于掌握电流的敏感性，以至于通过保护元件监视电压降或者具有保护元件和开关元件的工作电路特别有效。保护元件的保护电流优选地比开关元件的热极限电流要小，例如至少一个因数2或甚至至少一个因数3。
保护元件可以通过至少一个在截止方向运行的p-n结和/或至少一个肖特基结承受施加的截止电压，其中分别以建造用于隔绝电压的贫化区为特征。
对于保护元件和/或开关元件的优选的元件结构是JFET(节型场效应晶体管)、MESFET(金属半导体场效应管)和/或MISFET，特别是MOSFET等结构。
在一种特别优选的组合中，保护元件用JFET结构或MESFET结构构成，而开关元件用MISFET结构构成。然后在被称为阴地-栅地电路的工作电路中，保护元件的JFET结构或MESFET结构的栅极接头与开关元件的MISFET的源极接头连接，而保护元件的JFET结构或MESFET结构的源极接头与开关元件的MISFET的漏极接头连接。
开关装置在一个优选的应用中连接在用电器之前的一个线路分支，特别是供电电网的线路分支中。
附图说明
下面对照附图对本发明作进一步的说明，其中：
图1为一种具有根据电压断路的开关装置的实施方式的原理图，
图2为一种具有根据电流断路的开关装置的实施方式的原理图，
图3为一种具有借助于晶体管电路根据电压断路的开关装置的特殊实施方式，和
图4为一种具有借助于晶体管电路和HITFET作为开关元件的、根据电流断路的开关装置的特殊实施方式。
在图1至图4中对相应的部件使用了相同的附图标记。
具体实施方式
按照图1和图2的开关装置分别包括一个由具有三个电气接头(触点、电极)2A、2B和2C的电子开关元件2，和一个具有三个电气接头3A、3B和3C的电子保护元件3组成的工作电路10。这个工作电路10连接在两个电气接头20和30之间，在该两个电气接头之间可以施加工作电压UB。其中，第一接头20处于电平P0，而第二接头30处于电平P1。通常电平P0基本为常数，特别是大地或机壳电平(Massenpotential)，而电平P1对应于有效相电(active Phase)。在一个位于两个接头20和30之间的电流路径中，开关元件2和保护元件3电气上串联，其中，开关元件2的接头2B与接头20连接、开关元件2的接头2A与保护元件3的接头3B连接，以及保护元件3的接头3B与接头30连接。
通过保护元件3的第三接头3C，保护元件3还在一个与第一电流路径平行延伸的第二电流路径中连接在接头20和30之间，其中，接头3C通过开关点22与开关元件2的接头2B连接。
电子开关元件2用一个开关符号表示，并可以借助于加在控制接头2C上的控制信号在导通状态(接通状态、传导状态、具有低导通电阻状态)和截止状态(断开状态、不传导状态、具有高导通电阻状态)之间进行转换。在导通状态下，电流(导通电流)可以通过开关元件2在两个接头2A和2B之间流动。相反，在截止状态下，实际上仅流过可以忽略的截止电流。与开关元件的导通状态相对应的开关信号PS在下面也称为接通开关信号，而与开关元件的截止状态相对应的开关信号PS也称为断开开关信号。开关信号PS取决于开关元件2的组件，可以是一个控制电位或者控制电流，但也可以是光控制中的一个光信号。通常，开关元件2是基于硅的半导体元件，特别是MOSFET、MESFET、闸流晶体管、IGBT或MCT。
保护元件3的任务是，保护开关元件2免受过高的电压和电流。特别是保护元件3使开关元件2在其导通状态和截止状态都能减轻相对所加工作电压UB的负载，使得开关元件只需加有明显低于最大工作电压的预定最大截止电压。在开关元件2的导通状态下，在额定工作中的保护元件3应有尽可能小的导通损耗，即有尽可能小的电阻。此外，在开关元件2的导通状态下，保护元件3应限制流过工作电路10的、通常至少高于额定电流三倍的过载电流或者明显更高的短路电流，以使开关元件2不会由于过高的电流而造成过高的损失功率，并避免由此造成的热损坏。因此，保护元件3中的电阻必须在过载电流下以及真正出现短路电流时才明显地高于在额定电流下的电阻，以使保护元件3充分发挥限制高电流的作用。这又意味着，保护元件3在过载和短路的情况下产生高的电压降。保护元件3的这种功能的电路技术上的实现，通过一个与开关元件2串联的可控电阻RL和一个与开关元件2并联的非常高的电阻RS(或者也可以是电容)表示。如果保护元件和开关元件的特征线处于欧姆区域，则两个元件上电压降的关系也对应于各自的电阻关系。在保护元件上降的工作电压的部分和在开关元件上降的工作电压的部分的比例，在开关元件的接通状态(即电流流通)下，在危险情况下通常大于7∶3，特别是大于9∶1，而优选地甚至大于10∶1。
在实际中，这样一种半导体元件用作保护元件3，即该半导体元件在过载电流或者最晚在短路电流下处于饱和状态，即在特征线的一个区域随电压的增加实际上电流不再增加，因此有一种非常高的电阻，并且在额定工作状态下通常在特征线的欧姆区域具有很小的电阻。这种元件的例子是场效应晶体管，特别是JFET、MESFET和MOSFET，或者IGBT。
保护元件3由于其提到的特性构造的比开关元件2更抗电压，为此，优选地用具有至少2eV高能带宽度或至少1000000V/cm的高击穿场强的半导体材料构成。对保护元件3优选的半导体材料通常是单晶体、碳化硅(SiC)，特别是一种或多种预定聚合类(Polytypen)，如β聚合类(3C聚合类)或例如一种α聚合类(4H、6H或15R聚合类)。
如果在开关元件2的控制接头2C加一个接通开关信号PS，则该开关元件2以及保护元件3分别处于导通状态，使得可以通过工作电路10流通一个工作电流。该工作电流在无故障的工作中处在额定电流区域的正常负载下。保护元件3不处于饱和。
在过载或者短路的情况下此时保护元件3处于饱和并将限流为饱和电流。如果这种过载或者短路的情况持续，则在保护元件3中出现巨大的损失热量(焦耳热)，该热量可能使可靠的保护元件3受损或者破坏。
出于这种原因，按照本发明设计了断开装置(断路装置)4，该装置在如过载或者短路情况的危险情况下断开开关元件2，由此通过串联电路10的电流被限制为截止电流。因此，保护元件3去掉负载。
图3示出了工作电路10的一个具体实施方式，该工作电路作为阴地-栅地电路由一个用T1表示的作为保护元件3的JFET和一个用T2表示的作为开关元件2的MOSFET构成。这种阴地-栅地电路是公知的且例如在DE196 10 135 C1中有描述。作为保护元件3的JFET T1除了在该DE 196 10 135C1外，在DE 198 33 214 C1中也有描述。
两份文献DE 196 10 135 C1和DE 198 33 214 C1的公开内容在本发明申请中有所涉及。
JFET T1是基于碳化硅(SiC)构成的，而MOSFET T2是基于硅(Si)构成的。MOSFET T2的源极2B与接头20、MOSFET的漏极2A与JFET T1的源极3B、JFET T1的源极3A与接头30、JFET T1的栅极3C与MOSFETT2的源极2B和接头20连接。为了开关MOSFET T2在其栅极2C上加一控制电平PS。MOSFET T2的栅-源电压是对应的控制电压US＝PS-P0。该控制电平PS在额定工作中对应于输入电阻R1上的输入电平PE(或在控制输入端40上的输入电压UE＝PE-P0)。MOSFET T2是本身截止的类型(常开类型)，从而在MOSFET T2的控制电压US＝0V时处于断开状态，而直到一个大于确定阈值的控制电压US时MOSFET T2才受控并转换到其导电或接通状态。
在加入一个工作导通电压时，保护元件3即JFET T1的行为取决于通过JFET T1流通的工作电流。当到达一个关键的电流值(饱和电流)时JFETT1通过隧道区的截断进入饱和在保持相同或继续增加的电压下电流降到饱和电流以下。
如果此时处于危险情况，例如过载或短路情况，则JFET T1上的电压继续增加，在电流已经进入饱和值之后，JFET T1中的电气损失功率增加，JFET T1继续发热。随着内部温度的增加此时通过JFET T1隧道区的载流子的活动性降低。由于这种反向耦合作用JFET T1也将在短路情况下强烈增长的电流快速限制在一个非临界的电流(限制电流)，该电流明显低于在冷状态下的饱和电流。但是，由于高的损失功率JFET T1只能将这种过载或短路电流的限制保持在一个确定的时间长度内。因此，在超过多个电压周期保持的短路电流下工作电路10不能可靠地自保护。
因此，对危险的情况设计了特殊的附加电路作为断开装置4。该断开装置4的附加电路与工作电路10平行地接在接头20和30之间。
断开装置4包括一个作为控制开关5的控制晶体管T3。该控制晶体管T3同样是本身截止的MOSFET，特别是通常买到的硅MOSFET。控制晶体管T3的源极与接头20连接。控制晶体管T3的漏极通过一个去耦合电阻R2与一个位于输入电平PE的输入电阻R1和MOSFET T2的栅极2C之间的开关点41连接。在控制晶体管T3的源极和控制晶体管T3的栅极之间连接着齐纳二极管Z1和电容C1。控制晶体管T3的栅极、齐纳二极管Z1和电容C1在开关点42接成星形，在该点上还有另一个耐压的、优选地还是常开MOSFET构成的晶体管T4用其源极星形连接。在该晶体管T4的漏极和工作电路10的第二接头30之间连接着中间电阻R3和二极管D组成的串联电路。此外，在晶体管T4的栅极上直接加有控制输入40的输入电平PE。
加在控制晶体管T3栅极上的控制信号S的信号大小，现在取决于接头20和30之间所加的工作电压。通过选择中间电阻R3的电阻值和齐纳二极管Z1的稳压电压为控制信号确定了一个门限电压或极限值，它与接头20和30之间工作电压的一个确定的极限值唯一对应。只要工作电压低于其极限值，则控制晶体管T3处于其截止状态且MOSFET T2的栅极2C上的开关信号PS通过在控制输入40上的输入电平PE确定。在这种额定运行情况下，通过控制输入40开关元件2并由此工作电路10按希望的方式被接通或断开。
但是，如果在一个危险的情况下接头20和30之间的工作电压超过预定极限值，则控制晶体管T3栅极上的控制信号S增加到超过起门限电压的值，控制晶体管T3被接通。由此，此时MOSFET T2的栅极2C通过接头41、去耦合电阻R2和导通的控制晶体管T3与处于电平P0(源电平)的接头20连接。因此，MOSFET T2的栅极2C上的控制电压US被将至在门限电压以下的一个值，使得MOSFET T2断开。由此，整个工作电路10转换到截止的、不导通的状态。
因此，通过断开装置4阴地-栅地电路或工作电路10在出现过载或短路的情况时自动断开。电阻R1和R2的作用是去耦合在控制输入40对工作电路10的控制。二极管D在工作电路10上电压相应极性期间防止一种负的控制。
当低于齐纳二极管Z1的临界电压时，即对应于在接头20和30之间的工作电压(额定电压)UB的一种“零导通”，则由控制晶体管T3通过开关元件2、MOSFET T2引起的JFET T1的截止状态被取消，由此造成再次接通。如果短路或过载情况不再存在的话，则在用电器上或者在输出端空载的重新返回的电网电压UB下降。因此由JFET T1构成的保护元件3继续可以导通。相反，如果过载或短路情况仍然存在的话，则在上述影响机制之后在工作电路10上再次有一个电压的下降，按照本发明JFET T1(保护元件3)出现截止。
导通控制晶体管T3的工作电压UB的极限值，优选地位于构成保护元件3的JFET T1的饱和区。在工作电路10中在过载或短路情况下达到饱和电流之后，在工作电路10的电压降有一个快速的上升直到一个由附加电路或雪崩效应确定的电压大小。这种在工作电路(阴地-栅地)10上的电压降被利用来控制在前面连接的控制晶体管T3，并由此造成断开硅MOSFET T2和JFET(SiC晶体管)T1。通过这种断开这样地来限制了在工作电路10的晶体管T1和T2中流通的剩余电流，使得避免了JFET(SiC晶体管)T1的受热破坏。
断开装置4的附加电路应该仅仅在开关元件2的接通状态下，即当其控制电极上的开关信号PS＞0V时有效，以便减小在截止情况下的可能的损耗。为此，在断开装置4的附加分支中作为耐压开关加入的晶体管T4起作用，它和工作电路10的MOSFET T2一起由输入电平PE(输入电压UE)激活。
通过断开装置4中分压器由电压受齐纳二极管Z1钳制的电容C1的扩展，在工作电路10的漏极电压下降时，对开关元件2(MOSFETT2)的控制电压Us也保持不变，工作电路10在电网电压下降时不再自动接通。在一个没有表示出的实施方式中还为电容C1并联一个适当的放电电阻，使得晶体管T1的截止状态对应于放电时间常数，在短路或过载情况消失之后再次被取消。
在按照图3的实施方式中，为了在危险情况下断开MOSFET T2和由此断开工作电路10，监视工作电路10上的工作电压压降，并由该工作电压在超过预定极限值时产生在MOSFET T2的的开关信号US＝0V。在其栅极导通控制晶体管T3所需能量，即在控制晶体管T3栅极对控制信号S提高所需能量仅仅从接头20和30之间的工作电压提取。因此，不要求外加的能量。因此，由工作电路10和断开装置4以及控制40组成的整个开关装置是自保护的。
按照图4不是工作电压，而是通过工作电路10流通的工作电流被处理并被用于在危险情况下工作电路10的断开。为此，此时采用一个HITFET而不是MOSFET T2作为开关元件2。该HITFET T2是作为自锁的MOSFET构造的并另外包括了一个作为电流监视(Current Sense)的附加的接头(Pin)。在HIFET的该附加电流输出端准备好了一个与工作电流(负载电流)对应的电流值。通过在HITFET T2的电流输出端和接头20之间连接的、适当设置的汇流电阻R4，将汇流电阻R4上直接与在HITFET T2电流输出端汇集的电流成比例的、汇流电压的压降量出。如果通过工作电路10流通的工作电流超过一个许可的极限值，则该汇流电压此时被一个类似于图3构造的电路用于按接头20上的电平P0导通HITFET T2的栅极，该电路由控制晶体管T3作为控制开关5、齐纳二极管Z1和并联连接的电容C1以及去耦合电阻R2组成。

Claims (53)

1.一种开关装置，包括
a)一个工作电路(10)，
a1)在该工作电路上可加载工作电压(UB)，该工作电路(10)包括：
a2)至少一个电子开关元件(2)，该开关元件包括至少一个用于加载开关信号的控制端，并且根据该控制信号处于断开状态或者接通状态，以及
a3)至少一个电子保护元件(3)，用于在危险情况下，特别是在过载或短路情况下，保护处于导通状态下的开关元件免受过高的焦耳损耗，其中，该保护元件承受工作电压在该工作电路上的绝大部分压降，
和
b)断开装置(4)，当流过工作电路的工作电流或者加在工作电路或保护元件上的电压降超过预定的上限值时，该装置在该危险情况下利用工作电流或者工作电压中的能量，自动地将所述开关元件设置为断开状态，其中，
c)即便当危险情况不再存在时，所述断开装置也将所述开关元件的断开状态至少保持一个预定的最小时间间隔，以及其中，
d)所述工作电压是交流电压，而所述最小时间间隔选择为至少与该交流工作电压的半个周期一样大。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述最小时间间隔选择为至少与所述交流工作电压的整个周期一样大。
3.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述断开装置包括
a)一个与所述开关元件的控制端连接的输出，和
b)两个输入，它们与所述工作电路连接，且在其上可以测取所述工作电路上工作电压的压降或者所述保护元件上工作电压的部分压降或者流过工作电路的工作电流或者工作电流的分支部分，
c)以及，如果出现危险情况，在所述输出上加载用于该开关元件的开关信号，在该信号出现时断开所述开关元件。
4.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述断开装置包括一个控制开关(5)，其中，
a)该控制开关连接在开关元件的控制端和一个开关点(20)之间，在其上可加载一个相应于开关信号的信号，在该信号出现时开关元件断开，
b)在该控制开关的一个控制端上可加载一个控制信号(S)，
b1)该控制信号由工作电压或工作电流产生或分得，并且
b2)这样地取决于工作电压或者工作电流，即当出现危险情况时，该控制开关接通，在没有危险情况时，该控制开关断开。
5.根据权利要求4所述的开关装置，其中，所述断开装置包括一个分压装置(Z1，R3，T4)，用于从工作电压为所述控制开关产生控制信号。
6.根据权利要求4所述的开关装置，其中，所述断开装置包括一个集流电阻，该电阻位于工作电流或者与工作电流明确相关的分支电流的电流路径中，而开关信号从在该集流电阻(R4)上测取的测取电压产生。
7.根据权利要求4所述的开关装置，其中，所述加在控制开关所属的开关点上的信号，是一个基本上恒定的电平(P0)。
8.根据权利要求7所述的开关装置，其中，所述加在控制开关所属的开关点上的信号，是地电平或机壳电平。
9.根据权利要求4所述的开关装置，其中，一个去耦电阻(R2)在所述开关元件的控制端和开关点之间与所述控制开关相串联。
10.根据权利要求4所述的开关装置，其中，所述控制开关包括至少一个控制晶体管(T3)。
11.根据权利要求10所述的开关装置，其中，所述控制晶体管是MISFET。
12.根据权利要求10所述的开关装置，其中，所述控制晶体管是MOSFET。
13.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述断开装置至少包括一个电容(C1)，用于相应于开关元件的开关信号，保持开关元件的断开状态。
14.根据权利要求13所述的开关装置，其中，所述电容(C1)配有放电装置，以使所述保持开关信号的最小时间间隔取决于电容的放电时间。
15.根据权利要求14所述的开关装置，其中，所述电容(C1)配有并联的放电电阻，以使所述保持开关信号的最小时间间隔取决于电容的放电时间。
16.根据权利要求13所述的开关装置，其中，所述电容连接在控制开关的控制端和所属开关点之间。
17.根据权利要求4所述的开关装置，其中，一个齐纳二极管(Z1)连接在所述在控制开关的控制端和所属开关点之间。
18.根据权利要求17所述的开关装置，其中，所述电容和所述齐纳二极管并联连接。
19.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述工作电路至少包括两个接头(20，30)，在它们上面可以加载工作电压，以及在它们之间所述开关元件和所述保护元件电气上串联连接。
20.根据权利要求19所述的开关装置，其中，所述工作电路的两个接头中的第一个与控制开关的所属开关点连接。
21.根据权利要求20所述的开关装置，其中，在控制开关的控制端和所述工作电路的两个接头中的第二个之间接有一个耐压开关(T4)。
22.根据权利要求21所述的开关装置，其中，所述耐压开关是二极管(D)。
23.根据权利要求20所述的开关装置，其中，在控制开关的控制端和所述工作电路的第二接头之间连接有一个中间电阻(R3)。
24.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述开关元件包括一个具有电流监视输出(2D)的HITFET(T2′)，其中，所述断开装置测取该电流监视输出上的工作电流，或与工作电流明确对应的电流信号，以便产生加到HITFET控制端的开关信号。
25.根据权利要求24所述的开关装置，其中，所述断开装置的集流电阻连接在HITFET的电流监视输出上。
26.根据权利要求1所述的开关装置，该开关装置具有控制装置(40)，其与所述开关元件的控制端连接，用于为该开关装置施加一个开关信号。
27.根据权利要求26所述的开关装置，其中，当没有危险情况时，由所述控制装置确定开关元件的开关状态，而当危险情况出现或存在时，由所述断开装置确定开关元件的开关状态。
28.根据权利要求26所述的开关装置，其中，如果所述开关元件处于接通状态，则所述控制装置启动断开装置，而当开关元件处于断开状态时，则停止该断开装置。
29.根据权利要求28所述的开关装置，其中，所述耐压开关的控制端与所述控制装置连接，而该控制装置将该耐压开关和开关元件一同接通。
30.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述保护元件至少包括一个击穿场强至少为106V/cm和/或能带宽度至少为2eV的半导体。
31.根据权利要求30所述的开关装置，其中，所述至少一个半导体，是包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)的半导体组中的一种半导体。
32.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述开关元件具有硅(Si)、砷化镓(GaAs)和锗(Ge)中的一种或多种半导体。
33.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述保护元件在开关元件的断开状态或截止状态下至少承受大部分工作电压。
34.根据权利要求33所述的开关装置，其中，所述保护元件在开关元件的断开状态或截止状态下，基本上承受总的工作电压。
35.根据权利要求1所述的开关装置，其中，在所述保护元件上加载或降落的电压由至少一个p-n结和/或至少一个肖特基结承受。
36.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述保护元件和/或开关元件包括至少一个JFET结构。
37.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述保护元件和/或开关元件包括至少一个MESFET结构。
38.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述开关元件包括至少一个MISFET结构。
39.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述开关元件包括至少一个自锁类型的MOSFET结构。
40.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述保护元件在危险情况下所承受的工作电压压降的部分，比在额定运行中较低的工作电流下更大。
41.根据权利要求40所述的开关装置，其中，所述保护元件在危险情况下所承受的工作电压压降的部分，比在额定运行中较低的工作电流下更大，并随着电流或预期电流的增加而增长。
42.根据权利要求1所述的开关装置，其中，在危险情况下为断开所确定的上限值处于所述保护元件的饱和区。
43.根据权利要求42所述的开关装置，其中，所述保护元件具有一个饱和电流，该饱和电流小于所述开关元件的热极限电流。
44.根据权利要求43所述的开关装置，其中，所述保护元件具有一个饱和电流，该饱和电流小于所述开关元件的热极限电流，至少小一个因数2。
45.根据权利要求43所述的开关装置，其中，所述保护元件具有一个饱和电流，该饱和电流小于所述开关元件的热极限电流，至少小一个因数3。
46.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述保护元件在危险情况下至少承受工作电压的70％。
47.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述保护元件在危险情况下至少承受工作电压的90％。
48.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述保护元件将在导通状态下降落在所述开关元件上的工作电压的部分限制在一个最大电压值。
49.根据权利要求48所述的开关装置，其中，所述保护元件将在导通状态下降落在所述开关元件上的工作电压的部分限制在最高为100V的最大电压值。
50.根据权利要求1所述的开关装置，该开关装置连接在用电器之前的一个线路分支、特别是供电网的线路分支中。
51.一种开关设备，用于在一个线路分支中接通交流电流，该线路分支具有两个在线路分支中反向串联连接的、根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置。
52.一种运行开关装置的方法，特别是运行根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置的方法，该装置包括
a)一个工作电路，
a1)在该工作电路上可加载工作电压，该工作电路包括：
a2)至少一个电子开关元件，该开关元件包括至少一个用于加载开关信号的控制端，并且根据该控制信号处于断开状态或者接通状态，以及
a3)至少一个电子保护元件，在危险情况下，特别是在过载或短路情况下，为保护处于导通状态下的开关元件免受过高的焦耳损耗而承受工作电压在该工作电路上的绝大部分压降，
其中，
b)当流过工作电路的工作电流或者加在工作电路或保护元件上的电压降超过预定的上限值时，该装置在该危险情况下利用工作电流或者工作电压中的能量，自动地将所述开关元件设置为断开状态，其中，
c)即便当危险情况不再存在时，所述断开装置也将所述开关元件的断开状态至少保持一个预定的最小时间间隔，以及其中，
d)所述工作电压是交流电压，而所述最小时间间隔的大小选择为至少与该交流工作电压的半个周期一样大。
53.根据权利要求52所述的开关方法，其中，所述最小时间间隔的大小选择为至少与该交流工作电压的整个周期一样大。
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