CN1486532A - 电子开关装置及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开关装置，包括a)至少一个MOSFET开关元件(2)，以及b)至少一个JFET保护元件(3)，该保护元件与所述开关元件在电气上串联，并将电流限制在最大电流(饱和电流)上，和c)控制装置(4，5，C，R3，31)，该控制装置将JFET保护元件的最大电流c1)在开关元件接通时刻或经延时，至少在平均时间上控制在至少一个提高的值，并c2)然后重新控制到至少一个低的值上。该装置的优点是：允许更高的启动或接通过电流，随后重新限制过电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子开关装置及其运行方法。
背景技术
为了给一个用电器具(设备、负载)，特别是电驱动或者电机提供电能或电功率，通常将该用电器具通过一个开关设备(开关装置)与一个电网的线路分支连接，来接通或者断开电流。
为了开关电流，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细分为一方面是电流控制的半导体元件，双极性晶体管和闸流晶体管属于这类，另一方面是电压控制的半导体元件，例如单极MOS(金属氧化半导体)场效应管(MOSFET)或双极MOS可控闸流管(MCT)或MOS双极可控晶体管(IGBT)。所有提到的半导体元件只能当电流沿一个流动方向(导通方向)，即只能在导通状态和截止状态之间所加工作电压在一个确定的极性时接通(可导通状态)。每个半导体元件在其截止状态只能截止直到最大截止电压(击穿电压)的电压。在更高的截止电压下出现能够很快破坏元件的载流子击穿。
在用电器具的正常持续运行(额定运行)中，该开关设备接通用电器具所需的额定电流。但是，在用电器具过载的情况下，例如在合闸或启动时，电流吸收增加，并由此造成用电器具中的损耗电功率增加。过载存在时间太长会由于过热损害用电器具，例如电机的线圈。在这种过载下流过开关设备的电流可能明显高于额定电流，并被称为过电流或过载电流。例如，在电机启动时，在启动期间启动电流取得一个比在正常持续运行中的额定电流最大高到12倍的值。
对于用电器具和开关设备更极端危险的情况是在用电器具中或在通往用电器具的导线中的短路，例如由于绝缘故障。在短路情况下，出现非常高的短路电流，该电流非常快地造成热损害，并多数造成用电器具或用电器具的一部分或开关设备本身的破坏。
因此，用电器具以及特别是在应用半导体元件的情况下的开关设备必须被保护免于过长时间流动的过电流或短路电流。为此，采用了特殊的保护设备，如果出现这种临界电流，这种设备为保护用电器具免于过高电流而将功率分支与电网分离。作为具有这种过电流或短路电流断开的保护设备可以例如使用保险丝或者具有温度或电磁过电流触发器的机械保护开关。公知的还有具有半导体元件的过载或者短路保护的开关设备。其中，可以在主动的、以辅助能量工作的电子保护开关和被动的、独立工作的所谓自保护的电子保护开关之间进行选择。
WO 95/24055 A1公开了一种电开关装置，其中一个具有两个反串联连接的FET的半导体元件与分别位于该半导体元件两侧的断续器触点连接到一个导线通路中。断续器接点由一个与半导体元件并联的触发元件接通或者断开。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。在该导线通路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了允许的短路电流，并然后对两个FET的控制电压这样设置，使得允许的短路电流不被超过，为此通过控制电压提高了FET的内部电阻。控制装置借助于一个辅助能量(外加能量)产生控制电压。电流传感器的信号只是用作评估何时出现短路情况或没有。
WO 95/07571 A1公开了一个具有两个反串联连接的、基于碳化硅的MOSFET的交流调节器。每个SiC-MOSFET可以通过各自的栅极-源极控制电压控制。根据该文本的描述，栅极-源极电压在导通方向上的大小这样设定，使得设置一个希望的漏-源电流的界限，并在反相工作时只有这样大，使得MOSFET的内置体二极管中还没有电流。通过这种电路的限流特性，能够将短路电流限制在可以接受的水平，并通过当前对应降低的栅-源电压减小该短路电流。栅-源电压借助于一个外部能源产生。
DE 196 10 135 C1公开了一种自保护的、被动保护或主动保护的电子开关装置，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作为开关元件和一个附加的高阻隔的半导体装置作为保护元件。该保护元件包括一个预定导电类型的第一半导体区域和至少另一个相对导电类型的半导体区域，在它们之间各形成一个p-n节。半导体区域分别由一个具有击穿场强度至少为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)以及优选碳化硅(SiC)，特别是聚合类(Polytypen)3C、4H和/或6H。
现在在保护元件的第一半导体区域内，至少有一个与p-n节相邻的隧道区域与硅开关元件串联连接到两个接头之间。该开关元件在预定极性的工作电压下包括一个导通状态和一个截止状态。该保护元件的p-n节电气连接在工作电压截止方向的两个接头之间。如果开关元件处于截止状态，则至少一个p-n节的耗尽区将在保护元件的第一半导体区内的隧道区域截断。由此，在开关元件的截止状态下，通过p-n节的耗尽区在两个接头之间的工作电压的大部分就已经下降。由于对于p-n节的半导体区域使用的半导体具有至少高达106V/cm的击穿场强，保护元件的p-n节可以比一个以硅构成的具有相同载流子浓度和尺寸的p-n节承受明显高的截止电压。作为比较，硅的击穿场强度大约在2·105V/cm。因此，仅仅需要对两个接头之间截止电压的剩余部分设置硅开关元件。这又造成在导通状态下明显地减少硅元件的损耗功率。此外，在保护元件的p-n节处，在另一个电路分支中加有两个接头之间的总工作电压作为截止电压。在硅元件的导通状态下，在保护元件的第一半导体区域的隧道区域重新开启，此时电流可以通过该隧道区域在两个接头之间流动。
作为硅元件，建议使用硅功率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)。保护元件优选地作为垂直JFET(节型场效应晶体管)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以及硅MOSFET的源极电气短接。利用这种可以称为混合功率MOSFET或阴地-栅地电路的公知电子装置，如果作为保护元件的半导体材料采用碳化硅(SiC)的话，尤其可以得到直到5000V的截止电压和5A至5000A的导通电流。在DE 196 10 135 C1公布的电子装置的另一个实施方式中，如果将基于碳化硅(SiC)的由IGBT类型混合制成的保护元件与一个硅MOSFET相结合，则可以得到直到10000V的截止电压和100A至1000A的额定电流。
另一个文献DE 198 33 214 C1公布了一种作为台型结构用外延层优选基于碳化硅(SiC)建造的JFET保护元件，用作开关元件。这种高阻隔的JFET保护元件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，其中必须“常断”地运行开关元件，即应该在电流断开时自动过渡到截止状态。为此建议，将阴地-栅地电路的高阻隔JFET保护元件以与一个低电压MOSFET或者低电压灵敏的MOSFET连接，其中低电压FET可以按公知的硅技术制造。
既由DE 196 10 135 C1公开的又在DE 198 33 214 C1中描述的阴地-栅地电路实现了一个所谓自保护的开关装置，该开关装置无需附加的辅助能量供应装置就能自动保护自身和功率分支，并将短路电流或过载电路限制在开关元件，特别是JFET的饱和电流。
在DE 196 10 135 C1或DE 198 33 214 C1中公开的开关装置中的一个问题是这样一个现实，即在电力驱动的启动过程或用电器具的一般接通中，所需的启动电流或接通电流可能处于过载区域。即这里作为正常运行状态出现一种时间上的和在电流强度受限制的或者可忽视的、有规律的过载，该过载与具有不可预见长度和过电流强度的、无规律的过载情况相反，可以被容忍。但是，在最后提到的无规律的过载情况中，保护元件应该将电流限制在其饱和电流，以避免对用电器具的损坏。因此，如果将保护元件这样地配置，即对无规律的过载进行过载保护，则可能不能由开关装置提供或接通用电器具所需要的启动或接通电流，由此，又使得用电器具的正常运行不可能。反之，如果这样设置保护元件，即使饱和电流高于启动电流或接通电流，则保护元件在流过具有和启动电流或接通电流相当的过电流的无规律的过载情况中不再能保护用电器具和开关元件。这样保护元件仅仅为短时间启动或接通运行被过度配置。为了同时保护无规律的过载情况，此外还需要一个附加识别和处理组件，该组件与启动或接通情况分开地掌握和控制这种过载情况。但是，希望的是用一个单一保护或开关装置既处理启动或接通时的高电流，又处理在过载或短路时的电流限制。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种开关装置和一种运行开关装置的方法，其中，可以避免或至少减轻所述现有技术中的缺点。
按照本发明，上述技术问题是通过具有权利要求1特征的开关装置以及根据有选择引用权利要求1的权利要求33的运行开关装置的方法解决的。
在权利要求1和33中要求保护的本发明的出发点是一个具有至少一个开关元件和至少一个保护元件的开关装置，该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来回转换，而该保护元件与开关元件电气上串联连接，并在一个限流状态(限制电流的状态，饱和电流状态)下将电流限制在一个最大值(边界值、限制值、饱和电流)。在接通状态，保护元件通过这种电流限制保护该开关元件在危险的情况下不受过高的热量负担，在该情况下通过开关元件流通过高的预期过电流或者短路电流，而开关元件通过由此产生的焦耳损失热量受到热损害。
本发明基于第一个思路，即采用一种具有其值可以控制(可以设定、改变)的最大电流的保护元件，以及对该最大电流的控制(设定)。通常该最大电流取决于在保护元件的一个控制接头加载的、由控制装置产生的控制信号。
本发明基于第二个思路，即这样构成最大电流的控制，即在开关元件转入导通状态的时刻或者在该接通时刻过后一个预定持续时间时，如果保护元件的最大电流此前处于一个低的值，则该最大电流采用至少一个至少在平均时间上被提高的值，也就是增加该最大电流(在数量上被加大)，或者，如果最大电流此前已经处于升高的值，则保持至少一个升高的值。由此，保护元件的限流作用，在开关元件接通的同时或经过延时，才按对应的大电流出现。通过匹配保护元件的最大电流，可以由此允许将在开关元件接通时或随后出现的较高的启动电流或接通电流作为有规律的过载。
其中，如果最大电流仅仅在平均时间上更高就适用了，因为由保护元件导通的电能仅仅取决于时间上的积分，因此最大电流在单个时间段上短暂的低值不起作用，只要该低值通过其它时间段上较高值的积分而被平衡。由此，除了一种在两个离散的最大电流值(即一个对开始运行的较高的值和一个对于持续运行的较低的值)之间的简单转换外，也可以考虑其它最大电流在时间上的变化，例如连续(不间断)的和/或单调或严格单调上升或下降和/或具有一个叠加波动的按照时间的上升或下降变化。
随后，在启动或者接通过程(开始运行)结束之后，在无规律的过载情况下出现的过电流重新被强烈限制，其中，最大电流则重新被这样控制，使得最大电流处于低的正常水平，即被下降(减小、降低)。
按照本发明，通过这种最大电流的控制以及由此的保护元件的电流携带能力，使用由一个开关元件和一个保护元件组成的单一开关装置，能够既考虑过载和短路保护，又考虑启动或接通过程。
开关装置及其方法的优选结构、扩展和应用由权利要求1以及权利要求33各自的从属权利要求给出。
最大电流在第一实施方式中可以跳跃式地提高到一个单一的、离散的较高值，或者在可以一般采用的第二实施方式中，该最大电流根据一个预定的时间特性，尤其是作为时间的优选不变函数变化，其中，最大电流的变化值应该至少大部分或在平均时间上位于开关元件接通之前设定的最大电流之上。优选地，保护元件的最大电流在一个预定或者可以预定的持续时间上保持为升高。
这种预定或者可以预定的持续时间和/或预定的时间特性和/或升高的最大电流的值，通常与在以升高的能量需求为标志的开关装置后连接的用电器具(特别是电驱动)的启动或开始时所期望的对应大小相适应，即期望启动时间或者接通时间(开始时间)的时间间隔、最大电流的升高值与启动或开始电流相适应，时间特性必要时与一个时间上变化的能量需求相适应，以便达到尽可能好的适应。对应的控制是用一个合适的驱动电路作为保护元件的控制装置容易地实现的。
一个特别简单的保护元件最大电流时间变化是，就在一个低值和一个升高值之间两位地、跳跃地(短的开关边沿)转换。但是，也可以在最大电流的该低值和高值之间连续地(按一定的时间常数和较大的过度区域)来回转换，特别是从最大电流返回到低的值时。
在保护元件最大电流被升高期间的阶段结束之后，最大电流重新被减小。此时是这样选择最大电流的减小值的，即保证了对无规律的过电流的可靠保护(过载保护和短路保护)。为此，至少一个保护元件的最大电流的低值与在用电器具启动或开始结束之后的运行中用电器具的最大允许过电流相适应，或者最大选择为与其一样大。
优选地，将保护元件的最大电流至少一个升高的值选择为明显低于可能的短路电流，以便不会在保护元件导通电流的启动或开始阶段，意外地碰到短路。
保护元件的最大电流至少一个升高的值与至少一个低值的比例优选地至少是2，优选地至少是3。
在一个优选的实施方式中，为了提供用于提高保护元件最大电流的控制信号，控制装置可以包括至少一个充电电容和优选一个接入的、优选并联连接的放电电阻。该电容在开关元件接通时或之后按照一个预定的时间常数放电，并由此产生对应的、一般是指数下降的保护元件的控制信号。随后，优选地在开关元件断开时或者在开关元件断开一个预定持续时间之后，重新借助于一个辅助能量源(充电装置)对该电容充电。
在一个优选的实施方式中，为了分离放电过程和充电过程在辅助能量源和电容之间接入一个充电开关和/或在电容和保护元件的控制端以及放电电阻之间接入一个放电开关。充电开关和/或放电开关可以与开关元件一同开关。其中，如果开关元件处于其接通状态，则充电开关处于其断开状态和/或放电开关，必要时经过一个预定的时间延时，处于其接通状态。相反，如果开关元件处于其断开状态，则充电开关处于其接通状态和/或放电开关处于其断开状态。为了使充电开关和/或放电开关与开关元件共同开关，在开关元件的开关接头施加一个用于转换该开关元件的开关信号的控制信号产生装置同样地与放电开关和充电开关的所属开关接头连接。
在一个特别优选的实施方式中，控制装置的充电开关和/或放电开关包括至少一个晶体管，该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。而开关信号则是在栅极和源极之间的一个控制电位或一个控制电压。特别优选的是使用自锁的(常断)MISFET或者MOSFET(浓缩类型)。这种自锁的MISFET在0V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、其值大于0V或者必须通常高于临界电压的开关或控制电压。
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)。
特别适合作为保护元件的是一种电子元件，特别是一种显示饱和特性的半导体元件，即其中在导通区域的电流电压特征曲线中，在电压增加时电流接近或达到一个作为最大电流的饱和电流(最大电流值)。保护元件的最大电流或饱和电流优选地小于开关元件的热极限电流，例如是至少少一个因子2，或甚至至少少一个因子3。该热极限电流是在其下还没有发生热破坏的最大允许电流。保护元件通过其限流特性在过载或短路情况(危险情况)下负担绝大部分在串联电路上工作电压的压降，以及绝大部分的焦耳损耗。反之，在正常运行(额定运行，持续运行)中，即运行的用电器具没有过载和短路，以及额定电流因此明显很小时，保护元件应该有尽可能小的导通损耗。因此，保护元件上的压降和在开关元件上的压降的比例，以及由此保护元件上释放的焦耳损耗功率和在开关元件上释放的焦耳损耗功率的比例必须在额定运行中选择得明显地小于在危险情况下的比例，或者换言之，由于对电流的限制，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相应地大量增加。这样尤其也可以保持开关元件工作上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。
因为由此保护元件应该在危险情况和在启动或开始阶段具有尽可能高的温度承受能力，该电子保护元件优选地由至少一个半导体构成，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，并由此可以适合隔绝更高的电压。因此，保护元件可以在危险情况下承受特别高的工作电压分量，或者在预先给定电流限制的最大电流时用于更高的工作电压。适合的半导体材料有碳化硅(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)，因为它具有极低的空间电荷载流子浓度、高的击穿场强、很小的损耗功率、高的抗温性能和化学电阻以及高的导热性能。但是，保护元件可以也用例如硅的其它半导体构成。
开关元件也优选地用半导体元件构成。由于对于开关元件，尽可能好的开关性能是首选因素，耐压性能则为次要的，因为耐压可以继续由保护元件承担。因此，电子开关元件优选地由一种或多种由硅(Si)、砷化镓(GaAs)和锗(Ge)组成的半导体组构成。基本上也可能以SiC作为半导体材料用于开关元件。
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，其中分别以形成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。然后在工作电路中，保护元件的JFET结构或MESFET结构的栅极接头，优选通过在公知的阴地-栅地电路变形中的放电电阻，与开关元件的MISFET结构的源极接头连接；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结构的漏极接头连接。
在一个优选的应用中将开关装置在用电器具之前接到一个尤其是例如低压电网(有效值典型地介于230V和690V之间)的供电电网的导电分支中，一方面为用电器具开关额定电流，另一方面在危险情况或短路情况下及时地将用电器具与电网分开，从而避免了对用电器具的损害。如果在由开关元件和保护元件组成的串联电路上所加的工作电压是一个时间上变化的、极性变化(交变)的，例如一个周期变化的电压(交流电)，如通常由电力供能网络或电力发电机所提供的电压，则优选地将两个按照本发明的开关装置在导电分支中反串联，即以相反的开关方向或极性串联。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明，图中，
图1表示一个具有带有可控饱和电流的保护元件的开关装置的实施方式，
图2表示按照图1保护元件的不同饱和电流的电流电压特征曲线图。
互相对应的部件或大小在图1和2中用相同的参考符号给出。
具体实施方式
根据图1的开关装置包括一个作为保护元件3的、由JFET(优选地由垂直JFET或V-JFET)构成的阴地-栅地电路和一个作为开关元件2的MOSFET。MOSFET开关元件2的源极2B与一个与接头20连接的开关点22相连，MOSFET开关元件2的漏极2A与JFET保护元件3的源极3B相连，而JFET保护元件3的源极3A与接头30相连。JFET保护元件3的栅极(控制端)3C与一个开关点43相连，该开关点通过一个中间连接的放电电阻R3与开关点23连接，开关点23又与开关点22短接。即JFET保护元件3和MOSFET开关元件2的源极-漏极段相互串联，而该串联电路与由JFET保护元件3的源极-栅极和放电电阻R3组成的串联电路在接头20和30之间并联。
开关点22和23以及其它开关点24和25在电气上与开关点20一样处于相同的电位P0。第二接头30处于电位P1。在这两个电接头20和30之间加载有或可以加载工作电压UB＝P1-P0。电位P0一般基本上是常数，特别是地电位或机壳电位，而电位P1对应于有效的相位。
JFET保护元件3的栅极3C上加载的控制电位用PS来表示，放电电阻R3上的电压降作为JFET保护元件3的控制电压表示为US＝PS-P0。
MOSFET开关元件2的栅极2C上加载有开关输入40的开关电位PE。MOSFET开关元件2的栅源电压是对应的开关电压UE＝PE-P0，用于开关由MOSFET构成的开关元件。MOSFET开关元件2是自锁类型(常断类型)的，使得在开关电压UE＝0伏特(V)时MOSFET开关元件2处于断开状态，而只有在加载一个大于一个确定门限值的开关电压UE时，MOSFET开关元件2才受控并过渡到其导通状态或接通状态。
在接通状态的开关元件2下，通过载流子注入也取消了JFET保护元件3隧道区域中的截止状态，一个工作电流IB可以流过由JFET保护元件3和MOSFET开关元件2组成的串联电路。
按照图1的这种阴地-栅地电路与由DE 196 10 135 C1描述的公知的阴地-栅地电路的区别在于，在JFET保护元件3的栅极3C和MOSFET开关元件2的源极2B之间接有放电电阻R3。对于JFET保护元件3的实施方式在DE 196 10 135 C1以及在DE 198 33 214 C1中均有描述。两份文献DE 19610 135 C1和DE 198 33 214 C1的公开内容在本发明申请中有所涉及。
在漏极3A和源极3B之间加载一个导通工作电压UB下，保护元件(JFET)3的行为取决于流过JFET保护元件3的工作电流IB以及在栅极3C上加载的控制电压US，该控制电压US与JFET保护元件3的栅极-源极电压直接相关。
图2中示出了对于不同的控制电压US JFET保护元件3的不同电流电压特征曲线。在根据图2的曲线中，在漏极3A和源极3B之间流过JFET保护元件3的工作电流IB取决于漏极3A和源极3B之间所加载的漏极-源极电压UB。其中示出在控制电压US＝0V下对于函数IB(UB)的一条特征曲线K0，在控制电压US＝US1＞0V下对于函数IB(UB)的第二条特征曲线K1，以及在控制电压US＝US2＞0V下的第三条特征曲线K2。
在额定运行中正常工作电流(额定电流)下，JFET保护元件3具有一个低的导通电阻以及一条实际线性的欧姆特征曲线。该欧姆区域在特征曲线K0中从UB＝0V至大约UB＝U0展开，在特征曲线K1中从UB＝0V至大约UB＝U1，而在特征曲线K2中从UB＝0V至大约UB＝U2。可以看出，欧姆区域的上间隔限随着控制电压US的增加也在递增，即满足U2＞U1＞U0。
在JFET保护元件3上继续增加的工作电流IB或者继续增加的工作电压UB下p-n节的贫化区的扩展增加，由此JFET保护元件3的隧道区域的电流运载能力降低。因此，导通电阻增加而特征曲线的斜率一直下降。当到达一个确定的临界电流值(饱和电流)时，JFET保护元件3经历了饱和中的隧道区域的完全掐断，并在相同或进一步增加的电压下保持在作为最大电流Imax的饱和电流值上。该饱和电流Imax随着增加的控制电压US增加，而且在特征曲线K0中表示为Imax0，在特征曲线K1中为Imax2，而在特征曲线K2中为Imax1。即满足Imax0＜Imax1＜Imax2。
由此JFET保护元件3将流动的电流限制在最大电流Imax，该值取决于保护元件3的控制端(栅极)3C上加载的控制信号(电位)PS和对应的控制电压US。这种限流特性被用于过电流保护功能。为此，保护元件3的最大电流Imax被典型地设置为一个没有表示出的用电器具的最大允许过负荷电流，该用电器具将接在或已经接在接头30上开关装置的后面。这样，保护元件3保护用电器具以及开关元件2免受不可预见的、在持续运行中可能出现的过载情形(不规则的过载情况)和短路情形。
但是，在电机启动或者一般地在用电器具在接通或开始运行时出现明显高于在持续运行中所处的额定电流的启动电流或开始电流，以便为驱动或者用电器具提供更高的能量。这种启动电流或开始电流经常高于在持续运行中最大允许的过电流，也就是实际造成不允许的过电流。因此，如果保护元件3在确定的最大电流时根本不允许这种需要的启动电流或开始电流，就会阻碍或甚至排除对于驱动或者用电器具正常的启动或开始运行。
由于这个原因，按照本发明在用电器具的启动过程或者开始过程期间临时提高保护元件3的最大电流Imax(JFET的饱和电流)，以便导通更高的启动电流或开始电流。为此，在一个可以设定的和与各自应用对应的时间段上对JFET保护元件3的栅极3C加载正的预置电压，即一个控制电位PS＞P0或一个控制电压US＞0V。如结合图2中曲线已经解释的，这造成饱和电流或最大电流Imax明显的升高，而且由于其低导通电阻(输入电阻)降低了在启动或开始过程期间的保护元件3中的损耗。在启动或开始过程结束后JFET保护元件3又回到其正常的特征曲线，其中栅极电压US又回到0V(伏特)，并可以然后可靠的捕获正常运行(额定运行)中的其它临界状态。由此，不需要再过多地添加用于保护元件3和开关元件2的元件，因为额定电路至启动电流或者开始电流的间隔变小了。
图1示出一种特殊的、通过其简单结构组成的电路，用于产生一个保护元件3控制端2C上的控制电位PS，以便提高保护元件(JFET)的最大电流(饱和电流)Imax。为了提高最大电流Imax，该控制电路在JFET保护元件3的控制端(栅极)3C上加载一个正的控制电位PS或一个正的控制电压US。但是，除了按照图1的控制电路之外，基本上也可能有其它控制电路或驱动电路，以便提供通过JFET保护元件3的栅极3C的附加电流。按照图1的控制电路如下构造。
在与保护元件3的控制端3C直接连接的开关点43，放电电阻R3和一个放电开关4相互并联。一个自锁MOSFET设计为放电开关4，其漏极4B与开关点43连接，而其源极4A与另外一个开关点44连接。在这另一个开关点44和处于电位P0的开关点24之间接入一个控制电容C。同样与开关点44电气连接的是一个充电开关5，它优选地作为自导的MOSFET构成，而其漏极5B与开关点44连接，其源极5A与另一个开关点45电气连接。输入电位PS’通过一个输入电阻R1接入开关点45，该输入电位PS’作为辅助能量加载在一个控制输入31上。在控制输入31和处于电位P0的开关点26之间加入的输入电压是US’＝PS’-P0。输入电压可以例如是+12V。通过开关点45相互连接的输入电阻R1和解耦电阻R2构成一个分压器，通过该分压器在解耦电阻R2上加载一个低电压，例如2.5V。
开关元件2的开关接头2C上加载的、在开关输入40上的开关电位PE通过开关点41以及另一个开关点42也与充电开关5的控制端5C以及放电开关4的控制端4C并联。此外，如图中所示在开关点42和放电开关4的控制端4C之间可以连接一个延时节6。
如果对应于MOSFET开关元件2的栅极-源极电压的开关电压UE低于MOSFET开关元件2的门限电压，特别是0V，则开关元件2处于断开状态，并且最迟在通过延时节6作用的时间延时结束之后，放电开关4也处于其截止状态。相反，对于放电开关4是断开信号的相同控制电位PE，对于自导充电开关5是接通信号。因此，如果开关元件2处于断开状态，则充电开关5处于其导通状态或接通状态。由此，在充电开关5的接头5A和5B之间建立了一个导通的连接，使得通过控制输入(辅助能源)31对控制电容C充电，直到在该电容表面加载的电压与在解耦电阻R2上的电压降对应。
如果此时在开关输入40上的开关电位PE变换到一个其中开关电压UE大于开关元件2的门限电压的值，则将开关元件2接通，并同时断开充电开关5。充电开关5的特征曲线是这样选择的，使得控制MOSFET开关元件2的同一开关电位PE断开MOSFET充电开关5，从而充电开关5解除开关点45和44的相互耦合。同时，接通开关元件2的开关电位PE也通过延时节延时地接通放电开关4。通过延时节6的延时并不是必需的，但是保证了在充电开关5断开和放电开关4接通之间的明确分离。因为此时放电开关4处于其导通状态，所以在放电开关4的接头4A和4B之间建立了一个在开关点44和43之间的导通连接。在电容C上存储的电荷此时可以通过放电电阻R3流出。控制电容C的这种放电造成在保护元件3的控制端3C上的一个控制电位PS和一个对应的控制电压US＝PS-P0。通过选择控制电容C的电容值和放电电阻R3的电阻值，可以设置放电时间，并从而设置保护元件3的控制端3C上控制电位PS的时间变化。相对于P0的正控制电位PS此时导致贫化区的开启(AUFSTEUERUNG)和JFET保护元件3的隧道区的扩展，使得JFET保护元件的接头3A和3B之间流动的工作电流IB可以取较大的值。同时，JFET保护元件3的饱和电流或最大电流Imax升高，而欧姆区和由此小于饱和电流的电流的导通电阻减小。
换言之，即在开关元件2的断开状态中充电开关5敞开，通过具有R1和R2的分压器对电容C充电。放电开关4是这样连接的，使得JFET保护元件3的栅极3C通过放电电阻R3处于优选恒定的电位P0。如果接通阴地-栅地，即将开关元件2引入其接通状态，则充电开关5接通分压器R1和R2，并将它们与控制电容C解耦合。通过延时部件6放电开关4敞开。由此，控制电容C电压接到JFET保护元件3的栅极3C上，并为其偏压。通过由放电电阻R3和控制电容C构成的RC时间常数控制电容C放电，而偏压缓慢下降。通过适当地选择放电电阻R3和控制电容C，可以使所希望的时间满足不同的要求。
图3和图4示出了根据图1和图2中的特征曲线JFET保护元件3的最大电流Imax的不同控制。在根据图3和图4的曲线中，JFET保护元件3的最大电流Imax(饱和电流)作为时间t的函数示出。在图3中用实线表示了时间变化曲线(时间特性)T1，而用点划线表示最大电流Imax＝Imax(t)的第二时间变化曲线T2。在图4中只表示了一个时间变化曲线T3。
在接通开关元件2的接通时刻t0之前，在所有三个控制曲线T1、T2和T3中的最大电流Imax位于其值Imax0，即JFET保护元件3的控制电压为0V。在该接通时刻或其短暂之后该最大电流Imax跳跃式的或者至少极快地升高到更高的值Imax2，其中JFET保护元件3的控制电压US提高到值Us2＞0V。
按照图3中时间特性T1，此时最大电流Imax再次指数下降，直到在时刻t1再次到达以前的低值Imax0。这种变化T1基本上对应于按照图1中利用自己放电的电容的控制。
按照图3中时间特性T2，最大电流Imax保持在其提高的值Imax2，然后在时刻t1再次跳跃式地降低至低值Imax0。即这种变化T2基本上是二位的。
反之，按照图3中时间特性T3，直到时刻t1最大电流Imax保持在其提高的值Imax2，然后降低至中间值Imax1，在时刻t2才又回到原始低值Imax0。
在所有按照图3和4的实施方式中，在开关元件2接通之后保护元件3的电流导通能力提高，并由此导通阴影所示的提高的最大电荷量和因此的电能。通过调整时间段t2-t1以及值Imax0至Imax2，可以允许在一个用电器具的启动过程中所要求的电流，并在启动过程结束后再次限制过电流。
在所有实施方式中的保护元件3由于其提到的特性优选地构造得比开关元件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的高击穿场强度的半导体材料构成。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)或一种α聚合类(例如4H、6H或15R聚合类)。但是，保护元件3也可以由一种其它半导体材料制成，特别是硅，并相应的设置大小。作为保护元件3除了JFET，也可以使用MESFET和受限制地采用MOSFET或IGBT。
一般地，开关元件2由基于硅(Si)的半导体元件构成，并除了作为MOSFET之外，也可以作为MESFET、闸流管、IGBT或MCT。
Claims (42)
1.一种开关装置，包括
a)至少一个电子开关元件(2)，该开关元件具有一个断开状态和一个接通状态，以及
b)至少一个电子保护元件(3)，该保护元件与所述开关元件在电气上串联，并将电流限制在最大电流上，
和
c)控制装置(4，5，C，R3，31)，该控制装置将保护元件的最大电流
c1)在开关元件接通时刻或经延时后，至少在平均时间上控制在至少一个提高的值，并
c2)然后重新控制到至少一个低的值上。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其中，所述控制装置将最大电流在一个预定的或可以预定的时间间隔上升高，或者保持在至少一个提高的值上。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其中，所述控制装置在此期间保持保护元件最大电流的至少一个提高的值的时间间隔，与用电器具，特别是电驱动的启动或者开始所需要的启动时间或开始时间相适应或者可以适应。
4.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述控制装置将保护元件的最大电流控制在恰好一个低值和恰好一个升高值之间。
5.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述控制装置将保护元件的最大电流不连续地，特别是跳跃地控制在所述升高的值和所述低值之间，或者在该低值和该升高的值之间。
6.根据权利要求4所述的开关装置，其中，所述控制装置将保护元件的最大电流连续地控制在所述升高的值和所述低值之间，或者在该低值和该升高的值之间。
7.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述控制装置将保护元件的最大电流按照预定的或者可以预定的时间变化升高或者保持升高。
8.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述保护元件的最大电流至少一个升高的值或者时间上的变化，与用电器具，特别是电驱动的启动或者开始时所需要的启动电流或开始电流或者其时间变化相适应。
9.根据权利要求8所述的开关装置，其中，所述保护元件的最大电流的至少一个低值与在用电器具在启动或者开始之后的运行中最大允许的用电器具的过电流相适应。
10.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述保护元件的最大电流至少一个升高的值明显地低于可能的短路电流。
11.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述保护元件最大电流的至少一个升高的值比至少一个低值高至少一个因子2，优选地高至少一个因子3。
12.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，至少一个保护元件具有一个控制端(3C)，而所述控制装置在该保护元件的控制端加载一个控制信号(PS)。
13.根据权利要求12所述的开关装置，其中，所述控制装置至少包括一个电容(C)，用于为所述保护元件产生一个与保护元件的最大电流的一个或多个升高值对应的控制信号。
14.根据上述权利要求13所述的开关装置，其中，所述控制装置具有至少一个优选地与所述电容并联的放电电阻(R3)。
15.根据上述权利要求13或权利要求14所述的开关装置，其中，所述控制装置包括一个辅助能量源(31)，用于对电容充电。
16.根据上述权利要求15所述的开关装置，其中，所述控制装置包括一个连接在辅助能量源和电容之间的充电开关(5)。
17.根据上述权利要求16所述的开关装置，其中，所述充电开关可以和开关元件一起这样的开关，即如果开关元件处于其接通状态，则该充电开关处于其断开状态，而如果开关元件处于其断开状态，则充电开关处于其接通状态。
18.根据权利要求13至17中任何一项所述的开关装置，其中，所述控制装置包括一个连接在电容和保护元件的控制端之间的放电开关(4)。
19.根据权利要求18和权利要求14所述的开关装置，其中，所述放电开关也连接在电容和放电电阻之间。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的开关装置，其中，所述放电开关可以和开关元件一起这样的开关，即如果开关元件处于其接通状态，则该放电开关，必要时经过一个预定的时间延时，处于其接通状态，而如果开关元件处于其断开状态，则放电开关处于其断开状态。
21.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述开关元件至少具有一个开关接头(2C)，并且其中设计了开关信号产生装置(40)，用于在开关元件的所述开关接头加载一个开关信号，来接通和断开开关元件。
22.一方面根据权利要求18而另一方面根据权利要求17和/或权利要求20所述的开关装置，其中，所述开关信号产生装置也将开关信号加载在充电开关和/或放电开关的一个开关接头上。
23.根据权利要求17至22中任何一项所述的开关装置，其中，所述充电开关至少包括一个MISFET结构，特别是一个尤其是自导类型的MOSFET结构，而所述放电开关至少包括一个MISFET结构，特别是一个尤其是自锁类型的MOSFET结构。
24.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述保护元件至少包括一个具有至少106V/cm的击穿场强和/或至少2eV的能带宽度的半导体，特别是由碳化硅(SiC)，尤其是α聚合类(Polytypen)或β聚合类、氮化镓(GaN)、金刚石、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)组成半导体组中的一个或多个半导体。
25.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述开关装置包括一个半导体元件，该半导体元件具有由硅(Si)、砷化镓(GaAs)和锗(Ge)组成的半导体组中的一个或多个半导体。
26.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述保护元件具有一个饱和特性，而最大电流是饱和电流。
27.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述保护元件具有至少一个p-n结和/或至少一个肖特基结。
28.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述保护元件和/或开关元件包括至少一个JFET结构。
29.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述保护元件和/或开关元件包括至少一个MESFET结构。
30.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述开关元件包括至少一个MISFET结构，尤其是一个特别是自锁类型的MOSFET结构。
31.根据权利要求28或者权利要求29和权利要求30所述的开关装置，其中，所述保护元件JFET结构或MESFET结构的栅极接头特别是通过所述放电电阻与所述开关元件MISFET结构的源极接头连接，而JFET结构或MESFET结构的源极接头与MISFET结构的漏极接头连接。
32.根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置，其中，所述保护元件的最大电流总是小于开关元件的热极限电流，特别是至少少一个因子2，优选地至少少一个因子3。
33.一种运行开关装置、特别是根据上述权利要求中任何一项所述的开关装置的方法，所述开关装置包括至少一个可以接通和断开的开关元件(2)以及至少一个与所述开关元件在电气上串联的保护元件(3)，该保护元件将电流限制在一个最大电流上，其中，
a)在开关元件接通时刻或在其之后经预定或可以预定的延时，保护元件的最大电流至少在平均时间上被提高或者被保持在至少一个升高的值上，
b)然后保护元件的最大电流重新被减小。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，将所述最大电流在一个预定的或可以预定的时间间隔上升高，或者保持在至少一个提高的值上。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述控制装置在此期间保持保护元件最大电流的至少一个提高的值的时间间隔，与用电器具，特别是电驱动的启动或者开始所需要的启动时间或开始时间相适应或者可以适应。
36.根据权利要求34或权利要求35所述的方法，其中，将所述保护元件的最大电流，尤其是间断或不间断地控制在恰好一个低值和恰好一个升高值之间和/或在该低值和该升高值之间。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述最大电流从所述升高的值基本上单调下降地减少到低值。
38.根据权利要求33至37中任何一项所述的方法，其中，将所述保护元件的最大电流按照预定的或者可以预定的时间变化升高或者保持升高。
39.根据权利要求33至38中任何一项所述的方法，其中，所述保护元件的最大电流至少一个升高的值或者时间上的变化，与用电器具，特别是电驱动的启动或者开始时所需要的启动电流或开始电流或者其时间变化相适应。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述保护元件的最大电流的至少一个低值与用电器具在启动或者开始之后的运行中最大允许的用电器具的过电流相适应。
41.根据权利要求33至40中任何一项所述的方法，其中，所述保护元件的最大电流至少一个升高的值明显地低于可能的短路电流，优选地低至少一个因子3。
42.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述保护元件最大电流的至少一个升高的值比至少一个低值高至少一个因子2，优选地高至少一个因子3。
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