阅读说明：本技术 电气短路装置 (Electrical short-circuiting device ) 是由 N.斯塔尔霍特 于 2017-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电气短路装置(400)，其具有第一电气接触件(404)、第二电气接触件(408)以及具有由电气半导体结晶材料构成的构件(412)，该构件在至少一个方向上截止在第一接触件(404)与第二接触件(408)之间的电流流动。执行器(608)被配置为用于关于电气触发信号(S)对构件(412)施加机械力，并且由此至少部分地破坏构件(412)的晶体结构。(The invention relates to an electrical short-circuiting device (400) having a first electrical contact (404), a second electrical contact (408), and having a component (412) made of an electrical semiconductor crystalline material, which cuts off a current flow between the first contact (404) and the second contact (408) in at least one direction. The actuator (608) is configured for applying a mechanical force to the member (412) in relation to the electrical trigger signal (S) and thereby at least partially destroying the crystalline structure of the member (412).)

电气短路装置

技术领域

本发明涉及一种电气短路装置。在电气电路中，有时存在将特定的电路部分短路(桥接)的必要性。例如，存在具有在串联电路中的大量电气模块的变流器。如果模块中的一个在运行时发生故障，则期望将该有缺陷的模块短路(桥接)，由此可以继续运行电气串联电路的其余的模块。

背景技术

从国际专利申请WO 2011/107363 A1中已知一种具有烟火驱动器的电气短路装置。烟火驱动器能够实现短路装置的快速闭合，但有时会引起在安全方面的问题(***物)。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种短路装置和一种用于使模块短路的方法，其中不需要烟火驱动器。

根据本发明，该技术问题通过根据独立权利要求所述的电气短路装置和方法来解决。在从属权利要求中说明了短路装置和方法的有利的实施方式。

公开了一种电气短路装置(桥接装置)

-具有第一电气接触件和第二电气接触件；

-具有由电气半导体结晶材料构成的构件，该构件在至少一个方向上截止在第一接触件与第二接触件之间的电流流动；以及

-具有(电气)执行器(驱动元件)，该执行器被配置为用于关于电气触发信号对构件施加机械力，并且由此至少部分地破坏构件的晶体结构。执行器还可以被配置为用于关于电气触发信号对构件施加机械力，并且由此将材料破碎。基于半导体结晶材料的被至少部分破坏了的晶体结构，该材料失去了该材料的电气截止能力，从而据此能够在初始截止的方向上实现第一接触件与第二接触件之间的电流流动。该过程也被称为击穿。甚至结晶材料的晶体结构中的细微裂纹或破裂也足以消除短路装置的电气截止特性。然而，当然也可以借助机械力将半导体结晶材料破碎成多个(以肉眼可见的)碎片。通常，执行器是将电气信号转换为机械运动的元件。

短路装置可以被设计为使得构件布置在第一接触件与第二接触件之间。特别地，构件可以被夹紧在第一接触件与第二接触件之间。根据电流的方向，在短接状态下，电流有利地从接触件中的一个通过构件流到接触件中的另一个。

短路装置可以被设计为使得将短路装置设计为圆片单元(Scheibenzelle)。由此，短路装置可以机械上非常紧凑且鲁棒地设计。在此，第一接触件和第二接触件基本上彼此平行地取向。

短路装置也可以被设计为使得第一接触件具有第一凹部，在该第一凹部中布置有执行器。布置在第一凹部中的执行器可以直接机械地作用于构件。

短路装置也可以被设计为使得第二接触件具有与第一凹部对置的第二凹部。第二凹部能够实现关于机械力使构件变形。由此引起关于机械力来部分地破坏构件的晶体结构。

短路装置也可以被设计为使得构件将第一凹部与第二凹部分离。

短路装置也可以被设计为使得构件是(由电气半导体结晶材料构成的)圆片。这种圆片也被称为晶片(Wafer)。由于可以将这种圆片制造得相对薄，所以可以以相对小的执行器和/或小的电气触发信号来破坏结晶材料的晶体结构。

短路装置也可以被设计为使得构件具有至少一个p-n结、特别是两个彼此相反取向的p-n结。如果构件仅具有一个p-n结(即，如果构件例如与二极管相对应)，则该构件能够在未短路的状态下在一个方向上截止电流。如果构件具有两个相反取向的p-n结(即，如果构件例如与晶闸管相对应)，则该构件能够在未短路的状态下在两个方向上截止电流。

短路装置也可以被设计为使得至少一个p-n结是平面p-n结，该平面p-n结平行于第一电气接触件和/或平行于第二电气接触件地取向。借助一个或多个这种平面p-n结，即使在短路装置的短路状态下也可以安全地传导大的电流。

短路装置也可以被设计为使得执行器是(电气)压电执行器。这种压电执行器特别地具有如下优点：该压电执行器关于电气触发信号非常迅速地产生机械运动，并且因此能够关于电气触发信号非常迅速地对构件施加机械力。

短路装置也可以被设计为使得

-构件是电气上可接通的半导体元件(特别是晶闸管)，该半导体元件的控制接头(特别是该半导体元件的栅极接头)从短路装置中引出，使得也可以借助该半导体元件的控制接头(电气)接通半导体元件。

此外，公开了一种具有电气串联连接的多个(相同类型的)双极模块(子模块)的变流器，其中，按照上面所描述的方案的电气短路装置分别与模块中的每一个相关联(特别是并联地连接)(使得借助分别与模块相关联的短路装置可以短路(桥接)模块)。

该变流器特别地可以是模块化的多级变流器。

此外，公开了一种用于使电气双极模块短路的方法，其中，电气短路装置与模块并联连接，该电气短路装置具有第一电气接触件、第二电气接触件和由电气半导体结晶材料构成的构件，其中在方法中

-由构件首先在至少一个方向上截止在第一接触件与第二接触件之间的电流流动；

-关于电气触发信号由执行器对构件施加机械力；以及

-由此至少部分地(机械地)破坏构件的晶体结构，由此(击穿构件，并且)能够在初始截止的方向上实现第一电气接触件与第二电气接触件之间的电流流动。

该方法可以被设计为使得电气模块具有至少两个电子开关元件和电气能量存储器。

该方法也可以被设计为使得电气模块是模块化的多级变流器的模块(子模块)。

该方法也可以被设计为使得构件是(由电气半导体结晶材料构成的)圆片。

该方法可以被设计为使得执行器是(电气)压电执行器。

该方法具有与上面结合短路装置所示的类似的优点。

附图说明

下面参考实施例更详细地解释本发明。在此，相同的附图标记指示相同或起相同作用的元件。附图中：

图1中示出了具有多个模块的变流器的实施例；

图2中示出了具有短路装置的模块的实施例；

图3中示出了具有短路装置的模块的另外的实施例；

图4中以三维图示示出了短路装置的实施例；

图5中以俯视图示出了短路装置的实施例；

图6中以截面图示出了短路装置的实施例；

图7中以截面图示出了在触发信号之后的短路装置的实施例；

图8中示出了由电气半导体材料构成的构件的实施例；以及

图9中示出了针对短路装置的示例性电路符号。

具体实施方式

图1中示出了以模块化的多级变流器1(modular multilevel converter,MMC)的形式的变流器1。该多级变流器1具有第一交流电压接头5、第二交流电压接头7和第三交流电压接头9。第一交流电压接头5与第一相模块支路11和第二相模块支路13电气连接。第一相模块支路11和第二相模块支路13形成变流器1的第一相模块15。第一相模块支路11的背离第一交流电压接头5的端部与第一直流电压接头16电气连接；第二相模块支路13的背离第一交流电压接头5的端部与第二直流电压接头17电气连接。第一直流电压接头16为正直流电压接头；第二直流电压接头17为负直流电压接头。

第二交流电压接头7与第三相模块支路18的端部以及与第四相模块支路21的端部电气连接。第三相模块支路18和第四相模块支路21形成第二相模块24。第三交流电压接头9与第五相模块支路27的端部以及与第六相模块支路29的端部电气连接。第五相模块支路27和第六相模块支路29形成第三相模块31。

第三相模块支路18的背离第二交流电压接头7的端部和第五相模块支路27的背离第三交流电压接头9的端部与第一直流电压接头16电气连接。第四相模块支路21的背离第二交流电压接头7的端部和第六相模块支路29的背离第三交流电压接头9的端部与第二直流电压接头17电气连接。第一相模块支路11、第三相模块支路18和第五相模块支路27形成正侧的变流器部分32；第二相模块支路13、第四相模块支路21和第六相模块支路29形成负侧的变流器部分33。

每个相模块支路具有多个模块(1_1、1_2、1_3、1_4…1_n；2_1…2_n等)，这些模块(借助其电流接头)电气串联连接。这种模块也被称为子模块。在图1的实施例中，每个相模块支路具有n个模块。借助其电流接头电气串联连接的模块的数量可以非常不同，至少可以将三个模块串联连接，但也例如可以将50个、100个或更多个模块电气串联连接。在该实施例中，n＝36：即，第一相模块支路11具有36个模块1_1、1_2、1_3，…1_36。另外的相模块支路13、18、21、27和29以类似的方式构造。

在图1的左侧区域中示意性地示出了用于模块1_1至6_n的控制装置35。从该中央控制装置35经由光学通信连接37(例如，经由光纤)将光学消息或光学信号传输到各个模块。分别通过线37象征性地表示控制装置与模块之间的消息传输；通过线37上的箭头表示消息传输的方向。这以模块1_1、1_4和4_5为例示出；消息以相同的方式发送到另外的模块，或从该模块接收消息。例如，控制装置35分别将针对相应的模块应当提供的输出电压的大小的额定值发送到各个模块。

图2中示出了变流器1的模块200的实施例。在此，该模块例如可以是图1中示出的模块1_1…6_n中的一个。

模块200被设计为半桥模块200。模块200具有带有第一反并联连接的二极管204的第一(可关断的)电子开关元件202(第一可关断的半导体阀202)。此外，模块200具有带有第二反并联连接的二极管208以及以电容器210形式的电气能量存储器210的第二(可关断的)电子开关元件206(第二可关断的半导体阀206)。第一电子开关元件202和第二电子开关元件206分别被设计为IGBT(绝缘栅双极晶体管)。第一电子开关元件202与第二电子开关元件206电气串联连接。在两个电子开关元件202与206之间的连接点处布置了第一电气模块接头212。在第二电子开关元件206的与连接点对置的接头处布置了第二电气模块接头215。此外，第二模块接头215与能量存储器210的第一接头电气连接；能量存储器210的第二接头与第一电子开关元件202的与连接点对置的接头电气连接。

因此，能量存储器210与由第一电子开关元件202和第二电子开关元件206构成的串联电路电气并联连接。通过由变流器的(未示出的)电子控制装置相应地控制第一电子开关元件202和第二电子开关元件206，可以实现在第一模块接头212与第二模块接头215之间要么输出能量存储器210的电压要么不输出电压(即，输出零电压)。因此，可以通过各个相模块支路的模块的共同作用来产生变流器的分别期望的输出电压。

短路装置220与模块200并联连接。因此，短路装置220连接在第一模块接头212与第二模块接头215之间。如果短路装置220进入短接状态/短路状态，则短路装置220桥接模块200；短路装置220使模块200短路。然后，变流器的工作电流例如从第一模块接头212经由短路装置220流到第二模块接头215(而不流经模块200的其余组件、特别是不流经开关元件202、206和二极管204、208)。

图3中示出了变流器1的模块300的另外的实施例。在此，该模块例如可以是图1中示出的模块1_1…6_n中的一个。除了从图2中已知的第一电子开关元件202、第二电子开关元件206、第一续流二极管204、第二续流二极管208和能量存储器210之外，图3中示出的模块300具有带有反并联连接的第三续流二极管304的第三电子开关元件302以及带有第四反并联连接的续流二极管308的第四电子开关元件306。第三电子开关元件302和第四电子开关元件306分别被设计为IGBT。与图2中的电路不同，第二模块接头315不是与第二电子开关元件206电气连接，而是与由第三电子开关元件302和第四电子开关元件306构成的电气串联电路的中点电气连接。

图3中的模块300是所谓的全桥模块300。该全桥模块300的特征在于，在相应地控制在第一(电气)模块接头212与第二(电气)模块接头315之间的四个电子开关元件的情况下，能够可选地输出能量存储器210的正电压、能量存储器210的负电压或值为零的电压(零电压)。由此，借助全桥模块300可以使输出电压的极性反转。多级变流器1可以仅具有半桥模块200、可以仅具有全桥模块300、或者也可以具有半桥模块200和全桥模块300。

短路装置320与模块300并联连接。因此，短路装置320连接在第一模块接头212与第二模块接头315之间。如果短路装置320进入短接状态/短路状态，则短路装置320桥接模块300；短路装置320使模块300短路。然后，变流器的工作电流例如从第一模块接头212经由短路装置320流到第二模块接头315(而不流经模块300的其余组件、特别是不流经开关元件202、206、302、306和/或二极管204、208、304、308)。可以如短路装置220那样构造短路装置320。

图4中示意性地示出了短路装置400的实施例的外部视图。该短路装置400例如可以是短路装置220或短路装置320。

短路装置400基本上具有带有相对低的高度的直的圆柱体的外部形状，即所谓的圆片单元400的形状。示意性地示出了第一电气接触件404、第二电气接触件408以及布置在第一电气接触件404与第二电气接触件408之间的由电气半导体结晶材料构成的构件412。

第一电气接触件404可以被设计为第一压力件404；第二电气接触件408可以被设计为第二压力件408。可以将构件412安装/夹紧在第一压力件404与第二压力件408之间。第一电气接触件404和第二电气接触件408可以由金属构成、例如由铜构成。

图5中示意性地示出了短路装置400的俯视图。图5中借助点划线示出了沿短路装置400的直径的截面。相关联的截面图在图6和图7中示出。

图6中示意性地示出了穿过在未短接状态下的短路装置400的截面图。该未短接状态(未短路状态)与开路开关相对应。第一接触件404和第二接触件408分别具有直的圆柱体的基本形状。第一接触件404具有第一凹部604，在该第一凹部中布置有执行器608。第一凹部604是中央凹部604。在该实施例中，第一凹部604旋转对称地设计。

执行器608将电气信号(触发信号)转换为机械运动。借助机械运动，执行器608能够对构件412施加机械力。执行器608具有两个接头612，经由该两个接头将电气触发信号馈送到执行器608。在该实施例中，执行器是压电执行器608。该压电执行器608借助压电晶体将信号转换为机械运动。由此将力施加到构件412上。在示意性示出出的执行器608中示出压电晶体。

在第二接触件408中布置有第二凹部620。该第二凹部620布置为与第一凹部604对置。构件412布置在第一接触件404与第二接触件408之间。在此，构件412将第一凹部604与第二凹部620分离。在该实施例中，构件412是由电气半导体结晶材料构成的圆片。

在该实施例中，第一凹部604和第二凹部620彼此互补地设计。第二凹部620表示膨胀凹部(例如，膨胀室)。该第二凹部620能够实现关于机械力在机械上(在第二凹部620的方向上)使构件412变形，并且由此至少部分地(特别是至少局部地)破坏构件412的晶体结构。

图7中示意性地示出了在短路状态下的短路装置400。关于电气触发信号S，执行器608已经向构件412施加了机械力。通过力，构件412已经在第二凹部620的方向上弯曲，因此构件412破碎。在图7中粗略且示意性地示出了构件412的该破碎。通过施加力而在构件412的晶体结构中形成了细微裂纹并且由此至少部分地破坏了构件的晶体结构，是完全足够的。

通过破坏构件的晶体结构，构件412不再能够截止电流流动，并且电流现在例如可以从第一接触件404经由构件412流到第二接触件408。构件412的电气半导体结晶材料充满了载流子并且由此导电。该过程也被称为击穿。由此，第一接触件404与第二接触件408短接，并且电气短路装置400处于该短路装置的短接(短路)状态下。

换言之，执行器608的力的作用对准构件412。为了接通短路装置400，将电气触发信号S(例如将电压脉冲)施加到执行器608。由此产生的执行器608的力的作用作用于构件412，将构件压入第二凹部620，并且由此使构件412断裂。由于在晶体构造中产生的断裂，构件412失去该构件的截止特性或阻塞特性，并且导致在第一接触件404与第二接触件408之间的安全的短路(击穿构件412)。

要说明的是，在图6和图7中，出于更好的识别性的原因，在第一接触件404与构件412之间以及在构件412与第二接触件408之间示出了距离。然而，仅出于清楚起见而包含该距离。实际上，在完成组装的短路装置中，通常在第一接触件404与构件412之间以及在构件412与第二接触件408之间不存在如此大的距离。更确切地说，将构件412夹紧在第一接触件404与第二接触件408之间；由接触件404和408保持构件412。

图8中示意性地以截面图示出了构件412的有利的可能的结构。构件被设计为由单晶硅或多晶硅构成的圆片412。圆片412具有四个不同掺杂的层：第一p层804、第一n层808、第二p层812和第二n层816。由此，圆片412具有多个p-n结：例如在第一p层804与第一n层808之间的第一p-n结和在第二p层812与第一n层808之间的第二p-n结。第一p-n结与第二p-n结相反取向。因此，构件412(在未破坏的状态下)能够在两个方向上截止电流。反之，在构件412的破坏后的状态下，p-n结不再有效，并且电流可以在两个方向上流动。

在该实施例中，p-n结被设计为平面p-n结。将p-n结平行于第一电气接触件和/或平行于第二电气接触件地取向。

示意性地在图8中示出的构件412基本上具有晶闸管或四层二极管(Shockley-Diode，肖克利二极管)的结构。在另外的实施例中，该构件412也可以具有简单的二极管的结构。在该情况下，构件412将仅具有第一p层804和第一n层808；因此在构件412中将仅存在一个p-n结。在该情况下，构件412将会仅在一个方向上截止电流。

可选地，构件412也可以被设计为电气上可接通的半导体元件(特别是晶闸管)，该半导体元件的控制接头(特别是该半导体元件的栅极接头)从短路装置400中引出。然后，控制接头将例如接触第二p层812。然后，半导体元件也可以借助该半导体元件的控制接头(电气)接通。这能够实现以两种不同的方式来接通短路装置：一方面借助执行器608，该执行器对构件施加机械力；并且另一方面借助半导体元件的控制接头(特别是借助晶闸管的栅极接头)。第一种情况在破坏构件412的情况下导致对短路装置的一次性的接通，反之第二种情况能够实现对短路装置400的可逆的接通或反复的接通。因此，可以附加地电气上可逆地可开关地断开构件。由此，还可以在更多方面上使用短路装置400。

图9中象征性地示出了针对短路装置400的电路符号。可以看出，短路装置400基本上表示压电操作的合闸开关，该合闸开关被设置为用于一次性操作或用于一次性接通(单次合闸开关、单次短路器)。

在短路装置从未短路状态转换为短路状态时，执行以下方法：

首先(在将触发信号施加到执行器之前)，由构件在至少一个方向上截止第一接触件与第二接触件之间的电流流动。如果将触发信号施加到执行器，则由执行器对构件施加机械力。通过机械力至少部分地(机械地)破坏构件的晶体结构。由此，能够在初始截止的方向上实现第一电气接触件与第二电气接触件之间的电流流动。这也被称为构件的击穿。

短路装置400也可以被称为旁路圆片单元。短路装置400表示非烟火操作的短路装置或非烟火操作的旁路开关。可以在非常短的时间内闭合短路装置400，例如在小于一毫秒的时间内闭合。特别地，这能够实现在变流器中使用短路装置400以在故障情况下桥接变流器的有缺陷的模块。通过桥接有缺陷的模块，可以继续保持变流器的工作电流并且由此继续保持变流器的运行。旁路开关400(短路装置400)能够在短路状态(闭合状态)下安全地承载变流器的工作电流直至下次维护为止，并且由此能够安全地桥接(短路)有缺陷的模块。

已经描述了电气短路装置以及用于使电气模块短路的方法。