用于直流电压电路的开关装置
阅读说明：本技术 用于直流电压电路的开关装置 (Switching device for DC voltage circuit ) 是由 T.贝克特 P.科伦斯伯格 H.南恩 H.希尔林 D.瓦格勒 于 2020-03-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于将直流电压支路耦合至直流电压总线的开关装置,其中,开关装置具有第一和第二开关模块的串联电路。第一开关模块针对第一电流方向具有可控的第一半导体开关元件,并且第二开关模块针对相反的电流方向具有可控的第二半导体开关元件。第一半导体开关元件与第一二极管并联连接,第一二极管在相反的电流方向上导通,并且第二半导体开关元件与第二二极管并联连接,第二二极管在第一电流方向上导通。两个开关模块的串联电路与第三半导体开关元件并联连接。(The invention relates to a switching device for coupling a dc voltage branch to a dc voltage bus, wherein the switching device has a series circuit of a first and a second switching module. The first switching module has a controllable first semiconductor switching element for a first current direction and the second switching module has a controllable second semiconductor switching element for an opposite current direction. The first semiconductor switching element is connected in parallel with a first diode which is conducting in the opposite current direction, and the second semiconductor switching element is connected in parallel with a second diode which is conducting in the first current direction. The series circuit of the two switching modules is connected in parallel with the third semiconductor switching element.)
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1或2的前序部分的用于将直流电压支路耦合至直流电压总线的开关装置。
背景技术
直流电压是指最大1500伏的电压。直至该水平的直流电压也称为低压。更具体地，直流电压特别是是指大于具有120伏直流电压的低电压的电压。直流电压特别是是指400-800伏的电压。
直流电压电路或者直流电路是指用于从2到1000或者5000安培的电流、特别是标称电流或者最大电流；更具体地用于从2安培到400安培或者200安培的电流的电路。
直流电压总线是指由至少一个能量源提供直流电压的、具有正导体和负导体的至少两线制系统。直流电压设备，例如直流电压用电设备、负载、逆变器、组合的能量汇(Energiesenke)或者能量源、单纯的(另外的)能量源等，相应地通过直流电压支路，连接到直流电压总线。也可以多个直流电压设备连接到一个直流电压支路。
直流电压设备特别是是指具有1千瓦到500千瓦的功率的设备。
同时，越来越多地开发和构建也称为直流电压网络或者低压直流网络的直流电压电路，其通常具有带有直流电压支路的直流电压总线。
通常通过在此称为开关装置的直流电压开关(DC开关)来保护也称为用电设备支路的直流电压支路。这种开关装置具有至少一个开关模块、通常为两个开关模块，开关模块具有至少一个可控的半导体开关元件，其也称为功率电子开关元件，半导体开关元件可能并联连接有二极管。
可控的半导体开关元件和并联连接的二极管的功能在物理上也可以在一个半导体结构元件中实现。这种结构元件称为是能反向导通的。
此外，可以存在熔断保险装置。
在图1中示出了根据现有技术的用于将直流电压支路耦合到直流电压总线的开关装置。
图1示出了直流电压总线DCB，直流电压总线DCB具有正导体DCP和负导体DCN，它们与未示出的例如具有600伏的直流电压的直流电压能量源连接。
在直流电压总线DCB上设置有第一直流电压支路DCA1、第二直流电压支路DCA2和第三直流电压支路DCA3；可以设置另外的直流电压支路。
第一直流电压支路DCA1通过第一开关装置SCH1与第一设备G1连接，第二直流电压支路DCA2同样通过第二开关装置SCH2与第二设备G2连接。
第一开关装置SCH1具有第一和第二开关模块SM1、SM2的串联电路。第一开关模块SM1针对第一电流方向具有可控的第一半导体开关元件Q1，并且第二开关模块SM2针对相反的电流方向具有可控的第二半导体开关元件Q2。
第一半导体开关元件Q1并联连接有第一二极管D1，第一二极管D1在与第一半导体开关元件Q1相反的电流方向上导通，并且第二半导体开关元件Q2并联连接有第二二极管D2，第二二极管D2在第一半导体开关元件Q1的第一电流方向上导通。
第一开关装置SCH1实施有双极接头(用于正和负导体)，在该示例中，第一和第二开关模块SM1、SM2位于一个导体中，在该示例中位于第一直流电压支路DCA1的正导体中；负导体是贯通的，并且没有开关模块。替换地，开关模块SM1、SM2也可以布置在负导体中，或者两个导体都可以具有开关模块。
两个开关模块SM1、SM2的串联电路之后是设备侧或者直流电压支路侧的分离触点，其中，第一分离触点TK1被设置为用于正导体，并且第二分离触点TK2被设置为用于负导体，其一般称为分离触点，用于设备或者用电设备的电流(galvanischen)分离。
第二开关装置SCH2以类似的方式构建。可以以类似的方式构建另外的开关装置。
设备G1、G2通常是具有电容的直流电压设备。在该示例中，第一设备G1具有第一电容C1，第二设备G2具有第二电容C2。在(直流电压)设备的电容中经常存储有大量的能量。
如果在根据图1的直流电压电路/直流电压网络或者DC网络中出现故障，例如在位于第二开关装置SCH2和第二设备G2之间的故障位置F1处出现短路，则从周围的直流电压支路或者DC支路以及位于其中的(设备的)能量源或者电容向那里的短路馈电。这在相关的开关装置、在该示例中为第二开关装置SCH2中导致大的电流，相关的开关装置触发关断。
在此重要的是，其它开关装置或者开关不触发，从而进行所谓的故障的选择性的关断。
此外，其它开关装置应当尽可能少地阻止从相应的直流电压支路或者用电设备支路到短路的电流流动，以便开关装置、在该示例中为第二开关装置SCH2可靠地触发。因此，在开关装置中，可关断的半导体、例如具有绝缘栅电极的双极型晶体管(简称为IGBT)更多地是障碍性的，因为其通常具有去饱和特性，并且起限制电流的作用。此外，这些半导体开关将非常快速地、通常在个位数μs的范围内关断。
如果在故障位置F1处发生短路，那么相关的第二设备G2的第二电容C2(或者第二电容器C2)的能量放电至该故障位置中。附加地，不相关的第一和第三直流电压支路DCA1、DCA3的第一电容C1以及可能的(未示出的)第三电容C3的能量也放电至该故障位置F1中。
第一和第三电容C1、C3可能提供大的(故障)电流。例如，如果第一设备G1具有小的标称电流，则第一开关装置SCH1的尺寸相应地被设计为较小，并且即使在另一个支路中发生故障时，第一开关装置SCH1也可以中断电流流动，或者在另一个支路关断之前，不进一步向该另一个支路馈电。
目标是能够尽可能长时间地(不饱和地)承载开关装置的反向方向上的电流。
迄今为止，通过显著过大地设计开关装置的尺寸来解决该问题，这是昂贵的或者是不经济的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，给出所提到的问题的一种解决方案，特别是使得能够实现直流电压支路中的开关装置的触发的选择性。
该问题通过具有权利要求1或者2的特征的开关装置来解决。
根据本发明，这通过如下方式来实现，即，两个(电子或者基于半导体的)开关模块的串联电路或者并联电路，与进行桥接的半导体开关元件并联连接。在此，进行桥接的半导体开关元件用于针对特殊情况引导电流，在该特殊情况下，直流电压支路上的电压高于直流电压总线上的电压，特别是当电压的差超过电压的阈值时。
在正常情况下，在例如正导体中，电流从直流电压总线通过开关装置或者直流电压支路流向设备。
在特殊情况下，在正导体上，电流从设备通过开关装置流向直流电压总线，这也称为反向方向。
以类似的方式，在正常情况下，在负导体上，电流从设备经由直流电压支路、开关装置流向直流电压总线。在特殊情况下，电流通过负导体从直流电压总线、经由开关装置或者直流电压支路流向设备，即在反向方向上流向设备。在此，特殊情况是指反向方向上的电流流动，这也可以是允许的运行情况。
通过进行桥接的半导体开关元件，该半导体开关元件被设计为，其可以在一个方向上承载更大的电流，可以尽可能长时间地承载开关装置的反向方向上的电流，以使得能够触发另一个直流电压支路中的开关装置。在这种情况下，激活进行桥接的半导体开关元件。
在从属权利要求中给出了本发明的有利的设计方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，进行桥接的半导体开关元件是晶闸管，晶闸管被布置为，可以将其切换为导通，以例如使得能够使正导体中的电流从设备流向直流电压总线。以类似的方式，如果开关模块布置在负导体中，则晶闸管布置在负导体中。
在电流从晶闸管的阳极侧接头通过开关模块流向晶闸管阴极侧的接头时，可以将晶闸管切换为导通；并且相应地布置晶闸管。
这具有以下特别的优点，即，针对进行桥接的半导体开关元件，给出了一种特别简单并且成本低廉的解决方案，其特别是可以在一个方向上容易地引导大的电流。
在本发明的一个有利的设计方案中，第一和/或第二或者第三和/或第四半导体开关元件为具有绝缘栅电极的双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、氮化镓晶体管或者碳化硅晶体管(简称为SiC晶体管)。
这具有以下特别的优点，即，针对开关模块的半导体开关元件，给出了一种简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，设置有电流传感器，其可以确定电流的大小和电流方向。此外，设置有电压传感器，电压传感器特别是可以确定直流电压总线侧的电压的大小。
这具有以下特别的优点，即，针对开关装置，给出了一种集成并且紧凑的解决方案，其不需要外部传感器。
在本发明的一个有利的设计方案中，设置有控制装置，控制装置与第一和第二或者第三和第四半导体开关元件以及进行桥接的半导体开关元件的控制接头、特别是相应的栅极接头、电压传感器和电流传感器连接，并且控制装置被设计为，在低于电压的第一阈值时，并且在特殊情况的电流流动时，即在晶闸管的情况下，在电流从晶闸管的阳极侧接头通过开关模块流向晶闸管的阴极侧接头时，将进行桥接的半导体开关元件或者晶闸管切换为导通。
这具有以下特别的优点，即，针对开关装置，给出了一种具有集成控制的紧凑的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，两个开关模块的串联电路或者并联电路，在直流电压支路侧，与分离触点串联连接。
这具有以下特别的优点，即，能够实现直流电压支路的电流(galvanische)分离。
在本发明的一个有利的设计方案中，进行桥接的半导体开关元件的并联电路具有中断装置、特别是继电器触点、特别是常开触点。
这具有以下特别的优点，即，在晶闸管或者类似的半导体开关元件的情况下，能够使电流流动重置(Rückstellung)或者复位(Rücksetzung)。
在本发明的一个有利的设计方案中，分离触点或者中断装置可以通过控制装置来操纵，使得流过进行桥接的半导体开关元件、特别是晶闸管的电流流动是可复位的或者可以复位。
这具有以下特别的优点，即，特别是当要禁止通过直流电压支路对直流电压总线的进一步的馈电时，使得能够通过控制装置实现对特别是流过晶闸管的电流流动的受控的复位。
在本发明的一个有利的设计方案中，电压的第一阈值在直流电压总线的标称电压的10％至50％之间，特别地是直流电压总线的标称电压的30％。
替换地，可以利用第二电压传感器确定直流电压总线的电压的大小与直流电压支路的电压的大小之间的差，将其与电压阈值或者电压的阈值进行比较。
这具有针对电压的阈值的标准简单的特别的优点。
在本发明的一个有利的设计方案中，电流传感器是基于霍尔效应的传感器。
这具有以下特别的优点，即，针对电流的大小和方向的确定，给出了一种简单的解决方案。
在本发明的一个有利的设计方案中，在第一和第二开关模块的串联电路中，晶体管形式的第一和第二半导体开关元件的发射极或集电极或者源极或漏极相互连接。并联的二极管的阳极与发射极或者源极连接，并且并联的二极管的阴极与集电极或者漏极连接。
这具有以下特别的优点，即，针对本发明，给出了开关模块的一种简单的实现。
在本发明的一个有利的设计方案中，控制装置被设计成，在超过电流的第一阈值时，特别是在正常情况下，通过至少一个开关模块、特别是两个开关模块来中断电流流动。
这具有以下特别的优点，即，控制装置不仅提供过电流保护功能，而且提供根据本发明的功能。
不仅以引用权利要求1或者2的从属的形式、而且仅引用权利要求的各个特征或者特征组合的所有设计方案，使得开关装置得到改进，从而改善了直流电压网络中的选择性。由此，特别是可以在共同的直流电压总线上运行不同功率等级的设备。
附图说明
所描述的本发明的特性、特征和优点以及实现它们的方式，结合下面对结合附图详细说明的实施例的描述，将变得更清楚并且更容易理解。
在相关的附图中：
图1示出了根据现有技术的直流电压总线上的具有开关装置的直流电压支路的原理图；
图2示出了根据本发明的直流电压总线上的具有开关装置的直流电压支路的原理图；
图3示出了本发明的第一示意图；
图4示出了本发明的第二示意图；
图5示出了另一个开关装置的一部分；
图6示出了另一个根据本发明的开关装置。
具体实施方式
图1示出了开头已经描述了的根据现有技术的直流电压总线上的具有开关装置的直流电压支路的原理图。
图2示出了根据图1的原理图，不同之处在于，根据本发明，第一和第二开关模块SM1、SM2的串联电路与进行桥接的半导体开关元件QU(在根据图2的示例中是晶闸管)并联连接。在此，两个开关模块的串联电路布置在第一直流电压支路DCA1的正导体中。晶闸管利用其阴极与开关模块的串联电路的直流电压总线侧的接头连接，该接头还形成开关装置的直流电压总线侧的接头，并且利用其阳极与开关模块的串联电路的设备侧的接头连接。
在该示例中，第一和/或第二半导体开关元件Q1、Q2是具有绝缘栅电极的双极型晶体管(简称为IGBT)。但是，其也可以是金属-氧化物半导体场效应晶体管或者氮化镓晶体管。
此外，设置有至少一个未示出的电流传感器，其可以确定直流电压支路中的电流的大小和电流方向。此外，设置有至少一个未示出的电压传感器，其特别是可以在直流电压总线侧确定直流电压支路中的电压的大小。
设置有控制装置SE1，其与第一、第二和进行桥接的半导体开关元件Q1、Q2、QU的控制接头、特别是栅极接头连接。此外，控制装置SE1与(未示出的)电压传感器和(未示出的)电流传感器连接。
控制装置SE1被设计为，在电压低于第一阈值时，并且在电流从晶闸管的阳极侧接头通过开关模块流向晶闸管的阴极侧接头时，使晶闸管切换为导通。
两个开关模块SM1、SM2的串联电路在直流电压支路侧，即在第一设备G1侧与分离触点串联连接。在该示例中，直流电压支路的两个导体、即正和负导体具有分离触点TK1、TK2。分离触点特别是根据标准具有分离功能，即，给出具有符合标准的间隔距离和/或爬电距离或者空气距离的可靠的电流分离。
分离触点TK1、TK2可以实施为由控制装置SE1操纵的继电器触点。
进行桥接的半导体开关元件QU、在该示例中为晶闸管的并联电路具有中断装置RK1，特别是继电器触点，其在该示例中被设计为常开触点
进行桥接的半导体开关元件QU的并联电路特别是仅与开关模块并联连接。如图2所示，第一和/或第二分离触点TK1、TK2不包括在并联电路内。
第一和第二分离触点TK1、TK2或者中断装置RK1可以通过控制装置SE1来操纵，使得流过进行桥接的半导体开关元件、特别是晶闸管QU的电流可以复位。
串联连接的第一和第二开关模块SM1、SM2可以设计成，根据所使用的半导体开关元件，使第一和第二半导体开关元件Q1、Q2的发射极或者集电极或者说源极或者漏极相互连接。在根据图2的示例中，IGBT的集电极彼此连接。发射极形成开关模块SM1、SM2的串联电路的相应的外部接头，其中，第一外部接头必要时通过熔断保险装置与直流电压总线连接，第二外部接头必要时通过分离触点TK1、TK2与设备连接。
如图所示，并联的二极管的阳极与发射极或者源极连接，并且并联的二极管的阴极与集电极或者漏极连接。
控制装置还被设计为，在电流超过第一阈值时，特别是在正常情况下(与特殊情况相反)的电流流动时，通过至少一个开关模块、特别是两个开关模块进行电流流动的中断。
图3示出了具有第一半导体开关元件Q1、第二半导体开关元件Q2和第一设备或者用电设备load1的本发明的示意图。
晶闸管形式的进行桥接的半导体开关元件QU与第一和第二半导体开关元件Q1、Q2的串联电路并联连接。
图4示出了根据图3的示意图，不同之处在于，第一和第二半导体开关元件Q1、Q2的第一串联电路通过第一熔断保险装置Si1连接至直流电压总线DCB，以类似的方式具有第五和第六半导体开关元件Q5、Q6的第二串联电路通过第二熔断保险装置Si2连接至直流电压总线DCB，晶闸管形式的进行桥接的第二半导体开关元件QU与第五和第六半导体开关元件Q5、Q6并联连接，第二设备或者用电设备load2连接至进行桥接的第二半导体开关元件QU。
图5示出了根据图1或者图2的用于将直流电压支路耦合到直流电压总线的第三开关装置SCH3，不同之处在于，第三开关装置SCH3具有第三开关模块SM3和第四开关模块SM4的并联电路，其中，第三开关模块SM3针对第一电流方向具有可控的第三半导体开关元件Q3和第三二极管D3的串联电路，并且第四开关模块SM4针对相反的电流方向具有可控的第四半导体开关元件Q4和第四二极管D4的串联电路，其中，第三二极管D3在相反的电流方向上截止，并且第四二极管D4在第一电流方向上截止。
可控的半导体开关元件(Q3、Q4)和串联连接的二极管(D3、D4)的功能在物理上也可以在一个半导体结构元件中实现。这种结构元件称为是能反向截止的。
在该示例中，该并联电路布置在正导体中。该并联电路在正导体中具有第三分离触点TK3，并且在负导体中具有第四分离触点TK4。
图6示出了根据图5的布置，不同之处在于，第三和第四开关模块SM3、SM4的并联电路并联连接有进行桥接的半导体开关元件QU。
此外，例如在正导体中，设置有电流传感器SI。此外，设置有电压传感器SU，电压传感器SU与正和负导体连接，并且特别是布置在直流电压总线DCB侧，用于确定直流电压总线DCB侧的电压的大小。
电流和电压传感器SI、SU与根据图2的控制装置连接。控制装置又与第三和第四开关模块SM3、SM4、特别是其控制接头、特别是第三和第四半导体开关元件Q3、Q4(优选具有绝缘栅电极的双极型晶体管)的栅极接头等连接。
控制装置SE1与进行桥接的半导体开关元件QU的控制接头、特别是晶闸管的栅极接头连接。
进行桥接的半导体开关元件QU、特别是晶闸管的并联电路具有中断装置RK1，中断装置RK1特别是与开关装置SE1连接。
在一个设计方案中，第三和第四分离触点TK3、TK4可以与控制装置SE1连接，如图6所示。
在直流电压支路侧，即在设备侧，可以设置另一直流电压传感器来确定设备侧、即直流电压支路侧的电压的大小。该另一直流电压传感器可以与控制装置SE1连接。
可以使用根据图6的开关装置来代替第一和第二开关装置SCH1、SCH2。此外，可以设置具有第一、第二或者第三开关装置SCH1、SCH2、SCH3的直流电压支路。
下面，再次简要对本发明进行说明。
针对工作电流设计了具有带有续流二极管的半导体开关的电子双向开关装置，在短路情况下，该电子双向开关装置仅能够在μs范围内的短时间内承载饱和电流。
当断开来自其它支路的反馈电流时，有故障的支路的选择性的断开变得困难。目的是在不饱和的情况下尽可能长时间地承载来自支路的反向方向上的电流。
为此，需要将开关装置的尺寸设计得过大。这是一种昂贵的解决方案。
根据本发明，设置另外的半导体开关元件、特别是有利地是晶闸管，以使得支路能够通过直流电压总线快速放电到有故障的直流电压支路中。
进行桥接的晶闸管QU，“在反向方向上”，以与开关模块或者半导体开关元件或者半导体开关的串联电路或者并联电路并联的方式，用作旁路。在低于直流电压总线上的电压限制值(例如直流电压总线的标称电压的30％)，并且(大的)电流从设备通过直流电压支路的正导体流入直流电压总线(即在反向方向上)时，将晶闸管QU切换为导通或者点火。
因此，开关模块SM1、SM2或者SM3、SM4或者半导体开关元件Q1、Q2/Q3、Q4不需要引导反向方向上的全(短路)电流，这由进行桥接的(旁路)晶闸管QU来承担。该晶闸管引导(大的)(短路)电流，其因此为有故障的直流电压支路提供足够的能量用于进行断开。
在故障(短路)消除之后，将开关装置复位。特别是，使进行桥接的晶闸管QU截止。这在如下情况下强制性地进行，即，在消除短路之后，直流电压总线侧的电压大于直流电压支路侧的电压，或者可以通过断开晶闸管的线路支路中的中断装置/继电器触点RK1或者通过断开分离触点TK1、TK2或者TK3、TK4来进行。
因此，开关装置SCH1、SCH3准备好再次接通。
利用本发明，能够在具有多个支路和分布式电容的直流电压分配或者直流电压网络中实现改善的选择性。因此，使有故障的支路的开关装置针对断开得到强化。
在应用情况下，当回流的(短路)电流由连接的设备或者其电容形成时，对进行桥接的(附加)晶闸管QU进行切换。
利用本发明，开关模块SM1、SM2、SM3、SM4或者半导体开关元件Q1、Q2、Q3、Q4可以被设计为具有更小的尺寸，利用晶闸管能够实现鲁棒的整体结构。
虽然在细节上通过实施例更详细地说明并且描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的示例，本领域技术人员可以从中推导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。
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