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CN107276020B - 电流断路器 - Google Patents

电流断路器 Download PDF

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CN107276020B
CN107276020B CN201611237055.XA CN201611237055A CN107276020B CN 107276020 B CN107276020 B CN 107276020B CN 201611237055 A CN201611237055 A CN 201611237055A CN 107276020 B CN107276020 B CN 107276020B
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Abstract

本文公开了一种电流断路器，其通过使用快速开关阻断电流来保护半导体模块。电流断路器包括：第一开关，其被配置为在生成故障电流时被断开；第二开关，其被连接到第一开关并且被配置为在自第一开关已经被断开经过预定时间段之后被断开；半导体模块，其具有被连接到第一开关的一端和被连接到第二开关的另一端；电容器，其具有被连接到第二开关的一个端子和被连接到半导体模块的另一端子；以及电涌放电器，其被连接在电容器两端并且被配置为根据电容器两端的电压来改变其电阻以阻断故障电流。

Description

电流断路器
技术领域
本公开内容涉及电流断路器。
背景技术
电流断路器是指断开/闭合传输/变压系统或电气电路中的负载或者当诸如接地或短路的事故发生时中断电流的设备。如果电流断路器的阻断部分由绝缘材料制成，则正常使用中的线路可以被手动地断开/闭合。另外，电流断路器可以在金属外壳外部通过使用电气操作设备等来远程地断开/闭合，并且可以在过载或短路时自动地中断线路以由此保护功率系统和负载设备。
图1是示出了现有电流断路器10的视图。将参考图1描述电流断路器10的操作。当稳态电流流动时，开关12被闭合并且电流流动通过主电路的功率半导体11。另外，当稳态电流流动时，半导体模块13被断开，使得没有电流流动通过半导体模块13。半导体模块13可以是多个功率半导体11的组合。
当高压直流传输线或电力线必须被修复或被更换时，或者当故障电流在其中流动时，半导体模块13被接通以中断电流。当半导体模块13被接通时，主电路的半导体模块11被断开并且开关12被断开。当开关12被断开时，故障电流流动通过半导体模块13，并且之后半导体模块13被断开以阻断故障电流。
参考图1，现有电流断路器10要求多个功率半导体11以阻断电流。因此，存在的问题在于引发大量成本以阻断现有电流断路器10中的电流。另外，存在的另一问题在于现有电流断路器10归因于多个功率半导体11而具有大体积。另外，存在的又一问题在于当功率半导体11生成热时现有电流断路器10要求冷却设备。
发明内容
本公开内容的目标是要提供一种电流断路器，其通过使用快速开关阻断电流来保护半导体模块。
本公开内容的另一目标是要提供一种电流断路器，其能够通过使用旁路电路阻断电流来减少功率半导体的数量。
本公开内容的又一目标是要提供一种电流断路器，其能够通过使用旁路电路阻断电流来减少电流断路器的体积并节省制造成本。
本公开内容的再一目标是要提供一种电流断路器，其能够通过使用旁路电路阻断电流来抑制热生成。
根据本公开内容的一个方面，一种电流断路器包括：第一开关，其被配置为在故障电流被生成时被断开；第二开关，其被连接到第一开关并且被配置为在自第一开关已经被断开经过预定时间段之后被断开；半导体模块，其具有被连接到第一开关的一端和被连接到第二开关的另一端；电容器，其具有被连接到第二开关的一个端子和被连接到半导体模块的另一端子；以及电涌放电器，其被连接在电容器两端并且被配置为根据电容器两端的电压来改变其电阻以阻断故障电流。
根据本公开内容的示例性实施例，使用快速开关来阻断电流，并且因此能够保护半导体模块。
另外，根据本公开内容的示例性实施例，能够通过使用旁路电路阻断电流来减少功率半导体的数量。
另外，根据本公开内容的示例性实施例，通过利用旁路电路阻断电流，能够减少电流断路器的体积并能够减少制造成本。
另外，根据本公开内容的示例性实施例，能够通过使用旁路电路阻断电流来抑制热生成。
附图说明
图1是示出了现有现有电流断路器的视图；
图2是根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器的示意图；
图3是示出了根据本公开内容的示例性实施例的第一开关和冲程的示意图；
图4是示出了当第一开关被完全断开时由控制单元断开的第二开关的示意图；
图5是示出了当稳态电流在主电路中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器的示意图；
图6是示出了当故障电流在主电路中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器的示意图；
图7是示出了当故障电流在第二开关和半导体模块中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器的示意图；
图8是示出了当故障电流在电容器中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器的示意图；
图9是示出了当故障电流在电涌放电器中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器的示意图；以及
图10是示出了根据本公开内容的示例性实施例的故障电流的幅值的图形。
具体实施方式
以上目标、特征和优点将从参考附图的详细描述中变得显而易见。以使得本领域技术人员能够容易地实践本公开内容的技术构思的充分的细节描述实施例。公知的功能或配置的详细描述可以被省略以便不必要地使本公开内容的目标模糊不清。在下文中，将参考附图详细地描述本公开内容的实施例。在附图中，类似的附图标记指代类似的元件。
图2是根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器100的示意图。参照图2，根据示例性实施例的电流断路器100可以包括第一开关110、第二开关120、半导体模块130、电容器140、电涌放电器150以及控制单元160。图2中示出的电流断路器100仅仅是本公开内容的示例性实施例，并且元件不限于图2中示出的元件。一些元件可以根据需要被添加、修改或消除。图3是示出了根据本公开内容的示例性实施例的第一开关110和冲程111的示意图。图4是示出了当第一开关被完全断开时由控制单元断开的第二开关的示意图。在下文中，将参考图2至图4详细描述根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器100。
当生成故障电流时，第一开关100可以被断开。第一开关110可以是快速开关，并且可以取决于故障电流流动还是稳态电流流动而使主电路170的端子断开或短路。即，第一开关110当故障电流在主电路170中流动时被断开并且当稳态电流在主电路170中流动时被闭合。故障电流当高压直流传输线或电力线被修复或更换时被生成并且可以具有大于稳态电流的值。
第二开关120可以被连接到第一开关110。第二开关120可以是快速开关。第二开关120和第一开关110可以为相同类型。第二开关120可以在自第一开关110被断开经过预定时间段之后被断开。预定时间段可以由用户设定或由控制单元自动地设定。
例如，第二开关120可以当半导体模块130被接通时被断开以阻断故障电流。即，当故障电流流动通过主电路170时，第一开关110被断开，并且半导体模块130被接通。当半导体模块130被接通时，故障电流流动通过半导体模块130。同时，第二开关120被断开，使得能够阻断流动通过旁路电路的故障电流。在第二开关120被断开之后，半导体模块130被断开，其将在下面详细地进行描述。
预定时间段可以与第一开关110的冲程111成比例。冲程111是指第一开关110移动的距离。在图3中，其是指距离111。例如，第一开关110的冲程111越长，第二开关120可以自第一开关110被断开被断开得越晚。另外，第一开关110的冲程111越短，第二开关120可以自第一开关110被断开被断开得越早。
半导体模块130的一端可以被连接到第一开关110并且其另一端可以被连接到第二开关120。半导体模块130可以当第一开关110被断开时被接通并且第二开关120被闭合以允许故障电流流动，并且可以包括至少一个二极管和至少一个晶体管。另外，半导体模块130可以在第二开关120被断开之后被断开以允许故障电流流动到电容器140。电容器可以是但不限于MOSFET、BJT、IGBT、等等。
根据本公开内容的示例性实施例，半导体模块130可以包括彼此相对的第一二极管131和第二二极管133。另外，半导体模块130可以包括在相对方向上连接在第一二极管131两端的第一晶体管132和在相对方向上连接在第二二极管133两端的第二晶体管134。图2中示出的半导体模块130的配置是用于控制故障电流在两个方向上流动。
例如，当故障电流从左边流动到右边时，故障电流流动通过第二开关120、第一晶体管132和第二二极管133。另一方面，当故障电流从右边流动到左边时，故障电流流动通过第二晶体管134、第一二极管131和第二开关120。
旁路电路包括第二开关120和半导体模块130。根据本公开内容的示例性实施例，旁路电路被用于阻断电流以由此减少功率半导体的数量。另外，根据本公开内容的示例性实施例，通过利用旁路电路阻断电流，能够减少电流断路器100的体积并且能够减少制造成本。
电容器140的一个端子可以被连接到第二开关120并且其另一端子可以被连接到半导体模块130。根据本公开内容的示例性实施例，当第二开关120被断开并且半导体模块130被断开时，故障电流可以在电容器140中流动。另外，当半导体模块130被断开并且第二开关120被断开时，故障电流可以在电容器140中流动。当故障电流在电容器140中流动时，电容器140可以利用故障电流来充电。当电容器140被充电时，电容器140两端的电压可以具有特定值，例如100V。
电涌放电器150可以被连接在电容器140两端，并且可以通过根据电容器140两端的电压改变电阻来阻断故障电流。电涌放电器150的电阻当被施加在其两端的电压低于预定电平时变成无限大(∞)，并且当被施加在其两端的电压高于预定值时变成零。通过利用这样的特征，能够阻断故障电流。
例如，如果电容器140两端的电压低于预定值则电涌放电器150可以增大电阻以由此断开电容器140的端子。另外，如果电容器140两端的电压高于预定值，则电涌放电器150可以减小电阻以由此使电容器140的端子短路。预定值可以为100V。当电容器140的端子被断开时，故障电流不流动通过电涌放电器150。当电容器140的端子被短路时，故障电流流动通过电涌放电器150。
控制单元160确定故障电流是否被生成。如果确定故障电流被生成，则控制单元160可以生成用于断开第一开关或第二开关的控制信号。控制单元160可以基于在主电路170中流动的电流的幅值来确定是故障电流流动还是稳态电流流动。例如，如果电流的幅值是恒定的，则电流被确定为稳态电流。如果电流的幅值正在增大，则电流被确定为故障电流。另外，控制单元160可以生成用于断开或闭合第一开关110和第二开关120的控制信号，并且可以接通或断开半导体模块130。
根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器100还可以包括用于检测第一开关110是否被断开的传感器410。控制单元160可以从传感器410接收指示第一开关110被完全断开的信号并且之后生成用于断开第二开关120的控制信号。当图3中示出的冲程11为最大值时生成指示第一开关110被完全断开的信号。参考图4，控制单元160可以在第一开关110被完全断开之后生成用于断开第二开关120的控制信号。通过这么做，控制单元160可以控制第一开关110的断开时间和第二开关120的断开时间。
图5是示出了当稳态电流正在主电路170中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器100的示意图。图6是示出了当故障电流正在主电路170中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器100的示意图。
图7是示出了当故障电流在第二开关120和半导体模块130中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器100的示意图。图8是示出了当故障电流正在电容器140中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器100的示意图。
图9是示出了当故障电流正在电涌放电器150中流动时的根据本公开内容的示例性实施例的电流断路器100的示意图。图10是示出了根据本公开内容的示例性实施例的故障电流的幅值的图形。在下文中，将参考图5至图10详细描述根据本公开内容的示例性实施例的由电流断路器100阻断电流的过程。
参考图5、图6和图10，第一开关110被闭合，并且稳态电流经由第一开关110在主电路170中流动。控制单元160可以连续地监视在主电路170中流动的电流的幅值以确定该电流是故障电流还是稳态电流。如果确定了该电流是故障电流，则控制单元160可以断开第一开关110。控制单元160可以基于电流的幅值来确定电流是故障电流还是稳态电流。在图10中示出的示例中，电流的幅值是恒定的，直到时间t0，并且在时间t0之后增大，并且因此可以确定故障电流被生成。
如果确定了故障电流被生成，则第一开关110被断开，并且之后半导体模块130被接通。当半导体模块130被接通时，故障电流可以通过旁路电路。要指出，即使第一开关110在确定故障电流被生成之后被断开，整个故障电流也不会流动通过旁路电路。具体地，弧电流在主电路170中流动，并且除了弧分量之外的故障电流在旁路电路中流动。参考图10，曲线930指示在主电路170中流动的弧电流的幅值，曲线940指示在旁路电路中流动的电流的幅值，并且曲线950指示故障电流的幅值。如能够从该图形中看见的，从时间t1到时间t2在主电路170中的弧电流下降同时在旁路电路中流动的电流增大。
随后，第二开关120被断开，并且之后半导体模块130被断开。当第二开关120被断开并且半导体模块130被断开时，故障电流在电容器140中流动。在电容器140中流动的故障电流对电容器140进行充电，并且所充电的电容器140两端的电压可以保持恒定。参考图8和图10，故障电流流动通过电容器140。在此时的故障电流的幅值由曲线960指示。
在电容器140被充电之后，电容器140两端的电压被施加在电涌放电器150两端。当电容器140两端的电压被施加时，电涌放电器150的电阻可以变成零。当电涌放电器150的电阻变成零时，电涌放电器150的端子被短路，使得所有故障电流流动通过其。当特定量的故障电流通过电涌放电器退出时，电涌放电器两端的电压下降，并且因此电涌放电器的电阻变成无限大(∞)。结果，故障电流不再能够流动通过电涌放电器150并且因此被阻断。
根据本公开内容的示例性实施例，使用快速开关来阻断电流，并且因此能够保护半导体模块。另外，根据本公开内容的示例性实施例，能够通过使用旁路电路阻断电流来减少功率半导体的数量。
另外，根据本公开内容的示例性实施例，通过利用旁路电路阻断电流，能够减少电流断路器的体积并能够减少制造成本。另外，根据本公开内容的示例性实施例，能够通过使用旁路电路阻断电流来抑制热生成。
以上描述的本公开内容可以由本发明涉及的领域的技术人员在不脱离本公开内容的范围和精神的情况下以各种方式替代、更改和修改。因此，本公开内容不限于以上提到的示例性实施例和附图。

Claims (5)

1.一种在过载或短路时中断线路以由此保护功率系统和负载设备的电流断路器，所述电流断路器包括：
第一开关，其被配置为在线路中生成故障电流时被断开；
第二开关，其被连接到所述第一开关并且被配置为在自所述第一开关已经被断开经过预定时间段之后被断开；
半导体模块，其具有被连接到所述第一开关的一端和被连接到所述第二开关的另一端；
电容器，其具有被连接到所述第二开关的一个端子和被连接到所述半导体模块的另一端子；以及
电涌放电器，其被连接在所述电容器两端并且被配置为根据所述电容器两端的电压来改变其电阻以阻断所述故障电流，
其中，串联连接的所述半导体模块和所述第二开关与所述第一开关并联连接。
2.根据权利要求1所述的电流断路器，其中，当所述第一开关被断开时所述半导体模块被接通，并且当所述半导体模块被接通时所述第二开关被断开。
3.根据权利要求1所述的电流断路器，其中，所述预定时间段与所述第一开关的冲程成比例。
4.根据权利要求1所述的电流断路器，还包括：
控制单元，其被配置为确定所述故障电流是否被生成，并且被配置为如果确定了所述故障电流被生成则生成用于断开所述第一开关或所述第二开关的控制信号。
5.根据权利要求4所述的电流断路器，还包括：
传感器，其被配置为检测所述第一开关是否被断开，其中，所述控制单元从所述传感器接收指示所述第一开关被完全断开的信号并且之后生成用于断开所述第二开关的控制信号。
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