CN113383494A - 电开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电开关(1)，其中，电开关(1)具有半导体开关(3)、第一用电器侧接口(33)、第一源侧接口(31)和第二源侧接口(32)，其中，半导体开关(3)布置在第一源侧接口(31)与第一用电器侧接口(33)之间。为了改进电开关(1)在故障情况下的关断性能而提出，在第一用电器侧接口(33)与第二源侧接口(32)之间设有开关(4)，其中，半导体开关(3)设计成由于半导体开关(3)的内部的热过载作用而不可逆转地转变至断开状态，其中，开关(4)设置用于通过开关的闭合以及因此形成的短路电流产生热过载。本发明还涉及一种电网(2)，其具有能量源(7)和至少一个这种电开关(1)，其中，电开关(1)的第一源侧接口(31)和第二源侧接口(32)与能量源(7)连接。本发明还涉及一种用于运行这种电开关(1)或者这种电网(2)的方法，其中，当半导体开关(3)和/或另外的半导体开关(5)关断时，开关(4)闭合。

Description

电开关

技术领域

本发明涉及一种电开关，其中，电开关具有半导体开关、第一用电器侧接口、第一源侧接口和第二源侧接口，其中，半导体开关布置在第一源侧接口与第一用电器侧接口之间。本发明还涉及一种具有能量源和至少一个这种电开关的电网。本发明还涉及一种用于运行这种电开关或者这种电网的方法。

背景技术

在电网中，越来越多基于半导体的电开关用于切换电流以及因此用于保护用电器。在此，电开关具有半导体开关。因为半导体开关用于保护电网中的部件，电开关也被称为保护元件。除了半导体开关以外，该保护元件还能具有控制电路以及例如用于过压保护的保护装置等等。

在此，在能量源与一个用电器或者一组用电器之间通常设有开关。因此，单独的用电器或者整个输出电路及其用电器被保护。

如果这种电开关不管关断指令而不断开连接，则具有连接的耗电器或者相关的用电器的支路承受电压。

这种情况能够通过测量(例如通过电流测量或者电压测量)在电开关上被识别出，但并不被阻止。

发明内容

本发明所基于的目的是，针对电开关在故障情况下的关断性能改进电开关。

该目的通过一种电开关实现，其中，该电开关具有半导体开关、第一用电器侧接口、第一源侧接口和第二源侧接口，其中，半导体开关布置在第一源侧接口与第一用电器侧接口之间，其中，在第一用电器侧接口与第二源侧接口之间设有开关，其中，半导体开关设计成由于半导体开关的内部的热过载作用而不可逆转地转变至断开状态，其中，开关设置用于通过开关的闭合以及因此形成的短路电流产生热过载。该目的还通过一种具有能量源和至少一个这种电开关的电网实现，其中，电开关的第一源侧接口和第二源侧接口与能量源连接。该目的还通过一种用于运行这种电开关或者这种电网的方法实现，其中，当半导体开关和/或另外的半导体开关关断时，开关闭合。

本发明其他有利的设计方案在从属权利要求中给出。

本发明基于如下认识，即电开关通过在电开关中集成开关被改进。该开关能够涉及机械开关或者基于半导体的开关。该开关设置成使得半导体开关和开关相对于第一和第二源侧接口布置在串联电路中。在此，该串联电路还能够在第一和第二源侧接口之间具有另外的元件。尤其能够但不必须的是，一个或多个另外的部件也布置在开关与第二源侧接口之间。这里作为例子涉及另外的半导体开关。

串联电路被理解为组件的串联排列，其中，单个组件上的电压相加。因此，星形连接的部件也被看作串联连接，即使在星形接点有支路而使部件不一定被相同的电流流过。

只要源侧接口与能量源连接，通过开关的闭合在同时闭合的半导体开关中形成短路电流，该短路电流通过过大的电流使半导体开关过载，使得半导体开关转变至断开状态。断开状态也被称为不导通状态。

在市场上能提供不同的半导体开关，其中过载通过过大的电流引起半导体开关的锁止作用。这就是说，半导体开关转变至断开状态，其也被称为不导通状态。这能够例如如下地发生，即在半导体模块中现有的接合线由于过大的电流而热过载并且熔化。由此在半导体开关中不再产生导电连接，并且半导体开关因此安全且持久地转变至断开状态。半导体开关在模块化设计中构造得非常紧凑并且为了电接触通常使用接合线。

如果半导体由于故障而不能断开，也就是说没有借助于控制信号变为不导通状态，则用电器侧接口不能被无电压地切换。因此连接到用电器侧接口的负载或者连接到那里的子网不再能被可靠地保护，因为能量源的能量供应的关断不再可行。这种状态能够以不同方式例如借助于传感器、如电流传感器或者电压传感器被可靠识别。当故障被识别时，开关能够闭合。产生的由能量源驱动的短路电流改变半导体开关，使得半导体开关转变至断开状态。在此，开关在半导体开关每次断开时被接通或者仅当故障、如半导体开关的关断失灵时被识别。只要半导体开关如预设那样断开，则开关不影响半导体开关。但是在切换失灵的情况下，通过开关转变过电流至断开状态的方式，开关可以确保半导体开关安全关断。在此，开关能够与半导体开关闭合时同时关断或者配有时间偏移。利用时间偏移，还能减少半导体开关和机械开关的负载。

有不同的方法来识别半导体开关的切换失灵。失灵能够例如通过半导体开关中的现有逻辑被识别。在此，半导体开关的电子部件监控半导体开关的电压(例如在开关前后评价电压测量)和/或通过半导体开关监控电流。如果在预给定的时间内，尽管有关断指令或经由开关的电压，电流仍继续流动，例如以秒为单位，正向电压保持在范围内，则出现错误。当开关被断开时，负载侧的电压必须下降，因为在那里现有的电容器放电。放电时间5分钟的情况下，其通常在5秒内大约为10V。可替换地，切换失灵还能通过外部监控被识别，该外部监控评估开关(电流、电压)的信号或者使用单独的测量值检测。

在此，开关能够与半导体开关布置在结构单元中。此外，该结构单元还能包括用于半导体开关的控制电路。因此逻辑也能被集成在该结构单元中，当半导体开关的故障被识别时，在逻辑中开关仅闭合。

在本发明的一个有利设计方案中，开关设计为机械开关或者功率半导体、特别是晶闸管。机械开关在市场上价格便宜。机械开关具有承载大电流而不会出现热过载的性能。机械开关相比半导体开关慢的切换时间能够被容忍，因为半导体开关的关断与开关的接通之间的时间偏移针对功能也是充足的。同样可行的是，使用功率半导体。功率半导体具有与半导体开关类似的或者甚至相同的控制，使得功率半导体易于制造。功率半导体尤其提供晶闸管。晶闸管有用于承载短路电流的高载流能力和良好的短期过载能力。晶闸管无法关断电流的缺点可以被忽略不计，因为电流会由于半导体开关转变至不导通状态而中止。

在本发明的另一个有利设计方案中，电开关具有另外的半导体开关和第二用电器侧接口，其中，另外的半导体开关布置在第二源侧接口与第二用电器侧接口之间。因此，与用电器侧接口连接的子网或者负载以多极、尤其是双极方式在两个半导体开关的应用中与能量源断开。因此，关断的部分由此是无电势的，以使其也例如能够被接地。正好针对作为电网的直流电网，具有两个半导体开关的双极关断是正面的，因为该电网正好包括两个电势以及两个电导体。然而该布置也能扩展到多个导体。因此，三相交流电网的三相的电开关能够例如利用三个半导体开关实现。

在本发明的另一个有利设计方案中，开关布置在第一用电器侧接口与第二用电器侧接口之间。在具有两个半导体开关、即半导体开关和另外的半导体开关的电路中，安全关断利用该电路以简单的方式被实现。在该设计方案中，开关位于两个半导体开关之间。当两个半导体常规关断时，开关没有效果。当两个半导体开关中仅一个常规运转时，电开关的用电器侧接口能够无电压，然而没有被切换为无电势的。只有当两个半导体开关都有故障时，两个半导体开关都没有关断，开关才会导致短路电流通过两个半导体开关，从而使两个半导体开关中的至少一个持久处于如上所述的断开状态。由此冗余度能够以简单的方式实现，因为电开关也在两个开关关断失灵时还能切换用电器侧接口为无电势。通过冗余度提高了电开关的可靠性。因此，电开关的安全性在没有附加逻辑的情况下利用两个半导体开关通过仅一个开关以简单的方式被确保。

在本发明的另一个有利设计方案中，电网设计为直流电网或者交流电网，尤其设计为三相交流电网。直流的关断对机械开关恰好是困难的，因为在这种情况下必须熄灭产生的电弧。电开关在这种情况下尤其适用于切换直流电，因为与机械开关相反，根据半导体开关的应用不会出现这种电弧。因此，另外的保护元件的应用能够被放弃，该保护元件正好对于直流电网中的应用是昂贵的和/或耗费的。因此通过电开关能获得一种快速、可靠以及同时价格便宜的、与用电器侧连接的子网和/或用电器的保护。

此外，电开关也适合电网中的应用，该电网设计为交流电网、尤其是三相交流电网。利用半导体开关可以实现短的切换时间，该切换时间不取决于电流的过零点。因此电开关适用于交流电网的各种类型、特别是针对50Hz、60Hz以及16 2/3Hz的应用。在这些电网中，相应的负载、例如尤其对过流敏感的负载或者子网由能量源快速且可靠地断开并且因此保护免于不可靠的大电流、如短路电流。

在本发明的另一个有利设计方案中，电网具有至少一个用电器。电开关根据其快速反应时间尤其适用于保护与用电器侧连接的用电器。因此，这些能够尤其在故障情况下通过过大的电流阻碍负载，在故障时过大的电流能够破坏或者损坏用电器。正好在直流电网中，电感能够由于不存在变压器而是小的。这些小的电感在故障情况下提高电流升高速度，使得正好还在直流电网中在较短时间内对用电器产生不允许的大电流。这些通过电开关借助于半导体开关被阻碍，因为这些能够在达到不允许的大电流值之前相应地快速关断。

在本发明的另一个有利设计方案中，相对于半导体开关和/或另外的半导体开关关断的时间点，开关同时或以时间延迟闭合。开关的闭合能够在相对于一个或多个关断半导体开关的关断无时间延迟的情况下实现。短路电流通过半导体开关的快速反应被可靠地阻止。同时还在半导体开关的关断失灵时，半导体开关或者半导体开关之一实现快速保护，因为半导体开关或者至少一个半导体开关通过开关的同时闭合和之后出现的短路电流快速被转至断开状态、也就是不导通状态。

同样可行的是，尤其当仅在存在故障时，开关应该闭合，提供在半导体开关的关断与开关的闭合之间的时间偏移。在时间延迟的该持续时间期间，开关的故障行为能够被安全识别并且引起开关的闭合。时间偏移的持续时间因此例如借助于电流或者电压传感器被用于安全的故障识别。

在本发明的另一个有利设计方案中，在半导体开关和/或另外的半导体开关的故障被识别时，开关闭合。在这种情况下，当半导体开关和/或另外的半导体开关关断失灵时，开关仅随后闭合。这降低了开关的切换动作的次数并且因此提高了开关的使用寿命。此外，具有仅少量次数切换动作的开关被应用在开关上，该开关因此在市场上是有利的。正好机械开关在其切换过程中会受到磨损，从而限制了其使用寿命。因此机械开关正好适用于该实施方式。

此外，与半导体开关和/或另外的半导体开关的关断相比，建议为开关的接通提供时间偏移。在该持续时间中，半导体开关的切换失灵如上所述被可靠识别出并且开关被接通。因此，能够可靠地识别并且实现接通开关的必要性。

附图说明

下面，根据附图中描述的实施例来详细说明和阐述本发明。附图示出：

图1至图3示出了电开关的实施例；

图4和图5示出了电网的实施例；以及

图6示出了控制信号的时间曲线。

具体实施方式

图1示出电开关1的第一实施例。电开关具有第一源侧接口31、第二源侧接口32和第一用电器侧接口33。半导体开关3布置在第一源侧接口31与第一用电器侧接口33之间。在本实施例中，半导体开关包括两个单独的半导体，半导体能够各自沿一个方向开关，使得半导体开关能够在两个方向上引导和开关电流。控制电路21用于两个半导体的控制。为了确保在半导体开关3的关断失灵时也安全关断电开关1，开关4布置在第一用电器侧接口33与第二源侧接口32之间。在半导体开关3关断失灵时，开关4闭合。这里未示出的能量源7在第一与第二源侧接口之间产生驱动短路电流，该驱动短路电流使半导体开关3过载，以使驱动短路电流转变至禁止状态、也就是不导通状态。由此形成第一源侧接口31与第一用电器侧接口33之间的安全断开。换句话说，第一源侧接口31和第一用电器侧接口33彼此电绝缘。电开关1涉及单极开关。

图2示出电开关1作为双极开关的实施例。为了避免重复，参考对图1的描述和在那里引入的附图标记。电开关1除了之前引入的接口外还具有第二用电器侧接口34。此时另外的半导体开关5布置在开关4与第二源侧接口32之间。开关4位于第一用电器侧接口33与第二用电器侧接口34之间。另外的半导体开关5位于第二源侧接口32与第二用电器侧接口34之间。在此，半导体开关3和另外的半导体开关5能够使用相同的控制电路21，或者如在图中所示与不同的控制电路21连接。在半导体开关3和另外的半导体开关5关断失灵时，开关4的闭合引起由这里未示出的能量源7驱动的短路电流，该短路电流使两个半导体开关3、5中的至少一个或者两个半导体开关3、5变为不导通状态，并且因此断开电开关1。

双极电开关1的实施例根据图2特别适合在直流电网中的应用，因为在那里能量借助于两个电位被传输，在两个电位之间有直流电压。同样地，单极电开关根据图1特别适合直流电网中的应用，当单极电开关足够产生无电压的环境时。当经由电开关相连的子网接地时，这例如是这种情况。

图3示出用于交流电网、例如三相交流电网的电开关。为了避免重复，参考对图1和图2的描述和在那里引入的附图标记。电开关1具有用于源侧和用电器侧的连接的另外的源侧接口36和另外的用电器侧接口37。在此，三个开关4设在该布置中并且设在用电器侧接口33、34、37之间。这例如能够如描述的那样在三角形连接中出现。可替换地也可行的是，在星形连接中布置三相交流电网的三个开关4。一旦半导体开关3、5断开，开关4能够闭合。这能够同时发生或者以时间偏移发生。只要三个半导体开关中的至少两个半导体开关3、5断开，源侧接口31、32、36到用电器侧接口33、34、37之间的能量传输被中断。只要两个或者甚至全部三个半导体开关3、5具有关断失灵，开关4经由至少一个半导体开关产生短路电流，该短路电流导致，在最坏的情况下除了半导体开关3、5之一之外另外的半导体开关3、5转变至断开状态。因此能量传输由电开关1安全中断。

图4示出电网2的实施例。在此，电网涉及直流电网或交流电网。电开关1布置在能量源7与用电器6之间用于保护用电器6。在此涉及单极电开关1。然而也能使用双极电开关1，如其在图2所示的。同样，多个用电器6或者子电网也能够布置在电开关1的用电器侧接口33、34上。

图5示出具有多个电开关1的电网2的这种实施例。电开关1能够分别实施为单极或者双极的。在图示左侧的第一电开关1用作断开子电网21的能量源7。多个用电器6又连接到子电网21。在此，每个用电器6经由电开关1被子电网21以及因此被能量源7断开。可替换地也可行的是，为用电器6的组、也就是至少两个用电器6设置作为保护元件的电开关1。

图6示出用于半导体开关3的控制信号61以及用于开关4的控制信号62的时间曲线。在半导体开关3的关断和开关4的接通之间引入时间延迟t*。在时间延迟t*的持续时间期间，开关4的接通成功使半导体开关的关断失灵例如能被可靠地识别。如果开关4应该与关断失灵的识别无关被接通，时间延迟t*也能够被选择为零。

总之，本发明涉及一种电开关，其中，电开关具有半导体开关、第一用电器侧接口、第一源侧接口和第二源侧接口，其中，半导体开关布置在第一源侧接口与第一用电器侧接口之间。为了改进电开关在故障情况下的关断性能而提出，电开关设计成在超过允许电流值的过载情况下转变至断开状态，其中，开关布置在第一用电器侧接口与第二源侧接口之间。换句话说，总之本发明涉及电开关，其中，电开关具有半导体开关、第一用电器侧接口、第一源侧接口和第二源侧接口，其中，半导体开关布置在第一源侧接口与第一用电器侧接口之间。为了改进电开关在故障情况下的关断性能而提出，开关布置在第一用电器侧接口与第二源侧接口之间，其中，半导体开关设计成由于半导体开关的内部的热过载作用而不可逆地转变至断开状态，其中，开关设置用于通过开关的闭合以及因此形成的短路电流产生热过载。本发明还涉及一种具有能量源和至少一个这种电开关的电网，其中，电开关的第一源侧接口和第二源侧接口与能量源连接。本发明还涉及一种用于运行这种电开关或者这种电网的方法，其中，当半导体开关和/或另外的半导体开关关断时，开关闭合。

Claims (11)

1.一种电开关(1)，具有：

-半导体开关(3)，

-第一用电器侧接口(33)，

-第一源侧接口(31)和第二源侧接口(32)，

其中，所述半导体开关(3)布置在所述第一源侧接口(31)与所述第一用电器侧接口(33)之间，

其特征在于，在所述第一用电器侧接口(33)与所述第二源侧接口(32)之间设有开关(4)，其中，所述半导体开关(3)设计成由于所述半导体开关(3)的内部的热过载作用而不可逆地转变至断开状态，其中，所述开关(4)设置用于通过所述开关的闭合以及由该闭合形成的短路电流来产生所述热过载。

2.根据权利要求1所述的电开关(1)，其中，所述开关(4)设计为机械开关或者功率半导体、特别是晶闸管。

3.根据权利要求1或2所述的电开关(1)，其中，所述电开关(1)具有另外的半导体开关(5)和第二用电器侧接口(34)，其中，所述另外的半导体开关(5)布置在所述第二源侧接口(32)与所述第二用电器侧接口(34)之间。

4.根据权利要求3所述的电开关(1)，其中，所述开关(4)布置在所述第一用电器侧接口(33)与所述第二用电器侧接口(34)之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电开关(1)，其中，所述半导体开关(3)和/或另外的半导体开关(3)具有接合线。

6.一种电网(2)，具有能量源(7)和至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的电开关(1)，其中，所述电开关(1)的所述第一源侧接口(31)和所述第二源侧接口(32)与所述能量源(7)连接。

7.根据权利要求6所述的电网(2)，其中，所述电网设计为直流电网或者交流电网、特别是三相交流电网。

8.根据权利要求6或7所述的电网(2)，其中，所述电网(2)具有至少一个用电器(6)。

9.一种用于运行根据权利要求1至5中任一项所述的电开关(1)或者根据权利要求6至8中任一项所述的电网(2)的方法，其中，当所述半导体开关(3)和/或另外的半导体开关(5)关断时，所述开关(4)闭合。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，相对于所述半导体开关(3)和/或另外的半导体开关(5)关断的时间点，所述开关(4)同时或以一时间延迟(t*)闭合。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，当所述半导体开关(3)和/或另外的半导体开关(5)关断时，并且当所述半导体开关(3)和/或另外的半导体开关(5)的故障被识别出时，所述开关(4)闭合。

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