开关布置的制作方法

1.本公开涉及一种开关布置。


背景技术：

2.现代断路器现今通常越来越多地包括半导体开关布置，用于即使在故障条件下(尤其短路)切断电流。此类断路器可以是混合布置，例如申请人在wo 2015/028634 a1中描述，或固态断路器。混合断路器仅将半导体元件用于开关操作。电流不会穿过标准运行中的半导体。此设计的优点是这些断路器的低电阻以及低压降和因此低损耗。缺点是在主线中需要超快速机械开关，此机械开关无论如何都会引起延迟。
3.固态断路器在主线中不需要超快速机械开关。然而，固态断路器的典型问题是常见操作中的电阻，所述电阻由布置在主线中的至少一个开关半导体引起。电流必须穿过此半导体。电阻引起显著压降并且因此引起断路器的加热。必须耗散热量。频繁的热波纹也会降低半导体元件的寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目标是通过提供具有低导通状态损耗和关闭高上升电流的能力的开关布置来克服现有技术的缺点。
5.根据本发明，此目标通过以下特征解决。
6.一种用于以高转换速率切断电流，尤其短路电流的开关布置，所述开关布置包括：
[0007]-主线，所述主线具有第一scr布置，所述第一scr布置包括至少第一scr以及平行于所述第一scr布置的第一反向导电二极管，
[0008]-第一旁路线路，所述第一旁路线路连接到所述主线并且以平行于所述第一scr布置的方式布置，
[0009]-所述第一旁路线路包括第二scr布置，所述第二scr布置包括以与所述第一反向导电二极管相同的极性布置的至少第二scr，
[0010]-所述第一旁路线路进一步包括至少一个电容器和dc电压源，所述dc电压源连接到所述电容器以对所述电容器进行预充电。
[0011]
因此，开关布置能够开关高电流，甚至高上升短路电流。scr晶闸管(稍后在文中仅称为scr)在导通状态下具有极低电阻，从而与甚至单极或双极晶体管相比，在高电流下引起低压降以及因此低损耗。因此，开关布置1具有低加热趋势。scr具有极高阻挡/反电压以及极好的过载能力。然而，根据现有技术的scr布置的切断过程是复杂的，因为scr没有其自身的切断能力，并且因此不适用于断路器21中的简单使用。实际开关布置1可以在短时间内切断并且能够以几千安培/秒的高转换速率切断电流，尤其是短路电流。
[0012]
开关布置甚至适用于固态断路器或混合断路器。
附图说明
[0013]
参考附图描述本发明。附图仅示出本发明的优选实施例。
[0014]
图1是用于单极电流开关操作的实际开关布置的第一优选实施例；
[0015]
图2是实际开关布置的第二优选实施例；
[0016]
图3是实际开关布置的第三优选实施例；
[0017]
图4是描绘执行开关布置的额外特征的实际开关布置的第二优选实施例；以及
[0018]
图5是具有实际开关布置的固态断路器的框图。
具体实施方式
[0019]
图1到4示出用于以高转换速率切断电流，尤其短路电流的开关布置1的优选实施例，所述开关布置1包括：
[0020]-主线2，所述主线具有第一scr布置3，所述第一scr布置包括至少第一scr 4以及平行于第一scr 4布置的第一反向导电二极管5，
[0021]-第一旁路线路6，所述第一旁路线路连接到主线2并且以平行于第一scr布置3的方式布置，
[0022]-第一旁路线路6包括第二scr布置7，所述第二scr布置包括以与第一反向导电二极管5相同的极性布置的至少第二scr 8，
[0023]-第一旁路线路6进一步包括至少一个电容器9和dc电压源10，所述dc电压源连接到电容器9以对电容器9进行预充电。
[0024]
因此，开关布置能够开关高电流，甚至高上升短路电流。scr晶闸管(稍后在文中仅称为scr)在导通状态下具有极低电阻，从而与甚至单极或双极晶体管相比，在高电流下引起低压降以及因此低损耗。因此，开关布置1具有低加热趋势。scr具有极高阻挡/反电压以及极好的过载能力。然而，根据现有技术的scr布置的切断过程是复杂的，因为scr没有其自身的切断能力，并且不适用于断路器21中的简单使用。实际开关布置1可以在短时间内切断并且能够以几千安培/秒的高转换速率切断电流，尤其是短路电流。scr是硅可控整流器的常用捷径。scr是一种类型的晶闸管。
[0025]
开关布置1适合于固态断路器21。图5示出包括实际开关布置1的固态断路器21的框图。断路器进一步包括钳位装置24和电流分隔继电器23或切断器。根据图5的断路器包括两条线路2、28。然而，断路器可以包括不同数目的线路。
[0026]
开关布置1还适用于与断路器1不同的装置。
[0027]
开关布置1适合于以高转换速率切断电流，尤其短路电流。优选地，高转换速率是高于1000a/s，尤其高于10.000a/s，尤其优选地高于100.000a/s的转换速率。
[0028]
开关布置1包括布置在主线2中的第一scr布置3。第一scr布置3包括至少第一scr 4和第一反向导电二极管5。通常，第一反向导电二极管5平行于具有不同极性的第一scr 4布置。根据优选的实际实施例，第一scr布置3进一步包括缓冲电路26和驱动器单元25，如图4中所示。这些是通常用于半导体开关布置的标准组件。
[0029]
第一旁路线路6连接到主线2。第一旁路线路6以平行于第一scr布置3的方式布置并且绕过第一scr布置3。在第一旁路线路6中，布置第二scr布置7。第二scr布置7包括以与第一反向导电二极管5相同的极性布置的至少第二scr 8，如可以在图1到4中看到。如图4中
所示，第二scr布置7进一步包括缓冲电路26和驱动器单元25。这些是通常用于大部分半导体开关布置的标准组件。
[0030]
第一旁路线路6进一步包括至少一个电容器9。dc电压源10连接到电容器9。dc电压源10优选地是可控的。这意味着它可以至少与电容器9连接或断开连接。dc电压源10为电容器9充电并将其保持在充电状态。
[0031]
具体来说，始终检查电容器9上是否存在电压，以确保开关布置1的切断能力-如果压降控制系统14使开关布置1处于安全断开状态。
[0032]
开关布置1包括如图4和5中所示的控制单元14。控制单元14通过其相应驱动器单元25连接到第一scr 4和第二scr 8。控制单元14还通过相应开关连接到dc电压源10以将dc电压源10从电容器9断开连接。
[0033]
在开关布置1的导通状态下，控制单元14向第一scr 4提供接通信号或电位。在ac的情况下，控制单元14或驱动器单元25向第一scr 4提供脉冲信号。显而易见的是，根据图1的实施例仅适合于dc单向切断能力。根据图2到4的实施例也可以用于ac电网中。
[0034]
为了切断开关布置1，控制单元14首先接通第二scr 8且通过向驱动器单元25提供合适信号而停止将脉冲发送到第一scr 4。如果dc电压源10的设计需要，则控制单元14进一步切断dc电压源10，并相应地将其从电容器9断开连接。另一方式是dc电压源10的限流能力，它不需要断开连接。电容器9现在经由第一旁路线路6放电。在切断操作开始时，第一旁路线路6中的电流必须高于主线2中的电流。第一scr 4变成阻挡状态。当电容器9从dc电压10源断开连接或通过高阻抗分离时，电容器9放电并且可以通过将第二scr 8换向为相反极性来完全切断主线2的电流。
[0035]
已经证明，对于切断过程，第一旁路线路6中的电流高于主线2的电流是重要的。根据优选实施例，第一旁路线路6进一步包括与电容器9串联布置的至少一个电感器11。电容器9和电感器11构建谐振电路12。例如阶跃的突然电流变化导致谐振电路12开始以其自然频率或谐振频率振荡，从而导致第一旁路线路6中的电流谐振上升。这确保第一旁路线路6中的电流高于在旁路部分外的主线2中的电流。
[0036]
根据另一优选实施例，谐振电路12进一步包括至少一个电阻器13。电阻器13不影响谐振频率，而是影响阻尼和时间常数，并且减少切断过程所需的时间。
[0037]
或者，电感器11的电阻可以用于此目的。
[0038]
与根据图1的实施例相比，根据图2到4的实施例包括其它组件。根据这些实施例，主线2进一步包括第三scr布置15，所述第三scr布置包括至少第三scr 16以及平行于第三scr 16布置的第三反向导电二极管17。如仅在图4中示出，第三scr布置15进一步包括常见驱动器单元25和缓冲电路26。第三scr布置15以与第一scr布置3的极性相反的极性布置在主线2中。根据图2和图3的实施例仅在极性方面不同。请注意，选择名称“第三”反向导电二极管17，因为它是第三scr布置15的一部分并且第二反向导电二极管不是所描述的开关布置的一部分。
[0039]
开关布置1进一步包括第二旁路线路18，所述第二旁路线路连接到主线2并且以平行于第三scr布置15的方式布置。第二旁路线路18包括第四scr布置19，所述第四scr布置包括以与第三反向导电二极管17相同的极性布置的至少第四scr 20。
[0040]
原则上，第二旁路线路18可以体现为第一旁路线路6的完整镜像，所述第二旁路线
路具有单独的第二电容器和单独的第二dc电压源，以及其它优选组件。然而，不必向开关布置1提供这些组件。根据如图2到4中所示的优选实施例，表明第二旁路线路18在某一点处连接第一旁路线路6，电容器9是第一旁路线路6和第二旁路线路18的一部分。取决于电压的极性，第一旁路线路6或第二旁路线路18带电。因此，不必提供第二电容器和第二cd电压源。
[0041]
根据优选实施例，第一旁路线路6包括谐振电路12并且第二旁路线路18在某一点处或以某种方式连接到第一旁路线路6，使得谐振电路12是第一旁路线路6和第二旁路线路18的一部分。已经描述谐振电路12的优点。而且，可以实施另外的电阻13，如图2到4中所示。
[0042]
控制单元14还通过相应的单独驱动器单元15连接到第三scr 16和第四scr 20。为了切断根据图2到4中的一个的开关布置1，控制单元14首先接通第二scr 8和第四scr 20，并且阻挡到第一scr 4和第三scr 16的脉冲。然后，必要时控制单元14进一步切断dc电压源10。已经描述切断过程。
[0043]
为了减少存储在电容器9中以用于切断过程的能量的量，控制单元14可以通过电流传感器22感测主线2的电流的方向。取决于电流感测，它可以仅接通第二scr 8或第四scr 20中的一个。除了较低能量的积极作用外，它还减少第一scr 4或第三scr 16的电流和热负载。
[0044]
图4进一步示出电网源27。
[0045]
以下是用于理解和解释实际公开内容的原理。
[0046]
通常用数词“一个/一”来介绍特征。因此，除非上下文中另有陈述，否则“一个/一”不应被理解为数字词。
[0047]
结合词“或”应被解释为包含性的，而不是排它性的。除非上下文另有规定，否则“a或b”还包含“a和b”，其中“a”和“b”表示任何特征。
[0048]
除非本发明的公开内容另外限定，否则在几个实施例中，借助于例如“第一”、“第二”或“第三”的排序数字词，具体来说区分特征x或对象y。特别地，在权利要求书中具有排序数字词的特征x或对象y并不意味着由此权利要求书覆盖的本发明的实施例必须具有另一特征x或另一个对象y。
[0049]
除非上下文另有规定，否则“基本上”与数值的结合包含在给定数值周围的
±
10％的公差。
[0050]
除非上下文另有规定，否则对于值的范围，包含端点。