用于直流电流电气中断的分离开关的制作方法

本发明涉及一种用于在直流电流源与电装置之间进行直流电流中断的分离设备，分离设备具有引导电流的机械开关和与机械开关相连的功率电子器件以及具有蓄能器，蓄能器的充电借助于在开关断开时在开关上由于电弧而产生的电弧电压来实现。在这种情况下，直流电流源尤其被理解为光伏发电机(pv发电机、太阳能设备)，而电装置尤其被理解为逆变器。

背景技术：

根据de202008010312u1公知有一种具有所谓的光伏发电机的光伏设备(pv设备)或者太阳能设备，光伏发电机就其而言由成组地组成子发电机的太阳能模块组成，太阳能模块就它们而言是串联的或者存在于并行的支路中，其中，光伏发电机的直流功率通过逆变器馈入到交流电网中。因为pv设备由系统决定地一方面持续地提供工作电流和在180v(dc)与1500v(dc)之间的范围内的工作电压，而另一方面例如为了安装、装配或者服务目的以及尤其是也为了一般的人员保护而希望使电部件或者电装置与起到直流电流源作用的光伏设备可靠地分离，所以相应的分离设备必须能够在负载的情况下、也就是说在事先不切断直流电流源的情况下执行中断。

为了负载分离，可以在有如下优点的情况下使用机械开关(开关接触部)，在实现接触部断开时建立了电装置(逆变器)与直流电流源(光伏设备)的电气分离。如果与此相应地将高效的半导体开关用于负载分离，那么在正常运行时在半导体上也出现不可避免的功率损耗。此外，在这样的功率半导体的情况下无法确保电气分离并且因此无法确保可靠的人员保护。

根据de10225259b3公知有一种构造为负载分离器的电插塞连接器，该电插塞连接器根据混合开关的类型具有以例如在逆变器的壳体中的晶闸管的形式的半导体开关元件以及具有与光伏模块连接的主接触部和辅助接触部。在拔出过程中在前的主接触部与在后的并且与半导体开关元件串联的辅助接触部并联。在此，为了避免电弧或熄灭电弧，半导体开关元件以使其周期性地接通和关断的方式被驱控。

为了进行直流电流中断，也可以设置混合式电磁直流电流开关(de10315982a2)，混合式电磁直流电流开关具有以电磁方式操纵的主接触部并且具有作为半导体开关的igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极晶体管)。然而，这样的混合开关具有用于使具有半导体开关的功率电子器件运行的外部能量源。

根据wo2010/108565a1公知有一种混合式分离开关，混合式分离开关具有机械开关或者分离元件以及与机械开关并联的半导体电子器件，半导体电子器件基本上包括至少一个半导体开关、优选igbt。半导体电子器件不具有附加的能量源，而且在机械开关闭合时阻断电流、也就是说实际上是无电流且无电压的。半导体电子器件从分离设备、也就是说从分离开关系统本身获得半导体电子器件运行所需的能量，对此使用在机械开关断开时形成的电弧的能量。在这种情况下，半导体电子器件在驱控侧以如下方式与机械开关相连，即，使得在开关断开时，在开关的开关接触部上由于电弧而导致的电弧电压将半导体电子器件切换为传导电流的。

一旦半导体电子器件切换为传导电流的，电弧电流就开始从机械开关转换到半导体电子器件上。在这种情况下，相应的电弧电压或电弧电流给电容器形式的蓄能器充电，电容器在产生用于无电弧地切断半导体电子器件的控制电压的情况下有针对性地放电。预先给定的时长或时间常数和因此蓄能器或电容器的充电时长确定电弧时长。紧接充电过程之后开始一个时间环节，在该时间环节期间，以无电弧且阻断电流的方式来控制半导体电子器件。在此，时间环节的时长针对安全的灭弧来设定。

技术实现要素：

本发明的任务在于，说明一种特别适合的分离设备(混合开关或混合电子器件)，其用于在直流电流源、尤其是光伏发电机与电装置、尤其是逆变器之间进行直流电流中断，该分离设备具有尽可能高的切换能力和尤其是尽可能高的驱控速度，也就是说对该分离设备的功率电子器件的非常快速的驱控。

按照本发明，该任务通过权利要求1的特征来解决。有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的主题。

为此，随后也被称作混合开关的分离设备具有引导电流的机械开关和与机械开关相连的功率电子器件以及具有蓄能器，蓄能器的充电借助于在开关断开时在开关上由于电弧而产生的电弧电压来实现。此外，混合开关还包括随后也被称作脉冲发生电路的脉冲发生器，脉冲发生器与优选实施为电容器的蓄能器连接。脉冲发生器以如下方式驱控功率电子器件的至少一个半导体开关，即，使得功率电子器件将开关短接，这导致电弧熄灭。

在有利的设计方案中，脉冲发生器(脉冲发生电路)包括与蓄能器连接的半导体开关，当蓄能器的充电电压达到所设定的或者能设定的随后被称作工作电压的电压值时，半导体开关就被控制为传导的。以适当的方式，脉冲发生器的半导体开关是晶闸管。在接在脉冲发生器的半导体开关之后的电压截取端上，功率电子器件在驱控侧截取控制脉冲、优选是由工作电压生成的控制脉冲。换句话说，脉冲发生器通过电压截取端与功率电子器件的控制侧连接，也就是说在控制侧与至少一个半导体开关连接，从而使得半导体开关在脉冲发生器的控制脉冲或控制信号存在时受控导通(durchsteuern)，即切换为传导的，而且导致对机械开关、尤其是机械开关的开关接触部或者相应的接触端子的短接。优选地，脉冲发生器针对每个切换过程仅产生单个的控制脉冲，也就是说单脉冲(einzelimpuls)。

在适宜的改进方案中，脉冲发生器具有与蓄能器连接的电容器。例如布设有放电电阻的电容器优选用作时间环节或者起到时间环节的作用，在该时间环节期满之后切断、也就是说关断控制脉冲并且因此切断、也就是说关断功率电子器件。

附加地，脉冲发生器包括半导体电路，该半导体电路具有优选多个布设有其它结构元件(例如电阻和至少一个齐纳二极管)的半导体开关。以适当的方式，脉冲发生器包括至少一个晶闸管和至少一个晶体管(双极型晶体管、mos晶体管、pmos晶体管)。当由于对脉冲发生器的电容器的充电而达到与电压截取端连接的、优选mos晶体管或者pmos晶体管的形式的半导体开关的开关电压时，半导体电路与脉冲发生器的电容器相结合导致在电压截取端上存在的控制脉冲的关断。

在功率电子器件的有利的设计方案中，该功率电子器件具有适宜地分别具有续流二极管的igbt的形式的第一半导体开关和第二半导体开关。这些半导体开关接到第一或在第二电流路径中，机械开关的第一或第二开关端子引导到第一或第二电流路径上。以适当的方式，二极管接到这些电流路径中，这些二极管与续流二极管一起用于对电弧电压进行整流。借助于两个半导体开关实现了能双向地使用功率电子器件而且不依赖于在机械开关的各个开关端子上的电位(正或负)地始终驱控两个半导体开关。

以适当的方式，功率电子器件配属有驱动级，该驱动级具有连成互补的末级的晶体管，这些晶体管在集电极-发射极侧与蓄能器连接而在基极侧引导到脉冲发生器的电压截取端上。当脉冲发生器将控制脉冲输出到驱动晶体管的控制输入端(基极)上时，末级就作为电流放大器起作用。由此，实现对功率电子器件的igbt的快速的再充电，这又能够实现特别快速的切换过程。以适当的方式，在这种情况下驱动电路的电容器提供再充电电流。

在适宜的改进方案中，功率电子器件的半导体开关或者每个半导体开关(在集电极-基极侧)都布设有由电阻和二极管构成的串联电路。在二极管与电阻之间的电位相当于半导体开关(igbt)的正向电压加上二极管的饱和电压。利用由此用作测量电路的串联电路，在知悉半导体特性曲线或igbt特性曲线的情况下可以做出关于有电流流经半导体开关、也就是说流经相应的功率半导体的结论。由此，在没有附加的例如高成本的分流器的形式的电流测量元件的情况下提供过流识别。当功率电子器件的半导体开关(igbt)的集电极-发射极电压超过阈值时，优选包括串联电路或测量电路的保护电路或者也可能是独立的保护电路就切断脉冲发生器的控制脉冲。

在两个半导体开关(igbt)中，针对各个igbt设置有两个这样的保护电路，优选是包括测量电路(由二极管和电阻构成的串联电路)在内的保护电路。各个保护电路导致对功率电子器件的迅速的、也就是说足够快速的关断，以便在故障情况下在优选10μs内切断igbt，以保护igbt。

以适当的方式，分离设备具有与功率电子器件连接的电源，该电源具有至少一个与蓄能器相连的优选igbt的形式的半导体开关，该电源适宜地布设有另一半导体开关(npn晶体管)以及电阻和至少一个齐纳二极管，而且该电源被驱控，用以借助于电弧电压给蓄能器充电并且在达到工作电压时紧接着中断充电。

在此，本发明从如下考虑出发，借助于优选针对每个切换过程仅产生一个单脉冲的脉冲发生器来实现对混合式分离设备的功率电子器件的非常快速的驱控，并且因此分离设备的切换能力特别高、也就是说相对于公知的分离设备得到提高。此外，在由二极管和电阻构成的串联电路的形式的同时节约成本的测量装置中，借助于保护电路能够实现对功率电子器件的安全的过流识别。此外，还能够实现功率电子器件的特别紧凑的电路构造。

按照本发明的分离设备优选设置用于在直流电压范围内，适当的是直至1500v(dc)的直流电压范围内进行直流电流中断。因而，在优选使用附加的机械分离开关的情况下，自给的混合式分离设备特别适合于不仅在光伏设备与配属于该光伏设备的逆变器之间进行可靠的并且防碰触的电气直流电流中断，而且适合于相关联的例如燃料电池设备或者蓄电池(电池组)进行可靠的并且防碰触的电气直流电流中断。

附图说明

随后，本发明的实施例依据附图进一步来阐述。其中：

图1以方框电路图示出了布置在光伏发电机与逆变器之间的混合式分离设备，其具有机械开关和包括保护电路在内的功率电子器件以及具有脉冲发生器和电源；

图2以详细电路图示出了分离设备，其具有功率电子器件的两个半导体开关和功率电子器件的驱动电路和保护电路以及具有脉冲发生器并且具有带有作为蓄能器的电容器的电源；

图3示出了作为混合式分离设备的子电路的脉冲发生器；

图4示出了作为混合式分离设备的子电路的功率电子器件，其具有其中一个半导体开关的驱动末级和机械开关的两个接触端子；

图5示出了作为混合式分离设备的子电路的具有用于过流识别的测量电路的保护电路；

图6示出了作为混合式分离设备的子电路的具有整流电路的电源；以及

图7以按照图2的电路图示出了具有替选的整流电路的混合式分离设备。

彼此相应的部分在两个附图中配备有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性示出了分离设备1，分离设备1在实施例中接在光伏发电机2与逆变器3之间。以未进一步示出的方式和方法，光伏发电机2可以包括若干太阳能模块4，它们彼此并排地引导到共同的发电机联接箱上，发电机联接箱在一定程度上用作能量汇聚点。

分离设备1在代表正极的主电路路径4中包括随后也被称作机械开关的开关接触部5和与此并联的功率电子器件6以及驱控该功率电子器件6的脉冲发生器7。此外，分离设备1还包括保护开关8和电源9。机械开关5和功率电子器件6以及驱控该功率电子器件6的脉冲发生器7构成自给的混合式分离开关(混合开关)。在分离设备1的(和进而整个设备的)代表负极的回引线路10中，可以按未进一步示出的方式和方法接有另一混合式分离开关。不仅在代表正极的引入线路(主路径)4中而且在回引线路10中，都可以按未进一步示出的方式和方法布置另一机械分离元件的彼此机械联接的开关接触部，用以在光伏发电机2与逆变器3之间进行完全的电气分离或电气直流电流中断。

如果在运行期间断开有电流流过的机械开关5，那么在该机械开关5的开关接触部之间就形成电弧lb。借助于由此造成的在图1中所示出的开关端子j1和j2上的电弧电压，电容器c9(图2和图6)作为蓄能器来充电。一旦电容器c9的充电电压达到特定的电压值，脉冲发生器7就驱控功率电子器件6，于是功率电子器件6将开关5短接并且使电弧lb熄灭。

在这种情况下，功率电子器件6以适当的方式在一定时间内，也就是说在所设定的或者能设定的时间环节内保持接通，以便能够实现开关区段的去离子化。在时间区间期满或相应的时间环节期满之后，脉冲发生器7关断功率电子器件6。在切换过程中形成的过压利用压敏电阻r5(图2和图4)来限制。在切换过程期间，保护电路8监控功率电子器件6的各个功率半导体(igbt)t1、t2，以便避免由于不允许的高电流而损坏功率半导体t1、t2。

图2以详细的电路图示出了分离设备1，其中，图1中所使用的不同的线形式在那里框出如下构件：功率电子器件6、脉冲发生器、保护电路8和电源9。因为功率电子器件6优选具有两个所示出的igbtt1和t2的形式的半导体开关，所以也针对igbtt1和t2分别设置两个保护电路8和两个驱动电路。在此，出于更清楚的原因，以相应的线形式分别围框出这些带有其结构元件的电路中的仅一个。各个驱动电路在图3至图6中单独示出。

按照图2和图3，脉冲发生器7包括晶闸管t4的形式的通过连接部v1引导到电容器c9上的半导体开关，其中，晶闸管t4在阳极侧通过pmos晶体管(p沟道金属氧化物半导体晶体管)q2、也就是说通过pmos晶体管q2的集电极-发射极区段接驳到引导到电容器c9的连接部v1上。晶闸管t4在驱控侧通过布设有电阻r16和r17以及齐纳二极管d11的pmos晶体管q3连接。晶闸管t4在阴极侧通过电阻r14引导到电压截取端s1上，电压截取端s1通过电阻r15接地。此外，电压截取端s1还通过另一晶体管q4(在当前情况下是nmos晶体管或双极型晶体管)的漏极-源极区段接地。此外，另一晶体管(nmos晶体管或双极型晶体管)q5的基极或栅极在电压截取端s1上，晶体管q5的集电极-发射极区段通过电阻r19和作为调节电阻的电阻r20和电阻r21以及与电阻r19并联的电容器c3而接在引导到电容器c9的连接部v1与接地部之间。

由电阻r32和齐纳二极管d12构成的串联电路与rc环节r19和c3并行，在齐纳二极管d12的阴极侧，pnp晶体管q7的基极引导到齐纳二极管d12上。另一晶闸管t5的控制侧通过晶体管q7和电阻r24连到引导到电容器c9的连接部v1上。晶闸管t5的阳极-阴极区段在引导到电容器c9的连接部v1与接地部(经由电阻r22)之间引导。晶闸管t5的阴极侧的截取端通过电阻r18引导到晶体管q4的栅极(基极)上以及通过电阻r13引导到晶体管q2的栅极(基极)上。除了半导体开关t4之外，所示出的和所描述的电路是脉冲发生器7的相应布设的半导体电路。脉冲发生器7生成用于功率电子器件6的两个igbtt1、t2的控制脉冲p或每个控制脉冲p，如随后所解释的那样。

开始时，脉冲发生器7的两个晶闸管t4和t5处在截止状态下，使得晶体管q2的栅极处在接地部电位上。如果由于在机械开关5断开时形成的电弧lb而使电容器c5的充电电压升高并且借此使工作电压升高，那么晶体管q2的负的栅极-源极电压也升高，使得晶体管q2导通并且晶闸管t4的阳极具有工作电压的电位。如果电压继续升高，那么齐纳二极管d11开始转变到传导状态。由此造成的电流流动导致在电阻r17上的电压降。如果电压降超过晶体管q3的基极-发射极电压的阈值，那么晶体管q3是能传导的。为了保护晶体管q3以防损坏，通过电阻r16来限制电流。该电流导致晶闸管t4的开通。电阻r14的值比电阻r15的值小得多，使得在电压截取端s1上的两个电阻r14、r15之间的电位仅稍微在工作电压之下，在电压截取端s1上截取用于功率电子器件6的控制脉冲p。

一旦晶闸管t4已经开通，晶体管q5便导通，并且电容器c3通过电阻r20和r21充电。因为电容器c3开始时没有被充电，所以齐纳二极管d12的阳极的电位处在工作电压上。通过给电容器c3充电，该电位移向接地部。如果该电位降低为使得齐纳二极管d12变为传导的，那么电流就流过电阻r23。如果在该电阻r23上的电压降超过pnp晶体管q7的基极-发射极电压的阈值，那么pnp晶体管q7接通。电阻r24导致限流并且保护晶体管q7。

流过晶体管q7的电流导致晶闸管t5的开通，使得在晶闸管t5的阴极上的电位升高到工作电压(减去正向电压)。因此，晶体管q4也导通并且将在电压截取端s1上的在电阻r14与r15之间的电位拉到接地部。此外，现在晶体管q2截止并且导致晶闸管t4的关灭。因此，晶体管q5也截止，并且电容器c3通过电阻r19来放电。晶闸管t5一直保持能传导的直至电容器c9被放电。因为电容器在电弧阶段期间并且也在切换过压期间再充电，所以只触发出唯一的控制脉冲。

驱动级11配属于在图2和图4中所示出的功率电子器件6。功率电子器件6的igbtt1和t2形成b2整流桥的下面部分。通过使用igbtt1和t2的形式的具有续流二极管的两个功率半导体，实现能双向使用的电路。如果机械开关5的所阐明的开关或接触端子j2具有正电位而另一开关端子j1具有负电位，那么电流就可以流过igbtt2和igbtt1的续流二极管。在极性相反的情况下，电流就可以流过igbtt1和igbtt2的续流二极管。因为igbt的控制信号对其反向运行没有影响，所以始终是功率电子器件6的两个igbtt1和t2被驱控。

因为两个igbtt1和t2的驱动电路11相同地构造，所以随后只描述两个驱动电路11中的一个。驱动电路11包括npn晶体管q8和pnp晶体管q6，npn晶体管q8和pnp晶体管q6连成互补的末级。如果脉冲发生器7将控制脉冲p输出到两个晶体管q6和q8的基极上，那么两个晶体管q6和q8就作为电流放大器起作用，并且能够实现对各个igbtt2、t1的栅极进行快速的再充电。由此，实现了特别快的切换过程。驱动电路11的电容器t5提供再充电电流。igbtt2通过电阻r28来阻尼，因为由于寄生电感和电容而可能在驱控各个igbtt2期间发生振荡过程。驱动电路11的齐纳二极管d16保护igbtt2的栅极以防过压，但会出现振荡。因为在开关感性负载时由于igbtt2的陡峭的切换沿而可能发生过压，所以压敏电阻r5限制过压，以便阻止对功率半导体t1、t2的损坏。

图2和图5示出了分离设备1的测量和保护电路8。尽管igbt作为功率电子器件6的半导体开关原则上是抗短路的，但是igbt在故障情况下必须在10μs内被关断。用于监控或测量两个igbtt1、t2的电流的电路8相同地构造，从而图5又仅示出了一个这种电路8。测量电路基本上包括由电阻r27和二极管d3构成的串联电路，串联电路接在igbtt2的栅极与集电极之间。igbtt2的控制信号通过电阻r27和二极管d3给到igbtt2的集电极-发射极区段上。

在二极管d3与电阻r27之间的电位相当于igbtt2的正向电压加上二极管d3的饱和电压。因此，在知悉igbt特性曲线的情况下可以做出关于有电流流经功率半导体t2的结论。为了使得作为蓄能器的电容器c9在切换阶段期间不必强烈地放电，电阻r27是相对高欧姆的。然而为了能够在故障情况下实现快速的关断，具有相应相连的晶体管q11和q12的互补的末级接在后面。在发射极侧与末级连接的二极管d14能够实现两个测量电路d3、r27和d4、r28的并联(图2)。

如果igbtt2的集电极-发射极电压超过确定的电位，那么保护电路8的晶闸管t6开通。由此，脉冲发生器(脉冲发生器电路)7的晶体管q7导通，借此导入关断过程。在晶闸管t6的控制侧接向接地部的电容器c7和与电容器c7并联的电阻r31构成滤波器，以便尤其在igbtt2的接通阶段期间阻止保护电路8的触发。触发电压可以用如下公式来获知。

uce(t2)≥ube(q12)+ud(d14)+uz(d13)+u开通(t6)-ud(d3),

其中，uce是集电极-发射极电压，ube是基极-发射极电压，ud是正向电压，uz是齐纳电压，并且u开通是开通电压。

图2和图6示出了分离设备1的电源9的电路构造。电源9用于给作为蓄能器的电容器c9充电并且用于保护以防切换过压。机械开关5(图1)处在开关与接触端子j1和j2之间。一旦开关5断开电流回路，就形成电弧lb。电弧电压通过接在功率电子器件6的半导体开关(功率开关)t1和t2的电流路径6a和6b中的二极管d1、d2和igbtt1或t2的续流二极管来整流。

电源9包括igbtt7的形式的半导体开关，igbtt7的栅极通过电阻r33至r37来充电。一旦晶闸管t7的栅极-发射极电位在阈值电压之上，igbtt7就受控导通并且电容器c9被充电。npn晶体管q15以在图6中所示出的方式来与igbtt7相连。晶体管q15在发射极侧通过齐纳二极管d19接地。如果电容器c9的电位达到齐纳二极管d19的值加上晶体管q15的基极-发射极阈值电压，那么晶体管q15是能传导的并且限制igbtt7的栅极-发射极电压。接着，igbtt7开始截止，而电容器c9的充电电流被中断。此外，齐纳二极管d19保护igbtt7的栅极和晶体管q15以防过压。

分离设备1也可以利用接在之前的整流器来运行。在图7中示出了相应的电路。可识别出的是，电源9、测量和保护电路8、脉冲发生器7以及原则上还有功率电子器件6的这些单个子电路没有被改变。除了作为功率电子器件6的半导体开关的igbtt2之外，嵌入在图7中所示出的电路中的二极管d1至d4必须能够承载总电流。此外，由于三个半导体的串联电路，在接通状态下的正向电压是比较高的。

本发明并不限于在上文所描述的实施例。更确切地说，本发明的其它变型方案也可以由本领域技术人员从中推导出来，而不脱离本发明的主题。此外，尤其是，所有与实施例相关地描述的单个特征也可以以其它方式彼此结合，而不脱离本发明的主题。

附图标记列表

1分离设备

2pv发电机

3逆变器

4主电流路径

5机械开关

6功率电子器件

6a电流路径

6b电流路径

7脉冲发生器

8测量/保护电路

9电源

10回引线路

11驱动级

c电容器

d齐纳二极管/二极管

j1开关端子

j2开关端子

lb电弧

p控制脉冲

q晶体管

r电阻

r5压敏电阻

s1电压截取端

s2电压截取端

tigbt

v1连接部