包括半导体开关元件的有载分接开关和用于运行有载分接开关的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种包括半导体开关元件的有载分接开关。特别地，所述有载分接开 关包括多个开关模块并且与调节绕组连接。
[0002] 此外，本发明涉及一种用于运行有载分接开关的方法。
【背景技术】
[0003] 由DE10 2011 012 080A1已知一种用于电压调节的、包括半导体开关单元的分 接开关。分接开关具有两个并联的负载支路，其中，在两个负载支路中半导体开关单元串 联。在此，第一负载支路和第二负载支路的各一个半导体开关单元成对地对置。各一个子绕 组和一个电桥分别交替地在这些成对的半导体开关单元之间并联地连接在两个负载支路 之间。这些子绕组具有不同的匝数。半导体开关单元可以构成为晶闸管对或IGBT对。通 过对半导体开关单元进行有技巧地接线可以接通或切断绕组。由此，能够匹配变压器的转 化比并且由此可以调节次级侧的电压。通过使用IGBT也可能借助于脉冲宽度调制实现子 绕组的交替的接通或切断并且由此实施精细级的电压调节。通过半导体开关单元的持续的 接通和切断产生开关损耗，并且半导体开关单元发热，这对冷却装置提出高的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的任务在于，提供一种用于电压调节的、包括半导体开关元件的有载分接 开关，该有载分接开关具有较少的开关损耗、需要较小的冷却装置并且因此是低成本且可 靠的。
[0005] 该任务通过按照权利要求1的根据本发明的用于电压调节的有载分接开关得以 解决。在此，从属权利要求涉及本发明的有利的扩展方案。
[0006] 此外，本发明的任务在于，提供一种用于运行包括半导体开关元件的有载分接开 关的方法，在该方法中产生较少的开关损耗、减少发热并且提高安全性。
[0007] 该任务通过按照权利要求5的用于运行电压调节用的有载分接开关的根据本发 明的方法得以解决。在此，从属权利要求涉及所述方法的有利的扩展方案。
[0008] 本发明的总构思在于，两个反向串联地连接的IGBT与反向二极管一起用作半导 体开关元件并且在脉冲宽度调制的情况下考虑电流的方向和子绕组上的电压的取向，以便 在此负载支路的一部分不进行开关并且由此避免开关损耗。
[0009] 按照本发明的优选实施方式，用于电压调节的有载分接开关具有半导体开关元件 并且设置在包括调节绕组的调节变压器上。有载分接开关设置在调节绕组的固定的、不可 调节的部分和负载引线之间。此外，有载分接开关具有第一负载支路和与该第一负载支路 并联设置的第二负载支路，其中，在所述负载支路之间设置一个子绕组。第一负载支路具有 在子绕组上游的第一半导体开关元件和在子绕组下游的第二半导体开关元件。第二负载支 路同样具有在子绕组上游的第一半导体开关元件和在子绕组下游的第二半导体开关元件。 所述有载分接开关包括至少一个开关模块，所述开关模块包括所述第一负载支路和所述第 二负载支路。
[0010] 按照本发明的另一个实施方式，每个半导体开关元件分别包括相互反向串联地接 线的第一IGBT和第二IGBT。所述IGBT分别这样设有反向二极管，使得反向二极管的正极 与所述第一IGBT和所述第二IGBT的发射极端连接并且所述反向二极管的负极与所述第一 IGBT和所述第二IGBT的集电极端连接。在此，第一负载支路和第二负载支路的半导体开关 元件能选择性地切断。
[0011] 按照另一个实施方式，所述有载分接开关包括第一开关模块、第二开关模块和第 三开关模块。在此，每一个开关模块的子绕组相互分别具有不同的阻数比、例如9 : 3 : 1。
[0012] 在根据本发明的用于运行有载分接开关的方法中首先确定：应在开关模块的子绕 组的哪些设定（Stellung)之间变换。在削减设定的情况下，将所述子绕组的匝数从调节绕 组中减去，在增加设定的情况下，将所述子绕组的匝数加到所述调节绕组上，并且在额定设 定的情况下，将所述子绕组完全忽略。
[0013] 按照根据本发明的方法的另一个步骤涉及所述开关模块的活动（aktiv)侧和非 活动侧（passiv)的确定。在所述开关模块的活动侧上操纵所述半导体开关元件，而在对置 的那侧上，所述半导体开关元件被置于确定的开关状态中。
[0014] 在确定电流的方向和子绕组上的电压的取向之后，确定所述开关模块的半导体开 关元件的开关状态。在此，第一半导体开关元件或第二半导体开关元件的与相应活动侧的 交替引导电流的反向二极管连接的IGBT始终是截止的（sperrend)。活动侧的所述两个交 替引导电流的IGBT中的一个IGBT、更准确地说其集电极端与子绕组的负极连接并且发射 极端与子绕组的正极连接的那一个IGBT始终是导通的。活动侧的所述两个交替引导电流 的IGBT中的一个IGBT、更确切地说其集电极端与子绕组的正极连接并且发射极端与子绕 组的负极连接的那一个IGBT切换运行（getaktet)。在非活动侧上，一个半导体开关元件始 终是截止的并且另一个半导体开关元件始终是导通的。
[0015] 在电流的方向和子绕组上的正极和负极的取向改变的情况下确定：所述半导体开 关元件的哪些IGBT在活动侧上切换成切换运行的或导通的，哪些IGBT在非活动侧上切换 成导通的或不导通的以及总体来说所述侧中的哪侧活动或非活动。
【附图说明】
[0016] 在这里公开的实施方式的这些及其他特征和优点参考以下说明和附图可较好地 理解，其中，相同的附图标记始终表示相同的元件。附图中：
[0017] 图1示出分接开关与变压器相结合的示意图；
[0018] 图2示出包括半导体开关元件的分接开关的示意图；
[0019] 图3示出半导体开关元件的电子构造的图示；
[0020] 图4a_4d不出有载分接开关的不同的开关设定的图不；
[0021] 图5示出在一个开关设定中的半导体开关元件的一个图示；
[0022] 图6示出半导体开关元件的一个开关设定的另一个图示，以及
[0023] 图7示出三个开关模块的接线的示意图。
【具体实施方式】
[0024] 为本发明的相同的或作用相同的元件使用相同的附图标记。示出的实施例仅示出 如何能构造根据本发明的开关元件的一种可能性。
[0025] 在图1中示出有载分接开关1，该有载分接开关用于在可调变压器2及调节绕组3 中进行电压调节。有载分接开关1设置在调节绕组3的固定的、不可调节的部分和负载引 线4之间。
[0026] 如在图2中示出的那样，有载分接开关1包括至少一个开关模块5。开关模块5具 有第一负载支路6和与该第一负载支路并联设置的第二负载支路7。开关模块5的第一和 第二负载支路6、7通过子绕组8相互导通地连接。第一负载支路6具有在调节绕组3和子 绕组8之间的第一半导体开关元件61和在子绕组8下游的、亦即朝向引线4的第二半导体 开关元件62。第二负载支路7同样具有在子绕组8上游的第一半导体开关元件71和在子 绕组8下游的第二半导体开关元件72。
[0027] 在图3中示出，所述半导体开关元件61、62、71和72中的每个半导体开关元件都 包括一个第一绝缘栅双极型晶体管（IGBT)ll和一个第二IGBT12,这两个IGBT反向串联地 接线。第一IGBT11和第二IGBT12分别设有一个反向二极管14。每个IGBT11和12都 具有集电极端C、发射极端E和栅极端G。所述反向二极管14中的每个反向二极管分别以 其正极连接于发射极端E并且以负极连接于相应的IGBT11或12的集电极端C。
[0028] 如在图4a_4d中示出的那样，首先确定子绕组8占据所述设定中的哪个设定。在 削减设定20中（图4a)，将子绕组8的匝数从调节绕组3的固定部分中减去。在此，电流I 与方向无关地流经第一负载支路6中的第一半导体开关元件61、子绕组8和第二负载支路 7中的第二半导体开关元件72。
[0029] 在增加设定21中（图4b)，将子绕组8的匝数加到调节绕组3的固定部分上。在 此，电流I与方向无关地流经第二负载支路7中的第一半导体开关元件71、子绕组8和第一 负载支路6中的第二半导体开关元件62。
[0030] 在额定设定22中（图4c和4d)，电流I有针对性地在子绕组8旁边要么经由第一 负载支路6、要么经由第二负载支路7引导。在这个设定中，子绕组8的匝数对调节绕组3 没有影响。
[0031] 为了实施精细级的调节并且能够产生中间级，利用脉冲宽度调制在三个所解释的 设定中的两个设定之间切换运行。如果在额定设定22和削减设定20或者增加设定21之 间切换，则必须确定开关模块5的非活动侧和活动侧；这是规定。由此，在相同的侧上处于 子绕组8的上游或者下游的半导体开关元件61和71或者62和72始终分别属于一侧。因 此，必须确定：第一负载支路6的第一半导体开关元件61和第二负载支路7的第一半导体 开关元件71是否活动并且第一负载支路6的第二半导体开关元件62和第二负载支路7的 第二半导体开关元件72是否非活动或者反之亦然。根据该确定，半导体开关元件61、62、71 和72的IGBT11和12必须不同地进行开关。在所述方法期间，在确定的、非活动侧上的半 导体开关元件始终保持为导通的或截止的，其中，一个半导体开关元件是导通的并且另一 个半导体开关元件是不导通的。在活动侧上，所述半导体开关元件基于所执行的脉冲宽度 调制活动地进行开关，亦即所述半导体开关元件占据不同的状态。在削减设定20和增加设 定21之间切换时，两侧都是活动的。
[0032] 在图5的实例中，示出的开关模块5的活动侧包括第一负载支路6的第一半导体 开关元件61和第二负载支路7的第一半导体开关元件71。因此，在图5中的非活动侧包括 第一负载支路6的第二半导体开关元件62和第二负载支路7的第二半导体开关元件72。
[0033] 在非活动侧上，第二负载支路7的第二半导体开关元件72始终是导通的。相反，第 一负载支路6的第二半导体开关元件62始终是不导通的。由此，电流I要么流经第一IGBT 11和与IGBT12连接的反向二极管14,要么沿相反的方向流经第二IGBT12和与第一IGBT 11连接的反向二极管14。相反，第一负载支路6中的第二半导体开关元件62的第一和第 二IGBT11和12始终是截止的，从而在这里没有电流I流动。
[0034] 在活动侧上，第一半导体开关元件61和7