专利名称：开关电路和控制断路器的方法
技术领域：
本发明涉及一种开关电路，特别涉及这种开关电路在低压设备的开关装 置中的应用。此外，本发明还涉及一种控制至少一个断路器的方法，所述断 路器用于通断负载，特别是电感性负载。
背景技术：
低压设备中的理想开关装置是除正常通断功能外，在使用断路器的情况 下还能断开短路的开关设备。由于短路随时都有可能出现，需要尽快地对其 加以限制和/或断开，因此，如果不采取预先限制措施，下一次电流过零时就 无法有效断开短路。确切地说是必须直接进行至少一次的限流。
在机械式开关设备中， 一般情况下是通过开关电弧产生具有限流作用的 反电压。在灭弧室采取相应设计(冷却)的情况下，电弧在下一次电流过零 时熄灭。在不具有机械式常开触点的电子开关设备中，不存在这种开关电弧。 只有在可以消耗掉储存在电感中的能量的情况下，才能立即切断电流。尽管 短路情况下负载的电感并不发生作用，但电源的电感中仍储存有大量能量。 此时若迅速切断电流，就会引起很高的过压，从而导致断路器受损。
发明内容
本发明的目的是提供一种特别适当的开关电路和一种特别适合用来控 制至少一个断路器的方法，其中，所述断路器用于通断负载。
根据本发明的开关电路，通过权利要求1的特征而实现。权利要求1的 从属权利要求涉及的是有利的改进方案和实施方案。
本发明基于这样一种考虑尽管用变阻器(即随电压变化的电阻器)或 RC电路可以限制过压，但通过所谓的"箝位"，即将功率半导体正好控制成 电压仍低于最大极限值的状态，也可达到限制过压的目的。但在此情况下， 储存在功率半导体中的能量会被转化，成为功率半导体的额外负荷。
因此，本发明提供一种开关电路，包括至少一个用于通断负载的断路器。 其中的"负载"主要指电感性负载，例如线圈、电动机或导线电感。由于通也可有利地应用于这类负载。
开关电路还具有一个电阻器，原则上最好为欧姆电阻器，因此，实际电 阻的寄生电感可忽略不计。
此外，开关电路还具有一个晶闸管或一个三端双向可控硅开关。这些半 导体器件的特征在于，其必须借助栅极电压触发，被触发后会自动保持导通 状态。
因此，开关电路具有一种构件，用于根据所述至少一个断路器上的电压 降对晶闸管或三端双向可控硅开关进行触发。为此，所述构件与断路器以及 晶闸管的栅极或三端双向可控硅开关的栅极有效相连。这种构件优选是与上 述栅极和断路器相连的 一个或复数个电子元件。
在开关电路中，电阻器和晶闸管或三端双向可控硅开关以跨接所述至少
一个断路器的连接方式连接。"跨接"指的是根据断路器和晶闸管或三端 双向可控硅开关的特定开关状态，电流可流经断路器或晶闸管或三端双向可 控硅开关。
根据一种有利的实施方案，所述至少一个断路器与电感性负载直接相 连。根据另一种有利建构方案，开关电路建构成既可通断交流电的正半波， 也可通断交流电的负半波。
根据一种有利的进一步的特征，所述断路器与 一个控制逻辑电路相连。 举例而言，控制逻辑电路可以是必要时均配有驱动元件的门逻辑电路、樣丈控 制器或专用开关电路(ASIC)。通过所述构件而实现的晶闸管触发或三端双 向可控硅开关触发特定而言与控制逻辑电路及其控制信号无关。
为此，控制逻辑电路在短路情况下将断开断路器。为此需在断路器上施 加一个(例如)可使断路器变成高电阻器件的电位。其中，短路情况是一种
偏离正常工作情况的故障情况，即流过断路器的电流超过了允许的极限值。 为此，控制逻辑电路最好具有测量构件，所述测量构件用于测定流过断路器 的短路电流。这种测量构件(例如)可借助电阻器或断路器内阻上的电压降 来检测短路电 流。
断路器合理地为一功率半导体。所述功率半导体的有利实施方案为场效 应晶体管(FET)或绝缘栅双极晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor。
根据一种优选方案，电阻器与晶闸管或三端双向可控硅开关串联，因此， 电阻器与晶闸管或三端双向可控硅开关直接导电相连。其中，可设置其他组 件，这些组件连接在电阻器或晶闸管或三端双向可控硅开关的端子上，特定 而言也连接在电阻器与晶闸管或三端双向可控硅开关之间的连接上。
根据一种本发明的实施方案，所述构件具有一个变阻器，所述变阻器与 晶闸管的栅极或三端双向可控硅开关的栅极相连。这种随电压变化而发生变 化的变阻器在达到阈电压之前一直是高电阻器件，而当其上面的电压超过阈 电压后，其电阻明显有所下降。其中，阈电压特为所述短路情况而设定，因 此，正常工作电压情况下，晶闸管或三端双向可控硅开关不会被触发。但当
断路器在短路情况下突然断开时，由电感引起的感应电压会引起一个电压， 这个电压既大于工作电压，也大于阈电压。在此情况下， 一个有效电流流过 上述压敏变阻器，进而流入晶闸管的栅极或三端双向可控硅开关的栅极，从 而触发晶闸管或三端双向可控硅开关。
另一种有利实施方案是用双向触发二极管代替所述压敏变阻器，所述双 向触发二极管与晶闸管的栅极或三端双向可控硅开关的栅极相连。双向触发 二极管具有与所述压敏变阻器相似的电气特性，因而同样具有触发晶闸管的 栅极或三端双向可控硅开关的栅极的功能。
根据一种优选建构方案，布置有至少两个(例如)反向串联或反向并联的功率半导体，特别是两个金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET( Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)或两个绝缘栅双极晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor )。优选情况是每个功率半导体的源极端 子(Source)和漏极端子(Drain)之间均连接有 一 个续流二极管 (Freilaufdiode )。这种续流二极管可以是外部二极管，也可由功率半导体的 p-n结(例如漏4及-体结，Drain-bulk)构成。
根据本发明的一种实施方案，两个二极管与断路器和/或晶闸管相连，且 其相连方式使得当晶闸管处于被触发状态时，电流从至少 一个二极管上流过 并且至少部分地从晶闸管上流过。这些二极管在交流电情况下具有整流作 用，因此，无论电流方向如何，短路电流都会从晶闸管上流过。
根据另一种优选实施方案，所述电阻器的大小如此确定，使得电阻器上 的电压降在电流最大的情况下小于所述至少一个断路器的反向电压。在此情 况下可以认为，晶闸管或三端双向可控硅开关(以及二极管)上的电压降小 于电阻器上的电压降。或者，电压降的总和起决定性作用，使其无法超过断 路器的最大反向电压。
本发明的另 一方面涉及上文所述的开关电路在低压设备的开关装置中 的应用。这种低压设备可具有(例如)三个这种类型的开关电路，以便对三 相电流进行控制。
根据本发明的方法，上述目的通过权利要求16的特征而达成。
所述方法用于对至少一个断路器进行控制，所述断路器用于通断电感性 负载。这种方法是先对流过断路器的短路电流进行检测；随后将所述至少 一个断路器断开，从而通过断路器上的电压降触发晶闸管或三端双向可控硅 开关，在下一次短路电流过零之前通过被触发的晶闸管或被触发的三端双向 可控硅开关跨接所述断路器。
下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明，其中
图l为第一局部电路图，表示带有晶闸管的第一实施方案；以及
图2为第二局部电路图，表示带有三端双向可控硅开关的第二实施方案。
具体实施例方式
相同组件在各附图中均用相同参考符号表示。
图1所示的实施例中示范性地显示了一个电感性负载XL。其中，通过
两个反向串联的断路器，形式为附图中所示的MOS场效应晶体管 (MOSFET ) Ml和M2,可对流过这个电感性负载XL的电流进行通断。电感 性负载XL与地线GND相连，MOSFET Ml与相线OC相连。如果存在多个 (例如三个)相线OC,可采用三个下文将要说明的开关电路，分别使每一电 流从相线OC经过电感性负载Xt连接到地线GND。在本实施例中，流过电 感性负载Xt的电流为交流电(AC电源)，因而通过将两个MOSFET Ml和 M2反向串联，可在交流电的两个电流方向上控制或切断电流。为能对 MOSFET Ml和M2进行控制，MOSFET Ml和M2的栅极输入端与控制逻 辑电^各1相连。
对于(例如)低压设备中的开关装置而言，除正常通断功能外，两个 MOSFET Ml和M2必须还能切断短^^。图1用 一闪电状箭头表示短^各。由 于短路在一个周期内的任意时间点上都有可能出现，必须尽快地对其加以限 制和/或断开，因此，如果对短路电流不采取预先的限制措施，下一次电流过 零时就无法有效断开短路。
只有当储存在电感中的能量能被转化的情况下，才能通过MOSFET Ml 和M2立即切断电流。其中，电感性负载XL可理解为任何一种在短^4青况 下均能发生作用的电感，例如负载线圈的电感或电源(电网)的电感，在本 实施例中均统一表示为电感性负载Xt。切断电流的时刻，电感X^中仍储存 有大量能量。若迅速切断短路电流，就会引起很高的过压，从而导致MOSFET Ml和/或M2受损。
借助于图l所示的实施方案，可在电子开关电路中先进行有效限流，从 而在下一次电流过零时切断相线OC与地线GND之间的电路。限流的实现 方式是主动接入一个等效负载RL,以便对正常工作状态下能发挥作用的 负载在短路情况下的"中止或停止"至少进行部分补偿。所述等效负载RL 必须能够最长在半个电网周期内承载流经其上的电流，即50Hz电网频率情 况下最长为10ms，因此，即使在电流强度有可能非常大的情况下，等效负 载RL仍只能吸收较少的能量。
图1所示的MOSFETM1和M2分别具有一个内置式或外置式续流二极 管DM1和DM2。如果两个MOSFET Ml和M2均处于导通状态，电流就可通 过MOSFET Ml和M2以及电感性负载Xl从相幾OC流到中性线GND或第 二相线(未作图示)中。而当MOSFET Ml和M2处于被阻断状态时，电路 就会断开。
所述电路具有两个二极管Dl和D2、 一个晶闸管Th、 一个等效负载RL 和一个用于晶闸管的触发装置，其具有元件V3和R1。这个电路整体而言可
以制成单个器件，也可通过所谓的"智能功率，，(smart power)解决方案集 成在半导体芯片上。
发生短路时，电流会在很短的时间内上升到较高的值，因此，控制逻辑 电路1中的短路识别装置会尽快断开两个MOSFET Ml和M2。举例而言， 可通过电流极限值检测进行短路识别，或者根据MOSFET Ml和/或M2上的 电压升高进行短路识别，该电压升高是由于MOSFET Ml、 M2的饱和电流 被超过而引起的。
由于电流被迅速切断以及电路中存在电感XL， MOSFET M1或M2中 的至少一个上会出现一个明显大于通常工作电压的高压。这个高电压一旦超 过触发压敏变阻器V3的阈电压，触发该压敏变阻器V3就会变成低欧姆电 阻器，流过的电流就会触发晶闸管Th。在此情况下，电流可进一步流过电 阻器RL和其中一个二极管D1或D2，从而达到限制过电压的目的。下一次 电流过零时，晶闸管Th会自动切断电流。
无论瞬时电源极性如何，通过两个二4及管Dl和D2均可可靠地实现上 述功能。正半波(即相线OC连接在正电压上)时，电流在保护电路激活的 情况下流过D1、 RL、 Th和续流二极管DM2;负半波时，电流流过D2、 RL、 Th和续流二极管D固。
晶闸管Th(与等效负载RL—样)只需通较短时间的电。因此，可采用 相对较小、只需具有半个电网周期长度的抗过载能力的器件来实现这两个元 件。电阻器RL的大小如此确定，使得电阻器RL在电流(此处指MOSFET Ml、 M2的饱和电流)最大的情况下所产生的电压小于MOSFET Ml或M2 的反向电压。
图1所示的实施例中的电路可以不采用熔断器(熔丝)，但却能切断短 路，因而无需触发一个叠加断路器。为此需设置一个针对短路电流而设计的 压敏变阻器或针对短路电流而设计的RC元件。压敏电阻器虽能吸收强度相 对较大的冲击电流，但这种情况往往会受到限制。RC元件需要一个较大的 电容，从电感Xt中吸收能量。如果通过功率晶体管实现的"有源箝位"，即 将功率晶体管正好控制成电压仍低于最大极限值的状态，需要这些半导体采
取超尺寸设计。相反，主动接入等效负载RL，则仅需要采用针对正常工作 状态设计而成的MOSFET Ml和M2。
图2所示的实施方式用三端双向可控硅开关TR代替晶闸管，三端双向 可控硅开关TR与等效负载RL串联，在被触发的状态下将两个MOSFET Ml 和M2跨接。构成三端双向可控硅开关TR的触发电路的是一个双向触发二 极管Di和一个(必要时才设置的)电阻器R1。其中，可用两极的触发电流 触发三端双向可控硅开关TR。因此，发生短路时无论是何种瞬时电源极性， 原则上均可触发三端双向可控爿洼开关TR。
权利要求
1.开关电路，包括至少一个用于通断负载(XL)的断路器(M1，M2)；一个电阻器(RL)；一个晶闸管(Th)或一个三端双向可控硅开关(TR)；以及复数个构件(R1，Di，V3)，用于根据所述断路器(M1，M2)上的电压降对所述晶闸管(Th)或所述三端双向可控硅开关(TR)进行触发；其中，所述电阻器(RL)与所述晶闸管(Th)或所述三端双向可控硅开关(TR)以跨接所述至少一个断路器(M1，M2)的连接方式彼此相连。
2. 根据权利要求1所述的开关电路，其中，所述断路器(Ml, M2)与 控制逻辑电路(1 )相连。
3. 根据权利要求2所述的开关电路，其中，所述控制逻辑电路(l)建 构成在短路情况下断开所述断路器(Ml, M2)。
4. 根据权利要求3所述的开关电路，其中，所述控制逻辑电路(1 )具 有测量构件，所述测量构件用于测定流过所述断路器(Ml, M2)的短路电流o
5. 根据权利要求1所述的开关电路，其中，所述断路器是功率半导体 (Ml, M2)。
6. 根据权利要求5所述的开关电路，其中，所述功率半导体是场效应 晶 体管(Ml， M2)。
7. 根据权利要求5所述的开关电路，其中，所述功率半导体是绝缘栅 双极晶体管(IGBT )。
8. 根据权利要求1所述的开关电路，其中，所述电阻器(RL)与所述 晶闸管(Th)或所述三端双向可控硅开关(TR)串联。
9. 根据权利要求1所述的开关电路，其中，所述构件包括变阻器(V3), 所述变阻器与所述晶闸管(Th)的栅极或所述三端双向可控硅开关(TR) 的栅极相连。
10. 根据权利要求1所述的开关电路，其中，所述构件包括一个双向触 发二极管(Di)，所述双向触发二极管与所述晶闸管(Th)的栅极或所述三 端双向可控硅开关(TR)的栅极相连。
11. 根据权利要求5所述的开关电路，其中，设置有至少两个功率半导 体(Ml, M2)，特别是两个金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET )或两个绝缘栅双极晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT )。
12. 根据权利要求11所述的开关电路，其中，每个所述功率半导体(Ml, M2)的源极端子(Source)和漏极端子(Drain)之间均连接有一个续流二 极管(DM1， DM2)。
13. 根据权利要求1所述的开关电路，其中，两个二极管(Dl, D2) 与所述断路器(Ml, M2)和/或所述晶闸管(Th)相连，且其相连方式使得 当所述晶闸管(Th)处于被触发状态时， 一个电流从其中一个二极管(Dl， D2)上流过并至少部分地从所述晶闸管(Th)上流过。
14. 根据权利要求1所述的开关电路，其中，所述电阻器(RL)的大小 如此确定，使得在最大电流的情况下所述电阻器(RL)上的电压降小于至少 一个所述断路器(Ml， M2)的反向电压。
15. 根据权利要求1所述的开关电路在低压设备的开关装置中的应用。
16. —种控制方法，用于控制至少一个用来通断负载(XL )的断路器(Ml, M2),特别是功率半导体，其中，通过所述至少一个断路器(Ml， M2)检测短路电流，以及 将所述至少一个断路器(Ml， M2)断开，从而通过所述断路器(Ml, M2)上的电压降触发所述晶闸管(Th)或三端双向可控硅开关(TR)，使得 在所述短路电流下一次过零之前，被触发的晶闸管(Th)或被触发的三端双 向可控硅开关(TR)跨接所述断路器(Ml， M2)。
全文摘要
本发明涉及一种开关电路，其具有至少一个用于通断负载(X<sub>L</sub>)的断路器(M1，M2)、电阻器(RL)、晶闸管(Th)或三端双向可控硅开关(TR)和多个用于根据所述断路器(M1，M2)上的电压降对所述晶闸管(Th)或所述三端双向可控硅开关(TR)进行触发的构件(R1，Di，V3)，其中，所述电阻器(RL)和所述晶闸管(Th)或所述三端双向可控硅开关(TR)以跨接所述至少一个断路器(M1，M2)的连接方式彼此相连。
文档编号H02H9/04GK101199092SQ200580050134
公开日2008年6月11日 申请日期2005年6月13日 优先权日2005年6月13日
发明者于尔根·鲁普, 克里斯琴·奥珀曼 申请人:西门子公司