电气旁路设备的制作方法

本发明涉及电气旁路设备。

背景技术：

电气设备可包括一个或多个冗余电气组件，使得一个电气组件的失效（failure）不会不利地影响电气设备的总体操作。但是，电气设备中的单独电气组件的串联布置意味着，电气组件的失效导致整个电气设备的失效，因为不存在电流流经电气设备的通路。在这类情况下，旁路开关通常被采用来提供通路，其准许电流旁路失效的电气组件，因而保持电气设备的操作和可用性。

技术实现要素：

按照本发明的方面，提供有一种电气旁路设备，包括：

用于跨电气组件的连接的第一和第二端子；

电触发旁路开关，其可切换以形成跨第一和第二端子的短路；以及

第一控制电路，连接在第一与第二端子之间，第一控制电路包括相互耦合的第一和第二绕组，第一绕组与第二绕组隔离，第一控制电路配置成：

当正常操作电压跨第一和第二端子存在时，阻止在第一与第二端子之间流动的电流流经第一绕组；以及

当过电压跨第一和第二端子存在时，准许电流在第一与第二端子之间并且经过第一绕组而流动，并且由此引起第二绕组中的电流脉冲，

其中第二绕组电耦合到电触发旁路开关，使得第二绕组中引起的电流脉冲充当切换（switching）控制信号，以闭合电触发旁路开关，并且由此形成跨第一和第二端子的短路。

如上所陈述的电气旁路设备的配置准许第一控制电路直接从跨第一和第二端子存在的过电压来汲取能量，以促进电触发旁路开关的闭合并且因此促进跨第一和第二端子的短路的形成。跨第一和第二端子的短路的形成则允许电流在第一与第二端子之间并且经过短路流动，因而旁路电气组件并且由此允许过电压衰减。

第一控制电路中的第一和第二绕组的供应准许与电触发旁路开关关联的电路电参考（reference to）与第一和第二端子电位不同的电位。这又准许第二绕组与至少另外控制电路(其配置成有选择地发送切换控制信号以闭合电触发旁路开关，并且由此形成跨第一和第二端子的短路)公共连接。另外控制电路可以是例如具有电压传感器(其配置成检测跨电气组件的过电压和/或其他故障)的控制卡。

此外，将第一控制电路的第二绕组与至少一个另外控制电路公共连接的设施促进电气旁路设备的紧凑设计，因为它避免为电气旁路设备提供用于电触发该电触发旁路开关的多个部件（例如多个绕组）的需要。

此外，所述另外控制电路或每个另外控制电路可与第一控制电路不同地配置，并且这样做会改进电旁路设备的触发的可靠性。这是因为第一和另外控制电路可不同地配置，使得第一和另外控制电路均不可能因相同故障而同时失效。相比之下，相同控制电路用来控制电触发旁路开关的闭合冒着两个控制电路的同时失效的风险，因为相同控制电路等同地处于相同故障的失效风险。

因此，电气旁路设备中的第一控制电路的供应产生简单、可靠和成本有效的电气旁路设备，其能够形成短路以允许电流旁路经历过电压的电气组件。

当电气旁路设备包括另外控制电路(其配置成有选择地发送切换控制信号以闭合电触发旁路开关并且由此形成跨第一和第二端子的短路)时，电气旁路设备还可包括第一无源电流检查元件（其布置成准许电流仅沿一个方向在第二绕组中流动）。

第一无源电流检查元件按照这种方式的布置确保当第一和另外控制电路其中之一进行操作以闭合电触发旁路开关时，造成电触发旁路开关的闭合的这种操作没有产生可能不利地影响并且由此潜在地损坏第一和另外控制电路的另一个的任何电反馈（electrical backfeed）。这允许第一和另外控制电路按照可靠方式相互独立地操作。

在本发明的实施例中，第一控制电路可包括跨第一和第二端子连接的整流器，整流器配置成对跨第一和第二端子存在的电压进行整流，并且由此使电流在第一与第二端子之间并且经过第一绕组而流动。

跨第一和第二端子的过电压可取决于最初在第一与第二端子之间并且经过电气组件流动的电流的方向在任一极性发生。第一控制电路中的整流器的供应意味着，当任一极性的过电压跨第一和第二端子存在时，过电压的整流使第二绕组中引起的电流的极性是相同的，而与过电压的极性无关。这由此消除对电触发旁路开关能够通过任一极性的切换控制信号来闭合的需要，因而简化电触发旁路开关的设计。

在本发明的另外实施例中，第一控制电路还可包括第二无源电流检查元件，其操作地连接到整流器和第一绕组，使得第二无源电流检查元件在处于阻塞状态时阻塞电流从整流器流动到第一绕组，并且使得第二无源电流检查元件在处于导通状态时准许电流从整流器流动到第一绕组，其中第二无源电流检查元件配置成在跨第二无源电流检查元件的电压达到与过电压对应的跳闸电压阈值时从阻塞状态切换到导通状态。

在第一控制电路中包含第二无源电流检查元件确保电流脉冲仅当由于跨第一和第二端子出现的过电压而达到跳闸电压阈值时才在第二绕组中产生。因而确保在跨第一和第二端子不存在过电压时没有形成跨第一和第二端子短路。这由此增强电气旁路设备的可靠性。

在本发明的这类实施例中，第一控制电路还可包括与第二无源电流检查元件并联连接的第一能量储存装置，其中第一能量储存装置能够有选择地储存和释放能量。第一控制电路中的第一能量储存装置的供应防止第二绕组中的电流脉冲的寄生感应（spurious induction），其原本否则从在电气组件的正常操作期间跨第一和第二端子出现的任何短瞬时过电压和电压的变化率产生。

在本发明的另外这类实施例中，第一控制电路还可包括第一电阻元件，其与第一能量储存装置并联连接。第一控制电路中的第一电阻元件的供应不仅使第一能量储存装置能够在不要求第一控制电路可操作时可靠地放电，而且还阻止第一能量储存装置通过瞬态过电压(其可使电流脉冲在第二绕组中引起并且由此导致电触发旁路开关的不想要的闭合)来充电。

可选地，第一控制电路还可包括与第一绕组并联连接的第二能量储存装置，其中第二能量储存装置能够有选择地储存和释放能量。第一控制电路中的第二能量储存装置的供应确保没有由于第一控制电路中的电流的任何流动而在第二绕组中引起电流脉冲，其从在电气组件的正常操作期间跨第一和第二端子出现的任何短瞬时过电压和电压的变化率产生。

第一控制电路还可包括与第一绕组并联连接的第二电阻元件和/或与第一绕组串联连接的第三电阻元件。

与第一能量储存装置相似，第二和第三电阻元件的每个防止第二绕组中的电流脉冲的寄生感应，其原本否则从在电气组件的正常操作期间跨第一和第二端子出现的电压的变化率产生。

第二和第三电阻元件可配置成定义分压器，以便在电流流经第一绕组时控制跨第一绕组的电压。第一控制电路中的分压器的供应准许第二和第三电阻元件的电阻的调整，以便降低当电流流经第一绕组时跨第一绕组施加的电压，因而不仅防止电气旁路设备的其他组件暴露于过电压，而且还准许第一绕组的尺寸和成本的减少。

在采用第二无源电流检查元件的使用的本发明的实施例中，电气旁路设备还可包括电压源，其配置成有选择地供给电压以插入与第二无源电流检查元件串联的电压降，以便在跨第二无源电流检查元件的电压和插入的电压降之和达到与过电压对应的跳闸电压阈值时进一步配置第二无源电流检查元件配置以从阻塞状态切换到导通状态。

电气旁路设备中的电压源的供应准许过电压电平的变化（在此过电压电平在第二绕组中引起电流脉冲），并且由此准许电气旁路设备配置成解决产生跨第一和第二端子的不同过电压电平的不同类型的故障。

在这类实施例中，第一控制电路还可包括与第二无源电流检查元件串联连接的第三能量储存装置，以及电压源可配置成有选择地供给电压，以便对第三能量储存装置进行充电以插入与第二无源电流检查元件串联的电压降，以便在跨第二无源电流检查元件的电压和电压降之和达到与过电压对应的跳闸电压阈值时进一步配置第二无源电流检查元件配置以从阻塞状态切换到导通状态。

第一控制电路中的第三能量储存装置的供应准许与第二无源电流检查元件串联的期望的电压降的可靠插入。

在采用第三能量储存装置的使用的实施例中，第一控制电路还可包括与第三能量储存装置并联连接的第三无源电流检查元件，第三无源电流检查元件布置成使得第三无源电流检查元件在处于阻塞状态时阻塞电流从整流器流动到第一绕组，并且使得第三无源电流检查元件在处于导通状态时准许电流从整流器流动到第一绕组。第三无源电流检查元件可配置成在大于与第二无源电流检查元件串联插入的电压降和/或低于电压电平（第二无源电流检查元件在所述电压电平从阻塞状态切换到导通状态的电压电平）的电压电平从阻塞状态切换到导通状态。

在采用第三能量储存装置的使用的另外实施例中，第一控制电路还可包括与第三能量储存装置并联连接的第四电阻元件。第一控制电路中的第四电阻元件的供应不仅使第三能量储存装置能够在不要求第一控制电路可操作时可靠地放电，而且还防止第三能量储存装置通过瞬时过电压(其可导致跨第二无源电流检查元件的电压和插入电压降之和在第二无源电流检查元件能够从阻塞状态切换到导通状态之前必须达到的电平的不想要的变化)来充电。

优选地，第一电阻元件的电阻大于第四电阻元件的电阻，和/或第三能量储存装置的能量储存容量优选地大于第一能量储存装置的能量储存容量。第一控制电路按照这种方式的配置增强电气旁路设备可靠且准确地执行其功能的能力。

在本发明的又另外实施例中，电压源可包括脉冲变压器，其配置成有选择地供给电压，以插入与第二无源电流检查元件串联的电压降。

电压源中的脉冲变压器的供应准许与电气触发旁路开关关联的电路电参考与第一和第二端子不同的电位。

优选地，电压源还包括附加整流器，其配置成对脉冲变压器所供给的电压进行整流。这准许使用AC电压源，以便插入与第二无源电流检查元件串联的DC电压降。

将会意识到，脉冲变压器可与其他电气装置相组合，以便将所供给电压转换为用于与第二无源电流检查元件串联插入的DC电压降。

附图说明

现在将借助于非限制性示例，参照附图来描述本发明的优选实施例，其中：

图1以示意形式示出按照本发明的第一实施例的电气旁路设备；

图2和图3分别以示意形式示出半桥模块和全桥模块；以及

图4和图5以示意形式示出按照本发明的第二实施例的电气旁路设备。

具体实施方式

按照本发明的第一实施例的电气旁路设备在图1中示出，并且一般通过附图标记10来标明。

电气旁路设备10包括第一和第二端子12和14、电触发旁路开关16以及第一和另外控制电路18和20。

在使用中，电触发旁路开关16可切换以形成跨第一和第二端子12、14的短路。

第一控制电路18连接在第一与第二端子12、14之间。第一控制电路18包括整流器22，其与击穿二极管（breakover diode）24和第一绕组26的串联连接并联连接。

整流器22包括两对串联连接的二极管（其按照桥式配置并联连接）。串联连接的二极管对其中一对之间的第一结点连接到第一端子12，以及串联连接的二极管对的另一个对之间的第二结点连接到第二端子14。这样，整流器22能够对跨第一和第二端子12、14出现的电压进行整流。将会意识到，整流器22的配置可改变，只要它能够对跨第一和第二端子14出现的电压进行整流。

击穿二极管24布置在第一控制电路18中，使得击穿二极管24在处于阻塞状态时阻塞电流从整流器22经过击穿二极管24并且流动到第一绕组26，以及击穿二极管24在处于导通状态时准许电流从整流器22经过击穿二极管24并且流动到第一绕组26。击穿二极管24配置成在跨击穿二极管24的电压达到跳闸电压阈值时从阻塞状态切换到导通状态。跳闸电压阈值设置成对应于跨第一和第二端子12、14出现的过电压(即，超过正常操作电压的电压)。

将会意识到，击穿二极管24可由任何无源电流检查元件(其在处于阻塞状态时阻塞电流从整流器22流动到第一绕组26，以及在处于导通状态时准许电流从整流器22流动到第一绕组26)来取代。

第一控制电路18还包括第二绕组28，其与第一绕组26相互耦合并且与第一绕组26隔离。因此，经过第一绕组26的电流的流动引起第二绕组28中的电流脉冲。

在使用中，第二绕组28电耦合到电触发旁路开关16，使得第二绕组28中引起的电流脉冲充当切换控制信号，以闭合电触发旁路开关16，并且由此形成跨第一和第二端子12、14的短路。

第一控制电路18还包括第一和第二电容器30和32，以及第一、第二和第三电阻器34、36和38。第一电容器30与击穿二极管24并联连接。第二电容器32与第一绕组26并联连接。第一电阻器34与第一电容器30并联连接。第二电阻器36与第二电容器32并联连接。第三电阻器38串联连接在击穿二极管24与第一绕组26之间。

第一控制电路18中的第一电阻器34的供应使第一电容器30能够在不要求第一控制电路18可操作时可靠地放电。

如上所陈述的第二和第三电阻器36、38的布置使第二和第三电阻器36、38能够定义分压器，以便在电流流经第一绕组26时控制跨第一绕组26的电压。第一控制电路18中的分压器的供应准许第二和第三电阻器36、38的电阻的调整，以便在电流流经第一绕组26时降低跨第一绕组26施加的电压，因而准许第一绕组26的尺寸和成本的减少。

将会意识到，各电容器30、32可由能够储存和释放能量的任何能量储存装置来取代。

另外控制电路20配置成有选择地发送切换控制信号，以闭合电触发旁路开关16，并且由此形成跨第一和第二端子12、14的短路。更具体来说，另外控制电路20是具有电压传感器(其配置成检测跨电容器56的过电压)的控制卡。

电气旁路设备10还包括二极管40，其布置成准许电流仅沿一个方向在第二绕组28中流动。

电气旁路设备10的操作参照图1和图2描述如下。

在使用中，电气旁路设备10连接到电气组件、即半桥模块52。更具体来说，电气旁路设备10的第一端子12连接到半桥模块52的第一模块端子，其结构在图2中示出，以及电气旁路设备10的第二端子14连接到相同半桥模块52的第二模块端子。这样，电流可在第一与第二端子12、14之间并且经过半桥模块52流动。

半桥模块52是形成转换器(未示出)的部分的多个串联连接模块其中之一。半桥模块52包括一对IGBT 54(其的每个与二极管反并联连接)和模块电容器56。IGBT对54按照半桥布置与模块电容器56并联连接。因此，半桥模块52能够提供接近零或者正电压并且沿两个方向传导电流。

在转换器的正常操作期间，半桥模块52的IGBT 54有选择地接通和关断，以便将模块电容器56插入转换器或者旁路模块电容器56。这样，操作半桥模块52，以便有选择地向转换器提供电压源。同时，半桥模块52呈现跨电气旁路设备10的第一和第二端子12、14的正常操作电压(即，接近零或者正电压)。

由于跨电气旁路设备10的第一和第二端子12、14的正常操作电压低于击穿二极管24的跳闸电压阈值，所以击穿二极管24阻止第一和第二端子12、14之间流动的电流经过击穿二极管24流动到第一绕组26。这确保当不存在跨第一和第二端子12、14的过电压时，没有形成跨第一和第二端子12、14的短路。

第一控制电路18中的第一电阻器34的供应防止第一电容器30通过瞬时过电压充电直到（up to）击穿二极管阈值。否则，这类瞬时过电压可能不期望地使电流脉冲在第二绕组28中引起，并且由此导致电触发旁路开关16的不想要的闭合。

第一控制电路18中的第一电容器30以及第二和第三电阻器36、38的供应防止第二绕组28中的电流脉冲的寄生感应，其原本否则从由于在半桥模块52的正常操作期间跨第一和第二端子12、14出现的电压的变化率的击穿二极管的击穿产生。第一控制电路18中的第一电容器30的供应还防止第二绕组28中的电流脉冲的寄生感应，其原本否则从由于在半桥模块52的正常操作期间跨第一和第二端子12、14出现的任何短瞬时过电压的击穿二极管的击穿产生。

第一控制电路18中的第二电容器32的供应确保没有由于第一控制电路18中的电流的任何流动而在第二绕组28中引起电流脉冲，其从在半桥模块52的正常操作期间跨第一和第二端子12、14出现的任何短瞬时过电压和电压的变化率产生。

半桥模块52的失效可由于例如对其组件的损坏而发生。如果半桥模块52按照使它不能够携带电流的方式失效，则会阻止多个串联连接模块的其余部分携带电流，并且因此会不利地影响转换器的总体操作和可用性。

在半桥模块52的失效按照使它不能携带电流的方式失效的情况下，过电压可跨半桥模块52的第一和第二模块端子出现，并且因此跨第一控制电路18的第一和第二端子12、14出现。

当过电压跨第一和第二端子12、14存在时，整流器22执行过电压的整流。这又使跨击穿二极管24的电压达到其跳闸电压阈值，并且因此击穿二极管24从其阻塞状态切换到其导通状态，因而准许电流从整流器22经过击穿二极管24并且流动到第一绕组26。

第一控制电路18中的整流器22的供应意味着，当任一极性的过电压跨第一和第二端子12、14存在时，过电压的整流使第二绕组28中引起的电流的极性是相同的，而与过电压的极性无关。

由于第一与第二绕组28之间的相互耦合，经过第一绕组26的电流的流动引起第二绕组28中的电流脉冲。如上所提到的，第二绕组28中引起的电流脉冲充当切换控制信号，以闭合电触发旁路开关16，并且由此形成跨第一和第二端子12、14的短路。

这样，第一控制电路18直接从跨第一和第二端子12、14存在的过电压汲取能量，以促进电触发旁路开关16的闭合，并且因此促进跨第一和第二端子12、14的短路的形成。跨第一和第二端子12、14的短路的形成则允许电流在第一与第二端子12、14之间并且经过短路流动，因而旁路半桥模块52并且由此允许过电压衰减。这又意味着，没有通过半桥模块52来阻止串联连接模块的其余部分携带电流，并且因此准许转换器继续其操作。

如上所提到的，另外控制电路20配置成有选择地发送切换控制信号，以闭合电触发旁路开关16，并且由此形成跨第一和第二端子12、14的短路。因此，另外控制电路20将冗余度引入电气旁路设备10，因为第一和另外控制电路18、20的任一个能够用来在第一和另外控制电路18、20的另一个的失效情况下闭合电触发旁路开关16，以形成短路。

此外，将第一控制电路18的第二绕组与另外控制电路20公共连接的设施促进（facility）电气旁路设备10的紧凑设计，因为不会存在对另外控制电路20配置成经由不同部件向电触发旁路开关16发送切换控制信号的需要。准许电流仅沿一个方向在第二绕组28中流动的二极管40的布置确保当第一和另外控制电路18、20其中之一进行操作以闭合电触发旁路开关16时，造成电触发旁路开关16的闭合的这种操作没有产生可能不利地影响并且由此潜在地损坏第一和另外控制电路18、20的另一个的任何电反馈。

此外，由于另外控制电路20与第一控制电路18不同地配置，所以第一和另外控制电路18、20均不可能由于相同故障(例如被损坏的电压传感器或者不良安装的控制卡)而同时失效。

将会意识到，以上参照图1所示实施例所描述的半桥模块52只是选择成帮助示出本发明的工作，并且按照本发明的电气旁路设备10可与其他类型的电气组件（例如图3所示的全桥模块52）组合使用。

按照本发明的第二实施例的电气旁路设备在图4中示出，并且一般通过附图标记110来标明。图4的电气旁路设备110在结构和操作方面与图1的电气旁路设备10相似，并且相似特征共享相同附图标记。

图4的电气旁路设备110与图1的电气旁路设备10的不同之处在于，如图5中所示的，图4的电气旁路设备110的第一控制电路18附加地包括：

• 电压源，其包括脉冲变压器58；

• 第三电容器60，与击穿二极管24串联连接，其中第三电容器60的电容大于第一电容器30的电容；

• 附加击穿二极管62，与第三电容器60并联连接，其中电压电平（在此电压电平附加击穿二极管62从阻塞状态切换到导通状态）低于电压电平（在此电平击穿二极管24从阻塞状态切换到导通状态）；以及

• 第四电阻器64，与第三电容器60并联连接，其中第一电阻器34的电阻大于第四电阻器64的电阻。

脉冲变压器58的输入绕组电连接到AC电压源66(优选地为低压高频AC电压源)。另外控制电路20配置成有选择地控制AC电压源66，以便向脉冲变压器58的输入提供电压。

脉冲变压器58的输出绕组经由二极管整流器68连接到第三电容器60。这允许第三电容器60在将AC电压源66控制成向脉冲变压器58的输入提供电压时被充电到DC电压。第三电容器60起作用以平滑脉冲变压器58经由二极管整流器68所供给的电压。

附加击穿二极管62布置在第一控制电路18中，使得附加击穿二极管62在处于阻塞状态时阻塞电流从整流器22经过击穿二极管24、经过附加击穿二极管62并且流动到第一绕组26，以及附加击穿二极管62在处于导通状态时准许电流从整流器22经过击穿二极管24、经过附加击穿二极管62并且流动到第一绕组26。

当没有将AC电压源66控制成向脉冲变压器58的输入提供电压时，过电压电平（在此过电压电平在第二绕组28中引起电流脉冲）通过电压电平（在此电压电平击穿二极管24从阻塞状态切换到导通状态）来确定，如以上参照本发明的第一实施例所论述的。由于电压电平（在此电压电平附加击穿二极管62从阻塞状态切换到导通状态）低于电压电平（在此电压电平击穿二极管24从阻塞状态切换到导通状态），所以击穿二极管24从其阻塞状态到其导通状态的切换产生附加击穿二极管62从其阻塞状态到其导通状态的切换，以准许电流从整流器22经过击穿二极管24、经过附加击穿二极管62并且流动到第一绕组26。

在将AC电压源66控制成向脉冲变压器58的输入提供电压时，第三电容器60的所产生的充电产生与击穿二极管24串联的DC电压降的插入。这在跨击穿二极管24的电压和插入DC电压降之和达到与较高过电压电平对应的跳闸电压阈值时产生击穿二极管24从阻塞状态切换到导通状态的另外配置。这又产生附加击穿二极管62从其阻塞状态到其导通状态的切换，以准许电流从整流器22经过击穿二极管24、经过附加击穿二极管62并且流动到第一绕组26。因此，过电压电平（在此过电压电平在第二绕组28中引起电流脉冲）通过插入DC电压降和电压电平（在此电压电平击穿二极管24从阻塞状态切换到导通状态）之和来确定。

这样，图4的电气旁路设备110配置成准许有选择地供给电压以插入与击穿二极管24串联的电压降，以便在跨击穿二极管24的电压和插入电压降之和达到与过电压对应的跳闸电压阈值时进一步配置击穿二极管24配置以从阻塞状态切换到导通状态。

改变过电压电平（在此电压电平在第二绕组28中引起电流脉冲）的能力准许解决不同类型的故障(其产生跨第一和第二端子12、14的不同过电压电平)的电气旁路设备110的配置。

第一控制电路18中的第四电阻器64的供应不仅使第三电容器60能够在不要求第一控制电路18可操作时可靠地放电，而且还防止第三电容器60通过瞬时过电压(其可导致跨击穿二极管24和第三电容器60的串联电路的总电压在击穿二极管24能够从阻塞状态切换到导通状态之前必须达到的电平的不想要的增加)来充电。

附加击穿二极管62配置成在大于插入DC电压降的电压电平从阻塞状态切换到导通状态。

设想的是，在本发明的其他实施例中，如果第三电容器60的电容足够大以准许引起触发电触发旁路开关16的闭合的第二绕组28中的所要求的电流脉冲的充分能量的传输，则附加击穿二极管62可从图4的电气旁路设备110中省略。

还设想的是，在本发明的又其他实施例中，脉冲变压器58的输出绕组可以是双线输出绕组，以及输出绕组可经由全桥整流器来连接到第三电容器60。