具有过压保护的电开关的制作方法

本发明涉及具有至少一个能关断的半导体开关的电开关，其中电开关具有电容器和变阻器，其中电容器和变阻器布置成第一串联电路，其中由电容器和变阻器构成的第一串联电路与能关断的半导体开关并联。本发明还涉及用于运行这种电开关的方法。

背景技术：

如今，电能的供应主要经由交流电网实现。交流电网的优点是：可以借助变压器产生不同的电压级。由于市场上可提供的半导体越来越便宜，对于直流(dc)电网也能以简单的方式产生不同的电压级，使得经由直流电网尤其在工业网络内进行能量供应刚好也变得特别经济。

在此，直流电网应在未来的工业设备中减少损耗，保证变流器、存储器和马达之间的直接能量交换，并提高稳定性。在此，例如可以运行在不同的负载出口和馈入部之间具有不同电缆长度的小型直流电网。短的电缆长度导致馈线中的非常小的纵向电感，使得故障电流可以具有非常急剧的电流增加。这对于故障情况而言需要非常快地识别故障并且关断。通常机械开关无法满足该要求。因此，引入具有半导体开关的所谓的电开关。半导体开关也被称为固态断路器。该开关的特征在于与机械开关不同的特别快的开关，开关典型地在100ns的数量级中进行。

从de3718941a1中已知一种用于将高压电流引入到化学溶液中的设备。该设备由存储装置、接收装置、检测设备和包括高磁轭开关的引导设备组成。

从ep3367567a1已知一种用于分离电流路径的开关设备。该文献涉及一种用于分离直流电网的、包括源侧的和负载侧的电感的电流路径的开关设备。开关设备包括至少两个串联的开关模块，其中每个开关模块包括至少一个可控的半导体开关元件，由电阻和电容器构成的串联电路与半导体开关元件并联。

在优先权日之后公开的wo2018/172134a1中提出一种用于控制直流开关的方法。在此，直流开关具有第一能关断的半导体开关和第二能关断的半导体开关，其中第一和第二能关断的半导体开关设置在第一接头和第二接头之间，从而能够引导具有第一极性的电流经过第一能关断的半导体开关，并且能够引导具有相对于第一极性相反的极性的电流经过第二能关断的半导体开关，其中根据电流测量值关断能关断的半导体开关之一。

在优先权日之后公开的wo2019/011642a1中提出一种电开关，其具有至少一个能关断的半导体开关、变阻器和电容器。在此，电开关具有第一接头和第二接头，在接头之间可以借助于至少一个能关断的半导体开关根据能关断的半导体开关的开关状态来建立或中断导电的连接。在此提出：由变阻器和电容器构成的串联电路分别借助第一二极管与第一接头连接并且借助第二二极管与第二接头连接。

技术实现要素：

本发明的基本目的在于给出一种尤其在电开关的开关表现方面有改进的电开关。

该目的通过一种电开关实现，其具有至少一个能关断的半导体开关、电容器和变阻器，其中电容器和变阻器布置成第一串联电路，其中由电容器和变阻器构成的第一串联电路与能关断的半导体开关并联，其中电开关具有开关和电阻，其中开关和电阻布置成第二串联电路，其中由开关和电阻构成的第二串联电路与能关断的半导体开关并联并且与第一串联电路并联。该目的还通过一种用于运行这种电开关的方法来实现，其中在接通能关断的半导体开关之前接通开关。

在从属权利要求中给出本发明的其他有利的设计方案。

本发明基于如下认知，即如果将由变阻器和电容器构成的串联电路与能关断的半导体开关并联，则可以改善电开关的开关表现。串联电路可以保护能关断的半导体开关免受开关时形成的电压峰值影响进而确保无干扰运行并且同时提高其使用寿命。

能关断的功率半导体开关可以是仅能关断沿一个方向的电流的开关。该开关特别适合于不能回馈的负载并因此仅引导沿一个方向的电流。同样地，其可以是能关断沿两个方向的电流的、能关断的功率半导体开关。

能关断的半导体开关对于在电流开关时、尤其在其关断时出现的电压峰值是敏感的。通过直流电网中存在的电感，例如由于线缆的寄生电感引起电流变化，尤其电流中断导致高电压，该高电压随后部分地在能关断的半导体开关上下降并且能够损坏半导体开关或降低其使用寿命。通过由变阻器和电容器构成的第一串联电路的并联设置，可以可靠地保护能关断的半导体开关免受形成的过压和电压峰值影响。

在此，将从开关的截止状态到导通状态的过渡称为接通，并且将从开关的导通状态到截止状态的过渡称为断开或关断。

根据其电流电压特性曲线，在关断能关断的半导体开关时形成的电压的一部分降在变阻器上，而另一部分降在电容器上。在此有利是：变阻器的设计从现在起变得更简单，因为其现在不必再承担全部截至电压。

来自负载中以及直流电网的相关支路中的电感的能量现在也由电容器吸收。由此，在电容器中建立电压，该电压被添加至变阻器的电压。在此特别有帮助的是：在负载电流下降时，电容器电压上升并且补偿变阻器的较小的反向电压。负载电流根据等式u(t)＝l*di/dt通过电容器的施加的反向电压而下降，并且由于i(t)＝c*du/dt的电容器表现越来越多地在电容器上建立反向电压。在任何情况下，由此产生比驱动的直流电压更大的反向电压，因为通过经过电容器的电流建立反向电压，反向电压在一定时间之后强制性地且可靠地抑制电流。

换言之，位于要关断或已关断的支路中的一个或多个电感的能量从该一个或多个电感传递到电容器上，电容器的电压由此升高。在断开能关断的半导体开关时，由于大的电流变化而形成电压峰值。电压峰值引起变阻器击穿并过渡到导通状态，并实现从电感流到电容器的电流。因此，存在于电容器处的且仅经由对流过电容器的电流建立的电压进行积分，并且在过渡到导通状态下的变阻器处的小的电压也施加到能关断的半导体开关处，半导体开关与由变阻器和电容器构成的第一串联电路并联。由此，能关断的半导体开关处的电压也很小，并且可靠地保护半导体开关免受电压峰值影响。即使在相关的能关断的支路中的高电流或高电感被关断时，这也确保其功能。此外，在关断能关断的半导体开关时，适度的电压提高其使用寿命。

如果现在在直流电网中的负载中出现短路，则可以通过关断电开关来将直流电源与故障点分离。经过负载电感的电流没有续流路径，由此在半导体开关上会建立如下电压，该电压加载至半导体开关或者甚至会破坏半导体开关。由变阻器和电容器构成的第一串联电路形式的限压网络在此不仅可在具有能关断的半导体开关的、在此示意示出的电开关中使用，而且可以在直流电网中的任意构造的直流电压开关中使用。

在此，电开关具有开关和电阻，其中开关和电阻布置成第二串联电路，其中由开关和电阻构成的第二串联电路与能关断的半导体开关并联并且与第一串联电路并联。通过为电开关扩展使用开关和电阻，在关断过程之后可以尤其低损失地实施再次接通。由电容器在关断过程中从电感吸收的能量在重新接通开关时为负荷，因为该能量在接通电开关时突然地经由能关断的半导体开关放电。放电电流通过变阻器的电流/电压特征曲线被预设，并且可以设置相当大的值。当在断开和重新接通之间仅存在短的时间段时，尤其适用这种情况。在短的时间段内，电容器仅可以被少量放电并且存储的能量会引起能关断的半导体开关的负荷。为了减小通过放电电流引起的该负荷而使用电阻。通过接通开关，电阻放电。这当电容器电压达到高于变阻器的触发电压以上的值时发生。电容器在电压低于触发电压的情况下无需放电，因为经由能关断的半导体开关的接通同样不产生任何放电电流。

另外，该电阻可用于对引起高接通电流的负载借助适度的电流进行预充电。作为这种负载的一个示例是变流器，变流器的中间电路电容引起大的充电电流。这种负载因此通常经由预充电电阻充电。在使用具有开关和电阻的电开关时，可以借助于电开关通过电阻来执行该限流。借此可以省去单独的预充电电路。产生协同作用，因为借助该电阻一方面尤其低负荷地接通开关，并且同时对负载提供如下可行性：以限流方式与直流电网连接。这节省了部件进而增加了直流电源的可靠性和经济性，因为可以尤其低成本地制造这种装置。

开关在此可以便宜地实现为机械开关，因为对开关速度的要求低。同样可行的是：由于已经存在用于驱控半导体开关的驱控单元，所以也借助于半导体来构造该开关。然后，根据半导体的实施方式，该开关也可以反向并联或反向串联地构造，使得开关与电压极性无关地确保电容器的放电。如果电开关仅设置用于关断具有一个极性的电流，则在开关中也实现：该开关仅针对一个极性设置，因为电容器仅可以采用一个极性的电压。

半导体可以是能关断的半导体，例如igbt或mosfet，也可以是不能关断的半导体，例如晶闸管。因为随着电开关的能关断的半导体开关的接通出现经过开关和电阻的电流，所以对于该应用不需要能够关断电流的能力。晶闸管的使用在此是特别有利的，因为负载的放电电流或预充电电流是短暂的大电流并且晶闸管具有特别高的过载能力。过载能力被理解为电流的短期的负荷，该负荷尽管是短期的，但是不能持久。因此，尤其在开关借助于半导体或晶闸管实现时，电开关可以特别便宜地制造。

然后，有利地在重新接通电开关的一个或多个能关断的半导体开关之前接通开关，使得电容器处的电压在接通一个或多个能关断的半导体开关的时间点足够小或者甚至为零。然后，由此通过一个或多个能关断的半导体开关的放电电流不再是大负荷，从而使电开关得到更高的使用寿命。

在本发明的一个有利的设计方案中，电开关具有至少两个能关断的半导体开关，其中两个能关断的半导体开关中的第一能关断的半导体开关设置成能够关断从电开关的第一接头到电开关的第二接头的电流，并且两个能关断的半导体开关中的第二能关断的半导体开关设置成能够关断从电开关的第二接头到电开关的第一接头的电流，其中电容器设计为双极电容器。市场上的能关断的半导体开关通常可以仅关断沿一个方向的电流。这种能关断的半导体开关的典型代表是igbt或mosfet。如果在使用这种能关断的半导体开关时希望可以通过该半导体开关关断沿两个方向的电流，则使用这些能关断的半导体开关中的两个。借此通过电开关关断电流的两个极性。在此，开关设置成，使得从电开关的第一接头到电开关的第二接头的电流可以由两个能关断的半导体开关中的第一半导体开关引导和关断，并且从电开关的第二接头到电开关的第一接头的电流可以由两个能关断的半导体开关中的第二半导体开关引导和关断。对于将二极管与半导体开关的开关元件并联设置的情况，两个半导体开关以串联电路设置，其中，二极管使能关断的半导体开关能反向导通。由于两个半导体开关的开关元件可以分别引导和关断具有不同极性的电流，该串联电路也称作为是反向串联的。在此，两个半导体开关在集电极和发射极或者漏极和源极接头方面相对彼此反转。对于能关断的半导体开关反向不能导通的情况，第一和第二能关断的半导体开关设置成并联电路，其中第一能关断的半导体开关可以引导和关断具有第一极性的电流，并且第二能关断的半导体开关可以引导和关断具有不同极性的电流。这种并联电路也称作为反向并联电路，或者这种设置称为反向并联。

通过使用两个这种能关断的半导体开关，能以简单的方式通过使用标准部件实现开关，该开关可以关断极性不同的电流。

在本发明的另一有利的设计方案中，放电电阻与电容器并联。放电电阻确保：经由电容器对电压连续放电。借此，可以在电开关的关断过程中减小电容器处所形成的电压。在该上下文中涉及电容器的确定性的放电。如果在关断过程和重新接通过程之间存在与放电电阻的电阻值的选择相关的足够的时间段，则可以放弃使用具有电阻的开关。可选地可行的是：使具有开关和电阻的电路扩展使用放电电阻，使得也对于关断和重新接通之间的短的时间段不受限制地提供电开关的功能。因此，通过放电电阻进一步降低能关断的半导体开关和现有的开关的负荷，从而以简单的方式进一步提高开关的使用寿命。

在本发明的另一有利的设计方案中，另外的电容器与变阻器并联。通过另外的电容器，该另外的电容器的电容值有利地比电容器的电容值小至少一个数量级，补偿变阻器的感应响应表现，进而在电流从一个或多个能关断的半导体开关换向到由变阻器和电容器构成的第一串联电路上时进一步降低过压。这也再一次降低了在一个或多个能关断的半导体开关处形成的负荷，该负荷通过施加在那里的电压形成。

在本发明的另一有利的设计方案中，另外的放电电阻与变阻器并联。如果现在作为另一有利的设计方案提出与变阻器并联设置另外的放电电阻，该另外的放电电阻具有显著低于放电电阻的电阻值，则因此变阻器上的电压降在正常运行、即电开关断开的状态下以及在电开关闭合的状态下都进一步显著降低。由此，提高了变阻器的使用寿命，因为其负荷在运行中显著下降。在此有利的是，另外的放电电阻的电阻值比放电电阻的电阻值小至少一个数量级。

现在，在电开关断开的状态下，通过放电电阻和另外的放电电阻的分压器确定变阻器上的电压降，使得上述电阻值的选择是尤其有利的。在电开关闭合的状态下，经由变阻器和另外的放电电阻对电容器放电。这提供如下可行性：弃用第一串联电路并且尽管如此仍实现在关断过程之后快速重新接通，而没有不可靠地高负荷地加载能关断的半导体开关。同样可行的是：对具有第一串联电路的规格的电开关补充另外的放电电阻，以便借此在运行中、尤其在重新接通电开关时进一步减小负荷。

在本发明的另一有利的设计方案中，在电容器处的电压低于电压阈值的情况下断开开关。如果确保由于电容器的放电电流使对于一个或多个能关断的半导体开关得到的负荷足够小，则可以结束电容器的放电。当电容器处的电压低于可预设的电压阈值时，就是这种情况。由此，当电容器尚未完全放电时，也可以实现电容器的顺利的重新接通。此外，负载经由电阻与直流电源连接的时间还被进一步降低。即使由此能形成量值小的电流，因为经由电阻限制该电流，尤其在存在负载侧短路的情况下可以有利地快速禁止直流电源和负载之间的电流进而避免可能的损坏。

附图说明

在下文中，根据附图中示出的实施例更详细地描述和阐述本发明。附图示出：

图1示出具有电开关的直流电网，并且

图2至图4示出具有过压保护的电开关的实施例。

具体实施方式

图1示出直流电网33，直流电网也称为直流电压电网。直流电网从直流电源30(也称为直流电压源)为负载31供电。负载例如可以是具有变流器的驱动器，其中变流器借助其中间电路经由电开关1与直流电源30连接。直流电源30和负载31之间的线路在其电感表现方面可以采取完全不同的特性。电感表现在视图中借助于电感32示出。电感可以采取非常小的值，因为不存在以其电感以限流的方式作用的变压器。在另一方面，电感由于线缆长度大也可以采取非常大的值，该值由于以直流电流进行能量传递而是允许的。对于电开关而言，从中得到如下要求：电开关由于电感小和随之产生的大的电流变化、尤其在短路时的大的电流变化而应当具有非常快速的开关表现，以便不允许的大电流、例如在短路时形成的不允许的大电流可以被可靠地控制。此外，开关也必须可以在电感高的情况下可靠地工作。于是，尽管电感引起在关断时从电流变化得出的高电压，但是过大的电流上升不成问题。高电压也必须被可靠地控制并且不能损坏电开关1和电开关的处于其中的部件。

在此，图1示出电开关1的基本结构。其在其第一接头12和第二接头13之间的功率路径中设有至少一个能关断的半导体开关2，该半导体开关可以关断经过开关的电流。根据能关断的半导体开关2的类型，半导体开关可以关断仅沿一个方向或沿两个方向的在第一接头12和第二接头13之间的电流。有利地使用两个能关断的半导体开关2，半导体开关各自可以断开沿一个方向的电流。如果半导体开关反向截止，则其设置成反向并联电路。对于能关断的半导体开关能反向导通的情况，其可在与能关断的半导体开关2、21、22的开关元件并联的二极管处识别，以图1中示出的那样设置成串联电路，其中两个能关断的半导体开关中的第一能关断的半导体开关21和第二能关断的半导体开关22反向串联地相连。

图2示出具有过压限制的电开关1的实施例。为了避免重复，参考对图1的描述以及在那里引入的附图标记。第一串联电路10与第一能关断的半导体开关21和第二能关断的半导体开关22并联。第一串联电路10具有构成串联电路的电容器3和变阻器4。如果两个能关断的半导体开关21、22中的一个关断电开关1的接头12、13之间的电流，则通过电感驱动的电流换向到第一串联电路10上。由于所形成的电压，变阻器变成导通，其也称作为变阻器的击穿，并且电容器3从电感吸收能量。由此，开关处形成的电压减小并且避免开关损坏，电压通过关断从大的电流下降中得出。同时，提高了开关的使用寿命，因为能关断的半导体开关不负荷过高的电压。

重新接通电开关1引起经由能关断的半导体开关2、21、22对电容器3放电。如果电开关关断和重新接通之间的时间段小至使得还不会或还不会充分地发生电容器的自放电，则尤其是这种情况。为了避免这种情况，在图3中的电开关1的实施例中，接入由开关5和电阻6构成的第二串联电路11，第二串联电路与第一串联电路并联。为了避免重复，参考图1和图2的描述以及在那里引入的附图标记。借助第二串联电路11，可以在重新接通能关断的半导体开关2、21、22之前，通过闭合开关5对电容器3放电。同时，可以将电阻6用作为用于负载31的预充电电阻，该负载由于大的接通电流通常经由预充电电阻与直流电源连接。作为这种负载的实例可以使用变流器，变流器的中间电路电容器通常经由预充电电阻充电。

在此，开关可以实现为机械开关或借助于半导体实现。在此，可以使用能关断的半导体或不能关断的半导体、例如晶闸管。

在图4的实施例中示出用于电压限制的其他措施，这些措施可以单独使用或整体使用。为了避免重复，参考图1至图3的描述以及在那里引入的附图标记。在此，作为第一措施，可以将放电电阻7与电容器3并联。放电电阻确保：在电开关1关断之后，使从电感32吸收能量的电容器3顺利地再次放电并且也可以重新接入而无需事先接入电阻6。

作为第二措施，另外的电容器8与变阻器4并联。在电流从能关断的半导体开关换向到经过电容器3的电流路径时，另外的电容器改善了变阻器4的电感的响应表现。因此，也可以避免在能关断的半导体开关处出现短期的电压峰值。这也正面地影响电开关1的使用寿命。

作为第三措施，可以将另外的放电电阻9与变阻器4并联。通过由放电电阻7和另外的放电电阻9构成的获得的分压器，变阻器4上的电压降减小。这在接通以及断开电开关1时进行并且提高了变阻器4的使用寿命，进而也提高了电开关1的使用寿命。同时，在重新接通电开关1时，另外的放电电阻9实现使电容器3适度放电。由此，也可以弃用第二串联电路11。在与第二串联电路11一起使用时，可以进一步减小电开关1在开关时的电压负荷，并且由此进一步提高其使用寿命。

在此，能够单独执行或也能以任意组合执行这三种措施，以便改进电开关1的开关表现。

综上所述，本发明涉及一种具有至少一个能关断的半导体开关的电开关，其中电开关具有电容器和变阻器，其中电容器和变阻器布置成第一串联电路，其中由电容器和变阻器构成的第一串联电路与能关断的半导体开关并联。为了使电开关尤其在其开关表现方面改进而提出：电开关具有开关和电阻，其中开关和电阻布置成第二串联电路，其中由开关和电阻构成的第二串联电路与能关断的半导体开关并与第一串联电路并联。本发明还涉及一种用于运行这种电开关的方法，其中在接通能关断的半导体开关之前接通开关。