专利名称：受控电子开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可控电子开关，该受控电子开关用于将不同容量的负载与直流或单相或多相的交流线路相连，能保证在断开运行负载的过程中不产生电弧或火花，显著地降低瞬变不稳定的过程。
随着基于半导体技术的受控开关的出现，已经开始能够将用户负载接通到电源或从电源断开而不会引起火花。与开关晶体管不同，可控硅几乎不需要能量来维持开关状态，只不过需要一控制信号，其可以是直流电压或电触发电路提供的触发脉冲。由于具有上述特性，可控硅开始广泛推广，用于从受控开关电路到功率调节电路。
在F.Rajchert-A Sitnik-J.Stepien的名为Switching tech-niques for thyristors M√szaki knyvkiadó”，Budapest，(1980)的书中介绍了用作受控开关装置的可控硅的几种基本电路。在一已知的开关电路中，有一单一可控硅以及位于控制极和可控硅阴极之间的一控制电路。控制信号是一直流信号，或者是一其宽度足以使可控硅导通的电压脉冲。在开关操作之后，由于在设有控制信号的条件下可控硅可保持导通状态，因此不再需要维持控制信号。为将开关断开，必须使该电路中断。
在交流电路中，已知有半波或全波方法。半波方法只有单一的可控硅，且控制电路在可控硅的控制极和可控硅的阴极之间。相似地，全波开关也可采用单一可控硅制作，只是在可控硅之前有一全波整流器。采用两个反向并联开关可控硅可以避免这一缺点，但在这种情况下需要两个控制电路。如果两可控硅串联连接，且两者的阴极连在一起，则一个控制电路就足够，但在这种情况下，二极管须与可控硅反向并联连接。该已知方法包含了相对多的元件，一方面这不仅降低了开关的效率，同时使开关更昂贵，并且增加了故障的可能性。
与已知可控硅开关相关的其他问题如下脉冲和命令信号产生电路较复杂，首先是因为要实现这些电路与受控网络之间的电绝缘，该受控网络对负载换流供电(Commuta-tion)。由于这个缺点，可控硅开关在交流电网换流供电中没有得到广泛的接受。
在大多数情况下，可控硅的反向电流对负载有一负作用。
对于大功率负载(大于50A)的换流供电需要制作十分复杂的可控硅开关组。同样，采用逻辑命令来控制这些可控硅也十分复杂。到目前为止，采用逻辑命令对大功率开关进行直接控制的问题还未解决。在当前技术中，逻辑命令首先被转换成电压命令信号(Po-tential commands)，然后转换成大功率的可执行的命令信号。
目前的可控硅开关具有较低的可靠性，这是使用复杂的电路和过热的功率开关装置造成的。可控硅开关由于这种低可靠性在庞大而复杂的无线电电子系统中没有被采用。
除了复杂性之外，目前的基于可控硅技术的电子开关还表现出如下缺点对有功和电容性负载的换流是困难的，这是由可控硅本身固有的特性所决定的。
此种电子开关对可控硅的热稳定性很敏感，在几千安培范围的较大换流输出时，需要很复杂的冷却系统；只有当加在开关上的负载近似为可控硅额定性能的0.6-0.8倍时，才能确保它们的可靠性。由于这些问题，基于半导体技术的开关装置在动力工业中未赢得广泛的应用。
本发明是从事无线电电子系统失效研究的领域的工作者的研究工作成果。测量及实验已证实绝大多数的失效和故障是由脉冲-噪声(pulse-noises)和在系统元件换流过程中产生的瞬变引起的。寻求能够克服这些失效的方法导致了一项全新的换流技术。
因此，本发明的目的是提供一种简单的可控电子开关，其可以在直流或交流电网中，对各种输出进行可靠的开关操作，并使用最小数目的元件。
根据本发明，其目的是通过使用具有至少两个反向并联可控硅的开关来实现的，其中仅在各可控硅的控制极之间装有开关，且最好为无源元件。
根据本发明的另一方面，一电阻与位于各可控硅控制极之间的开关串联连接。
或者，一个二极管与各可控硅控制极之间的开关串联连接。
在另一优选实施例中，一齐纳(Zener)二极管与位于各可控硅控制极之间的开关串联连接。
在又一优选实施例中，一第二开关与一对反向并联连接的可控硅串联连接。该实施例有可能将可控硅的反向电流与负载隔离。
在又一特别优选实施例中，一第三开关与第二开关与一对反向并联的可控硅的串联电路相并联。这样便有可能防止开关带来畸变失真。第三开关也可用作测试目的。
对于大功率的开关，如果一对反向并联连接的，且在其控制极之间装有一开关的可控硅连接于另一对反向并联连接的可控硅的控制极之间，则效果更佳。
同样，采用另一优选实施例也具有良好效果，在该实施例中，具有一开关的一对反向并联连接的可控硅安装在负载两边的交流电路的相线(phase lead)和零线(Zero lead)之中，其中在与一对具有一开关的反向并联可控硅并联连接的零线中有一电压释放开关，在与一对具有一开关的反向并联可控硅并联连接的相线中有一电压释放开关。
本发明将参照所描述的非限定的实例进行更为详细的说明，附图如下
图1是根据本发明的受控电子开关的第一实施例；图2是根据图1中的受控电子开关的又一实施例，用于对直流网络中的负载进行开关操作；图3是根据图1中的受控电子开关的又一实施例，用于对交流网络中的负载进行开关操作；图4是根据图1中的受控电子开关的又一实施例，用来对交流网络中的负载进行开关操作，且安装于网络的两支路中；图5是根据本发明的受控电子开关，用来对大功率负载进行开关操作；图6是根据本发明的受控电子开关，用于三相网络；图7用来说明本发明受控电子开关的功能的时序图；图8是本发明开关的基本元件；
图9是带有一附加电阻的，根据图8中本发明的开关的基本元件；图10是带有一附加二极管的，根据图8中本发明的开关的基本元件；图11是带有一附加LED二极管的，根据图8中本发明的开关的基本元件；图12是带有附加二极管和电阻的，根据图8中本发明的开关的基本元件。
图1描绘了所述受控电子开关最简单实施例的原理电路。
受控电子开关包括两个反向并联连接的可控硅T1和T2，在它们的两控制极之间有一开关S1。在与直流或交流电压源连接的负载RL与一对可控硅T1和T2之间有另一开关S2。一第三开关S3与受控可控硅及与其串联一连接的开关S2并联连接。如图1所示，可控硅T1和T2形成一受控开关，该受控开关处于关断状态时，没有电流从开关通过。为避免可控硅T1和T2产生甚至是一最小的反向电流，开关S2断开。闭合开关S1时，可控硅T1和T2导通，这是因为在控制极的电位足够触发可控硅。开关S3位于受控电子开关的输入端与负载RL之间。其作用是在受控电子开关接通之后使其短路。提供S3提高了受控电子开关的可靠性，消除了施加于负载的经变换的正弦电压的畸变，且不再需要的散热器，这样便减小了受控电子开关的体积及其重量。同时，如果可控硅相对于S3可独立起动，则开关S3使对可控硅开关状态的测试成为可能。
在机械开关S2-S1-S3的动作过程中，这些开关将以该给定的顺序闭合，而其断开操作将以S3-S2-S1的顺序进行。受控电子开关的反向并联连接的可控硅可制作成单一的半导体组件。
图2、3、4、5和6介绍了本发明的受控电子开关应用于直流、交流、单或三相网络中向负载换流供电的几种可能性。
基于图7，对受控电子开关的功能进行介绍。闭合开关S2的同时，负载RL与受控电子开关之间形成通路。在这种情况下，只有反向电流流过负载，因为开关S1的闭合仅延迟10μS，该反向电流不会对负载有显著影响。开关S1闭合后，可控硅的控制极彼此地相连。流动的微弱电流将触发可控硅T1和T2，受控电子开关将导通，且负载RL将与电源形成通路。负载的换流时间由所选择类型的可控硅的关断时间来确定，大约为50μS。在受控电子开关断开之后，负半波电流将通过第一可控硅到达负载，而正半波电流将通过第二可控硅到达负载。最后，在开关S1闭合后不到100μS内，开关S3将闭合。开关S3将使受控电子开关短路，于是负载将直接与电压源连接。开关断开的操作沿与上述相反的顺序进行。随着开关S3的断开，受控电子开关将不再短路，但负载将保持电压。然后，开关S1断开，将控制极之间的电路中断，与开关S3相比其延时10μS。从可控硅T1到T2的切断控制电压，但负载将保持电压直到正弦波到达零点。此时负载与电源之间的连接被切断。负载无电压的时间约为0～10ms。该时间等于50Hz交流电网中的半波长度。同时，该时间也是开关S2相对于开关S1的延迟时间。S2的断开将切断可控硅的反向电流。上述延迟时间计算的是最小值。实际上，这些时间可自由变化，且不影响受控电子开关的功能。
在图1所示电路中，对可控硅对的控制由一机械开关来实现。这种设置实际上允许将所有电磁开关替换为受控电子开关。在控制极仅产生微弱电流这一事实允许除了使用一简单机械开关之外，还可使用其他一些控制方法。例如磁性的、电磁的、电子的、光的、红外的、正温度系数热敏电阻器的、传感器的、逻辑命令的或者控制脉冲的方法，后者由相位或零相发送器提供，在电抗性(reacti-ve)负载的情况下由COS fi(Cosφ)发送器提供。除此之外，也可采用其他信号源，例如使用小型磁性传感器，受控电子开关可由一磁场控制，该磁场可由永磁体或电磁体提供。连接一红外(IR)二极管可使用红外线遥控。所有这些方法可通过附加一元件或部件来实现。所有可能的控制方法都不需要放大、变换或其他复杂电路来实现。
根据本发明的受控电子开关的一个优点是在可控硅的控制极与相连的控制电路之间不需电绝缘，因为本发明的控制电路中仅产生微弱电流。因此，采用齐纳二极管可较容易地解决逻辑控制电路与控制极之间的电平调节，而具有FET输入的集成电路完全不需要电平调节。
另外，受控电子开关可以同样的形式应用于小、中和大功率的换流供电。可控硅开关的控制问题的解决如上所述。
图3和4说明了对另一问题，即消除可控硅反向电流的解决办法。
如图3所示，利用开关S2可消除反向电流，而在图4中插入了另一受控电子开关。这些解决手段适用于所有控制方法。
在图4中，在单相交流电系统的负载两侧插入根据本发明的受控电子开关。在这种情况下，如虚线所示，同时触发具有相同性能的开关(如开关S1和S1′)有很大益处。
图3所示的方法将保护负载不受可控硅反向电流的影响，但对于图4所示的补偿电路，可省去这些开关的作用。在图4电路中，由于进行电补偿，因此反向电流的负作用被避免。这项工作是通过在负载两侧安插受控电子开关来实现的。根据本发明的这一优选实施例，从负载流过的反向电流相互彼此抵消，因而合成的反向电流为零。
图5为另一实施例，对于大功率电平的开关操作具有特殊优势。在该实施例中，如前面的例子，反向并联连接的可控硅T1和T2由开关S1控制，但如此构成的受控电子开关安置于另一受控电子开关的电极之间，该另一受控电子开关包括反向并联连接的，为大功率要求的可控硅T3和T4。该基本开关电路与前述例子相似，可通过加上反向电流保护和短路电路开关而完成。
图6表示了在一三相电网中使用本发明的受控电子开关的例子。在该实施例中，单独的可控硅对由可控硅T11-T21、T12-T22、T13-T23和T14-T24组成，且在各自控制极之间分别有开关S11、S12、S13和S14，开关S15、S16和S17对可控硅开关进行短路操作。触点R、S、T代表相线，而N代表零线。
所采用的控制方法提供了对上述第三组问题的解决手段。随着换流功率的增加，可控硅控制极的电流不显著增加，且不超过10mA。与可控硅开关可靠性有关的问题以相当简单的形式被解决。一受控电子开关元件的数目，即使与复杂的控制电路相配备，也不超过10个元件。此外，使用开关S3短路接收了换流供电功率的主要部分，使可控硅的冷却能力冗余，从而可显著减少了开关尺寸和重量。这样受控电子开关仅本身开关转换，而不起任何另外的作用，因此受控电子开关也不消耗能量。对可控硅开关的这些问题的解决消除了存在于能源、电子、无线电技术等领域的其他一些问题。
在自动控制系统的电源输电和换流供电领域，本发明也提供了许多可能的用途。采用基于本发明的受控电子开关的换流供电设备，许多问题可以很容易地得到解决。包括电能的经济使用，克服工业电力干扰的措施，或换言之，电子网络生态学，换流供电设备的低可靠性，换流供电设备的高制造成本，制造自动控制系统，用来对大量具有不同容量和电抗的用户进行开关操作。
越来越明显的能源短缺要求人们经济地利用电力能源，这种由于工业化和城市化造成的能源短缺实际上在每个国家都存在。广泛地使用受控电子开关可以有效地解决这一问题，因为开关本身几乎不消耗任何电能。相比之下，已知的电动机械换流供电装置要用大量的电能。这一点将在下文实例中说明换流供电50-100安培的接触器自身使用和消耗约0.1Axh(安时)的能量。通过一简单计算，可以算出一中型公司一年在300天内，每天在220V电网上使用10小时1000个接触器的能耗1000×300×10×0.1×220＝66000千瓦/年。采用相同的数据用于380V系统1000×300×10×0.1×380＝114000千瓦/年。
若考虑到更大的工业范围，或者整个国家，则可节约的能源的潜力是不可忽视的。
第二个问题，即工业电力干扰的问题也很重要，这首先是因为工业、服务部门和家用产品的快速的计算机化。
在电力网络干扰中，脉冲噪音形式的干扰主要是由于闭合负载开关所产生的火花以及断开过程产生的电弧造成的。通常，对负载的接通断开在网络中造成瞬变过程。这些干忧会使得无线电电子设备功能反常，在某些情况下会造成其损坏。
实例如下在通常的家用产品中，对一简单的灯泡的开关操作会导致5倍于正常电网的电压以上，在所有数控机械的停机时间中，40％是由于电网干扰导致的功能不正常造成的；给大电容量负载换流供电造成一很大程度瞬度(电压下降最大达40％)，至使通常的稳压电路不能对此过程进行补偿；每一电气设备都会由于经机械开关的换流而自身产生脉冲噪音和其他瞬变。在大多数情况下，开关的操作时刻是完全任意的，没有对相位过零点或电抗性负载的COS fi(COSφ)值考虑。采用受控电子开关同样可以解决这一问题，其中对负载的换流操作不会引发火花或电弧。受控电子开关切断负载不需要任何其他辅助操作，特别是不会造成瞬变。使用相位零和COS fi(COSφ)传感器也可显著减小开关导通的瞬变状态。所有这些优点，如果得到广泛的应用，将大大降低建立一个所谓无间断且“洁净”的网络的花费。他们将提供具有优良噪音参数的电气设备的生产和配置的基础，提高其竞争力。这种产品不会危害电网系统的“生态清洁度”。
第三个关于换流供电装置可靠性的问题是由于电磁换流器和继电器的最薄弱点即它们的触点造成的。这些触点具有很有限的寿命。在大负载的换流过程中，火花和电弧可造成触点的烧损(burn in)，甚至烧毁(burn down)。实际上该因素决定了这些装置的寿命，决定了他们的低可靠性，短寿命，和繁琐的维修，导致较高的维修和维护的费用。一些实例在电车的控制单元和凸轮轴操作机构中使用的接触器触点的寿命平均不超过15天，即使是具有30mm2表面积的铜触点；在每一地铁站，高可靠性的继电器和开关构成了自动机构，他们的数目达数千量级，并且对这些自动机构的维护和服务是维修工人的日常工作；在电站或配电站，技术人员在接通负载之后，目视控制触点的闭合；使用灭弧室和吹弧机构使大功率接触器系统和结构更为复杂；知此类换流装置的维修工作更为复杂，因为在维修过程中必须断电。
因为受控电子开关在工作时不产生火花和电弧，因此使用受控电子开关可大大减少后一问题的出现，并可将他们的寿命和可靠性增加3至4个数量级。同时，维护和服务的费用也大大降低了。应用本发明的受控电子开关可制造出特殊的开关，其开关操作由一磁场起动。此类换流元件在对防爆炸危险厂房的安装中有广泛的应用，例如具有高湿度和较集中的机械污染的房间。这种地方包括煤矿，石油精炼厂、化工厂等等。在基于受控电子开关的换流装置中，很容易实现对过载电流和短路的保护。而且，使用一探测无线电接收器便可以构成控制装置，使受控电子开关替代放电避雷针。通过调整灵敏度，该装置可受附近或远处雷电的触发。该措施可用于井架或广播塔上。
使用受控电子开关可较容易地解决检测和诊断问题，同样也大大简化了维修并显著增加了可靠性。利用受控电子开关的电子可控制性，可获得起动时间少于50μS的高精度的继电器。这种断电器在铁路、地铁、电梯等等自动控制机械领域有广泛的应用。
有了本发明的受控电子开关，在幼儿园、学校和其他特别有电击危险的地方可配备专门的开关和连接插座。可根据需要联合使用或变型使用上述技术。
第四个问题是如何降低生产成本。基于本发明的受控电子开关的换流装置的制作是相当经济的，因为只有很少的元件需要装托柄，大多元件可由一简单螺钉连接来固定。受控电子开关型的开关组的重量和尺寸参数比用于相似目的的电磁换流器要小好几个量级。这便可以在生产中节省材料，使贵重材料如变压器用钢和铜得到节省。
第五个问题涉及自动控制系统的建立，其可根据不同的大小和功率的需要，以任何顺序和时序以及最小的脉冲干忧和瞬变，接通较大数目的负载。目前由于已知的换流装置不能由逻辑命令来直接控制，因此上述方法还不能实现。已知一双转换方法，其逻辑命令(“1”和“0”)首先转换为(24V或26V)电位或电压命令信号，然后，再转换成可执行的强电命令信号。这种控制方法较复杂，因此不可靠。
本发明的受控电子开关可直接由逻辑命令控制，而且可采用本地控制或者遥控，这些控制与易得到的相位零和COS fi(COSφ)传感器一起使用便可能采用合适的程序以最小瞬变对用户负载进行换流供电。
总之，可以说采用本发明的受控电子开关可对存在于能源、电子技术、无线电和电子设备领域中的上述所有问题提供解决方法。同时，本发明的受控电子开关的功能的特殊性质为目前尚未解决的一些技术问题也提供了解决方法。
受控电子开关可接通一功率在KW和KA范围的负载。同时，负载的电抗不会影响开关的性能，且可控硅不需要冷却。
本发明开关的这些特点使得所有大功率电磁开关被电子开关所代替。这意味着换流装置的尺寸和重量可减小3个数量级，生产被简化，生产成本降低，且不再需要复杂的吹弧室和冷却系统。
本发明的受控电子开关还有一个重要特点，即它能够对大大超过常用可控硅额定功率的电流进行换流。这意味着本发明的受控电子开关可以在电流值范围I(OV)至I(TSM)内使用，即该开关可对几倍于可控硅的额定电流和功率负载值的电流进行换流。
上述所有控制方法可应用于受控电子开关，这些开关对千伏和千安量级范围的电网进行换流。
也可以建立“连环”(“key in Key”)型控制系统，如图5所示，其中高性能、大功率开关由低功率半开关控制。这便可以对大功率电网的电流及电压参数进行直接测量，这一点将在下文描述，且同时实现了完全的绝缘保护。
受控电子开关(图1，2，3，4和6)换流之后的连接由任一适当的方法实现，甚至使用手动开关，其不依赖于被换流的电网的功率容许能力。这是因为可控硅的电参数值和温度系数值在数秒内保持不变，即使如果所采用的可控硅的额定参数值小于被换流网络的额定参数值。受控电子开关的另一特点是将控制极连接。这可以如下式实现通过短路直接连接(图8)；通过一电阻连接(图9)；或者通过一小功率二极管连接(图10)。
如果受控电子开关的控制极通过短路直接连接，则控制电路中的电流始终与流过负载的电流成正比，而无论该电流为mA和kA量级。控制电路中的电流可能在几mA至几百mA范围内。“连环”系统对于同时测量通过负载的电流和电压是一可行的方法。在这种情况下，在大功率开关的控制电路上测得的电压通常等于被换流网络的电压，但流经控制网络的电流仅为几mA。在其中有一短路的低功率开关的控制电路中，流经电流通常与负载上的电流成正比，且量级为几mA至几百mA。
如果受控电子开关的控制电极通过一电阻连接(图9)，或者通过一低功率二极管连接(图10)，则流过控制电路的电流将保持恒定，且不依赖于负载中的电流及电流变化。
如果受控电子开关的控制极通过一LED(图11)，或者通过一LED及其与之串联的一电阻连接，则受控电子开关将执行其换流功能，其工作如同两个反向并联可控硅，且LED允许对系统进行视觉诊断。
总结上述问题，基于本发明的受控电子开关的换流装置可同时提供对负载进行无电弧和火花的换流供电；本地控制和遥控，这些控制可以是机械的、电磁的、光的、基于正温度系数热敏电阻的、基于传感器件的、红外的、电子的，等等；
对全波或半波功率的间断开关操作；在诊断和显示换流装置中每一独立元件的位置、状态、和功能；短路和过载，或者电击保护；任何气候条件下的施工，例如有爆炸危险的、高湿度的、机械污染的；集合成数字数据处理装置，并由逻辑命令来控制；在“零相位”时对负载换流，且考虑电抗性负载的COS fi(COSφ)因数；在自动系统中应用高精度继电器。
基于这些特点，基于本发明的受控电子开关的换流装置在科学技术、工业、家庭、甚至军工及空间研究领域有广泛应用。
本发明的受控电子开关与所述的控制电路一起满足了对不同类型和大小的负载的换流需要，且允许根据任选时序图进行换流。
参考符号表D 二极管T1-T4可控硅LED 发光二极管T11-T14可控硅O，N零线 T21-T24可控硅R1，R2电阻 TS控制时间A，R，S，T 相线 U 电压源RL负载 URL负载上的压降S1，S1′ 开关S2开关S3，S3′ 开关S11-S18开关
权利要求
1.包含两个反向并联可控硅(T1，T2)的受控电子开关，其特征在于在可控硅(T1，T2)的控制极之间提供一开关(S1)。
2.根据权利要求1所述的开关，其中一电阻(R1)与位于可控硅(T1，T2)控制极之间的开关(S1)串联连接。
3.根据权利要求1所述的开关，其中一个二极管(D)与位于可控硅(T1，T2)控制极之间的开关(S1)串联连接。
4.根据权利要求1所述的开关，其中一齐纳二极管(Z)与位于可控硅(T1，T2)控制极之间的开关(S1)串联连接。
5.根据权利要求1至4所述的开关，其中第二开关(S2)与一对反向并联连接的可控硅(T1，T2)串联连接。
6.根据权利要求5所述的开关，其中第三开关(S3)与由第二开关(S2)和一对反向并联可控硅(T1、T2)组成的串联电路并联连接。
7.根据权利要求1到4所述的开关，其中在可控硅(T1、T2)的控制极间具有开关(S1)的该对反向并联的可控硅(T1、T2)连接在另一对反向并联的可控硅的控制极之间。
8.根据权利要求1所述的开关，其中在可控硅的控制极之间具有开关(S1，S1′)的反向并联的可控硅对(T1和T2，T3和T4)接入在负载两侧的交流电路的相线(R、S、T)和零线(N)之中，其中在并联到一对可控硅(T1、T2)的零线(N)中有一开关(S3)，以及在并联到一对可控硅(T3、T4)的相线中有一开关(S3′)。
全文摘要
一种受控电子开关(半导体开关装置)，用于将不同容量的电气负载与直流线路或单相或多相的交流线路相连，保证在断开运行负载的过程中，不产生电弧或火花，显著地降低瞬变不稳定过程，本发明所述受控电子开关包含两个反向并联可控硅(T
文档编号H03K17/0814GK1138393SQ94194570
公开日1996年12月18日 申请日期1994年12月2日 优先权日1993年12月3日
发明者瓦伦丁·纳吉, 莱杰斯·纳吉 申请人:瓦伦丁·纳吉, 莱杰斯·纳吉