具有电流调节的电子开关的制作方法

1.本发明涉及一种电子开关，其具有带驱控电路的半导体开关。本发明还涉及具有这种电子开关的供电系统。本发明还涉及用于运行这种电子开关或这种供电系统的方法。


背景技术：

2.当今，开关还用于在供电系统中使用电器能与电网分离。借助于开关同样能够实现的是，关断供电网的一部分或者使供电网的不同部分相互连接或相互分离。在此，分离能够出于运行的原因进行又或者用于在出现故障时保护供电系统的构件。在此能够利用开关例如使分别具有一个或多个连接其上的用电器的一条线路或多条线路与供电系统的一个电源或多个电源分离。
3.当今，在出现故障时使涉及的部分与供电网分离，以便能够使供电网的剩余的部分保持运行。为此采用机械开关以及电子开关。
4.供电网当今主要实施为ac(交流)电网。各种电压等级能够因此以简单的方式借助于变压器实现。在此，在也被称为接通状态或导通状态的通状态中进行导通连接，同时在也被称为关断状态或非导通状态的断状态中使开关的输入端口和输出端口相互电隔离。通状态和断状态之间的转换在机械开关中通过电流引导元件的运动实现。
5.除了机械开关外还已知基于半导体开关的开关。该开关被称为电子开关。其特征在于其能够快速地开关。此外，该开关对于关断来说不需要电流过零，从而使该电子开关特别适合用在直流电网中。
6.电子开关的目的在于，使至少两个存在的端口相互电分离以阻止电流或者相互电连接以实现电流。在端口上存在的电感(部分地还有电缆的寄生电感)导致开关时产生必须被控制的过电压。然而其不是本发明的内容。这种电子开关的实施例在wo 2019/011642 a1中给出。电子开关不能与变流器的开关元件混淆。在那里也采用半导体作为开关元件，其用于生成能预设的电压。然而变流器的这种开关元件不能自动用作电子开关。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于改善电子开关。
8.该目的通过一种电子开关实现，其具有带驱控电路的半导体开关，其中，驱控电路设计用于以脉宽调制运行半导体开关。此外，该目的通过具有这种电子开关的供电系统实现，其中，电子开关使供电系统的第一部分与供电系统的第二部分能分离地连接。此外，该目的通过用于运行这种电子开关或这种供电系统的方法实现，其中，至少暂时地以脉宽调制驱控电子开关的半导体开关。
9.本发明的另外的有利设计方案在从属权利要求中给出。
10.本发明的构思在于，电子开关能够改善成使得其至少暂时地以脉宽调制运行。在此，半导体开关以脉冲频率接通和关断。半导体开关导通的持续时间与导通和截止状态中的持续时间的总和的比例称为调制度。导通和截止状态中的持续时间的总和对应于脉宽调
制的周期持续时间或者脉冲频率的倒数。在0或0％的调制度的情况下开关是关断或非导通的，在1或100％的调制度的情况下开关是导通的。在它们之间的所有值的情况下开关行为以脉冲频率实施，该脉冲频率引起电子开关上的电压降以及经过电子开关的电流的减少。调制度也被称为占空比(duty cycle)。
11.电子开关的目的在于，使至少两个存在的端口相互电分离以阻止电流或者相互电连接以实现电流。所谓的状态是在运行时期望的稳定的状态。为电子开关的两个已知的状态扩展另外的运行状态，在其中以脉宽调制运行电子开关的半导体开关以限制电流。
12.所提出的开关是用于建立和中断电连接的电子开关。在此例如能够涉及电源和用电器之间的连接。可替换地，也能够实现特别是能量分布系统的两个子网之间的连接。
13.将电子开关用于实施供电系统中的开关行为、特别是保护功能的应用提供了自由度。除了开关的典型的导通状态和关断状态之外，电子开关提供的可能性在于以脉宽调制(开环)控制或(闭环)调节通过电子开关传输的电功率。因此，作为关断有故障的线路或有故障的用电器的替代，在故障情况下还能减少功率或电流。如果例如面临过载的风险时，经由电子开关传输的功率或电流能被减少，以能够继续实现连接的构件的运行。对此，例如能够减少相应的线路的电流和/或电压。通过电流限制、例如对于电阻式用电器来说通过减小电压，能够因此在减少功率时保留线路的运行。此外，通过减少电压能够使调节的用电器、例如变流器识别要限制提供的功率并且随后由此实施功率缩减。
14.除了纯功率减少之外，还能模拟具有提高的内阻的电源。因此存在的这种高内阻防止有故障的线路中由于电流限制导致的损坏或破坏，从而在故障情况下还利用这种开关为敏感的负载提供能量，而不是必须直接关断。仅当例如经由电流最大值或虚拟源的内阻限定的功率减少不导致期望的结果时，能够借助于开关行为在电子开关的非导通状态中将线路与供电网的剩余部分完全分离。对此能够随后限定多个触发阈值。该电子开关直到确定的第一边界值才处于导通状态中。在高于该第一边界值时，电子开关减少电流和/或电压，从而减少传输的功率和/或电压。开关仅处于合理地大于第一边界值的第二边界值时才被置于关断状态。边界值例如能够是电流、电压或功率。
15.该功能不仅用于具有交流电压的网络或系统，还用于具有直流电压的网络或系统。
16.此外，将脉宽调制的运行作为电子开关的、除了导通状态和关断状态之外的第三状态的优点在于，只要能够借助子网络的能量流的控制/调节保护免于过载，供电网的部分在存在故障时不必被强制关断，而是能够继续保持运行。在此例如能够直接(电阻负载自动在较小的供电压时减少功率)或者间接地实施为，受控或受调节的用电器(例如变流器、充电装置等)识别较小的供电电压并且由此通过其自身的调节/控制减少接受的功率。因此明显提高供电系统的可用性，并且同时经由第二边界值完全同样可靠地确保免于过载的安全性，如利用机械开关能够实现的那样。
17.在本发明的一个有利的设计方案中，电子开关具有两个半导体开关，其中，半导体开关设置成能够与经过电子开关的电流的方向无关地关断电流。对于半导体开关反向导通的情况，半导体开关具有与其所连接的元件并联的二极管，二极管引导电流反向于电流方向地通过接通的元件。随后接通的元件和二极管反向并联地布置。在该情况下，多个半导体开关串联地布置，使得电流以第一电流方向通过第一半导体开关的接通元件和第二半导体
开关的二极管。相反的电流通过第二半导体开关的接通的元件和第一半导体开关的二极管。
18.对于半导体开关反向截止地设计、即仅能够在一个方向导通和关断电流的情况，半导体开关具有仅一个接通的元件。为了使电流能够与通过电子开关的电流的方向无关地导通和关断，半导体开关布置在并联电路中。在此，半导体开关反向并联地布置。这意味着，电流以第一电流方向通过第一半导体开关的接通的元件，并且以相反的电流方向通过电子开关的电流通过第二半导体开关的接通的元件。
19.该布置的优点在于，使能反馈的负载还能安全地与电源分离。此外，这种开关能够使不同的能量分布网或能量传输网也相互能分离地连接。
20.在本发明的另一个有利的设计方案中，电子开关具有电流传感器，其中，能够根据电流传感器的测量值来确定脉宽调制的调制度。对电流传感器特别有利的是，应当控制或调节通过电子开关的电流。随后，电流的测量值能够直接在电子开关的调节中应用。在能够根据电流值识别的无故障的运行中，电子开关保持在导通状态。对于保护来说随后能够确定两个边界值。开关在超过第一边界值时以脉宽调制运行，以便限制电流。电子开关在超过大于第一边界值的第二边界值时随后关断。
21.在利用脉宽调制运行中证明有利的是，电子开关和/或供电系统具有电流传感器，其中，根据电流传感器的测量值确定脉宽调制的调制度。当应当进一步减小电流时，进一步缩小调制度。这能够一直进行直到调制度达到值0为止。在该值的情况下电子开关断开，即不导通。还特别有利的是电流变换器已经布置在电子开关中，因为由此也在没有电子开关的调节的高开销的数据接口的情况下已知其测量值。然而还能实现的是，在电子开关之外布置电流传感器。合理的是在那里测量电流的装置，该电流至少流过电子开关，因为该电流随后能被电子开关影响。换句话说，电流传感器设在利用电流传感器测量电流的地方的布置是有利的，该电流至少部分地流过电子开关。
22.同样能够实现的是，不仅评估电子开关的电流转换器，还评估在供电系统的其它位置的电流转换器，并且从其中确定用于电子开关的半导体开关的调制度。
23.在本发明的另一个有利的设计方案中，供电系统设计为直流电网。特别有利的是用于dc(直流)电网的应用，因为电子开关特别好地适用于不过零地接通电流，其与机械开关相比特别紧凑。此外，在dc电网中的应用是特别有利的，因为开关以特别简单的方式通过应用脉宽调制也能运行作为dc/dc控制器。在dc/dc控制器中与用于ac应用的变流器相反仅需要一个能关断的半导体开关，如其在电子开关中已经存在的那样。
24.为了减小电压而以脉宽调制驱控半导体开关。在此，能够实现电损耗较小的情况下的运行。因此利用开关实现dc/dc控制器，在其中电压经过电子开关下降，并且输出端电压(在电子开关的相对于参考电压的负载侧的端口上)相对于输入端电压(在电子开关的相对于参考电压的电源侧的端口上)减少该量值。
25.在本发明的另一个有利的设计方案中，电子开关在其端口中的至少一个端口处与二极管连接。如果利用电子开关使用电器与直流电网连接，那么能够有利地在电子开关的连接有用电器的端口处布置二极管。随后，二极管布置在为用电器提供电压的电势之间。在此，二极管被极化，使得其截止所施加的电压。其正好对电感式用电器是有利的，因为通过电子开关的关断由此可靠地防止开关和/或用电器上的过电压。当二极管布置在与电源连
接的电子开关侧时，二极管是没有缺点的。因此对于电子开关的广泛的应用来说能够实现电子开关的两个端口分别装有相应的二极管。
26.在本发明的另一个有利的设计方案中，电子开关在在其端口中的至少一个端口处与电容器连接。在电子开关的电源侧的端口处通过接通也能够产生正好在脉宽调制中的过载电压。过载电压越大，该端口上的感应表现就越大。通过另外在直流电网中也用于电压支持的电容器，能够减少该过载电压。在此，开关也能够是网络滤波器的一部分，其设置用于消除供电系统中不期望的电流。
27.在本发明的另一个有利的设计方案中，电子开关的半导体在导通状态与非导通状态之间的变换期间被以脉宽调制驱控一个时间段。从接通状态到关断状态和/或从关断状态到接通状态的中间步骤特别经济地实现两个子网络又或者各个用电器以及电源的过渡。因此提出，由此通常减少或消除能够影响用电器或电源的寿命的过载电压和/或过载电流。多个用电器、特别是具有电容式或电阻电容式表现的用电器引起大的接通电流。通过该中间步骤能够部分地显著减少该接通电流。对于控制或调节来说有利的是，对此不需要测量值。电子开关的接通或关断能够无传感器地实施，并且在此避免大的接通电流或电压波动。
28.为此能够在接通时将调制度连续但不一定线性地从0％提高到100％。在关断时随后将调制度连续但不一定线性地从100％减少到0％。因此能够以简单的方式将脉宽调制的中间步骤集成到开和关的状态之间的切换中。
29.在本发明的另一个有利的设计方案中，当第一调制度小于第二调制度时，在第一调制度的情况下的脉宽调制的脉冲的边缘斜度小于在第二调制度的情况下的脉宽调制的脉冲的边缘斜度。在理想并且因此无级的接通中开关边缘是竖直的。也就是说，存在无穷大的边缘斜度。在实际中总是也仅经过很小的持续时间，在其中开关从导通过渡到非导通状态中并且相应地改变负载侧端口的电压。因为在过渡期间不仅存在半导体开关上的电压还有通过半导体开关的电流，所以在接通过程中产生电损失。当边缘斜度变小时这些损失就变大。该表现能够以正面的方式被利用。假如半导体开关在脉宽调制中运行，那么就能够由此出发，即得出在供电系统中存在故障或至少一个不期望的结果。当对此调制度已经相应地是小的以限制电流时，则意味着即使电子开关已经在到打开状态的边界附近运行，仍总是存在大电流。这能够表示供电系统中的短路或波动。由于较大的电流，还能随后激励供电系统中的另外的波动。然而为了减弱波动，损耗是必要的。波动随后能够在较低的调制度中以小的边缘斜度以简单的方式嵌入供电系统中，并且因此使其以简单的方式稳定。此外，小边缘斜度时的频率频谱明显较小，从而使在网络中存在的共振明显变得不可能。因此消除供电系统中的激励，并且甚至生成具有减小的边缘斜度的消减行为。供电系统能够因此稳定。
30.该功能是非常稳固的，因为对此也不需要用于控制的测量值。显示的是，在正好为功率和/或电流的限制应用的小的调制度的情况下，供电系统能够以简单的方式通过小的边缘斜度在半导体开关的时钟脉冲中稳定。因此，同时实现两级的方案，在其中在第一级中脉宽调制尝试限制电流，并且仅在使脉宽调制在其调节可能方案的边界处的第二步骤中，供电系统借助半导体开关中生成的损失被稳定并且减弱。损失导致电阻式表现，这进一步减少传输的电流和功率。
附图说明
31.接下来根据附图所示的实施例详细描述和阐述本发明。附图示出：
32.图1示出电子开关，
33.图2示出供电系统，并且
34.图3至图6示出不同参量的时间过程曲线。
具体实施方式
35.图1示出了电子开关1。电子开具有半导体开关2，半导体开关利用其两个半导体能够在两个方向上引导和关断电流。半导体开关2以及其半导体由驱控电路3驱控。该驱控电路3能够实现的是，半导体开关2以及布置在其中的半导体以接通状态、关断状态以及脉宽调制运行。接通状态也称为导通状态、闭合状态或开状态。关断状态也称为非导通状态、打开状态或关状态。在脉宽调制的运行中，半导体开关2以脉冲频率脉冲式运行。从接通状态与关断状态的时间比例中以时间方式得出电子开关1的输出端处的输出电压。接通状态的持续时间与周期持续时间的比值(对应脉冲频率的倒数)是调制度a。调制度a的确定或计算能够通过电子开关1的调节/控制器8根据电流变换器4的测量值实现。其如所示那样能够布置在电子开关1中或者在供电系统10中的其它位置。也能够实现的是，在电子开关1运行时脉冲调制不根据电流传感器4的测量值设置。相应的调节器是无传感器的。
36.随后利用脉宽调制能够减少通过电子开关1的电流或功率。此外附加地能够实现的是，通过边缘斜度的匹配在脉宽调制的脉冲中借助于电损失稳定并且以减少电流来影响供电系统10。
37.图2示出了供电系统10，在其中借助于电子开关1使供电系统10的第一部分21与供电系统10的第二部分22连接。在此，第一部分21具有电源11，其为供电系统10提供电能。第二部分21具有用电器12。其能够借助于电子开关1与能量供应系统分离。此外，两个部分21、22能够作为子网络分别还具有另外的电源11和用电器12。为了改善开关表现，在电子开关1的源侧的端口5处设有电容器7。电容器在电子开关1的开关表现中减少了可能的过载电压。此外，当该供电系统10设计为直流电网并且因此正面地影响供电网10的稳定性时，电容器7支持电子开关1上的输入电压。为了保护不受电子开关1或用电器12上的另外的过载电压的影响，在电子开关1的负载侧的端口5处设有二极管6。二极管仅能合理地在直流电网中采用并且在此保护作为用电器12的构件、特别是电感式负载不受过载电压影响。
38.此外作为电子开关1中的电流传感器4的附加或替代方案，为了测量由电子开关1调节的电流，电流传感器4能够还布置在电子开关1之外的供电系统10中的其它位置。在此，被测量的电流应当至少部分地流过电子开关1，其接收相应的变换器的测量值。
39.在电子开关1的源侧的端口5上存在电网电压u
netz
，同时在电子开关1的负载侧的端口5上施加输出电压u1。在利用脉宽调制的运行中，时间上的过程曲线在接下来的附图中详细描述和阐述。
40.图3示例性地示出了例如在根据图2的布置中存在的用电器12接收的电流的时间上的过程曲线。图4示出了使用电器12与电源11连接的电子开关1的调制度的所属的时间上的过程曲线。在时间点t1接通开关，调制度能识别为100％。电流在时间点t1达到其最大允许值并且面临超过该值的风险。从该时间点起以脉宽调制运行电子开关1。调节系统使调制度
降到100％之下的值并且因此将电流保持在恒定的值、例如最大允许的值。在时间点t2不再存在过载。电子开关1再次接通(调制度为100％)并且用电器12接受在允许的值之下所需要的电流。
41.图5示出了高调制度a的情况下半导体开关2的负载侧的端口上的电压u1关于参考电势的时间上的过程曲线。引入的是开关表现的周期持续时间t。当电子开关接通、即导通时，在负载侧的端口上存在关于参考电势的电网电压u
netz
。在关断的状态中存在0v。
42.因为接通状态中的时间明显大于关断状态中的时间，所以调制度明显超过50％。在高调制度时应当尽可能小地保持损失。因此开关边缘表现为近似竖直。其对应高边缘斜度、特别是无限大的边缘斜度。然而，图6以明显在50％之下的相对小的调制度示出了类似的时间曲线。在此，半导体开关2的损失能够由此减弱并且以电流减少来影响供电系统10、特别是用电器12。因此证明有利的是，利用减少的调制度减小开关边缘的斜度。因此，边缘斜度在小的调制度a时也是小的。因此例如能够在超过50％的调制度的情况下使边缘斜度实现能通过驱控电路达到的最大值，同时其在低于50％的调制度a的情况下连续或分级地降低。在此，级的数量能够任意选择。该降低能够涉及如图6所示的下降沿或者上升沿。此外，也能够设置两个开关边缘，即具有下降的边缘斜度的下降沿和上升沿。虚线示出的是当边缘斜度不下降时电子开关的负载侧上的电压关于参考电势的时间曲线。
43.总之，本发明涉及一种电子开关，其具有带驱控电路的半导体开关。为了改善电子开关而提出，驱控电路设计用于以脉宽调制运行半导体开关。此外，本发明涉及供电系统，其具有这种电子开关，其中，电子开关使供电系统的第一部分与供电系统的第二部分能分离地连接。此外，本发明涉及用于运行这种电子开关或这种供电系统的方法，其中，至少暂时地以脉宽调制驱控电子开关的半导体开关。