快速电子开关的制作方法

1.本发明涉及一种电子开关，该电子开关具有至少一个可关断的半导体开关和与半导体开关并联布置的串联电路，该串联电路包括用于在关断过程中吸收能量的电容器。


背景技术：

2.如今，电能的供应主要通过交流电网进行。其优点在于，可以借助变压器产生不同的电压水平。通过在市场上越来越便宜地可获得的半导体，也可以以简单的方式为直流电网产生不同的电压水平，使得准确地说通过直流电网的能量供应、尤其是在工业电网内的能量供应也变得特别经济。
3.在未来的工业工厂中，直流电网旨在减少损耗，确保转换器、储能器和负载之间的直接能量交换，并实现更高的鲁棒性。在此，例如可以在不同的负载输出和馈电之间运行具有不同电缆长度的小型直流电网。小的电缆长度导致引线中的非常小的纵向电感，使得故障电流可能具有非常陡峭的电流上升。同样地，直流电网中缺少交流电网中存在的无功电阻，无功电阻限制短路的最大电流。这使得对于故障情况需要非常快速的故障识别和关断。机械开关往往不能满足这些要求。因此，引入具有半导体开关的所谓的电子开关。这些也被称为固态断路器。与机械开关相比，这些开关的特征在于特别快速的通断，通常在100ns的数量级中。
4.从ep 3 367 567 a1中已知一种用于断开电流路径的开关装置。该文献涉及一种用于分离直流电网的包括源侧和负载侧电感的电流路径的开关装置。该开关装置包括至少两个串联连接的开关模块，其中，这些开关模块中的每个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该半导体开关元件并联连接。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题是，改进电子开关、尤其是在其开关特性方面改进电子开关。上述技术问题通过具有权利要求1的特征的电子开关来解决。
6.根据本发明的电子开关包括可关断的半导体开关和串联电路，该串联电路与可关断的半导体开关并联地布置，并且包括第一电阻、电容器和第二电阻。在此，第一电阻和第二电阻一起被构造为双线电阻。
7.可关断的功率半导体开关可以是如下开关，该开关能够仅在一个方向上关断电流。这尤其适用于如下负载，该负载是不能反向馈送的并且因此也仅在一个方向上引导电流。同样地可以是可关断的功率半导体开关，该功率半导体开关可以在两个方向上关断电流。
8.可关断的半导体开关对电压峰值敏感，电压峰值在接通电流时、尤其在关断电流时出现。由于直流电网中存在的电感，例如由于电缆的寄生电感，电流变化和特别是电流中断导致高电压，该高电压然后会部分地在可关断的半导体开关上下降并且会损坏半导体开关或降低其使用寿命。通过由电容器和双线电阻构成的、并联布置的串联电路，能够可靠地
保护可关断的半导体开关免受出现的过电压和电压尖峰的影响。
9.在此，从开关的截止状态到导通状态的转变被称为接通，而从开关的导通状态到截止状态的转变被称为关断或断开。
10.依据其电流-电压特性曲线，在关断可关断的半导体开关时产生的电压的一部分在电阻上下降，另一部分在电容器上下降。由此，在电容器中形成电压，该电压与电阻的电压相加。根据等式u(t)＝l*di/dt，负载电流通过电容器的施加的反电压下降，并且由于电容器的特性i(t)＝c*du/dt，在电容器上越来越多地建立反电压。在任何情况下都由此产生大于驱动直流电压的反电压，因为通过流经电容器的电流形成反电压，该反电压在一定时间之后不可避免地且可靠地阻止电流流动。
11.以有利的方式，通过根据本发明的结构提供一种电子开关、尤其是用于直流连接的电子开关，其中与并联的电容器串联布置的电阻是特别低电感的。由此提供一种电子开关，该电子开关也能够将高的短路电流快速地换向到电容器中并且因此能够特别快速地关断这些短路电流。
12.特别有利的是，电子开关在直流电网中应用在中压水平上，即在几千伏电压的范围内并且在至少在短路时在几千安的范围内的电流的情况下。然而，该开关也可以在直流电网中应用在低电压水平上，即小于1500v的直流电压。因此，其优选是电子直流开关。
13.对于低电感的结构来说重要的是，共同形成双线电阻的第一电阻和第二电阻电气布置在电容器的两侧，即，换言之，保持第一电阻、电容器、第二电阻的顺序，因为只有这样才能实现低电感的结构。在这种情况下，第一电阻和第二电阻在物理上并排地布置为，使得电流的方向在两个电阻中彼此相反。由此，所产生的磁场在很大程度上被抵消，并且整个构件、即双线电阻达到非常低的电感。
14.根据本发明的装置的有利的设计方案由权利要求1的从属权利要求得出。在此，根据权利要求1的实施方式可以与从属权利要求之一的特征或者优选也与来自多个从属权利要求的特征相组合。因此，对于电子开关还可以附加地设置以下特征：
[0015]-双线电阻可以包括铁合金、特别是v4a钢。在此，v4a钢应代表crnimo钢。这些铁合金一方面是非磁性的并且另一方面具有与铜或铝相比明显更高的电阻率，这明显简化了双线电阻的构造。替换地，双线电阻可以包括其它电阻合金作为材料，例如康铜(konstantan)，并且特别是由该材料构成。
[0016]
特别有利地，双线电阻由此可以具有毫米范围内的厚度，而不会获得过小的电阻。由此能够实现与半导体开关以及与电容器的适当稳定的连接。相反，由铜制成的双线电阻是薄膜状地薄的，因为其宽度不能非常小，而又不增加电感。
[0017]-共同形成双线电阻的两个电阻可以借助冲压制造。冲压有利地是简单的低成本的和灵活的制造形式，当电阻用作导轨并且必须承载电容器接头的机械负载时，即材料厚度在毫米范围内时，该制造形式也可以使用。
[0018]-第一电阻和第二电阻可以分别具有矩形的形状，其中两个彼此对置的边朝向一侧弯曲90
°
。因此，对于每个电阻，得到直角c或直角括号“[”的横截面。两个电阻优选地以背部彼此相对地布置，从而得到“][”形状的横截面。在此，弯曲的端部件用于固定在半导体开关上和电容器上，而彼此面对的背部构成实际的电阻。在材料的厚度足够的情况下，即具有足够的机械承载能力的情况下，双线电阻除了电连接之外也可以构成半导体开关和电容器
之间的唯一的机械连接。
[0019]-在替换构造中，双线电阻还具有“][”形状的横截面，然而在俯视图中不再具有矩形形状。更确切地说，电阻朝向电容器逐渐变细，使得两个电阻在俯视图中具有梯形或带有连接的梯形的矩形的形状。
[0020]-在另外的替换结构中，电阻具有l形横截面。为了形成双线电阻，两个电阻相互置入布置并且因此形成双壁l形。该l形的一个臂位于半导体开关的接头上，并且另一个臂相应地从半导体开关的表面伸出并且用于连接电容器。如果电容器具有细长的圆柱形，则其圆柱形轴线在电阻的该形状的情况下平行于半导体开关的表面，而不是如在具有“][”形状的横截面的前述替换方案的情况中那样垂直地从表面突出。由此，该替换方案是节省空间的。
[0021]
所有机械装置的共同之处在于电阻面的双线结构。
[0022]-因为所有线路连接又将自身的电感引入到电路中，所以与双线电阻并联的电子开关优选包括恰好一个唯一的可关断的半导体开关。如果电阻同时是半导体开关和电容器之间的直接电连接，则在由半导体开关、电阻和电容器构成的换向回路中实际上取消了还具有电感并且在关断过程中引起高电压并且可能延迟电流换向的所有电气线路。由此有利地实现低电感的换向电路，该低电感的换向电路已经利用仅两个与双线电阻和电容器并联的半导体开关仅非常困难地实现。
[0023]-即使电子开关仅包含恰好一个半导体开关，也可以将电子开关的多个副本组装成一个总开关。例如，多个电子开关可以串联连接。
[0024]-替换地，开关可以包括恰好一个功率半导体模块。功率半导体模块是功率半导体的如今常见的结构形式并且包括在共同的壳体中的一个或多个单独的半导体开关。在这种模块中例如可以布置两个串联的、两个并联的或两个反串联的或两个反并联的半导体开关。因为在这种模块内的线路连接是短的并且因此是低电感的，所以即使模块本身包含多于一个半导体开关，也可以实现非常低电感的开关。例如，因此也可以提供低电感的双向开关。
[0025]-在另外的替换方案中，开关包括多个功率半导体模块中的多个功率半导体，其中，功率半导体模块串联地或反串联地连接。
[0026]-市场上的可关断的半导体开关通常只能关断一个方向上的电流。这种可关断的半导体开关的典型代表是igbt或mosfet。如果在使用这种可关断的半导体开关的情况下，希望能够通过开关在两个方向上关断电流，则使用这些可关断的半导体开关中的两个。由此可以通过电子开关关断电流的两个极性。开关在此被布置为，使得从电子开关的第一接头到电子开关的第二接头的电流可以通过两个可关断的半导体开关中的第一可关断的半导体开关引导和关断，并且从电子开关的第二接头到电子开关的第一接头的电流可以通过两个可关断的半导体开关中的第二可关断的半导体开关引导和关断。对于与半导体开关的开关元件并联地布置二极管的情况(二极管能够实现可关断的半导体开关的反向传导性)，两个半导体开关被布置在串联电路中。因为两个半导体开关的开关元件分别引导和关断具有不同极性的电流，所以该串联电路也被称为反串联电路。在此，两个半导体开关关于集电极和发射极或者漏极和源极接头相对地转动。因此，对于双向运行，电子开关中的两个或更多个可以反串联连接，其中通常使用偶数个电子开关，其中一半与一个电流方向相关联，另
一半与另一个电流方向相关联。
[0027]-第一电阻和第二电阻可以通过绝缘板或绝缘薄膜彼此分开地安置，并且借助螺旋连接的板彼此压紧。对此的前提条件是，电阻具有面状的区域，该区域能够彼此压紧。面状的区域是有利的，因为面状的区域能够使电阻彼此靠近地布置，这能够实现低电感。在关断半导体开关并且换向相当大的电流、例如ka范围内的短路电流的情况下，在两个电阻之间出现相当大的机械力，该机械力促使电阻分开。然而，电阻之间的距离增大会增加电感。因此有利的是，电阻通过彼此压紧而保持小的间距。
[0028]-第一和/或第二电阻可以具有曲折形的子区域。换言之，在所涉及的电阻中存在如下子区域，在该子区域中材料成形为，使得电流路径是曲折形的。材料的成形例如可以通过合适的冲压来实现。由此或通过其他手段，例如可以在电阻的材料中引入间隙，该间隙迫使电流路径呈曲折形状。如果在引导电流的矩形面中引入曲折形状，电流必须沿着该曲折形状流动，则由此延长了电流路径并且同时减小了其横截面。由此，电阻相对于矩形面中的自由的电流流动显著提高。在电阻的给定的物理尺寸和通过机械强度所要求的最小厚度的情况下，这又可以实现在电子开关所需的范围内的电阻的调节。曲折形状适宜地这样布置，使得电流通过曲折又被抵消。因此，两个板的电流在完全相反的方向上流动，以便实际上抵消总磁场。总磁场的大小又对剩余的电感负责。
[0029]-第一电阻和第二电阻可以直接螺旋连接到可关断的半导体开关的接头上。电容器又可以直接螺旋连接到第一电阻和第二电阻上。由此得到非常低电感的连接。
[0030]-电子开关可以是中压直流开关或低压直流开关。作为低压直流开关，其可以例如在船舶电网中在约为500v至1500v的电压下使用。作为中压直流开关，其可以在1500v dc至大于10kv dc的电压下使用。在子电网在故障情况下必须快速断开的情况下，子电网断开时的低电感和因此高的开关速度是特别有利的，该子电网例如在船舶上使用。
[0031]-开关也可以用于“多”串联电路、即多个电子开关的串联电路的应用(高压直流输电)中。在此，然后达到高达1000kv dc的直流电压。
附图说明
[0032]
下面参照在附图中示出了的实施例更详细地描述和解释本发明。附图中：
[0033]
图1示出了具有电子开关的直流电网，
[0034]
图2示出了具有低电感电阻的电子开关的实施例，
[0035]
图3示出了电子开关的横截面，
[0036]
图4示出了低电感电阻的子电阻的空间视图，
[0037]
图5示出了电子开关的空间视图，
[0038]
图6和图7示出了子电阻的替换形状的空间视图，
[0039]
图8示出了具有多个开关块的电子开关，
[0040]
图9示出了双向电子开关。
具体实施方式
[0041]
图1示出了直流电网33，其也被称为直流电压电网。直流电网由直流源30(也被称为直流电压源)为负载31供电。该负载例如可以是具有变流器的驱动器，其中，变流器以其中间电路经由电子开关1与直流源30连接。
[0042]
具有第一接头12和第二接头13的电子开关1在此连接到直流电网33的线路中。电子开关1可以关断在线路中流动的电流。根据电子开关1的类型，该电子开关可以关断在第一和第二接头12、13之间的沿仅一个方向或沿两个方向的电流。
[0043]
直流源30和负载31之间的线路可以在其感应特性方面呈现完全不同的特征。该电感特性在图示中借助电感32示出。电感32可以呈现非常小的值，因为不存在变压器(利用变压器的电感引起电流限制)。另一方面，由于大的电缆长度，电感也可以呈现非常大的值。
[0044]
对于电子开关1，由此得出如下要求，即，由于小的电感和与之相关的大的电流变化，尤其在短路时，该电子开关应具有非常快速的开关特性，由此能够可靠地控制例如在短路时产生的不允许的高电流。此外，电子开关1还必须能够在高电感的情况下可靠地工作。在相同的电流下，大电感储存的能量要多得多。这种能量必须在关断短路时被储存或耗尽，否则会在断路器上产生过电压。
[0045]
图2示出了具有过电压限制的电子开关1的实施例。与可关断的半导体开关21并联地布置有第一串联电路10。该第一串联电路10具有电容器3和两个子电阻4a、4b，这些子电阻布置在串联电路中。如果可关断的半导体开关21关断电子开关1的接头12、13之间的电流，则通过电感驱动的电流被换向到第一串联电路10上。电容器3和电阻吸收来自电感的能量。由此，在开关1上产生的电压降低并且避免了开关的损坏，所述电压由通过关断而产生的大的电流消耗产生。
[0046]
在此，两个子电阻4a、4b如在图2中所示并且如在图3中还更清楚地示出的那样在空间上相邻地布置。在此，该布置使得流过子电阻4a、4b的电流如在图2中通过箭头示出的那样是反向的。由此，由流过所述子电阻的电流引起的磁场在很大程度上被抵消。因此，子电阻4a、4b一起形成双线式构造的电阻4。电阻4因此是非常低电感的，并且电流到串联电路10中并且因此到电容器3的换向由此可以非常快速地进行。因为两个电阻4a、4b中的电流必须是反向的，以便实现低电感电阻4，所以两个电阻4a、4b中的一个必须布置在串联电路10中的电容器3的上游并且另一个电阻必须布置在电容器3的下游。换言之，在串联电路10中必须遵守顺序r-c-r。
[0047]
用于构造双线电阻4的可能性在图3的截面图中示出。在此，在横截面中示出了两个子电阻4a、4b并且分别具有直角c的形状或直角括号“[”的形状。在此，两个子电阻4a、4b以该形状的背部彼此相对地布置，从而在图3中示出的横截面中得到两个分开指向的直角括号“][”的形状。在端部区域41a、41b上，子电阻4a、4b中的每个子电阻利用螺纹连接5安装在半导体开关21的接触面上。相应的另外的端部区域42a、42b利用螺纹连接件5与电容器3连接。结合作为用于电阻4的材料的v4a钢得到机械稳定的结构，其中电容器3由电阻4承载。电阻4的厚度d在此处于毫米范围内，理想地处于0.5mm与3mm之间。
[0048]
在其他实施例中，可以使用用于子电阻4a、4b的其他材料，例如电阻材料康铜(konstantan)。也可以使用诸如碳的非金属材料。在此，子电阻4a、4b的厚度d可以大于或小于上面提到的值。
[0049]
图4示出了子电阻4a、4b之一的空间视图。通过冲压制造的电阻4a、4b在此在中间区域中包括曲折结构6。在该曲折结构6中，电流被强制到曲折形的轨道上并且由此明显增加了导体长度，并且同时减小导体宽度。因此，通过曲折结构6总体上提高电阻4a、4b的电阻。这对于将期望的电阻设定在0.1欧姆和0.5欧姆之间是有利的。在没有曲折结构6的情况下，这需要小的材料厚度，使得机械稳定性更难实现。图4还示出了用于与半导体开关21螺纹连接的孔7和用于与电容器3连接的孔8。电阻4a、4b的背部的尺寸优选地在10cm
×
10cm和20cm
×
20cm之间。
[0050]
图5以空间视图示出了电子开关1的完整结构。电子开关1在此包括半导体开关模块51，该半导体开关模块布置在冷却器52上。在半导体开关模块51的上侧上布置有电阻4并且在该电阻上又布置有电容器3。在关断流过电子开关1的电流时，高电流在短时间内换向到电阻4中。由此在子电阻4a、4b上产生显著的机械力，该机械力的方向为，使得子电阻4a、4b相互分离。然而，为了获得低电感结构，子电阻4a、4b的间距必须保持小。因此，两个子电阻4a、4b通过螺旋连接的塑料板53相互压紧，其中，在电阻4a、4b之间布置有绝缘薄膜9。由此确保机械结构即使在关断时也保持不变。
[0051]
图6示出了电阻4的替换结构。在此，子电阻4a、4b的形状发生改变。如在图5中示出的形式中那样，子电阻具有第一端部区域41a、41b，该第一端部区域适合于安置在半导体开关模块51上而成形并且具有孔7。与梯形区域62邻接的矩形区域61连接到该端部区域41a、41b上。在该梯形区域中，子电阻4a、4b朝向第二端部区域42a、42b逐渐变细，该第二端部区域由此具有减小的宽度并且在子电阻4a、4b中的每个子电阻处分别仅具有一个用于连接电容器3的孔8。如在所有这些电阻4中那样，子电阻4a、4b通过绝缘薄膜9分开，该绝缘薄膜类似于子电阻4a、4b地成形，即同样逐渐变细。
[0052]
图6的子电阻4a、4b的逐渐变细的形状提高了子电阻4a、4b的电阻。尽管如此，有利的是，即使在这些子电阻4a、4b中也设置曲折形状，以便将电阻带入0.1欧姆至0.5欧姆之间的范围中，该范围对于电子开关的功能是适宜的。
[0053]
图7示出了电阻4的另外的替换结构。在此，子电阻4a、4b的形状发生改变。在子电阻4a、4b的到目前为止所描述的形状中，在横截面中实现了两个直角括号“][”的形状，而根据图7的形状是ll形状，即，横截面相应于两个相互置入的l形，其中，子电阻4a、4b中的一个形成外置的l，并且子电阻4a、4b中的另一个形成内置的l。在此，l形的第一支腿用于连接到半导体开关模块51上并且又具有孔7a、7b。因为子电阻4a、4b必须彼此叠置，所以孔7a、7b不同，以便在一侧允许外置的子电阻4a与孔7b连接并且在另一侧允许内置的子电阻4b与孔7a连接。
[0054]
第二支腿形成朝向电容器3的导轨并且朝向端部具有用于将电容器3螺纹连接的孔8a、8b。孔8a、8b也被不同地设计，以便接触内置的子电阻4b一次并且接触外置的子电阻4a一次。图7的电阻4也具有布置在子电阻4a、4b之间的绝缘薄膜9，用于子电阻4a、4b的电绝缘。
[0055]
为了满足直流电网33的不同要求，可行的是，将两个或更多个半导体开关21(其具有与其相关联的串联电路，该串联电路由子电阻4a、4b和电容器3组成)串联连接。这种电子开关1在图8中示出。因此，不是例如多个半导体开关21串联并且电容器3与之并联。而是，由半导体开关21和串联电路(其由子电阻4a、4b和电容器3构成)构成的整个块倍增并且彼此
串联连接。由此，电阻4在相应的半导体开关21上的非常低电感的连接得以保持。如果多个半导体开关21与电容器3并联连接，则在换向回路中需要附加的电导体或汇流排，所述电导体或汇流排将提高电感。
[0056]
相反，由半导体开关21和相关联的串联电路(其由子电阻4a、4b和电容器3组成)构成的块与下一个这样的块之间的连接可以是高电感的，而对于电子开关1没有特别的缺点。
[0057]
为了提供双向的电子开关1并且因此能够关断两个方向的电流，从图8可见的电子开关1可以通过多个另外的块来补充，这些另外的块由半导体开关21和与其相关联的串联电路构成，所述串联电路由子电阻4a、4b和电容器3组成，其中，半导体开关21与已经存在的半导体开关21反串联地布置。在此优选地，对于两个电流方向使用相同数量的块。这种电子开关1在图9中示出。例如，这样形成的电子开关1可以具有用于第一电流方向的八个块和用于另一电流方向的八个另外的块。
[0058]
总之，本发明涉及一种电子开关，该电子开关具有一个、尤其恰好一个可关断的半导体开关，其中，该电子开关具有电容器和电阻，其中，电容器和电阻布置在串联电路中，其中，由电容器和电阻构成的串联电路与可关断的半导体开关并联地布置。为了改进电子开关、尤其是在其开关特性方面进行改进，提出电阻包括两个子电阻并且被构造为双线电阻，其中，在串联电路中元件按子电阻、电容器、子电阻的顺序进行布置。
[0059]
附图标记列表
[0060]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电子开关
[0061]
12，13 接头
[0062]
31
ꢀꢀꢀꢀꢀ
负载
[0063]
33
ꢀꢀꢀꢀꢀ
直流电网
[0064]
32
ꢀꢀꢀꢀꢀ
线路电感
[0065]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀ
直流电压源
[0066]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电容器
[0067]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电阻
[0068]
4a，4b 子电阻
[0069]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀ
半导体开关
[0070]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
螺纹连接
[0071]
41a，b 端部区域
[0072]
42a，b 端部区域
[0073]dꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
厚度
[0074]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
曲折区域
[0075]
7，8
ꢀꢀꢀ
孔
[0076]
52
ꢀꢀꢀꢀꢀ
冷却器
[0077]
51
ꢀꢀꢀꢀꢀ
半导体开关模块
[0078]
53
ꢀꢀꢀꢀꢀ
塑料板
[0079]
61
ꢀꢀꢀꢀꢀ
矩形区域
[0080]
62
ꢀꢀꢀꢀꢀ
梯形区域
[0081]
63a，b 端部区域
[0082]
7a，7b 孔
[0083]
8a，8b 孔
[0084]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘薄膜