專利名稱：具有半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的分接開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的分接開(kāi)關(guān)(Stufenschalter)，用于無(wú)中斷 地在可調(diào)式變壓器(Mufentransformator)的繞組分接頭之間切換。
背景技術(shù)：
在WO 01/22447中公開(kāi)了被構(gòu)造為混合式IGBT開(kāi)關(guān)的一種具有半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件 的分接開(kāi)關(guān)。在那里所描述的分接開(kāi)關(guān)根據(jù)其中可以不需要蓄能器(Krafispeicher)的有 載切換開(kāi)關(guān)(Laufiastschalter)的原理而工作。該分接開(kāi)關(guān)具有一個(gè)機(jī)械部件和一個(gè)電 氣部件作為混合式開(kāi)關(guān)。作為WO 01/22447的實(shí)際對(duì)象的機(jī)械部件具有機(jī)械的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)；中央部件是借助 于電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿著與中性點(diǎn)(Sternpimkt)連接的接觸滑軌被移動(dòng)并且連接其中固定的接觸 元件的可移動(dòng)的滑動(dòng)觸頭。實(shí)際的負(fù)載轉(zhuǎn)換本身通過(guò)分別具有格列茨電路中的四個(gè)二極管 的兩個(gè)IGBT實(shí)現(xiàn)。混合式開(kāi)關(guān)的這個(gè)已知設(shè)計(jì)在機(jī)械方面很復(fù)雜且要求高，以確保必需的負(fù)載轉(zhuǎn)換 正好在負(fù)載電流過(guò)零時(shí)。W097/05536公開(kāi)了另一 IGBT開(kāi)關(guān)裝置，其中電力變壓器的調(diào)整線圈的分接頭經(jīng) 由兩個(gè)IGBT的串聯(lián)電路而與公共的負(fù)載引線連接。這種已知的開(kāi)關(guān)裝置根據(jù)脈寬調(diào)制的原理工作；其中，對(duì)回路電流的限制通過(guò)抽 頭線圈的暫態(tài)無(wú)功電抗(transiente reactiveReaktanz :TER)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種已知的電路結(jié)構(gòu)以及所基于的電路原理要求分接開(kāi)關(guān)對(duì)各自的應(yīng)當(dāng)連接的 可調(diào)式變壓器的特定匹配。也就是說(shuō)，可調(diào)式變壓器和分接開(kāi)關(guān)相互協(xié)調(diào)并且電氣地共同 作用。這種已知的開(kāi)關(guān)裝置因此不能生產(chǎn)作為單獨(dú)的能通用的裝置。最后，GB-A-2424766公開(kāi)了用于分接開(kāi)關(guān)的不同電路結(jié)構(gòu)，這些電路結(jié)構(gòu)包含不 同連接的壓敏電阻。在一種實(shí)施方式中，壓敏電阻與各自的開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接，并且用于分 壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供開(kāi)頭所提到的類型的一種分接開(kāi)關(guān)，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全 性高，并且不需要必須只有正好在負(fù)載電流過(guò)零時(shí)開(kāi)關(guān)。此外，本發(fā)明的另一目的是提供這 樣的一種分接開(kāi)關(guān)，其不必專門(mén)適配于要連接的可調(diào)式變壓器的相應(yīng)額定負(fù)載電流和相應(yīng) 繞組，而是可以幾乎“現(xiàn)成地”作為功能裝置連接到完全不同的可調(diào)式變壓器。該任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的分接開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明 的特別有利的擴(kuò)展方式。本發(fā)明涉及兩個(gè)開(kāi)關(guān)單元，其中每個(gè)開(kāi)關(guān)單元分別由兩個(gè)配套的反向并聯(lián)的IGBT 構(gòu)成。為每個(gè)單個(gè)IGBT分配與其并聯(lián)連接的壓敏電阻。其中，壓敏電阻被參數(shù)設(shè)計(jì)為使得 壓敏電壓低于各自并聯(lián)的IGBT的最大阻斷電壓，但比級(jí)電壓(Mufenspanrumg)的最大瞬
3時(shí)值大。特別有利地，一個(gè)反向并聯(lián)的開(kāi)關(guān)單元的兩個(gè)配套的IGBT以緊湊堆疊的形式緊
滋妙入
" ι 纟口 口。此外，特別有利是，為了實(shí)現(xiàn)盡可能感應(yīng)低的并行路徑，直接在每個(gè)IGBT的旁邊 定位相應(yīng)的壓敏電阻并將其集成到堆疊中。以這種方式可以實(shí)現(xiàn)IGBT和并聯(lián)的壓敏電阻 之間特別短的導(dǎo)線連接。該結(jié)構(gòu)使得即使在負(fù)載電流的完全的瞬時(shí)值的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn) 在IGBT上流動(dòng)的負(fù)載電流的非?？斓摹坝病鼻袛?，其中在0. 1到1 μ s之內(nèi)轉(zhuǎn)換到感應(yīng)特別 低地連接的壓敏電阻，該壓敏電阻本身只具有ns級(jí)的非常小的響應(yīng)延遲。IGBT的“硬切換”顯著地減小了在IGBT中轉(zhuǎn)換的切換損耗能量，并且如后面還要 詳細(xì)介紹的那樣使得能夠在每個(gè)任意瞬時(shí)負(fù)載電流值的情況下實(shí)現(xiàn)分接開(kāi)關(guān)(OLTC)換接 的這里提供的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，而沒(méi)有OLTC中附加的轉(zhuǎn)換阻抗、不需要了解抽頭線圈的漏電抗、 不需要OLTC對(duì)相應(yīng)額定負(fù)載電流或者級(jí)電壓的適配、并且不需要進(jìn)行切斷和進(jìn)行接管的 IGBT接線組的精確到μ s的在時(shí)間上的校準(zhǔn)。雖然從DE 10118743Α1和許多其他公開(kāi)文獻(xiàn)中已經(jīng)公開(kāi)了結(jié)合IGBT的壓敏電阻。 但是，它們?cè)诂F(xiàn)有技術(shù)中只用于針對(duì)過(guò)電壓保護(hù)半導(dǎo)體，因此只具有限壓功能。相反，在本發(fā)明中，與每個(gè)IGBT并行設(shè)置壓敏電阻的功能是另一功能在附帶的、 由電網(wǎng)電壓驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流從進(jìn)行切斷的IGBT轉(zhuǎn)換到并聯(lián)的壓敏電阻(小的轉(zhuǎn)換回路) 之后，負(fù)載電流所流過(guò)的壓敏電阻根據(jù)其I-U特性曲線而產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓對(duì)電流瞬 時(shí)值的依賴性相對(duì)很小并且在OLTC轉(zhuǎn)換過(guò)程期間實(shí)際上保持恒定。其中尤其有利地，壓敏電阻被參數(shù)設(shè)計(jì)為使得在加載以最大電流峰值時(shí)所產(chǎn)生的 壓敏電壓還具有對(duì)于IGBT最大截止電壓足夠的安全距離。另一方面，壓敏電阻的鉗位電壓(在ImA時(shí)的UvJ必須明顯高于最大級(jí)電壓的峰 值，因此負(fù)載電流可以從切斷的OLTC側(cè)經(jīng)由級(jí)電壓轉(zhuǎn)換到接收負(fù)載電流的側(cè)上(大的轉(zhuǎn)換 回路)。壓敏電阻上的電壓降的瞬時(shí)值與級(jí)電壓的瞬時(shí)值之間的差別AU通過(guò)壓敏電阻 的特殊參數(shù)設(shè)計(jì)而導(dǎo)致負(fù)載電流經(jīng)由導(dǎo)線電感和抽頭線圈的漏電感而轉(zhuǎn)換到分接開(kāi)關(guān)的 接收側(cè)，并且決定轉(zhuǎn)換過(guò)程的di/dt(di/dt = AU/LKoffl)。這意味著，在本發(fā)明的范圍中，壓敏電阻并不是如根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的那樣用于 減小瞬間過(guò)電壓。在本發(fā)明中，壓敏電阻承擔(dān)對(duì)于其類型非典型的并且現(xiàn)有技術(shù)未涉及的 以下功能-從硬切斷的IGBT接收負(fù)載電流-生成與負(fù)載電流瞬時(shí)值無(wú)關(guān)地必須位于IGBT最大截止電壓與最大級(jí)電壓的峰 值之間的電壓降-提供將負(fù)載電流從分接開(kāi)關(guān)的電流傳導(dǎo)側(cè)經(jīng)由相反方向的級(jí)電壓轉(zhuǎn)換到進(jìn)行接 收的分接開(kāi)關(guān)側(cè)的電壓-時(shí)間面。通過(guò)本發(fā)明，得到了功率電子的接線組的非常簡(jiǎn)單且成本經(jīng)濟(jì)的參數(shù)設(shè)計(jì)，因?yàn)?能量吸收量在壓敏電阻的情況下能靈活地改變，并且比IGBT芯片的小得多、貴得多并且在 量方面僅能很難地改變的容量大得多。作為通過(guò)壓敏電阻進(jìn)行負(fù)載電流傳導(dǎo)、通過(guò)壓敏電阻提供所必需的轉(zhuǎn)換-電壓-時(shí)間面、以及同樣通過(guò)壓敏電阻吸收其中所產(chǎn)生的損耗能量的另一有利效果，對(duì)于進(jìn) 行切斷的IGBT組的切斷時(shí)刻與進(jìn)行接收的IGBT組的接通時(shí)刻的同步產(chǎn)生非常大的公差范圍。如果隨著工作時(shí)間的經(jīng)過(guò)，由于控制電子元件中工作點(diǎn)偏移以及部件老化而應(yīng)當(dāng) 設(shè)置數(shù)量級(jí)為約士 10μ s的重疊的或有間隔的(lueckend)轉(zhuǎn)換特性，則由此在根據(jù)本發(fā)明 的電路設(shè)計(jì)中不產(chǎn)生功能危害。總之，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)-在沒(méi)有IGBT的熱過(guò)載的情況下在負(fù)載電流的任何每個(gè)瞬時(shí)值時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的選 擇可能性-大約10μ s的分接開(kāi)關(guān)側(cè)的負(fù)載電流的A — B或B — A的非?？斓霓D(zhuǎn)換過(guò)程-避免產(chǎn)生干擾的振動(dòng)-不需要每個(gè)分接開(kāi)關(guān)特定于任務(wù)地適配訂購(gòu)情形的具體額定級(jí)數(shù)據(jù)(級(jí)電壓， 額定貫通電流(Nerm-Durchgangsstrom)，漏電感)，只要級(jí)電壓的極限值和額定貫通電流 不被超過(guò)的話。-對(duì)于兩個(gè)IGBT接線組之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間偏移具有非常大的公差范圍的、健壯的本 身安全的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。在較長(zhǎng)工作時(shí)間后不需要再校準(zhǔn)。


以下借助于附圖示例性地更詳細(xì)地介紹本發(fā)明。附圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一分接開(kāi)關(guān)的電路。附圖2示出了在本發(fā)明范圍中修改后的第二分接開(kāi)關(guān)的電路。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，兩個(gè)線圈分接頭(抽頭η及抽頭n+1)中每一個(gè)經(jīng)由機(jī)械開(kāi)關(guān)或 DSb利用由各自的兩個(gè)相反連接的IGBT (在η側(cè)為Ian和Iap，以及在n+1側(cè)為Ibn和Ibp)構(gòu) 成的串聯(lián)電路與分接開(kāi)關(guān)引線連接。與一側(cè)的兩個(gè)串聯(lián)的IGBT(IaI^n Iap)和另一側(cè)的兩個(gè) 串聯(lián)的IGBTdbl^P Ibp)中每一個(gè)分別并聯(lián)連接二極管dm、dap或dbn、dbp。其中，一側(cè)的二極 管(即dan和dap或dbn和eg相互相反地連接，即以相反的流通方向連接。與IGBT和二極管的這些并聯(lián)電路中每一個(gè)并聯(lián)地分別設(shè)置壓敏電阻Vm、Vap或 Vbn、Vbp0最后還示出了每個(gè)側(cè)的分別在固定運(yùn)行時(shí)橋接整個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的長(zhǎng)期工作主觸頭 MCa或1 ；。兩個(gè)側(cè)的IGBT (Im、Iap ;Ibn、Ibp)由公共的、僅示意性示出的、現(xiàn)有技術(shù)中已知的 IGBT驅(qū)動(dòng)器控制。以下將更詳細(xì)地以從抽頭η到抽頭n+1為例說(shuō)明轉(zhuǎn)換過(guò)程在原位上，負(fù)載電流經(jīng) 由抽頭η的長(zhǎng)期工作主觸頭MCa流到分接開(kāi)關(guān)引線Y。作為轉(zhuǎn)換過(guò)程的第一步驟，自由開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)(FreischaItkontakt)Mdni^b被接通。然后，在IGBT ^和Iap的柵極上施加啟動(dòng)電壓。現(xiàn)在，長(zhǎng)期工作主觸頭MCa斷開(kāi)， 并且負(fù)載電流込轉(zhuǎn)換到IGBT組Ian/Iap上。在IGBT組Ian/Iap上込的小于IOms的電流流動(dòng)持續(xù)時(shí)間之后這些IGBT獲得切斷指令，并且IGBT組Ibn/Ibp同時(shí)(至少在正常情況下)獲得接通指令。在切斷的IGBT上產(chǎn)生的電壓傳播到并聯(lián)的壓敏電壓上。如果在幾百ns后達(dá)到壓 敏電阻的鉗位電壓，則壓敏電阻開(kāi)始導(dǎo)通，從而開(kāi)始從IGBT =Ian和Iap接收負(fù)載電流。根據(jù)本發(fā)明，壓敏電阻被參數(shù)設(shè)置為使得負(fù)載電流流過(guò)的壓敏電阻的電壓一方面 低于并聯(lián)的IGBT的最大阻斷電壓、另一方面高于級(jí)電壓的最大瞬時(shí)值地變化。壓敏電壓的瞬時(shí)值超過(guò)級(jí)電壓的瞬時(shí)值導(dǎo)致A側(cè)負(fù)載電流以幾乎恒定的di/dt降 低轉(zhuǎn)換(Abkommutierimg)以及經(jīng)由抽頭線圈L。(大轉(zhuǎn)換回路)的漏電感和級(jí)電壓以相同 的di/dt (在該情況下正值地)轉(zhuǎn)移到B側(cè)上。雖然持續(xù)降低的電流流過(guò)A側(cè)上的壓敏電 阻，但是壓敏電壓在第一近似中保持恒定。在大約10 μ s之后，整個(gè)負(fù)載電流從A側(cè)的電流流過(guò)的壓敏電阻轉(zhuǎn)換到B側(cè)的導(dǎo) 通的IGBT。隨著A側(cè)的電流接近值0，開(kāi)關(guān)組A上的電壓基本上變化
7·壓敏電壓擊穿，瞬態(tài)的A7^"變?yōu)榱?，并且在IGBT/壓敏電阻組A上出現(xiàn)取決于一
at
個(gè)阻斷的IGBT上的極性、與其并聯(lián)的二極管以及各自又并聯(lián)的壓敏電阻的級(jí)電壓。即使在 加載以級(jí)電壓的峰值，壓敏電阻也還不允許顯著的電流流動(dòng)。在負(fù)載電流功率電子地從A側(cè)轉(zhuǎn)換到B側(cè)后少于IOms時(shí)，長(zhǎng)期工作主觸頭MCb閉 合，并且IGBT組B分流。然后，IGBT :Ibn/Ibp經(jīng)由柵極控制被轉(zhuǎn)換到未導(dǎo)通狀態(tài)。轉(zhuǎn)換過(guò)程以機(jī)械的自由開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)和1) 斷開(kāi)結(jié)束，這些自由開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)可以針對(duì) 可能作用于抽頭線圈上的瞬時(shí)電壓負(fù)載對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)。在圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的分接開(kāi)關(guān)的一種進(jìn)行了改變的電路，其中一側(cè)各自 的兩個(gè)壓敏電阻van、Vap或Vbn、Vl3p被組合為各自的共同壓敏電阻Va或\。其中，每個(gè)側(cè)各 自的機(jī)械開(kāi)關(guān)阪或叫以及相應(yīng)側(cè)各自的壓敏電阻Va或Vb同樣構(gòu)成到公共負(fù)載引線的串 聯(lián)電路。
權(quán)利要求
1.一種具有半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的分接開(kāi)關(guān)，用于無(wú)中斷地在可調(diào)式變壓器的繞組分接頭 之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所述分接開(kāi)關(guān)包括兩個(gè)能與各自的繞組分接頭連接的負(fù)載支路，所述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件是IGBT(Im，Iap ； Ibn, Ibp)，這兩個(gè)負(fù)載支路中的每一個(gè)都經(jīng)由所設(shè)置的由兩個(gè)相反連接的IGBT(Ian，Iap ；Ibn, Ibp) 構(gòu)成的串聯(lián)電路與共同的負(fù)載引線電氣連接，并且與每個(gè)IGBT(Im，Iap ；Ibn, Ibp)并聯(lián)設(shè)置一個(gè)二極管(dm，dap，dbn，dbp)，每個(gè)負(fù)載支路中 的兩個(gè)二極管(dan，dap或dbn，dbp)相互相反地連接，其特征在于，在每個(gè)負(fù)載支路中分別有一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)(D&，DSb)與由IGBT(Im，Iap ；Ibn, Ibp)和并聯(lián) 的二極管(dan，dap，dbn，dbp)構(gòu)成的串聯(lián)電路串聯(lián)連接，與由IGBT(Im，Iap ；Ibn, Ibp)和二極管(dm，dap，dbn，dbp)構(gòu)成的每個(gè)并聯(lián)電路分別并聯(lián) 連接一個(gè)壓敏電阻(Van，Vap ；Vbn, Vbp)，并且所述壓敏電阻(Van, Vap ；Vbn, Vl3p或Va，Vb)被參數(shù)設(shè)置為使得其壓敏電壓小于各自并聯(lián) 的IGBT的最大阻斷電壓，并且大于級(jí)電壓的最大瞬時(shí)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分接開(kāi)關(guān)，其特征在于，每個(gè)IGBT(Im，Iap;Ibn，Ibp)與與其并 聯(lián)的壓敏電阻(Van，Vap ；Vbn, Vbp)及二極管(dm，dap，dbn，dbp) 一起在結(jié)構(gòu)上結(jié)合為堆疊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分接開(kāi)關(guān)，其特征在于，設(shè)置于一個(gè)負(fù)載支路中的兩個(gè)壓敏 電阻(Van，Vap或Vbn，Vbp)被組合為單個(gè)壓敏電阻(Va，Vb)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的分接開(kāi)關(guān)，其特征在于，與這兩個(gè)負(fù)載支路中每一個(gè) 分別并聯(lián)連接一個(gè)機(jī)械的長(zhǎng)期工作主觸頭(MCa，MCb)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于無(wú)中斷地在可調(diào)式變壓器的繞組分接頭(抽頭n，抽頭n+1)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的分接開(kāi)關(guān)，其中兩個(gè)繞組分接頭中每一個(gè)分別經(jīng)由一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)(DS)和與其串聯(lián)的由兩個(gè)相反連接的IGBT(Ip，In)構(gòu)成的串聯(lián)電路與共同的負(fù)載引線連接。根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)IGBT由與其并聯(lián)的特別參數(shù)設(shè)置的壓敏電阻(Vp，Vn)跨接。
文檔編號(hào)H01F29/04GK102077305SQ200880130033
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者D·多那爾, H-H·萊克曼-米斯克, O·布呂克爾 申請(qǐng)人:賴茵豪森機(jī)械制造公司