[發明專利]具有阻斷半導體的換向開關

有效

• 申請號: 201480054898.9
• 申請日: 2014-08-05
• 公開（公告）號: CN105723489B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發明（設計）人: 羅杰.W.福克納;羅納德.G.托德
• 申請（專利權）人: 英諾鋰資產公司
• 主分類號: H01H33/16
• 分類號: H01H33/16
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 葛青

一種機械開關，其通過將電流換向到能量吸收路徑，或者穿過至少一個阻斷半導體的路徑序列，以斷開電路來工作，其中，所述換向由至少一個梭電極在至少一個固定電極上的滑動運動引起。

技術領域

本發明涉及一種換向開關(commutating switch)，例如斷路器。

背景技術

為了斷開任意DC電路，由于流動的電流而儲存在磁場中的感應能量必須被吸收；所述感應能量可以在電容器中儲存，或在電阻器中耗散(在斷開電路期間形成的電弧在這一意義上是電阻器的特例)。使用歐姆電阻器限定用于換向斷路器的失跌點(resistancelevel)的主要困難在于：(1)對于每一個失跌點，瞬態電壓的增加取決于流動的電流和在換向時引入的電阻，以及(2)(在故障期間的)電流的增加率或(在電阻引入之后的)衰減的速率主要取決于最嚴重的故障類型的“完全短路”中的電感，在完全短路中系統電阻幾乎為零；電感和(斷路器外部的)系統電阻在實際故障中可以有很多變化。因此，理想的是，計算并且限定合適的失跌點，以在每一次斷路器操作時插入電阻器，以獲得插入的電阻器兩端的目標的最大瞬態電壓差，但是如果使用歐姆電阻器，這是不實際的。

當在電路中插入變阻器、反向齊納二極管或瞬態吸收器(transrob)時，它們形成了吸收在故障中儲存的能量的反向電動勢(EMF)；這可以被看作為高度非線性的電阻，但是，將其看作電池也是合理的，所述電池在充電期間失去所有的存入能量，但是仍設法較好地控制“充電電流”的電壓。

由于短路時電流的迅速涌入，感應能量可以輕易地遠大于僅在正常滿負載下儲存在系統中的感應能量；如果電流在被控制之前達到正常滿負載安培數的五倍，感應能量將達到正常滿負載下電路的感應能量的二十五倍(取決于短路的位置)。直到最近，針對DC斷路器的測試標準已經采取了與電弧隔板(arc chute)斷路器(自愛迪生時代以來的標準DC斷路器設計)對應的緩慢操作，其中在接收到脫扣(trip)信號之后，斷開電極的時間典型地大于或等于三毫秒(ms)；達到電流開始下降的時刻可以花費甚至更長的時間(達到十毫秒)。這意味著，在短路中通過電弧隔板斷路器可以建立高電流，可能到達DC電源的最大能力。為此，適用于美國的電氣列車(ANSI/IEEE37.20)的斷路器的DC斷路器標準要求斷路器能夠處理200,000安培(200千安培，“kA”)的電流，大約是電氣列車地鐵系統中的DC故障的最大短路電流。

第二類機械切換的DC斷路器包括來自日立的創新的、快速動作的高速真空斷路器(HSVCB)DC斷路器(參見例如美國專利4,216,513)，所述DC斷路器基于使用電感器和電容器建立L-C諧振電路，所述諧振電路與AC真空斷路器聯接，從而在電流通過零點時中斷電流。這些斷路器使正常DC電路的絕緣件和電路部件處于迅速的電壓反轉和電壓峰值的影響之下。針對用于DC軌道應用的L-C諧振電路斷路器，相較于較慢的電弧隔板軌道斷路器必須經受的200kA，日本的調節器(標準JEC-7152)允許較低的最大電流(50kA)。基于L-C諧振斷路器的更快速地電路斷開動作使之成為可能。實質上，在這樣的斷路器中，電容器的放電(電子觸發)建立了引起電流振蕩穿過零點的L-C諧振(非常類似AC電路)。這一振蕩迅速衰減，但是在衰減期間，真空斷路器在電流穿過零點時斷開電路。近期的美國專利申請(13/697,204)顯示這一機構也適用于高壓DC(HVDC)電路。

已知的切斷DC電力的最快方式是使用可切換的電力電子設備斷開電路；這些設備典型地是半導體(晶閘管或晶體管)，但是真空管也能夠被使用。在這些設計中，開關本身的電阻是重要的考慮因素，因為在導通狀態下整個電路的負載通過開關。在最常用類型的電力電子開關(即集成柵極的雙極晶體管(IGBT))的情況下，通常導通時的損耗可以是傳輸功率的0.25-0.50％，這一損耗對于許多應用不可接受地大，并且還暗含著針對高功率電路的非常大的冷卻負載，所述冷卻負載典型地要求泵送的液體冷卻劑。主動式冷卻的需要增加了成本和環境影響，并且降低了開關的可靠性。