專利名稱：電子直流斷路器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種連接和斷開直流電源并作為快斷保險絲的設備。更特別地，本發(fā)明涉及一種電子直流斷路器(E-DCB)，該電子直流斷路器包括一個 大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT晶體管)，其用于連接和斷開直流電源，并作為一個快斷電 流保險絲。本發(fā)明的設備主要是用在具有幾個馬達驅動器的鉆井平臺上，這幾個馬達驅動 器通過共同的直流電源供電。
背景技術：
用于斷開直流的電流斷路器已經在市面上有銷售。這些商用的直流斷路器通常被 設計出來用于處理大約1.5千瓦的最大功率。這些電流斷路器運用在機械部件上，有些只 適合在小型器件上，如家用電子產品上。另一組商用的直流斷路器使用爆炸物來斷開電路， 這就需要更換和維修零件。美國專利申請第6，738，246B1號揭露了一種保護小的過流和大的過流的電氣線 路斷路器。該發(fā)明的工作電壓范圍為100V至1KV。一個微型繼電器開關與一個用于限制短 路電流的元件連接一起。該微型繼電器開關是一種機械式開關且開關小的過流，以及該用 于限制短路電流的元件切斷大的過流。該用于限制短路電流的元件的使用破壞了該微型繼 電器開關。專利申請?zhí)枮閃O 2007/022744的專利申請揭示了一種限流開關，該限流開關包 含一個機械式開關單元。專利申請?zhí)朩02007/020539的這篇專利提供了一個電池充電電路的電流限制器 電路配置。這種電路結構快速探測并限制通過門控開關裝置的任何電流變化。該發(fā)明的目 的是要在便攜設備和移動設備上使用。德國專利第199 55 682A1號公開了高壓電流限制裝置。該發(fā)明使用爆炸物打開 電流路徑。使用爆炸物意味著需要更換部件，以恢復設備的操作和系統(tǒng)維護。維修需要時 間和備用零件。在維修過程中的時間系統(tǒng)無法完全運作。美國專利第2005/0002152A1號公開了一種故障電流限制系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和 方法是基于聯(lián)合的快速開關和平行的電熔絲的使用。檢測到故障后，快速開關在很短的時 間內打開且和將電流傳輸?shù)奖ｋU絲，這樣會爆裂，從而中斷了短路電流。一種自動系統(tǒng)以一 種新的保險絲取代這種爆裂保險絲。一個爆炸盒可以用來代替一個快速開關。發(fā)明人G ·沃克出版了名為“電動車電池組的直流斷路器”書籍公開了一種靜態(tài)的 直流斷路器，該靜態(tài)的直流斷路器使用一個金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。這 種技術方案處理的電壓范圍為成千上萬伏。其他已知的技術方案的范例是由德國專利第4108049號公開了，該專利描述了交 流系統(tǒng)的保護系統(tǒng)，因而不適合直流(DC)應用。美國專利第2002/0030532號解釋說明了 一個解決方案，該解決方案避免了由高溫導致了具有絕緣柵雙極晶體管(IGBT)安裝在一 電路板的半導體開關產生故障，眾所周知，該歐洲專利第1811 665號描述了一種門控制開
3關，和由克斯蒂克· S等人撰寫的名稱為“先進船舶動力系統(tǒng)的電路斷路器”的文章也描 述了在船舶上使用的基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和集成門極換流晶閘管(Integrated GateCommutated Thyristor，簡稱IGCT)的快速電路開關，該文章來自于2007年的電動船 技術研討會，ESTS apos ；07. IEEE 2007 年五月 21-23 日，第 201-208 頁。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種用于連接和斷開直流電源的電子裝置。本發(fā)明是基于 發(fā)現(xiàn)了一種改進的電子直流斷路器，該電子直流斷路器可處理高電壓且充當一種快斷保險 絲，它可在鉆井平臺，船舶馬達驅動器和工業(yè)設備上使用，這并不需要更換零件能夠在斷電 后重新運行。本發(fā)明的上述提到的這些目的可以在附屬的權利要求中得到。
發(fā)明內容
解決本發(fā)明的上述目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的提供一種名稱為電子直流 斷路器的設備(E-DCB)，該電子直流斷路器處理大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT晶體管)。 該設備充當一個快斷電流保險絲，以致于在一個晶體管的內部短路上，在同一直流分布上 沒有其他的晶體管受到影響。并且，根據(jù)目前的技術方案，該設備不需要更換或維修零部 件，該設備主要是為了應用在比較大的裝置上，如具有幾個共同的直流連接的馬達驅動器 鉆井平臺，船舶馬達驅動器以及具有幾個在同一直流分布上的馬達驅動器的工業(yè)設備。本發(fā)明提供了一種用于連接和斷開直流電源的設備的較佳實施例，該設備包括一 連接到電路板和一個絕緣柵雙極晶體管的收集器端口上的輸入直流電源。該絕緣柵雙極晶 體管連接到該電路板上。一個輸出直流電源連接到該絕緣柵雙極晶體管和電路板的發(fā)射極 端口。該電路板連接到該絕緣柵雙極晶體管的柵極端口，該電路板是用于監(jiān)測該輸入和輸 出直流電源的預定條件。根據(jù)本發(fā)明設備的另一個較佳實施例，信號傳輸裝置連接到該電路板上，并且將 控制命令發(fā)送到設備上。根據(jù)本發(fā)明設備的一個較佳實施例，該信號傳輸裝置是光纖，在其性質上，該光纖 提供一個非常安全的連接。根據(jù)本發(fā)明設備的又一個較佳實施例，該信號傳輸裝置是光電耦合器。根據(jù)本發(fā)明設備的另一個較佳實施例，該信號傳輸裝置是電隔離的。根據(jù)本發(fā)明設備的再一個較佳實施例，溫度測量裝置連接到該電路板上以測量散 熱器的溫度。若測得的散熱器溫度超過一個給定數(shù)值限制，則該設備處于關閉狀態(tài)。 根據(jù)本發(fā)明設備的一個較佳實施例，控制命令要么開啟要么關閉。根據(jù)本發(fā)明設備的另一個較佳實施例，在相鄰的轉換器被干擾之前，該設備隔離 在一個共同的直流分布上的轉換器出現(xiàn)的故障。根據(jù)本發(fā)明設備的又一個較佳實施例，該設備將測量值發(fā)送到信號傳輸裝置。根據(jù)本發(fā)明設備的一個較佳實施例，該測量值是輸入的直流電壓，直流輸入，輸出 直流電壓，直流輸出，電流，IE-:o和散熱器的溫度。如果這些測量值的變化超過預定值時， 設備處于關閉狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明設備的再一個較佳實施例，該設備用于處理大功率，如150萬瓦。這種
4大功率用在大型設備上。根據(jù)本發(fā)明設備的一個較佳實施例，該設備用于大型應用，如鉆井平臺，船舶馬達 驅動器或工業(yè)設備。根據(jù)本發(fā)明設備的又一個較佳實施例，該設備用于控制一個直流分布的直流電容 器電池。
下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，附圖中圖1為本發(fā)明電子直流斷路器的結構示意圖。
具體實施例方式請參考圖1，該電子直流斷路器(E-DCB)的任務是根據(jù)接收到的控制信號連接和 斷開直流輸出直流輸入。圖1顯示了該電子直流斷路器(E-DCB)，其包括一個用于連接和斷開直流電源的 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，并且，該絕緣柵雙極晶體管可作為一個快斷電流保險絲。本領域 的技術人員都知道該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的原理。正如圖1所示，輸入直流功率直流輸出是連接到電路板1和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的集電極端口 C。輸出直流電源直流輸出連接到絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的發(fā)射 端口 E和電路板1。該電路板1連接到絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的柵極端口 G，并且該電 路板1監(jiān)測直流電源直流輸入和直流輸出的預定的輸入和輸出條件。一個測量散熱器溫度 的溫度測量設備2連接到該電路板1上。在該電子直流斷路器里，在電路板1上的內部直流_直流轉換器將高直流電壓，直 流輸入轉換為電子設備必要的內部電壓。執(zhí)行此轉換不需要額外的電源。該電路板1測量 輸入的直流電壓，直流輸入，輸出的直流電壓，直流輸出，電流，IE-DCB，以及該溫度測量設備2 測量散熱器溫度。該電路板1上連接有一對光纖，通過這對光纖控制該電子直流斷路器(E-DCB)。就 其性質而言，通過光纖連接是非常安全的。這些光纖的另一端連接到主控板，該主控板沒有 顯示出來，其中該主控板上設有開/關命令，并發(fā)送到該電子直流斷路器上并且狀態(tài)可以 讀取。該光纖3是用于控制該電子直流斷路器，因為通過光纖連接是非常安全的。與任何 其他連接相比通過光纖3連接是必要的。使用例如光電耦合器或具有電流隔離的任何信號 傳輸裝置可以代替光纖3。該光電耦合器可用于在任何情況下，除非他們不符合隔離要求。 該光纖3將來自該主控板的控制命令傳輸?shù)皆撾娮又绷鲾嗦菲?，并且該電子直流斷路器?斷發(fā)出測量數(shù)值(輸入直流電壓，直流輸入，輸出直流電壓，直流輸出，電流，IE-DcB和散熱器 的溫度和利用因數(shù)(熱動態(tài)模型))和狀態(tài)信號(該電子直流斷路器開啟或關閉)通過光 纖3傳回給主控板。通過光纖3傳輸給該電子直流斷路器的信號要么是狀態(tài)開啟信號要么 是關閉狀態(tài)信號。當光纖3將一個開啟的命令傳輸?shù)皆撾娮又绷鲾嗦菲?，通過用短電流控制開啟間 隔脈沖該電子直流斷路器，該電路板上的負載電容充電，直到一個開啟間隔持續(xù)超過10微 秒，沒有達到該負載電容的電流限制(例如3500安)，然后，該電子直流斷路器處于開啟狀態(tài)。如果該電子直流斷路器在兩秒內沒有達到的接收標準(通過一個計時器裝置記錄10 微秒內沒有達到電流限制)，該充電階段終止和故障報告返回到該控制電路板。當該電子直流斷路器處于開啟狀態(tài)時，該電子直流斷路器監(jiān)測各種變量。如果在 下面的例子中變量超過了限制，該電子直流斷路器就關閉如果上述被監(jiān)測電流是超過3500安且持續(xù)時間超過10微秒，如果上述被監(jiān)測的電流超過2500安且持續(xù)時間超過2分鐘，S卩，利用因數(shù)是在 103%以上，如果被監(jiān)測的散熱器溫度高于60°C。上述這些限制僅僅是關閉該電子直流斷路器的例子。顯而易見地，本領域技術人 員可以對這些限制進行調整。由于上述任何標準使得該電子直流斷路器在任何時候關閉，該電子直流斷路器保 持300毫秒。當該電子直流斷路器收到來自光纖3的關閉命令時，該電子直流斷路器立即 關閉。要再次開啟該電子直流斷路器時，必須刪除關閉命令，一項新的開啟命令必須在300 毫秒后收到。如果在負載中檢測到完全短路，該電子直流斷路器中斷電流30微秒。因此，其他 的具有電力電子轉換器的直流轉電容器電池只能看到一個小于大約50V直流電壓的驟降， 也就是說，它們沒有因為相鄰的電容器電池的短路故障而全部受到干擾，并且繼續(xù)不中斷 運行。該電子直流斷路器需要約400V的最低運行電壓(該電子直流斷路器在斷開模式 設定的較低電壓)。最大持續(xù)電壓大約1250V，以及最大峰值電壓大約是1600V持續(xù)100微 秒。這些規(guī)格電壓是直流輸入和直流輸對直流負的電壓。這些值可以通過選擇不同絕緣柵 雙極晶體管(IGBT)和具有合適尺寸的電流傳感器來調整，例如通過采用更高電壓的絕緣 柵雙極晶體管(IGBT)和適配的電路板進行調整，上述電壓值可以延長。相對于傳統(tǒng)的使用機械式斷路器的電子電路斷路器而言，本發(fā)明的電路斷路器是 使用電子斷路器。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)與一起使用的電子器件形成該電子直流斷路 器。將絕緣柵雙極晶體管(IGBT)運用在該電子斷路器的優(yōu)點是它可能控制非常大的功率， 通常是150萬瓦。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)有能力控制非常大的功率是由于其內部結 構允許具有低傳導損失的更高電壓等級。相比之下，一個金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)只能控制1. 5千瓦左右，因為它的電阻阻值隨著電壓等級的增加而二次方增加。 該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)能夠利用其過流和過壓的能力以積極的方式提供比其它晶體 管更多的優(yōu)點。本發(fā)明中使用該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)保 護自身不會過壓。因為該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，以及該電子直流斷路器(E-DCB)可處 理非常高的電壓，該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)在工業(yè)上的應用比金屬氧化物半導體場效 應晶體管(MOSFET)或其他類似晶體管更為廣泛。該工業(yè)應用可為大型應用，如鉆井平臺， 船舶馬達驅動器等。該電子直流斷路器(E-DCB)的另一個優(yōu)點是起作高速保險絲作用。作為一個高速 保險絲的功能是由該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的性質提供的。被動式熔斷器通常在至少 10-100毫秒會斷掉，但快速電子直流斷路器保險絲的斷開速度是微秒級的。本發(fā)明提供了 極其快的快斷保險絲，運用該快斷保險絲，在一個晶體管內部短路時，在同一直流分布上其
6他的晶體管沒有受到影響。在速度上，這個差距是非常大的，從毫秒到微秒，這意味著本發(fā) 明的電子直流斷路器的反應比被動保險絲的反應更快，本發(fā)明的電子直流斷路器已經具有 完全不同的可能性和應用。該電子直流斷路器的信號分離的處理是通過光纖或其他類型的信號隔離裝置來 實現(xiàn)的。在該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)上使用的隔離是標準的內部陶瓷隔離以隔離散熱 器。安裝在該絕緣柵雙極晶體管(IGBT)上的散熱器是直接導致功率損耗。該散熱器的溫 度是通過溫度測量設備2測量的。流過該電子直流斷路器(E-DCB)，需要冷卻的散熱器損失 大約2%。的效果。除了水冷或風冷散熱器之外，該電子直流斷路器(E-DCB)需要一個單獨的測量卡 和控制卡。該電子直流斷路器(E-DCB)的重量和體積是適中的，并且該電子直流斷路器 (E-DCB)的成本是相對較小或適中。調整該電子直流斷路器(E-DCB)以形成不同的電流，以及調整該電子直流斷路器 開啟和關閉的限制，這是很容易的。通過選擇絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和合適尺寸的電流 傳感器很容易實現(xiàn)。該電子直流斷路器(E-DCB)的典型應用是具有分布式直流電源電容器的電壓反 饋電力電子轉換器，其中該電子直流斷路器控制每一個獨立的直流分布的直流電容器電 池，即，一個電子直流斷路器對應一個直流電容器電池。在這個電容器周圍，每個獨立的直 流電容器電池通常是獨立的電電力電子轉換器的一個部分。根據(jù)本發(fā)明，該電子直流斷路器(E-DCB)主要目的是用在鉆井平臺上，該鉆井平 臺具有幾個共同的直流連接的馬達驅動器。本發(fā)明還可以在船舶馬達驅動器上使用。推進器和來自同一直流分布的主要發(fā)動 機連接該電子直流斷路器，以保護在推進器的驅動器里的主要發(fā)動機不會出故障。該電子直流斷路器的另一個應用是在工業(yè)設備上，該工業(yè)設備具有在同一直流 分布下的馬達驅動器，在其中一個驅動器出現(xiàn)故障的情況下，剩余的驅動器不會中斷運行 (相當于上述船舶的應用)?？傊?，如果超過指定的限制，該電子直流斷路器連接最初的充電階段，直流連接的 分布式直流電容器，該電子直流斷路器執(zhí)行必要的負載電流，且中斷負載電流。該電子直流 斷路器中斷沒有被損壞的滿載短路，并且不需要更換任何部件以重新運行。
權利要求
一種用于連接和斷開直流電源的設備，其特征在于，所述設備包括一連接到電路板(1)和一個絕緣柵雙極晶體管的收集器端口(C)上的輸入直流電源(直流輸入)，所述絕緣柵雙極晶體管連接到所述電路板(1)上，一個輸出直流電源(直流輸出)連接到所述絕緣柵雙極晶體管和電路板(1)的發(fā)射極端口(E)，所述電路板(1)連接到所述絕緣柵雙極晶體管的柵極端口(G)，所述電路板(1)是用于監(jiān)測所述輸入和輸出直流電源(直流輸入，直流輸出)的預定條件。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，信號傳輸裝置(3)連接到所述電路板(1) 上，并且將控制命令發(fā)送到所述設備上。
3.根據(jù)權利要求2所述的設備，其特征在于，所述信號傳輸裝置(3)是光纖。
4.根據(jù)權利要求2所述的設備，其特征在于，所述信號傳輸裝置(3)是光電耦合器。
5.根據(jù)權利要求2所述的設備，其特征在于，所述信號傳輸裝置(3)是電隔離的。
6.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，溫度測量裝置(2)連接到所述電路板(1) 上以測量散熱器的溫度。
7.根據(jù)權利要求2-5任意一項所述的設備，其特征在于，所述控制命令開啟或者關閉。
8.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備用于處理大功率，如150萬瓦。
9.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備用在大型應用上，如鉆井平臺， 船舶馬達驅動器或工業(yè)設備。
10.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備用于控制一個直流分布的直流 電容器電池。
11.根據(jù)權利要求1所述的設備的用途，其特征在于，在相鄰的轉換器被干擾之前，所 述設備隔離在一個共同的直流分布上的轉換器出現(xiàn)的故障。
12.根據(jù)權利要求1所述的設備的用途，其特征在于，所述設備將測量值發(fā)送到信號傳 輸裝置⑶。
13.根據(jù)權利要求12所述的設備的用途，其特征在于，所述測量值是輸入直流電壓，直 流輸入，輸出直流電壓，直流輸出，電流，Ie-ZO和散熱器的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于連接和斷開直流電源的設備，所述設備包括一連接到電路板(1)和一個絕緣柵雙極晶體管的收集器端口(C)上的輸入直流電源(直流輸入)。所述絕緣柵雙極晶體管連接到所述電路板(1)上。一個輸出直流電源(直流輸出)連接到所述絕緣柵雙極晶體管和電路板(1)的發(fā)射極端口(E)。所述電路板(1)連接到所述絕緣柵雙極晶體管的柵極端口(G)，且所述電路板(1)是用于監(jiān)測所述輸入和輸出直流電源(直流輸入，直流輸出)的預定條件。
文檔編號H02H1/00GK101965669SQ200980106275
公開日2011年2月2日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權日2008年2月19日
發(fā)明者特杰·羅吉利 申請人:瓦錫蘭挪威有限公司