技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于在故障情况下保护DC应用的无源电子熔丝。该电子熔丝是无源
电路，因为其依赖于电路器件的物理特性，而不依赖于用于在故障情况下保护DC应用的测量结果和控制手段。DC应
用例如是DC
断路器、电
力系统(诸如用于混合动力车辆或纯
电动车辆的充电单元)和
电能存储系统(诸如用于
数据中心的电能存储系统)。
[0002] 电子熔丝包括第一支路和第二支路，第一支路包括
串联连接的互感器的第一绕组和
开关器件，第二支路包括互感器的第二绕组。第一支路和第二支路并联连接，并且第二绕组的自感形成为小于第一绕组的自感。
[0003] 本发明还涉及其中包括本发明的无源电子熔丝的用于混合动力车辆或纯电动车辆的电力系统以及用于存储电能的电能存储系统。
背景技术
[0004] 传统上，常见的熔丝已经被用于在故障情况下保护设备免受过大的
电流。这些熔丝是包括金属丝的牺牲设备，该金属丝被配置成在经受对应于故障的电流时而熔断。
[0005] 使用物理熔丝的问题是，在故障后DC应用可以工作之前，熔丝必须由操作者手动更换。然而这可能是费时的。此外，由于使用DC应用的系统的不可用，更换熔丝以人员成本和生产损失的方式增加了DC应用的成本。
[0006] 作为物理熔丝的替代品，可以使用电子熔丝。这些电子熔丝依赖用于测量电流的装置、用于确定所测量电流是否对应于故障情况的逻辑装置以及用于切断到DC应用电流的控制装置。
[0007] 电子熔丝的问题是，熔丝消耗相对较长的时间来中断电流。这可能导致操作者遭受有害电击或对DC应用造成损坏。此外，在不太可能发生的例如用于测量电流的装置或逻辑装置发生故障的情况下，熔丝可能不能够中断电流。
[0008] WO2014032692公开了一种用于处理固态断路器和混合断路器的电流换向的设备。为此，该设备包括换向升压器(commutation booster)，该换向升压器包括两个耦合的电感器，其中第一电感器被布置在与机械开关串联的第一支路中，并且第二电感器被布置在与
半导体器件串联的第二支路中。
[0009] US2014177120公开了用于故障保护的系统和方法。该系统包括控
制模块、开关和电感设备。
控制模块被用于基于来自检测设备的
信号提供
控制信号和开关信号。
发明内容
[0010] 本发明的目的是提供一种用于DC应用的改进的无源电子熔丝。本发明的第一目的是提供一种无源电子熔丝，其在故障情况下基于电路器件的物理特性来中断电流。本发明的第二目的是提供一种可以简单方式被重置的无源电子熔丝。本发明的第三目的是提供一种以快速和可靠方式中断电流的无源电子熔丝。
[0011] 该目的通过如
权利要求1所述的用于DC应用的无源电子熔丝而获得。该无源电子熔丝的特征在于，第二支路还包括与互感器的第二绕组串联连接的电容器，其中开关器件是晶闸管或者具有晶闸管开关特性的开关器件。
[0012] 无源电子熔丝在快速电流上升(dI/dt)时被激活，而不是如传统熔丝那样以电流的绝对值(|I|)被激活。这通过以下方式获得：互感器的第一绕组和第二绕组被布置成使得第二绕组具有比第一绕组低的电感，以及第一支路中晶闸管的特性和第二支路中电容器的特性。
[0013] 在故障情况下，到第一支路和第二支路的电流迅速增加。通过第一绕组与第二绕组之间的相互耦合，互感器将尝试保持磁通量。因此在故障时，第一绕组中的电流将减少并且第二绕组中的电流将增加。这种趋势将持续，直到第一支路中的电流下降到零并变为负值、导致所有电流都被引导到第二支路为止。
[0014] 晶闸管是一种双稳态开关器件，其包括以下特性。当晶闸管的
门极被电流脉冲触发时，晶闸管将开始导通电流。在晶闸管已经被触发之后，只要电流为正，晶闸管将持续导通，如果电流方向反转，那么晶闸管将返回到阻断模式。
[0015] 因此，在故障情况下，本发明的电子熔丝的晶闸管将在电流到达零时的时间点停止导通。
[0016] 因此，在晶闸管已经停止导通之后，所有电流都流过第二支路。在此过程期间，第二支路中的电容器将被充电。当电容器完全充电时，该电容器将作为隔离器，导致没有电流将流过第二支路。因此，在这时通过第一支路和第二支路两者的电流都将为零。
[0017] 本发明具有这样的优点：电流基于无源电子熔丝器件的物理特性而被中断。因此，无源电子熔丝不像有源电子熔丝那样依赖于电流测量结果、用于评估测量结果的逻辑装置以及用于中断电流的控制装置。特别地，本发明的无源电子熔丝具有在故障情况下快速和可靠地提供中断电路的优点。
[0018] 根据本发明的
实施例，第二绕组的自感形成为小于第一绕组的自感的30％，优选小于第一绕组的自感的15％。
[0019] 第一绕组与第二绕组的自感之间相对较大的差值，对第一支路中的电流快速下降到零是有利的。因此，电子熔丝被布置成使得晶闸管快速中断通过第一支路的电流。
[0020] 根据本发明的实施例，电子熔丝包括用于触发晶闸管门极的装置，并且晶闸管是门极导通晶闸管，其中用于触发晶闸管门极的装置适于向门极发射脉冲，以用于触发晶闸管的导通。
[0021] 在故障原因已经被处理之后，电子熔丝通过向晶闸管的门极发送电流脉冲而被重新激活。该电子熔丝将与中断电流之前同样地操作。
[0022] 根据本发明的实施例，电子熔丝包括用于触发晶闸管门极的装置，并且晶闸管是门极关断晶闸管和门极换向晶闸管中的至少一个，其中用于触发晶闸管门极的装置适于向门极发射脉冲，以用于关断晶闸管的导通。
[0023] 门极关断晶闸管和门极换向晶闸管具有的优点是，晶闸管的导通可以通过向门极发射脉冲而被手动关断。
[0024] 根据本发明的实施例，电子熔丝还包括第三支路，该第三支路包括过压保护电路。
[0025] 根据本发明的实施例，第三支路与第一支路和第二支路并联连接。
[0026] 根据本发明的实施例，过压保护电路包括第一
缓冲器。
[0027] 根据本发明的实施例，第二缓冲器与互感器并联连接。第二缓冲器具有如下功能，当电子熔丝中断电流时，通过消耗电子熔丝中的一些电感
能量而允许在LC振荡期间电感器续流。
[0028] 根据本发明的实施例，电子熔丝还包括与晶闸管并联连接的第三缓冲器。第三缓冲器的功能是在晶闸管中断电流期间，保护晶闸管本身免受电流暂态和
电压暂态的影响。
[0029] 根据本发明的实施例，电子熔丝还包括与电容器并联连接的第四缓冲器。
[0030] 第四缓冲器具有限制电容器两端的峰值电压，并且增强电流中断或使得电容器的额定电压更低的功能。作为备选，可以在电容器两端连接泄放
电阻器，以在电流被中断之后将电容器放电到系统
水平。这也将需要
二极管以防止泄放电流，于是该缓冲器将形成
电阻器-二极管缓冲器。
[0031] 根据本发明的实施例，第一缓冲器、第二缓冲器、第三缓冲器和第四缓冲器中的至少一个是变阻器、电阻电容缓冲器、电阻电容二极管缓冲器、或者电容器。
[0032] 根据本发明的实施例，根据前述权利要求中任一项所述的无源电子熔丝，其中互感器包括空气芯、或者
磁性材料芯或者非磁性材料芯。
[0033] 根据本发明的实施例，第二支路的电容器是
电解电容器。电解电容器具有高能量
密度的优点。由于系统的极性是明确定义的，电解电容器只能处理一个方向上的电压的缺点不会成为问题。
[0034] 本发明的目的还通过根据权利要求14所述的混合动力车辆或纯电动车辆的电力系统而获得。该系统包括功率输送单元、放电电路以及根据权利要求1至13的无源电子熔丝。
[0035] 混合动力车辆或纯电动车辆的功率输送单元具有例如400V至1kV之间的电压，并且因此可能在故障时对人造成危险。
[0036] 例如，车辆事故可能造成快速耗尽功率输送单元的故障，这对乘客和周围的人来说是危险的。此外，还可能在车辆维修期间，出现对维修技术人员造成危险的故障。
[0037] 在故障情况下，包括无源电子熔丝的电力系统提高了混合动力车辆或纯电动车辆的使用的安全性。特别地，电子熔丝具有能够使得电流被足够快地中断，以避免在故障情况下对人造成伤害的优点。
[0038] 根据本发明的实施例，功率输送单元是
电化学电池、超级电容器或
燃料电池堆。
[0039] 本发明的目的还通过根据权利要求15所述的用于存储电能的电能存储系统而获得。该系统包括串联连接并且可选地并联连接的如下部件：
电化学电池单元、功率转换设备以及一个或多个根据权利要求1至13中任一项所述的无源电子熔丝。
[0040] 功率转换设备被用于能量(诸如
可再生能源)的传输和分配。转换设备可以处理中等电压或高电压，诸如30kV。因此，故障的发生可能会对转换电路附近的人造成危险。
[0041] 包括电子熔丝的电能转换电路提高了在故障情况下电能存储系统使用的安全性。特别地，电子熔丝具有能够使得电流被足够快地中断，以避免在故障情况下对人造成伤害的优点。
[0042] 根据本发明的实施例，功率转换设备被连接到电气AC
电网，并且被配置成向该AC电网提供有功功率和可选的
无功功率。
[0043] 根据本发明的实施例，功率转换系统被连接到DC电网，并且被配置成向该DC电网提供有功功率。
[0044] 根据本发明的实施例，转换系统被连接到AC负载、DC负载或者多个AC负载、多个DC负载。转换系统可以例如被用于数据中心和不间断电源(UPS)。
附图说明
[0045] 现在将通过对本发明的不同实施例的描述并参考附图，更详细地解释本发明。
[0046] 图1示出根据本发明的第一实施例的无源电子熔丝的示例。
[0047] 图2示出根据本发明的第二实施例的无源电子熔丝的示例。
[0048] 图3示出在缺少本发明的无源电子熔丝时在发生故障情况下的电流和电压的示例。
[0049] 图4示出在安装本发明的无源电子熔丝时在发生故障情况下的电流和电压的示例。
具体实施方式
[0050] 图1示出根据本发明的第一实施例的无源电子熔丝1的示例。电子熔丝1适于连接在DC能量源3与DC应用5的负载之间。作为备选，DC能量源3可以是
整流器或类似的非恒定DC源。
[0051] 电子熔丝1包括第一支路10、第二支路12以及第一支路10与第二支路12之间的互感器14。第一支路10和第二支路12并联连接。
[0052] 第一支路10包括互感器14的第一绕组20以及开关器件，开关器件为晶闸管22的形式或具有晶闸管开关特性的开关器件的形式。
[0053] 第二支路12包括互感器14的第二绕组24，以及电容器26。
[0054] 互感器14还包括芯15，诸如空气芯、或者磁性材料芯或者非磁性材料芯。
[0055] 互感器14被布置成使得第二绕组24的自感形成为小于第一绕组20的自感。互感器14具有保持第一绕组20与第二绕组24之间磁通量的固有特性。由此，在电流迅速增加时，为了保持磁通量，通过第二绕组24的电流将增加，而通过第一绕组20的电流将减少。这种趋势将持续，直到通过第一绕组20的电流下降到零、然后尝试形成通过第一支路10的反向电流为止。
[0056] 第一支路10中的晶闸管22被配置成：当接收到反向电流时停止导通。因此，反向电流将触发晶闸管22以停止导通。
[0057] 当晶闸管22已经停止导通时，所有电流将通过第二支路12并且电容器26将被充电。当电容器26已经被完全充电时，电容器26将作为隔离器并且没有电流可以流过第二支路12。因此，在该阶段，没有电流可以流过第一支路10和第二支路12两者。因此，电子熔丝1已经断开到DC应用5的连接。
[0058] 优选地，互感器14的第二绕组24的自感形成为小于第一绕组20的自感的30％，更优选地小于第一绕组20的自感的15％。第一绕组20与第二绕组24的自感之间大的差值具有这样的效果，使得第一支路10中的电流将花费更少的时间下降，并且因此在晶闸管22停止导通之前将花费的时间更少。因此，电子熔丝1具有快速中断到DC应用5的电流的能力。
[0059] 电子熔丝1还包括用于触发晶闸管22门极的装置35，该装置35适于向晶闸管22的门极发射脉冲。
[0060] 根据本发明的一个实施例，晶闸管22是门极导通晶闸管，并且向晶闸管的门极发射的脉冲触发晶闸管22的导通。在电子熔丝1已经中断电流之后，电子熔丝1通过向晶闸管22的门极发射脉冲而被重新启动。
[0061] 根据本发明的另一实施例，晶闸管22是门极关断晶闸管和门极换流晶闸管之一。发射的脉冲触发晶闸管22停止导通。门极关断晶闸管和门极换流晶闸管提供手动中断到DC应用5的电流的能力。
[0062] 图2示出根据本发明的第二实施例的无源电子熔丝1的示例。
[0063] 电子熔丝1不同于第一实施例之处在于，电子熔丝1包括第三支路40，该第三支路40包括过压保护电路。第三支路40与第一支路10和第二支路12并联连接。过压保护电路40包括第一缓冲器42。
[0064] 电子熔丝1不同于第一实施例之处还在于，电子熔丝1包括第二缓冲器44、第三缓冲器46和第四缓冲器48。
[0065] 第二缓冲器44与互感器14的第一绕组20并联连接。第三缓冲器46与第一支路10的晶闸管22并联连接。第四缓冲器48与第二支路12的电容器26并联连接。
[0066] 第一缓冲器42、第二缓冲器44、第三缓冲器46和第四缓冲器48中的任何一个可以是变阻器、电阻电容缓冲器、电阻电容二极管缓冲器、或者电容器。在图2中，第一缓冲器42、第三缓冲器46和第四缓冲器48是变阻器，并且第二缓冲器44是电阻电感二极管缓冲器。
[0067] 图3示出在没有无源电子熔丝1的情况下DC系统中的电流和电压的示例。系统电压为900V且标称电流为300A。由于在t＝0.2s处发生故障，电流开始快速增加并且不受限制。第一支路的电流(IThyr)和第二支路的电流(Is)迅速达到40kA以上的稳态水平。
[0068] 图4示出与图3中相同的系统，其中该系统已经配备有无源电子熔丝1。当在t＝0.2s处发生故障时，由于第二绕组24较小的自感，系统电流涌入第二绕组24。第二绕组中该增加的电流Is也在第一绕组20中产生磁通量的增加。因此，第一绕组中的电流IThyr将减小以防止磁通量的增加。随着第一绕组20中的电流IThyr到达零，晶闸管22返回到阻断模式。全部电流现在由第二绕组24导通，并且电容器26两端的电压增加。在系统电感与电容器26之间发生一些振荡，但是电流Is从不会超过2kA。电流稳定在零值，并且晶闸管电压UThyr变得与系统电压相等。现在，电子熔丝1通过由晶闸管22和电容器26两者阻断系统电压，来防止任何电流流。
[0069] 本发明不限于所公开的实施例，而是可以在权利要求的范围内进行
修改。
