專利名稱：電子開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
為了給用電器(設(shè)備、負(fù)載)提供電能或功率，通常將該用電器通過一個開關(guān)設(shè)備(開關(guān)裝置)與一個電網(wǎng)的線路分支連接。
這種在用電器前連接到線路分支的開關(guān)設(shè)備用于為用電器接通和斷開電流。在正常運行(額定運行)中該開關(guān)設(shè)備接通用電器所需的額定電流。在特殊的情況下，例如在接通時，用電器可能需要明顯高的電功率，因此，流過開關(guān)設(shè)備的電流明顯地高于額定電流。人們稱其為過載電流。通過用電器中或向用電器傳送功率導(dǎo)線中的短路，可以使用電器的電阻劇烈下降或者消失，并因此使得流過開關(guān)設(shè)備的電流增加到很高的值。這種高的短路電流造成在開關(guān)設(shè)備和用電器中很高的功率損失，并由此會很快造成開關(guān)設(shè)備或用電器的受損或毀壞。因此，必須保護(hù)開關(guān)裝置和用電器不受過長時間的過載電流或者短路電流的影響。為此，采用了專門的保護(hù)設(shè)備，用于保護(hù)用電器不受過高電流的影響，當(dāng)這種臨界電流出現(xiàn)時，將線路分支與電網(wǎng)分離。作為保護(hù)設(shè)備主要應(yīng)用的是熔絲功率保護(hù)開關(guān)或功率開關(guān)。
為了防止過載電流和短路電流希望有這樣的開關(guān)設(shè)備，該開關(guān)設(shè)備本身就是防過載或短路的，因此也稱為自保護(hù)開關(guān)設(shè)備。這種自保護(hù)開關(guān)設(shè)備應(yīng)該獨立地保護(hù)本身和線路分支，以使得當(dāng)在分支中使用這種開關(guān)設(shè)備時不會出現(xiàn)由短路電流或過載電流造成的損害。
為了通斷電流，除了主要使用的帶有開關(guān)觸點的機(jī)械開關(guān)設(shè)備外，公知的還有用半導(dǎo)體元件實現(xiàn)的電子開關(guān)設(shè)備?？梢詫⑦@些半導(dǎo)體元件一方面劃分為電流控制半導(dǎo)體元件，如雙極型晶體管和閘流晶體管就屬于這類，另一方面為電壓控制半導(dǎo)體元件，例如單極MOS(金屬氧化半導(dǎo)體)場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或雙極型MOS可控閘流管(MCT)或MOS可控雙極型晶體管(IGBT)。所有這些提到的半導(dǎo)體元件只能使電流沿一個方向(導(dǎo)通方向)流動，即只能在所加工作電壓的一個確定的極性下在導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)之間接通(可導(dǎo)通狀態(tài))。每個半導(dǎo)體元件在其截止?fàn)顟B(tài)下只能截止到一個最大的截止電壓(擊穿電壓)。在更高的截止電壓下會出現(xiàn)能夠很快造成元件損壞的載流子擊穿。
WO 95/24055 A1公開了一種電子開關(guān)裝置，其中一個半導(dǎo)體組件具有兩個反向串聯(lián)的FET，在該半導(dǎo)體組件的兩側(cè)分別有一個連接在導(dǎo)線(Leitungszug)中的斷流器觸點。這些斷流器觸點由一個與該半導(dǎo)體組件并聯(lián)的脫扣元件(Ausloeseglied)接通或者斷開。在兩個FET的柵極和源極之間加有一個控制裝置的控制電壓。在導(dǎo)線中設(shè)置了一個與控制裝置連接的電流傳感器?？刂蒲b置檢查何時達(dá)到或者超過允許的短路電流，并然后對兩個FET的控制電壓這樣進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得不超過允許的短路電流，其中，通過控制電壓提高FET的內(nèi)部電阻?？刂蒲b置借助于輔助能源(外部能源)產(chǎn)生控制電壓。電流傳感器的信號僅用于分析是否出現(xiàn)了短路的情況。
WO 95/07571 A1公開了一種具有兩個反向串聯(lián)連接的、基于碳化硅的MOSFET的交流電流調(diào)節(jié)器。每個SiC-MOSFET可以通過各自的柵極-源極控制電壓控制。柵極-源極電壓在導(dǎo)通方向上的大小這樣設(shè)定，使得可設(shè)置一個希望的漏-源電流的界限，并在反向工作時其大小使得在MOSFET的體二極管中和沒有電流。通過這種電路的限流特性，能夠?qū)⒍搪废蘖髟诳梢越邮艿乃?，并通過相應(yīng)的不斷降低的柵-源電壓而降低。柵-源電壓借助于一個外部能源產(chǎn)生。
DE 196 10 135 C1公開了一種電子開關(guān)裝置，該裝置包括兩個用于加載工作電壓的電氣連接、一個基于硅的半導(dǎo)體元件(硅元件)和附加的一個半導(dǎo)體裝置。該半導(dǎo)體裝置包括一個預(yù)定導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體區(qū)和至少一個導(dǎo)電類型相反的另一半導(dǎo)體區(qū)，在它們之間形成一p-n節(jié)。這些半導(dǎo)體區(qū)分別由擊穿場強(qiáng)至少為106V/cm的半導(dǎo)體構(gòu)成，特別是金剛石、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)以及優(yōu)選地為碳化硅(SiC)，特別是聚合類(Polytypen)3C、4H和/或6H。
現(xiàn)在至少在半導(dǎo)體裝置的第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)有一個與p-n節(jié)相臨的隧道區(qū)，其在兩個接頭之間與硅元件串聯(lián)連接。該硅元件在預(yù)定極性的工作電壓下具有一個導(dǎo)通狀態(tài)和一個截止?fàn)顟B(tài)。該半導(dǎo)體裝置的p-n節(jié)電氣連接在工作電壓截止方向的兩個接頭之間。如果硅元件處于截止?fàn)顟B(tài)，則至少一個p-n節(jié)的耗盡區(qū)將在第一半導(dǎo)體區(qū)的隧道區(qū)卡住或者甚至將整個隧道區(qū)覆蓋。由此，在硅元件的截止?fàn)顟B(tài)下通過p-n節(jié)耗盡區(qū)在兩個接頭之間的工作電壓的大部分已經(jīng)下降。由于對于p-n節(jié)的半導(dǎo)體區(qū)使用的半導(dǎo)體至少高達(dá)106V/cm的擊穿場強(qiáng)，半導(dǎo)體裝置的p-n節(jié)可以承受比在硅中構(gòu)成的具有相同的載流子濃度和尺寸的p-n節(jié)明顯高的截止電壓。作為比較，硅的擊穿場強(qiáng)大約在2·105V/cm。因此，僅需對兩個接頭之間截止電壓的剩余部分鋪設(shè)硅元件。這又造成在導(dǎo)通狀態(tài)下明顯地減少硅元件的功率損失。此外，在半導(dǎo)體裝置p-n節(jié)處在另一電路分支中加有作為截止電壓的兩個接頭之間的總工作電壓。在硅元件的導(dǎo)通狀態(tài)下，半導(dǎo)體裝置第一半導(dǎo)體區(qū)的隧道區(qū)重新開啟，此時電流可以通過該隧道區(qū)在兩個接頭之間流動。
作為硅元件建議使用功率MOSFET，優(yōu)選地是常斷類型或者也可以是MESFET(金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管)。半導(dǎo)體裝置優(yōu)選地作為垂直JFET(結(jié)型場效應(yīng)晶體管)構(gòu)成。JFET的源極與硅MOSFET的漏極短接。JFET的漏極與電子開關(guān)裝置的第二接頭電氣連接。JFET的柵極與電子開關(guān)裝置的第一接頭和硅MOSFET的源極電氣短接。利用這種可以稱為混合功率MOSFET或陰地-柵地電路(Kaskodeschaltung)的公知的裝置，如果采用碳化硅(SiC)作為半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體材料的話，則尤其可以得到直到5000V的截止電壓和5A到5000A之間的導(dǎo)通電流。在DE 196 10 135 C1所公開的電子裝置的另一實施方式中，將基于碳化硅(SiC)的IGBT類型混合制成的半導(dǎo)體裝置與硅MOSFET相結(jié)合，可以得到直到10000V的截止電壓和直到100A/芯片的額定電流。
在另一文獻(xiàn)DE 198 33 214 C1中公開了一種以具有用優(yōu)選基于碳化硅(SiC)的外延層構(gòu)成的JFET半導(dǎo)體裝置的臺型結(jié)構(gòu)作為開關(guān)元件。這種高截止的JFET半導(dǎo)體裝置尤其被建議用于轉(zhuǎn)數(shù)可變驅(qū)動的變流機(jī)應(yīng)用或者作為電機(jī)支路的交流電壓開關(guān)，其中所接入的元件必須保持“常關(guān)(normallyoff)”運行，即當(dāng)電流斷開時自動地轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。為此建議，將該高截止的JFET半導(dǎo)體裝置以陰地-柵地電路與一個低電壓MOSFET或者低電壓靈敏MOSFET連接，其中低電壓FET可以按公知的硅技術(shù)制造。
由DE 196 10 135 C1所公開的和在DE 198 33 214 C1中所描述的陰地-柵地電路如無附加的具有輔助能源的電路就只能有條件地滿足開關(guān)裝置的自保護(hù)性。即與常規(guī)的在硅基體上的半導(dǎo)體開關(guān)元件相比，其允許明顯長的過電流時間或者短路時間。但是，由過載或短路長時間在陰地-柵地電路的半導(dǎo)體裝置(JFET)中形成的功率損失，在若干電網(wǎng)周期(交流電壓)后，或者一般地在過載或短路電流出現(xiàn)一段時間之后會造成保護(hù)元件熱損壞，并進(jìn)而造成開關(guān)元件損壞。
盡管在DE 196 10 135 C1中建議了，通過所謂的靈敏功率硅MOSFET或相應(yīng)的智能硅元件將硅功率MOSFET應(yīng)用于開關(guān)，以使電子裝置除了開關(guān)功能外還具有保護(hù)功能，例如過電壓保護(hù)或者過電流開路。但是，在DE196 10 135 C1中沒有具體地給出，在該靈敏功率硅MOSFET中電路是如何連接的，以實現(xiàn)所述保護(hù)功能，特別是過電流開路功能，尤其因為JFET的飽和電流位于硅MOSFET的正常歐姆工作區(qū)中，因此對MOSFET沒有可以檢測的過電流。
在另一文獻(xiàn)DE 34 45 340 A1中公開了一種單向或雙向開關(guān)，該開關(guān)在線路分支上與具有負(fù)載的220V和50Hz的電網(wǎng)電壓串連連接。該開關(guān)在一種單向開關(guān)的實施方式中包括一個MOSFET和與此串聯(lián)連接的電阻R1，而在一種雙向開關(guān)的實施方式中包括兩個反向串聯(lián)連接的MOSFET和連接在兩個FET之間的電阻R1。電阻R1上的電壓降由一個限流電路采集，該限流電路在單向開關(guān)的情況下具有另一個電阻和一個雙極型晶體管，而在雙向開關(guān)的情況下具有兩個電阻和兩個雙極型晶體管。如果在電阻R1上的電壓降大于0.6V，該限流電路與每個MOSFET的柵極連接并減小在MOSFET柵極和源極之間施加的控制電壓。該限流電路通過電阻R1并因此通過整個開關(guān)將電流調(diào)節(jié)到一個平衡狀態(tài)值，該電流造成一個相應(yīng)于限流電路的雙極型晶體管的基極和發(fā)射極電壓的一個壓降。但是，由于限流電路的總是串聯(lián)的電阻R1，這種公知的開關(guān)就是在額定運行中也具有高的電損耗。限流電路通過MOSFET開關(guān)元件本身實現(xiàn)了，通過改變柵極電壓由該限流電路控制開關(guān)元件的電阻。
此外，按照DE 34 45 340 A1的開關(guān)還具有短路保護(hù)，其中，設(shè)置了兩個附加晶體管(FET 3和FET 4)。一個FET(FET 4)構(gòu)成控制開關(guān)，該控制開關(guān)與一個電阻R5一起連接在控制電壓的兩極之間。該控制開關(guān)FET的柵極與另一個FET(FET 3)的源極相連。該另一個FET的漏極又通過一個二極管Da與電網(wǎng)電壓的一極相連，而其柵極與控制電壓的正極連接。如果負(fù)載短路，則在接通狀態(tài)下電流向極限值增加。如果到達(dá)該極限值，則通過二極管Da在第二FET(FET 3)的漏極出現(xiàn)一個瞬間交流電壓。FET 3的柵極電壓在控制電路時為正的。FET 3源極電平等于FET 4的柵極電平，同樣是正的，因而使得FET 4導(dǎo)通。這使得在MOSFET柵極上的控制電壓下降至溫度柵極-源極電壓以下的臨界值，并且開關(guān)斷開。
但是，這種公知的電路在短路情況下非常危險，因為MOSFET(FET 1)只能承受幾微秒的短路電流熱并隨后損壞，而用兩個晶體管FET 3和FET4構(gòu)成的斷路不能保證這種快速的關(guān)斷。按照DE 34 45 340 A1，限流和短路保護(hù)功能在關(guān)斷MOSFET時都沒有外加的能量。但是，為了關(guān)斷開關(guān)元件本身而測取開關(guān)元件上的電壓降是不實用的，因為MOSFET的導(dǎo)通電阻應(yīng)盡可能小，以便使開關(guān)損耗最小，并因此排除大量熱負(fù)載，直到達(dá)到斷開在短路情況下所要求的過壓。因此，這種公知的開關(guān)不是自保護(hù)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種電子開關(guān)裝置和一種運行開關(guān)裝置的方法，其中，不引入輔助能源也能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)裝置的可靠的自保護(hù)性。
按照本發(fā)明，上述技術(shù)問題是通過一種具有權(quán)利要求1特征的開關(guān)裝置以及一種按照選擇性引用權(quán)利要求1的權(quán)利要求42的運行開關(guān)裝置的方法來解決的。
在權(quán)利要求1和權(quán)利要求42中要求保護(hù)的發(fā)明的出發(fā)點是，一個工作電路(運行電路)，該電路有至少一個電子開關(guān)元件和至少一個通常與開關(guān)元件電氣上串聯(lián)連接的電子保護(hù)元件。工作電壓加到或者可以加到該工作電路上。開關(guān)元件通過一個至少可以加到一個控制接頭的開關(guān)信號，可以在一個斷開狀態(tài)和一個接通狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換。在接通狀態(tài)，即如果通過該由保護(hù)元件和開關(guān)元件組成的電路中流通有工作電流時，保護(hù)元件保護(hù)該開關(guān)元件在危險的情況下不受一個過高的熱負(fù)載，特別時在過載的情況或在短路的情況下，在該情況下通過工作電路流通比正常運行(額定運行)或者預(yù)期電流明顯高的電流，而開關(guān)元件通過由此產(chǎn)生的焦耳損失熱量受到熱損害。為此，保護(hù)元件在危險的情況下為接入的開關(guān)元件承受(承擔(dān))工作電壓(電壓降)主要的或基本的部分，并由此也相應(yīng)承擔(dān)在危險情況下工作電路中出現(xiàn)的焦耳損失能量的主要部分。該保護(hù)元件的運行是相應(yīng)堅固的。一種特殊的電路和該電路運行的特征在前面提到的DE 196 101 35C1中公開。
但是，這種開關(guān)裝置在超過一個過長的時間段流動的高電流和因此的高損失能量(即通過該時間積累的損失能量)下，也對保護(hù)元件造成熱損害。
本發(fā)明基于第一個思路，即在危險情況下當(dāng)?shù)竭_(dá)由超過臨界電流和電壓值(或上限值、門限值、最大值)所表示的斷開或關(guān)斷判據(jù)時斷開開關(guān)元件，并因此消除了在開關(guān)元件上的過壓和巨大的熱能。為了斷開考慮到了通過工作電路流動的工作電流或者在整個工作電路或保護(hù)元件上的工作電壓，和一個對應(yīng)的所屬上限值。
本發(fā)明還基于第二個思路，即斷開開關(guān)元件所需的能量不是來自于一個外部的其它或輔助能源，而是直接來自在工作電路中供使用的工作電能。按照本發(fā)明，在危險情況下開關(guān)元件的斷開因此完全自給自足地實現(xiàn)，并可以不因輔助電源的失效而受到影響。按照本發(fā)明的電子開關(guān)裝置和運行開關(guān)裝置的方法因此是完全自保護(hù)的。因此，按照本發(fā)明構(gòu)造或運行的開關(guān)裝置包括了電子開關(guān)設(shè)備的靈活性和同時可以與機(jī)械開關(guān)設(shè)備比較的牢固性。
開關(guān)裝置優(yōu)選的結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展以及應(yīng)用由從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求給出。
在第一實施方式中開關(guān)裝置的斷開裝置包括至少三個接頭，其中兩個是輸入端和一個是輸出端。這兩個輸入與具有開關(guān)元件和保護(hù)元件的工作電路這樣連接，使得在輸入上或輸入之間可以測取或已經(jīng)測取了工作電壓本身、或者在具有開關(guān)元件和保護(hù)元件的電路上或內(nèi)工作電壓的部分壓降、或者通過該電路流動的工作電流或該電流分支的一部分。從這種在輸入端測取的電的大小(電壓或電流)斷開裝置形成一個開關(guān)信號，該信號被提供至輸出端并由此可以加到或已經(jīng)加到開關(guān)元件的控制接頭。只要危險情況不出現(xiàn)，則斷開裝置的開關(guān)信號不影響正常運行下開關(guān)元件的狀態(tài)。但是，如果出現(xiàn)危險情況，則斷開裝置借助于工作電壓或工作電流中現(xiàn)有能量改變在輸出端的開關(guān)信號，并由改變后的開關(guān)信號斷開開關(guān)元件，即將開關(guān)元件變成截止?fàn)顟B(tài)或斷流的狀態(tài)。
開關(guān)裝置的一種特別優(yōu)選的實施方式的特征在于，所述斷開裝置包括一個用于開關(guān)元件斷開的控制開關(guān)。該控制開關(guān)連接在開關(guān)元件的控制接頭和一個開關(guān)點之間，該開關(guān)點上施加一個信號，該信號在控制開關(guān)導(dǎo)通時在開關(guān)元件的控制接頭上將開關(guān)元件斷開，即對應(yīng)于一個斷開信號。這種施加在開關(guān)點上的信號是一個基本上恒定的電平，優(yōu)選為大地電平或機(jī)殼電平(Massepotential)。在控制開關(guān)的控制端施加一個由工作電壓或工作電流產(chǎn)生的控制信號。如果危險情況出現(xiàn)，該控制信號接通控制開關(guān)，即使其進(jìn)入其導(dǎo)通狀態(tài)或接通的狀態(tài)。反之，即如果危險情況不出現(xiàn)，控制開關(guān)通過一個相應(yīng)變化的控制信號被斷開，即被帶入其截止?fàn)顟B(tài)或斷開狀態(tài)。其結(jié)果是，在額定運行中(即正常運行、沒有危險情況)在位于控制開關(guān)另一側(cè)開關(guān)點上的斷開信號，特別是恒定電平，通過控制開關(guān)與開關(guān)元件的控制端去耦并因此對開關(guān)元件的控制失去影響。反之，在危險情況下，控制開關(guān)將在控制點上的斷開信號，必要時通過其它開關(guān)部件，接至開關(guān)元件的控制端。此時，接通的開關(guān)點上的控制電平或開關(guān)信號造成開關(guān)元件過渡到其截止?fàn)顟B(tài)。斷開信號保持開關(guān)元件在危險情況下接入(斷開)，而不依賴于工作電壓或工作電流的當(dāng)前值正在或已經(jīng)超出上限值多少。
因為，在大多數(shù)情況下，對于控制開關(guān)的控制信號工作電路的工作電壓，在一個優(yōu)選的擴(kuò)展中將工作電壓通過一個分壓器分壓，而將得到的部分電壓或者由其導(dǎo)出的電流作為開關(guān)信號使用。這樣分壓器成為斷開裝置的組成成分。
同樣也可以降低工作電流，其中將一個集流電阻接入工作電流或者與工作電流明顯相關(guān)的分支電流(部件電流、監(jiān)視器電流)的電流路徑中，而開關(guān)信號從在集流電阻上測取的測取電壓產(chǎn)生，必要時還是利用了分壓器的中間電路。
在開關(guān)元件的控制端和具有斷開信號的開關(guān)點之間優(yōu)選地連接一個與控制開關(guān)串聯(lián)的去耦電阻。該去耦電阻特別是用于對工作電壓或測取電壓分壓的分壓器的一個部件。
在一個特別優(yōu)選的實施方式中斷開裝置的控制開關(guān)包括至少一個控制晶體管。該控制晶體管優(yōu)選地為一個MISFET(金屬絕緣半導(dǎo)體場效應(yīng)管)，尤其是一個MOSFET。而開關(guān)信號則特別是在柵極和源極之間的一個控制電平或一個控制電壓。特別優(yōu)選的是使用自鎖的(常開)MISFET或者M(jìn)OSFET(飽和類型)。這種自鎖的MISFET在0V或者低于門限值的控制電壓處于截止(斷開)狀態(tài)，其為了接通或過渡到導(dǎo)通狀態(tài)需要一個有效的、其值必須大于0V或者總的高于門限值的開關(guān)或控制電壓。由于不能完全避免損耗，為了保持這種自鎖的MISFET的導(dǎo)通狀態(tài)需要一直有一個一定的最低能量。這種能量在危險情況下取自工作電壓或工作電流。如果危險情況不出現(xiàn)，則自鎖的MISFET再次斷開。由此，自鎖的MISFET使得可以開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)自動返回到對于額定運行的接通狀態(tài)或者可以接通的狀態(tài)。
不過，控制晶體管也可以是一個(電流控制的)雙極晶體管(npn或pnp型)或者一個(電壓控制的)IGBT(絕緣柵極雙極晶體管)。此外，作為控制開關(guān)也可以使用一個其它能夠開關(guān)的元件或半導(dǎo)體元件，例如，一個閘流管或者一個MCT(MOS受控閘流管)。
如果在一個優(yōu)選的應(yīng)用中將開關(guān)裝置在用用電器之前接到一個尤其是低壓電網(wǎng)(典型地是在額定運行中作為工作電壓有效值介于230V和690V之間)的供電電網(wǎng)的導(dǎo)電分支中，則該開關(guān)裝置在危險情況或短路情況下也及時地將用電器與電位分開，從而避免了對用電器的傷害。
盡管在過載情況或短路情況下開關(guān)元件通過斷開裝置斷開，并由此通過開關(guān)裝置將限流在一個不臨界的值。但是，在開關(guān)元件斷開之后工作電流下降，并由此在開關(guān)元件或保護(hù)元件上的工作電壓壓降又降為所屬臨界上限值以下的一個值。因此對于斷開裝置，特別是對于控制開關(guān)的控制大小又處于一個非臨界的、危險情況區(qū)域以外的區(qū)域。由此原則上可能有斷開裝置的兩種行為方式。
在第一種方案中斷開裝置在危險情況下斷開開關(guān)元件之后，至少在一個確定的時間間隔(最小時間間隔)內(nèi)自動保持開關(guān)元件斷開的狀態(tài)，即在一次斷開過程之后特別不再需要從工作電壓或工作電流中提取進(jìn)一步的能量。
在第二中方案中只要危險情況不再出現(xiàn)，則停止斷開裝置。于是，在工作電壓或工作電流再次低于上限值緊接之后，斷開裝置不再向開關(guān)元件的控制端產(chǎn)生斷開信號。
在第一方案中起作用的保持開關(guān)元件的斷開狀態(tài)在危險情況(臨時)結(jié)束后也可以是長久的且獨立于工作電壓或工作電流進(jìn)一步的變化而處于一個子方案，例如在其中選擇一個機(jī)械開關(guān)作為控制開關(guān)。在該實施方式中優(yōu)選地需要一個用于重新接通(不是斷開)開關(guān)元件的附加的輔助能量接頭或者一個與斷開裝置的接觸，以便開關(guān)元件在危險情況結(jié)束后再次可以被開關(guān)。因此，該實施方式不是特別適合實際應(yīng)用。
反之，對于在實踐中出現(xiàn)的開關(guān)要求基本上更適合的是，開關(guān)裝置實施方式的第一方案的另一個子方案，其中斷開裝置在危險情況下斷開開關(guān)元件，然后僅僅在一個給定的時間間隔內(nèi)將開關(guān)元件保持在斷開狀態(tài)。在該時間間隔期間由斷開裝置提供的控制信號獨立于當(dāng)前所加工作電壓或工作電流而對應(yīng)于開關(guān)元件的斷開開關(guān)信號。斷開裝置由此將開關(guān)元件的斷開狀態(tài)保持在預(yù)定最小時間間隔，即使危險情況不再存在。反之，在該時間間隔過后斷開裝置的開關(guān)信號再次依賴于當(dāng)前所加工作電壓或工作電流，在危險情況重新出現(xiàn)時才再次過渡到斷開模式。由此，開關(guān)元件在額定運行中再次可以被開關(guān)。
在一個優(yōu)選的實施方式中斷開裝置包括至少一個電容，用于保持開關(guān)元件的斷開狀態(tài)或者開關(guān)元件對應(yīng)的斷開信號，該電容優(yōu)選地連接控制開關(guān)的控制端和所屬(具有斷開信號的)開關(guān)點。電容存儲由工作電流充電，并由此保持在其兩個電容電極上的電壓。該電容電壓優(yōu)選地通過一個與電容并聯(lián)的齊納二極管適當(dāng)?shù)叵拗?。即使沒有電容，齊納二極管尤其連接在控制開關(guān)的控制端和所屬開關(guān)點之間，并起到設(shè)置控制電壓的作用。在一個優(yōu)選的擴(kuò)展中一個放電電阻與電容并聯(lián)。開關(guān)元件的控制端上斷開信號保持的最小時間間隔通過由電容和放電電阻構(gòu)成的并聯(lián)電路的放電時間(時間常數(shù))確定。
通常工作電壓和由此的工作電流中涉及的是一個時間上變化的、多數(shù)還在極性變化(交變)的大小，例如一個周期變化的電壓或電流(交流電壓或者交流電流)，如同其通常有電力供能網(wǎng)絡(luò)或電力發(fā)電機(jī)所提供。這種交流電壓或交流電流具有理想情況下的正弦形式的時間變化。
選擇交變的工作電壓有這樣的影響，即在過載或短路情況下過載或短路電流同樣極性變化，尤其是按照工作電壓的周期振蕩。即如果工作電壓通過斷開裝置在超出極限值的半個周期(半波)減小或完全斷開，則通過對斷開裝置控制的反饋又將開關(guān)元件引入導(dǎo)通狀態(tài)(接通)。因此，具有開關(guān)元件和保護(hù)元件的電路將通過在每個半波中低于極限值的電流或電壓值的損失功率電氣和溫度上被加載。
這種開關(guān)元件在交變工作電壓一個極性，特別是半個周期(半波)的相位期間的再次接通，可以通過上述將開關(guān)元件的斷開狀態(tài)保持一個預(yù)定的最小時間間隔的實施方式得以避免。在最小時間間隔期間開關(guān)元件通過斷開裝置被保持在截止?fàn)顟B(tài)(不導(dǎo)通的狀態(tài))，為此，最小時間間隔選擇為最小和交流工作電壓的半個周期一樣大，以便在這半個危險情況出現(xiàn)的周期不允許或只允許很少進(jìn)一步的損耗。優(yōu)選地將開關(guān)元件斷開的最小時間間隔選擇得至少和交流工作電壓的完整周期長度相等，以便也克服交流工作電壓的具有相反極性的半個周期。
為了實現(xiàn)也可以自保護(hù)地開關(guān)極性交變的工作電壓，特別是(周期性)交流電壓的開關(guān)裝置，設(shè)計了兩個總體上相同的電路，它們分別由在電流路徑中反串聯(lián)的一個開關(guān)元件和一個保護(hù)元件和各自所屬的斷開裝置組成。此外，為了在工作電壓相反極性下保護(hù)工作電路，也可以采用例如并聯(lián)連接的保護(hù)二極管的保護(hù)裝置。
由開關(guān)元件和保護(hù)元件組成的工作電路總體上包括一個第一接頭和一個第二接頭。工作電壓加在這兩個接頭上。工作電路的兩個接頭的第一個優(yōu)選地與屬于控制開關(guān)的開關(guān)點連接，并優(yōu)選地加有和該開關(guān)點相同的電平。由此工作電壓的有效相位加到另一個，即第二接頭上。
控制開關(guān)的控制端可以通過第二接頭與工作電壓連接。斷開裝置則在控制開關(guān)和第二接頭之間優(yōu)選地包括一個附加耐壓開關(guān)，例如同樣是MISFET或MOSFET，以便斷開裝置在需要時能夠停止開關(guān)裝置并避免在開關(guān)裝置中的附加損耗，假如開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)的話。
對于開關(guān)裝置的額定運行通常設(shè)計有控制裝置，該控制裝置與開關(guān)元件的控制端，尤其是通過一個輸入電阻連接或可以連接，并在額定運行中將一個用于接通或斷開開關(guān)元件的控制信號加到其控制端。首先存在的一方面通過控制裝置對開關(guān)元件的控制和另一方面斷開裝置之間的競爭這樣優(yōu)選地別解決，即如果不出現(xiàn)危險情況，則控制裝置確定開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)，而如果出現(xiàn)危險情況，則斷開裝置確定開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)。為此，按優(yōu)選方式在對應(yīng)的情況下分別互相地啟動和/或停止控制裝置和斷開裝置。
通過控制裝置啟動斷開裝置可以這樣實現(xiàn)，即將耐壓開關(guān)的控制端與控制裝置連接，且控制裝置接通該耐壓開關(guān)。由此，接通耐壓開關(guān)，而在控制開關(guān)控制端的控制信號是與在工作電路上或者工作電路內(nèi)的工作電壓或工作電流耦合的。
在一個特別優(yōu)選的實施方式中，控制裝置將耐壓開關(guān)與開關(guān)元件共同(同時、同步)接通。由此，如果開關(guān)元件處于接通狀態(tài)，斷開裝置才由控制裝置啟動。反之，如果開關(guān)元件已經(jīng)有控制裝置斷開，則不必再將斷開裝置啟動，并可以避免了由于斷開裝置附加的電路造成的損耗。
為了避免在交流工作電壓的相反極性期間負(fù)的控制，可以在控制開關(guān)的控制端和工作電壓的兩個連線之間額外接入一個二極管。此外，為了調(diào)節(jié)在控制開關(guān)的控制端和工作電壓的兩個連線之間的控制開關(guān)控制點上的信號電平，還優(yōu)選地連接一個中間電阻。
在一個特別優(yōu)選的實施方式中，開關(guān)元件包括一個以商品名稱HITFET公知的、由MISFET導(dǎo)出的、特殊的場效應(yīng)管，該場效應(yīng)管具有一個附加的電流監(jiān)視輸出。斷開裝置優(yōu)選地通過一個測取電阻，測取HITFET電流監(jiān)視輸出上的工作電流或一個明確依賴工作電流的電流信號，以便產(chǎn)生開關(guān)信號，該信號加到或者可以加到HITFET的控制端。
在所有實施方式中，電子保護(hù)元件在至少一個半導(dǎo)體基底上建成，該半導(dǎo)體具有至少106V/cm的擊穿場強(qiáng)和/或至少2eV的能帶寬度，而由此可以適合隔絕更高的電壓。因此，保護(hù)元件可以承受在危險情況下特別高的工作電壓的分量。適合的半導(dǎo)體有碳化硅(SiC)，尤其是β聚合類(Polytypen)3C或α聚合類、例如15R、4H和/或6H聚合類、氮化鎵(GaN)、金剛石、氮化鋁(AlN)和氮化銦(InN)。優(yōu)選的半導(dǎo)體材料為碳化硅(SiC)，因為它具有高的擊穿場強(qiáng)、小的損耗功率、高的抗溫性能、化學(xué)電阻和高的導(dǎo)熱性能。
反之，對于開關(guān)元件盡可能好的開關(guān)性能是首選因素，耐壓性能則為次要的，因為耐用可以繼續(xù)由保護(hù)元件承擔(dān)。因此，電子開關(guān)元件優(yōu)選地在由一種或多種由硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和鍺(Ge)組成的半導(dǎo)體組構(gòu)成。
保護(hù)元件盡管在危險情況下吸收盡可能高的工作電路上工作電壓的壓降和對應(yīng)的焦耳損耗，例如至少70％和優(yōu)選地至少90％，但是，反過來在正常運行(額定運行)中，即在沒有過載和短路并因此明顯小的額定電流的正常運行的用電器，要有盡可能小的導(dǎo)通損耗。保護(hù)元件上的壓降和在開關(guān)元件上的壓降的比例，因此也就是保護(hù)元件上釋放的焦耳損失功率和在開關(guān)元件上釋放的焦耳損失功率的比例必須在額定運行中明顯地小于在危險情況下的比例。因此，優(yōu)選的是，由保護(hù)元件承受的壓降和由此焦耳熱功率的成分在危險情況下比在額定運行中對應(yīng)地大量增加。這樣也可以保持在開關(guān)元件工作電壓的壓降成分的絕對值低于一個預(yù)定的最大值，例如100V或50V。這種在危險情況下相對于在開關(guān)元件的電壓承受增加了的在保護(hù)元件上的電壓承受可以通過對應(yīng)的限流元件實現(xiàn)。
特別適合的是一種具有飽和特性的元件，即其中在導(dǎo)通區(qū)域的電流電壓特征曲線中在增加的電壓下電流接近或達(dá)到一個飽和電流。對于出現(xiàn)危險情況工作電路中電壓或電流的決定性的或定義的上限值，優(yōu)選地處于保護(hù)元件進(jìn)入或已經(jīng)進(jìn)入其飽和的區(qū)域。保護(hù)元件在其飽和狀態(tài)有一個非常平的電流電壓特征曲線。所以對于掌握電壓的敏感性極大地高于對于掌握電流的敏感性，以至于通過保護(hù)元件監(jiān)視電壓降或者具有保護(hù)元件和開關(guān)元件的工作電路特別有效。保護(hù)元件的保護(hù)電流優(yōu)選地比開關(guān)元件的熱極限電流要小，例如至少一個因數(shù)2或甚至至少一個因數(shù)3。
保護(hù)元件可以通過至少一個在截止方向運行的p-n結(jié)和/或至少一個肖特基結(jié)承受施加的截止電壓，其中分別以建造用于隔絕電壓的貧化區(qū)為特征。
對于保護(hù)元件和/或開關(guān)元件的優(yōu)選的元件結(jié)構(gòu)是JFET(節(jié)型場效應(yīng)晶體管)、MESFET(金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管)和/或MISFET，特別是MOSFET等結(jié)構(gòu)。
在一種特別優(yōu)選的組合中，保護(hù)元件用JFET結(jié)構(gòu)或MESFET結(jié)構(gòu)構(gòu)成，而開關(guān)元件用MISFET結(jié)構(gòu)構(gòu)成。然后在被稱為陰地-柵地電路的工作電路中，保護(hù)元件的JFET結(jié)構(gòu)或MESFET結(jié)構(gòu)的柵極接頭與開關(guān)元件的MISFET的源極接頭連接，而保護(hù)元件的JFET結(jié)構(gòu)或MESFET結(jié)構(gòu)的源極接頭與開關(guān)元件的MISFET的漏極接頭連接。
開關(guān)裝置在一個優(yōu)選的應(yīng)用中連接在用電器之前的一個線路分支，特別是供電電網(wǎng)的線路分支中。


下面對照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，其中圖1為一種具有根據(jù)電壓斷路的開關(guān)裝置的實施方式的原理圖，圖2為一種具有根據(jù)電流斷路的開關(guān)裝置的實施方式的原理圖，圖3為一種具有借助于晶體管電路根據(jù)電壓斷路的開關(guān)裝置的特殊實施方式，和圖4為一種具有借助于晶體管電路和HITFET作為開關(guān)元件的、根據(jù)電流斷路的開關(guān)裝置的特殊實施方式。
在圖1至圖4中對相應(yīng)的部件使用了相同的附圖標(biāo)記。
具體實施例方式
按照圖1和圖2的開關(guān)裝置分別包括一個由具有三個電氣接頭(觸點、電極)2A、2B和2C的電子開關(guān)元件2，和一個具有三個電氣接頭3A、3B和3C的電子保護(hù)元件3組成的工作電路10。這個工作電路10連接在兩個電氣接頭20和30之間，在該兩個電氣接頭之間可以施加工作電壓UB。其中，第一接頭20處于電平P0，而第二接頭30處于電平P1。通常電平P0基本為常數(shù)，特別是大地或機(jī)殼電平(Massenpotential)，而電平P1對應(yīng)于有效相電(active Phase)。在一個位于兩個接頭20和30之間的電流路徑中，開關(guān)元件2和保護(hù)元件3電氣上串聯(lián)，其中，開關(guān)元件2的接頭2B與接頭20連接、開關(guān)元件2的接頭2A與保護(hù)元件3的接頭3B連接，以及保護(hù)元件3的接頭3B與接頭30連接。
通過保護(hù)元件3的第三接頭3C，保護(hù)元件3還在一個與第一電流路徑平行延伸的第二電流路徑中連接在接頭20和30之間，其中，接頭3C通過開關(guān)點22與開關(guān)元件2的接頭2B連接。
電子開關(guān)元件2用一個開關(guān)符號表示，并可以借助于加在控制接頭2C上的控制信號在導(dǎo)通狀態(tài)(接通狀態(tài)、傳導(dǎo)狀態(tài)、具有低導(dǎo)通電阻狀態(tài))和截止?fàn)顟B(tài)(斷開狀態(tài)、不傳導(dǎo)狀態(tài)、具有高導(dǎo)通電阻狀態(tài))之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在導(dǎo)通狀態(tài)下，電流(導(dǎo)通電流)可以通過開關(guān)元件2在兩個接頭2A和2B之間流動。相反，在截止?fàn)顟B(tài)下，實際上僅流過可以忽略的截止電流。與開關(guān)元件的導(dǎo)通狀態(tài)相對應(yīng)的開關(guān)信號PS在下面也稱為接通開關(guān)信號，而與開關(guān)元件的截止?fàn)顟B(tài)相對應(yīng)的開關(guān)信號PS也稱為斷開開關(guān)信號。開關(guān)信號PS取決于開關(guān)元件2的組件，可以是一個控制電位或者控制電流，但也可以是光控制中的一個光信號。通常，開關(guān)元件2是基于硅的半導(dǎo)體元件，特別是MOSFET、MESFET、閘流晶體管、IGBT或MCT。
保護(hù)元件3的任務(wù)是，保護(hù)開關(guān)元件2免受過高的電壓和電流。特別是保護(hù)元件3使開關(guān)元件2在其導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)都能減輕相對所加工作電壓UB的負(fù)載，使得開關(guān)元件只需加有明顯低于最大工作電壓的預(yù)定最大截止電壓。在開關(guān)元件2的導(dǎo)通狀態(tài)下，在額定工作中的保護(hù)元件3應(yīng)有盡可能小的導(dǎo)通損耗，即有盡可能小的電阻。此外，在開關(guān)元件2的導(dǎo)通狀態(tài)下，保護(hù)元件3應(yīng)限制流過工作電路10的、通常至少高于額定電流三倍的過載電流或者明顯更高的短路電流，以使開關(guān)元件2不會由于過高的電流而造成過高的損失功率，并避免由此造成的熱損壞。因此，保護(hù)元件3中的電阻必須在過載電流下以及真正出現(xiàn)短路電流時才明顯地高于在額定電流下的電阻，以使保護(hù)元件3充分發(fā)揮限制高電流的作用。這又意味著，保護(hù)元件3在過載和短路的情況下產(chǎn)生高的電壓降。保護(hù)元件3的這種功能的電路技術(shù)上的實現(xiàn)，通過一個與開關(guān)元件2串聯(lián)的可控電阻RL和一個與開關(guān)元件2并聯(lián)的非常高的電阻RS(或者也可以是電容)表示。如果保護(hù)元件和開關(guān)元件的特征線處于歐姆區(qū)域，則兩個元件上電壓降的關(guān)系也對應(yīng)于各自的電阻關(guān)系。在保護(hù)元件上降的工作電壓的部分和在開關(guān)元件上降的工作電壓的部分的比例，在開關(guān)元件的接通狀態(tài)(即電流流通)下，在危險情況下通常大于7∶3，特別是大于9∶1，而優(yōu)選地甚至大于10∶1。
在實際中，這樣一種半導(dǎo)體元件用作保護(hù)元件3，即該半導(dǎo)體元件在過載電流或者最晚在短路電流下處于飽和狀態(tài)，即在特征線的一個區(qū)域隨電壓的增加實際上電流不再增加，因此有一種非常高的電阻，并且在額定工作狀態(tài)下通常在特征線的歐姆區(qū)域具有很小的電阻。這種元件的例子是場效應(yīng)晶體管，特別是JFET、MESFET和MOSFET，或者IGBT。
保護(hù)元件3由于其提到的特性構(gòu)造的比開關(guān)元件2更抗電壓，為此，優(yōu)選地用具有至少2eV高能帶寬度或至少1000000V/cm的高擊穿場強(qiáng)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。對保護(hù)元件3優(yōu)選的半導(dǎo)體材料通常是單晶體、碳化硅(SiC)，特別是一種或多種預(yù)定聚合類(Polytypen)，如β聚合類(3C聚合類)或例如一種α聚合類(4H、6H或15R聚合類)。
如果在開關(guān)元件2的控制接頭2C加一個接通開關(guān)信號PS，則該開關(guān)元件2以及保護(hù)元件3分別處于導(dǎo)通狀態(tài)，使得可以通過工作電路10流通一個工作電流。該工作電流在無故障的工作中處在額定電流區(qū)域的正常負(fù)載下。保護(hù)元件3不處于飽和。
在過載或者短路的情況下此時保護(hù)元件3處于飽和并將限流為飽和電流。如果這種過載或者短路的情況持續(xù)，則在保護(hù)元件3中出現(xiàn)巨大的損失熱量(焦耳熱)，該熱量可能使可靠的保護(hù)元件3受損或者破壞。
出于這種原因，按照本發(fā)明設(shè)計了斷開裝置(斷路裝置)4，該裝置在如過載或者短路情況的危險情況下斷開開關(guān)元件2，由此通過串聯(lián)電路10的電流被限制為截止電流。因此，保護(hù)元件3去掉負(fù)載。
圖3示出了工作電路10的一個具體實施方式
，該工作電路作為陰地-柵地電路由一個用T1表示的作為保護(hù)元件3的JFET和一個用T2表示的作為開關(guān)元件2的MOSFET構(gòu)成。這種陰地-柵地電路是公知的且例如在DE196 10 135 C1中有描述。作為保護(hù)元件3的JFET T1除了在該DE 196 10 135C1外，在DE 198 33 214 C1中也有描述。
兩份文獻(xiàn)DE 196 10 135 C1和DE 198 33 214 C1的公開內(nèi)容在本發(fā)明申請中有所涉及。
JFET T1是基于碳化硅(SiC)構(gòu)成的，而MOSFET T2是基于硅(Si)構(gòu)成的。MOSFET T2的源極2B與接頭20、MOSFET的漏極2A與JFET T1的源極3B、JFET T1的源極3A與接頭30、JFET T1的柵極3C與MOSFETT2的源極2B和接頭20連接。為了開關(guān)MOSFET T2在其柵極2C上加一控制電平PS。MOSFET T2的柵-源電壓是對應(yīng)的控制電壓US＝PS-P0。該控制電平PS在額定工作中對應(yīng)于輸入電阻R1上的輸入電平PE(或在控制輸入端40上的輸入電壓UE＝PE-P0)。MOSFET T2是本身截止的類型(常開類型)，從而在MOSFET T2的控制電壓US＝0V時處于斷開狀態(tài)，而直到一個大于確定閾值的控制電壓US時MOSFET T2才受控并轉(zhuǎn)換到其導(dǎo)電或接通狀態(tài)。
在加入一個工作導(dǎo)通電壓時，保護(hù)元件3即JFET T1的行為取決于通過JFET T1流通的工作電流。當(dāng)?shù)竭_(dá)一個關(guān)鍵的電流值(飽和電流)時JFETT1通過隧道區(qū)的截斷進(jìn)入飽和在保持相同或繼續(xù)增加的電壓下電流降到飽和電流以下。
如果此時處于危險情況，例如過載或短路情況，則JFET T1上的電壓繼續(xù)增加，在電流已經(jīng)進(jìn)入飽和值之后，JFET T1中的電氣損失功率增加，JFET T1繼續(xù)發(fā)熱。隨著內(nèi)部溫度的增加此時通過JFET T1隧道區(qū)的載流子的活動性降低。由于這種反向耦合作用JFET T1也將在短路情況下強(qiáng)烈增長的電流快速限制在一個非臨界的電流(限制電流)，該電流明顯低于在冷狀態(tài)下的飽和電流。但是，由于高的損失功率JFET T1只能將這種過載或短路電流的限制保持在一個確定的時間長度內(nèi)。因此，在超過多個電壓周期保持的短路電流下工作電路10不能可靠地自保護(hù)。
因此，對危險的情況設(shè)計了特殊的附加電路作為斷開裝置4。該斷開裝置4的附加電路與工作電路10平行地接在接頭20和30之間。
斷開裝置4包括一個作為控制開關(guān)5的控制晶體管T3。該控制晶體管T3同樣是本身截止的MOSFET，特別是通常買到的硅MOSFET?？刂凭w管T3的源極與接頭20連接?？刂凭w管T3的漏極通過一個去耦合電阻R2與一個位于輸入電平PE的輸入電阻R1和MOSFET T2的柵極2C之間的開關(guān)點41連接。在控制晶體管T3的源極和控制晶體管T3的柵極之間連接著齊納二極管Z1和電容C1?？刂凭w管T3的柵極、齊納二極管Z1和電容C1在開關(guān)點42接成星形，在該點上還有另一個耐壓的、優(yōu)選地還是常開MOSFET構(gòu)成的晶體管T4用其源極星形連接。在該晶體管T4的漏極和工作電路10的第二接頭30之間連接著中間電阻R3和二極管D組成的串聯(lián)電路。此外，在晶體管T4的柵極上直接加有控制輸入40的輸入電平PE。
加在控制晶體管T3柵極上的控制信號S的信號大小，現(xiàn)在取決于接頭20和30之間所加的工作電壓。通過選擇中間電阻R3的電阻值和齊納二極管Z1的穩(wěn)壓電壓為控制信號確定了一個門限電壓或極限值，它與接頭20和30之間工作電壓的一個確定的極限值唯一對應(yīng)。只要工作電壓低于其極限值，則控制晶體管T3處于其截止?fàn)顟B(tài)且MOSFET T2的柵極2C上的開關(guān)信號PS通過在控制輸入40上的輸入電平PE確定。在這種額定運行情況下，通過控制輸入40開關(guān)元件2并由此工作電路10按希望的方式被接通或斷開。
但是，如果在一個危險的情況下接頭20和30之間的工作電壓超過預(yù)定極限值，則控制晶體管T3柵極上的控制信號S增加到超過起門限電壓的值，控制晶體管T3被接通。由此，此時MOSFET T2的柵極2C通過接頭41、去耦合電阻R2和導(dǎo)通的控制晶體管T3與處于電平P0(源電平)的接頭20連接。因此，MOSFET T2的柵極2C上的控制電壓US被將至在門限電壓以下的一個值，使得MOSFET T2斷開。由此，整個工作電路10轉(zhuǎn)換到截止的、不導(dǎo)通的狀態(tài)。
因此，通過斷開裝置4陰地-柵地電路或工作電路10在出現(xiàn)過載或短路的情況時自動斷開。電阻R1和R2的作用是去耦合在控制輸入40對工作電路10的控制。二極管D在工作電路10上電壓相應(yīng)極性期間防止一種負(fù)的控制。
當(dāng)?shù)陀邶R納二極管Z1的臨界電壓時，即對應(yīng)于在接頭20和30之間的工作電壓(額定電壓)UB的一種“零導(dǎo)通”，則由控制晶體管T3通過開關(guān)元件2、MOSFET T2引起的JFET T1的截止?fàn)顟B(tài)被取消，由此造成再次接通。如果短路或過載情況不再存在的話，則在用電器上或者在輸出端空載的重新返回的電網(wǎng)電壓UB下降。因此由JFET T1構(gòu)成的保護(hù)元件3繼續(xù)可以導(dǎo)通。相反，如果過載或短路情況仍然存在的話，則在上述影響機(jī)制之后在工作電路10上再次有一個電壓的下降，按照本發(fā)明JFET T1(保護(hù)元件3)出現(xiàn)截止。
導(dǎo)通控制晶體管T3的工作電壓UB的極限值，優(yōu)選地位于構(gòu)成保護(hù)元件3的JFET T1的飽和區(qū)。在工作電路10中在過載或短路情況下達(dá)到飽和電流之后，在工作電路10的電壓降有一個快速的上升直到一個由附加電路或雪崩效應(yīng)確定的電壓大小。這種在工作電路(陰地-柵地)10上的電壓降被利用來控制在前面連接的控制晶體管T3，并由此造成斷開硅MOSFET T2和JFET(SiC晶體管)T1。通過這種斷開這樣地來限制了在工作電路10的晶體管T1和T2中流通的剩余電流，使得避免了JFET(SiC晶體管)T1的受熱破壞。
斷開裝置4的附加電路應(yīng)該僅僅在開關(guān)元件2的接通狀態(tài)下，即當(dāng)其控制電極上的開關(guān)信號PS＞0V時有效，以便減小在截止情況下的可能的損耗。為此，在斷開裝置4的附加分支中作為耐壓開關(guān)加入的晶體管T4起作用，它和工作電路10的MOSFET T2一起由輸入電平PE(輸入電壓UE)激活。
通過斷開裝置4中分壓器由電壓受齊納二極管Z1鉗制的電容C1的擴(kuò)展，在工作電路10的漏極電壓下降時，對開關(guān)元件2(MOSFETT2)的控制電壓US也保持不變，工作電路10在電網(wǎng)電壓下降時不再自動接通。在一個沒有表示出的實施方式中還為電容C1并聯(lián)一個適當(dāng)?shù)姆烹婋娮?，使得晶體管T1的截止?fàn)顟B(tài)對應(yīng)于放電時間常數(shù)，在短路或過載情況消失之后再次被取消。
在按照圖3的實施方式中，為了在危險情況下斷開MOSFET T2和由此斷開工作電路10，監(jiān)視工作電路10上的工作電壓壓降，并由該工作電壓在超過預(yù)定極限值時產(chǎn)生在MOSFET T2的的開關(guān)信號US＝0V。在其柵極導(dǎo)通控制晶體管T3所需能量，即在控制晶體管T3柵極對控制信號S提高所需能量僅僅從接頭20和30之間的工作電壓提取。因此，不要求外加的能量。因此，由工作電路10和斷開裝置4以及控制40組成的整個開關(guān)裝置是自保護(hù)的。
按照圖4不是工作電壓，而是通過工作電路10流通的工作電流被處理并被用于在危險情況下工作電路10的斷開。為此，此時采用一個HITFET而不是MOSFET T2作為開關(guān)元件2。該HITFET T2是作為自鎖的MOSFET構(gòu)造的并另外包括了一個作為電流監(jiān)視(Current Sense)的附加的接頭(Pin)。在HIFET的該附加電流輸出端準(zhǔn)備好了一個與工作電流(負(fù)載電流)對應(yīng)的電流值。通過在HITFET T2的電流輸出端和接頭20之間連接的、適當(dāng)設(shè)置的匯流電阻R4，將匯流電阻R4上直接與在HITFET T2電流輸出端匯集的電流成比例的、匯流電壓的壓降量出。如果通過工作電路10流通的工作電流超過一個許可的極限值，則該匯流電壓此時被一個類似于圖3構(gòu)造的電路用于按接頭20上的電平P0導(dǎo)通HITFET T2的柵極，該電路由控制晶體管T3作為控制開關(guān)5、齊納二極管Z1和并聯(lián)連接的電容C1以及去耦合電阻R2組成。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)裝置，包括a)一個工作電路(10)，a1)在該工作電路上可加載工作電壓(UB)，該工作電路(10)包括a2)至少一個電子開關(guān)元件(2)，該開關(guān)元件包括至少一個用于加載開關(guān)信號的控制端，并且根據(jù)該控制信號處于斷開狀態(tài)或者接通狀態(tài)，以及a3)至少一個電子保護(hù)元件(3)，用于在危險情況下，特別是在過載或短路情況下，保護(hù)處于導(dǎo)通狀態(tài)下的開關(guān)元件免受過高的焦耳損耗，其中，該保護(hù)元件承受工作電壓在該工作電路上的絕大部分壓降，和b)斷開裝置(4)，當(dāng)流過工作電路的工作電流或者加在工作電路或保護(hù)元件上的電壓降超過預(yù)定的上限值時，該裝置在該危險情況下利用工作電流或者工作電壓中的能量，自動地將所述開關(guān)元件設(shè)置為斷開狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置，其中，所述斷開裝置包括a)一個與所述開關(guān)元件的控制端連接的輸出，和b)兩個輸入，它們與所述工作電路連接，且在其上可以測取所述工作電路上工作電壓的壓降或者所述保護(hù)元件上工作電壓的部分壓降或者流過工作電路的工作電流或者工作電流的分支部分，c)以及，如果出現(xiàn)危險情況，在所述輸出上加載用于該開關(guān)元件的開關(guān)信號，在該信號出現(xiàn)時斷開所述開關(guān)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的開關(guān)裝置，其中，所述斷開裝置包括一個控制開關(guān)(5)，其中，a)該控制開關(guān)連接在開關(guān)元件的控制端和一個開關(guān)點(20)之間，在其上可加載一個相應(yīng)于開關(guān)信號的信號，在該信號出現(xiàn)時開關(guān)元件斷開，b)在該控制開關(guān)的一個控制端上可加載一個控制信號(S)，b1)該控制信號由工作電壓或工作電流產(chǎn)生或分得，并且b2)這樣地取決于工作電壓或者工作電流，即當(dāng)出現(xiàn)危險情況時，該控制開關(guān)接通，在沒有危險情況時，該控制開關(guān)斷開。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)裝置，其中，所述斷開裝置包括一個分壓裝置(Z1，R3，T4)，用于從工作電壓為所述控制開關(guān)產(chǎn)生控制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的開關(guān)裝置，其中，所述斷開裝置包括一個集流電阻，該電阻位于工作電流或者與工作電流明確相關(guān)的分支電流的電流路徑中，而開關(guān)信號從在該集流電阻(R4)上測取的測取電壓產(chǎn)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述加在控制開關(guān)所屬的開關(guān)點上的信號，是一個基本上恒定的電平(P0)，特別是地電平或機(jī)殼電平。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，一個去耦電阻(R2)在所述開關(guān)元件的控制端和開關(guān)點之間與所述控制開關(guān)相串聯(lián)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制開關(guān)包括至少一個控制晶體管(T3)，例如一個MISFET，特別是一個MOSFET。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，即便當(dāng)危險情況不再存在時，所述斷開裝置也將所述開關(guān)元件的斷開狀態(tài)至少保持一個預(yù)定的最小時間間隔。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)裝置，其中，所述工作電壓是交流電壓，而所述最小時間間隔選擇為至少與該交流工作電壓的半個周期一樣大，優(yōu)選為至少與該交流工作電壓的整個周期一樣大。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的開關(guān)裝置，其中，所述斷開裝置至少包括一個電容(C1)，用于相應(yīng)于開關(guān)元件的開關(guān)信號，保持開關(guān)元件的斷開狀態(tài)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)裝置，其中，所述電容配有放電裝置，特別是并聯(lián)的放電電阻，以使所述保持開關(guān)信號的最小時間間隔取決于電容的放電時間。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或者權(quán)利要求12或權(quán)利要求3或引用權(quán)利要求3的權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述電容連接在控制開關(guān)的控制端和所屬開關(guān)點之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求3或引用權(quán)利要求3的權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，一個齊納二極管(Z1)連接在所述在控制開關(guān)的控制端和所屬開關(guān)點之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求13和權(quán)利要求14所述的開關(guān)裝置，其中，所述電容和所述齊納二極管并聯(lián)連接。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述工作電路至少包括兩個接頭(20，30)，在它們上面可以加載工作電壓，以及在它們之間所述開關(guān)元件和所述保護(hù)元件電氣上串聯(lián)連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求3或引用權(quán)利要求3的權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述工作電路的兩個接頭中的第一個與控制開關(guān)的所屬開關(guān)點連接，并優(yōu)選地與該開關(guān)點處于相同的電平。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的開關(guān)裝置，其中，在控制開關(guān)的控制端和所述工作電路的兩個接頭中的第二個之間接有一個耐壓開關(guān)(T4)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或權(quán)利要求18所述的開關(guān)裝置，其中，在控制開關(guān)的控制端和所述工作電路的第二接頭之間連接有一個二極管(D)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，在控制開關(guān)的控制端和所述工作電路的第二接頭之間連接有一個中間電阻(R3)。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)元件包括一個具有電流監(jiān)視輸出(2D)的HITFET(T2′)，其中，所述斷開裝置測取該電流監(jiān)視輸出上的工作電流，或與工作電流明確對應(yīng)的電流信號，以便產(chǎn)生加到HITFET控制端的開關(guān)信號。
22.根據(jù)權(quán)利要求21結(jié)合權(quán)利要求5或引用權(quán)利要求5的權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述斷開裝置的集流電阻連接在HITFET的電流監(jiān)視輸出上。
23.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置具有控制裝置(40)，其與所述開關(guān)元件的控制端連接，用于為該開關(guān)裝置施加一個控制信號。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的開關(guān)裝置，其中，當(dāng)沒有危險情況時，由所述控制裝置確定開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)，而當(dāng)危險情況出現(xiàn)或存在時，由所述斷開裝置確定開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或權(quán)利要求24所述的開關(guān)裝置，其中，如果所述開關(guān)元件處于接通狀態(tài)，則所述控制裝置啟動斷開裝置，而當(dāng)開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)時，則停止該斷開裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求18和權(quán)利要求25所述的開關(guān)裝置，其中，所述耐壓開關(guān)的控制端與所述控制裝置連接，而該控制裝置將該耐壓開關(guān)和開關(guān)元件一同接通。
27.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件至少包括一個擊穿場強(qiáng)至少為106V/cm和/或能帶寬度至少為2eV的半導(dǎo)體，特別是由碳化硅(SiC)，優(yōu)選為α聚合類(Polytypen)或β聚合類、氮化鎵(GaN)、金剛石、氮化鋁(AlN)和氮化銦(InN)組成半導(dǎo)體組中的一種或多種半導(dǎo)體。
28.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)元件包括一個或多個由硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和鍺(Ge)組成的半導(dǎo)體組中的半導(dǎo)體。
29.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件在開關(guān)元件的斷開狀態(tài)下和/或在截止方向上基本上承受總的工作電壓。
30.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，在所述保護(hù)元件上加載或降落的電壓由至少一個p-n結(jié)和/或至少一個肖特基結(jié)承受。
31.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件和/或開關(guān)元件包括至少一個JFET結(jié)構(gòu)。
32.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件和/或開關(guān)元件包括至少一個MESFET結(jié)構(gòu)。
33.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)元件包括至少一個MISFET結(jié)構(gòu)，尤其是一個特別是自鎖類型的MOSFET結(jié)構(gòu)。
34.根據(jù)權(quán)利要求31或者權(quán)利要求32和權(quán)利要求33所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件的JFET結(jié)構(gòu)或MESFET結(jié)構(gòu)的柵極接頭與所述開關(guān)元件的MISFET結(jié)構(gòu)的源極接頭連接，而JFET結(jié)構(gòu)或MESFET結(jié)構(gòu)的源極接頭與MISFET結(jié)構(gòu)的漏極接頭連接。
35.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件在危險情況下所承受的工作電壓壓降的部分，比在額定運行中較低的工作電流下更大，優(yōu)選地隨著電流或預(yù)期電流的增加而增長。
36.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，在危險情況下為斷開所確定的上限值處于所述保護(hù)元件的飽和區(qū)。
37.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件具有一個飽和電流，該飽和電流小于所述開關(guān)元件的熱極限電流，特別是至少小一個因數(shù)2，優(yōu)選地至少小一個因數(shù)3。
38.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件在危險情況下至少承受工作電壓的70％，優(yōu)選地為至少90％。
39.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件將在導(dǎo)通狀態(tài)下降落在所述開關(guān)元件上的工作電壓的部分限制在一個最大電壓極限值，特別是最高為100V，優(yōu)選地為最高50V。
40.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置連接在用電器之前的一個線路分支、特別是供電網(wǎng)的線路分支中。
41.一種開關(guān)設(shè)備，用于在一個線路分支中接通交流電流，該線路分支具有兩個在線路分支中反向串聯(lián)連接的、根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置。
42.一種運行開關(guān)裝置的方法，特別是運行根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項所述的開關(guān)裝置的方法，該裝置包括a)一個工作電路，a1)在該工作電路上可加載工作電壓，該工作電路包括a2)至少一個電子開關(guān)元件，該開關(guān)元件包括至少一個用于加載開關(guān)信號的控制端，并且根據(jù)該控制信號處于斷開狀態(tài)或者接通狀態(tài)，以及a3)至少一個電子保護(hù)元件，在危險情況下，特別是在過載或短路情況下，為保護(hù)處于導(dǎo)通狀態(tài)下的開關(guān)元件免受過高的焦耳損耗而承受工作電壓在該工作電路上的絕大部分壓降，其中，b)當(dāng)流過工作電路的工作電流或者加在工作電路或保護(hù)元件上的電壓降超過預(yù)定的上限值時，該裝置在該危險情況下利用工作電流或者工作電壓中的能量，自動地將所述開關(guān)元件設(shè)置為斷開狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開關(guān)裝置，其包括a)工作電路(10)，a1)在該工作電路上可加載工作電壓(U
文檔編號H03K17/082GK1481615SQ01820592
公開日2004年3月10日 申請日期2001年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)明者彼得·弗里德里克斯, 格爾德·格里彭特羅格, 萊因哈德·梅爾, 海因茲·米特萊納, 萊因霍爾德·肖勒, 格里彭特羅格, 米特萊納, 爾德 肖勒, 彼得 弗里德里克斯, 德 梅爾 申請人:西門子公司