專利名稱：電子開關(guān)裝置及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子開關(guān)裝置及其運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
為了給一個(gè)用電器具(設(shè)備、負(fù)載)，特別是電驅(qū)動(dòng)或者電機(jī)提供電能或電功率，通常將該用電器具通過一個(gè)開關(guān)設(shè)備(開關(guān)裝置)與一個(gè)電網(wǎng)的線路分支連接，來接通或者斷開電流。
為了開關(guān)電流，除了主要使用的帶有開關(guān)觸點(diǎn)的機(jī)械開關(guān)設(shè)備外，公知的還有用半導(dǎo)體元件實(shí)現(xiàn)的電子開關(guān)設(shè)備?？梢詫⑦@些半導(dǎo)體元件細(xì)分為一方面是電流控制的半導(dǎo)體元件，雙極性晶體管和閘流晶體管屬于這類，另一方面是電壓控制的半導(dǎo)體元件，例如單極MOS(金屬氧化半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)或雙極MOS可控閘流管(MCT)或MOS雙極可控晶體管(IGBT)。所有提到的半導(dǎo)體元件只能當(dāng)電流沿一個(gè)流動(dòng)方向(導(dǎo)通方向)，即只能在導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)之間所加工作電壓在一個(gè)確定的極性時(shí)接通(可導(dǎo)通狀態(tài))。每個(gè)半導(dǎo)體元件在其截止?fàn)顟B(tài)只能截止直到最大截止電壓(擊穿電壓)的電壓。在更高的截止電壓下出現(xiàn)能夠很快破壞元件的載流子擊穿。
在用電器具的正常持續(xù)運(yùn)行(額定運(yùn)行)中，該開關(guān)設(shè)備接通用電器具所需的額定電流。但是，在用電器具過載的情況下，例如在合閘或啟動(dòng)時(shí)，電流吸收增加，并由此造成用電器具中的損耗電功率增加。過載存在時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)由于過熱損害用電器具，例如電機(jī)的線圈。在這種過載下流過開關(guān)設(shè)備的電流可能明顯高于額定電流，并被稱為過電流或過載電流。例如，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在啟動(dòng)期間啟動(dòng)電流取得一個(gè)比在正常持續(xù)運(yùn)行中的額定電流最大高到12倍的值。
對(duì)于用電器具和開關(guān)設(shè)備更極端危險(xiǎn)的情況是在用電器具中或在通往用電器具的導(dǎo)線中的短路，例如由于絕緣故障。在短路情況下，出現(xiàn)非常高的短路電流，該電流非?？斓卦斐蔁釗p害，并多數(shù)造成用電器具或用電器具的一部分或開關(guān)設(shè)備本身的破壞。
因此，用電器具以及特別是在應(yīng)用半導(dǎo)體元件的情況下的開關(guān)設(shè)備必須被保護(hù)免于過長(zhǎng)時(shí)間流動(dòng)的過電流或短路電流。為此，采用了特殊的保護(hù)設(shè)備，如果出現(xiàn)這種臨界電流，這種設(shè)備為保護(hù)用電器具免于過高電流而將功率分支與電網(wǎng)分離。作為具有這種過電流或短路電流斷開的保護(hù)設(shè)備可以例如使用保險(xiǎn)絲或者具有溫度或電磁過電流觸發(fā)器的機(jī)械保護(hù)開關(guān)。公知的還有具有半導(dǎo)體元件的過載或者短路保護(hù)的開關(guān)設(shè)備。其中，可以在主動(dòng)的、以輔助能量工作的電子保護(hù)開關(guān)和被動(dòng)的、獨(dú)立工作的所謂自保護(hù)的電子保護(hù)開關(guān)之間進(jìn)行選擇。
WO 95/24055 A1公開了一種電開關(guān)裝置，其中一個(gè)具有兩個(gè)反串聯(lián)連接的FET的半導(dǎo)體元件與分別位于該半導(dǎo)體元件兩側(cè)的斷續(xù)器觸點(diǎn)連接到一個(gè)導(dǎo)線通路中。斷續(xù)器接點(diǎn)由一個(gè)與半導(dǎo)體元件并聯(lián)的觸發(fā)元件接通或者斷開。在兩個(gè)FET的柵極和源極之間加有一個(gè)控制裝置的控制電壓。在該導(dǎo)線通路中設(shè)置了一個(gè)與控制裝置連接的電流傳感器?？刂蒲b置檢查何時(shí)達(dá)到或者超過了允許的短路電流，并然后對(duì)兩個(gè)FET的控制電壓這樣設(shè)置，使得允許的短路電流不被超過，為此通過控制電壓提高了FET的內(nèi)部電阻?？刂蒲b置借助于一個(gè)輔助能量(外加能量)產(chǎn)生控制電壓。電流傳感器的信號(hào)只是用作評(píng)估何時(shí)出現(xiàn)短路情況或沒有。
WO 95/07571 A1公開了一個(gè)具有兩個(gè)反串聯(lián)連接的、基于碳化硅的MOSFET的交流調(diào)節(jié)器。每個(gè)SiC-MOSFET可以通過各自的柵極-源極控制電壓控制。根據(jù)該文本的描述，柵極-源極電壓在導(dǎo)通方向上的大小這樣設(shè)定，使得設(shè)置一個(gè)希望的漏-源電流的界限，并在反相工作時(shí)只有這樣大，使得MOSFET的內(nèi)置體二極管中還沒有電流。通過這種電路的限流特性，能夠?qū)⒍搪冯娏飨拗圃诳梢越邮艿乃?，并通過當(dāng)前對(duì)應(yīng)降低的柵-源電壓減小該短路電流。柵-源電壓借助于一個(gè)外部能源產(chǎn)生。
DE 196 10 135 C1公開了一種自保護(hù)的、被動(dòng)保護(hù)或主動(dòng)保護(hù)的電子開關(guān)裝置，該裝置包括兩個(gè)用于加載工作電壓的電氣連接、一個(gè)基于硅的半導(dǎo)體元件作為開關(guān)元件和一個(gè)附加的高阻隔的半導(dǎo)體裝置作為保護(hù)元件。該保護(hù)元件包括一個(gè)預(yù)定導(dǎo)電類型的第一半導(dǎo)體區(qū)域和至少另一個(gè)相對(duì)導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域，在它們之間各形成一個(gè)p-n節(jié)。半導(dǎo)體區(qū)域分別由一個(gè)具有擊穿場(chǎng)強(qiáng)度至少為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)選碳化硅(SiC)，特別是聚合類(Polytypen)3C、4H和/或6H。
現(xiàn)在在保護(hù)元件的第一半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)，至少有一個(gè)與p-n節(jié)相鄰的隧道區(qū)域與硅開關(guān)元件串聯(lián)連接到兩個(gè)接頭之間。該開關(guān)元件在預(yù)定極性的工作電壓下包括一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)和一個(gè)截止?fàn)顟B(tài)。該保護(hù)元件的p-n節(jié)電氣連接在工作電壓截止方向的兩個(gè)接頭之間。如果開關(guān)元件處于截止?fàn)顟B(tài)，則至少一個(gè)p-n節(jié)的耗盡區(qū)將在保護(hù)元件的第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的隧道區(qū)域截?cái)唷Ｓ纱?，在開關(guān)元件的截止?fàn)顟B(tài)下，通過p-n節(jié)的耗盡區(qū)在兩個(gè)接頭之間的工作電壓的大部分就已經(jīng)下降。由于對(duì)于p-n節(jié)的半導(dǎo)體區(qū)域使用的半導(dǎo)體具有至少高達(dá)106V/cm的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，保護(hù)元件的p-n節(jié)可以比一個(gè)以硅構(gòu)成的具有相同載流子濃度和尺寸的p-n節(jié)承受明顯高的截止電壓。作為比較，硅的擊穿場(chǎng)強(qiáng)度大約在2·105V/cm。因此，僅僅需要對(duì)兩個(gè)接頭之間截止電壓的剩余部分設(shè)置硅開關(guān)元件。這又造成在導(dǎo)通狀態(tài)下明顯地減少硅元件的損耗功率。此外，在保護(hù)元件的p-n節(jié)處，在另一個(gè)電路分支中加有兩個(gè)接頭之間的總工作電壓作為截止電壓。在硅元件的導(dǎo)通狀態(tài)下，在保護(hù)元件的第一半導(dǎo)體區(qū)域的隧道區(qū)域重新開啟，此時(shí)電流可以通過該隧道區(qū)域在兩個(gè)接頭之間流動(dòng)。
作為硅元件，建議使用硅功率MOSFET，優(yōu)選地是常斷類型或者也可以是MESFET(金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)。保護(hù)元件優(yōu)選地作為垂直JFET(節(jié)型場(chǎng)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)裝置的第一接頭以及硅MOSFET的源極電氣短接。利用這種可以稱為混合功率MOSFET或陰地-柵地電路的公知電子裝置，如果作為保護(hù)元件的半導(dǎo)體材料采用碳化硅(SiC)的話，尤其可以得到直到5000V的截止電壓和5A至5000A的導(dǎo)通電流。在DE 196 10 135 C1公布的電子裝置的另一個(gè)實(shí)施方式中，如果將基于碳化硅(SiC)的由IGBT類型混合制成的保護(hù)元件與一個(gè)硅MOSFET相結(jié)合，則可以得到直到10000V的截止電壓和100A至1000A的額定電流。
另一個(gè)文獻(xiàn)DE 198 33 214 C1公布了一種作為臺(tái)型結(jié)構(gòu)用外延層優(yōu)選基于碳化硅(SiC)建造的JFET保護(hù)元件，用作開關(guān)元件。這種高阻隔的JFET保護(hù)元件尤其被建議用于轉(zhuǎn)數(shù)可變驅(qū)動(dòng)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)，其中必須“常斷”地運(yùn)行開關(guān)元件，即應(yīng)該在電流斷開時(shí)自動(dòng)過渡到截止?fàn)顟B(tài)。為此建議，將陰地-柵地電路的高阻隔JFET保護(hù)元件以與一個(gè)低電壓MOSFET或者低電壓靈敏的MOSFET連接，其中低電壓FET可以按公知的硅技術(shù)制造。
既由DE 196 10 135 C1公開的又在DE 198 33 214 C1中描述的陰地-柵地電路實(shí)現(xiàn)了一個(gè)所謂自保護(hù)的開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置無需附加的輔助能量供應(yīng)裝置就能自動(dòng)保護(hù)自身和功率分支，并將短路電流或過載電路限制在開關(guān)元件，特別是JFET的飽和電流。
在DE 196 10 135 C1或DE 198 33 214 C1中公開的開關(guān)裝置中的一個(gè)問題是這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，即在電力驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)過程或用電器具的一般接通中，所需的啟動(dòng)電流或接通電流可能處于過載區(qū)域。即這里作為正常運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)一種時(shí)間上的和在電流強(qiáng)度受限制的或者可忽視的、有規(guī)律的過載，該過載與具有不可預(yù)見長(zhǎng)度和過電流強(qiáng)度的、無規(guī)律的過載情況相反，可以被容忍。但是，在最后提到的無規(guī)律的過載情況中，保護(hù)元件應(yīng)該將電流限制在其飽和電流，以避免對(duì)用電器具的損壞。因此，如果將保護(hù)元件這樣地配置，即對(duì)無規(guī)律的過載進(jìn)行過載保護(hù)，則可能不能由開關(guān)裝置提供或接通用電器具所需要的啟動(dòng)或接通電流，由此，又使得用電器具的正常運(yùn)行不可能。反之，如果這樣設(shè)置保護(hù)元件，即使飽和電流高于啟動(dòng)電流或接通電流，則保護(hù)元件在流過具有和啟動(dòng)電流或接通電流相當(dāng)?shù)倪^電流的無規(guī)律的過載情況中不再能保護(hù)用電器具和開關(guān)元件。這樣保護(hù)元件僅僅為短時(shí)間啟動(dòng)或接通運(yùn)行被過度配置。為了同時(shí)保護(hù)無規(guī)律的過載情況，此外還需要一個(gè)附加識(shí)別和處理組件，該組件與啟動(dòng)或接通情況分開地掌握和控制這種過載情況。但是，希望的是用一個(gè)單一保護(hù)或開關(guān)裝置既處理啟動(dòng)或接通時(shí)的高電流，又處理在過載或短路時(shí)的電流限制。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種開關(guān)裝置和一種運(yùn)行開關(guān)裝置的方法，其中，可以避免或至少減輕所述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)。
按照本發(fā)明，上述技術(shù)問題是通過具有權(quán)利要求1特征的開關(guān)裝置以及根據(jù)有選擇引用權(quán)利要求1的權(quán)利要求33的運(yùn)行開關(guān)裝置的方法解決的。
在權(quán)利要求1和33中要求保護(hù)的本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是一個(gè)具有至少一個(gè)開關(guān)元件和至少一個(gè)保護(hù)元件的開關(guān)裝置，該開關(guān)元件通過一個(gè)至少可以加到一個(gè)控制接頭的開關(guān)信號(hào)，可以在一個(gè)斷開狀態(tài)和一個(gè)接通狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，而該保護(hù)元件與開關(guān)元件電氣上串聯(lián)連接，并在一個(gè)限流狀態(tài)(限制電流的狀態(tài)，飽和電流狀態(tài))下將電流限制在一個(gè)最大值(邊界值、限制值、飽和電流)。在接通狀態(tài)，保護(hù)元件通過這種電流限制保護(hù)該開關(guān)元件在危險(xiǎn)的情況下不受過高的熱量負(fù)擔(dān)，在該情況下通過開關(guān)元件流通過高的預(yù)期過電流或者短路電流，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。
本發(fā)明基于第一個(gè)思路，即采用一種具有其值可以控制(可以設(shè)定、改變)的最大電流的保護(hù)元件，以及對(duì)該最大電流的控制(設(shè)定)。通常該最大電流取決于在保護(hù)元件的一個(gè)控制接頭加載的、由控制裝置產(chǎn)生的控制信號(hào)。
本發(fā)明基于第二個(gè)思路，即這樣構(gòu)成最大電流的控制，即在開關(guān)元件轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)刻或者在該接通時(shí)刻過后一個(gè)預(yù)定持續(xù)時(shí)間時(shí)，如果保護(hù)元件的最大電流此前處于一個(gè)低的值，則該最大電流采用至少一個(gè)至少在平均時(shí)間上被提高的值，也就是增加該最大電流(在數(shù)量上被加大)，或者，如果最大電流此前已經(jīng)處于升高的值，則保持至少一個(gè)升高的值。由此，保護(hù)元件的限流作用，在開關(guān)元件接通的同時(shí)或經(jīng)過延時(shí)，才按對(duì)應(yīng)的大電流出現(xiàn)。通過匹配保護(hù)元件的最大電流，可以由此允許將在開關(guān)元件接通時(shí)或隨后出現(xiàn)的較高的啟動(dòng)電流或接通電流作為有規(guī)律的過載。
其中，如果最大電流僅僅在平均時(shí)間上更高就適用了，因?yàn)橛杀Ｗo(hù)元件導(dǎo)通的電能僅僅取決于時(shí)間上的積分，因此最大電流在單個(gè)時(shí)間段上短暫的低值不起作用，只要該低值通過其它時(shí)間段上較高值的積分而被平衡。由此，除了一種在兩個(gè)離散的最大電流值(即一個(gè)對(duì)開始運(yùn)行的較高的值和一個(gè)對(duì)于持續(xù)運(yùn)行的較低的值)之間的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換外，也可以考慮其它最大電流在時(shí)間上的變化，例如連續(xù)(不間斷)的和/或單調(diào)或嚴(yán)格單調(diào)上升或下降和/或具有一個(gè)疊加波動(dòng)的按照時(shí)間的上升或下降變化。
隨后，在啟動(dòng)或者接通過程(開始運(yùn)行)結(jié)束之后，在無規(guī)律的過載情況下出現(xiàn)的過電流重新被強(qiáng)烈限制，其中，最大電流則重新被這樣控制，使得最大電流處于低的正常水平，即被下降(減小、降低)。
按照本發(fā)明，通過這種最大電流的控制以及由此的保護(hù)元件的電流攜帶能力，使用由一個(gè)開關(guān)元件和一個(gè)保護(hù)元件組成的單一開關(guān)裝置，能夠既考慮過載和短路保護(hù)，又考慮啟動(dòng)或接通過程。
開關(guān)裝置及其方法的優(yōu)選結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展和應(yīng)用由權(quán)利要求1以及權(quán)利要求33各自的從屬權(quán)利要求給出。
最大電流在第一實(shí)施方式中可以跳躍式地提高到一個(gè)單一的、離散的較高值，或者在可以一般采用的第二實(shí)施方式中，該最大電流根據(jù)一個(gè)預(yù)定的時(shí)間特性，尤其是作為時(shí)間的優(yōu)選不變函數(shù)變化，其中，最大電流的變化值應(yīng)該至少大部分或在平均時(shí)間上位于開關(guān)元件接通之前設(shè)定的最大電流之上。優(yōu)選地，保護(hù)元件的最大電流在一個(gè)預(yù)定或者可以預(yù)定的持續(xù)時(shí)間上保持為升高。
這種預(yù)定或者可以預(yù)定的持續(xù)時(shí)間和/或預(yù)定的時(shí)間特性和/或升高的最大電流的值，通常與在以升高的能量需求為標(biāo)志的開關(guān)裝置后連接的用電器具(特別是電驅(qū)動(dòng))的啟動(dòng)或開始時(shí)所期望的對(duì)應(yīng)大小相適應(yīng)，即期望啟動(dòng)時(shí)間或者接通時(shí)間(開始時(shí)間)的時(shí)間間隔、最大電流的升高值與啟動(dòng)或開始電流相適應(yīng)，時(shí)間特性必要時(shí)與一個(gè)時(shí)間上變化的能量需求相適應(yīng)，以便達(dá)到盡可能好的適應(yīng)。對(duì)應(yīng)的控制是用一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)電路作為保護(hù)元件的控制裝置容易地實(shí)現(xiàn)的。
一個(gè)特別簡(jiǎn)單的保護(hù)元件最大電流時(shí)間變化是，就在一個(gè)低值和一個(gè)升高值之間兩位地、跳躍地(短的開關(guān)邊沿)轉(zhuǎn)換。但是，也可以在最大電流的該低值和高值之間連續(xù)地(按一定的時(shí)間常數(shù)和較大的過度區(qū)域)來回轉(zhuǎn)換，特別是從最大電流返回到低的值時(shí)。
在保護(hù)元件最大電流被升高期間的階段結(jié)束之后，最大電流重新被減小。此時(shí)是這樣選擇最大電流的減小值的，即保證了對(duì)無規(guī)律的過電流的可靠保護(hù)(過載保護(hù)和短路保護(hù))。為此，至少一個(gè)保護(hù)元件的最大電流的低值與在用電器具啟動(dòng)或開始結(jié)束之后的運(yùn)行中用電器具的最大允許過電流相適應(yīng)，或者最大選擇為與其一樣大。
優(yōu)選地，將保護(hù)元件的最大電流至少一個(gè)升高的值選擇為明顯低于可能的短路電流，以便不會(huì)在保護(hù)元件導(dǎo)通電流的啟動(dòng)或開始階段，意外地碰到短路。
保護(hù)元件的最大電流至少一個(gè)升高的值與至少一個(gè)低值的比例優(yōu)選地至少是2，優(yōu)選地至少是3。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，為了提供用于提高保護(hù)元件最大電流的控制信號(hào)，控制裝置可以包括至少一個(gè)充電電容和優(yōu)選一個(gè)接入的、優(yōu)選并聯(lián)連接的放電電阻。該電容在開關(guān)元件接通時(shí)或之后按照一個(gè)預(yù)定的時(shí)間常數(shù)放電，并由此產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的、一般是指數(shù)下降的保護(hù)元件的控制信號(hào)。隨后，優(yōu)選地在開關(guān)元件斷開時(shí)或者在開關(guān)元件斷開一個(gè)預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后，重新借助于一個(gè)輔助能量源(充電裝置)對(duì)該電容充電。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，為了分離放電過程和充電過程在輔助能量源和電容之間接入一個(gè)充電開關(guān)和/或在電容和保護(hù)元件的控制端以及放電電阻之間接入一個(gè)放電開關(guān)。充電開關(guān)和/或放電開關(guān)可以與開關(guān)元件一同開關(guān)。其中，如果開關(guān)元件處于其接通狀態(tài)，則充電開關(guān)處于其斷開狀態(tài)和/或放電開關(guān)，必要時(shí)經(jīng)過一個(gè)預(yù)定的時(shí)間延時(shí)，處于其接通狀態(tài)。相反，如果開關(guān)元件處于其斷開狀態(tài)，則充電開關(guān)處于其接通狀態(tài)和/或放電開關(guān)處于其斷開狀態(tài)。為了使充電開關(guān)和/或放電開關(guān)與開關(guān)元件共同開關(guān)，在開關(guān)元件的開關(guān)接頭施加一個(gè)用于轉(zhuǎn)換該開關(guān)元件的開關(guān)信號(hào)的控制信號(hào)產(chǎn)生裝置同樣地與放電開關(guān)和充電開關(guān)的所屬開關(guān)接頭連接。
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，控制裝置的充電開關(guān)和/或放電開關(guān)包括至少一個(gè)晶體管，該晶體管優(yōu)選地為一個(gè)MISFET(金屬絕緣半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)，尤其是一個(gè)MOSFET。而開關(guān)信號(hào)則是在柵極和源極之間的一個(gè)控制電位或一個(gè)控制電壓。特別優(yōu)選的是使用自鎖的(常斷)MISFET或者M(jìn)OSFET(濃縮類型)。這種自鎖的MISFET在0V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(gè)有效的、其值大于0V或者必須通常高于臨界電壓的開關(guān)或控制電壓。
控制晶體管也可以是一個(gè)(電流控制的)雙極晶體管(npn或pnp型)或者一個(gè)(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(gè)其它能夠開關(guān)的元件或半導(dǎo)體元件，例如，一個(gè)閘流管或者一個(gè)MCT(MOS受控閘流管)。
特別適合作為保護(hù)元件的是一種電子元件，特別是一種顯示飽和特性的半導(dǎo)體元件，即其中在導(dǎo)通區(qū)域的電流電壓特征曲線中，在電壓增加時(shí)電流接近或達(dá)到一個(gè)作為最大電流的飽和電流(最大電流值)。保護(hù)元件的最大電流或飽和電流優(yōu)選地小于開關(guān)元件的熱極限電流，例如是至少少一個(gè)因子2，或甚至至少少一個(gè)因子3。該熱極限電流是在其下還沒有發(fā)生熱破壞的最大允許電流。保護(hù)元件通過其限流特性在過載或短路情況(危險(xiǎn)情況)下負(fù)擔(dān)絕大部分在串聯(lián)電路上工作電壓的壓降，以及絕大部分的焦耳損耗。反之，在正常運(yùn)行(額定運(yùn)行，持續(xù)運(yùn)行)中，即運(yùn)行的用電器具沒有過載和短路，以及額定電流因此明顯很小時(shí)，保護(hù)元件應(yīng)該有盡可能小的導(dǎo)通損耗。因此，保護(hù)元件上的壓降和在開關(guān)元件上的壓降的比例，以及由此保護(hù)元件上釋放的焦耳損耗功率和在開關(guān)元件上釋放的焦耳損耗功率的比例必須在額定運(yùn)行中選擇得明顯地小于在危險(xiǎn)情況下的比例，或者換言之，由于對(duì)電流的限制，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(xiǎn)情況下比在額定運(yùn)行中相應(yīng)地大量增加。這樣尤其也可以保持開關(guān)元件工作上電壓的壓降成分的絕對(duì)值低于一個(gè)預(yù)定的最大值，例如100V或50V。
因?yàn)橛纱吮Ｗo(hù)元件應(yīng)該在危險(xiǎn)情況和在啟動(dòng)或開始階段具有盡可能高的溫度承受能力，該電子保護(hù)元件優(yōu)選地由至少一個(gè)半導(dǎo)體構(gòu)成，該半導(dǎo)體具有至少106V/cm的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和/或至少2eV的能帶寬度，并由此可以適合隔絕更高的電壓。因此，保護(hù)元件可以在危險(xiǎn)情況下承受特別高的工作電壓分量，或者在預(yù)先給定電流限制的最大電流時(shí)用于更高的工作電壓。適合的半導(dǎo)體材料有碳化硅(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?yàn)樗哂袠O低的空間電荷載流子濃度、高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、很小的損耗功率、高的抗溫性能和化學(xué)電阻以及高的導(dǎo)熱性能。但是，保護(hù)元件可以也用例如硅的其它半導(dǎo)體構(gòu)成。
開關(guān)元件也優(yōu)選地用半導(dǎo)體元件構(gòu)成。由于對(duì)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?yàn)槟蛪嚎梢岳^續(xù)由保護(hù)元件承擔(dān)。因此，電子開關(guān)元件優(yōu)選地由一種或多種由硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和鍺(Ge)組成的半導(dǎo)體組構(gòu)成?；旧弦部赡芤許iC作為半導(dǎo)體材料用于開關(guān)元件。
保護(hù)元件可以通過至少一個(gè)在截止方向運(yùn)行的p-n結(jié)和/或至少一個(gè)肖特基結(jié)承受施加的截止電壓，其中分別以形成用于隔絕電壓的貧化區(qū)為特征。
對(duì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管)、MESFET(金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)和/或MISFET，特別是MOSFET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，優(yōu)選通過在公知的陰地-柵地電路變形中的放電電阻，與開關(guān)元件的MISFET結(jié)構(gòu)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結(jié)構(gòu)的漏極接頭連接。
在一個(gè)優(yōu)選的應(yīng)用中將開關(guān)裝置在用電器具之前接到一個(gè)尤其是例如低壓電網(wǎng)(有效值典型地介于230V和690V之間)的供電電網(wǎng)的導(dǎo)電分支中，一方面為用電器具開關(guān)額定電流，另一方面在危險(xiǎn)情況或短路情況下及時(shí)地將用電器具與電網(wǎng)分開，從而避免了對(duì)用電器具的損害。如果在由開關(guān)元件和保護(hù)元件組成的串聯(lián)電路上所加的工作電壓是一個(gè)時(shí)間上變化的、極性變化(交變)的，例如一個(gè)周期變化的電壓(交流電)，如通常由電力供能網(wǎng)絡(luò)或電力發(fā)電機(jī)所提供的電壓，則優(yōu)選地將兩個(gè)按照本發(fā)明的開關(guān)裝置在導(dǎo)電分支中反串聯(lián)，即以相反的開關(guān)方向或極性串聯(lián)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，圖中，圖1表示一個(gè)具有帶有可控飽和電流的保護(hù)元件的開關(guān)裝置的實(shí)施方式，圖2表示按照?qǐng)D1保護(hù)元件的不同飽和電流的電流電壓特征曲線圖。
互相對(duì)應(yīng)的部件或大小在圖1和2中用相同的參考符號(hào)給出。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1的開關(guān)裝置包括一個(gè)作為保護(hù)元件3的、由JFET(優(yōu)選地由垂直JFET或V-JFET)構(gòu)成的陰地-柵地電路和一個(gè)作為開關(guān)元件2的MOSFET。MOSFET開關(guān)元件2的源極2B與一個(gè)與接頭20連接的開關(guān)點(diǎn)22相連，MOSFET開關(guān)元件2的漏極2A與JFET保護(hù)元件3的源極3B相連，而JFET保護(hù)元件3的源極3A與接頭30相連。JFET保護(hù)元件3的柵極(控制端)3C與一個(gè)開關(guān)點(diǎn)43相連，該開關(guān)點(diǎn)通過一個(gè)中間連接的放電電阻R3與開關(guān)點(diǎn)23連接，開關(guān)點(diǎn)23又與開關(guān)點(diǎn)22短接。即JFET保護(hù)元件3和MOSFET開關(guān)元件2的源極-漏極段相互串聯(lián)，而該串聯(lián)電路與由JFET保護(hù)元件3的源極-柵極和放電電阻R3組成的串聯(lián)電路在接頭20和30之間并聯(lián)。
開關(guān)點(diǎn)22和23以及其它開關(guān)點(diǎn)24和25在電氣上與開關(guān)點(diǎn)20一樣處于相同的電位P0。第二接頭30處于電位P1。在這兩個(gè)電接頭20和30之間加載有或可以加載工作電壓UB＝P1-P0。電位P0一般基本上是常數(shù)，特別是地電位或機(jī)殼電位，而電位P1對(duì)應(yīng)于有效的相位。
JFET保護(hù)元件3的柵極3C上加載的控制電位用PS來表示，放電電阻R3上的電壓降作為JFET保護(hù)元件3的控制電壓表示為US＝PS-P0。
MOSFET開關(guān)元件2的柵極2C上加載有開關(guān)輸入40的開關(guān)電位PE。MOSFET開關(guān)元件2的柵源電壓是對(duì)應(yīng)的開關(guān)電壓UE＝PE-P0，用于開關(guān)由MOSFET構(gòu)成的開關(guān)元件。MOSFET開關(guān)元件2是自鎖類型(常斷類型)的，使得在開關(guān)電壓UE＝0伏特(V)時(shí)MOSFET開關(guān)元件2處于斷開狀態(tài)，而只有在加載一個(gè)大于一個(gè)確定門限值的開關(guān)電壓UE時(shí)，MOSFET開關(guān)元件2才受控并過渡到其導(dǎo)通狀態(tài)或接通狀態(tài)。
在接通狀態(tài)的開關(guān)元件2下，通過載流子注入也取消了JFET保護(hù)元件3隧道區(qū)域中的截止?fàn)顟B(tài)，一個(gè)工作電流IB可以流過由JFET保護(hù)元件3和MOSFET開關(guān)元件2組成的串聯(lián)電路。
按照?qǐng)D1的這種陰地-柵地電路與由DE 196 10 135 C1描述的公知的陰地-柵地電路的區(qū)別在于，在JFET保護(hù)元件3的柵極3C和MOSFET開關(guān)元件2的源極2B之間接有放電電阻R3。對(duì)于JFET保護(hù)元件3的實(shí)施方式在DE 196 10 135 C1以及在DE 198 33 214 C1中均有描述。兩份文獻(xiàn)DE 19610 135 C1和DE 198 33 214 C1的公開內(nèi)容在本發(fā)明申請(qǐng)中有所涉及。
在漏極3A和源極3B之間加載一個(gè)導(dǎo)通工作電壓UB下，保護(hù)元件(JFET)3的行為取決于流過JFET保護(hù)元件3的工作電流IB以及在柵極3C上加載的控制電壓US，該控制電壓US與JFET保護(hù)元件3的柵極-源極電壓直接相關(guān)。
圖2中示出了對(duì)于不同的控制電壓USJFET保護(hù)元件3的不同電流電壓特征曲線。在根據(jù)圖2的曲線中，在漏極3A和源極3B之間流過JFET保護(hù)元件3的工作電流IB取決于漏極3A和源極3B之間所加載的漏極-源極電壓UB。其中示出在控制電壓US＝0V下對(duì)于函數(shù)IB(UB)的一條特征曲線K0，在控制電壓US＝US1＞0V下對(duì)于函數(shù)IB(UB)的第二條特征曲線K1，以及在控制電壓US＝US2＞0V下的第三條特征曲線K2。
在額定運(yùn)行中正常工作電流(額定電流)下，JFET保護(hù)元件3具有一個(gè)低的導(dǎo)通電阻以及一條實(shí)際線性的歐姆特征曲線。該歐姆區(qū)域在特征曲線K0中從UB＝0V至大約UB＝U0展開，在特征曲線K1中從UB＝0V至大約UB＝U1，而在特征曲線K2中從UB＝0V至大約UB＝U2?？梢钥闯?，歐姆區(qū)域的上間隔限隨著控制電壓US的增加也在遞增，即滿足U2＞U1＞U0。
在JFET保護(hù)元件3上繼續(xù)增加的工作電流IB或者繼續(xù)增加的工作電壓UB下p-n節(jié)的貧化區(qū)的擴(kuò)展增加，由此JFET保護(hù)元件3的隧道區(qū)域的電流運(yùn)載能力降低。因此，導(dǎo)通電阻增加而特征曲線的斜率一直下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)確定的臨界電流值(飽和電流)時(shí)，JFET保護(hù)元件3經(jīng)歷了飽和中的隧道區(qū)域的完全掐斷，并在相同或進(jìn)一步增加的電壓下保持在作為最大電流Imax的飽和電流值上。該飽和電流Imax隨著增加的控制電壓US增加，而且在特征曲線K0中表示為Imax0，在特征曲線K1中為Imax2，而在特征曲線K2中為Imax1。即滿足Imax0＜Imax1＜Imax2。
由此JFET保護(hù)元件3將流動(dòng)的電流限制在最大電流Imax，該值取決于保護(hù)元件3的控制端(柵極)3C上加載的控制信號(hào)(電位)PS和對(duì)應(yīng)的控制電壓US。這種限流特性被用于過電流保護(hù)功能。為此，保護(hù)元件3的最大電流Imax被典型地設(shè)置為一個(gè)沒有表示出的用電器具的最大允許過負(fù)荷電流，該用電器具將接在或已經(jīng)接在接頭30上開關(guān)裝置的后面。這樣，保護(hù)元件3保護(hù)用電器具以及開關(guān)元件2免受不可預(yù)見的、在持續(xù)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的過載情形(不規(guī)則的過載情況)和短路情形。
但是，在電機(jī)啟動(dòng)或者一般地在用電器具在接通或開始運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)明顯高于在持續(xù)運(yùn)行中所處的額定電流的啟動(dòng)電流或開始電流，以便為驅(qū)動(dòng)或者用電器具提供更高的能量。這種啟動(dòng)電流或開始電流經(jīng)常高于在持續(xù)運(yùn)行中最大允許的過電流，也就是實(shí)際造成不允許的過電流。因此，如果保護(hù)元件3在確定的最大電流時(shí)根本不允許這種需要的啟動(dòng)電流或開始電流，就會(huì)阻礙或甚至排除對(duì)于驅(qū)動(dòng)或者用電器具正常的啟動(dòng)或開始運(yùn)行。
由于這個(gè)原因，按照本發(fā)明在用電器具的啟動(dòng)過程或者開始過程期間臨時(shí)提高保護(hù)元件3的最大電流Imax(JFET的飽和電流)，以便導(dǎo)通更高的啟動(dòng)電流或開始電流。為此，在一個(gè)可以設(shè)定的和與各自應(yīng)用對(duì)應(yīng)的時(shí)間段上對(duì)JFET保護(hù)元件3的柵極3C加載正的預(yù)置電壓，即一個(gè)控制電位PS＞P0或一個(gè)控制電壓US＞0V。如結(jié)合圖2中曲線已經(jīng)解釋的，這造成飽和電流或最大電流Imax明顯的升高，而且由于其低導(dǎo)通電阻(輸入電阻)降低了在啟動(dòng)或開始過程期間的保護(hù)元件3中的損耗。在啟動(dòng)或開始過程結(jié)束后JFET保護(hù)元件3又回到其正常的特征曲線，其中柵極電壓US又回到0V(伏特)，并可以然后可靠的捕獲正常運(yùn)行(額定運(yùn)行)中的其它臨界狀態(tài)。由此，不需要再過多地添加用于保護(hù)元件3和開關(guān)元件2的元件，因?yàn)轭~定電路至啟動(dòng)電流或者開始電流的間隔變小了。
圖1示出一種特殊的、通過其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)組成的電路，用于產(chǎn)生一個(gè)保護(hù)元件3控制端2C上的控制電位PS，以便提高保護(hù)元件(JFET)的最大電流(飽和電流)Imax。為了提高最大電流Imax，該控制電路在JFET保護(hù)元件3的控制端(柵極)3C上加載一個(gè)正的控制電位PS或一個(gè)正的控制電壓US。但是，除了按照?qǐng)D1的控制電路之外，基本上也可能有其它控制電路或驅(qū)動(dòng)電路，以便提供通過JFET保護(hù)元件3的柵極3C的附加電流。按照?qǐng)D1的控制電路如下構(gòu)造。
在與保護(hù)元件3的控制端3C直接連接的開關(guān)點(diǎn)43，放電電阻R3和一個(gè)放電開關(guān)4相互并聯(lián)。一個(gè)自鎖MOSFET設(shè)計(jì)為放電開關(guān)4，其漏極4B與開關(guān)點(diǎn)43連接，而其源極4A與另外一個(gè)開關(guān)點(diǎn)44連接。在這另一個(gè)開關(guān)點(diǎn)44和處于電位P0的開關(guān)點(diǎn)24之間接入一個(gè)控制電容C。同樣與開關(guān)點(diǎn)44電氣連接的是一個(gè)充電開關(guān)5，它優(yōu)選地作為自導(dǎo)的MOSFET構(gòu)成，而其漏極5B與開關(guān)點(diǎn)44連接，其源極5A與另一個(gè)開關(guān)點(diǎn)45電氣連接。輸入電位PS’通過一個(gè)輸入電阻R1接入開關(guān)點(diǎn)45，該輸入電位PS’作為輔助能量加載在一個(gè)控制輸入31上。在控制輸入31和處于電位P0的開關(guān)點(diǎn)26之間加入的輸入電壓是US’＝PS’-P0。輸入電壓可以例如是+12V。通過開關(guān)點(diǎn)45相互連接的輸入電阻R1和解耦電阻R2構(gòu)成一個(gè)分壓器，通過該分壓器在解耦電阻R2上加載一個(gè)低電壓，例如2.5V。
開關(guān)元件2的開關(guān)接頭2C上加載的、在開關(guān)輸入40上的開關(guān)電位PE通過開關(guān)點(diǎn)41以及另一個(gè)開關(guān)點(diǎn)42也與充電開關(guān)5的控制端5C以及放電開關(guān)4的控制端4C并聯(lián)。此外，如圖中所示在開關(guān)點(diǎn)42和放電開關(guān)4的控制端4C之間可以連接一個(gè)延時(shí)節(jié)6。
如果對(duì)應(yīng)于MOSFET開關(guān)元件2的柵極-源極電壓的開關(guān)電壓UE低于MOSFET開關(guān)元件2的門限電壓，特別是0V，則開關(guān)元件2處于斷開狀態(tài)，并且最遲在通過延時(shí)節(jié)6作用的時(shí)間延時(shí)結(jié)束之后，放電開關(guān)4也處于其截止?fàn)顟B(tài)。相反，對(duì)于放電開關(guān)4是斷開信號(hào)的相同控制電位PE，對(duì)于自導(dǎo)充電開關(guān)5是接通信號(hào)。因此，如果開關(guān)元件2處于斷開狀態(tài)，則充電開關(guān)5處于其導(dǎo)通狀態(tài)或接通狀態(tài)。由此，在充電開關(guān)5的接頭5A和5B之間建立了一個(gè)導(dǎo)通的連接，使得通過控制輸入(輔助能源)31對(duì)控制電容C充電，直到在該電容表面加載的電壓與在解耦電阻R2上的電壓降對(duì)應(yīng)。
如果此時(shí)在開關(guān)輸入40上的開關(guān)電位PE變換到一個(gè)其中開關(guān)電壓UE大于開關(guān)元件2的門限電壓的值，則將開關(guān)元件2接通，并同時(shí)斷開充電開關(guān)5。充電開關(guān)5的特征曲線是這樣選擇的，使得控制MOSFET開關(guān)元件2的同一開關(guān)電位PE斷開MOSFET充電開關(guān)5，從而充電開關(guān)5解除開關(guān)點(diǎn)45和44的相互耦合。同時(shí)，接通開關(guān)元件2的開關(guān)電位PE也通過延時(shí)節(jié)延時(shí)地接通放電開關(guān)4。通過延時(shí)節(jié)6的延時(shí)并不是必需的，但是保證了在充電開關(guān)5斷開和放電開關(guān)4接通之間的明確分離。因?yàn)榇藭r(shí)放電開關(guān)4處于其導(dǎo)通狀態(tài)，所以在放電開關(guān)4的接頭4A和4B之間建立了一個(gè)在開關(guān)點(diǎn)44和43之間的導(dǎo)通連接。在電容C上存儲(chǔ)的電荷此時(shí)可以通過放電電阻R3流出?？刂齐娙軨的這種放電造成在保護(hù)元件3的控制端3C上的一個(gè)控制電位PS和一個(gè)對(duì)應(yīng)的控制電壓US＝PS-P0。通過選擇控制電容C的電容值和放電電阻R3的電阻值，可以設(shè)置放電時(shí)間，并從而設(shè)置保護(hù)元件3的控制端3C上控制電位PS的時(shí)間變化。相對(duì)于P0的正控制電位PS此時(shí)導(dǎo)致貧化區(qū)的開啟(AUFSTEUERUNG)和JFET保護(hù)元件3的隧道區(qū)的擴(kuò)展，使得JFET保護(hù)元件的接頭3A和3B之間流動(dòng)的工作電流IB可以取較大的值。同時(shí)，JFET保護(hù)元件3的飽和電流或最大電流Imax升高，而歐姆區(qū)和由此小于飽和電流的電流的導(dǎo)通電阻減小。
換言之，即在開關(guān)元件2的斷開狀態(tài)中充電開關(guān)5敞開，通過具有R1和R2的分壓器對(duì)電容C充電。放電開關(guān)4是這樣連接的，使得JFET保護(hù)元件3的柵極3C通過放電電阻R3處于優(yōu)選恒定的電位P0。如果接通陰地-柵地，即將開關(guān)元件2引入其接通狀態(tài)，則充電開關(guān)5接通分壓器R1和R2，并將它們與控制電容C解耦合。通過延時(shí)部件6放電開關(guān)4敞開。由此，控制電容C電壓接到JFET保護(hù)元件3的柵極3C上，并為其偏壓。通過由放電電阻R3和控制電容C構(gòu)成的RC時(shí)間常數(shù)控制電容C放電，而偏壓緩慢下降。通過適當(dāng)?shù)剡x擇放電電阻R3和控制電容C，可以使所希望的時(shí)間滿足不同的要求。
圖3和圖4示出了根據(jù)圖1和圖2中的特征曲線JFET保護(hù)元件3的最大電流Imax的不同控制。在根據(jù)圖3和圖4的曲線中，JFET保護(hù)元件3的最大電流Imax(飽和電流)作為時(shí)間t的函數(shù)示出。在圖3中用實(shí)線表示了時(shí)間變化曲線(時(shí)間特性)T1，而用點(diǎn)劃線表示最大電流Imax＝Imax(t)的第二時(shí)間變化曲線T2。在圖4中只表示了一個(gè)時(shí)間變化曲線T3。
在接通開關(guān)元件2的接通時(shí)刻t0之前，在所有三個(gè)控制曲線T1、T2和T3中的最大電流Imax位于其值Imax0，即JFET保護(hù)元件3的控制電壓為0V。在該接通時(shí)刻或其短暫之后該最大電流Imax跳躍式的或者至少極快地升高到更高的值Imax2，其中JFET保護(hù)元件3的控制電壓US提高到值Us2＞0V。
按照?qǐng)D3中時(shí)間特性T1，此時(shí)最大電流Imax再次指數(shù)下降，直到在時(shí)刻t1再次到達(dá)以前的低值Imax0。這種變化T1基本上對(duì)應(yīng)于按照?qǐng)D1中利用自己放電的電容的控制。
按照?qǐng)D3中時(shí)間特性T2，最大電流Imax保持在其提高的值Imax2，然后在時(shí)刻t1再次跳躍式地降低至低值Imax0。即這種變化T2基本上是二位的。
反之，按照?qǐng)D3中時(shí)間特性T3，直到時(shí)刻t1最大電流Imax保持在其提高的值Imax2，然后降低至中間值Imax1，在時(shí)刻t2才又回到原始低值Imax0。
在所有按照?qǐng)D3和4的實(shí)施方式中，在開關(guān)元件2接通之后保護(hù)元件3的電流導(dǎo)通能力提高，并由此導(dǎo)通陰影所示的提高的最大電荷量和因此的電能。通過調(diào)整時(shí)間段t2-t1以及值Imax0至Imax2，可以允許在一個(gè)用電器具的啟動(dòng)過程中所要求的電流，并在啟動(dòng)過程結(jié)束后再次限制過電流。
在所有實(shí)施方式中的保護(hù)元件3由于其提到的特性優(yōu)選地構(gòu)造得比開關(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(chǎng)強(qiáng)度的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。對(duì)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)或一種α聚合類(例如4H、6H或15R聚合類)。但是，保護(hù)元件3也可以由一種其它半導(dǎo)體材料制成，特別是硅，并相應(yīng)的設(shè)置大小。作為保護(hù)元件3除了JFET，也可以使用MESFET和受限制地采用MOSFET或IGBT。
一般地，開關(guān)元件2由基于硅(Si)的半導(dǎo)體元件構(gòu)成，并除了作為MOSFET之外，也可以作為MESFET、閘流管、IGBT或MCT。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)裝置，包括a)至少一個(gè)電子開關(guān)元件(2)，該開關(guān)元件具有一個(gè)斷開狀態(tài)和一個(gè)接通狀態(tài)，以及b)至少一個(gè)電子保護(hù)元件(3)，該保護(hù)元件與所述開關(guān)元件在電氣上串聯(lián)，并將電流限制在最大電流上，和c)控制裝置(4，5，C，R3，31)，該控制裝置將保護(hù)元件的最大電流c1)在開關(guān)元件接通時(shí)刻或經(jīng)延時(shí)后，至少在平均時(shí)間上控制在至少一個(gè)提高的值，并c2)然后重新控制到至少一個(gè)低的值上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置將最大電流在一個(gè)預(yù)定的或可以預(yù)定的時(shí)間間隔上升高，或者保持在至少一個(gè)提高的值上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制裝置，其中，所述控制裝置在此期間保持保護(hù)元件最大電流的至少一個(gè)提高的值的時(shí)間間隔，與用電器具，特別是電驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)或者開始所需要的啟動(dòng)時(shí)間或開始時(shí)間相適應(yīng)或者可以適應(yīng)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置將保護(hù)元件的最大電流控制在恰好一個(gè)低值和恰好一個(gè)升高值之間。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置將保護(hù)元件的最大電流不連續(xù)地，特別是跳躍地控制在所述升高的值和所述低值之間，或者在該低值和該升高的值之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置將保護(hù)元件的最大電流連續(xù)地控制在所述升高的值和所述低值之間，或者在該低值和該升高的值之間。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置將保護(hù)元件的最大電流按照預(yù)定的或者可以預(yù)定的時(shí)間變化升高或者保持升高。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件的最大電流至少一個(gè)升高的值或者時(shí)間上的變化，與用電器具，特別是電驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)或者開始時(shí)所需要的啟動(dòng)電流或開始電流或者其時(shí)間變化相適應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件的最大電流的至少一個(gè)低值與在用電器具在啟動(dòng)或者開始之后的運(yùn)行中最大允許的用電器具的過電流相適應(yīng)。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件的最大電流至少一個(gè)升高的值明顯地低于可能的短路電流。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件最大電流的至少一個(gè)升高的值比至少一個(gè)低值高至少一個(gè)因子2，優(yōu)選地高至少一個(gè)因子3。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，至少一個(gè)保護(hù)元件具有一個(gè)控制端(3C)，而所述控制裝置在該保護(hù)元件的控制端加載一個(gè)控制信號(hào)(PS)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置至少包括一個(gè)電容(C)，用于為所述保護(hù)元件產(chǎn)生一個(gè)與保護(hù)元件的最大電流的一個(gè)或多個(gè)升高值對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求13所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置具有至少一個(gè)優(yōu)選地與所述電容并聯(lián)的放電電阻(R3)。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置包括一個(gè)輔助能量源(31)，用于對(duì)電容充電。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求15所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置包括一個(gè)連接在輔助能量源和電容之間的充電開關(guān)(5)。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求16所述的開關(guān)裝置，其中，所述充電開關(guān)可以和開關(guān)元件一起這樣的開關(guān)，即如果開關(guān)元件處于其接通狀態(tài)，則該充電開關(guān)處于其斷開狀態(tài)，而如果開關(guān)元件處于其斷開狀態(tài)，則充電開關(guān)處于其接通狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至17中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制裝置包括一個(gè)連接在電容和保護(hù)元件的控制端之間的放電開關(guān)(4)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18和權(quán)利要求14所述的開關(guān)裝置，其中，所述放電開關(guān)也連接在電容和放電電阻之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或權(quán)利要求19所述的開關(guān)裝置，其中，所述放電開關(guān)可以和開關(guān)元件一起這樣的開關(guān)，即如果開關(guān)元件處于其接通狀態(tài)，則該放電開關(guān)，必要時(shí)經(jīng)過一個(gè)預(yù)定的時(shí)間延時(shí)，處于其接通狀態(tài)，而如果開關(guān)元件處于其斷開狀態(tài)，則放電開關(guān)處于其斷開狀態(tài)。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)元件至少具有一個(gè)開關(guān)接頭(2C)，并且其中設(shè)計(jì)了開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生裝置(40)，用于在開關(guān)元件的所述開關(guān)接頭加載一個(gè)開關(guān)信號(hào)，來接通和斷開開關(guān)元件。
22.一方面根據(jù)權(quán)利要求18而另一方面根據(jù)權(quán)利要求17和/或權(quán)利要求20所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生裝置也將開關(guān)信號(hào)加載在充電開關(guān)和/或放電開關(guān)的一個(gè)開關(guān)接頭上。
23.根據(jù)權(quán)利要求17至22中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述充電開關(guān)至少包括一個(gè)MISFET結(jié)構(gòu)，特別是一個(gè)尤其是自導(dǎo)類型的MOSFET結(jié)構(gòu)，而所述放電開關(guān)至少包括一個(gè)MISFET結(jié)構(gòu)，特別是一個(gè)尤其是自鎖類型的MOSFET結(jié)構(gòu)。
24.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件至少包括一個(gè)具有至少106V/cm的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和/或至少2eV的能帶寬度的半導(dǎo)體，特別是由碳化硅(SiC)，尤其是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)體組中的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體。
25.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)裝置包括一個(gè)半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體元件具有由硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和鍺(Ge)組成的半導(dǎo)體組中的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體。
26.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件具有一個(gè)飽和特性，而最大電流是飽和電流。
27.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件具有至少一個(gè)p-n結(jié)和/或至少一個(gè)肖特基結(jié)。
28.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)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(gè)JFET結(jié)構(gòu)。
29.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)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(gè)MESFET結(jié)構(gòu)。
30.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)元件包括至少一個(gè)MISFET結(jié)構(gòu)，尤其是一個(gè)特別是自鎖類型的MOSFET結(jié)構(gòu)。
31.根據(jù)權(quán)利要求28或者權(quán)利要求29和權(quán)利要求30所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件JFET結(jié)構(gòu)或MESFET結(jié)構(gòu)的柵極接頭特別是通過所述放電電阻與所述開關(guān)元件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。
32.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置，其中，所述保護(hù)元件的最大電流總是小于開關(guān)元件的熱極限電流，特別是至少少一個(gè)因子2，優(yōu)選地至少少一個(gè)因子3。
33.一種運(yùn)行開關(guān)裝置、特別是根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置的方法，所述開關(guān)裝置包括至少一個(gè)可以接通和斷開的開關(guān)元件(2)以及至少一個(gè)與所述開關(guān)元件在電氣上串聯(lián)的保護(hù)元件(3)，該保護(hù)元件將電流限制在一個(gè)最大電流上，其中，a)在開關(guān)元件接通時(shí)刻或在其之后經(jīng)預(yù)定或可以預(yù)定的延時(shí)，保護(hù)元件的最大電流至少在平均時(shí)間上被提高或者被保持在至少一個(gè)升高的值上，b)然后保護(hù)元件的最大電流重新被減小。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，將所述最大電流在一個(gè)預(yù)定的或可以預(yù)定的時(shí)間間隔上升高，或者保持在至少一個(gè)提高的值上。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述控制裝置在此期間保持保護(hù)元件最大電流的至少一個(gè)提高的值的時(shí)間間隔，與用電器具，特別是電驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)或者開始所需要的啟動(dòng)時(shí)間或開始時(shí)間相適應(yīng)或者可以適應(yīng)。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或權(quán)利要求35所述的方法，其中，將所述保護(hù)元件的最大電流，尤其是間斷或不間斷地控制在恰好一個(gè)低值和恰好一個(gè)升高值之間和/或在該低值和該升高值之間。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中，所述最大電流從所述升高的值基本上單調(diào)下降地減少到低值。
38.根據(jù)權(quán)利要求33至37中任何一項(xiàng)所述的方法，其中，將所述保護(hù)元件的最大電流按照預(yù)定的或者可以預(yù)定的時(shí)間變化升高或者保持升高。
39.根據(jù)權(quán)利要求33至38中任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述保護(hù)元件的最大電流至少一個(gè)升高的值或者時(shí)間上的變化，與用電器具，特別是電驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)或者開始時(shí)所需要的啟動(dòng)電流或開始電流或者其時(shí)間變化相適應(yīng)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述保護(hù)元件的最大電流的至少一個(gè)低值與用電器具在啟動(dòng)或者開始之后的運(yùn)行中最大允許的用電器具的過電流相適應(yīng)。
41.根據(jù)權(quán)利要求33至40中任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述保護(hù)元件的最大電流至少一個(gè)升高的值明顯地低于可能的短路電流，優(yōu)選地低至少一個(gè)因子3。
42.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述保護(hù)元件最大電流的至少一個(gè)升高的值比至少一個(gè)低值高至少一個(gè)因子2，優(yōu)選地高至少一個(gè)因子3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開關(guān)裝置，包括a)至少一個(gè)MOSFET開關(guān)元件(2)，以及b)至少一個(gè)JFET保護(hù)元件(3)，該保護(hù)元件與所述開關(guān)元件在電氣上串聯(lián)，并將電流限制在最大電流(飽和電流)上，和c)控制裝置(4，5，C，R
文檔編號(hào)H03K17/56GK1486532SQ02803795
公開日2004年3月31日 申請(qǐng)日期2002年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月16日
發(fā)明者海茵茨·米特萊納, 彼得·弗里德里克斯, 萊因霍爾德·肖爾納, 爾德 肖爾納, 弗里德里克斯, 海茵茨 米特萊納 申請(qǐng)人:西門子公司