用于導通和切斷電流的開關裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種用于導通和切斷電流的開關裝置，包括：第一機械接觸組件(10)；與該第一機械接觸組件并聯的半導體開關(20)；與該第一機械接觸組件串聯的第二機械接觸組件(30)；輔助線圈(40),其與開關驅動器的電路電流隔離并且電磁耦合至該開關驅動器的線圈以使得在該開關驅動器的供電被切斷時在輔助線圈中產生電壓，其中該開關驅動器用于移動第一和第二機械接觸組件的觸頭；以及開關電路(50)，該開關電路被設計為開啟和關閉該半導體開關(20)并且在該開關驅動器的供電被切斷時被提供在該輔助線圈中所產生的電壓。
【專利說明】
用于導通和切斷電流的開關裝置
技術領域
[0001]本發明涉及用于導通和切斷電流的開關裝置以及包含這類開關裝置的開關設備。
【背景技術】
[0002]用于在開關設備中開關和淬滅較高的電流的既定的開關原理通常包括雙斷接觸組件，該雙斷接觸組件引導在其中出現的開關電弧越過去離子室形式的一系列電弧分隔板中的電弧運行軌道。在這些室中，電弧被冷卻并分裂成多個子電弧，并且這與相應的電弧電壓增加有聯系。當達到驅動電壓時，電弧被淬滅且因而電路被切斷。當開關高的交流電流時，電弧的淬滅通常由動磁吹熄場輔助，該動磁吹熄場通過將導體適當地構形而在開關設備中形成。為了淬滅直流電流，通常使用磁吹熄場，然而，該磁吹熄場通常是通過布置永磁體產生的。
[0003]不像一直在市場上的既定的交流電流開關設備，用于切斷直流電流和例如162/3Hz的低頻電流的較大的開關設備具有更大的負載，這是由于其電流過零點的周期性較弱或缺乏周期性。其中出現的更長的電弧時間確定了與交流開關設備相比更高的開關電弧的能量含量。這既導致接觸材料更劇烈地消耗又導致開關室內相應的高的熱負荷。這種類型的熱負荷可能降低開關室內的絕緣能力。其結果是，這可能減少開關設備的電使用壽命。
[0004]所謂的混合開關提供了用于減少由開關電弧造成的開關設備上的負荷的一個選擇。已知的混合開關，例如那些在DE10315982A1中描述的，包括機電可驅動的主開關接觸組件的并聯電路，該主開關接觸組件包含半導體開關，例如基于重負荷的絕緣柵雙極晶體管(IGBT) ο當接通時，所述IGBT是高電阻的，因此負載電流僅經由閉合的機械觸頭流動。在開關斷開的過程中，半導體開關被驅動使得它在一個短的時間段內是低電阻的，并且因此流經機械開關的電弧電流在短的時間段內被轉換到半導體開關，并且之后，所述半導體開關以電流阻斷的方式被再次驅動，其結果是該半導體所引導的電流迅速地減少到零而沒有任何電弧。使用這種類型的混合組件，有效電弧時間可以被顯著地減少，并且因此開關上的負荷也可以被顯著地減少。
[0005]為了供電和驅動半導體電子系統，大多數混合開關需要外部電源。這個缺點被DE202009004198U1中描述的發明所避免。這被實施使得運行電子系統所需的電能從斷開機械開關時所出現的電弧中提取。同時，蓄電單元(優選電容的形式)通過電弧電流充電，然后為無電弧地切斷該功率半導體提供控制電壓。因此這種類型的混合開關中的開關過程總是涉及在機械觸頭之間暫時形成的開關電弧。然而，這種配置的缺點一方面是因觸頭燒掉造成的如前述的在開關設備上的負荷(盡管由于顯著縮短的電弧時間，該負荷相對地減少了)，另一方面是功率半導體上的相對長時間的電流負載(特別是對于較高的電流)，直至可靠的電壓增強已實現。
[0006]在US2005/0195550A1中描述的電路中，存儲在電磁驅動器線圈中的電能被用于驅動半導體開關。為了斷開開關設備的觸頭，到驅動器線圈的供電被切斷。在這樣做時，線圈通過親合至變壓器初級側的齊納(Zener) 二極管釋放所存儲的能量。流過初級側的電能在變壓器的次級側上產生相應的電壓，該電壓驅動通過限流電阻且途經與次級側并聯的齊納二極管的電流，該電流接通與開關設備的觸頭并聯并接收負載電流的半導體開關。這樣做時，半導體開關的接通比開關設備的機械觸頭的打開更快，并且因此在半導體開關的機械觸頭斷開的時刻，負載電流可已經轉換。其結果是，原則上可阻止開關電弧在機械觸頭之間出現。
【發明內容】
[0007]本發明解決的問題是提供一種用于導通和切斷電流的開關裝置以及一種包含這類開關裝置的開關設備，其對從US2005/0195550A1知曉的電路進行了進一步的改進。
[0008]此問題是通過獨立權利要求的主題解決的。本發明進一步的實施例在從屬權利要求中得到。
[0009]本發明的基本概念涉及:使用兩個串聯的機械接觸組件和與其中一個機械接觸組件并聯的半導體開關，以便在很大程度上防止切斷電流時電弧的出現，以及確保依靠串聯的第二機電接觸組件的可靠的電流隔離，該可靠的電流隔離原則上不具有基于半導體的接觸組件。
[0010]本發明的一個實施例涉及用于導通和切斷電流的開關裝置，包括第一機械接觸組件;與該第一機械接觸組件并聯的半導體開關;與該第一機械接觸組件串聯的第二機械接觸組件;輔助線圈，其與接觸模塊的電路電流隔離并且電磁耦合至該接觸模塊的線圈使得在該接觸模塊的供電被關閉時在其中產生一個電壓，其中該接觸模塊用于移動第一和第二機械接觸組件的觸頭；以及電子開關系統，該電子開關系統被設計來開啟和關閉該半導體開關并且被提供在該接觸模塊的供電被關閉時在該輔助線圈中產生的電壓。由于與該第一機械接觸組件并聯的半導體開關，可以減小切換期間出現的電弧的持續時間。進一步地，通過依靠該輔助線圈電流隔離該電子開關系統的電源，如果該輔助線圈被相應地設計，高的電流強度可被實現，其結果是該電子開關系統特別好地抵抗過高的電壓。
[0011]輔助線圈可以纏繞在接觸模塊的線圈周圍。其結果是，可以實現對接觸模塊的線圈的特別有效的電磁耦合，這意味著可以獲得對電子開關系統的可靠的供電。
[0012]電子開關系統可以被設計為一旦它被提供來自于該輔助線圈的電壓就開啟該半導體開關。因為機械式地斷開第一機械接觸組件的開關觸頭通常比依靠輔助線圈提供供電至電子開關系統花費更長的時間，該半導體開關可能在所述開關觸頭斷開前已經開啟，因此可以從第一機械接觸組件向半導體開關很大程度地轉換要被切換的電流，而無任何電弧出現。
[0013]進一步地，可能提供電流互感器，用于探測通過該半導體開關的電流的流動以及產生被傳送到該電子開關系統的相應的信號，該電子開關系統被設計為根據所傳送的該信號關閉該半導體開關。這使得將該半導體開關的控制適應于要切換電流中的儀器特定的波動成為可能，特別是當所述開關關閉時。特別地，關閉該半導體開關可以更好地適應實際的電流流動。
[0014]例如，該電子開關系統可被設計為一旦已經接收到來自于電流互感器的信號并且在預定的電流流動時間已經過去之后就關閉半導體開關。因此，一旦電流互感器指示電流正在流過開啟的該半導體開關，則這個電流流動的時間長度可以由該電子開關系統限制，以使得該半導體開關不負荷該電流的流動太久。預定的電流流動時間可以被計算為使得在斷開的該第二機械接觸組件的觸點之間出現的開關電弧被淬滅之后，有足夠的時間對該第一和第二機械接觸組件的串聯連接中的裂隙進行再固化。
[0015]第一和第二機械接觸組件也可被設計為以時間延遲的方式由接觸模塊斷開，使得僅在該第一機械接觸組件已斷開后經過限定的時間長度后，該第二機械接觸組件斷開。因為觸頭以延遲的方式斷開，如果已經由該半導體開關在所限定的時間長度內將電流帶到零點，則可以在第二機械接觸組件的觸點斷開時幾乎完全地防止電弧出現。
[0016]本發明的另一個實施例還涉及開關設備，其包括根據本發明的和如本文所描述的開關裝置，以及用于移動該第一和第二機械接觸組件的觸頭的接觸模塊。這種類型的開關設備可尤其具有一個專門改造的磁驅動器，其中根據本發明的開關裝置的輔助線圈纏繞在該驅動器的線圈周圍并供電給驅動該開關設備的混合開關的電子開關系統。
【附圖說明】
[0017]在結合附圖所示實施例的以下描述中，可找到本發明其它的優點和可能的用途。
[0018]在說明書末尾的附圖標記列表中使用的術語和相關聯的附圖標記在說明書、權利要求書、摘要和附圖中被使用。
[0019]在附圖中:
[0020]圖1是包括根據本發明的雙接觸組件的開關裝置的一個實施例的電路框圖；以及
[0021]圖2示出了根據本發明的開關設備的磁驅動器的一個實施例。
【具體實施方式】
[0022]在下面的描述中，相似的、功能相似的和功能相關的元件可被提供相同的附圖標記。絕對值僅以示例的方式在下面陳述而不應被理解為具有對本發明的限制作用。
[0023]圖1是用于雙端子、極性獨立的開關設備的根據本發明的開關裝置的電路框圖。用于兩個端子的開關設備的連接分別被標示為11、11和1^32。
[0024]對于每個端子，開關裝置包括第一機械(淬滅)接觸組件10與基于反串聯IGBT組件的半導體開關20的并聯連接，該并聯連接與用于確保電流隔離的第二機械接觸組件30串聯連接。
[0025]半導體開關20被電子開關系統50開啟或關閉，即激活或斷開。該電子開關系統50被接觸模塊的線圈(磁驅動器)或開關設備的磁驅動器中存儲的電能供電。為了這個目的，提供了與接觸模塊的電路電流隔離的輔助線圈40，并且(如在下面詳細描述)在接觸模塊被關閉時該輔助線圈40可以產生電壓以為電子開關系統50供電。
[0026]該輔助線圈40可例如纏繞在驅動線圈周圍。圖2示出以這種方式改造的用于雙端子或多端子開關(示出的驅動器本身不限于一定數量的端子)的磁驅動器。在該圖中，驅動線圈為兩個串聯的半線圈45a、45b的形式，其中每一個半線圈都包括U形磁芯46的一條腿。單獨的輔助線圈40在這些半線圈中的每一個周圍纏繞并與各自的驅動線圈電流隔離。在這個例子中，要么輔助線圈40在每種情況下供電給一個端子的半導體開關20，要么兩個輔助線圈40以冗余方式供電給兩個端子的電子開關系統50。
[0027]當接通時，即當接觸模塊向磁驅動線圈供給電壓和電流并且第一和第二機械接觸組件10和30的觸頭閉合時，半導體開關20被斷開，這是因為在這種狀態下輔助線圈40不產生用于向電子開關系統50供電的電壓，并且電子開關系統50因此沒有電壓且半導體開關20的IGBT不能被激活。
[0028]在向接觸模塊的磁驅動線圈供應的用于斷開第一和第二機械接觸組件10和30的觸點的電壓和電流被切斷的時刻，存儲在磁驅動器線圈中的電能產生一個飛輪電壓(freewheel voltage)，其繼而又感生出激活輔助線圈40中的電子開關系統50的電壓，其中輔助線圈40電磁耦合到磁驅動器線圈。
[0029]在輔助線圈40中感生的電壓足以既向電子開關系統50供電又積聚驅動IGBT所需的電壓。輔助線圈40的優點在于，在第一和第二機械接觸組件10和30的觸頭被斷開之前，半導體開關可以已經被驅動。
[0030]在包括機電磁驅動器的開關設備中，在開始關閉過程與斷開機械觸頭之間的時間段一般是幾毫秒(ms)，代表性地為約10ms。在此期間，IGBT的閾值電壓(代表性地在7V的區域)通常已經被在輔助線圈40中感生的電壓超過，并且因此電子開關系統50可施加所述電壓到半導體開關20的IGBT上，其結果是IGBT以低電阻的方式(半導體開關20因此被開啟)連接，并且隨著第一機械接觸組件10的(淬滅)觸頭斷開，將要切換的負載電流被立即轉換到半導體開關20。
[0031]通過事先驅動IGBT，因而在機械接觸組件10的斷開的淬滅觸頭之間不再出現電弧。在半導體開關20的IGBT的低電阻階段期間，即只要該電子開關系統50正在由輔助線圈40供給足夠的工作電壓，可能僅在短時間段內在第二機械接觸組件30的斷開的(隔離)觸頭之間出現電弧;這個也可以被防止，如果第二機械接觸組件30的隔離觸頭不與第一機械接觸組件10的淬滅觸頭同時斷開，而是該隔離觸頭相比淬滅觸頭在限定的時間延遲之后斷開，這可以例如由兩個機械接觸組件10和30的相應的機械設計來實現。
[0032]按照IGBT的可能的最高電使用壽命以及按照它們可接受的大尺寸，在時間方面限制通過半導體開關20的電流流動使得該電流僅在這里流動直至機械裂隙(break gap)已經充分地再固化是合適的。為了最大限度地減少通過半導體開關20的電流流動時間，具有關于轉換的時間點的精確認識是重要的，因為用于機械關斷過程的有效時間因每個開關設備的各種原因而波動。
[0033]根據本發明，對于轉換到已經被激活的半導體開關20的IGBT的時間點，可以由在其中定位的電流互感器60來確定。一旦電流開始流過半導體開關20的IGBT，電流流動因而從第一機械接觸組件10轉換到半導體開關20，電流互感器60就產生信號。由電流互感器60產生的并指示轉換的信號被傳送到電子開關系統50，然后電子開關系統50可以依據所述信號驅動半導體開關20，如下面所描述的。
[0034]在轉換已發生之后，電子開關系統50可立即驅動半導體開關20，使得半導體開關20的IGBT在短暫的電流流動時間之后恢復它們的閉鎖功能，該短暫的電流流動時間由電子驅動系統定義或預定義，并且因此半導體開關20中的轉換負載電流在定義的時間長度內達到零。在這個例子中，電流流動時間由電子開關系統50計算，使得當暫時的開關電弧出現在隔離觸頭時，在該電弧淬滅后有充足的用于裂隙再固化的時間。這對空氣裂隙中的高電流尤為重要。如果真空開關室被用于機械隔離，可以獲得較短的再固化時間，并且這對最小化IGBT中的電流流動時間是有利的。
[0035]通過用反向串聯IGBT裝配半導體開關20，這種類型的開關組件既可以被用于具有任何電流流動方向的直流電流也可以被用于具有不同頻率的交流電壓，由于驅動模塊被單獨供電，因此開關時間不依賴于相位角。
[0036]在半導體開關20中的關閉過程期間，對于高電流呈現出高dl/dt值，其結果是可能出現顯著大于I千伏的電壓尖峰。為了防范這樣的電壓尖峰，連接保護元件(例如變阻器70的形式)是合適的，該保護元件可以在半導體開關20的上游連接或者與半導體開關20并聯。
[0037]當達到零電流狀態時，半導體開關20永久地承擔阻塞功能。通過在此期間已經斷開的隔離觸頭30，同時在混合開關中產生可靠的電流隔離。
[0038]如果依靠適當的機械或電子耦合確保第一機械接觸組件20的淬滅觸頭領先于第二機械接觸組件30的隔離觸頭一個時間量，在該時間量中半導體開關20導通，這可以實現兩個機械接觸組件10和30幾乎完全沒有任何電弧地開關，而這對于該開關裝置(特別是混合開關)的預期使用壽命是有利的。
[0039]本發明特別適合于在接觸器、電源開關和電機保護開關中使用，該接觸器、電源開關和電機保護開關被特別設計用于工作在直流電流和/或低頻率電流。本發明使得有可能在具有相對長的電使用壽命的同時對高直流電流和低頻電流進行開關，因為可以防止長電弧時間以及半導體開關上的長時間的電流負載。而且，這些特性使得有可能生產出相對緊湊的用于高電流的開關設備。
[0040]附圖標記列表:
[0041 ] 10第一機械接觸組件
[0042]20半導體開關
[0043]30第二機械接觸組件
[0044]40電流絕緣的輔助線圈
[0045]45a第一半線圈
[0046]45b第二半線圈
[0047]46 U形磁芯
[0048]50電子開關系統
[0049]60電流互感器
[0050]70變阻器
【主權項】
1.用于導通和切斷電流的開關裝置，包括: 第一機械接觸組件(10); 與該第一機械接觸組件并聯的半導體開關(20); 與該第一機械接觸組件串聯的第二機械接觸組件(30); 輔助線圈(40)，其與接觸模塊的電路電流隔離并且電磁耦合至該接觸模塊的線圈使得在該接觸模塊的供電被關閉時在其中產生電壓，其中該接觸模塊用于移動第一和第二機械接觸組件的觸頭；以及 電子開關系統(50)，該電子開關系統被設計來開啟和關閉該半導體開關(20)并且被提供在該接觸模塊的供電被關閉時在該輔助線圈中產生的電壓。2.根據權利要求1所述的開關裝置，其特征在于，該輔助線圈纏繞在該接觸模塊的線圈周圍。3.根據權利要求1或2所述的開關裝置，其特征在于，該電子開關系統被設計為一旦它被提供來自于該輔助線圈的電壓就開啟該半導體開關。4.根據權利要求1、2或3所述的開關裝置，其特征在于，提供電流互感器(60)，用于探測通過該半導體開關的電流的流動以及產生被傳送到該電子開關系統的相應的信號，該電子開關系統被設計為根據所傳送的該信號關閉該半導體開關。5.根據權利要求4所述的開關裝置，其特征在于，該電子開關系統被設計為一旦已經接收到來自于所述電流互感器的信號并且在預定的電流流動時間已經過去之后就關閉該半導體開關。6.根據權利要求5所述的開關裝置，其特征在于，該預定的電流流動時間被計算為使得在斷開的該第二機械接觸組件的觸點之間出現的開關電弧被淬滅之后，有足夠的時間對該第一和第二機械接觸組件的串聯連接中的裂隙進行再固化。7.根據前述權利要求中任一項所述的開關裝置，其特征在于，第一和第二機械接觸組件被設計為以時間延遲的方式由接觸模塊斷開，使得僅在該第一機械接觸組件已斷開之后經過限定的時間長度后，該第二機械接觸組件斷開。8.開關設備，包括: 根據前述權利要求中任一項所述的開關裝置，以及 用于移動該第一和第二機械接觸組件的觸頭的接觸模塊。
【文檔編號】H03K17/567GK105830344SQ201480069211
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年12月9日
【發明人】G·施米茨, M·烏德爾霍芬, J·邁斯納, M·沃朗
【申請人】伊頓電氣Ip兩合公司