CN105493218A - 具有混合开关的断路器 - Google Patents

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Abstract

一种交流断路器，具有在火线上的第一电流隔离开关(SW2)和旁路开关(SW1)，在中性线上的第二电流隔离开关(SW3)，以及并联连接至所述旁路开关(SW1)的半导体开关元件。所述半导体开关元件包括整流桥(D1-D4)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的组合。处理单元连接至布置在所述火线上的电流测量单元，且被布置为在检测到短路状态的情况下，控制所述旁路开关(SW1)、第一和第二电流隔离开关(SW2,SW3)，以及所述绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的导通状态。

Description

具有混合开关的断路器
技术领域
本发明涉及交流断路器，其包括用于将交流负载连接至市电电源的在火线供电接线端子和火线负载接线端子之间的火线，以及在中性供电接线端子和中性负载接线端子之间的中性线，包括在火线上的第一电流隔离开关和旁路开关，在中性线上的第二电流隔离开关，以及并联连接至旁路开关的半导体开关元件，其中使用处理单元控制第一和第二电流隔离开关、旁路开关和半导体开关元件。
背景技术
国际专利公开号WO2011/018113公开了一种具有机械开关31和与机械开关31并联的半导体断路器装置32的混合断路器。公开了一个实施例，其中半导体装置32包括桥式整流器37和IGBT36。
法国专利公开号FR-A-2952470公开了用于交流应用中的断路器，其使用控制单元用于控制具有并联的机械开关、可变电阻和半导体开关的断流器。
国际专利公开号WO2011/116832公开了用于中断电路线路中故障电流的混合断路器。机械断路器并联连接至半导体装置，当机械开关断开时，半导体装置暂时输送过电流。在公开的实施例中，半导体装置是一组串联或并联连接的可控的半导体单元，例如晶闸管、GTO、IGBT或IGCT。
欧洲专利公开号EP-A-2469554公开了一种混合开关电路，其包括与受控的电磁继电器的开关电极并联的功率半导体。它描述了在负载电流的过零点关断半导体。由于能量必须被输送直到过零，这使得短路切换不可能。在短路的发生和电路的实际切断之间的时期，电流和能量将太高而不能被半导体承受。
国际专利公开号WO2011/057675A1公开了特别用于DC应用的高压断路器(>10kV)，其中主断路器、非线性电阻器和高速开关并联连接。主断路器包括第一电流方向的一个或多个半导体开关。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高度可靠性和低散热的混合型的改进的交流断路器。
根据本发明，提供了根据上述前文定义的交流断路器，其中半导体开关元件包括整流桥和绝缘栅双极型晶体管的组合，其中整流桥的交流端子并联连接至旁路开关，且整流桥的直流端子连接至绝缘栅双极型晶体管的发射极和集电极端子，以及其中处理单元连接至布置在火线上的电流测量单元，且被布置为在检测到短路状态的情况下控制旁路开关、第一和第二电流隔离开关，以及绝缘栅双极型晶体管的导通状态。电流测量单元被布置为测量来自下面组的一个或多个参数：
-负载电流(I(t))的瞬时值；
-负载电流的增加速度(dI/dt)；
-负载电流的RMS值(<I>)；
-负载电流的时间信息(I(t),t1<t<t2)。
这一元件和功能的组合为AC应用提供了可靠的混合型断路器。因为能够精确地检测短路电流从旁路开关到IGBT的换流何时发生，因此可以在这个触发时刻加上预设恒定延迟之后控制IGBT以关断负载电流(在该预设恒定延迟期间，实现旁路开关的继电器的触头具有足够的距离以承载负载的剩余电压)。本发明也允许获得用于实现断路器的若干功能的所有可能的参数。
例如，处理单元被配置为确定短路情况，如果：
-电流的增加速度(dI/dt)大于预定的阈值(其是负载阻抗的度量)；
-负载电流的瞬时值(I(t))比预定的额定负载电流(In)高十倍(这允许区分短路和高浪涌电流)；或
-负载电流的瞬时值(I(t))在超过预定的时间段高于预定的电流值，其来自负载电流的时间信息(这也允许阻止高浪涌电流使断路器跳闸)。
此外，处理单元可以被布置为如果负载电流的RMS值大于预定的电流阈值(即在较长的时期内)，则确定过电流情况。这个实施例将代替现有的双金属过电流保护实施例，因此需要较少的用于断路器的专用装置。
在另一个实施例中，交流断路器还包括连接至火线和中性供电接线端子的供电单元，供电单元被布置为提供电力至处理单元以及断路器的可能的其他装置。这确保了只要电源在供给电压，整个断路器就能保持功能。
断路器还可以包括并联连接至旁路开关的过电压保护元件，例如以可变电阻或压敏电阻(VDR)的形式。
在一个实施例中，交流断路器还包括连接至绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极端子的缓冲电路，其实现IGBT的过电压保护。
电流测量单元可以包括在火线上的分流电阻和布置为测量分流电阻两端的电压的短路和过电流检测单元。这允许微型断路器保持小型化，例如相比于采用罗氏(Rogowski)线圈的另一个实施例。
在另一个实施例中，旁路开关、第一和第二电流隔离开关是机电继电器类型开关，交流断路器还包括继电器驱动单元，继电器驱动单元连接至处理单元，以及旁路开关、第一和第二电流隔离开关的线圈端子。这允许在断路器跳闸的情况下实现在电源和负载之间完全的电流隔离。
在另一个实施例中，处理单元被布置为通过控制绝缘栅双极型晶体管为其导通状态(即由电源电压过零点同步)，且随后控制旁路开关为导通状态来接通交流断路器，以及其中处理单元被布置为通过控制旁路开关为断开状态，且随后控制绝缘栅双极型晶体管为其断开状态(即由负载电流过零点同步)来断开交流断路器。
在另一个实施例中，处理单元被布置为在短路情况下通过如下方式断开断路器：控制旁路开关为断开状态(这里IGBT自动地接收短路电流)，监测绝缘栅双极型晶体管两端的电压，且如果电压超过预定的电压电平，控制绝缘栅双极型晶体管为其断开状态。如果短路发生在启动断路器的时候，后一步骤能够非常快地执行，即在500μs或甚至更短(100μs)的时间内。
交流断路器还可以包括连接至处理单元和绝缘栅双极型晶体管的控制输入的IGBT驱动单元，其中IGBT驱动单元被布置为在两阶段过程中断开绝缘栅双极型晶体管。这允许防止IGBT两端危险的过电压，且避免SOA(安全工作区)问题。
IGBT驱动单元可以进一步被布置为监视IGBT两端的电压，例如确定旁路开关状态，或在控制继电器触点中启动延时。
在另一个实施例中，交流断路器还包括连接至处理单元的用户界面，例如以测试开关和/或状态指示器的形式。此外，交流断路器可以包括连接至处理单元的通信接口，以便允许远程操作和监视。
附图说明
下面将使用多个示例性实施例参考所附的附图更加详细讨论本发明，其中
图1示出根据本发明的断路器的实施例的方框图；
图2示出在断路器的导通/断开切换下将电源电压、电源电流与绝缘栅双极型晶体管和旁路开关的切换相关联的时序图；
图3示出在断路器的短路断开切换下将电源电压、电源电流与绝缘栅双极型晶体管和旁路开关的切换相关联的时序图；
图4示出了检测过电流和短路的示例性实施例的方框图；
图5示出了检测过电流和短路的另一个实施例的方框图；以及
图6示出了图1所示的旁路开关继电器驱动单元的实施例的电路图。
具体实施方式
目前的短路断开开关的可靠性和散热是一个问题，尤其在广泛使用的交流(AC)装置中。通常由接触器完成从负载的电线的断开，但是由于可靠性和电弧问题，应该避免任何机械接触器。结合当前的半导体技术，用半导体替换传统的接触器是可能的，然而半导体具有电压降。这个电压降导致几瓦特的损耗，且在小的微型断路器(MCB)装置中这是不允许或不可能的。由于这个原因，并联的(旁路)接触器被用于从半导体接收负载电流。然而旁路接触器的开关能力要求远低于传统的(继电器)接触器的开关能力，因为旁路接触器仅需要承载(而不是切换)电流。
然而如果发生短路，旁路开关必须非常快打开，而且半导体必须能减小/中断先前的高负载电流。因为打开时间必须非常短，这使得旁路开关的特殊结构有必要。这也使得特殊的半导体驱动电路有必要，以便在所有可能环境中，半导体的故障没有可能发生。
传统的MCB的另一个问题是，当使用现今的负载时，存在使用导致高的浪涌电流的高容性输入电路的各种SMPS(开关模式电源)。难以区分这些高的浪涌电流和真的短路。这些浪涌电流具有最大几毫秒的时间范围，在这个时间范围中传统MCB的性能不能明确定义且也难以控制。在接通SMPS负载或电源中断下，这些高的浪涌电流能够导致MCB的不当(不期望的)跳闸，尤其当连接的时刻在电源正弦波的不利位置。
传统的MCB和使用的现今的负载的另一个问题是，由于在接触器的浪涌焊接期间可能发生上述高峰值负载电流。该问题可能发生，因为高的浪涌电流可能如此短以致传统的短路线圈不够快且不会中断。
在本文所描述的本发明的实施例中，通过电子短路检测和混合开关的组合避免了这个风险。
在图1中，示出了根据本发明的断路器的实施例的方框图。交流断路器包括在火线供电接线端子Lin和火线负载接线端子Lout之间的火线，以及在中性供电接线端子Nin和中性负载接线端子Nout之间的中性线，火线和中性线用于将交流负载连接至AC市电电源。断路器包括在火线上的第一电流隔离开关SW2和旁路开关SW1，在中性线上的第二电流隔离开关SW3，以及并联连接至旁路开关SW1的半导体开关元件，其中使用处理单元控制第一和第二电流隔离开关SW2、SW3、旁路开关SW1和半导体开关元件。半导体开关元件包括整流桥D1-D4和绝缘栅双极型晶体管IGBT的组合。整流桥D1-D4的交流端子并联连接至旁路开关SW1，且整流桥D1-D4的直流端子连接至绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极和集电极端子。处理单元连接至布置在火线上的电流测量单元，且被布置为在检测到短路状态的情况下，控制旁路开关SW1、第一和第二电流隔离开关SW2、SW3，以及绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通状态。
整流桥D1-D4是需要的，因为IGBT仅在一个方向(晶体管)导通。它必须输送与IGBT相同的电流，短路也是同样如此。另一个方案是使用具有串联二极管的“反向并联”IGBT(以在IGBT的断开状态中输送反向电压)，但是这将使得整个电路更复杂和昂贵。
在当前的技术下，其他半导体方案是不可能的。FET具有非常低的沟道电阻，但是它们不可同时用作高电压/高电流类型。不能使用双向晶闸管和晶闸管，因为它们只能够过零点关断，且这占用大量时间。在短路情况下，它们不容易被迫关断，最终将失败。GTO(可关断晶闸管)和IGCT(集成门极换流晶闸管)需要大量能量以使得它们保持在导通状态和关断。而且驱动电路将更复杂。
处理单元被布置为具有测量输入、计算软件、输出信号逻辑和驱动器。通过EPLD或逻辑端口可以实现大多数时间严格过程，但是大多数功能可以集成在μP(微处理器)。包括在处理单元中且必要的情况下下文将更详细地解释的主要功能有：
-电源电压测量。
-电源电流测量和计算过电流特性(用于代替双金属过电流保护)。
-电源电压和电流同步。
-MCB中不同装置(例如IGBT和分流电阻R1)的温度测量。
-继电器驱动器的驱动逻辑(包括储能电容器的能量监测)。
-与IGBT驱动单元、用户界面和通信接口通信。
-用于编程(过)电流特性和校准程序的编程/预置接口。
-在电力中断情况下数据的内部存储(例如接触状态、过电流保护的电源电流历程)。
通过分流器完成电流测量。在实施例中，电流测量单元包括在火线上的分流电阻R1和布置为测量分流电阻R1两端的电压的短路和过电流检测单元。对本申请来说，分流器是最逻辑选择，因为精确度和线性度优于其他装置。而且体积小、价格/有效性合理。另一种是罗氏线圈，罗氏线圈在很宽的范围内和高电流应用中也是精确的。缺点是罗氏线圈更大、输出信号更低，这使得用于短路保护和(小)电流/能量测量的集成/组合设计更加困难。必须选择分流电阻R1的阻值，使得在额定负载电流下损耗小，例如分流电阻R1必须能在短时间承受短路电流，例如焦耳。
可以采用模拟或数字电路实现短路和过电流检测，模拟或数字电路必须足够快以检测短路。在能量测量中，其也必须足够精确以感测小负载电流。运放电路或集成(模拟ASIC)电路是合乎逻辑的方案，但是具有高采样率的数字电路也是可以的。
通过监测若干参数的一个或多个的组合完成过电流和短路检测：
-负载电流(I(t))的瞬时值。
-负载电流的dI/dt(增加速度)。
-负载电流的RMS(<I>)。
-负载电流的时间信息(持续时间)(I(t),t1<t<t2)。
dI/dt是通电时对负载阻抗的直接测量，如果这个阻抗低于特定数值，这可以看做是短路。在这种情况下，dI/dt(电流的增加速度)高，即超过预定的阈值。允许的dI/dt被调节至预期的短路电流允许值(例如6kA或10kA)下。当然也必须考虑负载电流的瞬时值。许多现今的负载类型具有非常高的浪涌电流，这必须与短路区分。因此可被检测的短路的负载电流的瞬时值大于大约10*In(额定电流的十倍)。对于45A的装置，这大约是600A峰值。
RMS负载电流主要用于检测过电流，即在预定的时间内，如果负载电流的RMS值大于预定的电流阈值，则检测到过电流情况。短路太短而无法测量传统的RMS值。在短路检测的算法中，峰值负载电流的持续时间可以用于区分浪涌电流和真正的短路，例如通过确定负载电流(I(t))的瞬时值在超过预定的时间段是否高于预定的电流值，这来自负载电流的时间信息。
如图1的方框图的实施例所示，旁路开关SW1以及第一和第二电流隔离开关SW2、SW3是机电继电器类型开关。交流断路器还包括继电器驱动单元，继电器驱动单元连接至处理单元，且连接至旁路开关SW1、第一和第二电流隔离开关SW2、SW3的线圈端子。旁路开关SW1接通后旁路半导体IGBT。它将从IGBT接管电流以在正常操作下减小MCB的功率损耗。它仅需要在几个伏特下开关，这几个伏特是IGBT和桥两端的电压。由于最大电压被过电压保护可变电阻VDR所限制，触头开距小。
由于MCB的产品标准指定了电流隔离，增加了接触器SW2和SW3。这些接触器具有大触头开距(>3mm)，但是没有大的开关能力；它们仅需要运输负载电流。电流阻断1电路的结构可以具有两个驱动线圈(SW2和SW3都具有它们自己的线圈)，或具有带有两个接触器的一个驱动线圈。具有两个驱动线圈的结构允许相接触器和中性接触器更加时间灵活性。经常选择在相接触器SW2闭合前，首先闭合中性接触器SW3(以及在打开时，在中性接触器SW3打开前，首先打开相接触器SW2)。
而且，在进一步实施例中，交流断路器包括连接至火线和中性供电接线端子Lin、Nin的供电单元，供电单元被布置为提供电力至处理单元(以及断路器的可能其他装置)。
供电单元靠近连接至电力供电端子Lin、Nin，且如果存在电源电压，其总是被供电。它也是用于电源电压测量和同步至处理单元的接口。供电单元也对继电器驱动器中的电容充电从而对继电器提供能量。必须确保，在所有电源情况中，电容中储存了足够能量以断开双稳态继电器。
继电器驱动器可以具有H桥驱动器以供电双稳态继电器。该继电器仅需要小脉冲以从导通状态改变为断开状态或从断开状态改变为导通状态。在稳定状态，它们不需要任何电力，从而节省能量。通过继电器驱动器中的储能电容和能量监视，确保MCB的安全操作。
注意，从图1示出的图和这里描述的结构是1电极+N结构(仅过电流和短路保护在该相中)。在另一个实施例中，如果需要2电极装置，则包括第二旁路开关、过电压保护、整流桥、缓冲电路、IGBT和IGBT驱动器。具有相关附加装置的进一步实施例可以包括具有多电极(例如3相、3相+中性、或甚至4相)的电源的更复杂结构。
正常导通和断开情况的过程如下(参见图2所示的时序图)：
正常导通：导通指令(不同步)；IGBT导通(在电源电压下同步)；旁路开关导通(不同步)。
正常断开：断开指令(不同步)；旁路开关断开(不同步)；IGBT断开(在电源负载电流下同步)。
IGBT在电源电压的过零点导通，因为此时浪涌电流将最小。IGBT在电源负载电流的过零点关断，因为负载中的剩余能量将最小；这将有助于用可变电阻(过电压保护)和缓冲电路的最低能量损耗关断。
换句话说，处理单元被布置为通过控制绝缘栅双极型晶体管IGBT为其导通状态(由电源电压过零点同步)且随后控制旁路开关SW1为导通状态来接通交流断路器，且处理单元被布置为通过控制旁路开关SW1为断开状态，且随后控制绝缘栅双极型晶体管IGBT为其断开状态(通过负载电流过零点同步)来断开交流断路器。
在短路情况下的过程如下(参见图3所示的时序图)：
通过短路检测电路检测正常操作期间的短路(图3的点2)。根据电流和dI/dt的值，首先它将发出断开指令至旁路开关(同样图3的点2)。如果这个旁路开关打开，IGBT将自动接管短路电流，因为它仍处于导通状态(图3的点3)。由于短路电流非常快上升至高电平，IGBT两端的电压降也将上升至几个伏特(IGBT将饱和)。
IGBT驱动器将检测这个电压降，并在经过由继电器确定的固定延时之后，将关断IGBT。选择尽可能短的延时，但是延时时间保证继电器断开之后，继电器触点的开口距离足够隔离感性负载的剩余电压(最大值为VDR电压)。根据IGBT电压增加时刻(继电器已经移动至断开位置)到实现所需的触头开距，计算继电器触头的延时时间，对小的MCB来说，延时时间在50…300μs范围内。由于测量IGBT两端电压增大是延时时间的起点，没有不必要/附加的时间被添加到短路中断时间中。
根据这个机理，旁路继电器的机械延时和误差与IGBT完全同步；没有不必要/附加的时间被添加到短路中断时间中。完整短路中断时间范围在100…500μs内，从而阻止了IGBT和桥中太高的电流。
因此，在另一个实施例中，处理单元被布置为在短路情况下断开断路器：控制旁路开关SW1为断开状态(IGBT自动地接管短路电流)，监测绝缘栅双极型晶体管两端的电压，且如果电压超过预定的电压电平，控制绝缘栅双极型晶体管为其断开状态(即IGBT驱动单元将断开IGBT)。
短路直接导通时，行为类似于上述(正常操作期间短路)的情况。不同之处在于，旁路开关还没有闭合，IGBT两端的电压降因为短路将立即上升至几个伏特(IGBT将饱和，即处于完全导通状态)。结果，IGBT驱动器将再次立即关断IGBT。由于旁路开关还没有闭合，这个时间范围比正常操作中短路的中断时间更短(<100μs)。
根据这个机理(除了短路检测，IGBT电压/饱和监测也能闭合IGBT)，IGBT将不可能被任何种类的太高(短路)电流损坏。上述过程中产生的剩余负载能量可以通过缓冲电路C,R2,D5和/或过电压保护元件VDR吸收，这将在下面更详细地描述。
旁路继电器具有触点断开时延，触点断开时延是断开具有更高短路额定值的断路器的最重要的参数。如果用于断开短路的时延太高，短路电流将上升至必须通过IGBT中断的高数值。更高的中断电流需要更厚的电线、更大功率IGBT、桥式二极管和过电压限制VDR(其被放置在旁路开关触点的两端)，以及将更加强调安装接线。短路中的能量也更高，因此着火的危险和风险更高。
另一方面，很明显确定过电流是否是短路需要时间。通过接通容性负载也可以导致短/峰值过电流。为了区分短路检测确定时刻和旁路继电器断开指令的时刻，以下的实施例被添加至包括在上面描述的实施例中。
优点是，更高的预期短路额定值，MCB的更好性能，以及改进的不当跳闸行为是可能的。在其他的实施例中，处理单元被布置为控制断路器，方式是：在检测到过电流情况下立刻控制旁路开关(SW1)为断开状态，且随后在检测到短路情况下控制绝缘栅双极晶体管(IGBT)为其断开状态或在检测到非短路情况下控制旁路开关(SW1)为导通状态。
在之前描述的实施例中，下面的短路断开过程是适用的：
在过电流情况确定(例如通过断路器的模拟器件、使用分流器、放大器、整流器和组合的dI/dt电路/瞬时值电路进行检测)之后，随后确定这种情况是否必须视为实际的短路情况。由于这种短路检测算法，检测时间至少是30…60μs。
测量的电流必须被看做是短路的决定作出之后，立即使用继电器线圈打开旁路开关SW1。由于衔铁的机械运动，因此旁路开关SW1打开需要时间。在打开旁路开关触头时，为触头开距启动定时器。这也是整个短路断开过程中的时延。经过触头开距的这个时延之后，断开IGBT，并中断/断开短路。
在另一组实施例中，如图4和5的方框图示意性地示出，短路确定时刻和旁路继电器打开指令的时刻(即旁路继电器断开检测和短路检测)是分开的。注意，短路检测将不会立即导致IGBT断开指令，因为还考虑了旁路开关SW1的触头断开时间。
方框图都具有相似的功能，只有负载电流的瞬时值和dI/dt(负载电流的电流增长系数)组合的方式是不同的。这些可以与预定的阈值(图5的实施例)分别比较，或已经被添加到求和放大器，并一起与预定的阈值(图4的实施例)比较。
下面的描述基于图4的实施例，但是信号的类似处理发生在图5的实施例中。
通过火线Lin上的分流电阻R1测量负载电流，也参见图1及其上面的描述。存在模拟放大器和整流电路以处理负载电流信号用于进一步检测。整流信号用于两个检测电路：旁路继电器断开检测和短路检测。
用可能的最短时延调整/设置旁路继电器断开检测电路(过电流情况的检测)，从而其不会被频繁触发和不会对每个小的负载峰值电流误反应。
用具有对不当跳闸最大抵抗的短路的精确检测的参数来调整/设置短路检测电路(短路情况的检测)。这个检测比旁路继电器断开检测慢。
相比于上述的其他实施例，这组实施例的过程中的变化如下：
短路或任何其他高峰值电流确定之后，旁路继电器断开检测电路将发出指令“旁路继电器断开”。
并行地，在短路检测电路中，确定峰值电流是否必须被看作短路。
如果是短路，MCB在最初的过程中(旁路继电器触头开距的时延之后)将打开；如果不是短路，一段时间后，旁路继电器将再次接通。
这个替代过程的优点是，旁路开关SW1打开的时延不是在实际检测到短路后才开始，而是在较早阶段已经开始。这对负载电压/电流没有影响，因为这仍通过IGBT供电。由于较早开始旁路开关继电器的打开，瞬时电流在打开接触器时(换流开始的时刻)相比于在最初过程中更低(如果是10kA的预期短路，甚至可以低于150A)，在断开短路情况下，对接触器要求降低。
优点还在于，短路检测时间不再是对总的断开时间的额外延迟，因此存在更长的时间用于短路的精确检测。这也有助于区分真正的短路、短的浪涌峰值或任何其他EMC效应。
相比于上述的实施例，由于短路断开的总的延时时间现在减少了，在断开短路中，MCB具有更好的性能(较低的I2t)。更高预期的短路额定值在相同系统层次结构中也是可能的。
在图6所示的方框图中，示出了具有分离的导通和断开指令储能电容的一种可能的旁路开关继电器驱动电路。旁路开关继电器驱动器的这个实施例可应用于本文所描述的所有实施例中，但是相对于图4和图5描述的实施例特别有利。
在图6的实施例电路中，旁路开关继电器是双稳态磁闩型继电器。不需要能量保持其在断开或导通位置。该继电器具有一个线圈，且由短电流脉冲驱动。
在上面的电路中，由去能电容器C1(通过H桥晶体管/FETT1和T4)给出导通指令。由去能电容器C2(通过H桥晶体管/FETT2和T3)给出断开指令。
分离的导通和断开指令储能电容的优点是，可以以非常快的过程给出这些指令。这减少了导通和断开/断开和导通之间的时间。在某些情况下，这个时间是至关重要的，例如在以下情况：例如通过手动开关导通MCB。首先，IGBT将开始导通，并将负载连接至线电压。经过一段时间(当没有短路检测)，旁路继电器也将导通。这是正常的导通过程(参见上面的描述)。
如果在旁路继电器导通指令之后直接检测短路，旁路继电器导通指令立即停止并断开指令被给出。在旁路继电器的衔铁已经移动至导通位置的情况下，这也是可行的。
通过这种层次结构/过程，由于正常的旁路继电器导通过程的时间范围中的短路导致的罕见的断开指令的情况中，没有额外的延迟。
在另一个实施例中，交流断路器还包括并联连接至旁路开关SW1的过电压保护元件VDR。过电压保护元件或过电压保护可变电阻VDR在短路断开之后保护桥式二极管D1-D4和IGBT防止出现太高过电压。断开之后，(感性)负载中仍然可能剩余很多能量并导致高的峰值电压。这个高的峰值电压被可变电阻VDR吸收。当然，断开的时间范围越短(较快的旁路接触器)，电源负载网络中的剩余能量越小，且可变电阻VDR的吸收能量越小。
在另一个实施例中，交流断路器还包括连接至绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极和发射极端子的缓冲电路C、R2和D5。该缓冲电路是标准的RCD缓冲电路，以在关断IGBT期间箝位电压。在关断之后，缓冲电路开始直接地箝位且可变电阻VDR大约900V。由于在电源负载网络中的剩余能量，两者获取吸收的能量的一部分。
另一个实施例的交流断路器还包括连接至处理单元和绝缘栅双极型晶体管的控制输入的IGBT驱动单元，其中IGBT驱动单元被布置为在两阶段过程中断开绝缘栅双极型晶体管(或换句话说，IGBT驱动单元是两阶段关断的IGBT驱动器)。IGBT驱动单元还可以被布置为监测IGBT两端的电压。
第二电流阻断电路(图1所示实施例中的电流阻断2)包括用于在处理单元和IGBT驱动单元之间通信的一个或多个光耦元件。在IGBT驱动单元内也可以提供小的电流阻断的SMPS以对IGBT驱动器电路供电，因为这个驱动器电路比起断路器的其他电路器件位于另一个电压电位。
IGBT驱动单元包含以下功能(可能作为单独的电路)：
-IGBT的两阶段输出驱动器
-IGBT集电极-发射极电压的电压(去饱和)监视器
-旁路开关状态监视器
-IGBT驱动器监视器
-IGBT导通/关断输入
在短路断开情况下，为了关断IGBT，IGBT驱动单元将在两个步骤中减小IGBT的栅极电压。这个行为避免了IGBT两端危险的过电压和SOA问题，尤其在短路关断时。关断延时大约1μs，栅极的电压电平在这个时间内将大约是正常导通电压的一半。
旁路开关状态监视器功能检测旁路开关SW1是否闭合；这是通过检查IGBT两端电压进行。SW1的状态信息被转发到处理单元，然后在短路情况下可以被用于IGBT的延迟的关断指令。
IGBT驱动器监视器检查驱动器电路的供电电压，这被转发到处理单元。如果这个电压太低，IGBT将处于关断状态，在正常操作中这是故障情况。
IGBT导通/关断输入从处理单元接收导通/关断指令。
在另一个实施例中，交流断路器还包括连接至处理单元的用户界面。例如用户界面包括测试开关和状态指示器。例如用户界面仅是具有一些LED的按钮或拨动开关以标识MCB的状态(上电/导通/关断/故障等)。不需要传统的开关。
此外，交流断路器可以包括连接至处理单元的通信接口，允许远程操作和监视。通信接口被用于将所有可能的数据发送到任何介质(例如总线系统、因特网或EIBA)、有线或无线(RF/IR)。
综上所述，本发明实施例的主要思想是：用包括半导体开关和快速继电器的混合开关代替交流断路器的传统的高电流接触器、电弧室和短路致动器。优点是，这样的混合短路保护能够断开许多短路，而传统的微型断路器(MCB)只能断开少量短路，因此必须被替换。因为不需要短路螺线管电动机、电弧室和双金属片，散热低得多，且因此断路器可以做得较小，或剩余空间可以用于其他功能。通过使用电子短路检测，可以实现更准确地区分真正的短路还是只是高浪涌电流。因为用混合开关代替传统的机械导通/关断开关，容易实现MCB的远程控制。
本申请是“较高端”(高可靠性、更多功能)的工业装置。
包括用于短路断开的混合开关的MCB对于在住宅和工业应用的AC电源分布网络中的完全的半导体开关是第一重要的步骤。该技术非常容易与灵巧/智能技术组合/集成以在智能电网或家庭自动化应用中监控能源、通信状态、电流、电压、能源等。
参考了附图中所示的一些示例性实施例，上面已经描述了本发明实施例。一些装置或元件的修改和替换实施是可能的，并且包括在所附权利要求所限定的保护范围中。

Claims (17)

1.一种交流断路器，包括：
在火线供电接线端子(Lin)和火线负载接线端子(Lout)之间的火线，以及在中性供电接线端子(Nin)和中性负载接线端子(Nout)之间的中性线，所述火线和中性线用于将交流负载连接至市电电源，
包括：
在所述火线上的第一电流隔离开关(SW2)和旁路开关(SW1)，在所述中性线上的第二电流隔离开关(SW3)，
以及并联连接至所述旁路开关(SW1)的半导体开关元件，其中使用处理单元控制所述第一和第二电流隔离开关(SW2,SW3)、所述旁路开关(SW1)和所述半导体开关元件，
其特征在于，
所述半导体开关元件包括整流桥(D1-D4)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的组合，
其中所述整流桥(D1-D4)的交流端子并联连接至所述旁路开关(SW1)，且所述整流桥(D1-D4)的直流端子连接至所述绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的发射极和集电极端子，
以及其中所述处理单元连接至布置在所述火线上的电流测量单元，且被布置为在检测到短路状态的情况下，控制所述旁路开关(SW1)、第一和第二电流隔离开关(SW2,SW3)，以及所述绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的导通状态，
其中所述电流测量单元被布置为测量来自下面组的一个或多个参数：
-负载电流(I(t))的瞬时值；
-负载电流的增加速度(dI/dt)；
-负载电流的RMS值(<I>)；
-负载电流的时间信息(I(t),t1<t<t2)。
2.根据权利要求1所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为确定短路情况，如果：
-电流的增加速度(dI/dt)大于预定的阈值；
-负载电流的瞬时值(I(t))比预定的额定负载电流(In)高十倍；或
-负载电流的瞬时值(I(t))在超过预定的时间段高于预定的电流值，其来自负载电流的时间信息。
3.根据权利要求1或2所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为确定过电流情况，如果：
-负载电流的RMS值在预定的时间量大于预定的电流阈值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的交流断路器，还包括连接至所述火线和中性供电接线端子(Lin,Nin)的供电单元，所述供电单元被布置为提供电力至所述处理单元。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的交流断路器，还包括并联连接至所述旁路开关(SW1)的过电压保护元件(VDR)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的交流断路器，还包括连接至所述绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的所述集电极和发射极端子的缓冲电路(C，R2，D5)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的交流断路器，其中所述电流测量单元包括在火线上的分流电阻(R1)和布置为测量所述分流电阻(R1)两端的电压的短路和过电流检测单元。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的交流断路器，其中所述旁路开关(SW1)以及第一和第二电流隔离开关(SW2，SW3)是机电继电器类型开关，
所述交流断路器还包括继电器驱动单元，所述继电器驱动单元连接至所述处理单元，且连接至所述旁路开关(SW1)、所述第一和第二电流隔离开关(SW2，SW3)的线圈端子。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为接通所述交流断路器，方式为：
控制所述绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为其导通状态，且随后控制所述旁路开关(SW1)为导通状态，以及
其中所述处理单元被布置为断开所述交流断路器，方式为：
控制旁路开关(SW1)为断开状态，且随后控制所述绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为其断开状态。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为在短路情况下断开所述断路器，方式为：
控制所述旁路开关(SW1)为断开状态；
监测所述绝缘栅双极型晶体管两端的电压，且如果电压超过预定的电压电平，控制所述绝缘栅双极型晶体管为其断开状态。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的交流断路器，还包括连接至所述处理单元和所述绝缘栅双极型晶体管的控制输入的IGBT驱动单元，其中所述IGBT驱动单元被布置为在两阶段过程中断开所述绝缘栅双极型晶体管。
12.根据权利要求11所述的交流断路器，其中所述IGBT驱动单元进一步被布置为监视所述IGBT两端的电压。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的交流断路器，还包括连接至所述处理单元的用户界面。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的交流断路器，还包括连接至所述处理单元的通信接口。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的交流断路器，所述处理单元被布置为控制所述断路器，方式为：
在检测到过电流情况下立刻控制所述旁路开关(SW1)为断开状态；
随后在检测到短路情况控制所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)为其断开状态或在检测到非短路情况控制所述旁路开关(SW1)为导通状态。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的交流断路器，其中所述旁路开关(SW1)是双稳态磁闩型继电器。
17.根据权利要求16所述的交流断路器，还包括用于致动所述双稳态磁闩型继电器的导通指令储能电容器和断开指令储能电容器。
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