CN105830344B - 用于导通和切断电流的开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于导通和切断电流的开关装置，包括：第一机械接触组件(10)；与该第一机械接触组件并联的半导体开关(20)；与该第一机械接触组件串联的第二机械接触组件(30)；辅助线圈(40),其与开关驱动器的电路电流隔离并且电磁耦合至该开关驱动器的线圈以使得在该开关驱动器的供电被切断时在辅助线圈中产生电压，其中该开关驱动器用于移动第一和第二机械接触组件的触头；以及开关电路(50)，该开关电路被设计为开启和关闭该半导体开关(20)并且在该开关驱动器的供电被切断时被提供在该辅助线圈中所产生的电压。

Description

用于导通和切断电流的开关装置
技术领域
本发明涉及用于导通和切断电流的开关装置以及包含这类开关装置的开关设备。
背景技术
用于在开关设备中开关和淬灭较高的电流的既定的开关原理通常包括双断接触组件，该双断接触组件引导在其中出现的开关电弧越过去离子室形式的一系列电弧分隔板中的电弧运行轨道。在这些室中，电弧被冷却并分裂成多个子电弧，并且这与相应的电弧电压增加有联系。当达到驱动电压时，电弧被淬灭且因而电路被切断。当开关高的交流电流时，电弧的淬灭通常由动磁吹熄场辅助，该动磁吹熄场通过将导体适当地构形而在开关设备中形成。为了淬灭直流电流，通常使用磁吹熄场，然而，该磁吹熄场通常是通过布置永磁体产生的。
不像一直在市场上的既定的交流电流开关设备，用于切断直流电流和例如16 2/3Hz的低频电流的较大的开关设备具有更大的负载，这是由于其电流过零点的周期性较弱或缺乏周期性。其中出现的更长的电弧时间确定了与交流开关设备相比更高的开关电弧的能量含量。这既导致接触材料更剧烈地消耗又导致开关室内相应的高的热负荷。这种类型的热负荷可能降低开关室内的绝缘能力。其结果是，这可能减少开关设备的电使用寿命。
所谓的混合开关提供了用于减少由开关电弧造成的开关设备上的负荷的一个选择。已知的混合开关，例如那些在DE10315982A1中描述的，包括机电可驱动的主开关接触组件的并联电路，该主开关接触组件包含半导体开关，例如基于重负荷的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。当接通时，所述IGBT是高电阻的，因此负载电流仅经由闭合的机械触头流动。在开关断开的过程中，半导体开关被驱动使得它在一个短的时间段内是低电阻的，并且因此流经机械开关的电弧电流在短的时间段内被转换到半导体开关，并且之后，所述半导体开关以电流阻断的方式被再次驱动，其结果是该半导体所引导的电流迅速地减少到零而没有任何电弧。使用这种类型的混合组件，有效电弧时间可以被显著地减少，并且因此开关上的负荷也可以被显著地减少。
为了供电和驱动半导体电子系统，大多数混合开关需要外部电源。这个缺点被DE202009004198U1中描述的发明所避免。这被实施使得运行电子系统所需的电能从断开机械开关时所出现的电弧中提取。同时，蓄电单元(优选电容的形式)通过电弧电流充电，然后为无电弧地切断该功率半导体提供控制电压。因此这种类型的混合开关中的开关过程总是涉及在机械触头之间暂时形成的开关电弧。然而，这种配置的缺点一方面是因触头烧掉造成的如前述的在开关设备上的负荷(尽管由于显著缩短的电弧时间，该负荷相对地减少了)，另一方面是功率半导体上的相对长时间的电流负载(特别是对于较高的电流)，直至可靠的电压增强已实现。
在US2005/0195550A1中描述的电路中，存储在电磁驱动器线圈中的电能被用于驱动半导体开关。为了断开开关设备的触头，到驱动器线圈的供电被切断。在这样做时，线圈通过耦合至变压器初级侧的齐纳(Zener)二极管释放所存储的能量。流过初级侧的电能在变压器的次级侧上产生相应的电压，该电压驱动通过限流电阻且途经与次级侧并联的齐纳二极管的电流，该电流接通与开关设备的触头并联并接收负载电流的半导体开关。这样做时，半导体开关的接通比开关设备的机械触头的打开更快，并且因此在半导体开关的机械触头断开的时刻，负载电流可已经转换。其结果是，原则上可阻止开关电弧在机械触头之间出现。
具有权利要求1的前序部分的特征的用于导通和切断电流的开关装置从EP2410551A2知晓。
US3639808描述了一种用于继电器的触头保护电路，其中线圈由直流电压供电并且触头开关交流电压。一个可控硅与触头并联，并且可以通过一个磁耦合到继电器线圈的线圈来控制。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种用于导通和切断电流的开关装置以及一种包含这类开关装置的开关设备，其对从US2005/0195550A1知晓的电路进行了进一步的改进。
此问题是通过独立权利要求的主题解决的。本发明进一步的实施例在从属权利要求中得到。
本发明的基本概念涉及：使用两个串联的机械接触组件和与其中一个机械接触组件并联的半导体开关，以便在很大程度上防止切断电流时电弧的出现，以及确保依靠串联的第二机电接触组件的可靠的电流隔离，该可靠的电流隔离原则上不具有基于半导体的接触组件。
本发明的一个实施例涉及用于导通和切断电流的开关装置，包括第一机械接触组件；与该第一机械接触组件并联的半导体开关；与该第一机械接触组件串联的第二机械接触组件；辅助线圈，其与接触模块的电路电流隔离并且电磁耦合至该接触模块的线圈使得在该接触模块的供电被关闭时在其中产生一个电压，其中该接触模块用于移动第一和第二机械接触组件的触头；以及电子开关系统，该电子开关系统被设计来开启和关闭该半导体开关并且被提供在该接触模块的供电被关闭时在该辅助线圈中产生的电压。由于与该第一机械接触组件并联的半导体开关，可以减小切换期间出现的电弧的持续时间。进一步地，通过依靠该辅助线圈电流隔离该电子开关系统的电源，如果该辅助线圈被相应地设计，高的电流强度可被实现，其结果是该电子开关系统特别好地抵抗过高的电压。
辅助线圈可以缠绕在接触模块的线圈周围。其结果是，可以实现对接触模块的线圈的特别有效的电磁耦合，这意味着可以获得对电子开关系统的可靠的供电。
电子开关系统可以被设计为一旦它被提供来自于该辅助线圈的电压就开启该半导体开关。因为机械式地断开第一机械接触组件的开关触头通常比依靠辅助线圈提供供电至电子开关系统花费更长的时间，该半导体开关可能在所述开关触头断开前已经开启，因此可以从第一机械接触组件向半导体开关很大程度地转换要被切换的电流，而无任何电弧出现。
进一步地，可能提供电流互感器，用于探测通过该半导体开关的电流的流动以及产生被传送到该电子开关系统的相应的信号，该电子开关系统被设计为根据所传送的该信号关闭该半导体开关。这使得将该半导体开关的控制适应于要切换电流中的仪器特定的波动成为可能，特别是当所述开关关闭时。特别地，关闭该半导体开关可以更好地适应实际的电流流动。
例如，该电子开关系统可被设计为一旦已经接收到来自于电流互感器的信号并且在预定的电流流动时间已经过去之后就关闭半导体开关。因此，一旦电流互感器指示电流正在流过开启的该半导体开关，则这个电流流动的时间长度可以由该电子开关系统限制，以使得该半导体开关不负荷该电流的流动太久。预定的电流流动时间可以被计算为使得在断开的该第二机械接触组件的触点之间出现的开关电弧被淬灭之后，有足够的时间对该第一和第二机械接触组件的串联连接中的裂隙进行再固化。
第一和第二机械接触组件也可被设计为以时间延迟的方式由接触模块断开，使得仅在该第一机械接触组件已断开后经过限定的时间长度后，该第二机械接触组件断开。因为触头以延迟的方式断开，如果已经由该半导体开关在所限定的时间长度内将电流带到零点，则可以在第二机械接触组件的触点断开时几乎完全地防止电弧出现。
本发明的另一个实施例还涉及开关设备，其包括根据本发明的和如本文所描述的开关装置，以及用于移动该第一和第二机械接触组件的触头的接触模块。这种类型的开关设备可尤其具有一个专门改造的磁驱动器，其中根据本发明的开关装置的辅助线圈缠绕在该驱动器的线圈周围并供电给驱动该开关设备的混合开关的电子开关系统。
附图说明
在结合附图所示实施例的以下描述中，可找到本发明其它的优点和可能的用途。
在说明书末尾的附图标记列表中使用的术语和相关联的附图标记在说明书、权利要求书、摘要和附图中被使用。
在附图中：
图1是包括根据本发明的双接触组件的开关装置的一个实施例的电路框图；以及
图2示出了根据本发明的开关设备的磁驱动器的一个实施例。
具体实施方式
在下面的描述中，相似的、功能相似的和功能相关的元件可被提供相同的附图标记。绝对值仅以示例的方式在下面陈述而不应被理解为具有对本发明的限制作用。
图1是用于双端子、极性独立的开关设备的根据本发明的开关装置的电路框图。用于两个端子的开关设备的连接分别被标示为L1、T1和L2、T2。
对于每个端子，开关装置包括第一机械(淬灭)接触组件10与基于反串联IGBT组件的半导体开关20的并联连接，该并联连接与用于确保电流隔离的第二机械接触组件30串联连接。
半导体开关20被电子开关系统50开启或关闭，即激活或断开。该电子开关系统50被接触模块的线圈(磁驱动器)或开关设备的磁驱动器中存储的电能供电。为了这个目的，提供了与接触模块的电路电流隔离的辅助线圈40，并且(如在下面详细描述)在接触模块被关闭时该辅助线圈40可以产生电压以为电子开关系统50供电。
该辅助线圈40可例如缠绕在驱动线圈周围。图2示出以这种方式改造的用于双端子或多端子开关(示出的驱动器本身不限于一定数量的端子)的磁驱动器。在该图中，驱动线圈为两个串联的半线圈45a、45b的形式，其中每一个半线圈都包括U形磁芯46的一条腿。单独的辅助线圈40在这些半线圈中的每一个周围缠绕并与各自的驱动线圈电流隔离。在这个例子中，要么辅助线圈40在每种情况下供电给一个端子的半导体开关20，要么两个辅助线圈40以冗余方式供电给两个端子的电子开关系统50。
当接通时，即当接触模块向磁驱动线圈供给电压和电流并且第一和第二机械接触组件10和30的触头闭合时，半导体开关20被断开，这是因为在这种状态下辅助线圈40不产生用于向电子开关系统50供电的电压，并且电子开关系统50因此没有电压且半导体开关20的IGBT不能被激活。
在向接触模块的磁驱动线圈供应的用于断开第一和第二机械接触组件10和30的触点的电压和电流被切断的时刻，存储在磁驱动器线圈中的电能产生一个飞轮电压(freewheel voltage)，其继而又感生出激活辅助线圈40中的电子开关系统50的电压，其中辅助线圈40电磁耦合到磁驱动器线圈。
在辅助线圈40中感生的电压足以既向电子开关系统50供电又积聚驱动IGBT所需的电压。辅助线圈40的优点在于，在第一和第二机械接触组件10和30的触头被断开之前，半导体开关可以已经被驱动。
在包括机电磁驱动器的开关设备中，在开始关闭过程与断开机械触头之间的时间段一般是几毫秒(ms)，代表性地为约10ms。在此期间，IGBT的阈值电压(代表性地在7Ⅴ的区域)通常已经被在辅助线圈40中感生的电压超过，并且因此电子开关系统50可施加所述电压到半导体开关20的IGBT上，其结果是IGBT以低电阻的方式(半导体开关20因此被开启)连接，并且随着第一机械接触组件10的(淬灭)触头断开，将要切换的负载电流被立即转换到半导体开关20。
通过事先驱动IGBT，因而在机械接触组件10的断开的淬灭触头之间不再出现电弧。在半导体开关20的IGBT的低电阻阶段期间，即只要该电子开关系统50正在由辅助线圈40供给足够的工作电压，可能仅在短时间段内在第二机械接触组件30的断开的(隔离)触头之间出现电弧；这个也可以被防止，如果第二机械接触组件30的隔离触头不与第一机械接触组件10的淬灭触头同时断开，而是该隔离触头相比淬灭触头在限定的时间延迟之后断开，这可以例如由两个机械接触组件10和30的相应的机械设计来实现。
按照IGBT的可能的最高电使用寿命以及按照它们可接受的大尺寸，在时间方面限制通过半导体开关20的电流流动使得该电流仅在这里流动直至机械裂隙(break gap)已经充分地再固化是合适的。为了最大限度地减少通过半导体开关20的电流流动时间，具有关于转换的时间点的精确认识是重要的，因为用于机械关断过程的有效时间因每个开关设备的各种原因而波动。
根据本发明，对于转换到已经被激活的半导体开关20的IGBT的时间点，可以由在其中定位的电流互感器60来确定。一旦电流开始流过半导体开关20的IGBT，电流流动因而从第一机械接触组件10转换到半导体开关20，电流互感器60就产生信号。由电流互感器60产生的并指示转换的信号被传送到电子开关系统50，然后电子开关系统50可以依据所述信号驱动半导体开关20，如下面所描述的。
在转换已发生之后，电子开关系统50可立即驱动半导体开关20，使得半导体开关20的IGBT在短暂的电流流动时间之后恢复它们的闭锁功能，该短暂的电流流动时间由电子驱动系统定义或预定义，并且因此半导体开关20中的转换负载电流在定义的时间长度内达到零。在这个例子中，电流流动时间由电子开关系统50计算，使得当暂时的开关电弧出现在隔离触头时，在该电弧淬灭后有充足的用于裂隙再固化的时间。这对空气裂隙中的高电流尤为重要。如果真空开关室被用于机械隔离，可以获得较短的再固化时间，并且这对最小化IGBT中的电流流动时间是有利的。
通过用反向串联IGBT装配半导体开关20，这种类型的开关组件既可以被用于具有任何电流流动方向的直流电流也可以被用于具有不同频率的交流电压，由于驱动模块被单独供电，因此开关时间不依赖于相位角。
在半导体开关20中的关闭过程期间，对于高电流呈现出高dI/dt值，其结果是可能出现显著大于1千伏的电压尖峰。为了防范这样的电压尖峰，连接保护元件(例如变阻器70的形式)是合适的，该保护元件可以在半导体开关20的上游连接或者与半导体开关20并联。
当达到零电流状态时，半导体开关20永久地承担阻塞功能。通过在此期间已经断开的隔离触头30，同时在混合开关中产生可靠的电流隔离。
如果依靠适当的机械或电子耦合确保第一机械接触组件20的淬灭触头领先于第二机械接触组件30的隔离触头一个时间量，在该时间量中半导体开关20导通，这可以实现两个机械接触组件10和30几乎完全没有任何电弧地开关，而这对于该开关装置(特别是混合开关)的预期使用寿命是有利的。
本发明特别适合于在接触器、电源开关和电机保护开关中使用，该接触器、电源开关和电机保护开关被特别设计用于工作在直流电流和/或低频率电流。本发明使得有可能在具有相对长的电使用寿命的同时对高直流电流和低频电流进行开关，因为可以防止长电弧时间以及半导体开关上的长时间的电流负载。而且，这些特性使得有可能生产出相对紧凑的用于高电流的开关设备。
附图标记列表：
10 第一机械接触组件
20 半导体开关
30 第二机械接触组件
40 电流绝缘的辅助线圈
45a 第一半线圈
45b 第二半线圈
46 U形磁芯
50 电子开关系统
60 电流互感器
70 变阻器

Claims (7)

1.用于导通和切断电流的开关装置，包括：
第一机械接触组件(10)；
与该第一机械接触组件并联的半导体开关(20)；
与该第一机械接触组件串联的第二机械接触组件(30)；以及
被设计为开启和关闭该半导体开关(20)的电子开关系统(50)；
其特征在于：
提供了辅助线圈(40)，其与接触模块的电路电流隔离并且电磁耦合至该接触模块的线圈使得在该接触模块的供电被关闭时在其中产生电压，其中该接触模块用于移动第一和第二机械接触组件的触头；
该电子开关系统(50)被提供在该接触模块的供电被关闭时在该辅助线圈中产生的电压；以及
提供了电流互感器(60)，用于探测通过该半导体开关的电流的流动以及产生被传送到该电子开关系统的相应的信号，该电子开关系统被设计为根据所传送的该信号关闭该半导体开关。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于，该辅助线圈缠绕在该接触模块的线圈周围。
3.根据权利要求1或2所述的开关装置，其特征在于，该电子开关系统被设计为一旦它被提供来自于该辅助线圈的电压就开启该半导体开关。
4.根据权利要求1或2所述的开关装置，其特征在于，该电子开关系统被设计为一旦已经接收到来自于所述电流互感器的信号并且在预定的电流流动时间已经过去之后就关闭该半导体开关，也就是说，一旦该电流互感器指示电流正在流过开启的该半导体开关，则这个电流流动的时间长度能够由该电子开关系统限制，以使得该半导体开关不负荷该电流的流动太久。
5.根据权利要求4所述的开关装置，其特征在于，该预定的电流流动时间被计算为使得在断开的该第二机械接触组件的触点之间出现的开关电弧被淬灭之后，有足够的时间对该第一和第二机械接触组件的串联连接中的裂隙进行再固化。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的开关装置，其特征在于，第一和第二机械接触组件被设计为以时间延迟的方式由接触模块断开，使得仅在该第一机械接触组件已断开之后经过限定的时间长度后，该第二机械接触组件断开。
7.开关设备，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的开关装置，以及
用于移动该第一和第二机械接触组件的触头的接触模块。
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