CN108885952B - 用于传导和切断电流的开关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于传导和切断电流的开关设备，所述开关设备具有：第一机械触点组件(10)；与所述第一机械触点组件并联的半导体开关(20)；与所述第一机械触点组件串联的第二机械触点组件(30)；辅助线圈(40)，所述辅助线圈与用以使所述第一和第二机械触点组件的触点移动的开关驱动器的电路电隔离，且所述辅助线圈这样电磁耦合所述开关驱动器的线圈，使得当所述开关驱动器的电压供应断开时，电压在所述辅助线圈中产生；以及开关电子器件(50)，所述开关电子器件构造用于接通和断开所述半导体开关(20)，并且为所述开关电子器件供应当所述开关驱动器的电压供应断开时在所述辅助线圈中产生的电压。根据本发明，构造所述开关电子器件(50)以根据预先规定的序列在所述第一和第二机械触点组件(10、30)的断开过程期间多次接通和再断开所述半导体开关(20)以中断电流。

Description

用于传导和切断电流的开关设备

技术领域

本发明涉及一种用于传导和切断电流的开关设备，特别是一种用于传导和切断高DC电流和低频AC电流的混合式开关组件，及具有这种开关设备的开关装置。

背景技术

德国公开专利申请DE 10 2013 114 259 A1描述了混合式开关组件的一种有利变型，其中功率半导体的电流负载的时间减至最小以获得最长可能寿命预期和最小可能大小，这尤其对于电流范围是数百安培的功率接触器而言是重要的。为了使流过功率半导体的负载电流的时间减至最小，通过电流变换器获取换向时刻，且仅维持通过半导体的电流直至断开的机械开关路段已经达到足够的电强度。在此短时间中，通过半导体经由其触发而将负载电流人为变为零，使得在消弧触点及在此串联的隔离触点组件两者断开之后实现安全的电隔离。尽管如此，在特定情形下，此混合式开关组件总是会产生不期望的开关电弧。即使在具有用于传导和切断非常高电流的真空开关腔室形式的机械开关装置的混合开关的情况下，例如其从德国公开专利申请DE 10 2013 114 260 A1中已知，在某些情况下它可能导致形成不期望的开关电弧。

发明内容

因此本发明的目的在于建议一种用于传导和切断电流的开关设备，特别是一种用于传导和切断高DC电流和低频AC电流的混合式开关组件，及具有这种开关设备的开关装置，其中形成不期望开关电弧的风险减小，并且由此可以获得功能安全性增高和尽可能高的电气使用寿命。

该目的通过独立权利要求的主题得以实现。本发明的其它设计方案是从属权利要求的主题。

发明人对上文所描述且由德国公开专利申请DE 10 2013 114 259 A1和DE 102013 114 260 A1已知的开关设备中的不期望开关电弧的原因的更详细调查已表明，可通过对断开过程的有利的关于控制技术的修改来减小开关电弧的风险，所述开关设备具有两个串联的机械触点组件和与所述机械触点组件中的一个并联的半导体开关。因此，本发明建议这样构造一种用于接通和断开所述半导体开关的开关电子器件，即所述开关电子器件根据预先规定的序列在所述第一和第二机械触点组件的断开过程期间多次接通和再断开所述半导体开关以切断电流。通过至少两次接通所述半导体开关，不期望的开关电弧可通过将其电流换向至半导体开关而消除，所述电弧例如在半导体开关的第一接通阶段之后通过机械触点组件的触点的再接触而形成。

本发明的一种实施方式现在涉及一种用于传导和切断电流的开关设备，所述开关设备具有第一机械触点组件，与所述第一机械触点组件并联的半导体开关；与所述第一机械触点组件串联的第二机械触点组件，辅助线圈，所述辅助线圈与用以使所述第一和第二机械触点组件的触点移动的开关驱动器的电路电隔离，且所述辅助线圈这样电磁耦合所述开关驱动器的线圈，使得当所述开关驱动器的电压供应断开时，电压在所述辅助线圈中产生，以及开关电子器件，所述开关电子器件构造用于接通和断开所述半导体开关，并且为所述开关电子器件供应当所述开关驱动器的电压供应断开时在所述辅助线圈中产生的电压。根据本发明，构造所述开关电子器件以根据预先规定的序列在所述第一和第二机械触点组件的断开过程期间多次接通和再断开所述半导体开关以中断电流。

特别是，所述预先规定的序列可以具有以下时间上连续的步骤：一旦所述开关电子器件被供应来自所述辅助线圈的电压，则第一次接通所述半导体开关，第一次断开所述半导体开关，在预先规定的断开时间已期满之后，第二次接通所述半导体开关，以及在预先规定的电流传导时间已期满之后，第二次断开所述半导体开关。

也可以设置电流变换器以用于获取通过所述半导体开关的电流且用于产生被馈送给所述开关电子器件的对应信号，且所述第一次断开所述半导体开关的所述步骤可以具有以下步骤：在所述半导体开关的最大触发时间已期满之后，断开所述半导体开关；在自所述电流变换器接收所述信号之后，在另一预先规定的电流传导时间期满之后，断开所述半导体开关。

可以这样设定所述另一预先规定的电流传导时间，即其大约对应于断开所述第一和第二机械触点组件的触点的时间段。

可以这样设定所述预先规定的电流传导时间，即其大约对应于一时间段，直到基于在所述断开过程期间在所述第一和第二机械触点组件的已断开触点之间可能地构成的电弧，电流能够在所述半导体开关上换向。

特别地，可以构造所述开关电子器件以在一时间段之后第二次接通所述半导体开关，所述时间段这样设定，即使得所述第一和第二机械触点组件通过所述断开过程完全断开。

另外，本发明的另一实施方式涉及一种开关装置，所述开关装置具有如本文中所描述的根据本发明的开关设备，以及用于使所述第一和第二机械触点组件的触点移动的开关驱动器。这种开关装置可特别具有特定已修改的磁驱动器，其中根据本发明的开关设备的辅助线圈缠绕所述驱动线圈并且供应电流到触发所述开关装置的混合式开关的开关电子器件。

本发明的另一实施方式涉及一种用于控制用于传导和切断电流的开关设备的半导体开关的方法，所述开关设备包含：第一机械触点组件，与所述第一机械触点组件并联的所述半导体开关，以及与所述第一机械触点组件串联的第二机械触点组件，其中在所述方法中，所述半导体开关根据预先规定的序列在所述第一和第二机械触点组件的断开过程期间多次接通和再断开所述半导体开关以中断电流。

根据所述方法，所述预先规定的序列可具有以下时间上连续的步骤：一旦所述断开过程开始，则第一次接通所述半导体开关，第一次断开所述半导体开关，在预先规定的断开时间已期满之后，第二次接通所述半导体开关，以及在预先规定的电流传导时间已期满之后，第二次断开所述半导体开关。

所述方法可由构造为接通和断开所述半导体开关的开关电子器件来执行。特别地，所述开关电子器件通过处理器和其中储存程序的存储器来实施，所述程序组件所述处理器以执行如本文中所描述的根据本发明的方法。

附图说明

本发明的其它优点和应用可能性将结合附图中示出的实施例由以下描述得出。

在说明书，权利要求书，摘要和附图中，使用在下面给出的附图标记列表中使用的术语和相关的附图标记。

其中：

图1示出开关设备的一种实施例的方块图，所述开关设备具有根据本发明的双触点组件；

图2a至图2c示出在断开双触点组件的触点时的示例性移动过程；且

图3示出根据本发明的开关设备的开关电子器件对半导体开关的控制的流程图。

在以下描述中，相同、功能上相同以及功能上连接的元件可具备相同的附图标记。绝对值在下文中示例性给出且不应解释为限制本发明。

具体实施方式

图1示出用于极性独立的2极开关装置的根据本发明的开关设备的框形图。开关装置用于两个极的连接端子分别用L1、T1和L2、T2来指示。该开关设备关于电路技术很大程度上对应于德国公开专利申请DE 10 2013 114 259 A1中所描述并在本文中在图1中示出的设备。下文所描述的本发明设备与该已知设备的不同之处在于开关电子器件50，所述开关电子器件针对半导体开关20的特别触发控制而构造，如在以下描述中将详细地阐述。开关电子器件50例如可以通过处理器和存储器(特别是微控制器)来实施，其中程序储存在所述存储器中，所述程序组件所述处理器以执行方法步骤，所述方法步骤导致通过该处理器对半导体开关20的特别触发，如下文示例性地阐述。所述程序例如可以是处理器控制的开关装置的固件的一部分。

对于每一极，图1中所示的开关设备具有第一机械(消弧)触点组件10与基于反向串联IGBT组件(功率半导体)的半导体开关20的并联电路，所述反向串联IGBT组件与第二机械触点组件30串联以确保电隔离。机械触点组件10和30可构造为空气开关装置或组件的桥式开关组件。

由开关电子器件50来接通或断开，即导通或阻断半导体开关20。由存储在开关装置的开关或磁驱动器的(磁驱动)线圈中的能量为开关电子器件50供电。为此，设置与开关驱动器的电路电隔离的辅助线圈40，该辅助线圈可以在断开开关驱动器时产生用于供应开关电子器件50的电压。辅助线圈40可例如绕该驱动线圈缠绕。

当接通的情况下，就是说当开关驱动器供应电压和电流至磁驱动线圈且第一和第二机械触点组件10和30的触点闭合时，半导体开关20被阻断，因为在辅助线圈的这种状态下，没有产生用于供应开关电子器件50的电压，且开关电子器件50因此是无电压的并且不能触发半导体开关20的IGBT。

在切断开关驱动器的磁驱动线圈的电压和电流供应以断开第一和第二机械触点组件10和30的触点的时刻，存储在磁驱动线圈中的能量产生空转电压，所述空转电压又在电磁耦合至磁驱动线圈的辅助线圈40中感应电压，该电压激活开关电子器件50。

辅助线圈40中感应的电压一方面足以为开关电子器件50本身供电且另一方面足以累积触发IGBT所需的电压。辅助线圈40具有如下优势，即能够在断开第一和第二机械触点组件10和30的触点之前已经触发半导体开关。

在具有机电磁驱动器的开关设备中，初始化断开过程与断开机械触点之间的时间段通常为数毫秒(ms)，典型地大约10毫秒。在这个时间段期间，IGBT触发电压的阈值(通常在6至7V范围内)被辅助线圈40中所感应的电压超过，使得开关电子器件50能够将其切换到半导体开关20的IGBT，由此IGBT被切换到低阻抗(因此半导体开关20被接通)，并且待切换的负载电流随着第一机械触点组件10的(消弧)触点的断开而立即转换到半导体开关20。

通过IGBT的提前触发，在第一机械触点组件10的断开的消弧触点之间通常不再构成电弧。

第二机械触点组件30的隔离触点不与第一机械触点组件10的消弧触点同时断开，而是隔离触点应相对于消弧触点以限定的时间延迟而断开，这可例如通过两个机械触点组件10和30的对应机械设计方案来实现。

理想地，这两个机械触点组件10和30的延迟断开以大于电流通过半导体开关20的时间的间隔发生，由此可以完全防止开关电弧在触点之间构成。但是在实践中触点的这种时间延迟断开不能实现或需要大量开支才能实现，使得开关电弧在触点间短时间地燃烧直至流经半导体开关的电流消除。

如在发明人的调查中所发现的，在频繁切换DC电流、特别在相同极性下，接触表面的形貌可由于诸如上文所述的空气开关装置中的这个再发电弧负载而主要以这样一种方式逐渐改变，即由于已知明显不同的迁移率以及开关路段中阳离子和阴离子的动能而导致具有连续变化的接触表面的材料的迁移。

当在几百安培的范围内接通DC电流时，在这种触点表面上的高开关数量的情况下增加了大多微小的、通常也称为“Verpappungen”的圆点形焊接点的趋势。在切断过程的情况下然后可能发生的是，首先消弧触点略微断开，同时隔离触点由于焊接仍然闭合。通常在导通的功率半导体上对负载电流进行换向，在那里在短时间后将该负载电流引导为零。在进一步断开开关桥时，隔离触点的焊接然后通常由开关驱动器断开。在这种情况下，其可能在触点压力弹簧的作用下导致开关桥的倾斜移动，这隐含了在仍然很小的接触距离处短期重新接触的风险。开关桥中的这种移动过程示意性地示出在图2a至图2c中(图2a：闭合的DC触点桥，由于材料的已进行的迁移，有一侧焊接；图2b：在有一侧焊接的情况下开始断开触点；图2c：在触点焊接被破坏之后再接触)。在触点断开程序继续进行时可导致电弧形成。因为在紧接在前的消弧过程完成之后，功率半导体不再接通，在所述消弧触点的第二次最后断开时在所描述的再接触之后通常不再完成再次的换向至所述半导体。结果，在消弧触点最终断开的这种情况下，无意中形成永久性DC电弧，这导致开关装置的损坏。

即使在德国公开专利申请DE 10 2013 114 260 A1中的图3中示出的用于传导和切断非常高的电流的真空开关组件的情况下，其中所述真空开关组件具有两个带有相互独立的触点组件的分离的真空腔室，所述触点组件以电子方式实施为串联电路且组合成唯一的构造体，其在某些条件下仍可能出现不期望的电弧，正如发明人的调查所揭示的。

根据这个双触点开关的工作原理，在断开过程中，首先两个触点对中的一个由于可移动电极的断开移动而断开，该可移动电极机械固定地与开关驱动器连接。如在上文所述的桥式开关组件的情况下，在触点断开的时刻，负载电流的换向再次发生在并联的功率半导体上，其中负载电流在短时间内被引导为零。通过优选地以稍微的时间延迟断开的第二触点，随后确保混合开关中的电隔离。这个隔离触点对以如下方式断开，即拉力通过首先断开的可移动电极施加在真空开关管上，由此真空开关管在拉动电极的方向上移动直到其到达机械挡板。通过第二可移动电极固定连接混合式开关的外壳，因此通过真空管的移动导致第二触点对断开；当到达所述挡板时，达到了两个触点之间期待的分离路段。

当消弧触点组件的可移动电极到达其在开关装置中的末端位置时，由于移动开关组件的惯性，反弹常常出现。因为在低压开关装置中，真空开关腔室的触点断开路段通常仅为1至2毫米，所以在不利的情况下，反弹过程可导致消弧触点的短暂再接触。如果功率半导体在这个时刻不再接通，则消弧触点随后的最后断开可能导致永久性真空电弧形成，该永久性真空电弧导致如第一所述情况下的开关装置的毁坏。

为了减小特别是通过再接触(例如，由于开关桥的倾斜移动或由于反弹)的这一非期望的电弧形成的风险，开关电子器件50根据本发明这样构造，即所述开关电子器件在机械触点组件10、30的断开过程期间根据预先规定的序列多次接通和断开半导体开关20。通过至少另一次接通半导体开关20，不期望的电弧，特别是触点断开已发生之后由于再接触造成的电弧，能够通过将其电流换向至接通的半导体开关20的IGBT(IGBT被切换至低阻抗)来消除。

用于接通和断开半导体开关20的预先规定的序列能够以各种方式实施，如下文所述。

基本上，所述开关电子器件可以实施接通和断开的固定预先规定的序列，其中各种接通和断开阶段(或半导体开关20或其IGBT的电流导通和关断时间)可以适应相应开关装置的触点组件的机械参数，并且可以考虑诸如半导体开关20的载流能力的电子参数。

示例性的预先规定的序列可具有以下时间上连续的步骤，所述步骤由开关电子器件50执行以便相应触发半导体开关20(参看图3中所示的通过开关电子器件50对半导体开关20的示例性触发的流程图)。

通过在切断开关驱动器的磁驱动线圈的电压和电流供应以断开第一和第二机械触点组件10和30的触点时在与磁驱动线圈电磁耦合的辅助线圈40中所感应的电压激活开关电子器件50并且构建为触发IGBT所需的电压，从而半导体开关20的IGBT切换到低阻抗(半导体开关20因此导通＝半导体开关的第一次导通，步骤S10)，这导致待切换的负载电流随着第一机械触点组件10的(消弧)触点的断开而换向到半导体开关20。

随后，通过将触发IGBT所需的电压减小至使得半导体开关20的IGBT切换至高阻抗，即阻断相当大的电流，开关电子器件50再次切断半导体开关20(步骤S18)。通常，这种切断在对应于IGBT的电流负载能力(半导体开关20的最大触发时间)(步骤S12)和/或使触点完全断开所需时间的时间段之后发生。

在预先规定的切断时间已过去(步骤S20)之后，通过将触发IGBT所需的电压增大至半导体开关20的IGBT再次切换到低阻抗，开关电子器件50再次接通半导体开关20(步骤S22)。由此通过触点之间的电弧可流动的电流可换向到半导体开关20的IGBT，以使得电弧熄灭。

在预先规定的电流传导时间(步骤S24)之后，通过再次将触发IGBT所需的电压减小到半导体开关20的IGBT切换到高阻抗且阻断电流，开关电子器件50再次断开半导体开关20(步骤S26)。此时，半导体开关20能够保持永久地断开，直至触点再次被致动。然而，原则上，其它接通和断开过程可由开关电子器件50根据开关设备、特别是其机械触点设备的要求和电弧形成的危险而初始化。

鉴于IGBT的最长可能电气使用寿命及其适当大的尺寸，有利的是以一种方式限制通过半导体开关20的电流的持续时间，即电流仅流经半导体开关，直至机械开关路段到达足够的再稳固(Wiederverfestigung)。为了使半导体开关20中的电流流动时间减至最小，对换向时间点的准确了解很重要，这是因为每一个开关设备针对机械断开过程的有效时间可由于不同原因而改变。

换向到半导体开关20的已导通IGBT的时间点可通过位于那里的电流变换器60获取。一旦电流开始流过半导体开关20的IGBT，即电流自第一机械触点组件10换向到半导体开关20(步骤S14)，则电流变换器60产生信号。由电流变换器60产生并且将换向信号化的信号被输送到开关电子器件50，所述开关电子器件取决于此能够触发半导体开关20，如下所述。

紧接在换向发生之后，开关电子器件50能够以一种方式触发半导体开关20，即半导体开关20的IGBT在通过控制电子器件限定或预先规定的短电流流动时间或电流传导时间(步骤S16)之后恢复阻断(步骤S18)，从而半导体开关20中的换向后负载电流在限定时间段内变为零。电流流动时间在这种情况下可通过开关电子器件50这样设定，即在短持续时间开关电弧在隔离触点处出现时在其熄灭之后有足够时间用于开关路段的再稳固。这主要在针对高电流的空气开关路段的情况下是重要的。在真空开关腔室用于机械隔离时，获得相对较短的再稳固的时间，这有利于最小化IGBT中的电流流动时间。

通过使半导体开关20配备具有反向串联IGBT，使得能够将这种开关组件用于具有任何电流流动方向的DC电流和频率不同的AC电压两者，其中由于触发模块的独立电力供应，开关时间点不取决于相位角。

在半导体开关20中的切断过程期间，高电流产生高dI/dt值，由此可出现明显高于1kV的电压尖峰。为了保护免于这种电压尖峰，有利的是为半导体开关20前接或并联例如变阻器70形式的保护组件。

当达到零电流状态时，半导体开关20变为稳定地阻断。同时，可靠电隔离通过期间断开的分离触点30在混合式开关中产生。

如果通过合适的机械耦接或通过电子构件，安排第一机械触点组件20的消弧触点先于第二机械触点组件30的分离触点一时间量，半导体开关20在所述时间量中导通，则两个机械触点组件10和30有可能基本上完全不含电弧，这对于开关设备，特别是混合式开关的寿命预期相应有利。

本发明特别适合用于针对用直流电和/或低频电流操作而构造的保护器、功率开关和电机保护开关中。其可以切换高直流电和低频电流并具有相对较高的电气寿命，因为可以避免长的电弧燃烧持续时间以及半导体开关的长电流负载。此外，这些特性允许实现用于高电流的相对紧凑的开关装置。

附图标记

10 第一机械触点组件

20 半导体开关

30 第二机械触点组件

40 电隔离的辅助线圈

50 开关电子器件

60 电流变换器

70 变阻器

Claims (8)

1.一种用于传导和切断电流的开关设备，所述开关设备具有

-第一机械触点组件(10)；

-与所述第一机械触点组件并联的、基于反向串联的IGBT组件的半导体开关(20)；

-与所述第一机械触点组件串联的第二机械触点组件(30)；

-辅助线圈(40)，所述辅助线圈与用以使所述第一和第二机械触点组件的触点移动的开关驱动器的电路电隔离，且所述辅助线圈这样电磁耦合所述开关驱动器的线圈，使得当所述开关驱动器的电压供应断开时，电压在所述辅助线圈中产生；以及

-开关电子器件(50)，所述开关电子器件构造用于接通和断开所述半导体开关(20)，并且为所述开关电子器件供应当所述开关驱动器的电压供应断开时在所述辅助线圈中产生的电压，

其特征在于，

构造所述开关电子器件(50)以根据预先规定的序列在所述第一和第二机械触点组件(10、30)的断开过程期间多次接通和再断开所述半导体开关(20)以中断电流，

其中所述预先规定的序列具有以下时间上连续的步骤：

-一旦所述开关电子器件被供应来自所述辅助线圈的电压，则第一次接通所述半导体开关，

-第一次断开所述半导体开关，

-在预先规定的断开时间已期满之后，第二次接通所述半导体开关，以及

-在预先规定的电流传导时间已期满之后，第二次断开所述半导体开关。

2.根据权利要求1所述的开关设备，

其特征在于，

设置电流变换器(60)以用于获取通过所述半导体开关的电流且用于产生被馈送给所述开关电子器件的对应信号，以及

所述第一次断开所述半导体开关的所述步骤具有以下步骤：

-在所述半导体开关的最大触发时间已期满之后，断开所述半导体开关；

-在自所述电流变换器接收所述信号之后，在另一预先规定的电流传导时间期满之后，断开所述半导体开关。

3.根据权利要求2所述的开关设备，

其特征在于，

这样设定所述另一预先规定的电流传导时间，即其大约对应于断开所述第一和第二机械触点组件的触点的时间段。

4.根据权利要求1、2或3所述的开关设备，

其特征在于，

这样设定所述预先规定的电流传导时间，即其大约对应于一时间段，直到基于在所述断开过程期间在所述第一和第二机械触点组件的已断开触点之间可能地构成的电弧，电流能够在所述半导体开关上换向。

5.根据权利要求1所述的开关设备，

其特征在于，

构造所述开关电子器件以在一时间段之后第二次接通所述半导体开关，所述时间段这样设定，即使得所述第一和第二机械触点组件通过所述断开过程完全断开。

6.一种开关装置，所述开关装置具有

-根据前述权利要求中任一项所述的开关设备，以及

-用于使所述第一和第二机械触点组件的触点移动的开关驱动器。

7.一种用于控制用于传导和切断电流的开关设备的半导体开关(20)的方法，所述开关设备包含：第一机械触点组件(10)；与所述第一机械触点组件并联的、基于反向串联的IGBT组件的所述半导体开关(20)；以及与所述第一机械触点组件串联的第二机械触点组件(30)，其中在所述方法中，所述半导体开关(20)根据预先规定的序列在所述第一和第二机械触点组件(10、30)的断开过程期间多次接通和再断开所述半导体开关(20)以中断电流，

其中所述预先规定的序列具有以下时间上连续的步骤：

-一旦所述断开过程开始，则第一次接通所述半导体开关，

-第一次断开所述半导体开关，

-在预先规定的断开时间已期满之后，第二次接通所述半导体开关，以及

-在预先规定的电流传导时间已期满之后，第二次断开所述半导体开关。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法由构成为接通和断开所述半导体开关(20)的开关电子器件(50)来执行，其中所述开关电子器件(50)通过处理器和其中储存程序的存储器来实施。

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