CN109716473A

CN109716473A - 断路器

Info

Publication number: CN109716473A
Application number: CN201780055243.7A
Authority: CN
Inventors: K·阿斯坎
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Industries Austria GmbH; Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2037-09-08
Also published as: WO2018046708A1; EP3510618A1; US11367578B2; CN109716473B; US20190206638A1; DE102016117005A1; ZA201901460B; EP3510618B1

Abstract

在具有外部导体部分(2)和中间导体部分(5)的断路器(1)中，其中，机械旁路开关(8)设置在外部导体部分(2)中，其中，断路器(1)的半导体电路布置(11)与旁路开关(8)并联连接，所述半导体电路布置为四象限开关的形式，其中，电流测量布置(12)设置在外部导体部分(2)中，并且连接至断路器(1)的电子控制单元(13)，其中，电子控制单元(13)被设计成以预先指定的方式操作旁路开关(8)和半导体电路布置(11)，并且其中，电压依赖型电阻器(19)，特别是压敏电阻器，与旁路开关(8)并联设置，提出了半导体电路布置(11)优选只具有两个分立半导体元件。

Description

断路器

技术领域

本发明涉及根据专利权利要求1的前序部分的断路器。

背景技术

从转让给申请人的WO 2015/028634 A1的技术中了解到有一种相应的断路器。这种所谓的混合断路器包括一种半导体电路布置，该半导体电路布置包括Graetz(格雷茨)配置的整流器以及一个、两个或更多个IGBT。此外，各自的电路包括缓冲器。在这种配置中，缺点是所需元件的数目较大，除了元件的纯粹费用之外，这将导致高功耗。高功耗将导致断路器的高本征加热，并导致降低半导体元件的寿命。

由于众多元件串联连接，半导体电路布置还具有高回路电感，由此在关断断路器时，电流换向到半导体电路布置上所需的时间增长。因此，由于长时间存在的开关电弧，旁路开关的开关触头承载很重的负载。

而且，大量的双极元件将导致开关操作期间的高暂态过程。

因此，本发明的目的是提出一种上面所提到类型的断路器，利用这种断路器，提到的缺点可以被避免，该断路器具有较少数量的元件和更长的寿命，且能够以低成本制造。

发明内容

根据本发明，这是通过专利权利要求1的特征实现的。

因此，可以获得一种断路器，其包括少量的元件，且能够实现简单的制造。因此，制造混合断路器的元件的成本可以被大大地降低。因此，进一步讲，制造的质量可得以提高，且故障率可得以降低。

因此，断路器内部的功耗可以被显著降低，由此降低本征加热，且断路器的寿命可得以提高。

因此，回路电阻以及回路电感可以降低，由此在关断时，电流从旁路开关换向到半导体电路布置所需的时间可以缩短，由此，旁路开关和半导体电路布置所承载的负载可以降低，因此断路器的寿命可得以提高。通过相当大地减少第一半导体电路布置的元件的数目，特别地，可以显著降低电感。

因此，开关操作期间的暂态可以被抑制。

从属权利要求涉及本发明的另外有利的实施例。

这里对专利权利要求的措辞进行了明确的引用，由此权利要求通过引用被并入说明书中，并认为是文字再现。

附图说明

参照附图更详细地描述本发明，其中，只有优选实施例被示范性呈现。附图包括：

图1—根据现有技术的断路器的实施例；

图2—本发明的断路器的第一实施例；

图3—本发明的断路器的第二实施例；

图4—本发明的断路器的第三实施例；以及

图5—图1的断路器的优选实施例的时间相关的开关序列。

具体实施方式

图2到图4示出了断路器1的优选实施例，断路器1具有从断路器1的外部导体供电端子3到断路器1的外部导体负载端子4的外部导体部分2以及从断路器1的中间导体端子6到断路器1的中间导体负载端子7的中间导体部分5，其中，机械旁路开关8设置在外部导体部分2中，其中，断路器1的半导体电路布置11与旁路开关8并联连接，半导体电路布置为四象限开关的形式，其中，电流测量布置12设置在外部导体部分2中，并且连接至断路器1的电子控制单元13，其中，电子控制单元13被设计成以预先指定的方式操作旁路开关8和半导体电路布置11，并且其中，电压依赖型电阻器19，特别是压敏电阻器，与旁路开关8并联设置，其中，半导体电路布置11优选地只包括两个分立半导体元件。

因此，可以获得包括少量元件且能够实现简单制造的断路器1。因此，制造混合断路器1的元件的成本可以被大大地降低。因此，进一步讲，制造的质量可得以提高，且故障率可得以降低。

因此，断路器1内部的功耗可以被明显降低，由此降低本征加热，且断路器1的寿命可得以提高。

因此，回路电阻以及回路电感可以降低，由此在关断时，电流从旁路开关换向到半导体电路布置11所需的时间可以缩短，由此，旁路开关和半导体电路布置11的负载可以降低，因此断路器1的寿命可得以提高。通过相当大地减少第一半导体电路布置11的元件的数目，特别地，可以显著降低电感。

因此，开关操作期间的暂态可以被抑制。

除了半导体电路布置11的设计之外，图2到图4的断路器1可以与图1的断路器1对应。

图1的断路器1包括至少一个外部导体部分2和一个中间导体部分5。外部导体部分2通过断路器1从外部导体供电端子3延伸到外部导体负载端子4。中间导体部分5通过断路器1从中间导体端子6延伸到中间导体负载端子7。各自的端子3、4、6、7优选是螺丝端子或插入式端子，且可从断路器1的外部接近。

本发明的断路器1优选是低压断路器。低压通常是指高达1,000伏的AC电压或者1,500伏的DC电压。

断路器1优选包括绝缘材料制成的外壳。

机械旁路开关8设置在外部导体部分2中。另外，以优选方式并且如图所示，第一机械隔离开关9设置在外部导体部分2中，特别地与旁路开关8串联。优选地，第二机械隔离开关10设置在中间导体部分5中。半导体电路布置11与旁路开关8并联连接。

此外，电压依赖型电阻器19与旁路开关8并联连接，电压依赖型电阻器19特别地被设计成金属氧化物压敏电阻器的形式。

断路器1还包括电流测量布置12，电流测量布置12设置在外部导体部分2中，且优选地包括分流电阻器。电流测量布置12在图2到图4中没有示出。

电流测量布置12连接至断路器1的电子控制单元13，电子控制单元13优选包括微控制器或微处理器。电子控制单元13被设计成控制旁路开关8和半导体电路布置11，并优选地控制第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10，以便以预先指定的方式操作或切换这些开关。为此目的，电子控制单元13优选地通过电路连接至第一半导体电路布置11，且还特别连接至机械开关的电磁致动元件，因此连接至旁路开关8、第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10的电磁致动元件。从电子控制单元13延伸的相应连接在图1到图4中没有示出。

半导体电路布置11根据图1中所示的现有技术包括：整流器电路20，其优选布置成全桥形式；以及作为实际的开关或控制元件的两个IGBT 21。

在图1中，除了断路器1之外，还示出了其电环境。电力干线由AC/DC干线电压源16、电力干线内部电阻17和电力干线电感18图示。此外，示出了短路形式的电负载23和电故障22。

在图1的断路器1中提供的是执行旁路开关8和第一半导体电路布置11的关断操作，第一隔离开关9和第二隔离开关10只用于确保在关断之后负载电路的电流隔离。

对于断路器1的预先确定的特别是手动控制的接通或关断操作，特别是断路器1在额定电流范围内操作期间，提供了旁路开关8在电流穿过零时被关断或打开。如果负载是电抗性的即电感性的或电容性的，则在电流过零且因此在关断时电压将不会是零。已知电压的值取决于相应的提供了在旁路开关8打开以及IGBT 21后续阻断之后，只要通过断路器1的电流足够小，因此，对于特别在过零区域中的AC电流，只要电流下降到预先指定的极限之下，就打开第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10。因此，即使对于强电抗性负载，由压敏电阻器的泄漏电流引起的加热也可保持在低水平。

提供了半导体电路布置11包括两个分立半导体元件或功率半导体元件。特别提供了半导体电路布置11只包括或正好包括两个分立半导体元件或功率半导体元件。这理解成使得取决于功率需求，两个或更多个分立半导体元件或功率半导体元件可以并联连接。

根据图2和图3的优选实施例，提供了两个分立半导体元件各自以反向导通IGBT25的形式配置。反向导通IGBT 25包括集成反向二极管。

两个分立半导体元件彼此反串联设置，并与旁路开关8并联设置。根据图2，以反向导通IGBT 25的形式配置的两个分立半导体元件设置成在共发射极电路中反串联。根据图3，以反向导通IGBT 25的形式配置的两个分立半导体元件设置成在共集电极电路中反串联。

根据图4的优选实施例，提供了两个分立半导体元件各自以反向阻断IGBT 26的形式配置。反向阻断IGBT 26能够承受高的反向电流。而且，当元件关断时，它们能够阻断两个方向的电流。

根据图4，以反向阻断IGBT 26的形式配置的两个分立半导体元件彼此反并联设置并与旁路开关8并联设置。

根据本发明的优选改进方案，提供了在接通断路器1时，电子控制单元13被设计成首先操作第二机械隔离开关10以使其闭合，然后操作第一机械隔离开关9以使其闭合，并且在预先指定的第一时间之后，接通半导体电路布置11。

因此，可以获得具有小尺寸和长寿命且能够以低成本制造的断路器1。

因此，明显降低作用在电压依赖型电阻器19上的电压峰值的幅值。因此，可以使用具有较低额定电压的电压依赖型电阻器19或压敏电阻器。与较高耐压压敏电阻器相比，这种元件具有较低的泄漏电流，这在操作中将导致断路器1的较低加热，由此可以延长此元件以及在其环境中的其它半导体器件的寿命。

因此，进一步讲，对于功率半导体开关而言，可以使用具有较低集电极-发射极截止电压的那些开关。此外，因此可以使用具有较低周期性峰值截止电压的二极管。与可承载较高负载的元件相比，这些元件具有明显更小的尺寸，且费用更低。因此，断路器1的成本以及尺寸可以被降低，同时降低本征加热，因此提高寿命。替代性地，用不变的尺寸，可以大大地提高断路器1的电力负载容量。

具有较低集电极-发射极截止电压或周期性峰值截止电压的功率半导体器件还具有较低的内部电阻，由此在关断短路电流的情况下，将建立的短路电流从旁路支路变换到第一半导体电路布置11所需的时间可以降低。因此，还可以降低旁路开关8以及第一半导体电路布置11的负载。

通过减小功率半导体器件的尺寸，因此减小其物理面积，第一半导体电路布置11的回路电感可明显降低。除了电阻之外，这是将建立的短路电流从旁路支路变换到第一半导体电路布置11所需时间的另一主要显著因素，其还由功率半导体器件的物理面积的降低而进一步降低。

此外，因此降低了通过断路器1的内部开关操作转移到电力干线中的暂态电压峰值的高度。

此外，因此在半导体电路布置11的区域中的缓冲器24可制造得明显更小或者可以被完全免除。

为了接通断路器1，提供了被相应配置的电子控制单元13首先操作第二机械隔离开关10，然后操作第一机械隔离开关9，使得其开关触头闭合。优选地，第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10各自以双稳态继电器的一部分的形式配置。在预先指定的第一时间之后，控制单元13将接通半导体电路布置11。

第一时间优选足够长使得第一机械隔离开关9的开关触头和第二机械隔离开关10的开关触头已经达到机械稳定状态。因此，它们安全连接，不会弹跳。

在实践中实施本发明时，发现第一时间应当介于0.8毫秒到1.2毫秒之间，特别是基本上1毫秒。然而，取决于第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10的接通机制的类型，这些值可变化。

本发明的断路器1被设置或配置成以DC电压电力干线或AC电压电力干线操作。

当断路器1被设计成AC电压开关器件的形式时，提供了断路器1还包括电压测量器件29，电压测量器件29连接至控制单元13，且电子控制单元13被设计成在所施加的干线电压的第一过零之前在预先指定的第二时间操作第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10。电压测量器件29与电流测量布置12一起只示于图1中。

AC电压的电力干线相对于其干线频率通常非常稳定，紧接的连续过零之间的变化极低。优选地提供了在实际的接通操作之前，基于预先指定的过零数目，确定相应的电力干线的实际周期长度。因此，无需对具有不同的干线频率的电力干线进行任何进一步调节，这种断路器1同样适用。在几个过零之后，特别是八到十二个过零之后，可以确定周期长度的足够准确的值。只要实现了这种确定，则在所谓的第0个过零之后一直到由电子控制单元13传输第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10的接通信号，需等待确定的周期长度减去第二时间所得的时间。以此方式，两个隔离开关9、10可在第一过零之前在指定时间被接通。

优选地，提供了第二时间基本上是第一时间长度的一半。于是，这些时间关于第一过零对称地设置。

优选地，还提供了电子控制单元13被设计成紧接在第一过零之后在干线电压的第二过零时接通旁路开关8。

图5以六个图51、52、53、54、55、56示出了对应的接通操作。第一个图51示出了干线电压过程，干线电压也可以称作源电压。第二个图52示出了第二机械隔离开关10的逻辑接通/断开信号，其中，逻辑值1指定为L，与图53、图55和图56中相同，表示“接通”，逻辑值0表示“断开”。第三个图53示出了第一机械隔离开关9的逻辑接通/断开信号。第四个图54示出了电压依赖型电阻器19处的电压过程。第五个图55示出了功率半导体25、26的逻辑接通/断开信号。第六个图56示出了旁路开关8的逻辑接通/断开信号。

通过所提到的措施，半导体电路布置11还可以被设计成没有缓冲器构件，由此可以免除另外的元件，并且由此可以避免在接通操作期间必须对电容器充电。因此，半导体电路布置11在接通操作期间汲取较少电流。称作缓冲器24的相应缓冲器构件被示于图1中。

根据优选的改进方案，提供了电压依赖型电阻器19以热熔丝压敏电阻器的形式配置，由此可以进一步提高可靠性。

Claims

1.断路器(1)，所述断路器(1)具有从所述断路器(1)的外部导体供电端子(3)到所述断路器(1)的外部导体负载端子(4)的至少一个外部导体部分(2)以及从所述断路器(1)的中间导体端子(6)到所述断路器(1)的中间导体负载端子(7)的一个中间导体部分(5)，其中，机械旁路开关(8)设置在所述外部导体部分(2)中，其中，所述断路器(1)的半导体电路布置(11)与所述旁路开关(8)并联连接，所述半导体电路布置为四象限开关的形式，其中，电流测量布置(12)设置在所述外部导体部分(2)中，并且连接至所述断路器(1)的电子控制单元(13)，其中，所述电子控制单元(13)被设计成以预先指定的方式操作所述旁路开关(8)和所述半导体电路布置(11)，并且其中，电压依赖型电阻器(19)，特别是压敏电阻器，与所述旁路开关(8)并联设置，其特征在于：所述半导体电路布置(11)优选只具有两个分立半导体元件。

2.根据权利要求1所述的断路器(1)，其特征在于：所述两个分立半导体元件各自以反向导通IGBT的形式配置。

3.根据权利要求2所述的断路器(1)，其特征在于：所述两个分立半导体元件彼此反串联设置，并且与所述旁路开关(8)并联设置。

4.根据权利要求1所述的断路器(1)，其特征在于：所述两个分立半导体元件各自以反向阻断IGBT的形式配置。

5.根据权利要求4所述的断路器(1)，其特征在于：所述两个分立半导体元件彼此反并联设置，并且与所述旁路开关(8)并联设置。

6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的断路器(1)，其特征在于：第一机械隔离开关(9)设置在所述外部导体部分(2)中，特别设置成与所述旁路开关(8)串联，并且所述电子控制单元(13)优选被设计成操作所述第一机械隔离开关(9)。

7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的断路器(1)，其特征在于：第二机械隔离开关(10)设置在所述中间导体部分(5)中，并且所述电子控制单元(13)优选被设计成操作所述第二机械隔离开关(10)。

8.根据权利要求6和权利要求7所述的断路器(1)，其特征在于：所述电子控制单元(13)被设计成在接通所述断路器(1)时，首先操作所述第二机械隔离开关(10)以使其闭合，然后操作所述第一机械隔离开关(9)以使其闭合，并且在预先指定的第一时间之后，接通所述半导体电路布置(11)。

9.根据权利要求8所述的断路器(1)，其特征在于：所述第一时间足够长使得所述第一机械隔离开关(9)的开关触头和所述第二机械隔离开关(10)的开关触头已经达到机械稳定状态。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的断路器(1)，其特征在于：所述断路器(1)以AC电压开关器件的形式配置，并且还包括电压测量器件(29)，所述电压测量器件(29)连接至所述控制单元(13)，并且所述电子控制单元(13)被设计成在所施加的干线电压的第一过零之前在预先指定的第二时间操作所述第一机械隔离开关(9)并且操作所述第二机械隔离开关(10)。

11.根据权利要求10所述的断路器(1)，其特征在于：所述第二时间基本上是所述第一时间长度的一半。

12.根据权利要求8至权利要求11中任一项所述的断路器(1)，其特征在于：所述第一时间在0.8毫秒到1.2毫秒之间，特别是基本上1毫秒。

13.根据权利要求10至权利要求12中任一项所述的断路器(1)，其特征在于：所述电子控制单元(13)被设计成紧接在所述第一过零之后在所述干线电压的第二过零时，接通所述旁路开关(8)。

14.根据权利要求8至权利要求13中任一项所述的断路器(1)，其特征在于：所述电压依赖型电阻器(19)以热熔丝压敏电阻器的形式配置。

15.根据权利要求8至权利要求14中任一项所述的断路器(1)，其特征在于：所述半导体电路布置(11)被设计成没有缓冲器构件。