CN110088864A - 低压保护开关器 - Google Patents

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Abstract

低压保护开关器(1)具有至少一个外部导体段(2)和中性导体段(5)，其中，在外部导体段(2)中设置有机械式旁路开关(8)，半导体电路装置(11)并联于旁路开关(8)，在外部导体段(2)中设置有电流测量装置(12)，该电流测量装置与保护开关器(1)的电子控制单元(13)连接，电子控制单元(13)构成为用于在通过电流测量装置(12)检测到可预定的过电流时操控旁路开关(8)和第一半导体电路装置(11)，其中，半导体电路装置(11)具有至少一个第一半导体构件组(65)和第二半导体构件组(66)，在所述低压保护开关器中建议，所述第一半导体构件组(65)设置在构件支架(60)的第一侧面(61)上，并且所述第二半导体构件组(66)设置在构件支架(60)的背离第一侧面(61)的第二侧面(62)上。

Description

低压保护开关器
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的低压开关保护器。
背景技术
由本申请人的WO2015/028634A1已知一种相应的保护开关器。在切断保护开关器时，在此首先打开旁路开关，此时产生电弧并且在半导体电路装置上转换电流。然后切断之前接通的半导体电路装置并且打开用于提供电流分离的分离触点，所述分离触点与旁路开关串联连接。
在实践中在实际的开关中实现该构思时，半导体电路装置以常规方式构造有IGBT功率模块。与此相关地被证明为不利的是，在这种开关器中在断开短路电流时旁路开关的触点承受高的负载。同样，在这些开关器中半导体电路装置的半导体强烈受到负荷，由此限制了可能的开关循环的使用寿命或者说次数。
发明内容
因此，本发明的目的在于，给出一种开头所述类型的保护开关器，利用该保护开关器可以避免所提到的缺点，该保护开关器具有小的结构尺寸并且该保护开关器能实现高的额定电流或者说持续电流，该保护开关器具有高的断开能力并且在长的时间上具有高的可靠性。
按照本发明，这通过权利要求1的特征实现。
由此可创造一种低压保护开关器，该低压保护开关器具有构件的、尤其是旁路开关以及半导体电路装置的小的负载并且在长的时间上具有高的可靠性。已经表明，对于开关能力来说短路电流为了在打开旁路开关期间转换到半导体电路装置上所需的时间尤其是相关的。在此，该时间应该是尽可能短的。对于该所谓的转换时间，尤其是旁路开关的触点打开的速度以及低压保护开关器的相关的回路电感是相关的。但回路电感决定性地由在实际的低压保护开关器之内的实际构造或间距确定。具有IGBT功率模块的这种低压保护开关器的已知实施方案具有如下的构造，在该构造中半导体构件在一侧设置在支架上。这不仅导致长的导线路经和导线回路以及相应延长转换时间，而且还导致用于所施加电压的不同极性的开关部件的不同导线长度，这进而在断开过程中对于不同极性导致不相同的条件和性能。通过本措施，能减小在低压保护开关器之内的对于转换相关的电流路径，由此可直接减小短路电流转换到半导体电路装置上的转换时间，其中，此外能简单地为不同的极性创造相同的条件。由此可以实现快速断开短路，其中，所涉及的低压保护开关器能以比现有技术中小的尺寸实现。此外，在此由于不对称的状态而在低压保护开关器之内不出现平衡电流。
从属权利要求涉及本发明的进一步有利的实施方案。
对此，明确地参照权利要求书的原文，从而权利要求书在此处通过援引加入到说明书中并且被认为是字面再现。
附图说明
参照附图更详细地描述本发明，在这些附图中仅仅示例性地示出优选的实施方式。其中：
图1示出具有第一实施方式的半导体电路装置的本保护开关器的电路图；
图2示出作为电路图的半导体电路装置的第二实施方式以及构件支架的具有半导体电路装置的相应的实际半导体构件的第一实施方式的两个侧面；和
图3示出构件支架的具有裸芯片技术的半导体构件的第二实施方式的剖视图。
具体实施方式
图1示出低压保护开关器1的第一实施方式的电路图或者说接线图，该低压保护开关器具有从低压保护开关器1的外部导体供给接头3至低压保护开关器1的外部导体负载接头4的至少一个外部导体段2和从低压保护开关器1的中性导体接头6至低压保护开关器1的中性导体负载接头7的中性导体段5，其中，在外部导体段2中设置有机械式旁路开关8，低压保护开关器1的半导体电路装置11并联于旁路开关8，在外部导体段2中设置有电流测量装置12，该电流测量装置与保护开关器1的电子控制单元13连接，电子控制单元13构成为用于在通过电流测量装置12检测到可预定的过电流、尤其是短路电流时操控旁路开关8和半导体电路装置11，其中，低压保护开关器1具有至少一个第一半导体构件63、优选第一半导体构件组65，并且半导体电路装置11具有至少一个第二半导体构件64、优选第二半导体构件组66。具有这种示意性构造的低压保护开关器1例如由WO2015/028634A1已知。
图2和3示出构件支架的两种不同的实施方式，其中，所述至少一个第一半导体构件63、优选第一半导体构件组65设置在构件支架60的第一侧面61上，并且所述至少一个第二半导体构件64、优选第二半导体构件组66设置在构件支架60的背离第一侧面61的第二侧面62上。
由此可创造一种低压保护开关器1，该低压保护开关器具有构件的、尤其是旁路开关8以及半导体电路装置11的小的负载并且在长的时间上具有高的可靠性。已经表明，对于开关能力来说短路电流为了在打开旁路开关8期间转换到半导体电路装置11上所需的时间尤其是相关的。在此，该时间应该是尽可能短的。对于该所谓的转换时间，尤其是旁路开关8的触点打开的速度以及低压保护开关器1的相关的回路电感是相关的。但回路电感决定性地由在实际的低压保护开关器1之内的实际构造或间距确定。具有IGBT功率模块的这种低压保护开关器1的已知实施方案具有如下的构造，在该构造中半导体构件63、64在一侧设置在支架上。这不仅导致长的导线路经和导线回路以及相应延长转换时间，而且还导致用于所施加电压的不同极性的开关部件的不同导线长度，这进而在断开过程中对于不同极性导致不相同的条件和性能。通过本措施，能减小在低压保护开关器1之内的电流路径，由此可直接减小短路电流转换到半导体电路装置11上的转换时间，其中，此外能简单地为不同的极性创造相同的条件。由此可以实现快速断开短路，其中，所涉及的低压保护开关器1能以比现有技术中小的尺寸实现。此外，在此由于不对称的状态而在低压保护开关器1之内不出现平衡电流。
本保护开关器1以及按照WO 2015/028634A1的保护开关器涉及低压保护开关器1。如本身通常那样，直至1000V交流电压或1500V直流电压的范围称为低压。
图1示出按照现有技术的如在WO2015/028634A1中描述的具有电路图的保护开关器，该电路图基本上也相当于按照第一实施方式的本低压保护开关器1。该低压保护开关器具有外部导体段2以及中性导体段5。外部导体段2从外部导体供给接头3至外部导体负载接头4延伸通过保护开关器1。中性导体段5从中性导体接头6至中性导体负载接头7延伸通过保护开关器1。所涉及的接头3、4、6、7分别优选构成为螺旋接线端子或者插塞接线端子，并且在保护开关器1中设置成可从外部接近的。
保护开关器1优选具有绝缘材料壳体。
在外部导体段2中设置有机械式旁路开关8。优选地并且如所示的那样，在外部导体段2中还设置有第一机械式断路开关9，尤其是与旁路开关8串联。在中性导体段5中优选设置有第二机械式断路开关10。与旁路开关8并联有半导体电路装置11。
在本低压保护开关器1中优选规定，旁路开关8构成为具有多重中断的开关。
此外，与旁路开关8并联有过压放电器19。
保护开关器1还具有电路测量装置12，该电流测量装置设置在外部导体段2中并且该电流测量装置构成为优选包括分流电阻。
电流测量装置12与保护开关器1的电子控制单元13连接，该电子控制单元优选构成为包括微控制器或微处理器。电子控制单元13构成为用于操控旁路开关8和第一半导体电路装置11以及优选第一机械式断路开关9和第二机械式断路开关10，因而对其以可预定的方式进行操作或开关。为此，电子控制单元13与半导体电路装置11以及还与机械式开关的、因而旁路开关8的、第一机械式断路开关9的和第二机械式断路开关10的操作元件、尤其是电磁操作元件优选在电路技术上连接。从电子控制单元13出发的相应的连接未在图1中示出。
第一半导体电路装置11优选具有一个优选构成为全桥的整流电路20以及在本实施方式中两个功率半导体21作为真正的切换或调节元件，所述功率半导体具体地构成为IGBT。
在图1中，除了真正的保护开关器1之外还示出了电气环境。在此，供给网络由AC/DC网络电压源16、网络内阻17和网络电感18实现。此外示出了电负载23以及短路形式的电气故障22。
在按照图1的开关器中规定，断开过程由旁路开关8和第一半导体电路装置11执行，并且第一和第二断路开关9、10仅用于在完成断开之后确保电流切断负载回路。
在本低压保护开关器1中规定，所述至少一个第一半导体构件63、优选第一半导体构件组65设置在构件支架60的第一侧面61上，并且所述至少一个第二半导体构件64、优选第二半导体构件组66设置在构件支架60的背离第一侧面61的第二侧面62上。
所述至少一个第一半导体构件63和所述至少一个第二半导体构件64或者说第一半导体构件组65和第二半导体构件组66优选是功率晶体管、优选IGBT21以及二极管74，如在图1和2中所示。特别优选地并且如在图2中所示地，功率晶体管构成为背靠背的IGBT。
本发明涉及实际构件设置在一个实际的低压保护开关器1中。尽管这些构件能以涉及的半导体构件63、64以及其中布设或者说布线或连接这些半导体构件的电路的多种不同技术实现，按照图2的电路装置是特别优选的，因为该电路装置能实现构件载体无通孔的具体构造。
可以规定，除了半导体构件63、64之外在构件支架60上还设置有其他电子构件或元件。
构件支架60基本上满足印刷电路板或PCT承担的任务。优选地，构件支架60构成为基材、尤其是陶瓷基材、优选包括Al2O3或AlN或由Al2O3或AlN制成。
优选规定，所述至少一个第一半导体构件63和/或所述至少一个第二半导体构件64、尤其是第一半导体构件组65和/或第二半导体构件组66分别作为裸芯片73设置在构件支架60、尤其是陶瓷基材上。裸芯片73在此按已知的方式称为没有壳体的半导体构件63、64。图3示出相应装置的剖视图，其中，各个裸芯片借助键合部75连接。
构件支架60可以构成为一体的，但亦或多件式的。图2示出一体的构件支架60，其中，示出了构件支架60的两侧面。在电路图左侧示出构件支架60的第一侧面，在电路图右侧示出构件支架60的第二侧面62。
图3示出构件支架60的一种替代的实施方式。构件支架60在此具有第一构件支架板67和第二构件支架板68，也可以设有更大数量的共同形成构件支架61的构件支架板、优选三个、四个、五个或六个构件支架板。构件支架60的第一侧面61设置在第一构件支架板67上，而构件支架60的第二侧面62设置在第二构件支架板68上。在此涉及两个本身在个体上分隔开的、共同形成构件支架60的构件支架板67、68。
优选地并且如在图3中所示出地规定，第一构件支架板67设置成平行于第二构件支架板68、尤其是贴靠在该第二构件支架板上。这两个构件支架板67、68在此按照夹层式结构设置。这在生产涉及的结构组件时具有优点。
在构件支架60上至少设置有半导体电路装置11的一个第一接头71和半导体电路装置11的一个第二接头72。这两个接头在此尤其是设置在构件支架60的边缘区域上。
特别优选地规定，所述至少一个第一半导体构件(63)、优选第一半导体构件组(65)设置用于第一电压极性或者说在电路中设置在相应位置处，并且所述至少一个第二半导体构件(64)、优选第二半导体构件组(66)设置用于第二电压极性或者说在电路中设置在相应位置处。
因此在这方面规定，在构件支架60的第一侧面61上设置有半导体电路装置11的设置或构成为用于施加的电压的第一极性、例如“正极”的部分，并且在构件支架60的第二侧面62上设置有半导体电路装置11的设置或构成为用于施加的电压的第二极性、例如“负极”的部分。
半导体电路装置11在构件支架60的第一侧面61上具有第一电流路径69以及在构件支架60的第二侧面62上具有第二电流路径70。所述第一电流路径69在此优选从第一接头71至第二接头72延伸通过所述至少一个第一半导体构件63、优选第一半导体构件组65。所述第二电流路径70优选从所述第一接头71至所述第二接头72延伸通过所述至少一个第二半导体构件64、优选第二半导体构件组66。因此，相应的半导体构件63、64也是相应的电流路径69、70的一部分并且相应地在后续的任务时为了构造电流路径69、70而要一起考虑，尤其是在长度、形状和电感方面。
优选规定，第一电流路径69和第二电流路径70基本上具有相同的形状和/或长度。由此可以简单地对于每个极实现接近相同或尽可能相同的性能。
特别优选地规定，第一电流路径69和第二电流路径70具有基本上相同的回路电感。在此，两个电流路径69、70在尺寸方面也可以构成为不同的，只要电感、尤其是感应电阻基本上相等。
总之，优选规定，所述第一电流路径69和所述第二电流路径70构成为基本上同样的或者镜像对称的。

Claims (13)

1.低压保护开关器(1)，其具有从低压保护开关器(1)的外部导体供给接头(3)至低压保护开关器(1)的外部导体负载接头(4)的至少一个外部导体段(2)和从低压保护开关器(1)的中性导体接头(6)至低压保护开关器(1)的中性导体负载接头(7)的中性导体段(5)，其中，在外部导体段(2)中设置有机械式旁路开关(8)，低压保护开关器(1)的半导体电路装置(11)并联于旁路开关(8)，在外部导体段(2)中设置有电流测量装置(12)，该电流测量装置与保护开关器(1)的电子控制单元(13)连接，电子控制单元(13)构成为用于在通过电流测量装置(12)检测到可预定的过电流、尤其是短路电流时操控旁路开关(8)和第一半导体电路装置(11)，其中，半导体电路装置(11)具有至少一个第一半导体构件(63)、优选第一半导体构件组(65)，并且半导体电路装置(11)具有至少一个第二半导体构件(64)、优选第二半导体构件组(66)，其特征在于，所述至少一个第一半导体构件(63)、优选第一半导体构件组(65)设置在构件支架(60)的第一侧面(61)上，并且所述至少一个第二半导体构件(64)、优选第二半导体构件组(66)设置在构件支架(60)的背离第一侧面(61)的第二侧面(62)上。
2.根据权利要求1所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述构件支架(60)一体地构成，尤其是作为一体的陶瓷基材。
3.根据权利要求1所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述构件支架(60)具有至少一个第一构件支架板(67)和一个第二构件支架板(68)，所述构件支架(60)的第一侧面(61)设置在第一构件支架板(67)上，所述构件支架(60)的第二侧面(62)设置在第二构件支架板(68)上。
4.根据权利要求3所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述在第一构件支架板(67)设置成平行于在第二构件支架板(68)，尤其是贴靠在该在第二构件支架板上。
5.根据权利要求3或4所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述第一构件支架板(67)和所述第二构件支架板(68)构成为陶瓷基材。
6.根据权利要求1至5之一所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述第一半导体构件组(65)和所述第二半导体构件组(66)分别包括至少一个功率晶体管、尤其是IGBT(21)、优选分别背靠背的IGBT，和二极管(74)。
7.根据权利要求1至6之一所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述半导体电路装置(11)在构件支架(60)的第一侧面(61)上具有第一电流路径(69)，所述半导体电路装置(11)在构件支架(60)的第二侧面(62)上具有第二电流路径(70)，并且所述第一电流路径(69)和所述第二电流路径(70)基本上具有相同的形状和/或长度。
8.根据权利要求1至7之一所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述半导体电路装置(11)在构件支架(60)的第一侧面(61)上具有第一电流路径(69)，所述半导体电路装置(11)在构件支架(60)的第二侧面(62)上具有第二电流路径(70)，并且所述第一电流路径(69)和所述第二电流路径(70)基本上具有相同的回路电感。
9.根据权利要求1至8之一所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述第一电流路径(69)和所述第二电流路径(70)构成为基本上同样的。
10.根据权利要求1至9之一所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述半导体电路装置(11)在构件支架(60)上具有第一接头(71)并且在构件支架(60)上具有第二接头(72)。
11.根据权利要求10所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述第一电流路径(69)从所述第一接头(71)至所述第二接头(72)延伸通过所述至少一个第一半导体构件(63)、优选第一半导体构件组(65)，并且所述第二电流路径(70)从所述第一接头(71)至所述第二接头(72)延伸通过所述至少一个第二半导体构件(64)、优选第二半导体构件组(66)。
12.根据权利要求1至11之一所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述至少一个第一半导体构件(63)和/或所述至少一个第二半导体构件(64)、尤其是所述第一半导体构件组(65)和/或所述第二半导体构件组(66)分别作为裸芯片(73)设置在构件支架(60)、尤其是陶瓷基材上。
13.根据权利要求1至12之一所述的低压保护开关器(1)，其特征在于，所述至少一个第一半导体构件(63)、优选所述第一半导体构件组(65)设置用于第一电压极性，并且所述至少一个第二半导体构件(64)、优选第二半导体构件组(66)设置用于第二电压极性。
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