CN110199371B

CN110199371B - 具有改善的散热的继电器组件以及具有所述继电器组件的变换器装置

Info

Publication number: CN110199371B
Application number: CN201880008092.4A
Authority: CN
Inventors: F·帕彭福斯; L·贝特克; C·格尔克; T·屈赫恩
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2018-01-03
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2038-01-03
Also published as: US11570884B2; WO2018134050A1; JP2020505731A; JP7036829B2; US20220007498A1; CN110199371A; US20190350073A1; DE102017101236B4; DE102017101236A1; EP3571705A1; US11129272B2; EP3571705B1

Abstract

本发明涉及一种继电器组件(1)，其具有：至少两个串联的继电器(2，3)，所述继电器通过第一接头(9，10，15，16)和第二接头(7，8，17，18)机械地和电地与主电路板连接；以及至少一个用于在所述至少两个串联的继电器(2，3)之间引导电流的面导体(13，14)。面导体(13，14)机械地与主电路板连接并且电地和热学地与继电器(2，3)的第一接头(9，10，15，16)连接，以便实现将在继电器(2，3)运行中产生的热量导出。继电器组件可以作为电网分离点使用在具有多个逆变桥的变换器装置中。

Description

具有改善的散热的继电器组件以及具有所述继电器组件的变换器装置

技术领域

本发明涉及一种具有改善的散热的继电器组件以及具有所述继电器组件的变换器装置并且由此用于特别是改善在集电器运行中产生的热量的导出。

背景技术

根据本发明的继电器组件具有至少两个串联的继电器。所述继电器组件可以在变换器装置、例如逆变器中以电网分离点的形式使用。例如将能量从分散的再生源输入到联合电网的逆变器必须在联合电网受干扰的情况中能够可靠地与电网分离，以便不危害排除干扰的工作人员。出于这种原因存在下述准则，所述电网分离点设计为防故障的，这意味着，在继电器发生故障时也可以可靠地分离。因此，通常每个电网输入路径串联两个继电器或者在更大的设备中串联保护装置，从而在一个继电器发生故障时，串联的第二继电器可以实施电网分离。

在电子元件、例如半导体开关中公知的是，所述电子元件在其运行中产生显著的损耗功率。出于所述原因，半导体开关通常安置在冷却体上或者使用通风装置，以便将冷却的空气流沿着元件引导，以便将在运行中产生的热量导出。预期的最大损耗功率在相应的电子构件的数据表中给出。因此例如通过用于期望的电路布置的模拟模型计算或者模拟待推导出的热量。

与此相对地，对于继电器的所述数据目前大多数情况都存在典型的值。既不是数据表也不是“application notes，应用说明”表明在运行中产生的最大放热。在本发明的框架中，在继电器在符合规定的运行中测定出令人惊讶地高的损耗功率，所述损耗功率可能使继电器组件热过载，因此考虑冷却措施。此外，出于成本原因通常采用极小的、轻地构造的、具有由此导致小的导电能力的继电器。热量导出特性则由于在紧凑的结构形式中不大的部件构型而表现为更小的。由此导致进一步实现继电器的改善的散热的动机。

在现有技术中公知了汇流排，例如半导体模块安置在所述汇流排上，所述汇流排用于将电流引导到半导体模块并且与冷却装置热学地面接触，如同例如在DE 10 2004 018469 B3中描述的那样。冷却本身由非常大的冷却装置进行，所述冷却装置与汇流排一起在此称为保险组合。半导体模块本身包括在导电基底上的半导体开关，其中，所述基底不仅用于与半导体模块电接触而且用于与半导体模块热耦合。在此的缺点是，需要多个部件用于引导电流和热量导出。

WO 2015/184546 A1公开了一种汇流排，电子开关安置在所述汇流排上，并且所述汇流排以T形的结构使开关与冷却组件连接。在此也需要不同的部件用于引导电流和热量导出。

目前关于继电器未提出明确的散热方案，因为这涉及较小的放热。因此小的热量例如通过继电器与主电路板接触和热量转移到处于主电路板上的印刷电路上应该足以被导出。

然而在根据本发明的框架中在继电器的运行中测定的更高的最大接触电阻可以导致继电器组件的热过载，当所述继电器组件未相应地确定尺寸时。

发明内容

因此，本发明的任务在于，给出一种具有改善的散热的继电器组件，所述继电器组件是成本低廉的、在结构上保持紧凑并且利用尽可能少的构件是足够的。

根据本发明的具有改善的散热的继电器组件具有至少两个串联的继电器，所述继电器通过第一接头和第二接头机械地和电地与主电路板连接。在此，至少一个用于引导电流的面导体布置在至少两个串联的继电器之间，其中，面导体机械地与主电路板连接并且电地和热学地与继电器的第一接头连接，以便实现将在继电器的运行中产生的热量导出。面导体在此应该有利地不仅是好的电导体，而且是好的导热体。因此，面导体可以例如由铜片制成。通过面状的构型可以使在继电器的运行中产生的热量分布到面导体中并且导出到周围环境。

在一个实施方式中，根据本发明的继电器组件具有多个彼此绝缘的面导体，所述面导体空间上彼此平行并且相邻地布置。多个彼此绝缘的面导体分别使多极的继电器的电串联的第一接头或者不同的继电器的多个第一接头彼此连接。多个彼此绝缘的面导体可以是叠层母线、更紧凑的铜片或者类似物。

在一个另外的实施方式中，多个面导体设计为多层电路板。多层电路板、也称为“Multilayer Board”与具有两个外部铜层的标准电路板不同地在核心中还具有另外的铜层。

面导体作为多层电路板的设计方案具有的优点是，由此提供多个面导体并且同时提供在所述面导体之间所需的绝缘。由此，对于两个串联的分别具有四个开关触点的继电器可以通过作为集成元件的具有至少四个印刷电路的电路板确保电连接和需要的散热。通过多层电路板的特别平坦的结构确保例如多极的继电器的第一接头的良好的导热性，因为不必克服用于多个第一接头与多层电路板热连接的大的间距。

在根据本发明的继电器组件的一个有利的实施方式中，多层电路板基本上垂直于主电路板的平面布置。可以设置夹件用于将多层电路板相对于主电路板的平面进行位置固定。有利地，在这个实施方式中对流空气流可以附加地有助于多层电路板的散热。

在根据本发明的继电器组件的一个另外的有利的实施方式中，继电器的第一接头由继电器与所述第二接头相比实施有较大的传导横截面并且与继电器的定工作触点直接连接的接头构成。继电器的定工作触点大多数情况设计为比可移动的工作触点大。因此可以通过面导体与继电器的下述接头紧密的连接实现好的导热性，该接头与定工作触点直接连接。

在根据本发明的继电器组件的一个另外的有利的实施方式中，多层电路板具有至少一个中间铜层和两个围绕所述中间铜层的外部铜层。在此，中间铜层与测量装置连接，并且所述外部铜层与所述第一接头中的同一个第一接头连接。因此，电流从一个继电器的第一触点通过多层电路板的至少两个层引导到另外的继电器的与该第一触点串联的第一触点，其中，至少一个另外的层处于这两个层之间。

在一个另外的有利的实施方式中，在中间铜层处借助测量装置测定所述至少两个串联的继电器之间的中间电势。

中间铜层例如与测量电压连接，由此通过电容耦合可以测定在这两个串联的继电器之间的点上的电势。因为在所述继电器中的至少一个继电器的闭合的触点的情况中在这个点上施加交变电压，所述电容耦合是有利的，因为消除了可能的直流电压部分。通过有针对性地切换这两个串联的继电器并且在知道在这两个串联的继电器之前和之后的电压关系的情况下可以由此通过测定这两个串联的继电器之间的连接点上的电压关系来对这两个继电器在其正确的功能方面进行检验。

此外，本发明涉及一种变换器装置，其具有多个逆变桥和作为电网分离点的、按照根据本发明的继电器组件的前述实施方式之一的继电器组件。

如同前面进一步描述的那样通常存在关于加入联合电网中的变换器装置的准则，从而所述变换器装置可以在联合电网受干扰的情况中可靠地从电网分离。为此通常每个电网输入路径串联两个继电器或者在更大的设备中串联保护装置，从而在一个继电器发生故障时，串联的第二继电器可以实施电网分离。

在根据本发明的变换器装置的一个有利的实施方式中，变换器装置具有多个多相位的逆变桥。所述多个逆变桥的一个相位的电流、即各个逆变桥的分别相同相位的电流分别单独地被引导通过至少两个串联的继电器的继电器触点。一个相位的电流在所述至少两个串联的继电器的第二接头中的一个第二接头处汇合到共同的相位接头。

在根据本发明的变换器装置的一个另外的有利的实施方式中，所述多个逆变桥的一个相位的电流流过同一个继电器的不同的继电器触点。如果根据本发明的变换器装置具有例如两个三相逆变桥，则存在相位1的两个输出线路(对于相位2和3是类似的)。这两个输出线路可以单独地被引导通过例如两个串联的二极继电器。这两个输出线路可以在两个继电器的电网侧的输出端处汇合并且作为一个输出线路引导到变换器装置的电网接头。

在根据本发明的变换器装置的一个另外的有利的实施方式中，多个逆变桥的一个相位的电流流过不同的继电器的继电器触点。

因此，在上述实例中所述两个输出线路中的每个输出线路例如分别被引导通过两个串联的单极继电器并且在所述四个单极继电器的电网侧的输出端中的一个输出端处汇合。对于两个三相的逆变桥，一个桥的三个相位可以例如分别通过两个串联的三极继电器引导，从而需要四个三极继电器，或者相同的相位通过两个串联的二极继电器引导，从而需要六个二极继电器。

通过前述的呈根据本发明的继电器组件形式的电网分离继电器的实施方案实现了同样紧凑的结构，所述结构通过可靠的散热导致变换器装置的鲁棒地并且可靠地运行。

附图说明

下面根据参考附图的实施例说明本发明，由所述附图结合权利要求的特征得出本发明的其他特征、特性和优点。

附图中：

图1示出根据本发明的继电器组件的一个实施例，

图2示出根据图1的实施例的立体图，

图3示出根据本发明的继电器组件的一个另外的实施例，

图4示出具有根据本发明的继电器组件的电网分离点的一个有利的设计方案，以及

图5示出具有根据本发明的继电器组件的电网分离点的一个另外的有利的设计方案。

具体实施方式

图1示出根据本发明的具有两个串联的继电器2，3的继电器组件1的一个实施例，其中，电路(未示出)的输入接头4，5接到继电器3的第二接头7，8上。如果继电器触点12，11闭合，则电流可以从继电器3的接头8流到第一接头10。继电器3的第一接头10通过面导体13与继电器2的第一接头15串联。电流通过继电器2的开关触点和该继电器的第二接头18继续流到继电器组件1的输出接头6。

面导体13一方面建立串联的继电器2，3之间的电接触并且通过所述面导体的面状的构型(也参见图2)以及选择不仅导电的并且导热的材料用于将在继电器2，3运行中产生的热量导出。

完全类似地，继电器3的第一接头9通过面导体14与继电器2的第一接头16串联。通过继电器2的另外的开关触点流到该继电器的第二接头17的电流在那里与接头18的电流汇合，从而输入接头4，5的电流在继电器组件1的输出接头6处汇合。以所述方式将输入接头4，5的电流并行地通过两个串联电路从继电器导出。因此可能的是，使用较小导电性的成本低廉的继电器，然而可靠地切换较高的电流并且通过改善的散热确保稳定的并且可靠的运行。

面导体13，14使继电器2，3的相应的第一接头9，10，15，16连接，其中，第一接头9，10，15，16分别与固定的触点、例如继电器3的触点11连接。与此不同地，继电器2，3的第二接头7，8，17，18与继电器2，3的可移动的触点、例如继电器3的触点12连接。继电器的固定的触点大多数情况设计为比可移动的触点大。因此通过面导体与第一接头9，10，15，16紧密的连接可以实现好的导热性

图2示出根据图1的实施例的立体图。电路(未示出)的输入接头4′，5′作为印刷电路构造在主电路板(未示出)上。继电器2′，3′焊接到主电路板上并且由此电地与印刷电路连接并且同时机械地与主电路板自身连接，从而继电器2′，3′的壳体垂直于主电路板的平面。同样，面导体13′，14′也垂直于主电路板的平面布置，由此有利于将在继电器的运行中产生的热量导出。面导体13′，14′可以设计为叠层母线，所述叠层母线具有处于其间的电绝缘层，或者设计为多层电路板，所述面导体同样如同继电器那样焊接到主电路板上。

图3示出根据本发明的继电器组件1的一个另外的设计方案，其中，输入接头5″与继电器12″的第二接头8″连接。在继电器12″闭合时，电流通过继电器12″的第一接口10″流到连接点20，电流从该连接点被分配到多层电路板的两个面导体21，23或两个印刷电路21，23上。因此，实现另外的热量分流。中间印刷电路22位于印刷电路21，23之间，所述中间印刷电路可以通过连接点25接触。在此可以例如连接测量装置(未示出)。在将电流分配到两个面导体21，23或两个印刷电路21，23上之后，电流在连接点26又汇合，以便经过继电器触点2″并且被传输到输出接头6″。

也就是说，外部的铜层21，23与相应的继电器触点12″，2″的第一接头的同一个第一接头连接。内部的铜层22通过虚拟的电容28，29与外部的铜层21，23耦合，也就是说，所述电容28，29不是单独的元件，而是所述电容通过铜层的平行的布置固有地产生。

通过与连接点25连接的测量装置可以与其他在电流走向上布置在继电器之前和之后的测量装置一起检验继电器触点12″，2″的正确的功能。

图4示出例如用于具有多个逆变桥WR1，WR2(未示出)的变换器装置的电网分离点的一个有利的设计方案。多个逆变桥WR1，WR2形成三相电流，所述三相电流在变换器装置的输出端前汇合，也就是说，所述多个逆变桥是并联的逆变桥，其中，用于三相输出电流的一个相位的电流分别通过两个逆变桥形成。图4示出三相输出电流的相位在二极继电器R1，R2，R3，R4，R5，R6上的可能的分配。两个逆变桥的用于相位L1的电流在此以L1-WR1和L1-WR2示出并且从所述逆变桥出发分别被引导通过根据本发明的由R1和R6以及R2和R5构成的继电器组件并且在输出接头30处汇合。二极继电器的相应的另外的开关触点被其他相位或其他逆变桥使用。两个逆变桥的用于相位L2的电流以L2-WR1和L2-WR2示出并且从所述逆变桥出发分别被引导通过根据本发明的由R2和R5以及R3和R4构成的继电器组件。对于L3在这个实例中使用由R3和R4以及R1和R6构成的组合。也就是说，各个逆变桥的分别相同相位的电流被单独地引导通过不同的继电器的继电器触点。一个相位的电流在根据本发明的继电器组件的至少两个串联的继电器的第二接头中的一个第二接头处汇合到共同的相位接头。

图5示出具有根据本发明的继电器组件的电网分离点的一个另外的有利的设计方案，其中，示出三相输出电流的相位在二极继电器R1′，R2′，R3′，R4′，R5′，R6′上的另外的分配。两个逆变桥的用于相位L1的电流如同在图4中以L1-WR1和L1-WR2示出的那样从所述逆变桥出发被引导通过根据本发明的由R1′和R6′构成的继电器组件。逆变桥1的电流部分L1-WR1被引导通过继电器R1′的触点，第二电流部分L1-WR2被引导通过继电器R1′的另外的触点并且接着根据本发明的继电器组件被引导通过串联的继电器R6′的两个触点。一个相位L1的电流在继电器R6′的第二接头30′处汇合。

附图标记列表

1，1′ 继电器组件

2，2′，2″ 继电器

3，3′ 继电器

4，4′ 输入接头

5，5′，5″ 输入接头

6，6′，6″ 输出接头

7 接头

8，8′ 接头

9，9′ 接头

10，10′，10″ 接头

11 触点

12，12″ 触点

13，13′ 导体

14，14′ 导体

15，15′ 接头

16 接头

17 接头

18 接头

20 连接点

21 导体

22 导体

23 导体

25 连接点

26 连接点

28 电容

29 电容

30，30′ 接头

L1，L2，L3 相位

L1-WR1，…，L3-WR3 相位。

Claims

1.一种继电器组件(1)，其具有

-至少两个串联的继电器(2，3)，所述继电器通过第一接头(9，10，15，16)和第二接头(7，8，17，18)机械地和电地与主电路板连接，

-至少一个用于在所述至少两个串联的继电器(2，3)之间引导电流的面导体(13，14)，其中，所述面导体(13，14)机械地与所述主电路板连接并且电地和热学地与所述继电器(2，3)的第一接头(9，10，15，16)连接，以便实现将在所述继电器(2，3)运行中产生的热量导出，

其中，空间上彼此平行并且相邻地布置的彼此绝缘的多个面导体(13，14)分别使多极的继电器的电串联的第一接头或者不同的继电器的多个第一接头彼此连接。

2.根据权利要求1所述的继电器组件，其中，所述多个面导体(13，14)实施为多层电路板。

3.根据权利要求2所述的继电器组件，其中，所述多层电路板基本上垂直于所述主电路板的平面布置。

4.根据权利要求2或3所述的继电器组件，其中，设置夹件用于将所述多层电路板相对于所述主电路板的平面进行位置固定。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的继电器组件，其中，所述继电器的第一接头由所述继电器的与所述第二接头相比实施有较大的传导横截面并且与所述继电器的定工作触点直接连接的接头构成。

6.根据权利要求2或3所述的继电器组件，其中，所述多层电路板具有至少一个中间铜层和两个围绕所述中间铜层的外部铜层，所述中间铜层与测量装置连接，并且所述外部铜层与所述第一接头中的同一个第一接头连接。

7.根据权利要求6所述的继电器组件，其中，在所述中间铜层处借助所述测量装置测定所述至少两个串联的继电器之间的中间电势。

8.一种变换器装置，其具有多个逆变桥和作为电网分离点的根据前述权利要求中任一项所述的继电器组件。

9.根据权利要求8所述的变换器装置，其中，所述多个逆变桥的一个相位的电流分别单独地被引导通过所述至少两个串联的继电器的继电器触点并且在所述至少两个串联的继电器的第二接头中的一个第二接头处汇合到共同的相位接头。

10.根据权利要求9所述的变换器装置，其中，所述多个逆变桥的一个相位的电流流过同一个继电器的不同的继电器触点。

11.根据权利要求9所述的变换器装置，其中，所述多个逆变桥的一个相位的电流流过不同的继电器的继电器触点。