CN110383691B - 固态开关设备 - Google Patents

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Abstract

一种固态开关设备，包括：‑一对线路端子，包括用于与电力线的对应相导体电连接的第一线路端子和第二线路端子；‑包括一个或多个固态电力开关的开关组件，该开关组件具有分别与第一线路端子和第二线路端子电连接的第一电力端子和第二电力端子；‑散热器元件，与开关组件热耦合以吸收来自开关组件的热量；‑附加热量提取装置，以从开关组件提取热量并且通过第一线路端子和第二线路端子沿着相导体传送吸收的热量的至少一部分。

Description

固态开关设备
技术领域
本发明涉及用于低电压应用(即，用于涉及低于1kV AC和1.5kV DC的工作电压的应用)的固态开关设备，诸如固态断路器、残余电流设备、隔离开关、继电器、接触器等。
背景技术
固态开关设备广泛用在低电压配电盘或配电网中，用于切换沿着电力线流动的线路电流。
如已知的，固态开关设备包括一个或多个固态电力开关(例如MOSFET)，其能够以受控方式在阻断状态和导通状态之间切换，在阻断状态下一对电力端子之间的电流通过被阻止，在导通状态下所述电力端子之间的电流通过被允许。
在操作中，固态电力开关产生大量的热量，因为它们必须切换相对高的电流，例如，在10-20A的范围内的电流。
众所周知，在固态开关设备中，通常的做法是将散热器元件(一般由Al制成)布置为与电力开关热耦合，以吸收操作期间生成的热量并通过空气对流在外部环境中耗散吸收的热量。以这种方式，可以保持电力开关的温度受控制，从而避免由于过高的操作温度引起的误动或故障。
在传统的开关设备中，一般使用具有大尺寸的散热器元件来确保足够的散热。
遗憾的是，这些繁琐的部件的使用会导致整体尺寸的整体增加。
这个缺点在实现具有与机电开关设备类似的尺寸和形状因子的固态开关设备方面导致严重困难。因此，当小的安装空间可用时，固态开关设备可能难以安装。为了尝试减小散热器元件的尺寸，现有技术的其它技术方案提供了采用以确保高水平的散热效率的材料实现的散热器元件。
但是，这些技术方案相当昂贵并且可能导致开关设备的工业成本显著增加。
发明内容
因此，期望提供一种用于低电压应用的固态开关设备，其能够克服或减轻上述缺点，特别是实现从固态电力开关的高效热量提取以保持所述电力开关的操作温度受控制。
进一步期望提供一种固态开关设备，其相对于当前可用的相同类型的设备具有相对小的尺寸。
还期望提供一种固态开关设备，其易于在工业水平上生产，相对于当前可用的相同类型的设备具有有竞争力的成本。
这些期望通过根据下文提出的权利要求的固态开关设备来实现。
在总体限定中，根据本发明的开关设备包括：
-一对线路端子，包括第一线路端子和第二线路端子，用于与所述电力线的对应相导体电连接；
-包括一个或多个固态电力开关的开关组件，所述开关组件具有分别与所述第一线路端子和第二线路端子电连接的第一电力端子和第二电力端子；
-散热器元件，与所述开关组件热耦合以吸收来自所述开关组件的热量；
-附加热量提取装置，用于从所述开关组件提取热量并且通过所述第一线路端子和第二线路端子沿着所述相导体传送吸收的热量的至少一部分。
附图说明
参考下面给出的描述和附图，本发明的其它特征和优点将更加清楚，附图纯粹出于解释性和非限制性目的提供，其中：
-图1-2示意性地图示了根据本发明的固态开关设备的实施例；
-图3-4示意性地图示了根据本发明的固态开关设备的另一个实施例；
-图5-6示意性地图示了根据本发明的固态开关设备的另一个实施例；
-图7-8示意性地图示了根据本发明的固态开关设备的另一个实施例；
-图9-10示意性地图示了根据本发明的固态开关设备的另一个实施例；
-图11-12示意性地图示了根据本发明的固态开关设备的另一个实施例；
-图13-14示意性地图示了根据本发明的包括在固态开关设备中的散热器元件的其它可能变体。
具体实施方式
在以下详细描述中，从结构和/或功能的观点来看，相同或相似的元件或部件可以具有相同的标号，不管它们是否在本发明的不同实施例中示出。
参考前述附图，本发明涉及用于低电压应用的固态开关设备1。
开关设备1可以是固态断路器、残余电流设备、隔离开关、继电器、接触器等。
一般而言，开关设备1适于以受控的方式在打开状态与闭合状态之间切换，以切换流过低电压配电网的电力线的至少相导体P的线路电流。
所述电力线可以包括单相导体(单相电力线)或多相导体(多相电力线)，并且在一些应用中(例如，在1P+N残余电流设备中)，它还可以包括中性导体N。
开关设备1包括至少一对线路端子，其包括第一和第二线路端子T1、T2，用于与所述电力线的对应相导体P电连接。
线路端子T1、T2可电耦合到相导体P的不同部分，例如，分别耦合到馈送电负载的部分和从电源接收电力的部分。
方便地，在本发明的上面提到的电力线包括中性导体N的实施例中，开关设备1包括用于与所述中性导体N电连接的第一和第二中性端子N1、N2。
中性端子N1、N2可方便地电耦合到中性导体N的不同部分，并借助于导电元件15(例如线缆、导电桥或沉积在PCB上的导电迹线)彼此电连接，以便确保中性导体N的电连续性。
方便地，端子T1、T2、N1、N2由对应的线缆连接器形成，线缆连接器至少部分地由导热且导电的材料(例如金属材料，诸如钢或铜)制成。
一般而言，端子T1、T2、N1、N2可以是已知类型，并且为了简洁起见，在下文中将不再进一步描述。
根据本发明，开关设备1包括至少开关组件2，开关组件2包括一个或多个固态电力开关2A、2B。
电力开关2A、2B适于以受控的方式在阻断状态与导通状态之间切换，在阻断状态下它们的电力端子之间的电流通过被阻止，在导通状态下它们的电力端子之间的电流通过被允许。
电力开关2A、2B可以是已知类型的半导体开关，例如，BJT、FET、MOSFET、HEMT、IGBT、晶闸管或其它类似的半导体器件，例如，由硅半导体材料和宽带隙(WBG)半导体材料(诸如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN))制成。
一般而言，电力开关2A、2B可以是已知类型，并且为了简洁起见，在下文中将不再进一步描述。
根据图1-6中所示的本发明的实施例，开关组件2包括单个固态电力开关2A。
根据图7-12所示的本发明的实施例，开关组件2包括两个彼此电连接的固态电力开关2A、2B。
根据本发明，开关组件2包括第一和第二电力端子P1、P2，它们电连接到开关设备1的第一和第二线路端子T1、T2。
根据图1-6中所示的本发明的实施例，第一和第二电力端子P1、P2由单个电力开关2A的对应电力端子形成或与其电连接。
作为示例，如果单个电力开关2A是FET或MOSFET，则第一和第二电力端子P1、P2分别由这种晶体管的漏极和源极端子形成，或者与所述漏极和源极端子电连接。
作为示例，如果单个电力开关2A是BJT，则第一和第二电力端子P1、P2分别由这种晶体管的集电极和发射极端子形成，或者与所述集电极和发射极端子电连接。
根据图7-12中所示的本发明的实施例，第一和第二电力端子P1、P2由电力开关2A、2B的对应电力端子形成或与其电连接。
作为示例，如果电力开关2A、2B是FET或MOSFET，则第一和第二电力端子P1、P2分别由这种晶体管的漏极端子形成或者与所述漏极端子电连接。
作为示例，如果电力开关2A、2B是BJT，则第一和第二电力端子P1、P2分别由这种晶体管的集电极端子形成或者与所述集电极端子电连接。
根据图7-12中所示的本发明的实施例，开关组件2包括彼此电连接的第三和第四电力端子P3、P4，以确保电力开关2A、2B之间的电连续性。
第三和第四电力端子P3、P4由电力开关2A、2B的对应电力端子形成或与其电连接。
作为示例，如果电力开关2A、2B是FET或MOSFET，则第三和第四电力端子P3、P4分别由这种晶体管的源极端子形成或者与所述源极端子电连接。
作为示例，如果电力开关2A、2B是BJT，则第三和第四电力端子P3、P4分别由这种晶体管的发射极端子形成或者与所述发射极端子电连接。
根据图1-6中所示的本发明的实施例，开关组件2包括控制端子C1，控制端子C1被配置为接收控制信号(例如，逻辑信号)以控制单个电力开关2A的操作状态。
控制端子C1由单个电力开关2A的对应控制端子形成或与其电连接。
作为示例，如果单个电力开关2A是FET或MOSFET，则控制端子C1由这种晶体管的栅极端子形成或者与所述栅极端子电连接。
作为示例，如果单个电力开关2A是BJT，则控制端子C1由这种晶体管的基极端子形成或者与所述基极端子电连接。
根据图7-12中所示的本发明的实施例，开关组件2包括第一和第二控制端子C1、C2，第一和第二控制端子C1、C2被配置为接收控制信号(例如，逻辑信号)以控制电力开关2A、2B的操作状态。
控制端子C1、C2由电力开关2A、2B的对应控制端子形成或与其电连接。
作为示例，如果电力开关2A、2B是FET或MOSFET，则第一和第二控制端子C1、C2分别由这种晶体管的栅极端子形成或者与所述栅极端子电连接。
作为示例，如果电力开关2A、2B是BJT，则第一和第二控制端子C1、C2分别由这种晶体管的基极端子形成或者与所述基极端子电连接。
鉴于上述情况，很明显：
-当一个或多个电力开关2A、2B切换为阻断状态时(在相应的一个或多个控制端子C1、C2处接收到适当的控制信号之后)，通过电力端子P1、P2(并且因此通过线路端子T1、T2和相导体P)的线路电流被中断；
-当一个或多个电力开关2A、2B切换为导通状态时(在相应的一个或多个控制端子C1、C2处接收到适当的控制信号之后)，通过电力端子P1、P2(并且因此通过线路端子T1、T2和相导体P)的线路电流被允许。
根据本发明，开关设备1至少包括与开关组件2热耦合的散热器元件4，以从开关组件2吸收热量。
更特别地，散热器元件4与开关组件2的一个或多个电力开关2A、2B热耦合，以从后者吸收热量。
优选地，散热器元件4包括由具有良好导热性的材料(例如，Al或其它金属材料)制成的成形的块(例如，成形为平行六面体或圆柱体)。
方便地，所述成形的块具有用于与开关组件2耦合的第一表面4A、与第一表面4A相对的第二表面4B以及一个或多个侧表面4C。
方便地，所述第一和/或第二表面4A、4B可以被一层或多层材料覆盖以增加导热性(例如涂漆)。
方便地，所述侧表面4C可以是翅片状的，以改善与周围环境的热交换。
散热器元件4可以由单件材料形成，如图1-12所示。作为替代方案，散热器元件4可以包括由气隙43完全分开或部分分开的两个部分41、42(图13、14)。
方便地，当开关组件2包括两个电力开关2A、2B时(图7-8)，散热器元件4的每个部分41、42可以可操作地耦合到对应的电力开关2A、2B。
一般而言，散热器元件4可以是已知类型，并且为了简洁起见，在下文中将不再进一步描述。
根据本发明，开关设备1包括附加热量提取装置5，其适于吸收来自开关组件2的附加热流并通过第一和第二线路端子T1、T2沿着相导体P传送吸收的热量中的至少一部分。
在实践中，附加热量提取装置5适于提供附加的热量提取路径，其通过线路端子T1、T2沿着相导体P传送从开关组件2直接或间接提取的附加热流。
这种技术方案允许显著提高来自开关组件2的热量提取处理的效率。
在本发明的上面提到的电力线包括中性导体N的实施例中，附加热量提取装置5适于吸收来自散热器元件4的热量并通过第一和第二中性端子N1、N2沿着中性导体N传送吸收的热量的至少一部分。
上述技术方案进一步提供了附加的热量提取路径，其通过中性端子N1、N2沿着中性导体N传送从散热器元件4(并且因此从开关设备2)提取的另外的附加热流。
这种技术方案进一步提高了来自开关组件2的热量提取处理的效率。
在本发明的一些实施例中(图1-2、3-4、7-8、9-10)，附加热量提取装置5适于将线路端子T1、T2与开关组件2热耦合并将第一和第二线路端子T1、T2分别与开关组件2的第一和第二电力端子P1、P2电耦合，以确保线路端子T1、T2与对应的电力端子P1、P2之间的电连续性。
在实践中，根据这些实施例，附加热量提取装置5的部分或部件还提供线路端子T1、T2与电力端子P1、P2之间的电连接。
上述技术方案在与散热器元件4的接口处提供了用于从开关组件2提取的热量和线路电流的公共路径。
根据本发明的这些实施例的一些变体(图1-2、7-8)，附加热量提取装置5包括：
-第一电热导体元件7，将第一线路端子T1与开关组件2热耦合并且将第一线路端子T1与开关组件2的第一电力端子P1电耦合；
-第二电热导体元件8，将第二线路端子T2与开关组件2热耦合并且将第二线路端子T2与开关组件2的第二电力端子P2电耦合。
当开关组件2包括单个电力开关2A时(图1-2)，第一电热导体元件7(除了提供与电力端子P1的电耦合之外还)将第一线路端子T1与电力开关2A热耦合，并且第二电热导体元件8(除了提供与电力端子P2的电耦合之外还)将第二线路端子T2与电力开关2A热耦合。
当开关组件2包括两个电力开关2A、2B时(图7-8)，第一电热导体元件7(除了提供与电力端子P1的电耦合之外还)将第一线路端子T1与电力开关2A热耦合，并且第二电热导体元件8(除了提供与电力端子P2的电耦合之外还)将第二线路端子T2与电力开关2B热耦合。
优选地，第一和第二电热导体元件7、8在散热器元件4的第一表面4A处定位在散热器元件4附近。
优选地，当开关组件2包括单个电力开关2A时(图1-2)，电力开关2A安装在两个电热导体元件7、8上，以确保与两个电热导体元件7、8的良好热耦合。
优选地，当开关组件2包括两个电力开关2A、2B时(图7-8)，每个电力开关2A、2B安装在相应的电热导体元件7、8上，以确保与相应的电热导体元件7、8的良好热耦合。
优选地，在这种情况下，每个电热导体元件7、8由具有良好导热性和导电性的材料(例如，Al、Cu)制成的对应的板形成，其被焊接或压在对应电力开关2A、2B的包装上，以确保与所述电力开关的最佳热交换。导热和导电材料板7、8与电力开关2A-2B的形成开关组件2的对应电力端子P1、P2的端子电连接。
优选地，每个线路端子T1、T2安装在相应的电热导体元件7、8上，以确保与电热导体元件7、8的最佳电耦合和热耦合。
优选地，附加热量提取装置5包括：
-第一热接口元件9，将第一电热导体元件7与散热器元件4热耦合并且使第一电热导体元件7与散热器元件4电绝缘；
-第二热接口元件10，将第二电热导体元件8与散热器元件4热耦合并且使第二电热导体元件8与散热器元件4电绝缘。
优选地，热接口元件9、10在散热器元件4的第一表面4A处定位在电热导体元件7、8与散热器元件4之间。
优选地，每个热接口元件9、10由具有良好的导热性和良好的电绝缘性能以避免漏电流流过散热器元件4的相应材料(例如，硅橡胶、硅弹性体、云母、相变化合物等)的垫形成。
优选地，当上面提到的电力线包括中性导体N时(图2、8)，附加热量提取装置5包括：
-第三热接口元件11，将第一中性端子N1与散热器元件4热耦合并且使第一中性端子N1与散热器元件4电绝缘；
-第四热接口元件12，将第二中性端子N2与散热器元件4热耦合并且使第二中性端子N2与散热器元件4电绝缘。
优选地，热接口元件11、12在散热器元件4的第二表面4B处位于中性端子N1、N2和散热器元件4之间。
优选地，当开关组件2包括两个电力开关2A-2B时(图7-8)，开关设备1包括支撑板60，一个或多个电力开关2A、2B安装在支撑板60上。
方便地，在支撑板60上实现合适的导电装置60B(例如，导电通孔或引脚)，以将开关组件2的电力端子P1、P2与附加热量提取装置5的对应的电热导体元件7、8电连接。另外的合适的导电迹线60A沉积在支撑板60上，以将开关组件2的电力端子P3、P4彼此电连接。可以实现其它导电迹线或装置以将电力开关2A、2B的端子与电力端子P1、P2电连接。
优选地，支撑板60是PCB，可以通过众所周知的印刷电路制造技术在其上实现导电装置和迹线。
根据本发明的这些实施例的进一步的变体(图3-4、9-10)，附加热量提取装置5包括第三电热元件17和第四电热元件18，第三电热元件17将第一线路端子T1与开关组件2的第一电力端子P1热耦合和电耦合，第四电热元件18将第二线路端子T2与开关组件2的第二电力端子P2热耦合和电耦合。
优选地，当开关组件2包括单个电力开关2A时(图3-4)，第三电热导体元件17将第一线路端子T1与电力开关2A的形成第一电力端子P1的端子热耦合，并且第四电热导体元件18将第二线路端子T2与电力开关2A的形成第二电力端子P2的端子热耦合。
优选地，当开关组件2包括两个电力开关2A、2B时(图9-10)，第三电热导体元件17将第一线路端子T1与电力开关2A的形成第一电力端子P1的端子热耦合，并且第四电热导体元件18将第二线路端子T2与电力开关2B的形成第二电力端子P2的端子热耦合。
优选地，每个电热导体元件17、18由对应的导电线或导电桥形成，该导电线或导电桥由具有良好导热性和导电性的材料(例如，Al、Cu)制成并且具有延伸部分以确保与对应的电力开关2A、2B的最佳热交换。
优选地，电热导体元件17、18位于散热器元件4的远侧。
优选地，一个或多个电力开关2A、2B定位在散热器元件4的第一表面4A处，并且它们可以以已知的方式热耦合到散热器元件4的第一表面4A。上述技术方案提供了用于从开关组件2提取的热量和线路电流的公共路径，其远离与散热器元件4的接口。
上述技术方案的优点包括允许线路端子T1、T2的定位的高度灵活性，这对于减小开关设备1的整体尺寸的目的可以是相当有用的。
优选地，开关设备1包括支撑板6，一个或多个电力开关2A、2B安装在支撑板6上，并且第一和第二线路端子T1、T2与散热器元件4隔开地定位在支撑板6上。
方便地，当开关组件2包括两个电力开关2A、2B时(图9-10)，在支撑板6上沉积合适的导电迹线6A以将开关组件2的电力端子P3、P4电连接。可以实现其它导电迹线或装置以将电力开关2A、2B的端子与电力端子P1、P2电连接。
优选地，支撑板6是PCB，可以通过众所周知的印刷电路制造技术在其上实现导电装置和迹线。
根据另一个变体(未示出)，线路端子T1、T2可以方便地在散热器元件4的第一表面4A处定位在散热器元件4附近，而不是定位在支撑板6上。
优选地，当上面提到的电力线包括中性导体N时(图4、10)，附加热量提取装置5包括：
-第三热接口元件11，将第一中性端子N1与散热器元件4热耦合并且使第一中性端子N1与散热器元件4电绝缘；
-第四热接口元件12，将第二中性端子N2与散热器元件4热耦合并且使第二中性端子N2与散热器元件4电绝缘。
优选地，热接口元件11、12在散热器元件4的第二表面4B处定位在中性端子N1、N2和散热器元件4之间。
在本发明的其它实施例中(图5-6、11-12)，附加热量提取装置5适于将第一和第二线路端子T1、T2与散热器元件4热耦合。
在实践中，根据这些实施例，第一和第二线路端子T1、T2定位在散热器元件4附近(在散热器元件4的第一表面4A处)，并且附加热量提取装置5用于通过散热器元件4从开关组件2中提取热量并且用于通过线路端子T1、T2沿着相导体P传送所提取的热量。
在这种情况下，附加热量提取装置5不提供线路端子T1、T2和电力端子P1、P2之间的电连接。这些后面的部件可以借助于沉积在绝缘支撑元件上的导电迹线或传导线以传统的方式电连接。
根据这些实施例，附加热量提取装置5包括：
-第五热接口元件13，将第一线路端子T1与散热器元件4热耦合并且使第一线路端子T1与散热器元件4电绝缘；
-第六热接口元件14，将第二线路端子T2与散热器元件4热耦合并且使第二线路端子T2与散热器元件4电绝缘。
优选地，热接口元件13、14在散热器元件4的第一表面4A处定位在线路端子T1、T2和散热器元件4之间。
优选地，每个热接口元件13、14由具有良好的导热性和良好的电绝缘性能以避免漏电流流过散热器元件4的相应材料的垫(例如，硅橡胶、硅弹性体、云母、相变化合物等)形成。
优选地，一个或多个电力开关2A、2B定位在散热器元件4的第一表面4A处，并且它们可以以已知的方式热耦合到散热器元件4，或者更优选地，通过热接口元件13、14热耦合，其中热接口元件13、14可以适当地布置以便定位在所述一个或多个电力开关2A、2B和散热器元件4之间(图5-6、11-12)。
优选地，线路端子T1、T2和对应的电力端子P1、P2之间的电连接借助于合适的导电元件16(例如，导线或导电桥)来实现。
优选地，当开关组件2包括两个电力开关2A-2B时(图11-12)，开关设备1包括支撑板60，一个或多个电力开关2A、2B安装在支撑板60上。
方便地，合适的导电迹线60A沉积在支撑板60上以将开关组件2的电力端子P3、P4彼此电连接。可以实现其它导电迹线或装置以将电力开关2A、2B的端子与电力端子P1、P2电连接。
优选地，支撑板60是PCB，可以通过众所周知的印刷电路制造技术在其上实现导电装置和迹线。
优选地，当上面提到的电力线包括中性导体N时(图6、12)，附加热量提取装置5包括：
-第三热接口元件11，将第一中性端子N1与散热器元件4热耦合并且使第一中性端子N1与散热器元件4电绝缘；
-第四热接口元件12，将第二中性端子N2与散热器元件4热耦合并且使第二中性端子N2与散热器元件4电绝缘。
优选地，热接口元件11、12在散热器元件4的第二表面4B处定位在中性端子11、12和散热器元件4之间。
现在提供图1-12中所示的具体实施例的简要描述。
实施例#1
参考图1的实施例，开关设备1包括开关组件2，开关组件2包括单个电力开关2A。电力开关2A安装在由导电板形成的电热导体元件7、8上。线路端子T1安装在电热导体元件7上，而线路端子T2安装在电热导体元件8上。电热导体7、8在散热器元件4的第一表面4A处定位在散热器元件4附近。
电热导体7、8由Cu的导电板形成。热接口元件9、10插入在电热导体元件7、8和散热器元件4之间。热接口元件9、10由导热和电绝缘材料的垫形成。电热导体元件7、8与开关组件2的电力端子P1、P2电连接。根据这个实施例，附加热量提取装置5由电热导体元件7、8和热接口元件9、10形成。
实施例#2
参考图2的实施例，开关设备1与图1中描述的开关设备的不同之处在于，它包括用于与中性导体N电连接的中性端子N1、N2。中性端子N1、N2在散热器元件4的第二表面4B处定位在散热器元件4附近。热接口元件11、12插入在中性端子N1、N2和散热器元件4之间。热接口元件11、12由导热且电绝缘的材料的垫形成。根据这个实施例，附加热量提取装置5由电热导体元件7、8和热接口元件9、10、11、12形成。
实施例#3
参考图3的实施例，开关设备1包括开关组件2，开关组件2包括单个电力开关2A。电力开关2A在散热器元件4的第一表面4A处安装在散热器元件4上。至少一层导热材料层25(例如，导热油脂)可以插入在电力开关2A和散热器元件4的第一表面4A之间。电力开关2A耦合到PCB 6的第一表面。第一和第二线路端子T1、T2安装在PCB 6上与所述第一表面相对的第二表面处。由具有延伸部分(例如5mm2)的导线形成的电热导体元件17、18将电力端子P1、P2与线路端子T1、T2电耦合和热耦合。根据这个实施例，附加热量提取装置5由电热导体元件17、18形成。
实施例#4
参考图4的实施例，开关设备1与图3中描述的开关设备的不同之处在于，它包括用于与中性导体N电连接的中性端子N1、N2。中性端子N1、N2在散热器元件4的第二表面4B处定位在散热器元件4附近。热接口元件11、12插入在中性端子N1、N2和散热器元件4之间。热接口元件11、12由导热且电绝缘的材料的垫形成。根据这个实施例，附加热量提取装置5由电热导体元件17、18和热接口元件11、12形成。
实施例#5
参考图5的实施例，开关设备1包括开关组件2，开关组件2包括单个电力开关2A。电力开关2A和线路端子T1、T2在散热器元件4的第一表面4A处定位在散热器元件4附近。热接口元件13、14插入在线路端子T1、T2和散热器元件4之间。热接口元件13、14还插入在电力开关2A和散热器元件4之间。热接口元件13、14由导热且电绝缘的材料的垫形成。传统导电线16将电力端子P1、P2与线路端子T1、T2电耦合。根据这个实施例，附加热量提取装置5由热接口元件13、14形成。
实施例#6
参考图6的实施例，开关设备1与图5中描述的开关设备的不同之处在于，它包括用于与中性导体N电连接的中性端子N1、N2。中性端子N1、N2在散热器元件4的第二表面4B处定位在散热器元件4附近。热接口元件11、12插入在中性端子N1、N2和散热器元件4之间。热接口元件11、12由导热且电绝缘的材料的垫形成。根据这个实施例，附加热量提取装置5由热接口元件11、12、13、14形成。
实施例#7
参考图7的实施例，开关设备1包括开关组件2，开关组件2包括两个电力开关2A、2B。电力开关2A安装在电热导体元件7上，而电力开关2B安装在电热导体元件8上。电热导体7、8由Cu的导电板形成。线路端子T1安装在电热导体元件7上，而线路端子T2安装在电热导体元件8上。电热导体7、8在散热器元件4的第一表面4A处定位在散热器元件4附近。电热导体7、8由Cu的导电板形成。热接口元件9、10插入在电热导体元件7、8和散热器元件4之间。热接口元件9、10由导热且电绝缘的材料的垫形成。电热导体元件7、8与开关组件2的电力端子P1、P2电连接。电力开关2A、2B耦合到PCB 60。合适的导电迹线60A沉积在PCB 60上，以将开关组件2的电力端子P3、P4彼此电连接。根据这个实施例，附加热量提取装置5由电热导体元件7、8和热接口元件9、10形成。
实施例#8
参考图8的实施例，开关设备1与图7中描述的开关设备的不同之处在于，它包括用于与中性导体N电连接的中性端子N1、N2。中性端子N1、N2在散热器元件4的第二表面4B处定位在散热器元件4附近。热接口元件11、12插入在中性端子N1、N2和散热器元件4之间。热接口元件11、12由导热且电绝缘的材料的垫形成。根据这个实施例，附加热量提取装置5由电热导体元件7、8和热接口元件9、10、11、12形成。
实施例#9
参考图9的实施例，开关设备1包括开关组件2，开关组件2包括两个电力开关2A、2B。电力开关2A、2B在散热器元件4的第一表面4A处安装在散热器元件4上。电力开关2A、2B耦合到PCB 6的第一表面。至少一层导热材料层25(例如，导热油脂)可以插入在每个电力开关2A、2B和散热器元件4的第一表面4A之间。第一和第二线路端子T1、T2在与所述第一表面相对的第二表面处安装在PCB 6上。由具有延伸部分(例如5mm2)的导电线形成的电热导体元件17、18将电力端子P1、P2与线路端子T1、T2电耦合和热耦合。合适的导电迹线6A沉积在PCB 6上，以将开关组件2的电力端子P3、P4彼此电连接。根据这个实施例，附加热量提取装置5由电热导体元件17、18形成。
实施例#10
参考图10的实施例，开关设备1与图9中描述的开关设备的不同之处在于，它包括用于与中性导体N电连接的中性端子N1、N2。中性端子N1、N2在散热器元件4的第二表面4B处定位在散热器元件4附近。热接口元件11、12插入在中性端子N1、N2和散热器元件4之间。热接口元件11、12由导热且电绝缘的材料的垫形成。根据这个实施例，附加热量提取装置5由电热导体元件17、18和热接口元件11、12形成。
实施例#11
参考图11的实施例，开关设备1包括开关组件2，开关组件2包括两个电力开关2A、2B。电力开关2A、2B和线路端子T1、T2在散热器元件4的第一表面4A处定位在散热器元件4附近。热接口元件13、14插入在线路端子T1、T2和散热器元件4之间。热接口元件13、14还插入在电力开关2A、2B和散热器元件4之间。热接口元件9、10由导热且电绝缘的材料的垫形成。传统导线16将电力端子P1、P2与线路端子T1、T2电耦合。电力开关2A、2B耦合到PCB 60。合适的导电迹线60A沉积在PCB 60上，以将开关组件2的电力端子P3、P4彼此电连接。根据这个实施例，附加热量提取装置5由热接口元件13、14形成。
实施例#12
参考图12的实施例，开关设备1与图11中描述的开关设备的不同之处在于，它包括用于与中性导体N电连接的中性端子N1、N2。中性端子N1、N2在散热器元件4的第二表面4B处定位在散热器元件4附近。热接口元件11、12插入在中性端子N1、N2和散热器元件4之间。热接口元件11、12由导热且电绝缘的材料的垫形成。根据这个实施例，附加热量提取装置5由热接口元件11、12、13、14形成。
为了简单起见，上面已经特别参考上面提到的电力线包括单相导体P的情况描述了本发明的开关设备1。但是，从上面说明的描述和示例中可以明显看出，当上面提到的电力线包括多个相导体时，开关设备1包括对应数量的线路端子T1、T2对、对应数量的开关组件2和对应数量的附加热量提取装置5。
优选地，对于这些应用，开关设备1包括单个散热器元件4。
在实践中已经看到，根据本发明的固态开关设备1如何允许实现上述目的和目的。
附加热量提取装置5允许显著提高从开关组件2进行热量提取处理的效率。
在下文中，给出了报告在传统固态开关设备和根据本发明(实施例#7)的开关设备上执行的实验稳态温度测量的表格。
除了存在本发明的附加热量提取装置以外，所测试的开关设备具有类似的结构。
两个测试的开关设备都包括两个电力开关，并且已经在相同的线路电流(12A)处操作足够长的相同时间间隔以达到稳态条件(例如15分钟)。
传统的固态开关设备 本发明的实施例#7
散热器温度(℃) 52.8 45.2
环境温度(℃) 22.4 21.2
线路端子温度(℃) 30.5 39.8
如能够认识到的，相对于传统开关设备所发生的情况，本发明的开关设备示出了散热器元件的较低操作温度和线路端子的较高操作温度。这种现象是由于存在附加热量提取装置，其从散热器元件(并且因此从电力开关)吸收附加的热流并且通过线路端子沿着相导体传送吸收的热量。
由本发明的附加热量提取装置提供的改进的热量提取效率提供了相关的优点，特别是在设计灵活性方面。
一方面，可以减小散热器元件的尺寸，并因此减小在给定的标称线路电流水平处操作的开关设备的整体尺寸。
另一方面，可以使开关设备在较高的标称线路电流水平处操作，同时保持散热器元件的尺寸恒定并因此保持所述开关设备的整体尺寸恒定。
因此，相对于具有相同电流等级的传统设备，本发明的开关设备可以具有相对小的尺寸，或者相对于具有相同整体尺寸的传统设备，本发明的开关设备显示出改进的性能。
本发明的开关设备具有相对简单和紧凑的结构，其可以利用成熟的电子电路制造工艺容易地组装，例如，采用众所周知的印刷电路制造技术。
因此，利用已知类型的制造技术，本发明的开关设备可以在工业水平上容易且廉价地生产。

Claims (18)

1.一种固态开关设备，包括：
-一对线路端子，包括用于与电力线的对应相导体电连接的第一线路端子和第二线路端子；
-包括一个或多个固态电力开关的开关组件，所述开关组件具有分别与所述第一线路端子和第二线路端子电连接的第一电力端子和第二电力端子；
-散热器元件，与所述开关组件热耦合，以吸收来自所述开关组件的热量；
-附加热量提取装置，与所述开关组件和所述一对线路端子接触，所述附加热量提取装置被配置用于从所述开关组件提取热量并且通过所述第一线路端子和第二线路端子将吸收的热量的至少一部分传送到电力线的对应相导体。
2.如权利要求1所述的固态开关设备，其中所述固态开关设备包括用于与所述电力线的中性导体电连接的第一中性端子和第二中性端子，其中所述附加热量提取装置从所述散热器元件吸收热量并通过所述第一中性端子和第二中性端子沿着所述中性导体传送吸收的热量的至少一部分。
3.如权利要求1所述的固态开关设备，其中所述附加热量提取装置将所述第一线路端子和第二线路端子与所述开关组件热耦合，并且将所述第一线路端子和第二线路端子分别与所述开关组件的第一电力端子和第二电力端子电耦合。
4.如权利要求3所述的固态开关设备，其中所述附加热量提取装置包括：
-第一电热导体元件，将所述第一线路端子与所述开关组件热耦合并且将所述第一线路端子与所述第一电力端子电耦合；
-第二电热导体元件，将所述第二线路端子与所述开关组件热耦合并且将所述第二线路端子与所述第二电力端子电耦合。
5.如权利要求4所述的固态开关设备，其中所述开关组件包括单个固态电力开关。
6.如权利要求4所述的固态开关设备，其中所述开关组件包括彼此电连接的第一固态电力开关和第二固态电力开关。
7.如权利要求4所述的固态开关设备，其中所述附加热量提取装置包括：
-第一热接口元件，将所述第一电热导体元件与所述散热器元件热耦合并且使所述第一电热导体元件与所述散热器元件电绝缘；
-第二热接口元件，将所述第二电热导体元件与所述散热器元件热耦合并且使所述第二电热导体元件与所述散热器元件电绝缘。
8.如权利要求7所述的固态开关设备，其中所述固态开关设备包括用于与所述电力线的中性导体电连接的第一中性端子和第二中性端子，其中所述附加热量提取装置从所述散热器元件吸收热量并且通过所述第一中性端子和第二中性端子沿着所述中性导体传送吸收的热量的至少一部分，并且其中所述附加热量提取装置包括：
-第三热接口元件，将所述第一中性端子与所述散热器元件热耦合并且使所述第一中性端子与所述散热器元件电绝缘；
-第四热接口元件，将所述第二中性端子与所述散热器元件热耦合并且使所述第二中性端子与所述散热器元件电绝缘。
9.如权利要求3所述的固态开关设备，其中所述附加热量提取装置包括第三电热导体元件和第四电热导体元件，其中第三电热导体元件将所述第一线路端子与所述第一电力端子热耦合和电耦合，并且第四电热导体元件将所述第二线路端子与所述第二电力端子热耦合和电耦合。
10.如权利要求9所述的固态开关设备，其中所述第三电热导体元件和第四电热导体元件由对应的导电线或导电桥形成，所述导电线或导电桥由具有良好导热性和导电性的材料制成并且具有延伸部分。
11.如权利要求9所述的固态开关设备，其中所述开关组件包括单个固态电力开关。
12.如权利要求9所述的固态开关设备，其中所述开关组件包括彼此电连接的第一固态电力开关和第二固态电力开关。
13.如权利要求9所述的固态开关设备，其中所述固态开关设备包括用于与所述电力线的中性导体电连接的第一中性端子和第二中性端子，其中所述附加热量提取装置从所述散热器元件吸收热量并且通过所述第一中性端子和第二中性端子沿着所述中性导体传送吸收的热量的至少一部分，并且其中所述附加热量提取装置包括：
-第三热接口元件，将所述第一中性端子与所述散热器元件热耦合并且使所述第一中性端子与所述散热器元件电绝缘；
-第四热接口元件，将所述第二中性端子与所述散热器元件热耦合并且使所述第二中性端子与所述散热器元件电绝缘。
14.如权利要求1所述的固态开关设备，其中所述附加热量提取装置将所述第一线路端子和第二线路端子与所述散热器元件热耦合。
15.如权利要求14所述的固态开关设备，其中所述附加热量提取装置包括：
-第五热接口元件，将所述第一线路端子与所述散热器元件热耦合并且使所述第一线路端子与所述散热器元件电绝缘；
-第六热接口元件，将所述第二线路端子与所述散热器元件热耦合并且使所述第二线路端子与所述散热器元件电绝缘。
16.如权利要求15所述的固态开关设备，其中所述开关组件包括单个固态电力开关。
17.如权利要求15所述的固态开关设备，其中所述开关组件包括彼此电连接的第一固态电力开关和第二固态电力开关。
18.如权利要求15所述的固态开关设备，其中所述固态开关设备包括用于与所述电力线的中性导体电连接的第一中性端子和第二中性端子，其中所述附加热量提取装置从所述散热器元件吸收热量并且通过所述第一中性端子和第二中性端子沿着所述中性导体传送吸收的热量的至少一部分，并且其中所述附加热量提取装置包括：
-第三热接口元件，将所述第一中性端子与所述散热器元件热耦合并且使所述第一中性端子与所述散热器元件电绝缘；
-第四热接口元件，将所述第二中性端子与所述散热器元件热耦合并且使所述第二中性端子与所述散热器元件电绝缘。
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