CN111492452B - 用于传导和切断电流的开关装置以及具有这种开关装置的开关设备 - Google Patents

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Abstract

揭示一种用于传导和切断电流的开关装置，具有第一机械触点配置(10)、与所述第一机械触点配置串联的第二触点配置(30)、与所述第一机械触点配置并联的半导体开关(20)、以及适于将所述半导体开关(20)接通和关断的电子开关机构(50)，其中所述开关装置是如此构建，使得在开关操作中将这两个机械触点配置(10，30)以时间上相对彼此延迟的方式闭合。此外设有控制电路(90)，其适于测定第一机械触点配置(10)上的电压并且根据测定的电压产生针对电子开关机构(50)的控制信号，该控制信号将半导体开关(20)接通。

Description

用于传导和切断电流的开关装置以及具有这种开关装置的开 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装置，特别是一种用于导引和切断高直流电流以及低频交流电流的混合式开关配置，以及一种具有这种开关装置的开关设备。
背景技术
在德国专利申请公开案DE 10 2013 114 259 A1中描述过混合式开关配置的一种有利方案，其中为了实现尽可能长的预期寿命以及尽可能小的规格，功率半导体的电流负荷在时间上被最小化，这对处于数百安培的电流范围内的电力接触器而言尤为重要。为了将流经功率半导体的负载电流在时间上最小化，通过电流互感器检测换向时间点，并且仅在开启的机械触点间隙达到足够的电气强度前维持经过半导体的电流。在这个短暂的时间内，通过控制将经过半导体的负载电流人工导引至零，故既在灭弧触点配置的断开后也在为此串联的动断触点配置的断开后实现安全的电隔离。
就开关设备的设计而言，一项重要任务在于，为了确保功能安全性以及为了实现较高的电寿命，防止开关触点的熔接。即使在使用适合的触点材料以及足够的触点尺寸的情况下，尤其是就针对处于数百安培的范围的电流且为此需要相对较高的触点压力的开关设备而言，仍存在在接通操作期间的接触过程中发生短暂的触点回颤的危险。在这种颤动过程中会在最小程度断开的触点之间短暂地形成电弧。特别是在弧电流较高的情况下，可能会在电弧根的区域内发生触点表面的局部熔化，其在紧随其后的重新接触过程中导致两个触点的熔接。其中，特别是就表面因大量带电弧的开关操作而已具有严重改变之表面形貌的触点而言，熔接的概率上升。在此情形下，首要是在触点尖端的区域内发生点式熔接。如果在后续的关断操作中无法借助开关驱动装置将这种熔接重新破坏，则开关设备不再能够良好地运作。这原则上也适用于混合式开关。例如，如果在德国专利申请公开案DE 102013 114 259 A1所描述的混合式开关配置的接通过程中发生所谓的灭弧触点的熔接，则可能在后续的关断操作中不再发生至功率半导体的换向，其通过灭弧触点的机械断开实现。由于未实现负载电流至IGBT的换向，混合式开关丧失其基本功能，即通过短暂地导引负载电流经过半导体而在该处将负载电流导引至零。在负责混合式开关的电隔离的第二机械触点配置的断开过程中，可能形成持续的电弧，进而发生开关设备的损毁。
在德国专利申请公开案DE 10 2016 106 414 A1中描述过一种混合式开关配置，借助该混合式开关配置通过针对性地减轻接通过程中的触点熔接防止高电流，借此提升功能安全性以及实现尽可能高的电寿命。这个配置的功能原理为：在第一机械接触前，功率半导体已处于连通状态下，故在随后的开关触点的机械回颤阶段期间，当开关触点短暂断开时，功率半导体总是传导负载电流。随着颤动阶段结束，持续地通过闭合的触点进行输电，且IGBT切换至阻断状态。
这样便能避免在触点颤动阶段期间形成电弧，就结果而言电弧可能导致开关触点的熔接且进而可能导致开关设备的失灵。
美国专利案US 4,420,784揭示过一种混合式开关配置，其中在两个串联的机械触点配置中的一个的断开期间，测量这些触点配置中的一个上的电压和电流。如果测得的电流和测得的电压达到预定的比例，则通过控制逻辑电路激活驱动电路，其接通与断开的机械触点配置并联的功率场效应晶体管。
发明内容
下面对装置和设备进行描述，其中形成非期望的开关电弧的危险有所减小，且借此能够提升功能安全性以及实现尽可能高的电寿命。
根据第一方面，揭示一种用于传导和切断电流的开关装置，具有第一机械触点配置、与所述第一机械触点配置串联的第二触点配置、与所述第一机械触点配置并联的半导体开关、以及适于将所述半导体开关接通和关断的电子开关机构，其中所述开关装置是如此构建，使得在开关操作中将这两个机械触点配置以时间上相对彼此延迟的方式闭合，且其中设有控制电路，其适于测定第一机械触点配置上的电压并且根据测定的电压产生针对电子开关机构的控制信号，该控制信号将半导体开关接通。为了对半导体开关进行控制，在此使用时间上相对彼此延迟闭合的两个机械触点配置的串联电路上的电压条件。亦即，在这个开关装置中实施一个电子接通辅助系统，其应用于机械触点配置的时间上延后的闭合，并且有助于减小甚或避免特别是因机械触点配置的接通颤动而产生的电弧。通过对第一机械触点配置上的电压状态进行监控，能够时间上有所改善地对半导体开关进行与第一机械触点配置匹配的控制。借此特别是能够将例如因驱动中的线圈的升温造成的公差、冲程公差和/或开关机构中的摩擦、因使用位置造成的公差考虑在内，而不同于半导体开关的固定设定的接通时间，其需要如此安排，使得在半导体开关的接通过程中因所有可能出现的公差而存在足够大的超前。
所述控制电路特别是能够测定存在于所述第一机械触点配置上的电压的下降。这样一来，电压的下降触发针对电子开关机构的控制信号的产生。作为存在于第一机械触点配置上的电压的下降，例如可以测定负电压沿，特别是电压在给定的持续时间内的下降，例如给定的电压在数微秒内的超过50％的下降。可借助电容器动态检测负电压沿。
所述控制电路还可如下设计：在测定的电压低于给定的阈值的情况下，产生针对所述电子开关机构的控制信号。所述给定的阈值例如可以如此根据机械触点配置的串联电路上的电压条件选择，使得所述阈值略低于在第二触点配置闭合情况下的电压，故在第一触点配置闭合时，电压降至该给定的阈值以下，且所述控制电路能够借此产生控制信号。
所述控制电路特别是可以如下设计：如此产生针对电子开关机构的控制信号，使得半导体开关在给定的持续时间后接通。借此能够减小半导体开关的电流负荷。
所述给定的持续时间可以根据第一机械触点配置的机械接通特性和/或根据半导体开关的电流负载能力选择。例如可如此选择，使得半导体开关在第一机械触点配置的第一接触操作后不久才接通或者以与该第一接触操作近乎同时的方式接通，借此在时间上尽可能缩短半导体开关的电流负荷。
所述控制电路可以具有第一开关和设于该第一开关上游的低通滤波器，其中所述第一开关产生针对电子开关机构的控制信号。通过所述低通滤波器能够定义控制信号的产生的延迟以及半导体开关的接通延迟，特别是通过低通滤波器的时间常量来定义。
所述控制电路可以具有与所述低通滤波器的电容器并联的用于限制电压的齐纳二极管。
所述控制电路还可具有与所述低通滤波器的电容器并联的电阻器，其与低通滤波器的电阻形成分压器，用于产生适用于第一开关控制的输入电压。
所述第一开关可以是常态阻断的场效应晶体管，其负载段以与电阻器串联并且与电子开关机构并联的方式连接在供电电压电位与基准电位之间，其中为了进行控制，在输入侧将电阻器的与供电电压电位连接的接头上的电压电位输送至电子开关机构。如果所述场效应晶体管的控制接头上的电压下降，则电阻器的与供电电压电位连接的接头上的电压电位提升，故电子开关机构能够将半导体开关接通。
根据第二方面，揭示一种开关设备，具有根据第一方面以及在此揭示的开关装置，以及具有用于使第一和第二机械触点配置的触点运动的开关驱动装置。
附图说明
更多特征参阅下文结合附图所示实施例进行的描述。
其中：
图1为具有双触点配置的开关装置的实施例的框图；
图2为应用在图1的开关装置中的控制电路的电路图；
图3为图表，包含具有双触点配置的开关装置的实施例的重要信号的特性曲线；以及
图4为图表，包含具有双触点配置并且具有控制电路的的开关装置的实施例的重要信号的特性曲线。
具体实施方式
在下文中，相同、功能相同以及功能相关的元件是用相同的附图标记表示。下文仅例示性地给出绝对值，其并不构成限制。
图1为针对极性无关的2极开关设备的开关装置的框图。开关设备的针对两极的接头是分别用L1、T1以及L2、T2表示。就电路而言，这个开关装置大体对应在德国专利申请公开案DE 10 2013 114 259 A1中描述的以及在该案中在图1中示出的装置。与这个已知的装置相比，下文描述的装置区别在于控制电路90，其适于对半导体开关20进行专门控制，下文将对此进行详细说明。
针对每个极，如图1所示的开关装置均具有第一机械(灭弧)触点配置10与基于反向串联的IGBT配置(功率半导体)的半导体开关20的并联电路，其与用于确保电隔离的第二机械(动断)触点配置30串联(双触点配置)。机械触点配置10和30可以构建为空气开关设备或空气开关设备配置的桥式开关配置，或者构建为真空开关管的双重配置，例如如同在德国专利申请公开案DE 10 2016 108 246 A1中描述的开关管那样。
通过电子开关机构50将半导体开关20接通或者关断，即导通或者阻断。可以为电子开关机构50供应存储在开关设备的开关驱动装置或磁力驱动装置的(磁力驱动)线圈中的能量。为此，设有与开关驱动器的电路电隔离的辅助线圈40，其能够在开关驱动器切断时产生用于为电子开关机构50供能的电压。辅助线圈40例如可以围绕驱动线圈卷绕。
作为补充或替代方案，可通过(未绘示的)外部电力源对电子开关机构50进行供能，例如通过针对开关柜的电气单元的中央能量源实现，或者通过耦合有数个开关装置的总线系统以及诸如此类实现。
在接通情形下，即当开关驱动装置为磁力驱动线圈供应电压和电流，且第一及第二机械触点配置10和30的触点闭合时，半导体开关20被阻断，特别是因为在此状态下辅助线圈40不产生用于为电子开关机构50供能的电压，故电子开关机构50无电压且无法对半导体开关20的IGBT进行控制。
在接通开关驱动装置的磁力驱动线圈的电压及电流供应，以将第一及第二机械触点配置10和30的触点闭合的时刻，在该磁力驱动线圈中存储能量。通过线圈电流在与该磁力驱动线圈电磁耦合的辅助线圈40中感生一个电压，其对电子开关机构50进行供能。
在辅助线圈40中感生的电压足以一方面为电子开关机构50自身供能，另一方面建立为控制IGBT所需的电压。辅助线圈40的优点是，在第一和第二机械触点配置10或30的触点因机械惯性而闭合前，便已能对半导体开关进行控制。
在接通开关驱动装置的磁力驱动线圈的电压及电流供应，以将第一及第二机械触点配置10和30的触点闭合的时刻，也可以激活一个外部供电，从而将电子开关机构50激活。
在输入侧将一个电压电位从与第一机械触点配置10并联的分压器80的节点输送至上文已述及的控制电路90。根据这个电压电位，控制电路90测定第一机械触点配置10上的电压，并据此测定针对电子开关机构50的控制信号，使得这个控制信号将半导体开关20接通，下文将对此作详细描述。
图2详细示出控制电路90：输入侧的自分压器80的节点输送并且存在于分压器80的节点上的电压电位X等于机械触点配置上的当前电压。通过连接在控制电路90的输入与基准电位GND之间的齐纳二极管910限制这个电压电位X。基准电位GND(接地基准点)等于半导体开关20中的电压电位，即半导体开关20的IGBT的两个集合的发射极端子的节点上的电压电位。通过经分压器914分压的电压电位X对第一开关912、例如增强型的场效应晶体管进行控制。连接在第一开关912的控制接头(例如场效应晶体管的栅极)与基准电位GND之间的具有电容C的电容器916用作电荷存储器，并且与分压器914的电阻RE一起用作延迟元件，借助该延迟元件通过时间常量t＝RE*C将第一开关912的通断延迟。第一开关912的受控系统是以与用于根据电子开关机构50进行信号调整的(上拉)电阻918串联的方式连接在供电电压电位Vcc与基准电位GND之间。
下面对双触点配置的接通特性进行描述，其包含触点配置的以及带接通辅助系统的混合式开关配置(如图1所示)的经延迟的闭合操作，该混合式开关配置故而适于频繁地将较高的直流电流通断。
在如图1所示的配置中，通过为电磁驱动器的驱动线圈(用于操纵开关装置的机械触点配置)馈电来引起接通操作。同时为IGBT电子控制机构或电子开关机构50供能。在初始化操作完成后，直至就针对高电流的开关设备而言例如可能落在约10毫秒的范围内的第一机械接触的时间点为止，通过接通辅助系统将IGBT或半导体开关20阻断。这样便确保：在机械触点配置30的第一触点对的机械接触过程中，负载电流尚不流经IGBT 20。在如图1所示的混合式配置中，机械触点配置10、30的闭合首先在动断触点配置30处进行，其在关断操作后确保混合式开关的电隔离。在通常为数毫秒的延时后，才将灭弧触点配置10闭合。
图3示出在包含第一与第二机械触点配置10、30的串联电路的双触点配置中，(动断)触点配置30(特性曲线TK)、(灭弧)触点配置10(特性曲线LK)以及经过接入的极的负载电流IL的状态。首先，在时间点t1上将机械触点配置30闭合，而机械触点配置10尚且断开。故尚无负载电流流经接入的极。在将触点配置30闭合时通常发生触点颤动100，其导致触点配置30的短暂的断开及闭合操作，但由于触点配置10断开通常不会形成电弧。有所延迟地，在时间点t2上将触点配置10闭合。在这个闭合操作中同样通常发生触点颤动102，其又导致触点配置10的短暂的断开及闭合操作。由于触点配置30在此情形下已闭合，负载电流IL随触点配置10的闭合操作开始流动。由于触点颤动102和与此关联的经过接入的极的负载电流路径的短暂中断，可能发生负载电流IL的电流中的凹陷104，如负载电流在图表中在触点颤动102期间的特性曲线所示。在触点颤动102在时间点t3上消退后，以及在这两个触点配置10和30完全闭合后，负载电流IL的经过接入的极的电流才稳定化。在触点颤动102期间，可能在触点配置10的触点之间形成电弧，其可能导致对触点性能的负面影响，或者甚至导致触点配置10的触点的熔接。
图4示出在如图1所示的包含接通辅助系统的混合式开关配置中，即在使用控制电路90的情况下，(动断)触点配置30(特性曲线TK)、(灭弧)触点配置10(特性曲线LK)以及经过接入的极的负载电流IL的状态。此外，在图4中示出电压电位X、场效应晶体管912的栅极上的电压以及经过IGBT或半导体开关20的电流的特性曲线。首先，在时间点t-1上再次将机械触点配置30闭合，而机械触点配置10尚且断开。故尚无负载电流流经接入的极。在触点配置30的闭合过程中通常出现的触点颤动100引起电压电位X的对应波动甚或凹陷106，其在触点颤动结束后终止，故电压电位X能够重新达到其在触点间隙开启或极开启的情况下的对应的值。有所延迟地，在时间点t0上将触点配置10闭合。在此闭合操作中通常出现的触点颤动102又引起电压电位X的对应波动甚或凹陷106。从时间点t0起，负载电流IL开始流动。
然而，与如图3所示的负载电流IL特性曲线的区别在于，在时间点t0上，在触点配置10的闭合期间，将与这个触点配置并联的半导体开关20闭合，故负载电流的电流能够换向至半导体开关20。半导体开关30在此情形下一直保持闭合，直至触点颤动102消退且触点配置10稳定闭合。因此，从负载电流IL的特性曲线可以看出，通常不发生负载电流IL在触点配置10闭合期间的电流凹陷，或至少是仅发生非常小的凹陷。
在如图1所示的电路配置中，通过控制电路90如下实施对IGBT或半导体开关20的控制：通过(动断)触点配置30在时间点t-1上的闭合操作，使得先前存在于包含两个触点配置10、30的整个触点间隙上的负载电压现存在于尚且断开的(灭弧)触点配置10上。
在直至这个时间点为止处于阻断状态下的IGBT或半导体开关20上，尚且通过(动断)触点配置30的闭合维持阻断状态，直至发生(灭弧)触点配置10的第一机械接触。随着(灭弧)触点配置10的闭合，存在于这个触点对上的负载电压也消失，亦即，电压电位X大体下降至零，这与用于IGBT控制或电子开关机构50的信号如此联系，使得半导体开关20例如在接触后以约100微秒的延迟进入传导状态，如在图4中通过半导体开关20的IGBT的控制电压UGate所示。在此，通过控制电路90以及特别是通过包含在这个控制电路中的低通滤波器引起延迟。此外，控制电路90确保：在输入侧以匹配的信号对电子开关机构50进行控制。
随着(灭弧)触点配置10因颤动而重新断开，负载电流能够立即换向至半导体开关20的连通的IGBT，并一直流经该处(参见图4中的电流IIGBT)，直至灭弧触点重新接触且电流能够流经机械触点。在重新回颤中，再一次地通过半导体开关20的IGBT接收负载电流。此换向操作一直继续，直至发生持续的接触。在从第一接触起的安全时间间距Δt后，半导体开关20的IGBT重新进入阻断状态。
就半导体开关20的IGBT的尽可能高的电寿命及其合理规格而言，优选地，在时间上对经过半导体开关20的电流进行限制，使得电流仅在机械触点间隙因机械颤动终止而完全平稳前流经该半导体开关。为了将经过半导体开关20的通电时间最小化，重要之处在于准确获知第一换向的时间点，因为在每个开关设备中，针对机械接通操作的有效时间因各种原因而波动。
换向至半导体开关20的已导通的IGBT的时间点可通过设于该处的电流互感器60(图1)检测。一旦有电流开始流经半导体开关20的IGBT，即电流从第一机械触点配置10换向至半导体开关20，电流互感器60便立即产生信号。电流互感器60所产生的指示换向的信号被输送至电子开关机构50，其能够据此如下文所述对半导体开关20进行控制。
紧随成功的换向，电子开关机构50能够如此控制半导体开关20，使得半导体开关20的IGBT在经电子开关机构50定义或给定的短暂的通电时间或导通时间(例如持续时间Δt)后重新阻断，致使经换向的负载电流在半导体开关20中在定义的持续时间Δt内被导引至零，且半导体开关20的IGBT的电流负荷受限。在理想情形下，通电时间是如此通过电子开关机构50安排，使得包含第一和第二机械触点配置10或30的触点间隙完全闭合，亦即，开关触点持续接触且不再发生可能的开关颤动。
此外，可通过电子开关机构50对来自电流互感器60的信号进行评估，并且立即就经过半导体开关20电流重新减小或如时间点t3一样约为零的情况发出信号，因为两个机械触点配置10和30的开关触点现持续接触，且不再发生开关触点的颤动，电子开关机构50能够将半导体开关20的IGBT重新阻断并且将经过半导体开关20的电流中断，这在持续时间Δt1结束前便可能发生。
通过为半导体开关20配备反向串联的IGBT，这种开关配置既可用于具有任意电流方向的直流电流，也可用于不同频率的交流电压，其中开关时间点因控制模块的独立供能而与相角无关。
在关断操作期间，在半导体开关20中在高电流下发生较高的dI/dt值，故可能产生远高于1kV的电压峰值。为了防止这种电压峰值的影响，优选为半导体20串联或者并联一个形式例如为压敏电阻70(图1)的保护机构。
概括言之即对灭弧触点配置的电压状态进行监控，并据此在时间上对半导体开关进行控制。在此，对电压状态的监控并非传统意义上的电压测量，而是就原理而言为某类事件侦测，亦即，当灭弧触点配置上的电压下降时，触发在时间上对半导体开关的控制。随着动断触点配置的闭合和由此产生的灭弧触点配置上的电压提升，接通辅助系统被激活，但半导体开关并非已经控制。随着灭弧触点配置的后续闭合以及随后的负电压沿，才触发半导体开关的接通。电压信号(脉冲沿信号)在此用作针对动断触点配置和灭弧触点配置的精确物理接触的定时器。其具有下列优点：
·实际上仅在灭弧触点配置的闭合操作中在触点断开期间为半导体开关施加电流。这对应待以给定的机械系统实现的最小的电流负荷。
·能够将所有机械公差(冲程公差、摩擦等)或因环境因素引起的公差(热、装入位置等)近乎完全消除。
·即使在动断触点配置小幅超前的情况下，也避免半导体开关的闭合与动断触点配置的闭合的重叠。亦即，动断触点同样无电弧地接通。
在此，动断触点配置上的电压检测如上文所述大体用作针对用于激活或接通半导体开关的时间标记的触发器，故无需实施为线性电压测量。
确切言之，借助“测量回路”中的电容器通过动态检测(脉冲沿)产生“电压信号”。
在本说明书中阐释的实施方案尤其适于应用在为通过直流电流和/或低频电流运行而设计的接触器、断路器和电机保护开关中。在电寿命相对较高的情况下，实现对较高直流电流和低频电流的通断，因为能够避免较长的电弧持续时间以及半导体开关的较长的电流负荷。此外，基于这些特性能够实现相对紧凑的用于高电流的开关设备。

Claims (12)

1.一种用于传导和切断电流的开关装置，具有
第一机械触点配置(10)，
第二机械触点配置(30)，其与所述第一机械触点配置串联，
半导体开关(20)，其与所述第一机械触点配置并联，以及
电子开关机构(50)，其适于将所述半导体开关(20)接通和关断，
其中所述开关装置是如此构建，使得在开关操作中将所述两个机械触点配置(10，30)以时间上相对彼此延迟的方式闭合，
其特征在于，
设有控制电路(90)，其适于测定所述第一机械触点配置(10)上的电压并且根据测定的电压产生针对所述电子开关机构(50)的控制信号，其将所述半导体开关(20)接通；
其中所述控制电路(90)具有第一开关和设于所述第一开关上游的低通滤波器，以及
其中所述第一开关产生针对所述电子开关机构(50)的控制信号。
2.根据权利要求1所述的开关装置，
其特征在于，
所述控制电路(90)适于在测定存在于所述第一机械触点配置上的电压的下降的情况下，产生针对所述电子开关机构(50)的控制信号。
3.根据权利要求2所述的开关装置，
其特征在于，
所述控制电路(90)适于在测定的电压低于给定的阈值的情况下，产生针对所述电子开关机构(50)的控制信号。
4.根据权利要求1所述的开关装置，
其特征在于，
所述控制电路(90)适于如此产生针对电子开关机构(50)的控制信号，使得所述半导体开关(20)在给定的持续时间后接通。
5.根据权利要求4所述的开关装置，
其特征在于，
所述给定的持续时间是根据所述第一机械触点配置(10)的机械接通特性和/或根据所述半导体开关(20)的电流负载能力选择。
6.根据权利要求1所述的开关装置，
其特征在于，
所述低通滤波器包括电容器和电阻器。
7.根据权利要求1所述的开关装置，
其特征在于，
所述控制电路(90)具有与所述低通滤波器的电容器并联的齐纳二极管。
8.根据权利要求1所述的开关装置，
其特征在于，
所述控制电路(90)具有与所述低通滤波器的电容器并联的电阻器，其与低通滤波器的电阻形成分压器，用于产生适用于第一开关控制的输入电压。
9.根据权利要求1所述的开关装置，
其特征在于，
所述第一开关是常态阻断的场效应晶体管，其负载段以与第三电阻器串联并且与所述电子开关机构(50)并联的方式连接在供电电压电位与基准电位之间，其中为了进行控制，在输入侧将电压电位输送至所述控制电路。
10.根据权利要求4所述的开关装置，其特征在于，所述半导体开关在所述第一机械触点配置的触点颤动阶段之后被关断。
11.根据权利要求4所述的开关装置，其特征在于，所述给定的持续时间是100μs。
12.一种开关设备，具有
根据上述权利要求中任一项所述的开关装置，以及
用于使所述第一和第二机械触点配置的触点进行运动的开关驱动装置。
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