CN1217813A

CN1217813A - 混合继电器

Info

Publication number: CN1217813A
Application number: CN97194422A
Authority: CN
Inventors: J·克尔恩; B·萨姆赖
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 1999-05-26
Also published as: DE59700541D1; WO1997042642A1; ATE185449T1; US6078491A; KR20000010803A; JP2000509547A; EP0897585B1; EP0897585A1; BR9708931A

Abstract

混合继电器具有的电磁继电器系统含有至少一个线圈(65)、一个铁心磁轭单元(1)以及至少一个切换接触器的电枢(2)和另外的一个功率半导体,其切换段与接触器组合切换继电器的负载电路,其中通过功率半导体单元(5)的时间偏移的控制无负载的切换该接触器。功率半导体(5)在此与铁心磁轭单元(1)进行热接触。因此达到了良好的导热性并且以较少的器件实现了紧凑的结构。

Description

混合继电器

本发明涉及一混合继电器，具有

-一电磁继电器系统，其具有至少一个线圈、一个通过线圈的铁心磁轭单元、至少一个电枢以及至少一个与电枢切换的接触偶，和

-一个功率半导体，其切换段总体以至少一个接触偶切换继电器的负载电路，并且其切换时间相对于电磁继电器系统能够时间交错的控制，接触偶没有负载的切换。

在负载下切换继电器接触器时，实现通过切换弯曲段很强的吸合，此时所产生的高热量能够用于焊接接触器，但是还能产生不希望的材料蠕变、烧毁并且以此减少寿命。为了避免这种现象应该使用混合继电器，其以开头所述的方式附加用到机械继电器接触器以作为一个电子开关，其能将最后的时间交错开并且如此在导通和关断时接收负载峰值，该继电器接触器“干式”的切换并且以此以较少的费用达到了较高的寿命。此种混合继电器例如公开在DE 37 01 838 A1或者US 47 72 809中。分别根据该情况在此电路中继电器接触器并联或者与功率半导体串联。在第一种情况下首先控制功率半导体并且然后连接继电器接触器，以使负载在工作期间通过继电器接触器流动，而半导体只传导较小的电流分量或者能够被完全的关断。在关断时存在反向的串联序列。在第二种情况下，也就是说串联电路的情况下，首先继电器接触器被关断并且然后控制功率半导体，或者在关断时，在变为无电流的接触器打开之前首先关断功率半导体。在第二种情况下负载电路持续流过功率半导体，以此一定要解决明显的热量损失。此串联电路具有例如如下意义，在双继电器或者变极继电器的情况下，两个电流电路必需精确的同时关断或者导通。

在传统的混合继电器或者混合电路中，传统构成的电磁系统与标准半导体以一般的电路技术连接。这表示一般情况下两个系统在相同的电路板上具有相应的空间需求。在此情况下半导体的损失热量通过传统的方式通过冷却体实现。

本发明的目的是提供开头所述类型的混合继电器，其具有紧凑的结构并且具有尽可能少的部件以及用于功率半导体的好和简单的热量传导。

按照本发明此目的通过开头所述类型的继电器如此达到，热量接触器中的功率半导体含有电磁继电器系统的铁心磁轭单元。

已经建议使用各种不同的技术用于半导体或者半导体电路以及电磁继电器的外壳(EP 0484 587 B1)，但是直到现在也没有脱离磁系统和没有任何电路连接到接触器。相对比的，在本发明的继电器中，功率半导体直接安装在电磁继电器的铁心磁轭上，因为其较大的横截面，能够快速的散发在晶体管中产生的热量，即部分的通过其大的表面区域，部分的通过铁心线圈。在此情况下继电器的磁路也起到部件安装的功能，这至少是用于功率半导体；可替换的在另一实施结构中能够安装特殊应用的集成电路模块。这一方面降低了物理尺寸和混合继电器的体积，并且半导体能够不使用其自己的外壳，因为其在继电器外壳中能够抵抗环境的影响。

在一优选实施例中，该继电器被设计为变极继电器，其中铁心磁轭通过基本平的板被设计为E形，在作为三个磁轭的两个边腿和一个中间腿之间，作为铁心的两个中间接片支持有线圈，其中两个电枢部分含有边腿的一个并且中间腿构成工作气隙，其中功率半导体设在中间腿上。因为在混合继电器的情况下，接触器无负载的切换，因此没有任何烧毁，在构造时也不用考虑任何的过行程。因此磁电路部分能够同时传导接触器电流，例如也可以将极平面作为接触平面构成。以此通过较少的元件实现了特别简单的结构。因为没有任何过行程并且因为在磁系统中的这些较小的工作气隙，在含有相同线圈的负载区域通过较小的接触阻抗能够产生较大的接触压力，或者能够应用较高的阻抗线圈以在传统的系统中产生相同的接触压力，但是具有较少的线圈热量。

本发明的特别有利的结构和改进在从属权利要求中给出。

下面参照实施例和附图详细解释本发明。

图1示出了根据本发明设计的和具有打开外壳的变极继电器的透视图，

图2示出了图1中具有功率半导体但是没有线圈和绝缘层的继电器的磁路和负载电路，

图3示出了从后面看到的图2中的磁路和接触电路，

图4示出了图1中的继电器的磁路和负载电路，其具有形成线圈成形器和固定所有端子的一体化的注塑外壳，

图5示出了另外一个角度的另外带有线圈的图4中的继电器设计，

图6示出了图5中的继电器设计的分段对中的透视图，

图7示出了从后面的图5的继电器设计，

图8示出了图1的混合继电器的电路图，

图9示出了相应于图1角度的具有一个电磁系统的混合继电器，

图10示出了与图1相似的混合继电器，但是具有含有功率半导体和控制电路的集成电路，

图11示出了图10的继电器的后视图，

图12示出了与图10相似的变极继电器，但是含有标准模块以应用功率半导体和控制电路，

图13示出了图12的继电器的后视图，

图14示出了具有不同类型设计的和在边上装有功率半导体的混合变极继电器，

图15示出了图14的继电器的后视图，

图16和17示出了图15的变极继电器的两个改进，其含有装有控制电路的印刷电路板。

示出在图1至7中的继电器含有作为安装的磁路(图2)，其具有平的E形铁心磁轭1，其对称的具有两个边腿11和一个中间腿12，这些腿通过两个铁心接片13一体化连接。每一个铁心接片13安装有一个线圈65。

两个平的电枢2相互对齐设置并且对称的和平行于铁心磁轭1，并且边腿11的自由端和中间腿12的一部分桥接成工作气隙21和22。每一个电枢2通过电枢复位弹簧23设置在形成连接脚25的安装板24上。在其余状态下因为复位弹簧23的复位效应，两个电枢2都设置在开放的接触板3上，其平行于铁心磁轭的中间腿12并且相对于此反向，并且形成一个连接脚31。另外具有连接脚41的接地连接板4设置在沿着开放的接触板的区域。

铁心磁轭1的中间腿12被设计的足够宽，一方面其形成用于具有电枢2的两个工作气隙22的极表面，另一方面提供用于功率晶体管5的大区域的具有很好的热量传输的安装表面。此功率晶体管5的三个接点连接到连接接片14，连接到接地连接板3的连接凸片32和连接到接地连接板4的连接凸片42。两个连接凸片32和42通过铁心磁轭中的通孔15和16到达功率晶体管5的侧面。

铁心磁轭1通过热塑性的塑料塑注成线圈体6，其在中间腿12的每一端形成线圈管61以在每种情况下接收一个线圈7。该线圈通过边沿62在两端限定。在铁心磁轭的边腿11的区域内，凸起63分别一体化形成在线圈体6上，其具有一个插入轴64以接收用于电枢复位弹簧23的安装板24。这些安装板能够替换的通过线圈体的材料进行塑注覆盖，也就是说埋在线圈体6中。电枢复位弹簧23通过焊接或者铆钉固定在安装板24上。

磁路部分，也就是说铁心磁轭1和两个电枢2的表面在每种情况下至少在电枢和铁心磁轭腿之间的气隙21和22的区域覆盖有贵金属材料，并且相同的用于传输负载电路中的电流以实现继电器的电流。两个电磁变换继电器系统的常开触头功能通过已经注明的常开触头接触板3实现，其至少在接触两个电枢2的部分覆盖有贵金属。在每种情况下的必需的接触压力来自于电枢复位弹簧23。为了达到低阻抗的接触和以低阻抗传输电流，两个移动的电枢2优选的在其全部表面覆盖有电化学材料，例如银层。此层能够经济的形成一非常薄的一层，因为电磁继电器系统只传导负载电流，但是没有开关。在每个电枢2和铁心磁轭1中间的两个气隙21和22意味着在负载电路切换到无负载和磁路关闭时形成两个接触，并且这较大的提高了接触的可靠性。另外如实施例所述，两个凸起棒33在每种情况下在常开触头接触板3上(图3)导致分别由两点的电枢形成的接触，这是因为电枢弹簧23的烧毁。磁路和电负载电路的组合意味着对于此变极继电器只需要较小数量的简单的并且因此是经济的部件。

因为两个电枢2是在无负载的情况下切换，这避免了一般性的触点烧毁，这必需作为全程进行保护或者是以用于继电器的电枢行程的烧毁安全的形式进行保护。在本发明的继电器的设计中，气隙21和22中的电枢行程同时相应于接触形成表面(接触分开)之间的距离。因为电弧而不再允许材料的变化，也就不再需要任何分开的距离，其不得不在触点之间提供另外用于所需的抵抗电压的距离。磁系统因此具有比必需的小的工作气隙，这允许了较大的接触压力并且在负载区域具有较小的接触阻抗以实现同一磁系统设计。另一方面，如果接触压力保持一致，那么能够提供比传统的磁系统的情况高的阻抗线圈，而线圈具有较少的发热。

在继电器的本实施例中，功率晶体管5没有外壳并且直接通过焊接点安装在铁心磁轭1的中间部分和中间腿上，并且直接连接到变极继电器的相对的形成触点，这是因为如图8所示，MOSFET功率晶体管的漏极端子具有金属焊接表面和通过铁心磁轭形成的相对形成触点在极性转换电路中具有相同的极性。

如在此优选提供的，如果控制电子装置相似的设置在继电器中，此连接不需要外部的连接而只需要用于控制电子装置的连接线，例如通过从已经注明的连接接片14开始的连接导线70。在此实施例中，控制电子装置的形式是没有任何外壳的在功率晶体管5下面的控制IC(例如ASIC)并且大约在中间腿12上的电枢的接触平面的水平。铁心单元1用于安装功率晶体管5和IC8中的控制电子装置，这意味着不需要任何其他的安装器件，例如印刷电路板或者陶瓷安装器件。

例如通过连接导线70提供在功率晶体管5、控制IC8和外引的控制端子71到74之间的继电器中的内部连接。控制端子71到74也以冲压的分格的形式注入到线圈体6的热塑性材料中。另外用于两个线圈65的两个线圈端子66埋入到线圈边沿62的内部。一旦线圈65被固定和线圈端67被焊接，这些线圈端子66在绕线区域被弯曲。两个线圈端子66分别接收每个线圈65(图5)的一绕线端，并且另两个绕线端68(图7)缠绕到共同的绕线点34，其被从共同的常开触头接触板3的板上冲压成，并且通过例如焊接结合。

另外，一个支架60一体化形成在形成线圈体6的热塑注入的部分的中间腿12的区域，并且此支架60一个形式为围绕功率晶体管5和控制IC8的槽69。在在晶体管5、控制IC8和控制端子71到73之间的导线连接之后，槽69通过永久弹性的填料(未示出)填充以保护连接导线和半导体。

通过例如热塑材料覆盖的热塑底板91和帽92用于固定继电器连接点25,31,41以及71到74。在组装之后此两部分通过填料密封。为了增大表面积以提高散热，帽92含有冷却条和/或从金属填充的塑料(例如Al₂O₃)中注入成型以增大导热性能。另外是从金属的非磁材料，例如通过深拉制造帽92。

图8示出了用于图1到7的继电器的可能的控制电路。在此情况下，相同的参考标志使用在相应的继电器部分。用于作为ASIC的控制IC8的简化的电路图示出了用于功率半导体5和具有线圈65和电枢触点2的继电器系统的计时电路的主要功能。控制IC8含有逻辑电路81，其时钟通过振荡器82提供并且优选的通过驱动电路83提供电压到一个线圈65。功率半导体5通过比较器84和NOR门85驱动。通过一个线圈65或者其他的线圈的适合供能，电机M优选的连接到一电压之间的不同极性，该电压连接到端子31和连接到端子41的大地。逻辑电路81保证了相关的电枢2在每种情况下在该电路通过功率晶体管5关闭之前首先进行切换。触点是干的切换的，也就是说无负载的，因此没有电弧产生。ASIC的电源通过线圈65的端子进行提供。

对于本领域熟练技术人员而言，清楚的是控制电路能够以与图8所示的不同方式构成。在此组合中，应该注意的是端子的数量可以不同，这依赖于电路。例如在图8所示的控制IC8的情况下只有三个控制端子从ASIC脚1、2、3通过控制端子71、72和73共同连接到脚4并且通过接地端子41连接到外部，而在图1到7所示的设计中示出了四个控制端子71到74。端子74在此情况下保持悬空。在不同的电路结构中四个或者更多的控制端子可以连接到外部。可替换的，以相同的方式能够从继电器移动一些控制功能或者整个驱动电路到外面的外壳中或者到分离的印刷电路板中。然而本发明的优点是保持功率半导体装置在铁心磁轭上，即功率半导体的简单和有效的冷却以及混合负载电路的紧凑设计。

图9示出了能够与图1进行比较的混合继电器，其主要区别在于只提供一个具有变换接触的电磁系统。因此铁心磁轭101作为具有两个边腿111和112的平U形部分提供，在其中间接片(未示出)上设有线圈165。单个电枢102通过电枢复位弹簧123安装在安装板上，该板嵌入到线圈体106的凸起163中并且形成一个连接脚125。常开触头接触板103具有一个连接脚131。另外，功率晶体管105与控制IC108一起设置在铁心磁轭的宽的侧腿112上。该功率晶体管在此情况下例如与继电器的负载电路并联，在电枢切换之前该晶体管很快的切换该电流，并且在晶体管关断之前继电器接触器的低阻抗负载电路传导该电流。因此在此情况下，磁路能够同时作为接触器电路-具有极表面上的合适的触点覆盖。在并联电路的情况下，元件的发热大大少于功率晶体管，该功率晶体管不得不传导自己的连续电流。与图相似的，图9的继电器具有外壳，该外壳含有底板191和帽192。

图10和11再一次示出了变极继电器的前视图和后视图，其中机械部分与图1到7相同的方式设计。因此在此不再详细解释。与上述实施例相对比，一个集成电路205在此情况下设置在铁心磁轭1的中间腿12上，其含有功率晶体管的功能和控制电路。此集成电路205通过连接导线270连接到连接接片271到274，该接片埋在线圈体6中。另外连接导线形成的接线端是用于线圈连接脚67、连接凸片32和34并且用于连接接片14。以上述实施例中的相同的形式，此集成控制电路205填入到槽形的槽69中。在此情况下能够生产与图9相似的具有单个磁系统的继电器。

图12和13示出了一个继电器的前视和后视图，其中的基本机械部分设计基本与图1到7中的第一实施例的相同。包含的标准模块在此情况下对比于上述实施例使用。功率晶体管305设在前侧，并且安装在焊接的较大区域的铁心磁轭的中间腿12上。从标准晶体管的接线端371和372通过底板391直接伸出该继电器，而在继电器内部栅极接线端373连接到控制电路。

在功率晶体管的相对侧，冲压格307埋入到其中注入有铁心磁轭1的线圈体306，并且冲压格307的各端从注入部分向下伸出以形成用于继电器的控制接线端。冲压格的每一个导体轨道在相对侧形成没有塑注覆盖的外露接触表面；具有SMT连接接片381的控制IC(ASIC)308焊接到位于一个平面上的这些接触表面375。

用于相对小的中尺寸的特别经济的此实施例将第一实施例中的大量继电器内部电路进行分散，但是这些电路接线端在印刷电路板上能够容易的在外部进行桥接。单个继电器，也就是说具有一个磁系统和一个变换接触器的继电器能够以与含有标准元件的图9相似的方式构成。根据本发明的功率晶体管固定在高导热的磁路的铁心磁轭上能够通过其他继电器设计实现。

图14示出了一个双继电器，其中分别具有一个磁轭401的两个电磁系统设置在平的底座400上；其中的两个磁轭，只有相互对齐的外腿411能够看到。设置在线圈体中间边沿406的第二磁轭腿相互平行并且耦合到一个铁心(未示出)，其上分别设置一个线圈465。电枢402分别安装在磁轭腿411的自由端并且操作安装在其上的接触弹簧403。接触弹簧403的自由端能够分别在两个相对的接触元件404之间切换。此继电器设计的功能已经如上所述，其是本领域熟练技术人员知道的技术，因此不再详述。两个接触系统能够相互分开作为单独系统或者作为具有外部连接接触器接线端的变换继电器使用。

此双继电器以本发明的方式扩展成为一个混合继电器，其中的功率晶体管405以绝缘方式但是高导热方式，例如捆绑固定在两个磁轭腿411的对齐的外侧。对于此端，该外壳在一端被延长；所存在的双继电器因此固定在延长的双继电器上并且以相似的方式通过放大的帽492(图15)包围。图15示出了此装置的侧视图的剖面图。晶体管的三个连接接片451、452和453直接穿过底板491。以驱动继电器线圈和晶体管的相同的方式，外部的在印刷电路板上形成继电器接触器和功率晶体管405的切换通路之间的连接。通过继电器的磁路的功率晶体管的冷却的改进也可以应用在此情况中。

图16再一次示出了图14和15的设计，其中另外该设计含有ASIC408形式的控制电路。在此情况下，带有功率晶体管405的双继电器焊接在小的印刷电路板410上，其固定有一个控制电路408(只以一框示出)。小的印刷电路板410也固定有向下伸出的整个混合继电器的连接脚409。为了稳定连接脚的位置和保护ASIC控制器的元件，槽形的热塑料形成的塑料帽493从下夹在底板491上。

图17也示出了双混合继电器的实施例，其与图16相比进行了稍微修改。在此，已经从图14到16看到的双继电器系统固定有没有帽的功率晶体管405，并且焊接到固定有控制电子装置408的印刷电路板410。超过具有晶体管和小的印刷电路板410的双继电器的一个帽494-例如通过SMT连接技术成型-随后通过填料496填充到尽可能远的帽边沿495。在此继电器被密封，SMT元件被填充以提供保护，并且印刷电路板的连接脚409填充到所需要的尽可能远的稳定位置。

Claims

1．混合继电器，具有

-一个电磁继电器系统，其含有至少一个线圈(65；165；465)、一个穿过该线圈的铁心磁轭单元(1；101；401)、至少一个电枢(2；102；402)以及至少一个通过该电枢切换的接触对(2,11,12,3；111,112,103；403,404)，和

-一个功率半导体(5；105；205；305；405)，其切换段与至少一个接触对共同切换继电器的负载电路，并且其切换时间能够如此相对于电磁继电器系统时间偏移地控制，接触对分别无负载的切换，

其特征在于，功率半导体(5；105；205；305；405)与电磁继电器系统的铁心磁轭单元(1；101；401)进行热接触。

2．如权利要求1的混合继电器，其特征在于，铁心磁轭(101)以U形的通过具有两个边腿(111,112)和一个中间接片(113)的基本是平的板材构成，中间接片作为铁心支持线圈(113)，并且边腿(111,112)分别作为磁轭通过构成工作气隙的一个电枢(102)进行桥接，并且该功率半导体(105)设置在一个磁轭上。

3．如权利要求1的混合继电器，其特征在于，铁心磁轭(1)通过一个基本是平的板材E形的构成，其中在两个边腿(11)和一个中间腿(12)之间作为磁轭的两个铁心接片(13)分别支持一个线圈(65)，两个电枢(2)分别桥接一个边腿(11)和一个构成工作气隙(21,22)的中间腿(12)，并且功率半导体(5)设置在中间腿(12)上。

4．如权利要求2或者3的混合继电器，其特征在于，分别一方面含有电枢(2；102)并且另一方面含有铁心磁轭(1；101)，其分别与负载端子(14,24)相互绝缘，并且在各个电枢(2；102)和铁心磁轭(1；101)上，由构成工作气隙的极平面同时作为接触部分。

5．如权利要求4的混合继电器，其特征在于，在与铁心磁轭(1；101)相对的各个电枢(2；202)的一侧，设有与铁心磁轭平行的常开触头-接触板(3；103)。

6．如权利要求4或者5的混合继电器，其特征在于，电枢(2；102)和铁心磁轭(1；101)以及可能的常开触头接触板(3；103)的接触部分通过贵金属覆盖。

7．如权利要求4至6之一的混合继电器，其特征在于，至少分别在一个接触部分上含有两个接触棒(33)以实现双接触。

8．如权利要求1至7之一的混合继电器，其特征在于，一个部分围绕铁心磁轭(1；101)的绝缘的线圈体(6；106)在铁心磁轭(1；101)上构成以槽形封闭功率半导体的支架(60)。

9．如权利要求8的混合继电器，其特征在于，功率半导体(5；105)没有任何外壳的固定在铁心磁轭(1；101)上并且该功率半导体填入到通过支架(60)构成的槽(69)中。

10．如权利要求8或者9的混合继电器，其特征在于，在线圈体中附加的埋入冲压格形式的导体轨道(70)。

11．如权利要求1至10之一的混合继电器，其特征在于，用于功率半导体(5；105)和/或线圈的集成控制电路(8；108)与功率半导体相邻的设置在铁心磁轭(1；101)上。

12．如权利要求1至11之一的混合继电器，其特征在于，至少一个连接元件(32,34)穿过支持功率半导体(5；105)和可能的控制电路(8；108)的磁轭部分(12,112)的凹槽，并且在功率半导体(5；105)和/或控制电路(8；108)的连接元件的区域构成接触表面。

13．如权利要求11或者12的混合继电器，其特征在于，一个接触接片从铁心磁轭(1)冲制到功率半导体(5；105)以及控制电路(8；108)的接触平面的区域。

14．如权利要求1至10之一的混合继电器，其特征在于，功率半导体和控制电路形成在一个共同的一体化构件(205)上。

15．如权利要求1至10之一的混合继电器，其特征在于，功率半导体(305)和控制电路(308)作为标准器件设置在铁心磁轭(1)的相对两侧。

16．如权利要求1的混合继电器，其特征在于，电磁继电器系统含有至少一个成角度的磁轭(401)，该磁轭具有的磁轭腿(411)靠近线圈绕线(465)延伸，并且在外侧功率半导体(405)以导热的方式固定。

17．如权利要求16的混合继电器，其特征在于，具有功率半导体(405)的电磁继电器系统设置在电路板(410)上，该电路板固定有继电器接触器和功率半导体的切换段之间的连接以及一个控制电路(408)。

18．如权利要求17的混合继电器，其特征在于，含有功率半导体(405)的电磁继电器系统与电路板(410)和控制电路(408)共同接收在一个共同的帽(494)中并且被牢固的密封。