EP2102879A1 - Einrichtung zum galvanischen trennen eines halbleiterschalters, elektronisches schaltgerät sowie kontaktierungs- und trennmodul - Google Patents

Einrichtung zum galvanischen trennen eines halbleiterschalters, elektronisches schaltgerät sowie kontaktierungs- und trennmodul

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Publication number
EP2102879A1
EP2102879A1 EP06828683A EP06828683A EP2102879A1 EP 2102879 A1 EP2102879 A1 EP 2102879A1 EP 06828683 A EP06828683 A EP 06828683A EP 06828683 A EP06828683 A EP 06828683A EP 2102879 A1 EP2102879 A1 EP 2102879A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
contact
semiconductor switch
switching
electrical connection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06828683A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Meier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2102879A1 publication Critical patent/EP2102879A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/548—Electromechanical and static switch connected in series

Definitions

  • the invention relates to a device for electrically isolating an electrical connection from a semiconductor switch.
  • the semiconductor switch has two switch contacts and a control contact.
  • the device has a printed circuit board or a circuit carrier on which at least the semiconductor switch and the electrical connection are arranged.
  • the first switching contact of the semiconductor switch is connected to the circuit board, and the second switching contact to the electrical connection.
  • the invention further relates to an electronic switching device, in particular a power module, with such a device.
  • the invention relates to a contacting and disconnecting module for mounting on a printed circuit board and for contacting a semiconductor switch on the printed circuit board.
  • Devices for the electrical isolation of an electrical connection from a semiconductor switch are well known.
  • the best known devices are e.g. Contactors or switching relays, which with appropriate control of a galvanically isolating separation distance, such as. build an air gap between a live electrical connection and the relevant semiconductor switch.
  • the aforementioned devices may be necessary, since electronic switching devices, such as soft starters, even when the switching device is switched off, can delay a voltage of up to several hundred volts acting from the voltage-carrying to the output-side electrical connection. Even if touching the output side terminal only one low current flows, it may already be fatal for a person when touched.
  • a halder switch such as a switching transistor, a thyristor or triac
  • the full input-side voltage e.g. a DC voltage of several hundred volts to a few thousand volts, on.
  • relevant standards may stipulate that the electronic switching device may be equipped with an additional electromechanical switching element, such as an electronic ballast. a disconnector, upstream or downstream.
  • the known electronic switching devices may have a switching capacity in a range of 5 kW to 500 kW.
  • Such switching devices are also referred to as power modules. They can have one, two or more semiconductor switches.
  • the semiconductor switches are IGBT transistors, thyristors or triacs, wherein a triac in turn consists of two antiparallel-connected thyristors.
  • a triac is preferably in the lower power range, e.g. up to 10 kW, designed as a single component.
  • the upper power range such as in the range of 5 kW to 500 kW, it is preferably realized from two individual anti-parallel connected thyristors.
  • the semiconductor switches of such power modules are preferably arranged on a printed circuit board.
  • the printed circuit board is typically a so-called DCB (for direct copper bonding).
  • a DCB is a sandwich consisting of two copper layers or copper layers and an intermediate ceramic layer.
  • Such a DCB can be compared to conventional printed circuit boards, such as epoxy lent higher temperatures for the components to be supported, in particular the power semiconductors.
  • the individual semiconductor switches are typically plate-shaped or disk-shaped in this power range. Preferably, they have two switching contacts and a control contact, wherein one of the switching contacts and the control contact on the upper side of the semiconductor switch and the other switching contact on the bottom of the semiconductor terschalter are.
  • the switch contacts are in the case of an IGBT an emitter and collector, in the case of a thyristor, a cathode and an anode.
  • the control contact is also referred to as gate.
  • the underside of the semiconductor switch is soldered to a corresponding contacting surface on the circuit board.
  • the upper and lower switching and control contacts are connected by means of so-called bonding wires, e.g. made of aluminum, directly wired to corresponding contact surfaces on the printed circuit board.
  • This contacting form is possible in particular in the case of currents to be switched in a range from approximately 50 A to 200 A.
  • this justifyleitersart has the disadvantage that the bonding wires can evaporate in a short circuit, which then leads to a failure of the switching device.
  • pressure systems which contact the top side of the semiconductor switch. These systems are usually bolted to the circuit board.
  • the advantage of this so-called pressure contact is the better short-circuit behavior and heat dissipation of the semiconductors compared to the bond-contacting solution.
  • An essential feature of the invention is a directly on the semiconductor switch by means of an actuator selectable galvanic isolation of the semiconductor switch from the respective electrical connection.
  • the device has a controllable actuator whose length can be changed.
  • the actuator has two, with the length spaced and mutually conductively connected actuator contacts.
  • the first actuator contact is applied to the second switching contact of the semiconductor switch.
  • the second actuator contact contacted depending on the control of the actuator (either) the electrical connection or is galvanically isolated from this to form a separation path.
  • the galvanic isolation distance that can be built up by the actuator is in the millimeter range, such as in the millimeter range. 1 mm to 3 mm.
  • the separation distance can also be greater at higher voltages, in particular in the kilovolt range.
  • the separation route is typically an air gap.
  • the separation section may alternatively be constructed in another gas, such as air, e.g. in nitrogen or in sulfur hexafluoride (SFg).
  • SFg sulfur hexafluoride
  • Sulfur hexafluoride is a gas commonly used in electrical engineering for high voltage insulation. In this case, the separation distance can be drastically reduced compared to the air, since the breakdown capability of sulfur hexafluoride is about 3 times higher than that of air or nitrogen.
  • the actuator is preferably electrically controllable. It can alternatively be controlled pneumatically or hydraulically. In particular, the actuator causes a linear change in length with appropriate control. The possible change in length is also referred to as travel.
  • the actuator may e.g. based on a piezoelectric principle of action. In this case we speak of a piezo actuator, which can change its length depending on the applied voltage. Piezo actuators are used e.g. used in injection systems of diesel engines.
  • the actuator may alternatively be based on a magnetostrictive mode of action.
  • magnetostriction With magnetostriction, the reversible Deformation of ferromagnetic substances, such as terfenol, referred to as a function of an applied magnetic field.
  • the body undergoes an elastic change in length at a constant volume.
  • the actuating movement of the actuator can continue to be based on a Pormge- memory principle.
  • Such actuators are also referred to as memory metal actuators.
  • An actuator can also be alternatively a lifting or exchange magnet with a plunger coil, which is electrically energized when actuated.
  • the second switching contact and the control contact are arranged on an upper side of the semiconductor switch.
  • the first switching contact is arranged on an underside of the semiconductor switch which is parallel to the upper side.
  • Such a semiconductor switch is in particular a housing-free semiconductor switch.
  • such a semiconductor switch consists of the semiconductor chip itself, the so-called “die” (cube, platelet) .
  • contacting surfaces, in particular for bonding or for contacting can be present on the die - Switch to the circuit board at the same time a small
  • the printed circuit board has a printed circuit board contact surface against which the first switching contact of the semiconductor switch rests. This further reduces the electrical and thermal resistance from the bottom of the semiconductor switch to the printed circuit board.
  • the first switching contact is electrically connected to the circuit board contact surface via a solder connection.
  • the actuator has a cross section which is substantially matched to the cross section of the semiconductor switch. This makes an even more compact design possible. At the same time, a very low ohmic resistance from the actuator to the semiconductor switch is possible.
  • Semiconductor switch can e.g. have a circular cross section with a diameter of a few centimeters.
  • the actuator is cylindrical and has a likewise circular cross-sectional area.
  • the semiconductor switch and the actuator may have a square, rectangular or polygonal cross-sectional shape.
  • the actuator has a passage opening through which the control contact of the semiconductor switch can be contacted.
  • the passage opening is preferably a cylindrical bore or recess in the actuator.
  • the passage opening in the actuator is arranged centrally and parallel to the expansion direction of the actuator.
  • the rotational symmetry axis of the actuator coincides with the longitudinal axis of the bore or the recess.
  • the lead-through opening is designed to be insulated from the external switching contact.
  • a contacting element in particular a cylindrical metal spring, can contact a contact-making surface of the gate, which is likewise typically arranged in the center on the upper side of the semiconductor switch.
  • the gate of the semiconductor switch is thus laid through the passage opening to an outer side of the actuator.
  • connection contact is thus directly in the travel of the actuator.
  • the two actuator contacts are electrically connected to each other.
  • the electrical resistance of the first and second actuator contact is dimensioned so small that no appreciable warming of the actuator occurs during nominal operation.
  • the outer surface of the actuator lying between the actuator contacts may be designed in the sense of a bellows.
  • the actuator contacts it is also possible for the actuator contacts to be connected by means of a movable conductor, such as e.g. a strand of copper braid, are electrically connected.
  • the aforementioned contacts are flat, in particular flat. As a result, a possibly too high current density is avoided.
  • the device has a control unit which activates the actuator for setting the actuator length.
  • the control unit may e.g. one
  • Be microcontroller which in addition to the control functionality for the one or more switching contacts additionally has the control functionality for the actuator or actuators.
  • an electronic switching device having such a device according to the invention.
  • a switching device has a second electrical connection, which is connected via the circuit board to the first switching contact of the semiconductor switch.
  • the switching device has a control terminal, which is connected to the control unit for switching on or off of the semiconductor switch and the actuator. It also has a housing on the outside of which the electrical connections and the control connection are arranged and which has the device and the control unit.
  • the housing may be, for example, a non-conductive plastic or a ceramic.
  • the electronic switching device according to the invention advantageously has an additional integrated electrical isolation in comparison to switching devices according to the prior art.
  • An additional external switching means e.g. a separation contactor is not required.
  • Switching devices can therefore also be used for safety-critical or safety-relevant applications.
  • the switching device may further comprise two or more devices according to the invention, that is, it may be multiphase.
  • the actuator and the semiconductor switch can be controlled via the control unit as a function of an ON or OFF command.
  • the activation of the actuator to close the separation distance with the switch-on is required.
  • the semiconductor switch is actuated only when the actuator has contacted the voltage-carrying electrical connection.
  • the actuation of the actuator for establishing the isolating distance is preferably carried out only when the semiconductor switch has switched to blocking operation.
  • the switching device described above is preferably a DC switching device for switching direct currents or DC voltages.
  • the semiconductor switch may be, for example, an IGBT transistor or a MOSFET transistor.
  • the switching device may be an AC switching device for switching alternating currents or alternating voltages.
  • the semiconductor switch is preferably a triac.
  • the device has two anti-parallel connected thyristors as a semiconductor switch, a first and second electrical connection and a first and second actuator.
  • the first switching contact of the first thyristor is connected to the second electrical connection via the printed circuit board. Separated therefrom, the first switching contact of the second thyristor is connected via the printed circuit board to the first electrical connection.
  • the first actuator contact of the first actuator is applied to the second switching contact of the first thyristor and the first actuator contact of the second actuator to the second switching contact of the second thyristor.
  • the second actuator contact of the first actuator contacts (either) the first electrical connection and the second actuator contact of the second actuator contacts the second electrical connection.
  • the two actuator contacts are galvanically isolated from the respective electrical connection to form a separation path.
  • This embodiment of the device is advantageous for the upper power range, that is for electrical power to be switched in a range of 5 kW to 500 kW.
  • the two separately implemented and mutually antiparallel connected thyristors form a triac circuit for switching AC currents.
  • the switching process typically takes place at the zero crossing of the current profile.
  • the current strength of the current to be switched can amount to several hundred amperes.
  • the object of the invention is further achieved by a further electronic switching device which has a control connection, which with the control unit for on or Turning off the thyristors and the actuators is connected.
  • the device according to the invention has a housing, on the outside of which the electrical connections and the control connection are arranged and which has the device according to the invention and the control unit.
  • the further electronic switching device according to the invention advantageously has an additional integrated electrical isolation in comparison to switching devices according to the prior art.
  • An additional switching means, such as a contactor is not required.
  • the further switching device can have two or more devices according to the invention, that is to say it can be multiphase.
  • the switching device can be designed in particular in 3-phase for switching currents and voltages of a 3-phase three-phase network.
  • a three-phase network can e.g. be a 400V / 50Hz three-phase network of a utility company.
  • Such switching devices can therefore also be used for safety-critical or safety-relevant applications, such as e.g. for driving elevator motors.
  • the object of the invention is further achieved by a contacting and separating module for mounting on a printed circuit board.
  • the contacting and separating module has a module housing, an actuator, an electrical connection, a control connection and a control contact connection.
  • the actuator is accommodated in the module housing and can be controlled in its length adjustable.
  • the actuator also has two, with the length of the actuator spaced and mutually conductively connected actuator contacts, wherein the first actuator contact for Kontak- tion of a arranged on the circuit board second switching contact on the top of a semiconductor switch is formed.
  • the second actuator contact is located opposite a terminal contact arranged on an inner side of the module housing.
  • the connection contact is with the outside the module housing arranged electrical connection connected.
  • the actuator has a passage opening formed in such a way that a control contact arranged on the upper side of the semiconductor element can be contacted with the control contact connection through the passage opening.
  • the second actuator contact makes contact with the connection contact or it is galvanically isolated from it, forming a separation path.
  • Such a module can be contacted in an advantageously simple manner with a semiconductor switch mounted on the printed circuit board, in particular soldered, and at the same time a controllable electrical isolation from the electrical connection of the module to the contacted semiconductor switch is possible.
  • the module may e.g. screwed onto the circuit board. It may alternatively have fastening bolts, which are geometrically matched to recesses in the printed circuit board. The fastening bolts can have latching hooks or barbs in the end region, so that the module can be snapped into or snapped into the printed circuit board.
  • Another advantage is that the semiconductor switch is pressed against the printed circuit board contact surface by the assembly of the contact and separation module.
  • FIG. 1 shows by way of example a circuit diagram of a load connected via a switching device to an electrical network according to the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the device according to the invention
  • 4 shows by way of example a structural embodiment of the device according to the invention with a semiconductor switch
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a device according to the invention
  • Switching device connected to an electrical network load
  • FIG. 7 shows by way of example a circuit diagram of an alternating current switch consisting of two thyristors connected in antiparallel with the selectable galvanic isolation according to the invention
  • FIG. 8 shows an exemplary structural embodiment of the device according to the invention with two antiparallel-connected thyristors
  • FIG. 1 shows by way of example a circuit diagram of a connected via a switching device 103 to an electrical network 100 load 105 according to the prior art.
  • the switching device 103 is, for example, a 3-phase soft starter. It makes possible a "gentle" connection or a gentle switch-off of the load 105.
  • the load 105 is an example of a three-phase motor
  • the electrical network 100 is a 3-phase three-phase network
  • the switching device 103 has, for example, a triac as the semiconductor switch 21
  • the triac consists of two antiparallel-connected thyristors.
  • the load 105 can be switched on or off ramp-wise in the sense of a phase control by means of a gate, which is not further designated.
  • the reference symbol 104 designates an optional bypass switch or by-pass switch End of the ramp-up the triac 21. This electrical losses in the form of heat that would occur in nominal operation at the triac 21, avoided.
  • the reference numeral 101 denotes a protective device which, in the event of an overcurrent and / or a short circuit, disconnects the electronic switching device 103 from the network 100.
  • Reference numeral 102 designates a disconnecting contactor which can switch off the mains voltage, in particular in safety-relevant applications, in order to avoid carry-over of the mains voltage to the output of the electronic switching device 103. It can also be controlled with the presence of a switch-off command for the switching device 103 to switch off.
  • FIG. 2 shows an example of a contacting of semiconductor switches 21, 22 by means of bonding wires 20 according to the prior art.
  • a printed circuit board 2 with an insulating ceramic layer 17 and two surrounding copper layers 16, 18 are shown.
  • the copper layer 18 forms corresponding PCB contact surfaces, with which the two
  • Reference numeral 4 denotes a first switch contact of the semiconductor switch, 5 a second switch contact, and 6 a control contact, such as a switch contact. a gate, called.
  • the two last mentioned contacts 5, 6 are electrically connected by means of bonding wires 20 with further and not further designated contacting surfaces.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the device 1 according to the invention.
  • the reference numeral 11 denotes an input-side electrical connection. It is typically connected to the network 100.
  • the reference numeral 12 denotes an output-side electrical connection. It is typically connected to the load 105.
  • In the lower part of the FIG. 3 shows a triac 21 for switching alternating voltages or alternating currents.
  • the device 1 shown has for the galvanic separation of the electrical connection 11 of the semiconductor switch 21 on a not shown or only circuit technology indicated circuit board 2, on which at least the semiconductor switch 21 and the electrical connection 11 are arranged.
  • the first switching contact 4 is connected to the printed circuit board 2, the second switching contact 5 to the electrical connection 11.
  • the reference numeral 6 designates the control contact.
  • the device 1 has a controllable actuator 71 which is variable in its length L and has two actuator contacts 7, 8 spaced apart from one another by the length L of the actuator 71 and connected to one another in a conductive manner.
  • the first actuator contact 7 is applied to the second switching contact 5.
  • the second actuator contact 8 either contacts the electrical connection 11 (dashed line) or is galvanically isolated from it, forming a separation path TS.
  • a terminal contact of the electrical terminal 11 is referred to, which is opposite to the actuator contact 8.
  • FIG. 4 shows by way of example a structural embodiment of the device 1 according to the invention with a semiconductor switch 21 as a single component.
  • the semiconductor switch 21 is a triac with two thyristors integrated on a semiconductor chip and connected in anti-parallel.
  • the semiconductor switch 21 is plate-shaped or disk-shaped. It has a thickness D.
  • the second switching contact 5 and the control contact 6 are arranged on an upper side OS of the semiconductor switch 21.
  • the first switching contact 4 is arranged on an underside US parallel to the upper side OS of the semiconductor switch 3.
  • the printed circuit board 2 substantially corresponds to that shown in FIG.
  • the printed circuit board 2 has a planar printed circuit board contact surface 10 against which the first switching contact 4 of the semiconductor switch 21 is applied.
  • the first switching contact 4 is electrically connected via a solder connection to the printed circuit board contact surface 10, so that a low-impedance electrical transition with at the same time a low thermal resistance is possible.
  • the soldering also ensures that the semiconductor switch 21 is fixed mechanically on the printed circuit board contact surface 10.
  • the actuator 71 has a cross section which is substantially matched to the cross section of the semiconductor switch 21.
  • the cross section of the semiconductor switch 21 and the actuator 71 is circular in the example of FIG.
  • the actuator 71 may e.g. be a piezoelectric actuator, a magnetorestrictive actuator or an actuator based on a shape memory alloy.
  • the actuator 71 is electrically controllable.
  • the actuator 71 starting from the shown length L of the actuator 71, when driven by the length T of the separation distance TS expand and so eliminate the separation distance TS and the air gap.
  • control is also meant that the actuator 71 can contract or expand after elimination of the electrical excitation.
  • the actuator 71 may further comprise a mechanical biasing spring for adjusting a desired energizing switching position.
  • the actuator 71 has a through opening DO, through which the control contact 6 of the semiconductor switch 21 can be contacted.
  • a metallic cylindrical spring 23 is present, which is connected to one end of the gate 6 and the other end to a control unit 3 electrically.
  • the gate 6 is detachably contacted.
  • the control unit 3 is used to set the actuator length L and is therefore connected via control lines 38 to the actuator 71. It can also be used to control the Semiconductor switch 21 serve and the actuator 71 and the semiconductor switch 21 in response to an existing on or off command drive.
  • the electrical connection 11 likewise has a passage opening through which the contacting means 23 is guided.
  • the illustrated contacts 4 - 8, that is, the switching contacts 4, 5, the control contact 6 and the actuator contacts 7, 8 formed flat or flat.
  • the contacts 4-8 may have a particularly conductive coating suitable for frequent switching operations and / or for a good stable contact such as e.g. a coating of a cobalt, copper or silver alloy.
  • the device 1 shown may be part of an electronic switching device that is not further illustrated.
  • Such a device has, in addition to the preferably output-side electrical connection 11, a second, in particular output-side, electrical connection 12. The latter is connected via the circuit board 2 with the first switching contact 4 of the semiconductor switch 21.
  • the switching device further has a control terminal 13, which is connected to the control unit 3 for switching on or off of the semiconductor switch 21 and the actuator 71.
  • It also has a housing, on the outside of which the electrical connections 11, 12 and the control connection 13 are arranged. In the housing itself, the device 1 and the control unit 13 are housed.
  • the housing may be made of a non-conductive plastic or of a ceramic.
  • the contacting and isolating module is used for mounting on a printed circuit board 2 and for contacting a semiconductor switch 21 arranged on the printed circuit board 2. It has a module housing 15, an actuator 71, an electrical connection 11, a control connection 13 and a control contact connection 14.
  • the actuator 71 is received in the module housing 15 and adjustable in its length L controllable. It has two, with the length L of the actuator 71 spaced and mutually conductively connected actuator contacts 7, 8.
  • the first actuator contact 7 is designed to make contact with the second switching contact 5 arranged on the printed circuit board 2.
  • the second actuator contact 8 is located opposite a terminal contact 9 arranged on an inner side of the module housing 15.
  • the connection contact 9 is connected to the electrical connection 11 arranged on the outside of the module housing 15.
  • the actuator 71 has a passage opening DO formed in such a way that a control contact 6 arranged on the top side OS of the semiconductor element 21 can be contacted with the control contact connection 14 through the passage opening DO.
  • the second actuator contact 8 makes contact with the connection contact 9 or is galvanically separated from it by forming a separation path TS.
  • the reference numeral 25 denotes particularly conductive and switching-resistant contacting layers.
  • the module housing 15 is preferably made of a non-conductive plastic or of a ceramic.
  • the module housing 15 may be formed rib-shaped in the sense of a heat sink. As a result, an improved cooling of the semiconductor switch 71 is possible.
  • the module housing 15 may be cup-shaped. It may not have further illustrated air openings in the outer region for cooling the semiconductor switch 21.
  • the module housing 15 may have guides 24 formed on the inside, which receive the actuator 71 in the module housing 15 and at the same time permit an expansion of the actuator 71.
  • the actuator 71 has a substantially matched to the cross section of the semiconductor switch to be contacted 21 in cross-section. In a corresponding manner, the inner cross section of the module housing 15 is designed for the cross section of the actuator 71.
  • the module housing 15 of the contacting and separating module has pins or pins 27, which can be passed through corresponding holes or recesses 26 in the circuit board 2 during assembly.
  • the bolts 27 have latching hooks 28, which latch the module housing 15 to the printed circuit board 2 after being placed on the printed circuit board 2 via the semiconductor switch 21.
  • the module housing 15 can be screwed to the printed circuit board 2.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a load 105 connected to an electrical network 100 via a switching device according to the invention.
  • the switching means 102 can be dispensed with.
  • the galvanic isolation is already integrated in the switching device 103 according to the invention.
  • FIG. 7 shows by way of example a circuit diagram of an alternating current switch consisting of two thyristors 21, 22 connected in antiparallel with the possible galvanic isolation according to the invention.
  • the input-side terminal 11, in the right part of the output-side terminal 12 is shown.
  • I2 denotes the current which flows in the second half-cycle of the alternating current to be switched.
  • the current il can only be supplied from the terminal 11 via the connection.
  • the current i2 can only flow from the terminal 12, via the connection node 31, the current branch 33 into the first switching contact 4 of the left thyristor 21 to the terminal 11 when the thyristor 21 is switched on and the actuator 71 is not triggered in a disconnecting manner.
  • this circuit arrangement it can be seen that two devices 1 for electrically isolating the terminals 11, 12 from the two thyristors 21, 22 are required.
  • FIG. 8 shows an example of a constructive embodiment of the device 1 according to the invention with two antiparallel-connected thyristors 21, 22.
  • the device 1 has a first and second electrical connection 11, 12 and a first and second actuator 71, 72.
  • the first switching contact 4 of the first thyristor 21 is connected to the second electrical connection 12 via the printed circuit board 2. Separated therefrom, the first switching contact 4 of the second thyristor 22 is connected to the first electrical connection 11 via the printed circuit board 2.
  • the first actuator contact 7 of the first actuator 71 is applied to the second switching contact 5 of the first thyristor 21 and the first actuator contact 7 of the second actuator 71 to the second switching contact 5 of the second thyristor 22.
  • the second actuator contact 8 of the first actuator 71 contacts the first electrical connection 11 and the second actuator contact 8 of the second actuator 72 contacts the second electrical connection 12.
  • the two actuator contacts 8 are of the respective electrical connection 11, 12 electrically isolated to form a separation line TS.
  • a control unit 3 is shown, which is connected on the one hand with the two control contacts 6 of the thyristors 21, 22 and on the other hand via the control lines 38 with the two actuators 71, 72.
  • the Control unit 3 like the two electrical connections 11, 12, is mechanically connected to the printed circuit board 2 via non-conductive holding elements or punches 35.
  • the reference numeral 19 denotes an electrically insulating potting compound. This can after assembly of the invention
  • the potting compound 19 forms an insulating layer for reducing the creepage distances and creepage distances on the printed circuit board 2.
  • the device 1 described above can also have two contacting and separating modules for simplified assembly and contacting.
  • the device 1 shown may also be part of a further electronic switching device not shown.
  • a further electronic switching device has a control terminal 13, which is connected to the control unit 3 for switching on or off the thyristors 21, 22 and the actuators 71, 72. It also has a housing, on the outside of which the electrical connections 11, 12 and the control connection 13 are arranged and which has the device 1 and the control unit 13.
  • the control unit 13 controls the actuators 71, 72 in response to an on or off command of the thyristors 21, 22.
  • the timing of the control is shown in the two subsequent timing diagrams.
  • the switching device is a soft starter in the present example.
  • the thyristors are activated only after a short time after closing the galvanic see separating distance (see curve V3).
  • the thyristors are controlled in such a way that the load is smoothly switched to the input voltage within a ramp ramp-up time TR. This shows the course V4.
  • the soft starter is switched off.
  • the thyristors are controlled such that the load is ramped and thus gently separated from the input voltage.
  • the actuators are controlled to set up the galvanic isolation path.
  • Switch is controlled. It bridges the electrical connections of the switching device within the rated operating time to avoid unnecessary transmission losses at the actuator and in particular at the thyristors (see curve V5).
  • the thyristors and then the actuators are turned off after reaching the end of the ramp-up ramp, after which the bypass switch has bridged the input and output electrical connection (see the course Vl'-V4 ') - In a corresponding manner -
  • the actuators Upon reaching the de-energized blocking state of the thyristors, the actuators are driven to set up the galvanic isolation path.

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  • Electronic Switches (AREA)
  • Keying Circuit Devices (AREA)
  • Switch Cases, Indication, And Locking (AREA)

Abstract

Bei einer Einrichtung (1) zum galvanischen Trennen eines elektrischen Anschlusses (11) von einem Halbleiterschalter (21) weist der Halbleiterschalter (21) zwei Schaltkontakte (4, 5) und einen Steuerkontakt (6) auf. Die Einrichtung (1) weist eine Leiterplatte (2) auf, auf welcher zumindest der Halbleiterschalter (21) und der elektrische Anschluss (11) angeordnet sind. Der erste Schaltkontakt (4) des Halbleiterschalters (21) ist mit der Leiterplatte (2) und der zweite Schaltkontakt (5) mit dem elektrischen Anschluss (11) verbunden. Erfindungsgemäß weist die Einrichtung (1) einen ansteuerbaren und in seiner Länge (L) veränderbaren Aktor (71) mit zwei, mit der Länge (L) des Aktors (71) beabstandete und untereinander leitend verbundene Aktorkontakte (7, 8) auf. Der erste Aktorkontakt (7) liegt am zweiten Schaltkontakt (5) an. Der zweite Aktorkontakt (8) kontaktiert je nach Ansteuerung des Aktors (71) den elektrischen Anschluss (11) oder er ist von diesem unter Ausbildung eine Trennstrecke (TS) galvanisch getrennt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektronisches Schaltgerät sowie ein Kontaktierungs- und Trennmodul.

Description

Beschreibung
Einrichtung zum galvanischen Trennen eines Halbleiterschalters, elektronisches Schaltgerät sowie Kontaktierungs- und Trennmodul
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum galvanischen Trennen eines elektrischen Anschlusses von einem Halbleiterschalter. Der Halbleiterschalter weist zwei Schaltkontakte und einen Steuerkontakt auf. Die Einrichtung weist eine Leiterplatte bzw. einen Schaltungsträger auf, auf welcher zumindest der Halbleiterschalter und der elektrische Anschluss angeordnet sind. Der erste Schaltkontakt des Halbleiterschalters ist mit der Leiterplatte, und der zweite Schaltkontakt mit dem elektrischen Anschluss verbunden.
Die Erfindung betrifft weiter ein elektronisches Schaltgerät, insbesondere ein Leistungsmodul, mit einer derartigen Einrichtung.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Kontaktierungs- und Trennmodul zur Montage auf einer Leiterplatte und zur Kontak- tierung eines Halbleiterschalters auf der Leiterplatte.
Einrichtungen zur galvanischen Trennung eines elektrischen Anschlusses von einem Halbleiterschalter sind allgemein bekannt. Die bekanntesten Einrichtungen sind z.B. Schütze oder Schaltrelais, welche bei entsprechender Ansteuerung eine galvanisch trennende Trennstrecke, wie z.B. einen Luftspalt, zwischen einem spannungsführenden elektrischen Anschluss und dem betreffenden Halbleiterschalter aufbauen.
Die zuvor genannten Einrichtungen können notwendig sein, da elektronische Schaltgeräte, wie z.B. Sanftstarter, auch bei ausgeschaltetem Schaltgerät eine vom spannungsführenden zum ausgangsseitigen elektrischen Anschluss wirkende Spannung von bis zu mehreren Hundert Volt verschleppen können. Auch wenn bei Berührung des ausgangsseitigen Anschlusses nur ein geringer Strom fließt, so kann dieser bei Berührung für eine Person bereits tödlich sein.
Ein weiteres Problem besteht darin, wenn ein Halhleiterschal- ter, wie z.B. ein Schalttransistor, ein Thyristor oder Triac, durchlegieren sollte, wie z.B. aufgrund einer thermischen Überlastung. In einem solchen Fall liegt die volle eingangs- seitige Spannung, wie z.B. eine Gleichspannung von mehreren Hundert Volt bis zu einigen wenigen Tausend Volt, an.
Bei bestimmten, insbesondere sicherheitskritischen bzw. sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie z.B. bei Aufzugstartern, können einschlägige Normen festlegen, dass dem elektronischen Schaltgerät ein zusätzliches elektromechanisches Schaltele- ment, wie z.B. ein Trennschütz, vorgeschaltet bzw. nachgeschaltet wird.
Die bekannten elektronischen Schaltgeräte können eine Schaltleistung in einem Bereich von 5 kW bis 500 kW aufweisen. Der- artige Schaltgeräte werden auch als Leistungsmodule bezeichnet. Sie können einen, zwei oder mehr Halbleiterschalter aufweisen. Insbesondere sind die Halbleiterschalter IGBT-Tran- sistoren, Thyristoren oder Triacs, wobei ein Triac seinerseits aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren besteht. Ein Triac ist vorzugsweise im unteren Leistungsbereich, wie z.B. bis 10 kW, als einzelnes Bauelement ausgeführt. Im oberen Leistungsbereich, wie z.B. im Bereich von 5 kW bis 500 kW, ist er vorzugsweise aus zwei einzelnen, antiparallel geschalteten Thyristoren realisiert.
Die Halbleiterschalter solcher Leistungsmodule sind vorzugsweise auf einer Leiterplatte angeordnet. Die Leiterplatte ist typischerweise eine so genannte DCB (für direct copper bonding) . Eine DCB ist ein Sandwich, bestehend aus zwei Kupfer- schichten oder Kupferlagen und einer dazwischenliegenden Keramikschicht. Eine solche DCB lässt im Vergleich zu konventionellen Leiterplatten, wie z.B. Epoxy-Leiterplatten, erheb- lieh höhere Temperaturen für die zu tragenden Bauelemente, insbesondere der Leistungshalbleiter, zu.
Die einzelnen Halbleiterschalter sind in diesem Leistungsbe- reich typischerweise platten- oder scheibenförmig ausgebildet. Vorzugsweise weisen sie zwei Schaltkontakte und einen Steuerkontakt auf, wobei sich einer der Schaltkontakte sowie der Steuerkontakt auf der Oberseite des Halbleiterschalters und der andere Schaltkontakt auf der Unterseite des Halblei- terschalters befinden. Die Schaltkontakte sind im Falle eines IGBT ein Emitter und Kollektor, im Falle eines Thyristors eine Kathode und eine Anode. Der Steuerkontakt wird auch als Gate bezeichnet.
Vorzugsweise wird die Unterseite des Halbleiterschalters mit einer entsprechenden Kontaktierungsfläche auf der Leiterplatte verlötet. Die an der Oberseite liegenden Schalt- und Steuerkontakte werden mittels so genannter Bonddrähte, wie z.B. aus Aluminium, direkt mit entsprechenden Kontaktierungsflä- chen auf der Leiterplatte verdrahtet. Diese Kontaktierungs- form ist insbesondere bei zu schaltenden Strömen in einem Bereich von ca. 50 A bis 200 A möglich. Allerdings weist diese Kontaktierungsart den Nachteil auf, dass die Bonddrähte in einem Kurzschlussfall verdampfen können, was dann zu einem Ausfall des Schaltgerätes führt.
Bei höheren Strömen, wie z.B. in einem Strombereich von 100 A bis 500 A, kommen Andrucksysteme zur Anwendung, welche die Oberseite des Halbleiterschalters kontaktieren. Diese Systeme werden üblicherweise mit der Leiterplatte verschraubt. Vorteil dieser so genannten Druckkontaktierung ist das im Vergleich zur Bondkontaktierungslösung bessere Kurzschlussverhalten und eine Entwärmung der Halbleiter.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung sowie ein Schaltgerät mit einer derartigen Einrichtung anzugeben, welche die zuvor genannten Probleme beheben. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Kontaktierungs- und Trennmodul zur Montage auf einer Leiterplatte anzugeben.
Die Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 und 12 genannt. In den Ansprüchen 10 und 13 sind elektronische Schaltgeräte angegeben, welche eine erfindungsgemäße Einrichtung aufweisen. In den Ansprüchen 11 und 14 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der elektronischen Schaltgeräte genannt. Im Anspruch 15 ist ein Kontaktierungs- und Trennmodul für einen auf der Leiterplatte angeordneten Halbleiterschalter angegeben. Im Anspruch 16 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des Kontaktierungs- und Trennmoduls genannt.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist eine direkt am Halbleiterschalter mittels eines Aktors wählbare galvanische Trennung des Halbleiterschalters vom jeweiligen elektrischen Anschluss.
Erfindungsgemäß weist die Einrichtung einen ansteuerbaren und in seiner Länge veränderbaren Aktor auf. Der Aktor weist zwei, mit der Länge beabstandete und untereinander leitend verbundene Aktorkontakte auf. Der erste Aktorkontakt liegt am zweiten Schaltkontakt des Halbleiterschalters an. Der zweite Aktorkontakt kontaktiert je nach Ansteuerung des Aktors (entweder) den elektrischen Anschluss oder ist von diesem unter Ausbildung einer Trennstrecke galvanisch getrennt.
Dadurch ist im Vergleich zum Stand der Technik eine galvanische Trennung des Halbleiterschalters vom zugehörigen elektrischen Anschluss möglich. Eine sonst mögliche Verschleppung der am elektrischen Anschluss liegenden Eingangsspannung über die Sperrschicht des Halbleiterschalters hin zum elektrischen ausgangsseitigen Anschluss ist vorteilhaft nicht mehr möglich. Eine Gefährdung von Personen, die einen solchen ausgangsseitigen Anschluss berühren sollten, ist ausgeschlossen. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Falle eines Durchlegierens eines Halbleiterschalters nicht die volle EingangsSpannung am ausgangsseitigen elektrischen Anschluss anliegt. Durch die galvanische Trennung ist zudem vorteilhaft eine Abschaltung der elektrischen Last möglich. Dadurch kann z.B. ein Elektromotor noch abgeschaltet werden, bevor die vom Elektromotor angetriebenen Maschinen- oder Anlagenkomponenten Schaden anrichten können.
Typischerweise liegt die durch den Aktor aufbaubare galvanische Trennstrecke im Millimeterbereich, wie z.B. 1 mm bis 3 mm. Die Trennstrecke kann bei höheren Spannungen, insbesondere im Kilovoltbereich, auch größer sein. Die Trennstrecke ist typischerweise eine Luftstrecke. Die Trennstrecke kann alternativ in einem anderen Gas wie Luft aufgebaut werden, wie z.B. in Stickstoff oder in Schwefelhexafluorid (SFg). Schwe- felhexafluorid ist ein auf dem elektrotechnischen Gebiet zur Hochspannungsisolierung häufig verwendetes Gas. In diesem Fall kann die Trennstrecke im Vergleich zur Luft drastisch reduziert werden, da die Durchschlagsfähigkeit von Schwefelhexafluorid ca. 3-mal höher ist als die von Luft oder Stickstoff.
Der Aktor ist vorzugsweise elektrisch ansteuerbar. Er kann alternativ pneumatisch oder hydraulisch angesteuert werden. Insbesondere bewirkt der Aktor bei entsprechender Ansteuerung eine lineare Längenveränderung. Die mögliche Längenveränderung wird auch als Stellweg bezeichnet.
Der Aktor kann z.B. auf einem piezoelektrischen Wirkungsprinzip basieren. In diesem Fall spricht man von einem Piezoak- tor, der seine Länge in Abhängigkeit von der angelegten Spannung verändern kann. Piezoaktoren werden z.B. in Einspritz- Systeme von Dieselmotoren verwendet.
Der Aktor kann alternativ auf einem magnetostriktiven Wirkungsprinzip basieren. Mit Magnetostriktion ist die reversib- Ie Deformation ferromagnetischer Stoffe, wie z.B. Terfenol, in Abhängigkeit eines angelegten magnetischen Feldes bezeichnet. Dabei erfährt der Körper bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung.
Die Stellbewegung des Aktors kann weiterhin auf einem Pormge- dächtnisprinzip basieren. Derartige Aktoren bezeichnet man auch als Memorymetall-Aktoren.
Ein Aktor kann weiterhin alternativ ein Hub- oder Tauschmag- net mit einer Tauchspule sein, welche bei Ansteuerung elektrisch erregt wird.
In einer Ausführungsform sind der zweite Schaltkontakt und der Steuerkontakt auf einer Oberseite des Halbleiterschalters angeordnet. Der erste Schaltkontakt ist auf einer zur Oberseite parallelen Unterseite des Halbleiterschalters angeordnet. Ein derartiger Halbleiterschalter ist insbesondere ein gehäuseloser Halbleiterschalter. Im Wesentlichen besteht ein solcher Halbleiterschalter aus dem Halbleiterchip selbst, dem so genannten „Die" (engl. Würfel, Plättchen) . Auf dem Die können zusätzlich Kontaktierungsflächen, insbesondere zum Bonden oder zum Kontaktieren vorhanden sein. Die kompakte Bauart erlaubt einen niederohmigen Anschluss des Halbleiter- Schalters an die Leiterplatte bei einem zugleich geringen
Wärmeübergangswiderstand zur Kühlung des Halbleiterschalters .
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Leiterplatte eine Leiterplattenkontaktflache auf, an welcher der erste Schaltkontakt des Halbleiterschalters anliegt. Dadurch wird der elektrische und thermische Widerstand von der Unterseite des Halbleiterschalters zur Leiterplatte weiter verringert.
Im Besonderen ist der erste Schaltkontakt über eine Lötver- bindung mit der Leiterplattenkontaktflache elektrisch verbunden. Nach einer besonderen Ausführungsform weist der Aktor einen im Wesentlichen auf den Querschnitt des Halbleiterschalters abgestimmten Querschnitt auf. Dadurch ist eine noch kompaktere Bauform möglich. Zugleich ist ein sehr geringer ohmscher Widerstand vom Aktor zum Halbleiterschalter möglich. Der
Halbleiterschalter kann z.B. einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern aufweisen. In diesem Fall ist der Aktor zylinderförmig ausgebildet und weist eine gleichfalls kreisförmige Querschnittsfläche auf.
Alternativ können der Halbleiterschalter und der Aktor eine quadratische, rechteckförmige oder polygone Querschnittsform aufweisen.
Nach einer besonderen Ausführungsform weist der Aktor eine Durchgangsöffnung auf, durch welche der Steuerkontakt des Halbleiterschalters kontaktierbar ist. Die Durchgangsöffnung ist vorzugsweise eine zylinderförmige Bohrung oder Aussparung im Aktor. Insbesondere ist die Durchgangsöffnung im Aktor zentral und parallel zur Ausdehnungsrichtung des Aktors angeordnet .
Vorteilhafterweise fällt im Falle eines zylinderförmigen Aktors die Rotationssymmetrieachse des Aktors mit der Längsach- se der Bohrung bzw. der Aussparung zusammen. Die Durchführungsöffnung ist gegenüber dem außenliegenden Schaltkontakt isoliert ausgeführt. Durch die Durchführungsöffnung kann ein Kontaktierungselement, insbesondere eine zylindrische Metallfeder, eine typischerweise gleichfalls im Zentrum auf der Oberseite des Halbleiterschalters angeordnete Kontaktierungs- flache des Gates kontaktieren. Das Gate des Halbleiterschalters wird somit durch die Durchgangsöffnung hindurch an eine außenliegende Seite des Aktors verlegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der elektrische
Anschluss einen Anschlusskontakt auf, welcher dem zweiten Aktorkontakt gegenüberliegt. Der Anschlusskontakt liegt somit direkt im Stellweg des Aktors. Dadurch ist bei ausgedehntem Aktor eine sichere Kontaktierung von Halbleiterschalter zum elektrischen Anschluss und bei „zusammengezogenem" Aktor eine genügend große Trennstrecke zwischen Aktor und Halbleiterschalter möglich einstellbar.
Wie eingangs beschrieben, sind die beiden Aktorkontakte untereinander elektrisch verbunden. Insbesondere ist auch der elektrische Widerstand vom ersten und zweiten Aktorkontakt so gering bemessen, dass im Nennbetrieb keine nennenswerte Er- wärmung des Aktors erfolgt. Vorzugsweise ist die gesamte Außenfläche des Aktors, bis auf die notwendige Isolierung zur Durchgangsöffnung, elektrisch leitend ausgebildet. Beispielsweise kann die zwischen den Aktorkontakten liegende Außenfläche des Aktors im Sinne eines Faltenbalges ausgebildet sein. Es ist alternativ auch möglich, dass die Aktorkontakte mittels eines beweglichen Leiters, wie z.B. einer Litze aus einem Kupfergeflecht, elektrisch verbunden sind.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die zuvor genann- ten Kontakte flächig, insbesondere plan ausgebildet. Dadurch wird eine eventuell zu hohe Stromdichte vermieden.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Einrichtung eine Steuereinheit auf, welche den Aktor zum Einstellen der Aktorlänge ansteuert. Die Steuereinheit kann z.B. ein
Mikrocontroller sein, welcher neben der Ansteuerfunktionalität für den oder die Schaltkontakte zusätzlich die Ansteuerfunktionalität für den oder die Aktoren aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein elektronisches Schaltgerät gelöst, welches eine derartige erfindungsgemäße Einrichtung aufweist. Insbesondere weist ein solches Schaltgerät einen zweiten elektrischen Anschluss auf, welcher über die Leiterplatte mit dem ersten Schaltkontakt des HaIb- leiterschalters verbunden ist. Weiterhin weist das Schaltgerät einen Steueranschluss auf, welcher mit der Steuereinheit zum Ein- oder Ausschalten des Halbleiterschalters sowie des Aktors verbunden ist. Es weist weiterhin ein Gehäuse auf, an dessen Außenseite die elektrischen Anschlüsse und der Steuer- anschluss angeordnet sind und welches die Einrichtung und die Steuereinheit aufweist. Das Gehäuse kann beispielsweise ein nichtleitender Kunststoff oder eine Keramik sein.
Das erfindungsgemäße elektronische Schaltgerät weist im Vergleich zu Schaltgeräten nach dem Stand der Technik vorteilhaft eine zusätzliche integrierte galvanische Trennung auf. Ein zusätzliches externes Schaltmittel, wie z.B. ein Trenn- schütz, ist nicht erforderlich. Derartige erfindungsgemäße
Schaltgeräte können daher auch für sicherheitskritische oder sicherheitsrelevante Anwendungen eingesetzt werden.
Das Schaltgerät kann weiterhin zwei oder mehr erfindungsgemä- ße Einrichtungen aufweisen, das heißt es kann mehrphasig ausgeführt sein.
Im Besonderen sind der Aktor und der Halbleiterschalter in Abhängigkeit eines Ein- oder Ausschaltbefehls über die Steu- ereinheit ansteuerbar. Dadurch ist kein zusätzliches Ansteuersignal für den Aktor erforderlich. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung des Aktors zum Schließen der Trennstrecke mit dem Einschaltbefehl . Vorzugsweise erfolgt eine Ansteuerung des Halbleiterschalters erst dann, wenn der Aktor den spannungs- führenden elektrischen Anschluss kontaktiert hat. Dagegen erfolgt bei einem Ausschaltbefehl vorzugsweise die Ansteuerung des Aktors zum Aufbau der Trennstrecke erst dann, wenn der Halbleiterschalter in den Sperrbetrieb gewechselt hat.
Das zuvor beschriebene Schaltgerät ist vorzugsweise ein DC- Schaltgerät zum Schalten von Gleichströmen bzw. Gleichspannungen. Der Halbleiterschalter kann beispielsweise ein IGBT- Transistor oder ein MOSFET-Transistor sein.
Alternativ kann das Schaltgerät ein AC-Schaltgerät zum Schalten von Wechselströmen bzw. Wechselspannungen sein. In diesem Fall ist der Halbleiterschalter vorzugsweise ein Triac. Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Einrichtung zwei antiparallel geschaltete Thyristoren als Halbleiterschalter, einen ersten und zweiten elektrischen Anschluss sowie einen ersten und zweiten Aktor auf. Der erste Schaltkon- takt des ersten Thyristors ist über die Leiterplatte mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbunden. Davon getrennt ist der erste Schaltkontakt des zweiten Thyristors über die Leiterplatte mit dem ersten elektrischen Anschluss verbunden. Der erste Aktorkontakt des ersten Aktors liegt am zweiten Schaltkontakt des ersten Thyristors und der erste Aktorkontakt des zweiten Aktors am zweiten Schaltkontakt des zweiten Thyristors an. Je nach Ansteuerung der Aktoren kontaktiert (entweder) der zweite Aktorkontakt des ersten Aktors den ersten elektrischen Anschluss und der zweite Aktorkontakt des zweiten Aktors den zweiten elektrischen Anschluss. Oder die beiden Aktorkontakte sind von dem jeweiligen elektrischen Anschluss unter Ausbildung einer Trennstrecke galvanisch getrennt .
Diese Ausführungsform der Einrichtung ist vorteilhaft für den oberen Leistungsbereich, das heißt für zu schaltende elektrische Leistungen in einem Bereich von 5 kW bis 500 kW. Die beiden separat ausgeführten und untereinander antiparallel verschalteten Thyristoren bilden in schaltungstechnischer Hinsicht einen Triac zum Schalten von Wechselströmen. Der Schaltvorgang erfolgt typischerweise im Nulldurchgang des Stromverlaufs. Die Stromstärke des zu schaltenden Stroms kann dabei mehrere Hundert Ampere betragen.
Zur vollständigen galvanischen Trennung des eingangsseitigen elektrischen Anschlusses vom ausgangsseitigen elektrischen Anschluss ist eine gleichzeitige Ansteuerung der Aktoren notwendig, so dass zu jedem elektrischen Anschluss eine Trennstrecke aufgebaut wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein weiteres elektronisches Schaltgerät gelöst, welches einen Steueran- schluss aufweist, der mit der Steuereinheit zum Ein- oder Ausschalten der Thyristoren sowie der Aktoren verbunden ist. Das erfindungsgemäße Gerät weist ein Gehäuse auf, an dessen Außenseite die elektrischen Anschlüsse und der Steueran- schluss angeordnet sind und welches die erfindungsgemäße Ein- richtung und die Steuereinheit aufweist.
Das erfindungsgemäße weitere elektronische Schaltgerät weist im Vergleich zu Schaltgeräten nach dem Stand der Technik vorteilhaft eine zusätzliche integrierte galvanische Trennung auf. Ein zusätzliches Schaltmittel, wie z.B. ein Trennschütz, ist nicht erforderlich.
Das weitere Schaltgerät kann zwei oder mehr erfindungsgemäße Einrichtungen aufweisen, das heißt es kann mehrphasig ausge- führt sein. Das Schaltgerät kann insbesondere 3-phasig zum Schalten von Strömen und Spannungen eines 3-phasigen Drehstromnetzes ausgebildet sein. Ein Drehstromnetz kann z.B. ein 400V/50Hz-Drehstromnetz eines Energieversorgungsunternehmens sein.
Derartige Schaltgeräte können daher auch für sicherheitskritische bzw. sicherheitsrelevante Anwendungen eingesetzt werden, wie z.B. zum Antrieb von Aufzugmotoren.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Kontaktie- rungs- und Trennmodul zur Montage auf einer Leiterplatte gelöst. Das Kontaktierungs- und Trennmodul weist ein Modulgehäuse, einen Aktor, einen elektrischen Anschluss, einen Steu- eranschluss sowie einen Steuerkontaktanschluss auf. Der Aktor ist im Modulgehäuse aufgenommen und in seiner Länge einstellbar ansteuerbar. Der Aktor weist zudem zwei, mit der Länge des Aktors beabstandete und untereinander leitend verbundene Aktorkontakte auf, wobei der erste Aktorkontakt zur Kontak- tierung eines auf der Leiterplatte angeordneten zweiten Schaltkontaktes auf der Oberseite eines Halbleiterschalters ausgebildet ist. Der zweite Aktorkontakt liegt einem an einer Innenseite des Modulgehäuses angeordneten Anschlusskontakt gegenüber. Der Anschlusskontakt ist mit dem an der Außenseite des Modulgehäuses angeordneten elektrischen Anschluss verbunden. Der Aktor weist eine derart ausgebildete Durchgangsöffnung auf, dass ein auf der Oberseite des Halbleiterelementes angeordneter Steuerkontakt durch die Durchgangsöffnung hin- durch mit dem Steuerkontaktanschluss kontaktierbar ist. Je nach Ansteuerung des Aktors kontaktiert der zweite Aktorkontakt den Anschlusskontakt oder er ist von diesem unter Ausbildung einer Trennstrecke galvanisch getrennt.
Ein derartiges Modul ist auf vorteilhaft einfache Weise mit einem auf der Leiterplatte angebrachten, insbesondere aufgelöteten, Halbleiterschalter kontaktierbar, wobei zugleich eine ansteuerbare galvanische Trennung von dem elektrischen Anschluss des Moduls zum kontaktierten Halbleiterschalter mög- lieh ist. Das Modul kann z.B. auf die Leiterplatte angeschraubt werden. Es kann alternativ Befestigungsbolzen aufweisen, welche geometrisch auf Aussparungen in der Leiterplatte abgestimmt sind. Die Befestigungsbolzen können im Endbereich Rasthaken oder Widerhaken aufweisen, so dass das Mo- dul in die Leiterplatte eingerastet oder eingeschnappt werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Montage des Kontak- tierungs- und Trennmoduls der Halbleiterschalter gegen die Leiterplattenkontaktflache gepresst wird.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
FIG 1 beispielhaft ein Schaltbild einer über ein Schaltgerät an ein elektrisches Netz angeschlossenen Last nach dem Stand der Technik,
FIG 2 ein Beispiel für eine Kontaktierung von Halbleiter- Schaltern mittels Bonddrähte nach dem Stand der
Technik,
FIG 3 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung, FIG 4 beispielhaft eine konstruktive Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Halbleiterschalter,
FIG 5 ein beispielhaftes Kontaktierungs- und Trennmodul gemäß der Erfindung,
FIG 6 ein Schaltbild einer über ein erfindungsgemäßes
Schaltgerät an ein elektrisches Netz angeschlossenen Last,
FIG 7 beispielhaft ein Schaltbild eines aus zwei antipa- rallel verschalteten Thyristoren bestehenden Wechselstromschalters mit der erfindungsgemäßen wählbaren galvanischen Trennung,
FIG 8 eine beispielhaft konstruktive Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung mit zwei antiparallel verschalteten Thyristoren,
FIG 9 ein erstes Zeitdiagramm und
FIG 10 ein zweites Zeitdiagramm.
FIG 1 zeigt beispielhaft ein Schaltbild einer über ein Schaltgerät 103 an ein elektrisches Netz 100 angeschlossenen Last 105 nach dem Stand der Technik.
Das Schaltgerät 103 ist beispielsweise ein 3-phasig ausgebildeter Sanftstarter. Er ermöglicht ein „sanftes" Zuschalten bzw. ein sanftes Abschalten der Last 105. Die Last 105 ist beispielhaft ein Drehstrommotor. Bei dem elektrischen Netz 100 handelt es sich um ein 3-phasiges Drehstromnetz . Das Schaltgerät 103 weist beispielhaft einen Triac als Halbleiterschalter 21 auf. Der Triac besteht aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren. Über ein nicht weiter bezeichnetes Gate kann die Last 105 im Sinne einer Phasenanschnittsteuerung rampenförmig ein- oder ausgeschaltet werden. Mit dem Bezugszeichen 104 ist ein optionaler Überbrückungsschalter oder Bypass-Schalter bezeichnet. Er überbrückt nach Erreichen des Endes der Hochlauframpe den Triac 21. Dadurch werden elektrische Verluste in Form von Wärme, die im Nennbetrieb am Triac 21 entstehen würden, vermieden. Mit dem Bezugszeichen 101 ist ein Schutzgerät bezeichnet, welches im Falle eines Überstromes und/oder eines Kurzschlusses das elektronische Schaltgerät 103 vom Netz 100 trennt.
Mit dem Bezugszeichen 102 ist ein Trennschütz bezeichnet, welcher die Netzspannung insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen zur Vermeidung einer Verschleppung der Netzspannung zum Ausgang des elektronischen Schaltgerätes 103 hin abschalten kann. Er kann gleichfalls mit dem Vorliegen eines Ausschaltbefehls für das Schaltgerät 103 zum Ausschalten angesteuert werden.
FIG 2 zeigt ein Beispiel für eine Kontaktierung von Halbleiterschaltern 21, 22 mittels Bonddrähte 20 nach dem Stand der Technik.
Im unteren Teil der FIG 2 sind eine Leiterplatte 2 mit einer isolierenden Keramiklage 17 und zwei diese umgebende Kupferlagen 16, 18 dargestellt. Die Kupferlage 18 bildet entspre- chende Leiterplattenkontaktflächen aus, mit denen die zwei
Halbleiterschalter 21, 22 kontaktiert, insbesondere verlötet, sind. Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein erster Schaltkontakt des Halbleiterschalters, mit 5 ein zweiter Schaltkontakt und mit 6 ein Steuerkontakt, wie z.B. ein Gate, bezeichnet. Die beiden zuletzt genannten Kontakte 5, 6 sind mittels Bonddrähte 20 mit weiteren und nicht weiter bezeichneten Kontaktie- rungsflachen elektrisch verbunden. Im linken und rechten Teil der FIG 2 sind elektrische Anschlüsse 11, 12 als Ein- und Ausgang der gezeigten Schaltung dargestellt.
FIG 3 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung 1.
Mit dem Bezugszeichen 11 ist ein eingangsseitiger elektri- scher Anschluss bezeichnet. Er ist typischerweise mit dem Netz 100 verbunden. Mit dem Bezugszeichen 12 ist ein ausgangsseitiger elektrischer Anschluss bezeichnet. Er ist typischerweise mit der Last 105 verbunden. Im unteren Teil der FIG 3 ist ein Triac 21 zum Schalten von WechselSpannungen bzw. Wechselströmen dargestellt.
Die gezeigte Einrichtung 1 weist zum galvanischen Trennen des elektrischen Anschlusses 11 von dem Halbleiterschalter 21 eine nicht weiter dargestellte bzw. nur schaltungstechnisch angedeutete Leiterplatte 2 auf, auf welcher zumindest der Halbleiterschalter 21 und der elektrische Anschluss 11 angeordnet sind. Der erste Schaltkontakt 4 ist mit der Leiterplatte 2, der zweite Schaltkontakt 5 mit dem elektrischen Anschluss 11 verbunden. Mit dem Bezugszeichen 6 ist der Steuerkontakt bezeichnet .
Erfindungsgemäß weist die Einrichtung 1 einen ansteuerbaren und in seiner Länge L veränderbaren Aktor 71 mit zwei, mit der Länge L des Aktors 71 beabstandete und untereinander leitend verbundene Aktorkontakte 7, 8 auf. Der erste Aktorkontakt 7 liegt am zweiten Schaltkontakt 5 an. Der zweite Aktorkontakt 8 kontaktiert je nach Ansteuerung des Aktors 71 ent- weder den elektrischen Anschluss 11 (gestrichelte Darstellung) oder er ist von diesem unter Ausbildung einer Trennstrecke TS galvanisch getrennt. Mit dem Bezugszeichen 9 ist ein Anschlusskontakt des elektrischen Anschlusses 11 bezeichnet, der dem Aktorkontakt 8 gegenüberliegt.
FIG 4 zeigt beispielhaft eine konstruktive Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 mit einem Halbleiterschalter 21 als einzelnes Bauteil.
Der Halbleiterschalter 21 ist im Beispiel der FIG 4 ein Triac mit zwei auf einem Halbleiterchip integrierten und antiparallel geschalteten Thyristoren. Der Halbleiterschalter 21 ist plattenförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Er weist eine Dicke D auf. Es sind weiterhin der zweite Schaltkontakt 5 und der Steuerkontakt 6 auf einer Oberseite OS des Halbleiterschalters 21 angeordnet. Der erste Schaltkontakt 4 ist auf einer zur Oberseite OS parallelen Unterseite US des Halbleiterschalters 3 angeordnet. Die Leiterplatte 2 entspricht im Wesentlichen der in FIG 2 gezeigten. Die Leiterplatte 2 weist eine eben ausgebildete Leiterplattenkontaktflache 10 auf, an welcher der erste Schaltkontakt 4 des Halbleiterschalters 21 anliegt. Insbesondere ist der erste Schaltkontakt 4 über eine Lötverbindung mit der Leiterplattenkontaktflache 10 elektrisch verbunden, so dass ein niederohmiger elektrischer Übergang mit zugleich einem geringen Wärmeleitwiderstand möglich ist. Die Lötung sorgt zudem dafür, dass der Halbleiterschalter 21 mechanisch auf der Leiterplattenkontaktflache 10 fixiert ist.
Der Aktor 71 weist einen im Wesentlichen auf den Querschnitt des Halbleiterschalters 21 abgestimmten Querschnitt auf. Der Querschnitt des Halbleiterschalters 21 sowie des Aktors 71 ist im Beispiel der FIG 4 kreisförmig. Der Aktor 71 kann z.B. ein Piezoaktor, ein magnetorestriktiver Aktor oder ein Aktor auf Basis einer Formgedächtnislegierung sein. Insbesondere ist der Aktor 71 elektrisch ansteuerbar.
Wie die FIG 4 zeigt, kann sich der Aktor 71, ausgehend von der gezeigten Länge L des Aktors 71, bei Ansteuerung um die Länge T der Trennstrecke TS ausdehnen und so die Trennstrecke TS bzw. den Luftspalt beseitigen. Mit Ansteuerung ist auch gemeint, dass sich der Aktor 71 nach Wegfall der elektrischen Erregung zusammenziehen oder ausdehnen kann. Der Aktor 71 kann weiterhin eine mechanische Vorspannfeder zum Einstellen einer gewünschten erregerlosen Schaltstellung aufweisen.
Im Beispiel der FIG 4 weist der Aktor 71 eine Durchgangsöffnung DO auf, durch welche der Steuerkontakt 6 des Halbleiterschalters 21 kontaktierbar ist. Zur Kontaktierung ist eine metallische Zylinderfeder 23 vorhanden, welche mit dem einen Ende das Gate 6 und mit dem anderen Ende mit einer Steuerein- heit 3 elektrisch verbunden ist. Insbesondere ist das Gate 6 lösbar kontaktiert. Die Steuereinheit 3 dient zum Einstellen der Aktorlänge L und ist daher über Ansteuerleitungen 38 mit dem Aktor 71 verbunden. Sie kann zugleich zur Ansteuerung des Halbleiterschalters 21 dienen und den Aktor 71 und den Halbleiterschalter 21 in Abhängigkeit eines vorliegenden Ein- oder Ausschaltbefehls ansteuern. Im Beispiel der FIG 4 weist der elektrische Anschluss 11 gleichfalls eine Durchgangsöff- nung auf, durch die das Kontaktierungsmittel 23 hindurch geführt ist.
Weiterhin sind die dargestellten Kontakte 4 - 8, das heißt die Schaltkontakte 4, 5, der Steuerkontakt 6 und die Aktor- kontakte 7, 8 flächig bzw. plan ausgebildet. Mit AO ist dabei die Aktoraußenseite und mit EU die der Außenseite AO des Aktors 71 gegenüberliegende Kontaktfläche des elektrischen Anschlusses 12 bezeichnet. Die Kontakte 4 - 8 können eine besonders leitfähige, für häufige Schalthandlungen und/oder für eine gute beständige Kontaktierung geeignete Beschichtung aufweisen, wie z.B. eine Beschichtung aus einer Kobalt-, Kupfer- oder Silberlegierung.
Die gezeigte Einrichtung 1 kann Teil eines nicht weiter dar- gestellten elektronischen Schaltgerätes sein. Ein derartiges Gerät weist neben dem vorzugsweise ausgangsseitigen elektrischen Anschluss 11 einen zweiten, insbesondere ausgangsseitigen elektrischen Anschluss 12 auf. Letzterer ist über die Leiterplatte 2 mit dem ersten Schaltkontakt 4 des Halbleiter- Schalters 21 verbunden. Das Schaltgerät weist weiterhin einen Steueranschluss 13 auf, welcher mit der Steuereinheit 3 zum Ein- oder Ausschalten des Halbleiterschalters 21 sowie des Aktors 71 verbunden ist. Es weist zudem ein Gehäuse auf, an dessen Außenseite die elektrischen Anschlüsse 11, 12 und der Steueranschluss 13 angeordnet sind. Im Gehäuse selbst sind die Einrichtung 1 und die Steuereinheit 13 untergebracht. Das Gehäuse kann aus einem nichtleitfähigen Kunststoff oder aus einer Keramik bestehen.
FIG 5 zeigt ein beispielhaftes Kontaktierungs- und Trennmodul gemäß der Erfindung. Das Kontaktierungs- und Trennmodul dient zur Montage auf einer Leiterplatte 2 sowie zur Kontaktierung eines auf der Leiterplatte 2 angeordneten Halbleiterschalters 21. Es weist ein Modulgehäuse 15, einen Aktor 71, einen elektrischen Anschluss 11, einen Steueranschluss 13 sowie einen Steuerkontaktan- schluss 14 auf. Der Aktor 71 ist im Modulgehäuse 15 aufgenommen und in seiner Länge L einstellbar ansteuerbar. Er weist zwei, mit der Länge L des Aktors 71 beabstandete und untereinander leitend verbundene Aktorkontakte 7, 8 auf. Der erste Aktorkontakt 7 ist zur Kontaktierung des auf der Leiterplatte 2 angeordneten zweiten Schaltkontaktes 5 ausgebildet . Der zweite Aktorkontakt 8 liegt einem an einer Innenseite des Modulgehäuses 15 angeordneten Anschlusskontakt 9 gegenüber. Der Anschlusskontakt 9 ist mit dem an der Außenseite des Modulge- häuses 15 angeordneten elektrischen Anschluss 11 verbunden.
Der Aktor 71 weist eine derart ausgebildete Durchgangsöffnung DO auf, dass ein auf der Oberseite OS des Halbleiterelementes 21 angeordneter Steuerkontakt 6 durch die Durchgangsöffnung DO hindurch mit dem Steuerkontaktanschluss 14 kontaktierbar ist. Je nach Ansteuerung des Aktors 71 kontaktiert der zweite Aktorkontakt 8 den Anschlusskontakt 9 oder er ist von diesem unter Ausbildung einer Trennstrecke TS galvanisch getrennt. Mit dem Bezugszeichen 25 sind besonders leitfähige und schaltbeständige Kontaktierungsschichten bezeichnet.
Das Modulgehäuse 15 ist vorzugsweise aus einem nicht leitfähigen Kunststoff oder aus einer Keramik hergestellt. Das Modulgehäuse 15 kann rippenförmigen im Sinne eines Kühlkörpers ausgebildet sein. Dadurch ist eine verbesserte Kühlung des Halbleiterschalters 71 möglich. Das Modulgehäuse 15 kann topfförmig ausgebildet sein. Es kann nicht weiter dargestellte Luftöffnungen im Außenbereich zur Kühlung des Halbleiterschalters 21 aufweisen. Weiterhin kann das Modulgehäuse 15 an der Innenseite ausgebildete Führungen 24 aufweisen, welche den Aktor 71 im Modulgehäuse 15 aufnehmen und zugleich eine Ausdehnung des Aktors 71 ermöglichen. Wie die FIG 5 weiter zeigt, weist der Aktor 71 einen im Wesentlichen auf den Querschnitt des zu kontaktierenden Halbleiterschalters 21 abgestimmten Querschnitt auf. In entsprechender Weise ist der Innenquerschnitt des Modulgehäuses 15 auf den Querschnitt des Aktors 71 ausgelegt.
Im unteren Teil der FIG 5 ist dargestellt, wie das Modulgehäuse 15 an die Leiterplatte 2 montiert ist. Das Modulgehäuse 15 des Kontaktierungs- und Trennmoduls weist Bolzen bzw. Stifte 27 auf, welche durch entsprechende Bohrungen oder Aussparungen 26 in der Leiterplatte 2 bei der Montage hindurch geführt werden können. Die Bolzen 27 weisen beispielhaft Rasthaken 28 auf, welche das Modulgehäuse 15 nach Aufstecken auf die Leiterplatte 2 über den Halbleiterschalter 21 mit der Leiterplatte 2 verrasten. Alternativ kann das Modulgehäuse 15 mit der Leiterplatte 2 verschraubt werden.
FIG 6 zeigt ein Schaltbild einer über ein erfindungsgemäßes Schaltgerät an ein elektrisches Netz 100 angeschlossenen Last 105.
Im Gegensatz zum Schaltbild gemäß FIG 1 kann auf das Schaltmittel 102 verzichtet werden. Die galvanische Trennung ist im erfindungsgemäßen Schaltgerät 103 bereits integriert.
FIG 7 zeigt beispielhaft ein Schaltbild eines aus zwei antiparallel verschalteten Thyristoren 21, 22 bestehenden Wechselstromschalters mit der erfindungsgemäßen möglichen galvanischen Trennung.
Im linken Teil der FIG 7 ist der eingangsseitige Anschluss 11, im rechten Teil der ausgangsseitige Anschluss 12 dargestellt. Mit il ist der Strom bezeichnet, der in der ersten Halbperiode des zu schaltenden Wechselstroms fließt. Mit i2 ist der Strom bezeichnet, der in der zweiten Halbperiode des zu schaltenden Wechselstroms fließt. Wie die FIG 7 zeigt, kann der Strom il aufgrund des gleichrichtenden Verhaltens der Thyristoren 21, 22 nur vom Anschluss 11, über den Verbin- dungsknoten 30, dem Stromzweig 32 in den ersten Schaltkontakt 4 des rechten Thyristors 22 zum Anschluss 12 fließen, wenn der Thyristor 22 eingeschaltet und der Aktor 72 nicht trennend angesteuert ist. In entsprechender Weise kann der Strom i2 nur vom Anschluss 12, über den Verbindungsknoten 31, dem Stromzweig 33 in den ersten Schaltkontakt 4 des linken Thyristors 21 zum Anschluss 11 fließen, wenn der Thyristor 21 eingeschaltet und der Aktor 71 nicht trennend angesteuert ist. Bei dieser Schaltungsanordnung ist erkennbar, dass zwei Einrichtungen 1 zum galvanischen Trennen der Anschlüsse 11, 12 von den beiden Thyristoren 21, 22 erforderlich sind.
FIG 8 zeigt eine beispielhaft konstruktive Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 mit zwei antiparallel verschalteten Thyristoren 21, 22.
Die Einrichtung 1 weist einen ersten und zweiten elektrischen Anschluss 11, 12 sowie einen ersten und zweiten Aktor 71, 72 auf. Der erste Schaltkontakt 4 des ersten Thyristors 21 ist über die Leiterplatte 2 mit dem zweiten elektrischen Anschluss 12 verbunden. Davon getrennt ist der erste Schaltkontakt 4 des zweiten Thyristors 22 über die Leiterplatte 2 mit dem ersten elektrischen Anschluss 11 verbunden. Der erste Aktorkontakt 7 des ersten Aktors 71 liegt am zweiten Schaltkon- takt 5 des ersten Thyristors 21 und der erste Aktorkontakt 7 des zweiten Aktors 71 am zweiten Schaltkontakt 5 des zweiten Thyristors 22 an. Je nach Ansteuerung der Aktoren 71, 72 kontaktiert der zweite Aktorkontakt 8 des ersten Aktors 71 den ersten elektrischen Anschluss 11 und der zweite Aktorkontakt 8 des zweiten Aktors 72 den zweiten elektrischen Anschluss 12. Oder die beiden Aktorkontakte 8 sind von dem jeweiligen elektrischen Anschluss 11, 12 unter Ausbildung einer Trennstrecke TS galvanisch getrennt.
Im mittleren Teil der FIG 8 ist eine Steuereinheit 3 dargestellt, welche einerseits mit den beiden Steuerkontakten 6 der Thyristoren 21, 22 sowie andererseits über die Ansteuerleitungen 38 mit den beiden Aktoren 71, 72 verbunden ist. Die Steuereinheit 3 ist wie auch die beiden elektrischen Anschlüsse 11, 12 über nichtleitende Halteelemente oder Stempel 35 mit der Leiterplatte 2 mechanisch verbunden. Mit dem Bezugszeichen 19 ist eine elektrisch isolierende Vergussmasse bezeichnet . Diese kann nach Montage der erfindungsgemäßen
Einrichtungen auf die Leiterplatte 2 aufgebracht, insbesondere vergossen werden. Die Vergussmasse 19 bildet eine Isolationsschicht zur Reduzierung der Luft- und Kriechstrecken auf der Leiterplatte 2 aus.
Die zuvor beschriebene Einrichtung 1 kann zur vereinfachten Montage und Kontaktierung auch zwei Kontaktierungs- und Trennmodule aufweisen.
Die gezeigte Einrichtung 1 kann auch Teil eines nicht weiter dargestellten weiteren elektronischen Schaltgerätes sein. Ein derartiges Gerät weist einen Steueranschluss 13 auf, welcher mit der Steuereinheit 3 zum Ein- oder Ausschalten der Thyristoren 21, 22 sowie der Aktoren 71, 72 verbunden ist. Es weist zudem ein Gehäuse auf, an dessen Außenseite die elektrischen Anschlüsse 11, 12 und der Steueranschluss 13 angeordnet sind und welches die Einrichtung 1 und die Steuereinheit 13 aufweist. Im Besonderen steuert die Steuereinheit 13 die Aktoren 71, 72 in Abhängigkeit von einem Ein- oder Ausschalt- befehl der Thyristoren 21, 22 an. Der zeitliche Verlauf der Ansteuerung ist in den beiden nachfolgenden Zeitdiagrammen dargestellt.
FIG 9 zeigt ein erstes Zeitdiagramm.
Mit dem Bezugszeichen Vl ist der zeitliche Verlauf eines Ein- /Ausschaltbefehls für die erfindungsgemäße Einrichtung 1 bzw. für das erfindungsgemäße elektronische Schaltgerät bezeichnet. Das Schaltgerät ist im vorliegenden Beispiel ein Sanft- starter.
Mit Vorliegen des Einschaltbefehls erfolgt nach Ablauf einer systembedingten Verzögerungszeit TV das Schließen der galva- nischen Trennstrecke zwischen dem Aktor und dem Halbleiterschalter. Dies zeigt der Verlauf V2. Um das Schließen vorteilhaft leistungslos zu ermöglichen, werden die Thyristoren erst nach einer kurzen Zeit nach dem Schließen der galvani- sehen Trennstrecke angesteuert (siehe Verlauf V3) . Die Thyristoren werden derart angesteuert, dass die Last rampenför- mig innerhalb einer Rampenhochlaufzeit TR sanft an die Eingangsspannung geschaltet wird. Dies zeigt der Verlauf V4. Nach einer Nennbetriebszeit TB erfolgt eine Abschaltung des Sanftstarters. Mit Empfang des entsprechenden Ausschaltbefehls werden die Thyristoren derart angesteuert, dass die Last rampenförmig und somit sanft von der EingangsSpannung getrennt wird. Nach vollständiger Sperrung der Thyristoren werden die Aktoren zum Aufbau der galvanischen Trennstrecke angesteuert.
FIG 10 zeigt ein zweites Zeitdiagramm.
Es unterscheidet sich vom Zeitdiagramm gemäß FIG 9 dadurch, dass ein zusätzlicher Überbrückungsschalter oder Bypass-
Schalter angesteuert wird. Er überbrückt innerhalb der Nenn- betriebszeit zur Vermeidung unnötiger Durchleitungsverluste an dem Aktor und insbesondere an den Thyristoren (siehe Verlauf V5) die elektrischen Anschlüsse des Schaltgerätes. Wie die FIG 10 zeigt, werden mit Erreichen des Endes der Hochlauframpe die Thyristoren und danach die Aktoren ausgeschaltet, nach dem der Überbrückungsschalter den eingangs- und ausgangsseitigen elektrischen Anschluss überbrückt hat (siehe Verlauf Vl'-V4')- In korrespondierender Weise werden bei Vor- liegen eines Ausschaltbefehls erst die Thyristoren und Aktoren eingeschaltet. Dies erfolgt nahezu stromlos, da der Hauptstrom weiterhin über den Überbrückungskontakt zur Last geführt wird. Im Anschluss erfolgt das Ausschalten des Über- brückungsschalters . Der dann durch die Thyristoren fließende Strom wird rampenförmig gegen Null gefahren. Mit Erreichen des stromlosen Sperrzustandes der Thyristoren werden die Aktoren zum Aufbau der galvanischen Trennstrecke angesteuert.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zum galvanischen Trennen eines elektrischen Anschlusses (11) von einem Halbleiterschalter (21) , wobei der Halbleiterschalter (21) zwei Schaltkontakte (4, 5) und einen Steuerkontakt (6) aufweist, wobei die Einrichtung eine Leiterplatte (2) aufweist, auf welcher zumindest der Halbleiterschalter (21) und der elektrische Anschluss (11) angeordnet sind und wobei der erste Schaltkontakt (4) des Halbleiter- Schalters (21) mit der Leiterplatte (2) und der zweite
Schaltkontakt (5) mit dem elektrischen Anschluss (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen ansteuerbaren und in seiner Länge (L) veränderbaren Aktor (71) aufweist, welcher zwei, mit der Länge (L) des Aktors (71) beabstandete und untereinander leitend verbundene Aktorkontakte (7, 8) aufweist, wobei der erste Aktorkontakt (7) am zweiten Schaltkontakt (5) anliegt und der zweite Aktorkontakt (8) je nach Ansteuerung des Aktors (71) den elektrischen Anschluss (11) kontaktiert oder von diesem unter Ausbildung ei- ne Trennstrecke (TS) galvanisch getrennt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (21) plattenförmig ist, dass der zweite Schaltkontakt (5) und der Steuerkontakt (6) auf einer O- berseite (OS) des Halbleiterschalters (21) angeordnet sind und dass der erste Schaltkontakt (4) auf einer zur Oberseite (OS) parallelen Unterseite (US) des Halbleiterschalters (3) angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) eine Leiterplattenkontaktflache (10) aufweist, an welcher der erste Schaltkontakt (4) des Halbleiterschalters (21) anliegt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltkontakt (4) über eine Lötverbindung mit der Leiterplattenkontaktflache (10) elektrisch verbunden ist.
5. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (71) einen im Wesentlichen auf den Querschnitt des Halbleiterschalters (21) abgestimmten Querschnitt aufweist.
6. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (71) eine Durchgangs- Öffnung (DO) aufweist, durch welche der Steuerkontakt (6) des Halbleiterschalters (21) kontaktierbar ist.
7. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss (11) einen Anschlusskontakt (9) aufweist, welcher dem zweiten Aktorkontakt (8) gegenüberliegt.
8. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (4 - 9) flächig, insbesondere plan ausgebildet sind.
9. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Steuereinheit (3) aufweist, welche den Aktor (7) zum Einstellen der Aktorlänge (L) ansteuert.
10. Elektronisches Schaltgerät mit einer Einrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welches aufweist
- einen zweiten elektrischen Anschluss (12), welcher über die Leiterplatte (2) mit dem ersten Schaltkontakt (4) des Halbleiterschalters (21) verbunden ist, - einen Steueranschluss (13), welcher mit der Steuereinheit (3) zum Ein- oder Ausschalten des Halbleiterschalters (21) sowie des Aktors (71) verbunden ist und
- ein Gehäuse, an dessen Außenseite die elektrischen Anschlüsse (11, 12) und der Steueranschluss (13) angeordnet sind und welches die Einrichtung (1) und die Steuereinheit (13) aufweist.
11. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (71) und der Halbleiterschalter (21) in Abhängigkeit eines Ein- oder Ausschaltbefehls über die Steuereinheit (3) ansteuerbar sind.
12. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Einrichtung zwei antiparallel geschaltete Thyristoren als Halbleiterschalter (21, 22), einen ersten und zweiten elektrischen Anschluss (11, 12) sowie einen ersten und zweiten Aktor (71, 72) aufweist,
- dass der erste Schaltkontakt (4) des ersten Thyristors (21) über die Leiterplatte (2) mit dem zweiten elektrischen Anschluss (12) verbunden ist, - dass davon getrennt der erste Schaltkontakt (4) des zweiten Thyristors (22) über die Leiterplatte (2) mit dem ersten elektrischen Anschluss (11) verbunden ist,
- dass der erste Aktorkontakt (7) des ersten Aktors (71) am zweiten Schaltkontakt (5) des ersten Thyristors (21) und der erste Aktorkontakt (7) des zweiten Aktors (71) am zweiten Schaltkontakt (5) des zweiten Thyristors (22) anliegt und
- dass je nach Ansteuerung der Aktoren (71, 72) der zweite Aktorkontakt (8) des ersten Aktors (71) den ersten elektri- sehen Anschluss (11) und der zweite Aktorkontakt (8) des zweiten Aktors (72) den zweiten elektrischen Anschluss (12) kontaktiert oder dass die beiden Aktorkontakte (8) von dem jeweiligen elektrischen Anschluss (11, 12) unter Ausbildung einer Trennstrecke (TS) galvanisch getrennt sind.
13. Elektronisches Schaltgerät mit einer Einrichtung (1) nach Anspruch 12 , welches aufweist
- einen Steueranschluss (13) , welcher mit der Steuereinheit (3) zum Ein- oder Ausschalten der Thyristoren (21, 22) so- wie der Aktoren (71, 72) verbunden ist, und
- ein Gehäuse, an dessen Außenseite die elektrischen Anschlüsse (11, 12) und der Steueranschluss (13) angeordnet sind und welches die Einrichtung (1) und die Steuereinheit (3) aufweist.
14. Elektronisches Schaltgerät nach Anspruch 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) die Aktoren (71,
72) in Abhängigkeit von einem Ein- oder Ausschaltbefehl der Thyristoren (21, 22) ansteuert.
15. Kontaktierungs- und Trennmodul zur Montage auf einer Lei- terplatte (2), wobei das Kontaktierungs- und Trennmodul ein
Modulgehäuse (15), einen Aktor (71), einen elektrischen An- schluss (11), einen Steueranschluss (13) sowie einen Steuer- kontaktanschluss (14) aufweist, wobei der Aktor (71) im Modulgehäuse (15) aufgenommen ist, in seiner Länge (L) ein- stellbar ansteuerbar ist sowie zwei, mit der Länge (L) des
Aktors (71) beabstandete und untereinander leitend verbundene Aktorkontakte (7, 8) aufweist, wobei der erste Aktorkontakt (7) zur Kontaktierung eines auf der Leiterplatte (2) angeordneten zweiten Schaltkontaktes (5) auf der Oberseite (OS) ei- nes Halbleiterschalters (21) ausgebildet ist, wobei der zweite Aktorkontakt (8) einem an einer Innenseite des Modulgehäuses (15) angeordneten Anschlusskontakt (9) gegenüberliegt, wobei der Anschlusskontakt (9) mit dem an der Außenseite des Modulgehäuses (15) angeordneten elektrischen Anschluss (11) verbunden ist, wobei der Aktor (71) eine derart ausgebildete Durchgangsöffnung (DO) aufweist, dass ein auf der Oberseite
(05) des Halbleiterelementes (21) angeordneter Steuerkontakt
(6) durch die Durchgangsöffnung (DO) hindurch mit dem Steuer- kontaktanschluss (14) kontaktierbar ist und wobei je nach An- Steuerung des Aktors (71) der zweite Aktorkontakt (8) den Anschlusskontakt (9) kontaktiert oder von diesem unter Ausbildung einer Trennstrecke (TS) galvanisch getrennt ist.
16. Kontaktierungs- und Trennmodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (71) einen im Wesentlichen auf den Querschnitt des zu kontaktierenden Halbleiterschalters (21) abgestimmten Querschnitt aufweist.
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