用于传导和切断电流的开关设备的制作方法

本发明涉及一种用于传导和切断电流的开关设备，尤其是一种用于传导和切断高dc电流及低频ac电流的混合式开关组件，以及具有这种开关设备的开关装置。

背景技术

德国公开专利申请de102013114259a1描述了混合式开关组件的一种有利变型，其中功率半导体的电流负载的时间减至最小以获得最长可能寿命预期和最小可能大小，这尤其对于电流范围是数百安培的功率接触器而言是重要的。为了使流过功率半导体的负载电流的时间减至最小，通过电流变换器获取换向时刻，且仅维持通过半导体的电流直至断开的机械开关路段已经达到足够的电强度。在此短时间中，通过半导体经由其触发而将负载电流人为变为零，使得在消弧触点及在此串联的隔离触点组件两者断开之后实现安全的电隔离。

在设计开关装置时，为了确保功能安全且为了获得长的电寿命，一个重要任务是防止开关触点的焊接。即使当使用合适的触点材料以及足够的触点大小时，原则上也存在如下风险，即在接通过程期间，触点的短暂反弹会在触点接触中出现，尤其对于用于范围是几百安培的电流的开关仪器，所述开关仪器需要相对高的接触压力。在这样的反弹过程期间，在最低限度打开的触点之间出现短暂的电弧。特别在高电弧电流下，在立足点的区域中，接触表面的局部熔融可能发生，这接着在紧接着的重新接触中导致两个触点的焊接。在此焊接的趋势增大，特别在其表面已经由于大量诱发电弧的开关动作而具有显著变化的外形的触点中。在此，优选在触点尖端的范围内，存在点形式的焊接。如果不可能在后续断开过程期间使用开关驱动器破坏这种焊接，则该开关装置不再起作用。原则上，这也适用于混合式开关。举例而言，在公开的德国专利申请de102013114259a1中所描述的混合式开关组件的接通期间，如果存在所谓的消弧触点的焊接，则换向至功率半导体在后续断开过程期间不再发生，这由于消弧触点的机械打开而变得有可能。在不存在负载电流换向至igbt的情况下，通过使负载电流短暂地通过半导体使负载电流变为零，混合式开关从而失去其基本功能。打开负责混合式开关的电隔离的第二机械触点组件因此会形成持久的电弧且因此导致开关装置毁坏。

美国专利us3,639,808描述用于继电器的开关触点的保护电路，所述继电器具有与开关触点并联连接的双向三极管，双向三极管在开关触点关闭之前且在开关触点打开短时间间隔之后导通，以避免电弧作用在开关触点上形成。特别地，根据美国专利us3,639,808，双向三极管在开关触点闭合之前导通大致5至15毫秒。然而，当待切换的电流非常大时，这可导致双向三极管的相当大负荷且因此导致相关联的寿命减少。

技术实现要素：

本发明的目标因此为提议一种用于传导和切断电流的开关设备、尤其是一种用于传导和切断高dc电流和低频ac电流的改进的混合式开关组件，和具有这种开关设备的改进的开关装置，其中形成非期望的开关电弧的风险减小，且由此可达成增加的功能可靠性以及极高的电寿命。

该目标通过独立权利要求的主题来实现。本发明的其他实施例为从属权利要求的主题。

本发明提议修改混合式开关，例如上文所述且由公开的德国专利申请de102013114259a1已知的开关，使得如同由美国专利us3,639,808已知的保护电路那样，在机械触点组件的闭合过程期间，与机械触点组件并联连接的半导体开关至少在短时间中被连接或导通，以便自机械接触开始实现电流的至半导体开关的时间有限的换向，且因此抑制可由于机械触点组件的弹跳而发生的开关电弧作用。理想地，在接通过程期间，触点不再经受任何弹跳诱发的电弧负载。为了使半导体开关的电流负载保持尽可能低，本发明提供，在初始化用于控制半导体开关的开关电子器件之后，存在一预定等待时段，直至半导体开关接通，且所述预定时间段是根据机械触点组件来设定，使得所述预定时间段适应于机械触点组件。这使得有可能使电流至半导体开关的换向时间接近机械触点组件的接触时间，以致可避免半导体开关的电流负载过强及由此在特定情形下造成的寿命减少。

本发明的实施例现在涉及一种用于传导和切断电流的开关设备，所述开关设备具有：第一机械触点组件；与所述第一机械触点组件并联连接的半导体开关；与所述第一机械触点组件串联连接的第二机械触点组件；以及用于接通和断开所述半导体开关的开关电子器件。根据本发明，所述开关电子器件被构造以在所述第一机械触点组件的闭合过程期间，在初始化所述开关电子器件之后的第一预定时间段t-0之后接通所述半导体开关，且在第二预定时间段t-1之后再次断开所述半导体开关，其中所述第一预定时间段t-0通过所述开关电子器件根据所述第一机械触点组件来设定。

为了调整在所述第一机械触点组件处更佳的电流至半导体开关的换向，还可构造开关电子器件以根据所述第一机械触点组件来设定所述第二预定时间段t-1。举例而言，时间t-1可设定为一时间，设定所述时间，以使得所述第一机械触点组件的触点可靠地闭合且开关弹跳不再发生，使得进一步避免触点的弹跳相关的电弧负载，且由换向的电流引起的半导体开关的负载时间尽可能短。

此外，所述开关电子器件可被构造以在初始化开关电子组件之后接收所述第一机械组件的数据，且根据接收的所述数据来设定所述第一预定时间段t-0和/或所述第二预定时间段t-1。该数据可包含例如机械触点组件的特性值，例如，考虑到触点组件的惯性，在触点的第一次闭合之前的典型的持续时间。数据可被数字和/或模拟地接收，例如呈数字数据或模拟测量值的形式。

举例而言，所述开关电子器件可被构造为：通过测量分配给所述第一机械触点组件的电阻上的电压降来接收所述第一机械触点组件的数据；将测量值作为特性值储存于寄存器中；根据所述特性值和具有各种机械触点组件的性质的值表，判定用于所述半导体开关的适合于所述第一机械触点组件的阻断时间；以及根据所述判定的阻断时间来设定所述第一预定时间段t-0。在此情况下，用于机械触点组件的数据以电阻的形式模拟地编码，所述电阻能够根据类型不同地起作用(ausfallen)并且能够在任意位置集成地设置在开关装置中。能够通过开关电子器件本身或通过外部电路来馈送电流至电阻以产生期望的电压降。举例而言，开关电子器件能够紧接在其初始化之后为电阻供能且由此测量电阻中的电压降。但电阻也能够由为开关设备供电的电流来供电，且开关电子器件可测量在初始化之后的电阻上的电压下降。电阻上的电压降能够例如通过相应的线缆连接来测量，该线缆连接在开关装置的安装期间附接在开关设备中，或通过针脚接触例如在开关装置的两个外壳部件的装配期间自动地进行。

所述开关电子器件还可被构造以接收所述第一机械触点组件的数据，其方式为：启动无线读取设备，使用所述启动的读取仪器，读取储存于分配给所述第一机械触点组件的应答器中的数据；基于特性值及具有各种机械触点组件的性质的值表，将所述读取数据作为所述特性值储存于寄存器中；判定用于所述半导体开关的适合于所述第一机械触点组件的阻断时间；以及根据所述判定的阻断时间来设定所述第一预定时间段t-0。应答器可为例如特别地在所述第一机械触点组件的外壳中的特别根据近场通信(nearfieldcommunication，nfc)标准(iso14443、18092、21481，ecma340、352、356、362，etsits102190)的射频识别(radiofrequencyidentification，rfid)芯片，其储存所述第一机械触点组件的数据。所述无线读取装置可被构造例如作为开关电子器件的部分，其在实现开关电子器件的接通初始化之后发射交变磁场，交变磁场最初为应答器(芯片)供应能量，接着激发应答器(芯片)以发射其个体识别符，所述识别符通过开关电子器件读取。

另外，开关电子器件可基于所述特性值及具有各种机械触点组件的性质的所述值表来设置，以判定适合于所述第一机械触点组件的换向时间，且根据所述判定的换向时间来设定所述第二预定时间段t-1。

本发明的另一实施例涉及一种开关装置，所述开关装置具有根据本发明且如本文中所描述的开关设备，以及用于使第一及第二机械触点组件的触点移动的开关驱动器。

本发明的另一实施例涉及一种用于根据本发明且如本文中所描述的开关装置的外壳，所述外壳具有至少一个电子组件和/或电触点构件，其被提供以用于通过所述开关装置的开关设备的开关电子器件来设定第一预定时间段t-0。

最后，本发明的实施例涉及一种用于控制用于传导和切断电流的开关设备的半导体开关的方法，所述开关设备具有第一机械触点组件、与所述第一机械触点组件并联连接的半导体开关以及与所述第一机械触点组件串联连接的第二机械触点组件，其中，在所述方法中，在所述第一机械触点组件的一闭合过程期间，在初始化为了接通及断开所述半导体开关而构造的开关电子器件之后的第一预定时间段t-0之后，接通所述半导体开关，且在第二预定时间段t-1之后再次断开所述半导体开关，其中所述第一预定时间段t-0通过所述开关电子器件根据所述第一机械触点组件来设定。

所述方法可通过为了接通及断开半导体开关而构造的开关电子器件来实施。特别地，所述开关电子器件可通过处理器及存储器来实施，程序储存于所述存储器中，所述程序配置所述处理器以便执行根据本发明且如本文中所描述的方法。

本发明的另外优势及应用选项将结合图式中所图示的实施例由以下描述变得显而易见。

在说明书、权利要求书、摘要和附图中，使用在下面给出的附图标记列表中使用的术语和相关的附图标记。

附图说明

图1示出根据本发明的具有双触点组件的开关设备的实施例的方框图；以及

图2至图5示出根据本发明的开关设备的开关电子器件对半导体开关的控制的各种实施例的流程图。

在以下描述中，相同、功能上相同以及功能上相关的组件可具备相同的附图标记。绝对值通过举例在下文给出且不应解释为限制本发明。

具体实施方式

图1示出用于极性无关的2极开关装置的根据本发明的开关设备的方框图。开关装置的两个极的连接件分别由l1、t-1及l2、t2来指示。就电路技术而言，该开关设备大部分对应于公开的德国专利申请de102013114259a1中所描述且在本文中在图1中展示的设备。下文所描述的本发明设备的不同的处在于电路电子器件50，所述电路电子器件是针对半导体开关20的专门控制而设计，如在以下描述中将详细地解释。开关电子器件50可例如通过处理器及存储器(特别地，微控制器)来实施，其中程序储存于所述存储器中，所述程序配置所述处理器以执行方法步骤，所述方法步骤实施所述处理器对半导体开关20的专门控制，如下文举例说明。所述程序可为例如处理器控制的开关装置的固件的一部分。

对于每一极，图1中所示的开关设备具有第一机械(消弧)触点组件10与基于反向串联igbt组件(功率半导体)的半导体开关20的并联电路，所述并联电路连接至第二机械触点组件30以确保串联电隔离。机械触点组件10和30可构成为空气开关装置或组件的桥式电路组件。

半导体开关20通过开关电子器件50接通或断开，亦即，导通或阻断。通过储存于开关装置的开关或者说磁驱动器的(磁驱动)线圈中的能量为开关电子器件50供电。为此目的，提供与开关驱动器的电路电隔离的辅助线圈40，所述辅助线圈可在开关驱动器断开时产生一电压以为开关电子器件50供电。辅助线圈40可例如缠绕驱动线圈。另外或替代地，开关电子器件50可由例如一(图中未示出的)外部电能源(外部电源90)供电，所述外部电能源来自用于机柜的电气单元的中心能量源或经由总线系统等，多个开关设备耦接至该总线系统。

当接通时，也就是说，当开关驱动器为磁驱动线圈供应电压及电流，且第一及第二机械触点组件10和30的触点闭合时，半导体开关20被阻断，因为在此状态下，没有电压由辅助线圈40产生以为开关电子器件50供电，且开关电子器件50因此没有电压且不能控制半导体开关20的igbt。

在启动开关驱动器的磁驱动线圈的电压及电流供应以用于闭合第一及第二机械触点组件10和30的触点时，将能量储存于磁驱动线圈中。通过线圈电流，在耦合至磁驱动线圈的电磁辅助线圈40中感应一电压，其启动所述开关电子器件50。

辅助线圈40中所感应的电压一方面足以为开关电子器件50本身供电且另一方面足以累积用于控制igbt所必须的电压。辅助线圈40提供如下优势：在第一及第二机械触点组件10和30的触点由于机械惯性而闭合之前，半导体开关可已受控制。

在启动开关驱动器的磁驱动线圈的电压和电流供应以用于闭合第一及第二机械触点组件10和30的触点的瞬间，也可启动外部电源90以启动开关电子器件50。

初始化程序以启动开关电子器件50开始。在初始化程序完成之后，首先阻断半导体开关20的igbt持续预定的时间t-0。由此确保igbt处于导通状态下的时间间隔不在第一机械触点组件10的机械接触之前。在针对数百安培的电流的开关装置的情况下，机械开关组件的惯性相当高，使得开关驱动器的线圈电流的接通与开关触点的闭合之间的时间通常在大致10毫秒的范围内。然而，用于初始化开关电子器件50及导通半导体开关20的igbt的时间明显较短。因此设定等待时间t-0，以使得考虑到装置特定的时间容差，igbt恰好在机械接触不久之前导通。在第一次接触之后，如果存在消弧触点的反弹，则负载电流换向至半导体开关20。设定该换向时间t-1，以使得为了将热负荷减至最小，igbt紧接在开关弹跳阶段完成后即切换至阻断状态。接着仅在初始化常规断开程序的过程中，提供半导体开关20的另一启动。

用于确保无电弧开关弹跳的示意性基本控制序列展示于图2中：在步骤s10中，开关电子器件50的初始化发生；在步骤s12中，开关电子器件50等待第一预定时间段t-0，在所述第一预定时间段期间，半导体开关20通过开关电子器件50断开；在步骤s14中，开关电子器件50接通半导体开关20；以及在步骤s16中，开关电子器件50等待第二预定时间段t-1，在所述第二预定时间段期间，半导体开关20通过开关电子器件50接通；在步骤s18中，开关电子器件50再次断开半导体开关20。

为了这样描述的无电弧启动能够实现以控制电子器件的统一实施方式用于各种混合式开关(无电弧启动对于减少变型的数目以及降低制造成本有利)，现在根据本发明提供通过开关电子器件50根据第一机械触点组件10来设定第一预定时间段t-0。为此目的，可在初始化阶段期间向开关电子器件50“报告”所用的混合式开关的类型，其方式为开关电子器件50接收具有用于第一机械触点组件10的数据80的装置识别符，评估装置识别符以设定第一预定时间段t-1。

具有装置类型的集成识别的这种启动控制的示意性基本控制流程展示在图3中：在步骤s10中，开关电子器件50的初始化发生；在步骤s100中，加载装置识别符；在步骤s102中，根据加载的装置识别符来设定预定时间段t-0；步骤s12至s18对应于图2的流程图中的相同编号的步骤，如上所述。

可以各种方式接收数据80，如将在下文参考图4及图5中的流程图所解释。

在经由缆线连接的变型(图4的流程图)中，通过(标准化的)开关电子器件50来查询机械触点组件10的个体的识别符，使得测量(步骤s1000)电阻上的电压降，所述电阻根据类型不同地起作用并且在任意位置集成地位于开关装置中。这可例如经由对应的线缆连接来进行，该线缆连接在装置装配时附接，或者通过针脚接触例如在两个外壳部件的装配期间自动地进行。

另一变型使用无线设计，例如，通过激励rfid应答器芯片或标签100(图5的流程图)。在开关装置方面，这类rfid标签100可整合至任何外壳部件中。举例而言，“读取设备”可为开关电子器件50的一部分，例如集成于其中。在读取设备的通电初始化及启动(步骤s1006)之后，开关电子器件50的读取设备发送交变磁场，交变磁场最初为应答器芯片提供能量，接着激励应答器芯片发射其个体识别符，通过控制电子设备来读取识别符(步骤s1008)。

还可例如通过例如在装置装配期间对电子器件个别地预编码或通过对操作软件编码来设定数据，接着在初始化开关电子器件50时在内部从其接收数据。

将从开关电子器件50接收的数据作为机械触点组件10的特性值储存于寄存器中(图4中的步骤s1002、图5中的步骤s1010)。寄存器可例如为非易失性存储器，尤其是开关电子器件50的非易失性存储器，使得不必在每当初始化开关电子器件50时都接收数据80，而是能够直接自寄存器读取所述数据。

在开关电子器件50的操作软件中，可储存具有各种机械触点组件的性质的值表。所储存的性质可包含例如机械触点组件的惯性时间，能够根据所述惯性时间来判定用于半导体开关20的合适阻断时间。但是规定的阻断时间也能够已经储存于各种机械触点组件的值表中。特别地，值表中的多个触点组件变型可在机械接触之前不久分别指派对应的阻断时间直至半导体开关20的导通。接着通过开关电子器件50根据基于值表所判定的阻断时间来调整第一预定时间段t-0，特别地，其方式为比较储存于寄存器中的特性值与储存于值表中的值(图4中的步骤s1004、图5中的步骤s1012)，且特别地，取决于所述比较，例如从所述值表加载或设定对应的预定第一时间段t-0(步骤s102)。接着可将经调整的预定时间段t-0储存于例如非易失性储存器、尤其是开关电子器件50的非易失性储存器中，能够在开关电子器件50的初始化期间读出所述经调整的预定时间段。此后，可特别地从值表加载(步骤s104)预定第二时间段t-1，其判定用于接通或者说导通半导体开关20的时间段。能够根据第一机械触点组件10、必要情况下还根据所用的半导体开关20，特别是其电流负荷容量来调整该第二预定时间段t-1。

鉴于igbt的最长可能电气使用寿命及其适当大的尺寸，有利的是以一种方式限制通过半导体开关20的电流的持续时间，即电流仅流经半导体开关，直至机械开关路段到达足够的再稳固(wiederverfestigung)。为了使半导体开关20中的电流流动时间减至最小，对换向时间点的准确了解很重要，这是因为每一个开关设备针对机械断开过程的有效时间可由于不同原因而改变。

换向到半导体开关20的已导通igbt的时间点可通过位于那里的电流变换器60获取。一旦电流开始流过半导体开关20的igbt，即电流自第一机械触点组件10换向到半导体开关2，则电流变换器60产生信号。由电流变换器60产生并且将换向信号化的信号被输送到开关电子器件50，所述开关电子器件取决于此能够触发半导体开关20，如下所述。

紧接在换向发生之后，开关电子器件50能够以一种方式触发半导体开关20，即半导体开关20的igbt在通过控制电子器件限定或预先规定的短电流流动时间或电流传导时间之后恢复阻断，从而半导体开关20中的换向后负载电流在限定时间段内变为零。理想地通过开关电子器件50来设定电流流动时间，使得第一及第二机械触点组件10和30的开关路径完全闭合，也就是说，开关触点永久地接触且任何开关弹跳过程不再出现。

通过使半导体开关20配备具有反向串联igbt，使得能够将这种开关组件用于具有任何电流流动方向的dc电流和频率不同的ac电压两者，其中由于触发模块的独立电力供应，开关时间点不取决于相位角。

在半导体开关20中的切断过程期间，高电流产生高di/dt值，由此可出现明显高于1kv的电压尖峰。为了保护免于这种电压尖峰，有利的是为半导体开关20前接或并联例如变阻器70形式的保护组件。

本发明特别适合用于针对用直流电和/或低频电流操作而设计的接触器、电路断路器及马达保护开关中。由于能够避免长电弧燃烧时间以及半导体开关的长电流负载，因此本发明使得能够切换高直流电及低频电流而具有相对高的电气寿命。另外，这些特性允许实现用于高电流的相对紧凑开关装置。

附图标记

10：第一机械触点组件

20：半导体开关

30：第二机械触点组件

40：电隔离的辅助线圈

45a：第一半线圈

45b：第二半线圈

46：u形磁芯

50：开关电子器件

60：电流变换器

70：变阻器

80：用于第一机械触点组件的数据

90：开关电子器件的电源

100：rfid应答器芯片