专利名称：混合式直流电磁接触器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混合式直流电磁接触器，具体而言，涉及一种可以预防在开/关混合结构接触器时产生电弧，并能通过并联半导体开关与机械接触开关而将泄漏电流最小化的混合式直流电磁接触器。
接触器通过移动电极将两个各自固定安装的电极连接/切断。连接时利用电磁能，切断(隔离)时利用弹簧的能量。这里，当开关导通，电流流入电极时，由于在电线或负载或电源侧的寄生电感元件中存储的能量在触点产生电弧，触点可能被损坏。
因此，为了防止产生电弧，接触器的触点需要特殊的材料和形状。而且，为了快速安全地消除电弧，在接触器的触点上端需要有具有一定形状的灭弧部分。
为了克服机械式电磁接触器的问题，已经提出并部分使用了SSR(固态继电器)或SSC(固态接触器)，其将交流电磁开关的机械触点替换成半导体开关。但是，由于半导体开关两端的压降使施加电流的地方产生大量的热，所以需要附加的散热器或风扇，因此SSR或SSC仅用于特殊用途。
另外，还可以将直流电磁接触器替换为具有强制熄灭功能的半导体开关设备，但仍然是主要使用机械式直流电磁接触器。
图1显示了现有的交流混合式断路开关的电路图。
如图1所示，交流电源1通过机械式主触点5与负载7连接/分离。在常用的交流电磁开关中，安装了副触点4作为基本单元。
但是，在现有的交流混合式开关中，主触点5与三端双向可控硅开关元件2并联，作为双路半导体开关；电阻3连接在三端双向可控硅开关元件2的栅极端子G和阳极端子A之间；开关的副触点4连接在三端双向可控硅开关元件2的栅极端子G和阴极端子K之间。
下面通过开关主触点5的状态变化(开或关状态)，介绍现有的交流混合式断路开关的基本操作。
在断路开关中，当打开主触点5时，副触点4闭合，三端双向可控硅开关元件2的栅极G与阴极K短接，三端双向可控硅开关元件2保持为关断状态。其中，微小的电流(几十至几百毫安)通过电阻3在交流电源1和负载7之间流动。
为了导通开关，当向线圈6施加电压时，主触点5和副触点4移动。在主触点5闭合前，副触点4先打开。在三端双向可控硅开关元件2的栅极G和阴极K之间施加一个操作信号，于是几十至几百毫安的电流流入三端双向可控硅开关元件2的栅极端子G。
这里，由于三端双向可控硅开关元件2的操作与栅极电流的极性无关，所以只有当流入三端双向可控硅开关元件2的栅极电流足够大时才导通开关。交流电源1和负载7与三端双向可控硅开关元件2相连，因此负载上的电流流入三端双向可控硅开关元件2。
当一定时间后主触点5闭合时，由于机械特性发生振动现象。在打开主触点5的过程中，电流流经三端双向可控硅开关元件2的栅极G，因此在机械触点不发生电弧。
当机械触点完全闭合时，三端双向可控硅开关元件2的两端电压都几乎达到0，导通三端双向可控硅开关元件2所需的最小电压(通常为几伏)无法得到保证，于是三端双向可控硅开关元件2关断。
然后，当为了切断开关而除去施加于线圈6的电压时，主触点5和副触点4的移动电极部分被移动，主触点5首先打开。
在打开主触点5的过程中，电流再次流经三端双向可控硅开关元件2的栅极G，导通三端双向可控硅开关元件2，出现负载电流。这里，因为三端双向可控硅开关元件2两端的压降不超过几伏，所以抑制了电弧发生。
一定时间后，当副触点4闭合时，三端双向可控硅开关元件2的栅极G和阴极K短接，流经栅极G的电流是0，三端双向可控硅开关元件2上流过的电流极性改变，负载电流不断流经三端双向可控硅开关元件2，直至其关断。
但是，图1中的混合开关仅可以用于交流电源，如果电源是直流的，由于没有熄灭作为半导体开关设备的三端双向可控硅开关元件2的方法，必须使用具有强制熄灭功能的功率半导体开关设备，这些强制熄灭功能诸如IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)、MOS-FET(金属氧化物半导体-场效应晶体管)和BJT(双极性结点晶体管)。
下面将介绍一种使用IGBT的直流混合接触器。
图2是显示现有的直流混合接触器的结构的电路图。
如图2所示，直流电源13通过机械主触点14与负载12连接/分离。
半导体开关单元11与主触点14并联，二极管Df的端子与负载12和直流电源13的一端相连。
半导体开关单元11包括IGBT开关QA、续流二极管Df、吸收二极管DS1、吸收电容CS1和吸收电阻RS1。
现有的直流混合接触器的操作同图1中交流混合接触器的类似。
当主触点14的状态由打开变为闭合时，由于机械特性引起的微小振动现象引发电弧。但是因为电弧小，可以在这个范围内关断IGBT开关QA，因此只介绍主触点14的状态由闭合到导通的变化。这里，在对IGBT开关QA的控制过程中，如果负载是电容，导通开关时会产生大量冲击电流，这种情况下IGBT开关设备上流过的电流非常大，会增加产品成本。
首先，在主触点14的打开状态中，由于IGBT开关QA被关断，直流电源13和负载12通过吸收电路DS1、CS1、RS1互相连接。因此，为了导通接触器，向线圈19施加电压，这里IGBT开关QA保持为施加了关断信号的状态。
为了关断导通的开关，首先导通与机械接触器连接的半导体开关QA，除去施加于线圈19的电压，流经主触点14的电流流过半导体开关QA，导通的半导体开关QA两端的电压为2V～3V，可以打开主触点14而不产生电弧。一定时间后，当移除施加于半导体开关QA的栅极G上的操作信号时，流经负载12的电流流过二极管Df和电阻RS1并停止。然后，存储在直流电源侧的寄生电感Lw中的能量被电容CS1吸收，流经半导体开关QA的电流停止，从而结束接触器的关断过程。
在现有的混合接触器中，当半导体开关QA和主触点都关断时存在问题。更具体的，在这种状态下，电容CS1保持为充电状态，它的电压几乎与直流电源13的电压或者关断状态下相同，除非直流电源13没有电压变化(特别是电压升高)。
但是，实际上电容CS1是由于吸收放电电阻Rs而充电，当电容CS1两端的电压都小于直流电源13的电压时，电流经过二极管DS1、电容CS1和电阻RS1，从直流电源13流至负载。这里，当电阻RS1值小时，电流大；当电阻RS1值大时，电流小。如果不频繁执行导通/关断过程，可以通过充分增加电阻RS1值来减小泄漏电流的值。
但是，因为吸收电路是用于抑制关断半导体开关QA时开关两端的峰值电压，所以电阻RS1不能增大太多。因此，没有办法阻止泄漏电流现象。为了消除泄漏电流，可以另外安装一个用于停止电容CS1放电的开关。
但是，尽管安装了附加开关，当电源电压13随时间而改变时，无法从根本上防止泄漏电流。如果直流电源是蓄电池，蓄电池由于泄漏电流而持续放电。如果直流电源13的电压不小于100V，就存在由于泄漏电流而在负载区发生电击事故的危险。
另外，在现有技术中，如果连接到开关的电源极性改变，或者电源端与负载端之间的连接变化，则开关操作根本不能执行。
本发明的另一个目标是提供一种直流混合式接触器，它可以在电源区和负载区之间的连接改变和电流流向变化时正常工作。
本发明还有一个目标是提供一种混合式直流电磁接触器，它可以在与直流混合接触器相连的电源的极性改变或施加交流电源时正常工作。
为了达到上述目标，本发明的混合式直流电磁接触器包括电源单元，用于提供一定的电源电压；断路开关的主触点，其根据施加于操作线圈的电压而切换，从而提供电源电压供应通路；开关，用于根据栅极信号提供电源电压供应通路；吸收电路，用于在开关关断时在开关两端充电，以及当充电电压不小于一定值时放电；和放电电流消除单元，用于在关断开关时为负载区提供放电电流通路，从而消除放电电流。
下面结合实施例详细介绍本发明的其他目标、特征和优点。
附图中图1是显示现有的交流混合断路开关的结构的电路图；图2是显示现有的直流混合接触器的结构的电路图；图3是显示本发明的直流混合接触器的结构的电路图；图4A～4H是显示图3中直流混合接触器的操作的波形图；图5显示了本发明的直流混合接触器的一个实施例的电路图；图6是本发明的直流混合接触器的另一个实施例的电路图；图7A和7B是显示图5和6中直流混合接触器的双路半导体开关的其他实施例的电路图；和图8显示了安装在现有直流混合接触器上的本发明的半导体开关单元的示例。
图3是显示本发明的直流混合接触器的结构的电路图。
如图3所示，本发明的直流混合式接触器包括电源单元20，用于提供一定的电源电压；主触点24，用于根据施加于操作线圈26上的电压而进行切换，从而提供电源电压供应通路；第一半导体开关25，用于根据栅极信号提供电源电压供应通路；吸收电路21A，用于在关断第一半导体开关25时，在第一半导体开关25两端充电，以及当充电电压不小于一定值时放电；和放电电流消除单元21B，用于在关断开关25时为负载区22提供放电电流通路，从而消除放电电流。
下面参照图4A～4H描述本发明的直流混合式接触器的操作，图4A～4H显示了它的操作波形。
首先，主触点24连接在负载区22和直流电源23之间，主触点24与第一主半导体开关25并联。另外，在电源区20、第一半导体开关25的一个连接点和电源单元20的一端之间形成有一个防过压吸收器，其中第一二极管Ds和电容Cs串联。为了在电容Cs的电压超过一个参考值时通过第二半导体开关27和电阻Rs自动放电，将电路R1、R2、R3、Dz、Qs与电容Cs的两端相连。为了在第一半导体开关25关断时负载电流IRo构成回路，将由二极管Df和电阻Rf构成的放电电流消除单元21B与负载端子22的两端相连。
本发明的混合式直流电磁接触器中，在时间点t＝t0，如果向操作线圈26施加如图4A所示的电压波形，一定时间(t0)后，主触点24连通。这里，第一半导体开关25的关断信号保持，如图4C所示。
在如图4D所示的电压波形中，于时间点t＝t1流经主触点24的电流以一定斜率增大，且电流值保持为由负载电阻和直流电压所决定的值。
在如图4A所示的时间点t＝t2，当除去施加于操作线圈26上的电压时，主触点24在一定时间(t1)后打开。
另外，在如图4C所示的时间点t＝t2，将导通信号施加于第一半导体开关25。
在时间点t＝t3，如果主触点24实际是导通的，流经主触点24的电流停止，如图4D所示；而且流经第一半导体开关25的负载电流如图4F所示。这里，可以通过第一半导体开关25从外部控制电流导通时间(t3)的长度，也可以将时间(t3)的长度固定为打开主触点24所占用时间(t1)的1/3～1/2。
在时间点t＝t4关断第一半导体开关25，流经寄生电感Lw的电流持续流经由电容Cs构成的吸收电路。这里，流向寄生电感Ls和电容Cs的电流是谐振电流。电容Cs两端的电压从图4H所示的初值(VCS)增大至一个由电阻R1、R2和齐纳二极管Dz确定的电压，这个电压通过第二半导体开关27和电阻Rs放电至接近初值VCS。
如果放电终值被设置得低于直流电源23的电压，那么由于电容Cs在放电结束后被自动充电至直流电源23的大小，所以可以一直保持相同的钳位电压。
同时，负载端22上的电流流经电阻Rf和二极管Df，如图4F所示。存储于电感Lo中的能量在时间点t＝t4被电阻R0和Rf消耗，最终电流为0。
在如图4F所示的波形P中，由于电阻值小，放电只通过二极管Df和电阻Rf进行。在如图4F所示的波形Q中，由于负载电阻足够大，电感Lo中存储的能量被消耗。
如图3和4A～4H所示，当关断主触点24和第一半导体开关25时，由于电源区20和负载区22之间的第一半导体开关25被关断，可以防止图2中显示的吸收电路的泄漏电流的产生。尽管直流电源的电压大小是变化的，依然可以防止泄漏电流问题。
但是，因为半导体开关不具备理想的绝缘特性，所以泄漏电流(通常为几个微安)流经半导体开关设备，漏电流的大小在实际应用中没有什么影响。
因为电源区20和负载区22使用了合适的钳位电路，而没有在半导体开关的两端使用吸收电路，所以可以得到上述特性。另外，因为用于在关断功率半导体时抑制过压的吸收电容Cs中积累的的能量通过第二半导体开关27和电阻Rs自动放电，所以可以保持一定的电压。
电容Cs两端的电压通过分压电阻R1和R2与齐纳二极管Dz相连，当电容Cs的电压达到齐纳二极管Dz的导通电压时，第二半导体开关27导通，电容Cs中充电的能量通过电阻Rs自动放电。
同时，本发明中，与主触点24并联的第一半导体开关25不限于IGBT，而可以使用各种半导体器件，如BJT、GTO、IGCT、RCT等。因为通常直流接触器只有一个主触点，所以本发明以这种情况来进行介绍，但是本发明也可以应用于具有多个触点的情况。
图5显示了本发明的直流混合接触器的一个实施例的电路图。
如图5所示，本发明的另一个实施例的直流混合式接触器包括电源单元30，用于提供特定的电源电压VDC；断路开关34，用于在根据施加于操作线圈37上的电压而进行切换，从而提供电源电压供应通路；双路直流开关35、36，用于在栅极信号下，与电源电压的极性无关地提供双路供应通路；吸收电路31A，用于在关断接触器34和双路交流开关35、36的过程中，当根据电源电压VDC而充电的电压大于一定值时，通过自动放电而保持一定电压；第一和第二放电消除单元31B、31C，用于在关断开关时，与极性无关地提供负载放电电流通路，从而消除放电电流。
下面介绍与图3中的实施例不同的另一实施例的结构。
首先，为了使得另一接触器的输入/输出改变连接或负载电流极性变化时，另一实施例的接触器操作正常，将与主触点34串联的半导体开关替换为双路交流开关35、36。第一和第二放电电流消除单元31B和31C安装在电源单元31、负载区32和吸收电路31A的两端。电源单元30和负载区32通过二极管Ds1和Ds2分别与电容Cs相连。
图5中，如果直流电源VDC与负载区32相连，且负载区32与电源单元30相连，则二极管Ds2和电容Cs构成吸收电路31A，负载侧的自由回路是通过二极管Df1和负载Rf1的通路，且开关QB和双路交流开关35、36的二极管DA实现功率半导体的功能。
图6是本发明的直流混合式接触器的另一个实施例的电路图。
如图6所示，该电路图显示了本发明的直流混合式接触器的另一个实施例，包括电源单元40，用于提供一定的交流或直流电源电压VDC；断路开关44，用于根据施加于操作线圈48上的电压而切换，从而提供电源电压VDC的供应通路；双路交流开关45、46，用于在栅极信号下，与电源单元40的极性无关地提供双路供应通路；吸收电路31A和放电电流消除单元47，用于为根据电源单元40的电源电压而充电的负载提供放电电流通路，并在关断断路开关44和双路交流开关45、46时，与直流或交流无关地，在过压(大于一定值)时通过自动放电而保持一定电压。
下面介绍与图3中的实施例不同的结构。
首先，为了使得在这个接触器的输入/输出连接改变或负载电流极性变化时，这个实施例的接触器正常工作，将与主触点44串联的半导体开关替换为双路交流开关45、46，将吸收和钳位电路替换为整流桥47A和47B，如图6所示。
因为本发明的这个实施例可以实现与现有交流混合式断路开关相同的功能，还可以切断直流/交流电流，所以它具有非常广泛的操作特性。
首先，安装于电源单元40两端的具有整流桥形状的钳位电路D1、D2、D3、D4、Cs实现吸收功能。另外，安装于负载区42的相同形状的钳位电路实现相同功能。如图6所示，在电源单元40的吸收电路47中，两个二极管D1、D4和电容Cs替代了图3中吸收二极管Ds和电容Cs的功能，负载区42的两个二极管D6、D7和电容Cs替代了图3中钳位电路Df、Rf的功能。
图7A和7B是显示图5和6中直流混合式接触器的双路半导体开关的其他实施例的电路图。
在图7A中，IGBT用于整流桥布线。在图7B中，反向截止二极管Dx、Dy与IGBT串联。图7A和7B中的双路半导体开关实现与图5和图6中的双路半导体开关相同的功能。为了方便，它们与图5和图6中的半导体开关形状相同。
图8显示了安装在现有直流混合式接触器上的本发明的半导体开关单元的示例。通过从现有电磁接触器中去掉灭弧单元61，并向现有交流电磁接触器中模块化安装图3中的半导体开关单元21、图5中的半导体开关单元31或图6中的半导体开关单元41、主触点62、副触点63、操作线圈64，可以得到本发明的直流接触器，它的高度低于现有电磁接触器且保持了同样的电流容量。
如上所述，在本发明的直流混合式接触器中，通过将关断主触点和半导体开关时的泄漏电流减小到最小，可以方便有效地使用。
另外，在本发明的直流混合接触器中，尽管电源区和负载区的连接发生变化，或电流方向变化，或电源连接极性变化，或施加交流电源，它都可以正常工作。
另外，当本发明的直流混合式接触器应用于传统的交流电磁接触器时，因为交流电磁接触器的灭弧单元可以替换为半导体开关，所以可以大大减小直流混合式开关的尺寸，从而交流电磁接触器可以替换为直流电磁开关。
在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以实施为多种形式，还应该理解，除非另外特别说明，以上实施例不限于上述的任何细节，而应在权利要求所限定的精神和范围内广义地解释，因此，所附的权利要求涵盖所有落在权利要求的界限或其等同物内的变化和改进。
权利要求
1.一种混合式直流电磁接触器，包括电源单元，用于供应一定的电源电压；断路开关的主触点，根据施加于操作线圈的电压而切换，从而提供电源电压供应通路；开关，用于根据栅极信号提供电源电压供应通路；吸收电路，用于在关断开关时在开关两端充电，并在充电电压不小于一定值时通过电流而放电；和放电电流消除单元，用于通过在关断开关时为负载区提供放电电流通路而消除放电电流。
2.根据权利要求1所述的接触器，其中的开关是第一半导体开关。
3.根据权利要求1所述的接触器，其中的吸收电路在二极管的阴极侧与电容串行连接的触点处引出分支，第一电阻和第二电阻与该分支的吸收电路串联，第一和第二电阻的触点与一个齐纳二极管的阴极侧相连，与一个三极管相连的第三电阻连接到齐纳二极管的阳极，第一电阻与三极管的集电极相连，第四电阻与三极管的发射极相连。
4.根据权利要求1所述的接触器，其中二极管的阴极和电阻一侧在放电电流消除单元中相连。
5.一种混合式直流电磁接触器，包括电源单元，用于供应一定的电源电压(VDC)；断路开关的主触点，根据施加于操作线圈的电压而切换，从而提供电源电压供应通路；开关，用于根据栅极信号，与电源电压的极性无关地提供双路的电源电压供应通路；吸收电路，用于在关断接触器和开关时由施加的电源电压(VDC)充电的电压不小于一定值时，通过自动放电而保持一定电压；和第一和第二放电电流消除单元，通过与极性无关地为充电的负载提供放电电流通路，从而消除放电电流。
6.根据权利要求5所述的接触器，其中的开关是双路交流开关。
7.根据权利要求5所述的接触器，其中的开关由第一和第二开关设备构成。
8.根据权利要求7所述的接触器，其中的第一开关设备将第一二极管与第一三极管反向并联，第二开关设备以与第一开关设备相反的方向将第二二极管与第二三极管反向并联。
9.根据权利要求5所述的接触器，其中第一二极管以第一开关设备的前向方向连接，第二二极管以第二开关设备的前向方向连接，第一开关设备与第二开关设备相连，第一二极管与第二二极管串联。
10.根据权利要求5所述的接触器，其中二极管的阴极和电阻的一侧分别在第一和第二放电电流消除单元中互相连接。
11.一种混合式直流电磁接触器，包括电源单元，用于供应一定的交流或直流电源电压；断路开关的主触点，根据施加于操作线圈的电压而切换，从而提供电源电压(VDC)的供应通路；开关，用于根据栅极信号，与电源单元的极性无关地提供双路的供应通路；以及吸收电路和放电电流消除单元，用于提供一个开关，并通过在超过一定电压时自动放电而保持一定电压。
12.根据权利要求11所述的接触器，其中的开关时双路交流开关。
13.根据权利要求11所述的接触器，其中的开关由第一和第二开关设备构成。
14.根据权利要求13所述的接触器，其中的第一开关设备将第一二极管与第一三极管反向并联，第二开关设备以第一开关设备的相反方向将第二二极管与第二三极管反向并联。
15.根据权利要求11所述的接触器，其中的开关包括以第一开关设备的前向方向连接的第一二极管；和以第二开关设备的前向方向连接的第二二极管；其中，第一开关设备与第二开关设备相连，第一二极管与第二二极管串联。
16.根据权利要求11所述的接触器，其中的吸收电路和放电电流消除单元包括第一整流桥二极管，其与一个电容并联；第一和第二电阻，与所述的电容并联，第一电阻的一侧连接至与一个三极管并联的二极管的触点；齐纳二极管，其阳极与三极管的基极相连，并连接至第一电阻的另一侧；第三电阻，分别与三极管的基极、齐纳二极管阳极的触点和第二电阻串联；第四电阻，分别与三极管的发射极和第二整流桥二极管的一侧串联；和第二整流桥二极管，其另一侧与第一电阻和所述电容的触点相连。
全文摘要
一种混合式直流电磁接触器，包括电源单元，用于提供一定的电源电压；断路开关的主触点，根据施加于操作线圈的电压而切换，从而提供电源电压供应通路；开关，用于根据栅极信号提供电源电压供应通路；吸收电路，用于在关断开关时在开关两端充电，并在充电电压不小于一定值时放电；和放电电流消除单元，用于在关断开关时通过为负载区提供放电电流通路而消除放电电流。该混合式直流电磁接触器可以将主触点和半导体开关关断时的泄漏电流最小化，因此可以实际应用。
文档编号H03K17/56GK1452194SQ0311029
公开日2003年10月29日 申请日期2003年4月10日 优先权日2002年4月12日
发明者郑容昊 申请人:Lg产电株式会社