具有混合开关的断路器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明设及交流断路器，其包括用于将交流负载连接至市电电源的在火线供电接 线端子和火线负载接线端子之间的火线，W及在中性供电接线端子和中性负载接线端子之 间的中性线，包括在火线上的第一电流隔离开关和旁路开关，在中性线上的第二电流隔离 开关，W及并联连接至旁路开关的半导体开关元件，其中使用处理单元控制第一和第二电 流隔离开关、旁路开关和半导体开关元件。
【背景技术】
[0002]国际专利公开号W02011/018113公开了一种具有机械开关31和与机械开关31并联 的半导体断路器装置32的混合断路器。公开了一个实施例，其中半导体装置32包括桥式整 流器37和IGBT 36。
[0003] 法国专利公开号FR-A-2952470公开了用于交流应用中的断路器，其使用控制单元 用于控制具有并联的机械开关、可变电阻和半导体开关的断流器。
[0004] 国际专利公开号W02011/116832公开了用于中断电路线路中故障电流的混合断路 器。机械断路器并联连接至半导体装置，当机械开关断开时，半导体装置暂时输送过电流。 在公开的实施例中，半导体装置是一组串联或并联连接的可控的半导体单元，例如晶闽管、 GTCKIGBT 或 IGCT。
[0005] 欧洲专利公开号EP-A-2469554公开了一种混合开关电路，其包括与受控的电磁继 电器的开关电极并联的功率半导体。它描述了在负载电流的过零点关断半导体。由于能量 必须被输送直到过零，运使得短路切换不可能。在短路的发生和电路的实际切断之间的时 期，电流和能量将太高而不能被半导体承受。
[0006] 国际专利公开号W02011/057675 A1公开了特别用于DC应用的高压断路器（〉 lOkV)，其中主断路器、非线性电阻器和高速开关并联连接。主断路器包括第一电流方向的 一个或多个半导体开关。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种具有高度可靠性和低散热的混合型的改进的交流断路 器。
[000引根据本发明，提供了根据上述前文定义的交流断路器，其中半导体开关元件包括 整流桥和绝缘栅双极型晶体管的组合，其中整流桥的交流端子并联连接至旁路开关，且整 流桥的直流端子连接至绝缘栅双极型晶体管的发射极和集电极端子，W及其中处理单元连 接至布置在火线上的电流测量单元，且被布置为在检测到短路状态的情况下控制旁路开 关、第一和第二电流隔离开关，W及绝缘栅双极型晶体管的导通状态。电流测量单元被布置 为测量来自下面组的一个或多个参数：
[0009] -负载电流(I(t))的瞬时值；
[0010] -负载电流的增加速度(diMt);
[0011] -负载电流的RMS值(<I>);
[0012] -负载电流的时间信息（I(t)，tl<t<t2)。
[0013] 运一元件和功能的组合为AC应用提供了可靠的混合型断路器。因为能够精确地检 测短路电流从旁路开关到IGBT的换流何时发生，因此可W在运个触发时刻加上预设恒定延 迟之后控制IGBTW关断负载电流(在该预设恒定延迟期间，实现旁路开关的继电器的触头 具有足够的距离W承载负载的剩余电压）。本发明也允许获得用于实现断路器的若干功能 的所有可能的参数。
[0014] 例如，处理单元被配置为确定短路情况，如果：
[0015] -电流的增加速度(dlMt)大于预定的阔值(其是负载阻抗的度量）；
[0016] -负载电流的瞬时值（I(t))比预定的额定负载电流（In)高十倍(运允许区分短路 和高浪涌电流）；或
[0017] -负载电流的瞬时值（I(t))在超过预定的时间段高于预定的电流值，其来自负载 电流的时间信息(运也允许阻止高浪涌电流使断路器跳闽）。
[0018] 此外，处理单元可W被布置为如果负载电流的MS值大于预定的电流阔值（即在较 长的时期内），则确定过电流情况。运个实施例将代替现有的双金属过电流保护实施例，因 此需要较少的用于断路器的专用装置。
[0019] 在另一个实施例中，交流断路器还包括连接至火线和中性供电接线端子的供电单 元，供电单元被布置为提供电力至处理单元W及断路器的可能的其他装置。运确保了只要 电源在供给电压，整个断路器就能保持功能。
[0020] 断路器还可W包括并联连接至旁路开关的过电压保护元件，例如W可变电阻或压 敏电阻(VDR)的形式。
[0021] 在一个实施例中，交流断路器还包括连接至绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射 极端子的缓冲电路，其实现IGBT的过电压保护。
[0022] 电流测量单元可W包括在火线上的分流电阻和布置为测量分流电阻两端的电压 的短路和过电流检测单元。运允许微型断路器保持小型化，例如相比于采用罗氏 (Rogowski)线圈的另一个实施例。
[0023] 在另一个实施例中，旁路开关、第一和第二电流隔离开关是机电继电器类型开关， 交流断路器还包括继电器驱动单元，继电器驱动单元连接至处理单元，W及旁路开关、第一 和第二电流隔离开关的线圈端子。运允许在断路器跳闽的情况下实现在电源和负载之间完 全的电流隔离。
[0024] 在另一个实施例中，处理单元被布置为通过控制绝缘栅双极型晶体管为其导通状 态（即由电源电压过零点同步），且随后控制旁路开关为导通状态来接通交流断路器，W及 其中处理单元被布置为通过控制旁路开关为断开状态，且随后控制绝缘栅双极型晶体管为 其断开状态(即由负载电流过零点同步)来断开交流断路器。
[0025] 在另一个实施例中，处理单元被布置为在短路情况下通过如下方式断开断路器： 控制旁路开关为断开状态(运里IGBT自动地接收短路电流），监测绝缘栅双极型晶体管两端 的电压，且如果电压超过预定的电压电平，控制绝缘栅双极型晶体管为其断开状态。如果短 路发生在启动断路器的时候，后一步骤能够非常快地执行，即在50化3或甚至更短（lOOys) 的时间内。
[0026] 交流断路器还可W包括连接至处理单元和绝缘栅双极型晶体管的控制输入的 IGBT驱动单元，其中IGBT驱动单元被布置为在两阶段过程中断开绝缘栅双极型晶体管。运 允许防止IGBT两端危险的过电压，且避免S0A(安全工作区）问题。
[0027] IGBT驱动单元可W进一步被布置为监视IGBT两端的电压，例如确定旁路开关状 态，或在控制继电器触点中启动延时。
[00%]在另一个实施例中，交流断路器还包括连接至处理单元的用户界面，例如W测试 开关和/或状态指示器的形式。此外，交流断路器可W包括连接至处理单元的通信接口，W 便允许远程操作和监视。
【附图说明】
[0029] 下面将使用多个示例性实施例参考所附的附图更加详细讨论本发明，其中
[0030] 图1示出根据本发明的断路器的实施例的方框图；
[0031] 图2示出在断路器的导通/断开切换下将电源电压、电源电流与绝缘栅双极型晶体 管和旁路开关的切换相关联的时序图；
[0032] 图3示出在断路器的短路断开切换下将电源电压、电源电流与绝缘栅双极型晶体 管和旁路开关的切换相关联的时序图；
[0033] 图4示出了检测过电流和短路的示例性实施例的方框图；
[0034] 图5示出了检测过电流和短路的另一个实施例的方框图；W及
[0035] 图6示出了图1所示的旁路开关继电器驱动单元的实施例的电路图。
【具体实施方式】
[0036] 目前的短路断开开关的可靠性和散热是一个问题，尤其在广泛使用的交流(AC)装 置中。通常由接触器完成从负载的电线的断开，但是由于可靠性和电弧问题，应该避免任何 机械接触器。结合当前的半导体技术，用半导体替换传统的接触器是可能的，然而半导体具 有电压降。运个电压降导致几瓦特的损耗，且在小的微型断路器(MCB)装置中运是不允许或 不可能的。由于运个原因，并联的(旁路)接触器被用于从半导体接收负载电流。然而旁路接 触器的开关能力要求远低于传统的(继电器)接触器的开关能力，因为旁路接触器仅需要承 载(而不是切换)电流。
[0037] 然而如果发生短路，旁路开关必须非常快打开，而且半导体必须能减小/中断先前 的高负载电流。因为打开时间必须非常短，运使得旁路开关的特殊结构有必要。运也使得特 殊的半导体驱动电路有必要，W便在所有可能环境中，半导体的故障没有可能发生。
[0038] 传统的MCB的另一个问题是，当使用现今的负载时，存在使用导致高的浪涌电流的 高容性输入电路的各种SMPS(开关模式电源）。难W区分运些高的浪涌电流和真的短路。运 些浪涌电流具有最大几毫秒的时间范围，在运个时间范围中传统MCB的性能不能明确定义 且也难W控制。在接通SMPS负载或电源中断下，运些高的浪涌电流能够导致MCB的不当（不 期望的)跳闽，尤其当连接的时刻在电源正弦波的不利位置。
[0039] 传统的MCB和使用的现今的负载的另一个问题是，由于在接触器的浪涌焊接期间 可能发生上述高峰值负载电流。该问题可能发生，因为高的浪涌电流可能如此短W致传统 的短路线圈