(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の電気端子（１１）を板状に形成された半導体開閉器（２１）から電気的に分離するための装置であって、半導体開閉器（２１）が、半導体開閉器（２１）の下面（ＵＳ）上に第１の開閉接点（４）と、半導体開閉器（２１）の上面（ＯＳ）上に第２の開閉接点（５）と１つの制御接点（６）とを有し、半導体開閉器（２１）の第１の開閉接点（４）は第２の電気端子（１２）と結合され、第２の開閉接点（５）は駆動可能なアクチュエータ（７１）による断路距離（ＴＳ）の形成により第1の電気端子（１１）から電気的に分離可能である上記装置において、
上記装置が１つのプリント基板（２）を有し、このプリント基板上に少なくとも半導体開閉器（２１）と第２の電気端子（１２）が配置されており、
半導体開閉器（２１）の第１の開閉接点（４）が、その下面（ＵＳ）においてプリント基板（２）と、さらにこのプリント基板（２）を介して第２の電気端子（１２）と結合され、
アクチュエータ（７１）はその長さ（Ｌ）を変更可能であり、アクチュエータ（７１）の長さ（Ｌ）で離間しかつ相互に導電結合された２つのアクチュエータ接点（７、８）を有し、第１のアクチュエータ接点（７）は第２の開閉接点（５）の上面（ＯＳ）に当接しており、第２のアクチュエータ接点（８）は、アクチュエータ（７１）の駆動に応じて、第１の電気端子（１１）に接触するかまたは断路距離（ＴＳ）の形成によりこの端子から電気的に分離される
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
第２の開閉接点（５）と制御接点（６）が半導体開閉器（２１）の上面（ＯＳ）に配置されており、第１の開閉接点（４）が半導体開閉器（２１）の上面（ＯＳ）に対して平行な下面（ＵＳ）に配置されている請求項１記載の装置。
【請求項３】
プリント基板（２）がプリント基板接触面（１０）を有し、このプリント基板接触面に半導体開閉器（２１）の第１の開閉接点（４）が当接している請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
第１の開閉接点（４）が半田結合を介してプリント基板接触面（１０）と電気的に結合されている請求項３記載の装置。
【請求項５】
アクチュエータ（７１）が半導体開閉器（２１）の横断面にほぼ適合された横断面を有する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
アクチュエータ（７１）が通孔（ＤＯ）を有し、この通孔を通して半導体開閉器（２１）の制御接点（６）が接触可能である請求項１ないし５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
第１の電気端子（１１）が第２のアクチュエータ接点（８）に対向する接続接点（９）を有する請求項１ないし６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
接点（４〜９）が平らに形成されている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
装置が制御ユニット（３）を有し、この制御ユニットがアクチュエータ長（Ｌ）を調整するためにアクチュエータ（７）を駆動する請求項１ないし８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
第１のアクチュエータ接点（７）は第２の開閉接点（５）の上面（ＯＳ）に結合されている請求項１ないし９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
アクチュエータ（７１）の長さ変化は、圧電効果原理、磁歪効果原理または形状記憶原理に基づく請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
請求項１ないし９のいずれか１つに記載の装置（１）を有する電子開閉装置であって、
第１および第２の電気端子（１１、１２）と、
半導体開閉器（２１）およびアクチュエータ（７１）を閉路または開路するための制御ユニット（３）と結合された制御端子（１３）と、
電気端子（１１、１２）および制御端子（１３）をその外面に配置されかつ装置（１）および制御ユニット（３）を有するハウジングと
を有する電子開閉装置。
【請求項１３】
アクチュエータ（７１）と半導体開閉器（２１）が閉路命令または開路命令に依存して制御ユニット（３）を介して駆動可能である請求項１２記載の電子開閉装置。
【請求項１４】
装置が、半導体開閉器としての２つの逆並列に接続されたサイリスタ（２１、２２）と、第１および第２の電気端子（１１、１２）と、第１および第２のアクチュエータ（７１、７２）とを有し、
第１のサイリスタ（２１）の第１の開閉接点（４）がプリント基板（２）を介して第２の電気端子（１２）と結合されており、
それとは別に第２のサイリスタ（２２）の第１の開閉接点（４）がプリント基板（２）を介して第１の電気端子（１１）と結合されており、
第１のアクチュエータ（７１）の第１のアクチュエータ接点（７）が第１のサイリスタ（２１）の第２の開閉接点（５）に当接し、第２のアクチュエータ（７２）の第１のアクチュエータ接点（７）が第２のサイリスタ（２２）の第２の開閉接点（５）に当接しており、
アクチュエータ（７１、７２）の駆動に応じて、第１のアクチュエータ（７１）の第２のアクチュエータ接点（８）が第１の電気端子（１１）に接触し、第２のアクチュエータ（７２）の第２のアクチュエータ接点（８）が第２の電気端子（１２）に接触するか、または断路距離（ＴＳ）の形成により両方のアクチュエータ接点（８）が各電気端子（１１、１２）から電気的に分離される
請求項１ないし９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１５】
第１および第２の電気端子（１１、１２）と、
サイリスタ（２１、２２）およびアクチュエータ（７１、７２）を閉路または開路するための制御ユニット（３）と結合された制御端子（１３）と、
電気端子（１１、１２）および制御端子（１３）をその外面に配置されかつ装置（１）および制御ユニット（３）を有するハウジングと
を有する請求項１４記載の装置（１）を備えた電子開閉装置。
【請求項１６】
サイリスタ（２１、２２）の閉路命令または開路命令に依存して制御ユニット（１３）がアクチュエータ（７１、７２）を駆動する請求項１４記載の電子開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気端子を半導体開閉器から電気的に分離するための装置に関する。この半導体開閉器は２つの開閉接点と１つの制御接点とを有する。この装置が１つのプリント基板もしくは回路支持体を有し、その上に少なくとも半導体開閉器と電気端子が配置されている。半導体開閉器の第１の開閉接点がプリント基板と結合され、第２の開閉接点が電気端子と結合されている。
【０００２】
本発明はさらに、このような装置を備えた電子開閉装置、特に電力モジュールに関する。
【０００３】
最後に本発明は、プリント基板上に組付けかつプリント基板上で半導体開閉器を接触させるための接触兼分離モジュールに関する。
【背景技術】
【０００４】
電気端子を半導体開閉器から電気的に分離するための装置は一般に知られている。最も知られた装置は例えば、相応する駆動時に、生きた電気端子と当該半導体開閉器との間に例えばエアギャップ等の電気的に分離する断路距離を生成する断路器または開閉リレーである。
【０００５】
前記装置は、例えばソフトスタータ等の電子開閉装置が開閉装置の開路時にも生きた電気端子から出力側電気端子へと作用する数百ボルト以下の電圧が移送されることがあるがゆえに不可欠となることがある。出力側端子の接触時に僅かな電流が流れるだけの場合でも、この電流は人にとって接触時既に致命的となることがある。
【０００６】
他の問題は、例えば開閉トランジスタ、サイリスタまたはトライアック等の半導体開閉器が例えば熱的過負荷のゆえに故障（ブレークダウン）する場合にある。そうした場合、例えば数百ボルト〜数千ボルトの直流電圧等の入力側全電圧が印加される。
【０００７】
例えば昇降機スタータにおけるように特定の特に安全上危険な応用もしくは安全上重要な応用では、電子開閉装置の上流側もしくは下流側に例えば断路器等の付加的電気機械的開閉素子を設けるとの関連規格を確定することができる。
【０００８】
公知の電子開閉装置は５ｋＷ〜５００ｋＷの範囲内の開閉電力を有することがある。このような開閉装置は電力モジュールとも称され、１つまたは２つ以上の半導体開閉器を有することができる。特に半導体開閉器はＩＧＢＴトランジスタ、サイリスタまたはトライアックであり、トライアックはそれ自体２つの逆並列に接続されたサイリスタから成る。１つのトライアックは好ましくは例えば１０ｋＷ以下の下側電力範囲において単一の構成素子として実施されている。例えば５ｋＷ〜５００ｋＷの範囲内の上側電力範囲では、トライアックは好ましくは２つの逆並列に接続された個々のサイリスタで実現されている。
【０００９】
このような電力モジュールの半導体開閉器は好ましくはプリント基板上に配置されている。プリント基板は典型的にはいわゆるＤＣＢ（direct copper bonding）である。ＤＣＢは２つの銅層または銅膜とその間にあるセラミック層とから成るサンドイッチである。このようなＤＣＢは、例えばエポキシプリント基板等の従来のプリント基板と比較して、特に電力半導体の担持されるべき構成素子に対し著しく高い温度を許容する。
【００１０】
この電力分野では、個々の半導体開閉器は典型的には板状またはディスク状に形成されている。好ましくは半導体開閉器が２つの開閉接点と１つの制御接点とを有し、開閉接点の１つと制御接点は半導体開閉器の上面にあり、別の開閉接点は半導体開閉器の下面にある。開閉接点はＩＧＢＴの場合エミッタとコレクタであり、サイリスタの場合カソードとアノードである。制御接点はゲートとも称される。
【００１１】
好ましくは半導体開閉器の下面がプリント基板上の相応する接触面と半田付けされている。上面にある開閉接点と制御接点は、例えばアルミニウム製のいわゆるボンディングワイヤによって、プリント基板上の相応する接触面と直接配線されている。この接触態様は開閉すべき電流が約５０Ａ〜２００Ａの範囲内のとき特に可能である。しかしながらこの接触方式には欠点として、短絡事故のときボンディングワイヤが消散することがあり、その場合開閉装置の故障を生じてしまう。
【００１２】
例えば１００Ａ〜５００Ａの電流範囲内の高い電流の場合、半導体開閉器の上面に接触する加圧システムが利用される。このシステムは普通、プリント基板と螺着される。このいわゆる加圧接触の利点は、接着接触解と比較して改善された短絡特性と半導体の脱熱である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、前記諸問題を取り除く装置およびこのような装置を備えた開閉装置を明示することである。
【００１４】
本発明の他の課題は、プリント基板上に組付けるための好適な接触兼分離モジュールを明示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この課題は、請求項１の特徴を有する装置によって解決される。有利な諸構成は従属請求項２〜９および１２に指摘されている。本発明に係る装置を有する電子開閉装置は請求項１０、１３に明示されている。電子開閉装置の有利な諸構成は請求項１１、１４に指摘されている。プリント基板上に配置される半導体開閉器用の接触兼分離モジュールは請求項１５に明示されている。接触兼分離モジュールの有利な実施形態は請求項１６に指摘されている。
【００１６】
本発明の主要特徴は、アクチュエータによって選択可能に半導体開閉器が各電気端子から電気的に分離されることにある。
【００１７】
本発明によれば、駆動可能かつその長さを変更可能なアクチュエータを装置が有する。このアクチュエータは、アクチュエータの長さで離間しかつ相互に導電結合された２つのアクチュエータ接点を有する。第１のアクチュエータ接点は半導体開閉器の第２の開閉接点に当接している。アクチュエータの駆動に応じて第２のアクチュエータ接点は電気端子に接触するかまたはこの端子から電気的に分離されて断路距離を形成する（かのいずれかである）。
【００１８】
これにより、先行技術とは異なり、付属する電気端子からの半導体開閉器の電気的分離が可能となる。電気端子に印加される入力電圧が半導体開閉器の障壁層を介して出力側電気端子へと移送されることが本来有り得るが、有利なことにそれがもはや可能でない。このような出力側端子に触れる人が危険に曝されることは排除されている。
【００１９】
他の利点として、半導体開閉器が故障した場合出力側電気端子に入力全電圧が印加されるのではない。それに加えて有利なことに電気的分離によって電気負荷の遮断が可能である。これにより例えば、電気モータによって駆動される機械コンポーネントまたは設備コンポーネントが損傷し得る前に電気モータは遮断することができる。
【００２０】
アクチュエータによって構成可能な電気的断路距離は典型的には例えば１ｍｍ〜３ｍｍ等のミリメートル範囲内である。高い電圧、特にキロボルト範囲内のとき、断路距離は大きくすることもできる。断路距離は典型的には空間距離である。断路距離は選択的に空気とは別のガス内に、例えば窒素または六フッ化硫黄（ＳＦ6）内に構成することができる。六フッ化硫黄は、電気化学分野で高電圧絶縁にしばしば使用されるガスである。その場合断路距離は空気と比較して劇的に低減することができる。というのも、六フッ化硫黄の絶縁破壊能力は空気または窒素の絶縁破壊能力よりも約３倍高いからである。
【００２１】
アクチュエータは好ましくは電気駆動可能であり、選択的に空気圧または液圧で駆動することができる。特に、相応に駆動するときアクチュエータは直線的長さ変化を引き起こす。可能なこの長さ変化は調節行程とも称される。
【００２２】
アクチュエータは例えば圧電作用原理に依拠することができる。その場合、印加電圧に依存してその長さを変えることのできる圧電アクチュエータと呼ばれる。圧電アクチュエータは例えばディーゼルエンジンの噴射システム内で使用される。
【００２３】
アクチュエータは選択的に磁歪作用原理に依拠することができる。印加される磁界に依存した例えばテルフェノール等の強磁性体の可逆的変形は磁気歪みで表されている。一定した体積において物体は弾性長さ変化を受ける。
【００２４】
アクチュエータの調節運動はさらに形状記憶原理に依拠することができる。このようなアクチュエータは形状記憶合金アクチュエータとも称される。
【００２５】
アクチュエータはさらに選択的に、駆動時に電気励磁されるプランジャコイルを有する昇降磁石または交換磁石とすることができる。
【００２６】
１実施形態において第２の開閉接点と制御接点は半導体開閉器の上面に配置されている。第１の開閉接点は半導体開閉器の上面と平行な下面に配置されている。このような半導体開閉器は特にハウジングレス型半導体開閉器である。このような半導体開閉器は実質的に半導体チップ自体、いわゆる「die」（英語：ダイ、ペレット）から成る。付加的に、特にボンディングまたは接触のための接触面をダイ上に設けておくことができる。このコンパクトな構造様式は、半導体開閉器を冷却するための僅かな伝熱抵抗において同時に半導体開閉器をプリント基板に低抵抗で接続することを可能とする。
【００２７】
他の１実施形態によれば、プリント基板がプリント基板接触面を有し、このプリント基板接触面に半導体開閉器の第１の開閉接点が当接している。これにより、半導体開閉器の下面からプリント基板への電気抵抗、熱抵抗がさらに減少する。
【００２８】
特に、第１の開閉接点が半田結合を介してプリント基板接触面と電気的に結合されている。
【００２９】
特別な１実施形態によれば、アクチュエータは半導体開閉器の横断面に実質適合された横断面を有する。これにより、一層コンパクトな構造態様が可能である。同時に、アクチュエータから半導体開閉器へのごく僅かなオーム抵抗が可能である。半導体開閉器は例えば数センチメートルの直径の円形横断面を有することができる。その場合、アクチュエータは円筒状に形成され、やはり円形横断面を有する。
【００３０】
選択的に半導体開閉器とアクチュエータは正方形、長方形または多角形横断面形状を有することができる。
【００３１】
特別な１実施形態によれば、アクチュエータが通孔を有し、この通孔を通して半導体開閉器の制御接点が接触可能である。通孔は好ましくはアクチュエータ内の円筒状穴または切欠き部である。特に、通孔はアクチュエータの中心に、アクチュエータの広がり方向と平行に配置されている。
【００３２】
円筒状アクチュエータの場合有利にはアクチュエータの回転対称軸線が穴もしくは切欠き部の長手軸線と一致する。通孔は外側にある開閉接点に対して絶縁して実施されている。接触要素、特に円筒状金属ばね、典型的にはやはり中心で半導体開閉器の上面に配置されるゲート接触面は、通孔を通して接触させることができる。こうして半導体開閉器のゲートは通孔を通してアクチュエータの外側面に移される。
【００３３】
他の１実施形態によれば、電気端子は第２のアクチュエータ接点に対向する接続接点を有する。こうして接続接点は直接にアクチュエータの調節行程内にある。これにより、アクチュエータの伸長時に半導体開閉器から電気端子への確実な接触が調整可能であり、またアクチュエータの「縮小」時にはアクチュエータと半導体開閉器との間に十分に大きな断路距離が調整可能である。
【００３４】
冒頭に述べたように両方のアクチュエータ接点は相互に電気的に結合されている。特に、第１、第２のアクチュエータ接点の電気抵抗は定格運転時にアクチュエータのさしたる加熱が起きないように小さく設計されてもいる。好ましくは、アクチュエータの外面全体は通孔に対する所要の絶縁部に至るまで導電性に形成されている。例えば、アクチュエータ接点の間にあるアクチュエータ外面はベローズの態様に形成しておくことができる。選択的に、例えば銅編組から成るリッツ線等の可動導体によってアクチュエータ接点を電気的に結合することも可能である。
【００３５】
好ましい１実施形態によれば、前記接点が平らに、特に平面状に形成されている。これにより、万一の過大な電流密度が防止される。
【００３６】
有利な１実施形態によれば、装置が制御ユニットを有し、この制御ユニットはアクチュエータ長を調整するためにアクチュエータを駆動する。制御ユニットは、例えば、単数または複数の開閉接点用の駆動機能の他に単数または複数のアクチュエータ用の駆動機能を付加的に有するマイクロコントローラとすることができる。
【００３７】
本発明の課題はさらに、本発明に係るこのような装置を有する電子開閉装置によって解決される。このような開閉装置は特に、プリント基板を介して半導体開閉器の第１の開閉接点と結合された第２の電気端子を有する。開閉装置はさらに、半導体開閉器およびアクチュエータを閉路または開路するための制御ユニットと結合された制御端子を有する。開閉装置はさらに、電気端子および制御端子をその外面に配置されかつ装置および制御ユニットを有するハウジングを有する。ハウジングは例えば非導電性プラスチックまたはセラミックとすることができる。
【００３８】
本発明に係る電子開閉装置は先行技術による開閉装置と比較して、有利なことに、付加的に一体化された電気的分離を有する。例えば断路器等の付加的外部開閉手段は必要でない。それゆえに、本発明に係るこのような開閉装置は安全上危険な応用または安全上重要な応用にも利用することができる。
【００３９】
開閉装置はさらに２つ以上の本発明に係る装置を有することができる。すなわち開閉装置は多相に実施しておくことができる。
【００４０】
特に、アクチュエータと半導体開閉器は閉路命令または開路命令に依存して制御ユニットを介して駆動可能である。これによりアクチュエータ用の付加的駆動信号は必要でない。特に、断路距離を閉じるために閉路命令でアクチュエータの駆動が行われる。好ましくは、アクチュエータが生きた電気端子に接触してはじめて半導体開閉器の駆動は行われる。それに対して、開路命令のとき好ましくは、半導体開閉器が遮断動作に切り換わってはじめて、断路距離を構成するためにアクチュエータの駆動は行われる。
【００４１】
前記開閉装置は、好ましくは、直流電流もしくは直流電圧を開閉するためのＤＣ開閉装置である。半導体開閉器は例えばＩＧＢＴトランジスタまたはＭＯＳＦＥＴトランジスタとすることができる。
【００４２】
選択的に開閉装置は交流電流もしくは交流電圧を開閉するためのＡＣ開閉装置とすることができる。その場合半導体開閉器は、好ましくはトライアックである。
【００４３】
他の１実施形態によれば、装置は、半導体開閉器としての２つの逆並列に接続されたサイリスタと、第１、第２の電気端子と、第１、第２のアクチュエータとを有する。第１のサイリスタの第１の開閉接点はプリント基板を介して第２の電気端子と結合されている。それとは別に第２のサイリスタの第１の開閉接点はプリント基板を介して第１の電気端子と結合されている。第１のアクチュエータの第１のアクチュエータ接点が第１のサイリスタの第２の開閉接点に当接し、第２のアクチュエータの第１のアクチュエータ接点が第２のサイリスタの第２の開閉接点に当接している。アクチュエータの駆動に応じて第１のアクチュエータの第２のアクチュエータ接点が第１の電気端子に接触し、第２のアクチュエータの第２のアクチュエータ接点が第２の電気端子に接触するか、または両方のアクチュエータ接点が各電気端子から電気的に分離されて断路距離を形成する（かのいずれかである）。
【００４４】
本発明のこの実施形態は上側電力範囲用に、すなわち５ｋＷ〜５００ｋＷの範囲内の開閉すべき電力用に有利である。個別に実施されて相互に逆並列に配線された両方のサイリスタは、回路技術の観点で、交流電流を開閉するためのトライアックを形成する。開閉過程は典型的には電流曲線の零通過時に行われる。開閉すべき電流のアンペア数は数百アンペアとすることができる。
【００４５】
入力側電気端子を出力側電気端子から電気的に完全に分離するにはアクチュエータの同時駆動が不可欠であり、各電気端子に断路距離が構成される。
【００４６】
本発明の課題はさらに、サイリスタおよびアクチュエータを閉路または開路するための制御ユニットと結合された制御端子を有する他の電子開閉装置によって解決される。本発明に係るこの開閉装置はハウジングを有し、ハウジングの外面に電気端子および制御端子が配置されており、ハウジングは本発明に係る装置および制御ユニットを有する。
【００４７】
本発明に係る前記他の電子開閉装置は、先行技術による開閉装置と比較して有利には、付加的に一体化された電気的分離を有する。例えば断路器等の付加的開閉手段は必要でない。
【００４８】
前記他の開閉装置は２つ以上の本発明に係る装置を有することができ、すなわち多相に実施しておくことができる。開閉装置は特に、３相電源の電流および電圧を開閉するために３相に形成しておくことができる。３相電源は例えば電力会社の４００Ｖ／５０Ｈｚ３相電源とすることができる。
【００４９】
それゆえに、このような開閉装置は例えば昇降機モータの駆動等の安全上危険な応用もしくは安全上重要な応用にも利用することができる。
【００５０】
本発明の課題はさらに、プリント基板上に組付けるための接触兼分離モジュールによって解決される。この接触兼分離モジュールはモジュールハウジングとアクチュエータと電気端子と制御端子と制御接点端子とを有する。アクチュエータはモジュールハウジング内に受容され、その長さを調整可能に駆動可能である。それに加えてアクチュエータはアクチュエータの長さで離間しかつ相互に導電結合された２つのアクチュエータ接点を有し、プリント基板上に配置される第２の開閉接点を接触させるための第１のアクチュエータ接点が半導体開閉器の上面に形成されている。第２のアクチュエータ接点はモジュールハウジングの内面に配置される接続接点に対向している。接続接点はモジュールハウジングの外面に配置される電気端子と結合されている。アクチュエータは、半導体素子の上面に配置される制御接点が通孔を通して制御接点端子と接触可能となるように形成された通孔を有する。アクチュエータの駆動に応じて第２のアクチュエータ接点は接続接点に接触するかまたはこの接続接点から電気的に分離されて断路距離を形成する。
【００５１】
このようなモジュールはプリント基板上に取付けられ特に半田付けされた半導体開閉器と有利なことに簡単に接触させることができ、同時にモジュールの電気端子から接触した半導体開閉器に至る駆動可能な電気的分離が可能である。モジュールは例えばプリント基板に螺着することができる。選択的にモジュールは、プリント基板の切欠き部に幾何学的に適合された取付ボルトを有することができる。モジュールをプリント基板内で掛け止めまたはスナップ嵌めできるように、取付ボルトは端領域に係止鉤または逆鉤を有することができる。
【００５２】
他の利点として、接触兼分離モジュールを組付けることによって半導体開閉器はプリント基板接触面に押し付けられる。
【００５３】
本発明と本発明の有利な実施が以下の図を基にさらに詳しく説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】先行技術による開閉装置を介して電源に接続された負荷の例示的回路図である。
【図２】先行技術によるボンディングワイヤによって半導体開閉器を接触させる例を示す。
【図３】本発明に係る装置の基本回路図である。
【図４】半導体開閉器を備えた本発明に係る装置の例示的設計実施形態を示す。
【図５】本発明による例示的接触兼分離モジュールを示す。
【図６】本発明に係る開閉装置を介して電源に接続された負荷の回路図である。
【図７】本発明に係る選択可能な電気的分離を有する、２つの逆並列に配線されたサイリスタから成る交流開閉器の例示的回路図である。
【図８】２つの逆並列に配線されたサイリスタを備えた本発明に係る装置の例示的な実施形態の構造を示す。
【図９】第１の時間線図である。
【図１０】第２の時間線図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
図１は先行技術による開閉装置１０３を介して電源１００に接続された負荷１０５の例示的回路図である。
【００５６】
開閉装置１０３は例えば３相に形成されたソフトスタータである。ソフトスタータは負荷１０５の「ソフトな」接続もしくはソフトな遮断を可能とする。負荷１０５は例示的に３相モータである。電源１００は３相電源である。開閉装置１０３は例示的に半導体開閉器２１としてのトライアックを有する。トライアックは２つの逆並列に接続されたサイリスタから成る。別段示さないゲートを介して、負荷１０５は汎用位相制御の意味でランプ状に閉路または開路されることができる。符号１０４は選択的な橋絡開閉器またはバイパス開閉器であり、ランプアップの末端に到達後にトライアック２１を橋絡する。これにより、定格運転時にトライアック２１に発生するような熱の形の電気損失は避けられる。
【００５７】
符号１０１は、過電流および／または短絡の場合に電子開閉装置１０３を電源１００から分離する保護装置である。
【００５８】
符号１０２は、特に安全上重要な応用において電子開閉装置１０３の出力端への電源電圧の移送を防止するために電源電圧を遮断することのできる断路器である。断路器は同様に開閉装置１０３用開路命令の存在でもって開路へと駆動することができる。
【００５９】
図２は先行技術によるボンディングワイヤ２０によって半導体開閉器２１、２２を接触させる例を示す。
【００６０】
図２の下側部分に示されたプリント基板２は絶縁セラミック層１７とこれを取り囲む２つの銅層１６、１８とを備えている。銅層１８は相応するプリント基板接触面を形成し、このプリント基板接触面に２つの半導体開閉器２１、２２が接触し、特に半田付けしてある。符号４は半導体開閉器の第１の開閉接点、符号５は第２の開閉接点、符号６は例えばゲート等の制御接点である。最後に指摘した２つの接点５、６はボンディングワイヤ２０によって別段示さない他の接触面と電気的に結合されている。図２の左側部分と右側部分とに電気端子１１、１２が図示回路の入力端および出力端として示してある。
【００６１】
図３が本発明に係る装置１の基本回路図である。
【００６２】
符号１１は入力側電気端子であり、典型的には電源１００と結合されている。符号１２は出力側電気端子であり、典型的には負荷１０５と結合されている。図３の下側部分には交流電圧もしくは交流電流を開閉するためのトライアック２１が示してある。
【００６３】
図示した装置１は電気端子１１を半導体開閉器２１から電気的に分離するために、別段示さないプリント基板もしくは回路技術的に示唆しただけのプリント基板２を有し、少なくとも半導体開閉器２１と電気端子１１がプリント基板上に配置されている。第１の開閉接点４はプリント基板２と結合され、第２の開閉接点５は電気端子１１と結合されている。符号６は制御接点である。
【００６４】
本発明によれば、装置１は駆動可能かつその長さＬを変更可能なアクチュエータ７１を有し、アクチュエータはアクチュエータ７１の長さＬで離間しかつ相互に導電結合された２つのアクチュエータ接点７、８を有する。第１のアクチュエータ接点７が第２の開閉接点５に当接している。第２のアクチュエータ接点８は、アクチュエータ７１の駆動に応じて電気端子１１に接触（破線）するかまたはこの端子から電気的に分離されて断路距離ＴＳを形成するかのいずれかである。符号９は電気端子１１の、アクチュエータ接点８に対向する接続接点である。
【００６５】
図４は単一の部材としての半導体開閉器２１を備えた本発明に係る装置１の構造的実施形態を例示的に示す。
【００６６】
半導体開閉器２１は、図４の実施例では、半導体チップに一体化されて逆並列に接続された２つのサイリスタを備えたトライアックである。半導体開閉器２１は板状またはディスク状であり、厚さＤを有する。さらに、第２の開閉接点５と制御接点６が半導体開閉器２１の上面ＯＳに配置されている。第１の開閉接点４は半導体開閉器３の上面ＯＳと平行な下面ＵＳに配置されている。
【００６７】
このプリント基板２は図２のものに実質一致している。プリント基板２は平らに形成されたプリント基板接触面１０を有し、このプリント基板接触面に半導体開閉器２１の第１の開閉接点４が当接している。特に、低オーム電気接合と同時に低い伝熱抵抗が可能であるように、第１の開閉接点４は半田結合を介してプリント基板接触面１０と電気的に結合されている。それに加えて半田付けにより、半導体開閉器２１はプリント基板接触面１０上で機械的に固定されることになる。
【００６８】
アクチュエータ７１は、半導体開閉器２１の横断面に実質適合された横断面を有する。半導体開閉器２１およびアクチュエータ７１の横断面が図４の実施例では円形である。アクチュエータ７１は例えば圧電アクチュエータ、磁歪アクチュエータ、または形状記憶合金に基づくアクチュエータとすることができる。特にアクチュエータ７１は電気駆動可能である。
【００６９】
図４が示すようにアクチュエータ７１は、アクチュエータ７１の図示した長さＬから出発して、駆動時に断路距離ＴＳの長さＴだけ伸長し、こうして断路距離ＴＳもしくはエアギャップを解消することができる。駆動は、電気励磁の除去後にアクチュエータ７１が縮小または伸長し得ることも意味する。アクチュエータ７１はさらに、希望する非励磁開閉位置を調整するための機械的付勢ばねを有することができる。
【００７０】
図４の実施例ではアクチュエータ７１が通孔ＤＯを有し、この通孔を通して半導体開閉器２１の制御接点６が接触可能である。接触のために金属円筒ばね２３が設けられており、この円筒ばねは一方の末端がゲート６と、他方の末端が制御ユニット３と電気的に結合されている。特に、ゲート６は脱離可能に接触している。制御ユニット３はアクチュエータ長Ｌを調整するのに役立ち、それゆえに駆動線路３８を介してアクチュエータ７１と結合されている。制御ユニットは同時に半導体開閉器２１の駆動に利用することができ、存在する閉路命令または開路命令に依存してアクチュエータ７１および半導体開閉器２１を駆動することができる。図４の実施例では電気端子１１がやはり通孔を有し、この通孔に接触手段２３が挿通されている。
【００７１】
さらに、図示された接点４〜８、すなわち開閉接点４、５、制御接点６およびアクチュエータ接点７、８は平らに、もしくは平面状に形成されている。符号ＡＯはアクチュエータ外面、ＥＵはアクチュエータ７１の外面ＡＯに対向する電気端子１２の接触面である。接点４〜８は、コバルト合金、銅合金または銀合金から成る被覆等の頻繁な開閉操作および／または十分に安定した接触に適した特に導電性の被覆を有することができる。
【００７２】
図示した装置１は別段示さない電子開閉装置の一部とすることができる。このような開閉装置は、好ましくは出力側電気端子１１の他に、第２の特に出力側電気端子１２を有する。出力側電気端子はプリント基板２を介して半導体開閉器２１の第１の開閉接点４と結合されている。開閉装置はさらに制御端子１３を有し、この制御端子は半導体開閉器２１およびアクチュエータ７１を閉路または開路するための制御ユニット３と結合されている。それに加えて開閉装置がハウジングを有し、ハウジングの外面に電気端子１１、１２と制御端子１３が配置されている。ハウジング自体内に装置１と制御ユニット１３が収容されている。ハウジングは非導電性プラスチックまたはセラミックで構成することができる。
【００７３】
図５は本発明による例示的接触兼分離モジュールを示す。
【００７４】
接触兼分離モジュールはプリント基板２上での組付けとプリント基板２上に配置された半導体開閉器２１の接触とに役立ち、モジュールハウジング１５とアクチュエータ７１と電気端子１１と制御端子１３と制御接点端子１４とを有する。アクチュエータ７１はモジュールハウジング１５内に受容され、その長さＬを調整可能に駆動可能である。アクチュエータは、アクチュエータ７１の長さＬで離間して相互に導電結合された２つのアクチュエータ接点７、８を有する。第１のアクチュエータ接点７はプリント基板２上に配置される第２の開閉接点５を接触させるよう形成されている。第２のアクチュエータ接点８はモジュールハウジング１５の内面に配置される接続接点９に対向している。接続接点９はモジュールハウジング１５の外面に配置される電気端子１１と結合されている。アクチュエータ７１は、半導体素子２１の上面ＯＳに配置される制御接点６が通孔ＤＯを通して制御接点端子１４と接触可能となるように形成された通孔ＤＯを有する。アクチュエータ７１の駆動に応じて第２のアクチュエータ接点８は接続接点９に接触するかまたはこの接続接点から電気的に分離されて断路距離ＴＳを形成する。符号２５は特に導電性の開閉安定性接触層である。
【００７５】
モジュールハウジング１５は好ましくは非導電性プラスチックまたはセラミックから製造されている。モジュールハウジング１５は冷却体の意味でフィン状に形成しておくことができる。これにより、半導体開閉器２１の冷却改善が可能である。モジュールハウジング１５は鍋状に形成しておくことができ、半導体開閉器２１を冷却するために外側領域に別段示さない空気穴を有することができる。モジュールハウジング１５はさらに、内面に形成される案内部２４を有することができ、これらの案内部はモジュールハウジング１５内でアクチュエータ７１を受容し、同時にアクチュエータ７１の伸長を可能とする。
【００７６】
図５がさらに示すように、アクチュエータ７１は接触されるべき半導体開閉器２１の横断面に実質適合された横断面を有する。同様にモジュールハウジング１５の内側横断面はアクチュエータ７１の横断面に合わせて設計されている。
【００７７】
図５の下側部分には、モジュールハウジング１５がプリント基板２にどのように組付けられているのかが示してある。接触兼分離モジュールのモジュールハウジング１５は、組付け時にプリント基板２の相応する穴または切欠き部２６に挿通することのできるボルトもしくはピン２７を有する。ボルト２７は例示的に係止鉤２８を有し、これらの係止鉤でもってモジュールハウジング１５はプリント基板２に装着後に半導体開閉器２１を介してプリント基板２と係止される。選択的にモジュールハウジング１５はプリント基板２と螺合することができる。
【００７８】
図６は本発明に係る開閉装置を介して電源１００に接続された負荷の回路図を示す。
【００７９】
図１の回路図とは異なり、開閉手段１０２は省くことができる。電気的分離は本発明に係る開閉装置１０３に既に一体化されている。
【００８０】
図７は本発明に係る可能な電気的分離を有する、２つの逆並列に配線されたサイリスタ２１、２２から成る交流開閉器の回路図を例示的に示す。
【００８１】
図７の左側部分に入力側端子１１、右側部分に出力側端子１２が示してある。符号ｉ１は開閉すべき交流電流の第１の半周期内に流れる電流である。符号ｉ２は開閉すべき交流電流の第２の半周期内に流れる電流である。図７が示すように、サイリスタ２２が閉路され、アクチュエータ７２が分離されることなく駆動されるとき、電流ｉ１はサイリスタ２１、２２の整流特性のゆえに端子１１から結節３０、右側サイリスタ２２の第１の開閉接点４内の電流分岐３２を介して端子１２へと流れることができるだけである。同様に、サイリスタ２１が閉路され、アクチュエータ７１が分離されることなく駆動されるとき、電流ｉ２は端子１２から結節３１、左側サイリスタ２１の第１の開閉接点４内の電流分岐３３を介して端子１１へと流れることができるだけである。この回路配置に認めることができるように、端子１１、１２を両方のサイリスタ２１、２２から電気的に分離するのに２つの装置１が必要である。
【００８２】
図８は２つの逆並列に配線されたサイリスタ２１、２２を有する本発明に係る装置１の例示的な構造的実施形態を示す。
【００８３】
装置１は第１、第２の電気端子１１、１２と第１、第２のアクチュエータ７１、７２とを有する。第１のサイリスタ２１の第１の開閉接点４はプリント基板２を介して第２の電気端子１２と結合されている。それとは別に、第２のサイリスタ２２の第１の開閉接点４はプリント基板２を介して第１の電気端子１１と結合されている。第１のアクチュエータ７１の第１のアクチュエータ接点７が第１のサイリスタ２１の第２の開閉接点５に当接し、第２のアクチュエータ７２の第１のアクチュエータ接点７が第２のサイリスタ２２の第２の開閉接点５に当接している。アクチュエータ７１、７２の駆動に応じて第１のアクチュエータ７１の第２のアクチュエータ接点８が第１の電気端子１１に接触し、第２のアクチュエータ７２の第２のアクチュエータ端子８が第２の電気端子１２に接触するか、または両方のアクチュエータ接点８が各電気端子１１、１２から電気的に分離されて断路距離ＴＳを形成する。
【００８４】
図８の中央部分に示した制御ユニット３は一方でサイリスタ２１、２２の両方の制御接点６と結合され、他方で制御線路３８を介して両方のアクチュエータ７１、７２と結合されている。制御ユニット３は、両方の電気端子１１、１２も、非導電性保持要素またはプランジャ３５を介してプリント基板２と機械的に結合されている。符号１９は電気絶縁する封止用コンパウンドである。封止用コンパウンドは本発明に係る装置の組付け後にプリント基板２に取付け、特に封止することができる。封止用コンパウンド１９はプリント基板２上の空間距離および沿面距離を低減するための絶縁層を形成する。
【００８５】
前記装置１は簡単な組付けおよび接触のために２つの接触兼分離モジュールを有することもできる。
【００８６】
図示した装置１は別段示さない他の電子開閉装置の一部とすることもできる。このような開閉装置は、サイリスタ２１、２２およびアクチュエータ７１、７２を閉路または開路するための制御ユニット３と結合された制御端子１３を有し、それに加えてハウジングを有する。このハウジングはその外面に電気端子１１、１２と制御端子１３が配置されており、装置１と制御ユニット１３とを有する。特に、制御ユニット１３はサイリスタ２１、２２の閉路命令または開路命令に依存してアクチュエータ７１、７２を駆動する。駆動の時間的推移が以下の２つの時間線図に示してある。
【００８７】
図９は第１の時間線図である。
【００８８】
符号Ｖ１は本発明に係る装置１もしくは本発明に係る電子開閉装置用の閉路／開路命令の時間的推移である。本実施例において開閉装置はソフトスタータである。
【００８９】
閉路命令の存在でもって、システムに起因した遅延時間ＴＶの経過後、アクチュエータと半導体開閉器との間の電気的断路距離の閉鎖が起きる。そのことを曲線Ｖ２が示している。有利には無電力で閉鎖を可能とするために、サイリスタは電気的断路距離が閉じてから短い時間後にはじめて駆動される（曲線Ｖ３参照）。負荷がランプアップ時間ＴＲの内部でランプ状に柔らかく入力電圧に接続されるようにサイリスタは駆動される。そのことを曲線Ｖ４が示す。定格動作時間ＴＢ後にソフトスタータの遮断が起きる。相応する開路命令を受信するとサイリスタは、負荷がランプ状に、従って柔らかく入力電圧から分離されるように駆動される。サイリスタの完全遮蔽後、アクチュエータは電気的断路距離を構成するために駆動される。
【００９０】
図１０は第２の時間線図である。
【００９１】
図９の時間線図との違いとして、付加的な橋絡開閉器またはバイパス開閉器が駆動される。この開閉器は、アクチュエータ、特にサイリスタ（曲線Ｖ５参照）の不必要なホイーリング損失を避けるために定格運転時間内に開閉装置の電気端子を橋絡する。図１０が示すように、ランプアップの最後に達すると、橋絡開閉器が入力側および出力側電気端子を橋絡した後、サイリスタが、次にアクチュエータが開路される（曲線Ｖ１’〜Ｖ４’参照）。対応する仕方で、開路命令が存在するときまずサイリスタとアクチュエータが閉路される。これはほぼ無電流で行われる。というのも主電流は引き続き橋絡接点を介して負荷へと送られるからである。引き続き橋絡開閉器の開路が起きる。次にサイリスタを流れる電流はランプ状に零へと進む。サイリスタの無電流遮蔽状態に達するとアクチュエータは電気的断路距離を構成するために駆動される。
【符号の説明】
【００９２】
１  装置
２  プリント基板
３  半導体開閉器
４、５  開閉接点
６  制御接点
７、８  アクチュエータ接点
９  接続接点
１０  プリント基板接触面
１１、１２  電気端子
１３  制御端子
１４  制御接点端子
１５  モジュールハウジング
２１  半導体開閉器
２２  サイリスタ
７１、７２  アクチュエータ
ＤＯ  通孔
Ｌ  長さ
ＯＳ  上面
ＴＳ  断路距離
ＵＳ  下面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004781472.tif 000006
【図６】
0004781472.tif 000007
【図７】
0004781472.tif 000008
【図８】
0004781472.tif 000009
【図９】
0004781472.tif 000010
【図１０】
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