DE102020121589A1 - Surge protection arrangement - Google Patents

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DE102020121589A1
DE102020121589A1 DE102020121589.4A DE102020121589A DE102020121589A1 DE 102020121589 A1 DE102020121589 A1 DE 102020121589A1 DE 102020121589 A DE102020121589 A DE 102020121589A DE 102020121589 A1 DE102020121589 A1 DE 102020121589A1
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DE102020121589.4A
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Rainer Durth
Jan Hegerfeld
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Überspannungsschutzanordnung (1), insbesondere zum Schutz von elektronischen Geräten, die einen Leistungshalbleiter aufweisen, mit einem Varistor (2), mit einem Leistungshalbleiter (3) und mit einer Logikschaltung (4), wobei der Varistor (2) eine Bemessungsspannung aufweist, die kleiner als die Nennspannung ist, wobei der Leistungshalbleiter (3) elektrisch in Reihe zum Varistor (2) angeordnet ist, wobei der Steuereingang (5) des Leistungshalbleiters (3) direkt oder indirekt mit der Logikschaltung (4) verbunden ist, wobei der Leistungshalbleiter (3) bei an der Überspannungsschutzanordnung (1) anliegender Nennspannung deaktiviert ist und zu Beginn eines Überspannungsereignisses von der Logikschaltung (4) aktiviert wird, so dass bei leitendem Leistungshalbleiter (3) ein Strom durch den Varistor (2) und den Leistungshalbleiter (3) fließt, und wobei der Leistungshalbleiter (3) im Laufe des Überspannungsereignisses wieder von der Logikschaltung (4) deaktiviert wird.Shown and described is an overvoltage protection arrangement (1), in particular for protecting electronic devices that have a power semiconductor, with a varistor (2), with a power semiconductor (3) and with a logic circuit (4), the varistor (2) having a Has rated voltage which is lower than the nominal voltage, the power semiconductor (3) being arranged electrically in series with the varistor (2), the control input (5) of the power semiconductor (3) being connected directly or indirectly to the logic circuit (4), wherein the power semiconductor (3) is deactivated when the nominal voltage is applied to the overvoltage protection arrangement (1) and is activated by the logic circuit (4) at the beginning of an overvoltage event, so that when the power semiconductor (3) is conductive, a current through the varistor (2) and the power semiconductor (3) flows, and the power semiconductor (3) is deactivated again by the logic circuit (4) in the course of the overvoltage event is fourth.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzanordnung, insbesondere zum Schutz von elektronischen Geräten, die einen Leistungshalbleiter aufweisen, mit einem Varistor als ein Überspannungsbauelement, einem Leistungshalbleiter und einer Logikschaltung.The invention relates to an overvoltage protection arrangement, in particular for protecting electronic devices which have a power semiconductor, with a varistor as an overvoltage component, a power semiconductor and a logic circuit.

Aus der DE 10 2016 2011 628 A1 ist eine Überspannungsschutzanordnung bekannt, bei der einer Funkenstrecke oder einem Gasableiter als Überspannungsbauelement ein separater Löschpfad bedarfsweise parallelgeschaltet ist, wobei in dem Löschpfad ein Halbleiterschalter angeordnet ist, der von einer Logikschaltung gesteuert wird. Der Eingang der Logikschaltung ist dabei mit einem optischen Überwachungselement verbunden, das das Anstehen eines Lichtbogens im Überspannungsschutzelement erkennt. Beim Anstehen eines Lichtbogens wird der Halbleiterschalter über die Logikschaltung aktiviert, so dass der zunächst nur über die gezündete Funkenstrecke bzw. den gezündeten Gasableiter fließende Strom über den parallelen Löschpfad mit dem Halbleiterschalter fließt. Ist der Lichtbogen im Überspannungsbauelement erloschen, so wird der Halbleiterschalter deaktiviert, so dass auch der Stromfluss über den Löschpfad unterbrochen wird.From the DE 10 2016 2011 628 A1 An overvoltage protection arrangement is known in which a spark gap or a gas arrester as an overvoltage component is connected in parallel with a separate extinguishing path, if necessary, a semiconductor switch controlled by a logic circuit being arranged in the extinguishing path. The input of the logic circuit is connected to an optical monitoring element that detects the presence of an arc in the overvoltage protection element. When an arc is present, the semiconductor switch is activated via the logic circuit so that the current, which initially only flows through the ignited spark gap or the ignited gas discharge tube, flows via the parallel extinguishing path with the semiconductor switch. If the arc in the overvoltage component is extinguished, the semiconductor switch is deactivated, so that the flow of current via the extinguishing path is also interrupted.

Überspannungsschutzanordnungen bzw. Überspannungsschutzgeräte sollen Anlagen und elektrische Geräte, die an Versorgungsnetzen angeschlossen sind, vor transienten Überspannungen schützen, die die elektrischen Isolationen der Anlagen und angeschlossenen Geräte gefährden. Je nach Einsatzort und Einsatzzweck werden dabei unterschiedliche Überspannungsschutzgeräte eingesetzt, die sich unter anderem bezüglich ihres jeweiligen Schutzpegels voneinander unterscheiden.Overvoltage protection arrangements or overvoltage protection devices are intended to protect systems and electrical devices that are connected to supply networks from transient overvoltages that endanger the electrical insulation of the systems and connected devices. Depending on the location and purpose of use, different surge protection devices are used, which differ from one another with regard to their respective protection level, among other things.

Der Schutzpegel charakterisiert die Fähigkeit eines Überspannungsschutzgeräts, eine anstehende Überspannung auf eine Restspannung zu begrenzen. Damit ein zu schützendes elektrisches Gerät zuverlässig vor schädlichen Überspannungen geschützt werden kann, muss der Schutzpegel des verwendeten Überspannungsschutzgeräts entsprechend an die Spannungsfestigkeit bzw. die Isolationsfestigkeit des zu schützenden Geräts angepasst werden. Die an dem Überspannungsschutzgerät während dem Fließen eines Ableitstroms auftretende Restspannung muss somit niedriger sein als die Spannung, die maximal an dem zu schützenden Gerät anliegen darf.The protection level characterizes the ability of an overvoltage protection device to limit a pending overvoltage to a residual voltage. In order for an electrical device to be protected to be reliably protected from harmful overvoltages, the protection level of the overvoltage protection device used must be adapted accordingly to the dielectric strength or insulation strength of the device to be protected. The residual voltage that occurs on the surge protection device while a leakage current is flowing must therefore be lower than the maximum voltage that may be applied to the device to be protected.

Soll durch eine Überspannungsschutzanordnung ein elektronisches Gerät geschützt werden, das eine relativ geringe Spannungsfestigkeit aufweist, weil das elektronische Gerät beispielsweise einen Leistungshalbleiter im Eingang aufweist, so muss dafür ein Überspannungsschutzgerät mit einem entsprechend niedrigen Schutzpegel ausgewählt werden. Gleichzeitig muss jedoch auch sichergestellt werden, dass die Ansprechspannung des Überspannungsschutzgeräts so hoch ist, dass sie einen ausreichenden Abstand von der Betriebsspannung des Versorgungsnetzes aufweist, um ein Ansprechen des Überspannungsschutzgeräts bei betriebszulässigen temporären Überspannungen auszuschließen.If an electronic device with a relatively low dielectric strength is to be protected by an overvoltage protection arrangement, because the electronic device has a power semiconductor in the input, for example, an overvoltage protection device with a correspondingly low protection level must be selected. At the same time, however, it must also be ensured that the response voltage of the overvoltage protection device is so high that it is at a sufficient distance from the operating voltage of the supply network to prevent the overvoltage protection device from responding in the event of operationally permissible temporary overvoltages.

Bei konventionellen elektrischen Geräten, wie Transformatoren und Motoren, sowie bei elektrischen Installationen in Form von Kabeln, Schaltern und Steckverbindern ist der Abstand zwischen der Spannungsfestigkeit der Geräte gegen transiente Überspannungen und der Betriebsspannung relativ groß. Beträgt die Spannungsfestigkeit gegenüber transienten Überspannungen eines Geräts beispielsweise 5 kV bei einer Betriebsnennspannung von 400 Volt, so kann beispielsweise ein Überspannungsschutzgerät mit einem Schutzpegel von 1,5 kV problemlos eingesetzt werden, da der Abstand des Schutzpegels sowohl zur Betriebsnennspannung als auch zur Spannungsfestigkeit ausreichend groß ist.With conventional electrical devices such as transformers and motors, as well as with electrical installations in the form of cables, switches and connectors, the distance between the dielectric strength of the devices against transient overvoltages and the operating voltage is relatively large. If the dielectric strength of a device against transient overvoltages is, for example, 5 kV at a nominal operating voltage of 400 volts, an overvoltage protection device with a protection level of 1.5 kV can be used without any problems, since the distance between the protection level and both the nominal operating voltage and the dielectric strength is sufficiently large .

Derartige Überspannungsschutzgeräte können unterschiedliche Arten von Überspannungsbauelementen aufweisen. Typisch sind beispielsweise Suppressordioden, Varistoren, gasgefüllte Überspannungsableiter (GDT) und Funkenstrecken sowie verschiedene Kombinationsschaltungen dieser Bauteile. Alle diese Bauelemente unterscheiden sich hinsichtlich ihres charakteristischen Ableitverhaltens und ihrer Leistungsfähigkeit. Leistungsstarke Überspannungsschutzanordnungen auf Basis von Funkenstrecken oder Varistoren können im Ableitfall Restspannungen erzeugen, die ein Mehrfaches der eigentlichen Betriebsnennspannung betragen.Such overvoltage protection devices can have different types of overvoltage components. Typical examples are suppressor diodes, varistors, gas-filled surge arresters (GDT) and spark gaps as well as various combinations of these components. All of these components differ in terms of their characteristic discharge behavior and their performance. In the event of leakage, powerful surge protection arrangements based on spark gaps or varistors can generate residual voltages that are a multiple of the actual nominal operating voltage.

Wie zuvor ausgeführt worden ist, sind derartige hohe Restspannungswerte bei robusten elektrischen Installationen und Geräten unkritisch, während sie bei halbleiterbasierten elektronischen Geräten zur Zerstörung oder Beschädigung der Geräte führen können, da deren Spannungsfestigkeit wesentlich geringer ist. Bei Überspannungsschutzgeräten, die Geräten mit Halbleitern schützen sollen, können daher Varistoren und Funkenstrecken als Überspannungsbauelemente nicht ohne weiteres eingesetzt werden.As stated above, such high residual voltage values are not critical in robust electrical installations and devices, whereas in semiconductor-based electronic devices they can lead to the destruction or damage of the devices, since their dielectric strength is significantly lower. In overvoltage protection devices that are intended to protect devices with semiconductors, varistors and spark gaps cannot easily be used as overvoltage components.

Überspannungsschutzanordnungen mit Überspannungsbauelementen, bei denen die Restspannung im Ableitfall geringer ist, wie beispielsweise Suppressordioden oder gasgefüllte Überspannungsableiter, weisen dagegen den Nachteil auf, dass sie bei anliegender Betriebsspannungen sehr hohe Folgeströme bis in die Größenordnung von Kurzschlussströmen erzeugen. Dies kann dazu führen, dass das Überspannungsbauelement selber zerstört wird. Ist zusätzlich zu der Überspannungsschutzanordnung eine Überstromschutzanordnung vorgesehen, durch die das Überspannungsbauelement vor einer Zerstörung durch den fließenden Folgestrom geschützt wird, so führt das Fließen eines hohen Folgestroms zum gewollten Ansprechen der Überstromschutzanordnung und damit zu einem Ausfall der Betriebsspannung. In beiden Fällen ist die Verfügbarkeit der elektrischen Anlage bzw. des elektrischen Geräts eingeschränkt, womit das eigentliche Ziel der Überspannungsschutzanordnung, das elektrische Gerät bzw. die elektrische Anlage im Betrieb zu halten, verfehlt wird.Overvoltage protection arrangements with overvoltage components in which the residual voltage is lower in the event of a discharge, such as suppressor diodes or gas-filled surge arresters, on the other hand, have the disadvantage that they generate very high follow-up currents up to the order of magnitude of short-circuit currents when operating voltages are applied. This can lead to the surge device itself gets destroyed. If, in addition to the overvoltage protection arrangement, an overcurrent protection arrangement is provided, by means of which the overvoltage component is protected from destruction by the flowing follow current, the flow of a high follow current leads to the intended response of the overcurrent protection arrangement and thus to a failure of the operating voltage. In both cases, the availability of the electrical system or the electrical device is limited, so that the actual aim of the surge protection arrangement, to keep the electrical device or the electrical system in operation, is missed.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs beschriebene Überspannungsschutzanordnung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere zum Schutz von elektronischen Geräten, die einen Leistungshalbleiter aufweisen, geeignet ist. Dabei soll die Überspannungsschutzanordnung sowohl ein relativ hohes Ableitvermögen aufweisen, als auch einen möglichst niedrigen Schutzpegel haben.The present invention is therefore based on the object of providing an overvoltage protection arrangement described at the outset which is particularly suitable for protecting electronic devices that have a power semiconductor. The overvoltage protection arrangement should have both a relatively high discharge capacity and the lowest possible protection level.

Diese Aufgabe ist bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Überspannungsschutzanordnung weist einen Varistor, einen Leistungshalbleiter und eine Logikschaltung auf, wobei der Leistungshalbleiter elektrisch in Reihe zum Varistor angeordnet ist und der Steuereingang des Leistungshalbleiters direkt oder indirekt mit der Logikschaltung verbunden ist. Der Varistor ist dabei derart ausgebildet, dass er eine Bemessungsspannung aufweist, die kleiner als die Nennspannung der Überspannungsschutzanordnung ist.This object is achieved in the overvoltage protection arrangement according to the invention with the features of claim 1. The overvoltage protection arrangement has a varistor, a power semiconductor and a logic circuit, the power semiconductor being arranged electrically in series with the varistor and the control input of the power semiconductor being connected directly or indirectly to the logic circuit. The varistor is designed in such a way that it has a rated voltage that is lower than the nominal voltage of the overvoltage protection arrangement.

Die Bemessungsspannung des Varistors ist dabei die maximale Spannung, die betriebsmäßig an die Anschlussklemmen des Varistors angelegt werden darf, bei der sich der Varistor noch im definierten, nicht leitenden Zustand befindet. Als definierter, nicht leitender Zustand wird dabei der Zustand angesehen, bei dem über den Varistor maximal 1 mA Strom als Leckstrom fließt.The rated voltage of the varistor is the maximum voltage that may be applied to the connection terminals of the varistor during operation at which the varistor is still in the defined, non-conductive state. The state in which a maximum of 1 mA current flows through the varistor as leakage current is regarded as a defined, non-conductive state.

Da bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung der Varistor gewollt eine Bemessungsspannung aufweist, die kleiner als die Nennspannung ist, würde dies bei Anliegen der Nennspannung an der Überspannungsschutzanordnung dazu führen, dass über den Varistor ein Strom größer als 1 mA fließt. Der Varistor würde sich dann nicht mehr im Normalbetrieb befinden, da der Varistor beim Anliegen der Nennspannung nicht isolierend wäre.Since the varistor in the overvoltage protection arrangement according to the invention deliberately has a rated voltage that is lower than the nominal voltage, this would result in a current greater than 1 mA flowing through the varistor if the nominal voltage was applied to the overvoltage protection arrangement. The varistor would then no longer be in normal operation, since the varistor would not be insulating when the nominal voltage was applied.

Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung ist daher einem derart bemessenen Varistor ein Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet, der bei an der Überspannungsschutzanordnung anliegender Netzspannung deaktiviert ist, so dass über die Reihenschaltung aus Varistor und Leistungshalbleiter kein Strom fließt. Zur Erzielung der gewünschten Ableitfunktion wird der Leistungshalbleiter zu Beginn eines Überspannungsereignisses von der Logikschaltung aktiviert, so dass bei dann leitendem Leistungshalbleiter ein Strom durch den Varistor und den Leistungshalbleiter fließt. Dadurch wird die anstehende Überspannung auf einen Wert begrenzt, der unterhalb des Schutzpegels des zu schützenden elektronischen Geräts liegt, auch wenn dieses einen Leistungshalbleiter im Eingang aufweist.In the overvoltage protection arrangement according to the invention, a varistor dimensioned in this way is therefore connected in series with a power semiconductor which is deactivated when the mains voltage is applied to the overvoltage protection arrangement, so that no current flows through the series connection of varistor and power semiconductor. To achieve the desired discharge function, the power semiconductor is activated by the logic circuit at the beginning of an overvoltage event, so that when the power semiconductor is then conductive, a current flows through the varistor and the power semiconductor. This limits the overvoltage to a value that is below the protection level of the electronic device to be protected, even if it has a power semiconductor in its input.

Über den Varistor können dabei auch relativ große Ableitströme fließen, ohne dass die über den Varistor abfallende Restspannung die Spannungsfestigkeit des zu schützenden elektronischen Geräts übersteigt. Ist der abzuleitende Überspannungsimpuls so weit abgeklungen, dass die Überspannung im Toleranzbereich der Nennspannung liegt, so wird der Leistungshalbleiter von der Logikschaltung wieder deaktiviert. Dieses erneute Sperren des Leistungshalbleiters kann insbesondere zum Ende des Überspannungsereignisses, wenn sich der Wert der Überspannung entsprechend reduziert hat, erfolgen.Relatively large leakage currents can also flow via the varistor without the residual voltage dropping across the varistor exceeding the dielectric strength of the electronic device to be protected. If the overvoltage pulse to be diverted has decayed so far that the overvoltage is within the tolerance range of the nominal voltage, the power semiconductor is deactivated again by the logic circuit. This renewed blocking of the power semiconductor can take place in particular at the end of the overvoltage event, when the value of the overvoltage has correspondingly reduced.

Zur ergänzenden Erläuterung des Verhaltens eines Varistors bei unterschiedlichen Nennspannungen bzw. bei unterschiedlichen Ableitströmen sind in 1 typische Spannungs-Stromkennlinien für eine Mehrzahl von Varistoren dargestellt, die unterschiedliche Nennwerte aufweisen. Auf der X-Achse ist dabei der Strom i und auf der Y-Achse die Spannung V jeweils logarithmisch aufgetragen. Aus dem Kennlinienverlauf der einzelnen Varistoren lassen sich zunächst zwei Bereiche erkennen. Mit „A“ ist der Leckstrombereich gekennzeichnete, der beim Einsatz eines Varistors als Überspannungsbauelement den Normalbetrieb darstellt. Liegt am Varistor keine Überspannung an, sollte über den Varistor ein möglichst geringer Strom fließen. Als Grenzwert, der noch als nicht-leitender Zustand angesehen wird, ist dabei ein Leckstrom von 1 mA definiert.For a supplementary explanation of the behavior of a varistor at different nominal voltages or at different leakage currents, see 1 typical voltage-current characteristics are shown for a plurality of varistors which have different nominal values. The current i is plotted on the X axis and the voltage V is plotted logarithmically on the Y axis. First of all, two areas can be identified from the characteristic curve of the individual varistors. The leakage current range is marked with "A", which represents normal operation when a varistor is used as an overvoltage component. If there is no overvoltage at the varistor, the lowest possible current should flow through the varistor. A leakage current of 1 mA is defined as the limit value, which is still regarded as a non-conductive state.

Der zweite, mit „B“ gekennzeichnete Bereich ist der Arbeitsbereich des Varistors. Bei Anliegen einer Überspannung wird der Varistor niederohmig, so dass über den Varistor ein Ableitstrom fließt. In Abhängigkeit von der Höhe des Ableitstroms erhöht sich auch die über den Varistor abfallende Spannung etwas, wobei ein deutlicher Spannungsanstieg erst zum Ende des Arbeitsbereichs auftritt. Das Ende des Arbeitsbereichs wird durch den maximalen Schutzpegel und dem zugehörigen Stoßstrom bestimmt.The second area, marked “B”, is the working area of the varistor. If there is an overvoltage, the varistor becomes low-resistance, so that a leakage current flows through the varistor. Depending on the level of the leakage current, the voltage drop across the varistor also increases somewhat, with a significant increase in voltage not occurring until the end of the working range. The end of the working range is determined by the maximum protection level and the associated surge current.

In 1 ist beispielhaft die Spannungs-Stromkennlinie eines Varistors mit Nennwert 320 markiert. Fließt über einen solchen Varistor ein Ableitstrom von 1.000 A, so fällt an dem Varistor eine Restspannung von ca. 900 V ab, was als Schutzpegel für ein elektronisches Gerät mit einem Leistungshalbleiter ausreichend ist. Der Spannungs-Stromkennlinie des Varistors kann darüber hinaus entnommen werden, dass die Bemessungsspannung des Varistors, also die Spannung, bei der über den Varistor maximal 1 mA Leckstrom fließt, nur bei etwa 450 V liegt. Bei einer Betriebsnennspannung von 400 Volt würde es somit bei betriebszulässigen temporären Überspannungen häufig zum fließen eines Leckstroms durch den Varistor kommen, wodurch der Varistors beschädigt oder zumindest die Lebensdauer des Varistors reduziert werden könnte.In 1 the voltage-current characteristic of a varistor with a nominal value of 320 is marked as an example. If a leakage current of 1,000 A flows through such a varistor, a leakage current drops across the varistor Residual voltage of approx. 900 V, which is sufficient as a protection level for an electronic device with a power semiconductor. The voltage-current characteristic curve of the varistor also shows that the rated voltage of the varistor, i.e. the voltage at which a maximum of 1 mA leakage current flows through the varistor, is only around 450 V. With a nominal operating voltage of 400 volts, operationally permissible temporary overvoltages would therefore often result in a leakage current flowing through the varistor, which could damage the varistor or at least reduce the service life of the varistor.

Wenn an dem Varistor beispielsweise ein Betriebsspannung von 800 V angelegt würde, so ergibt sich aus der Spannungs-Stromkennlinie gemäß 1, dass dann durch den Varistor ein Strom von ca. 100 A fließen würde, was eine sofortige Zerstörung des Varistors zur Folge hätte. Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung wird dies dadurch verhindert, dass dem Varistor ein Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet ist, der bei der an der Überspannungsschutzanordnung anliegender Nennspannung, im zuvor beschriebenen Beispielsfall also bei 800 V, deaktiviert ist, so dass über die Reihenschaltung aus Varistor und Leistungshalbleiter kein Strom fließt.If, for example, an operating voltage of 800 V were applied to the varistor, then the voltage-current characteristic according to FIG 1 that a current of approx. 100 A would then flow through the varistor, which would result in immediate destruction of the varistor. In the overvoltage protection arrangement according to the invention, this is prevented in that the varistor is connected in series with a power semiconductor which is deactivated at the nominal voltage applied to the overvoltage protection arrangement, i.e. at 800 V in the example described above, so that no Electricity flows.

Aus 1 ist darüber hinaus ersichtlich, dass ohne die erfindungsgemäße Reihenschaltung aus Varistor und Leistungshalbleiter ein Varistor mit einem Nennwert von 550 eingesetzt werden müsste, damit über den Varistor beim Anliegen einer Betriebsspannung von beispielsweise 800 V nur ein Strom kleiner 1 mA fließt. Wenn über einen solchen Varistor ein Ableitstrom von 1000 A fließt, so fällt an dem Varistor eine Restspannung von ca. 1,75 kV ab, was zu einer Zerstörung des zu schützenden elektronischen Geräts führen könnte.Out 1 It can also be seen that without the series connection of the varistor and power semiconductor according to the invention, a varistor with a nominal value of 550 would have to be used so that only a current of less than 1 mA flows through the varistor when an operating voltage of, for example, 800 V is applied. If a leakage current of 1000 A flows through such a varistor, a residual voltage of approx. 1.75 kV drops across the varistor, which could destroy the electronic device to be protected.

Dadurch, dass die erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung einen Varistor aufweist, dessen Bemessungsspannung kleiner als die Nennspannung der Überspannungsschutzanordnung ist, wird erreicht, dass die Überspannungsschutzanordnung sowohl ein hohes Ableitvermögen als auch einen niedrigen Schutzpegel aufweist. Dadurch, dass dem so bemessenen Varistor ein Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet ist, wird dabei verhindert, dass über den Varistor bei anliegender Nennspannung ein zu hoher Leckstrom fließt, was zu einer Zerstörung des Varistors führen würde. Bei der erfindungsgemä-ßen Überspannungsschutzanordnung wird somit als Überspannungsbauelement ein Varistor eingesetzt, der eigentlich für die ausgewiesene Nennbetriebsspannung der Überspannungsschutzanordnung nicht geeignet ist.The fact that the overvoltage protection arrangement according to the invention has a varistor whose rated voltage is lower than the nominal voltage of the overvoltage protection arrangement ensures that the overvoltage protection arrangement has both a high discharge capacity and a low protection level. The fact that a power semiconductor is connected in series with the varistor dimensioned in this way prevents an excessively high leakage current from flowing through the varistor when the nominal voltage is applied, which would lead to the destruction of the varistor. In the overvoltage protection arrangement according to the invention, a varistor is used as the overvoltage component which is actually not suitable for the specified nominal operating voltage of the overvoltage protection arrangement.

Gemäß der Erfindung wird bei einer Überspannungsschutzanordnung mit einer bestimmten Nennspannung ein Varistor verwendet, der gemäß seiner Spannungs-Stromkennlinie einem 1 mA-Punkt aufweist, bei dem die am Varistor abfallende Varistorspannung kleiner als die Nennspannung ist. Vorzugsweise ist der Varistor so ausgewählt, dass er gemäß seiner Spannungs-Stromkennlinie einem 1 mA-Punkt aufweist, bei dem die am Varistor abfallende Varistorspannung maximal 90 %, vorzugsweise maximal 60 %, insbesondere maximale 40 % der Nennspannung beträgt. Bei einer Nennspannung der Überspannungsschutzanordnung von beispielsweise 600 V ist der Varistor somit so ausgewählt, dass die Bemessungsspannung kleiner als 600 V ist, insbesondere nur maximal 540 V, vorzugsweise nur 360 V oder sogar nur 240 V beträgt.According to the invention, in an overvoltage protection arrangement with a specific nominal voltage, a varistor is used which, according to its voltage-current characteristic, has a 1 mA point at which the varistor voltage drop across the varistor is lower than the nominal voltage. The varistor is preferably selected so that, according to its voltage-current characteristic, it has a 1 mA point at which the varistor voltage drop across the varistor is a maximum of 90%, preferably a maximum of 60%, in particular a maximum of 40% of the nominal voltage. With a nominal voltage of the overvoltage protection arrangement of 600 V, for example, the varistor is selected so that the rated voltage is less than 600 V, in particular is only a maximum of 540 V, preferably only 360 V or even only 240 V.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung der Leistungshalbleiter durch die Logikschaltung aktiviert wird, so beginnt bei anliegender Überspannung ein Ableitstrom über die Reihenschaltung aus Varistor und Leistungshalbleiter zu fließen. Leistungshalbleiter weisen in der Regel eine Stromtragfähigkeit von einigen 100 A auf. Darüber hinaus sind Leistungshalbleiter bekannt, die durch eine geeignete Eingangsübersteuerung jenseits der Nennparameter kurzzeitig auch eine Stromtragfähigkeit von einigen kA erreichen ( DE 10 2010 006 525 B4 ). Derartige Leistungshalbleiter, die eine besonders hohe Stromtragfähigkeit aufweisen, sind jedoch relativ teuer und in der Regel auch relativ groß.If the power semiconductor is activated by the logic circuit in the overvoltage protection arrangement according to the invention, a leakage current begins to flow via the series connection of varistor and power semiconductor when an overvoltage is present. Power semiconductors usually have a current carrying capacity of a few 100 A. In addition, power semiconductors are known which, through a suitable input override beyond the nominal parameters, briefly achieve a current carrying capacity of a few kA ( DE 10 2010 006 525 B4 ). Such power semiconductors, which have a particularly high current-carrying capacity, are, however, relatively expensive and, as a rule, also relatively large.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass dem Leistungshalbleiter mindestens ein Überspannungsbauelement, insbesondere eine Funkenstrecke oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter (GDT) parallel geschaltet ist, so dass die Parallelschaltung aus Leistungshalbleiter und Überspannungsbauelement elektrisch in Reihe zum Varistor angeordnet ist. Dabei ist der Leistungshalbleiter derart energetisch mit dem parallel geschalteten Überspannungsbauelement koordiniert, dass das parallel geschaltete Überspannungsbauelement leitend wird, bevor der Leistungshalbleiter aufgrund des über ihn fließenden Stromes überlastet ist, also bevor die Stromtragfähigkeit des Leistungshalbleiter überschritten ist.According to a preferred embodiment of the invention, it is therefore provided that at least one overvoltage component, in particular a spark gap or a gas-filled surge arrester (GDT), is connected in parallel to the power semiconductor, so that the parallel connection of the power semiconductor and overvoltage component is arranged electrically in series with the varistor. The power semiconductor is energetically coordinated with the overvoltage component connected in parallel in such a way that the overvoltage component connected in parallel becomes conductive before the power semiconductor is overloaded due to the current flowing through it, i.e. before the current carrying capacity of the power semiconductor is exceeded.

Die Koordination zwischen den beiden parallelen Strompfaden, also dem Strompfad mit dem Leistungshalbleiter und dem Strompfad mit dem Überspannungsbauelement kann passiv erfolgen, insbesondere durch geeignete Dimensionierung der Ansprechspannung des Überspannungsbauelements. Ist als Überspannungsbauelement ein gasgefüllter Überspannungsableiter eingesetzt, so kann die Koordination zwischen dem Leistungshalbleiter und dem gasgefüllten Überspannungsableiter derart ausgestaltet sein, dass der Ableitstrom bzw. der abzuleitende Stromimpuls zunächst über den Leistungshalbleiter fließt und dann aufgrund der zeitlich verzögerten Zündung des gasgefüllten Überspannungsableiters auf diesen kommutiert.The coordination between the two parallel current paths, that is to say the current path with the power semiconductor and the current path with the overvoltage component, can take place passively, in particular through suitable dimensioning of the response voltage of the overvoltage component. If a gas-filled surge arrester is used as the surge component, the coordination between the power semiconductor and the gas-filled surge arrester can be carried out in this way be designed so that the leakage current or the current pulse to be diverted initially flows through the power semiconductor and then commutates on this due to the delayed ignition of the gas-filled surge arrester.

Gemäß einer diesbezüglich bevorzugten Ausgestaltung wird der Leistungshalbleiter nach dem Beginn eines Überspannungsereignisses, nachdem ein erster Teil des Ableitstromes über den Leistungshalbleiter geflossen ist, von der Logikschaltung wieder deaktiviert, so dass der Leistungshalbleiter hochohmig wird. Die dadurch über den Leistungshalbleiter abfallende Spannung wird dann zur Zündung des parallel geschalteten Überspannungsbauelements genutzt, indem die Ansprechspannung des Überspannungsbauelements so gewählt ist, dass das Überspannungsbauelement aufgrund der über den parallel geschalteten, hochohmigen Leistungshalbleiter abfallenden Spannung zündet.According to a preferred embodiment in this regard, the power semiconductor is deactivated again by the logic circuit after the start of an overvoltage event after a first part of the leakage current has flowed through the power semiconductor, so that the power semiconductor becomes highly resistive. The voltage drop across the power semiconductor is then used to ignite the overvoltage component connected in parallel by selecting the response voltage of the overvoltage component so that the overvoltage component ignites due to the voltage drop across the high-resistance power semiconductor connected in parallel.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Überspannungsschutzanordnung, bei der ebenfalls ein Überspannungsbauelement parallel zum Leistungshalbleiter geschaltet ist, ist eine der Zündungen des Überspannungsbauelements dienende Zündvorrichtung vorgesehen, die dann aktiviert wird, wenn der über den Varistor fließende Strom und/oder die am Varistor abfallende Spannung einen Grenzwert übersteigt bzw. übersteigen. Die Auslösung der Zündvorrichtung erfolgt somit in Abhängigkeit von dem über den Varistor fließenden Strom oder der am Varistor abfallenden Spannung, zu deren Erfassung die Überspannungsschutzanordnung dann eine entsprechende Strommesseinheit bzw. eine Spannungsmesseinheit aufweist.According to an alternative embodiment of the overvoltage protection arrangement, in which an overvoltage component is also connected in parallel to the power semiconductor, an ignition device is provided which is used to ignite the overvoltage component and which is activated when the current flowing through the varistor and / or the voltage dropping across the varistor reaches a limit value exceeds or exceed. The triggering device is thus triggered as a function of the current flowing through the varistor or the voltage drop across the varistor, for the detection of which the overvoltage protection arrangement then has a corresponding current measuring unit or a voltage measuring unit.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung, bei der auch eine der Zündungen des Überspannungsbauelements dienende Zündvorrichtung vorgesehen ist, ist diese Zündvorrichtung derart mit dem Strompfad, in dem der Leistungshalbleiter angeordnet ist, gekoppelt, dass das Überspannungsbauelement aufgrund des Stromes, der bei leitendem Leistungshalbleiter durch den Strompfad fließt, gezündet wird. Bei dieser Ausgestaltung ist somit eine zusätzliche Erfassung bzw. Messung des Stromes bzw. einer abfallenden Spannung nicht erforderlich. Die Zündung des parallelen Überspannungsbauelements wird somit unmittelbar durch den Ableitstrom initiiert, der über den Leistungshalbleiter fließt. Hierzu kann die Zündvorrichtung vorzugsweise einen entsprechenden Übertrager aufweisen, der aus dem fließenden Ableitstrom bzw. der Stromänderung ein Hochspannungsimpuls zur Triggerung einer Funkenstrecke oder eines gasgefüllten Überspannungsableiters im Parallelzweig erzeugt.According to a further alternative embodiment, in which an ignition device serving to ignite the overvoltage component is also provided, this ignition device is coupled to the current path in which the power semiconductor is arranged that the overvoltage component due to the current flowing through the current path when the power semiconductor is conductive flows, is ignited. In this embodiment, additional detection or measurement of the current or a falling voltage is therefore not required. The ignition of the parallel overvoltage component is thus initiated directly by the leakage current flowing through the power semiconductor. For this purpose, the ignition device can preferably have a corresponding transformer which generates a high-voltage pulse from the flowing leakage current or the change in current to trigger a spark gap or a gas-filled surge arrester in the parallel branch.

Um den Leistungshalbleiter vor einer zu starken Belastung durch den über ihn fließenden Ableitstrom zu schützen, wird der Leistungshalbleiter derart als Schalter betrieben, dass er möglichst schnell vom sperrenden in den leitenden Zustand und umgekehrt verbracht wird. Die Schaltflanken, also die Zeiten, in denen der Leistungshalbleiter teilleitfähig ist, werden dabei möglichst gering gehalten, wodurch der Energieumsatz im Leistungshalbleiter begrenzt wird. Hierzu ist zwischen dem Steuereingang des Leistungshalbleiters und dem Ausgang der Logikschaltung vorzugsweise ein Treiber angeordnet, so dass der Steuereingang des Leistungshalbleiters nicht direkt, sondern indirekt, über den Treiber, mit der Logikschaltung verbunden ist. Mit Hilfe eines derartigen Treibers, der auch als Gate-Treiber bezeichnet wird, kann der Leistungshalbleiter besonders schnell umgeschaltet werden. Dem Fachmann sind dabei verschiedene Treiberschaltungen bekannt, die je nach den gewünschten Einsatzbedingungen eingesetzt werden können. Der Treiber kann dabei sowohl als diskrete als auch als integrierte elektronische Schaltung ausgebildet sein.In order to protect the power semiconductor from excessive load from the leakage current flowing through it, the power semiconductor is operated as a switch in such a way that it is switched from the blocking to the conductive state and vice versa as quickly as possible. The switching edges, i.e. the times in which the power semiconductor is partially conductive, are kept as low as possible, which limits the energy consumption in the power semiconductor. For this purpose, a driver is preferably arranged between the control input of the power semiconductor and the output of the logic circuit, so that the control input of the power semiconductor is connected to the logic circuit not directly, but indirectly via the driver. With the aid of such a driver, which is also referred to as a gate driver, the power semiconductor can be switched over particularly quickly. The person skilled in the art is familiar with various driver circuits which can be used depending on the desired conditions of use. The driver can be designed both as a discrete and as an integrated electronic circuit.

Vorzugsweise sind der Treiber und auch die Logikschaltung derart ausgebildet, dass der Leistungshalbleiter zu Beginn eines Überspannungsereignisses derart schnell aktiviert wird, dass das dem Leistungshalbleiter parallel geschaltete Überspannungsbauelement leitend wird, bevor die über die Überspannungsschutzanordnung abfallende Ableitspannung 200 % der Nennspannung erreicht hat. Hierzu erfolgt die Koordination zwischen dem Leistungshalbleiter und dem parallel geschalteten Überspannungsbauelement vorzugsweise mit Hilfe einer Zündvorrichtung, die insbesondere einen magnetisch-elektrischen Spannungswandler oder einen piezokeramischen Spannungswandler aufweist, so dass eine schnelle Zündung des parallel geschalteten Überspannungsbauelements erreicht werden kann.The driver and also the logic circuit are preferably designed in such a way that the power semiconductor is activated so quickly at the beginning of an overvoltage event that the overvoltage component connected in parallel with the power semiconductor becomes conductive before the leakage voltage drop across the overvoltage protection arrangement has reached 200% of the nominal voltage. For this purpose, the coordination between the power semiconductor and the overvoltage component connected in parallel is preferably carried out with the aid of an ignition device, which in particular has a magnetic-electrical voltage converter or a piezoceramic voltage converter, so that rapid ignition of the overvoltage component connected in parallel can be achieved.

Wie zuvor ausgeführt worden ist, wird der Leistungshalbleiter im Laufe des Überspannungsereignisses von der Logikschaltung deaktiviert. Weist die Überspannungsschutzanordnung ein dem Leistungshalbleiter parallel geschaltetes Überspannungsbauelement auf, so erfolgt das Deaktivieren des Leistungshalbleiters nach der Zündung des Überspannungsbauelements, so dass der abzuleitende Stoßstrom nur noch über das gezündete Überspannungsbauelement fließt. Vorzugsweise wird zusätzlich zum Ende des Überspannungsereignisses der Leistungshalbleiter wieder von der Logikschaltung aktiviert, so dass dem Strompfad über das Überspannungsbauelement der Strompfad über den Leistungshalbleiter wieder parallelgeschaltet wird. Dies führt dazu, dass der Strom wieder auf den parallel geschalteten, den Leistungshalbleiter aufweisenden Strompfad kommutiert, und der Strom über das Überspannungsbauelement erlischt. Um dabei ein erneutes Zünden des Überspannungsbauelements über die Zündvorrichtung und insbesondere einen als Teil der Zündvorrichtung vorgesehen Transformator zu vermeiden, kann der Transformator hinsichtlich seines Übertragungsverhaltens steuerbar ausgestaltet sein. Hierzu kann beispielsweise eine dritte Wicklung vorgesehen sein, die dann kurzgeschlossen wird, wenn über den Leistungshalbleiter nur noch der Netzfolgestrom fließt. Durch das Kurzschließen der dritten Wicklung wird dann verhindert, dass von dem Transformator ein Zündimpuls erzeugt wird, der zu einer erneuten Zündung des Überspannungsbauelements führen würde.As previously stated, the power semiconductor is deactivated by the logic circuit in the course of the overvoltage event. If the overvoltage protection arrangement has an overvoltage component connected in parallel to the power semiconductor, the power semiconductor is deactivated after the overvoltage component has been ignited, so that the surge current to be diverted only flows through the ignited overvoltage component. Preferably, in addition to the end of the overvoltage event, the power semiconductor is activated again by the logic circuit, so that the current path via the overvoltage component is again connected in parallel to the current path via the power semiconductor. This leads to the fact that the current commutates again on the current path connected in parallel and having the power semiconductor, and the current through the overvoltage component is extinguished. In order to re-ignite the overvoltage component To avoid the ignition device and in particular a transformer provided as part of the ignition device, the transformer can be designed to be controllable with regard to its transmission behavior. For this purpose, a third winding can be provided, for example, which is then short-circuited when only the line follow current flows through the power semiconductor. The short-circuiting of the third winding then prevents the transformer from generating an ignition pulse which would lead to re-ignition of the overvoltage component.

Da der Leistungshalbleiter erst zum Ende des Überspannungsereignisses wieder von der Logikschaltung aktiviert wird, fließt nicht mehr der abzuleitende Stoßstrom sondern nur noch der wesentlich geringere Netzfolgestrom über den parallelen Strompfad und damit über den Leistungshalbleiter. Dadurch ist sichergestellt, dass der dann über den Leistungshalbleiter fließende Strom nicht zu einer Überlastung des Leistungshalbleiters führt. Durch ein erneutes Deaktivieren des Leistungshalbleiters kann ein fließender Netzfolgestrom dann endgültig unterbrochen werden.Since the power semiconductor is only activated again by the logic circuit at the end of the overvoltage event, the surge current to be diverted no longer flows, but only the significantly lower line follow-up current via the parallel current path and thus via the power semiconductor. This ensures that the current then flowing via the power semiconductor does not lead to an overload of the power semiconductor. By deactivating the power semiconductor again, a flowing line follow current can then be finally interrupted.

Das endgültige Abschalten bzw. Deaktivieren des Leistungshalbleiters, mit dem ein Netzfolgestrom unterbrochen wird, kann dadurch von der Logikschaltung gesteuert werden, dass mittels eines Überwachungselements überprüft wird, ob im Überspannungsbauelement noch ein Lichtbogen ansteht. Hierzu kann beispielsweise ein optisches Überwachungselement eingesetzt werden. Um den Anteil der erforderlichen Bauteile zu reduzieren, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung jedoch vorgesehen, dass der Leistungshalbleiter zum Ende des Überspannungsereignisses von der Logikschaltung für eine bestimmte Zeitdauer aktiviert wird und danach automatisch deaktiviert wird. Hierdurch kann auf die Verwendung zusätzlicher Überwachungselemente verzichtet werden. Die jeweilige Zeitdauer kann dabei von der Logikschaltung fest vorgegeben sein oder je nach Anwendungsfall bestimmt werden. Die Zeitdauer kann jedoch auch aus bestimmten Parametern der Überspannungsschutzanordnung berechnet werden, insbesondere aus Kennwerten des Überspannungsbauelements und/oder des Leistungshalbleiters sowie des Netzes, in dem die Überspannungsschutzanordnung angeordnet ist.The final disconnection or deactivation of the power semiconductor, with which a line follow current is interrupted, can be controlled by the logic circuit in that a monitoring element is used to check whether an arc is still pending in the overvoltage component. For example, an optical monitoring element can be used for this purpose. In order to reduce the proportion of required components, however, a preferred embodiment of the invention provides that the power semiconductor is activated by the logic circuit for a certain period of time at the end of the overvoltage event and is then automatically deactivated. This means that the use of additional monitoring elements can be dispensed with. The respective period of time can be predetermined by the logic circuit or determined depending on the application. The duration can, however, also be calculated from certain parameters of the overvoltage protection arrangement, in particular from characteristic values of the overvoltage component and / or the power semiconductor and of the network in which the overvoltage protection arrangement is arranged.

Gemäß einer weiteren vorläufigen Ausgestaltung der Erfindung weist die Überspannungsschutzanordnung eine Spannungsmesseinheit auf, die die an der Überspannungsschutzanordnung anliegende Spannung erfasst, wobei die Aktivierung des Leistungshalbleiters zu Beginn eines Überspannungsereignisses erfolgt, wenn die von der Spannungsmesseinheit gemessene Spannung einen Grenzwert übersteigt. Die Aktivierung des Leistungshalbleiters erfolgt somit aufgrund einer gemessenen erhöhten Spannung.According to a further preliminary embodiment of the invention, the overvoltage protection arrangement has a voltage measuring unit that detects the voltage applied to the overvoltage protection arrangement, the power semiconductor being activated at the beginning of an overvoltage event when the voltage measured by the voltage measuring unit exceeds a limit value. The power semiconductor is thus activated on the basis of a measured increased voltage.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Strommesseinheit vorgesehen, die den über das Überspannungsbauelement fließenden Strom erfasst, wobei die erneute Aktivierung des Leistungshalbleiters durch die Logikschaltung dann erfolgt, wenn der von der Strommesseinheit gemessene Strom einen Grenzwert unterschreitet. Die erneute Aktivierung des Leistungshalbleiters erfolgt somit in Abhängigkeit von dem Strom, der über das Überspannungsbauelement fließt, wodurch feststellbar ist, ob es sich bei dem Strom noch um den abzuleitenden Stoßstrom oder um einen Netzfolgestrom handelt. Die erneute Aktivierung des Leistungshalbleiters zum Ende des Überspannungsereignisses kann darüber hinaus zusätzlich auch unter Berücksichtigung der von der Spannungsmesseinheit gemessenen Spannung und auch unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Zeitdauer erfolgen. Beispielsweise wird der Leistungshalbleiter von der Logikschaltung dann erneut aktiviert, wenn der gemessene Strom und/oder die gemessene Spannung für eine bestimmte Zeitdauer einen Schwellwert unterschritten hat. Dies wird dann als Ende des eigentlichen Überspannungsereignisses interpretiert, so dass der Leistungshalbleiter wieder aktiviert werden kann, um einen Netzfolgestrom zu unterbrechen bzw. den im Überspannungsbauelement anstehenden Lichtbogen zu löschen.According to a further advantageous embodiment, a current measuring unit is provided which detects the current flowing through the overvoltage component, the power semiconductor being reactivated by the logic circuit when the current measured by the current measuring unit falls below a limit value. The renewed activation of the power semiconductor therefore takes place as a function of the current that flows through the overvoltage component, whereby it can be determined whether the current is still the surge current to be diverted or a system follow-up current. The renewed activation of the power semiconductor at the end of the overvoltage event can additionally also take place taking into account the voltage measured by the voltage measuring unit and also taking into account a predetermined time period. For example, the power semiconductor is reactivated by the logic circuit when the measured current and / or the measured voltage has fallen below a threshold value for a certain period of time. This is then interpreted as the end of the actual overvoltage event, so that the power semiconductor can be activated again in order to interrupt a line follow current or to extinguish the arc pending in the overvoltage component.

Wie zuvor ausgeführt worden ist, erfolgt die zweite Aktivierung des Leistungshalbleiters vorzugsweise für eine vorgegebene oder vorgebbare bzw. bestimmte Zeitdauer. Um dabei sicherzustellen, dass es während der erneuten Aktivierung des Leistungshalbleiters zum Erlöschen des Lichtbogens im Überspannungsbauelement gekommen ist, kann zum einen die Zeitdauer relativ groß gewählt werden. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass nach der zweiten Deaktivierung des Leistungshalbleiters eine Analyse der anliegenden Spannung und/oder des über das Überspannungsbauelement fließenden Stroms erfolgt. Hierdurch kann überprüft werden, ob der gewollte Löschvorgang erfolgreich war, d. h. kein Netzfolgestrom mehr über die Überspannungsschutzanordnung fließt. Wird bei der Analyse festgestellt, dass die Löschung des Lichtbogens nicht erfolgreich war, so dass ein Netzfolgestrom noch fließt, so wird der Leistungshalbleiter nochmals aktiviert und anschließend deaktiviert, der Löschvorgang also nochmals durchgeführt. Die Zeitdauer, während der der Leistungshalbleiter nochmals aktiviert wird, kann dabei von der vorher gewählten oder bestimmten Zeitdauer abweichen, insbesondere kürzer gewählt sein.As has been explained above, the second activation of the power semiconductor takes place preferably for a predefined or predefinable or specific period of time. In order to ensure that the arc in the overvoltage component has been extinguished during the renewed activation of the power semiconductor, on the one hand the duration can be selected to be relatively long. As an alternative to this, it can be provided that, after the second deactivation of the power semiconductor, an analysis of the applied voltage and / or of the current flowing through the overvoltage component takes place. This makes it possible to check whether the intended deletion process was successful, i. E. H. mains follow current no longer flows through the overvoltage protection arrangement. If the analysis reveals that the arc was not extinguished successfully, so that a line follower current is still flowing, the power semiconductor is activated again and then deactivated, i.e. the extinguishing process is carried out again. The time period during which the power semiconductor is activated again can deviate from the previously selected or determined time period, in particular it can be selected to be shorter.

Bei der Logikschaltung, die den Leistungshalbleiter aktiviert und deaktiviert, kann es sich beispielsweise um einen Mikrokontroller handeln kann. Als Logikschaltung können jedoch auch ein oder mehrere Zustandspeicher, wie beispielsweise RS-Flip-Flops, eingesetzt werden, so dass die Logikschaltung mindestens eine bistabile Kippstufe aufweist.The logic circuit that activates and deactivates the power semiconductor can be can for example be a microcontroller. However, one or more state memories, such as RS flip-flops, can also be used as the logic circuit, so that the logic circuit has at least one bistable multivibrator.

Zuvor ist ausgeführt worden, dass die Überspannungsschutzanordnung vorzugsweise eine Zündvorrichtung aufweist, mit der eine dem Leistungshalbleiter parallel geschaltete Funkenstrecke oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter gezündet werden kann. Die Zündvorrichtung kann beispielsweise eine Triggerelektrode aufweisen, wie sie aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. In diesem Fall kann die Zündvorrichtung neben der Triggerelektrode insbesondere auch noch einen Übertrager aufweisen.It was previously stated that the overvoltage protection arrangement preferably has an ignition device with which a spark gap connected in parallel with the power semiconductor or a gas-filled surge arrester can be ignited. The ignition device can, for example, have a trigger electrode as is well known from the prior art. In this case, the ignition device can in particular also have a transmitter in addition to the trigger electrode.

Als Leistungshalbleiter kommen vorzugsweise IGBTs oder MOSFETs zum Einsatz. Es können jedoch auch andere schnell schaltende Elemente, wie beispielsweise Thyristoren eingesetzt werden. Als Logikschaltung wird bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung vorzugsweise ein Mikrokontroller verwendet, dessen Spannungsversorgung über die anliegende Netzspannung, eine interne oder externe Spannungsquelle oder die Spannung des Überspannungsereignisses erfolgen kann.IGBTs or MOSFETs are preferably used as power semiconductors. However, other fast-switching elements, such as thyristors, can also be used. A microcontroller is preferably used as the logic circuit in the overvoltage protection arrangement according to the invention, the voltage of which can be supplied via the applied mains voltage, an internal or external voltage source or the voltage of the overvoltage event.

Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

  • 1 ein Diagramm der Spannungs-Stromkennlinien für eine Mehrzahl von Varistoren,
  • 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung,
  • 3 ein vereinfachtes Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung,
  • 4 ein vereinfachtes Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung,
  • 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Überspannungsschutzanordnung, ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß 4, und
  • 6 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Überspannungsschutzanordnung, ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß 5
In particular, there are a large number of possibilities for designing and developing the overvoltage protection arrangement according to the invention. For this purpose, reference is made both to the patent claims and to the following description of preferred exemplary embodiments in conjunction with the drawing. Show in the drawing
  • 1 a diagram of the voltage-current characteristics for a plurality of varistors,
  • 2 a simplified circuit diagram of a first embodiment of the overvoltage protection arrangement according to the invention,
  • 3rd a simplified circuit diagram of a second embodiment of the overvoltage protection arrangement according to the invention,
  • 4th a simplified circuit diagram of a further embodiment of the overvoltage protection arrangement according to the invention,
  • 5 a circuit diagram of an embodiment of the overvoltage protection arrangement, similar to the embodiment according to 4th , and
  • 6th a circuit diagram of a further embodiment of the overvoltage protection arrangement, similar to the embodiment according to FIG 5

Die 2 bis 4 zeigen jeweils ein stark vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung 1. Die Überspannungsschutzanordnung 1 weist insbesondere einen Varistor 2, einen Leistungshalbleiter 4 und eine Logikschaltung 5 auf, bei der es sich beispielsweise um einen Mikrokontroller oder auch um eine vereinfachte Logik in Form eines Zustandsspeichers handeln kann. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Steuereingang 5 des Leistungshalbleiters 3 direkt mit dem Ausgang 6 der Logikschaltung 4 verbunden. Da der Leistungshalbleiter 3 elektrisch in Reihe zum Varistor 2 angeordnet ist, fließt auch bei einer an der Überspannungsschutzanordnung 1 anstehenden Spannung, die größer als die Bemessungsspannung des Varistors 2 ist, nur dann ein Strom über den Varistor 2, wenn der Leistungshalbleiter 3 aktiviert ist, so dass er leitend geschaltet ist.The 2 to 4th each show a greatly simplified circuit diagram of an exemplary embodiment of the overvoltage protection arrangement according to the invention 1 . The surge protection arrangement 1 in particular has a varistor 2 , a power semiconductor 4th and a logic circuit 5 which can be, for example, a microcontroller or a simplified logic in the form of a status memory. How out 2 can be seen is the control input 5 of the power semiconductor 3rd directly to the exit 6th the logic circuit 4th connected. Because the power semiconductor 3rd electrically in series with the varistor 2 is arranged, also flows in one to the overvoltage protection arrangement 1 pending voltage that is greater than the rated voltage of the varistor 2 is only then a current through the varistor 2 when the power semiconductor 3rd is activated so that it is switched on.

Die Steuerung des Leistungshalbleiters 3 durch die Logikschaltung 4 erfolgt dabei derart, dass der Leistungshalbleiter 3 bei an der Überspannungsschutzanordnung 1 anstehender Nennspannung der Überspannungsschutzanordnung 1 deaktiviert ist, so dass kein Strom über den Leistungshalbleiter 3 und den Varistor 2 fließt, auch wenn die anstehende Nennspannung größer als die Bemessungsspannung des Varistors 2 ist. Zu Beginn eines Überspannungsereignisses wird der Leistungshalbleiter 3 durch die Logikschaltung 4 aktiviert, so dass dann ein Ableitstrom über die Reihenschaltung aus Varistor 2 und Leistungshalbleiter 3 fließt, wobei durch den geringen Widerstand des Varistors 2 die anstehende Überspannung auf einen Wert begrenzt wird, der unterhalb der Spannungsfestigkeit des zu schützenden elektronischen Geräts liegt, auch wenn dieses einen Leistungshalbleiter im Eingang aufweist.The control of the power semiconductor 3rd through the logic circuit 4th takes place in such a way that the power semiconductor 3rd at the overvoltage protection arrangement 1 pending nominal voltage of the overvoltage protection arrangement 1 is deactivated so that no current through the power semiconductor 3rd and the varistor 2 flows even if the applied nominal voltage is greater than the rated voltage of the varistor 2 is. At the beginning of an overvoltage event, the power semiconductor becomes 3rd through the logic circuit 4th activated, so that then a leakage current through the series connection of varistor 2 and power semiconductors 3rd flows through the low resistance of the varistor 2 the pending overvoltage is limited to a value that is below the dielectric strength of the electronic device to be protected, even if it has a power semiconductor in the input.

Über den Varistor 2 können dabei auch relativ große Ableitströme fließen, ohne dass die über den Varistor 2 abfallende Restspannung die Spannungsfestigkeit des zu schützenden elektronischen Geräts übersteigt. Ist der abzuleitende Überspannungsimpuls so weit abgeklungen, dass die Überspannung im Toleranzbereich der Nennspannung liegt, so wird der Leistungshalbleiter 3 von der Logikschaltung 4 wieder deaktiviert. Dieses erneute Sperren des Leistungshalbleiters 3 kann insbesondere zum Ende des Überspannungsereignisses erfolgen, wenn sich der Wert der Überspannung entsprechend reduziert hat. Da dann kein Strom mehr über den Varistor 2 fließt, wird auch das Fließen eines Netzfolgestroms und damit die Zerstörung der Varistors 2 verhindert.About the varistor 2 Relatively large leakage currents can also flow without this via the varistor 2 falling residual voltage exceeds the dielectric strength of the electronic device to be protected. If the overvoltage pulse to be diverted has decayed so far that the overvoltage is within the tolerance range of the nominal voltage, the power semiconductor becomes 3rd from the logic circuit 4th deactivated again. This renewed locking of the power semiconductor 3rd can occur in particular at the end of the overvoltage event, when the value of the overvoltage has been reduced accordingly. Since then there is no more current through the varistor 2 flows, the flow of a system follow current and thus the destruction of the varistor 2 prevented.

Das in 3 dargestellte vereinfachte Schaltbild unterscheidet sich dadurch von dem in 2 dargestellten Schaltbild, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 dem Leistungshalbleiter 3 noch ein Überspannungsbauelement parallel geschaltet ist, bei dem es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Funkenstrecke 7 handelt. Alternativ dazu kann als Überspannungsbauelement insbesondere auch ein gasgefüllter Überspannungsableiter 8 verwendet werden, wie dies bei den Ausführungsbeispielen gemäß 5 und 6 dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit dem Varistor 2 die Parallelschaltung aus Leistungshalbleiter 3 und Funkenstrecke 7 bzw. gasgefüllter Überspannungsableiter 8 in Reihe geschaltet. Der Leistungshalbleiter 3 und die parallel geschaltete Funkenstrecke 7 sind energetisch derart miteinander koordiniert, dass die Funkenstrecke 7 leitend wird, bevor der Leistungshalbleiter 3 aufgrund des über ihn fließenden Ableitstromes überlastet ist.This in 3rd The simplified circuit diagram shown here differs from the one in 2 shown circuit diagram that in the embodiment according to 3rd the power semiconductor 3rd another surge component in parallel is switched, which in the illustrated embodiment is a spark gap 7th acts. Alternatively, a gas-filled surge arrester can also be used as the surge component 8th are used, as in the embodiments according to 5 and 6th is shown. In this embodiment, the varistor 2 the parallel connection of power semiconductors 3rd and spark gap 7th or gas-filled surge arrester 8th connected in series. The power semiconductor 3rd and the spark gap connected in parallel 7th are energetically coordinated with each other in such a way that the spark gap 7th becomes conductive before the power semiconductor 3rd is overloaded due to the leakage current flowing through it.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel, das in 4 dargestellt ist, ist zur energetischen Koordination eine Zündvorrichtung 9 vorgesehen, die derart mit dem Strompfad 10, in dem der Leistungshalbleiter 3 angeordnet ist, gekoppelt ist, dass die Funkenstrecke 7 aufgrund des Stromes, der durch den Strompfad 10 fließt, gezündet wird. Das gewollte Zünden der Funkenstrecke 7 führt dann dazu, dass der Ableitstrom von dem Strompfad 10 mit dem Leistungshalbleiter 3 auf den Strompfad 11 mit der Funkenstrecke 7 kommutiert. Hierzu ist bei den in den 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ein Transformator 12 vorgesehen, der zusammen mit einer Zündelektrode 13 die Zündvorrichtung 9 bildet.According to the embodiment shown in 4th is shown is an ignition device for energetic coordination 9 provided in such a way with the current path 10 , in which the power semiconductor 3rd is arranged, is coupled that the spark gap 7th due to the current flowing through the current path 10 flows, is ignited. The intentional ignition of the spark gap 7th then leads to the leakage current from the current path 10 with the power semiconductor 3rd on the current path 11 with the spark gap 7th commutes. This is the case with the 4th illustrated embodiments a transformer 12th provided together with an ignition electrode 13th the igniter 9 forms.

Nach erfolgter Zündung der Funkenstrecke 7 fließt dann der abzuleitende Stoßstrom über die durchgezündete Funkenstrecke 7 und nicht mehr über den Leistungshalbleiter 3. Um einen nach dem Ableitvorgang in der Funkenstrecke 7 noch anstehenden Lichtbogen zu löschen, wird der Leistungshalbleiter 3 zum Ende des Überspannungsereignisses von der Logikschaltung 4 wieder aktiviert, so dass der fließende Netzfolgestrom vom Strompfad 11 mit der Funkenstrecke 7 auf den Strompfad 10 mit dem Leistungshalbleiter 3 kommutiert. Durch ein erneutes Deaktivieren des Leistungshalbleiters 3 kann ein fließender Netzfolgestrom dann endgültig unterbrochen werden. Dadurch, dass zuvor der Netzfolgestrom vom Strompfad 11 auf den Strompfad 10 kommutiert ist, kommt es zu einem Verlöschen des Lichtbogens in der Funkenstrecke 7.After the spark gap has ignited 7th the surge current to be diverted then flows through the spark gap that has been ignited 7th and no longer through the power semiconductor 3rd . To one after the discharge process in the spark gap 7th The power semiconductor is used to extinguish any pending arc 3rd at the end of the overvoltage event from the logic circuit 4th reactivated so that the flowing line follow current from the current path 11 with the spark gap 7th on the current path 10 with the power semiconductor 3rd commutes. By deactivating the power semiconductor again 3rd a flowing line follow current can then be finally interrupted. As a result, the line follow current from the current path 11 on the current path 10 is commutated, the arc is extinguished in the spark gap 7th .

Wie aus der schematischen Darstellung gemäß 5 erkennbar ist, weist die Überspannungsschutzanordnung 1 bei diesem Ausführungsbeispiel noch einen Treiber 14 auf, der zwischen dem Ausgang 6 der Logikschaltung 4 und dem Steuereingang 5 des Leistungshalbleiters 3 angeordnet ist. Mit Hilfe des Treibers 14 kann erreicht werden, dass der Leistungshalbleiter 3 möglichst schnell vom sperrenden in den voll leitenden Zustand und umgekehrt gebracht werden kann, wodurch der Energieumsatz im Leistungshalbleiter 3 und damit dessen Belastung reduziert wird.As shown in the schematic representation 5 can be seen, the overvoltage protection arrangement 1 in this embodiment one more driver 14th on that between the exit 6th the logic circuit 4th and the control input 5 of the power semiconductor 3rd is arranged. With the help of the driver 14th can be achieved that the power semiconductor 3rd can be brought from the blocking to the fully conductive state and vice versa as quickly as possible, thereby reducing the energy consumption in the power semiconductor 3rd and thus its burden is reduced.

Außerdem zeigt diese schematische Darstellung noch eine Spannungsmesseinheit 15 und eine Strommesseinheit 16 als Teil der Überspannungsschutzanordnung 1. Mit der Spannungsmesseinheit 15 kann die an der Überspannungsschutzanordnung 1 anstehende Spannung erfasst werden, so dass der Leistungshalbleiter 3 dann durch die Logikschaltung 4 aktiviert wird, wenn die von der Spannungsmesseinheit 15 erfasste Spannung einen Grenzwert übersteigt. Mit Hilfe der Strommesseinheit 16 wird der über den gezündeten gasgefüllten Überspannungsableiter 8 fließende Strom erfasst. Eine erneute Aktivierung des Leistungshalbleiters 3 zum Ende des Überspannungsereignisses kann dann ausgelöst werden, wenn der von der Strommesseinheit 16 erfasste Strom einen Grenzwert unterschreitet, was als Zeichen dafür aufgefasst wird, dass nur noch ein Netzfolgestrom und nicht mehr der Ableitstrom fließt. This schematic representation also shows a voltage measuring unit 15th and a current measuring unit 16 as part of the surge protection arrangement 1 . With the voltage measuring unit 15th can affect the overvoltage protection arrangement 1 pending voltage can be detected, so that the power semiconductor 3rd then through the logic circuit 4th is activated when the voltage measuring unit 15th detected voltage exceeds a limit value. With the help of the current measuring unit 16 becomes over the ignited gas-filled surge arrester 8th flowing stream captured. A renewed activation of the power semiconductor 3rd at the end of the overvoltage event can then be triggered when the from the current measuring unit 16 The recorded current falls below a limit value, which is taken as a sign that only a system follow current and no longer the leakage current is flowing.

Ergänzend zu der in 5 dargestellten Spannungsmesseinheit 15 und der Strommesseinheit 16 kann auch eine weitere Strommesseinheit vorgesehen sein, die den durch den Varistor 2 fließenden Strom erfasst. Ebenso kann eine Strommesseinheit vorgesehen sein, die ergänzend zur Spannungsmesseinheit 15 der Detektion eines Überspannungsereignisses dient.In addition to the in 5 voltage measuring unit shown 15th and the current measuring unit 16 can also be provided a further current measuring unit, the through the varistor 2 flowing current recorded. A current measuring unit can also be provided, which is a supplement to the voltage measuring unit 15th serves to detect an overvoltage event.

Aus der schematischen Darstellung der Logikschaltung 4 in 5 ist erkennbar, dass der Logikschaltung 4 mehrere Eingangsgrößen zugeführt werden können, die aus der analogen oder digitalen Analyse von Stromänderungen oder Spannungsänderungen und/oder Strompegeln bzw. Spannungspegeln und dem Vergleich mit Grenzwerten abgeleitet sind. Außerdem kann die Logikschaltung 4 auch ein Zeitglied aufweisen, das dafür vorgesehen ist, den Leistungshalbleiter 3 zum Ende des Überspannungsereignisses für eine vorgegebene Zeitdauer zu aktivieren. Während dieser Zeitdauer wird dadurch dem Strompfad 11 über den gasgefüllten Überspannungsableiter 8 der Strompfad 10 über den Leistungshalbleiter 3 parallel geschaltet, so dass der Strom auf den Strompfad 10 kommutiert, und ein in dem gasgefüllten Überspannungsableiter 8 anstehender Lichtbogen erlischt.From the schematic representation of the logic circuit 4th in 5 can be seen that the logic circuit 4th several input variables can be supplied, which are derived from the analog or digital analysis of current changes or voltage changes and / or current levels or voltage levels and the comparison with limit values. In addition, the logic circuit 4th also have a timing element which is provided for the power semiconductor 3rd to activate at the end of the overvoltage event for a specified period of time. During this period of time, this changes the current path 11 via the gas-filled surge arrester 8th the current path 10 about the power semiconductor 3rd connected in parallel so that the current is on the current path 10 commutated, and one in the gas-filled surge arrester 8th pending arc extinguishes.

In 6 ist ein vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Überspannungsschutzanordnung 1 dargestellt, das von seinem Aufbau zunächst dem Schaltbild gemäß 5 entspricht. Zusätzlich ist hier beispielhaft eine Schaltung gezeigt, mit der das Übertragungsverhalten des Transformators 12 steuerbar ist. Durch die Steuerung des Transformators 12 soll verhindert werden, dass der gasgefüllten Überspannungsableiter 8 durch einen Zündimpuls erneut gezündet wird, wenn über den erneut aktivierten Leistungshalbleiter 3 nur der Netzfolgestrom fließen soll, um einen in dem gasgefüllten Überspannungsableiter 8 anstehenden Lichtbogen zu löschen.In 6th Figure 3 is a simplified circuit diagram of one embodiment of the surge protection arrangement 1 shown, its structure initially according to the circuit diagram 5 corresponds to. In addition, a circuit is shown here as an example, with which the transmission behavior of the transformer 12th is controllable. By controlling the transformer 12th is to prevent the gas-filled surge arrester 8th is re-ignited by an ignition pulse, if over the again activated power semiconductor 3rd only the line follow current should flow to one in the gas-filled surge arrester 8th extinguish pending arc.

Dazu weist der Transformator 12 zunächst eine dritte Wicklung 17 auf, die auf der Seite der Sekundärwicklung angeordnet ist. Diese dritte Wicklung 17 kann über die Diodenbrücke 18 kurzgeschlossen werden, so dass dann von dem Transformator 12 kein Zündimpuls mehr an der Zündelektrode 13 erzeugt wird, der zu einer erneuten Zündung des gasgefüllten Überspannungsableiters 8 führen würde. Zum Kurzschließen der Diodenbrücke 18 ist ein zweiter Leistungshalbleiter 19 vorgesehen, der von einer vereinfachten Logikschaltung, nämlich einem UND-Glied 20 mit einem invertierten Eingang 21 gesteuert wird. Auch hierbei ist zwischen dem UND-Glied 20 und dem Steuereingang des zweiten Leistungshalbleiter 19 ein Treiber 22 angeordnet, um ein schnelles Schalten des Leistungshalbleiter 19 zu ermöglichen.This is what the transformer instructs 12th first a third winding 17th on, which is arranged on the side of the secondary winding. This third winding 17th can across the diode bridge 18th be short-circuited so that then from the transformer 12th no more ignition pulse at the ignition electrode 13th is generated, which leads to a re-ignition of the gas-filled surge arrester 8th would lead. For short-circuiting the diode bridge 18th is a second power semiconductor 19th provided by a simplified logic circuit, namely an AND gate 20th with an inverted input 21 is controlled. Here, too, is between the AND element 20th and the control input of the second power semiconductor 19th a driver 22nd arranged to enable rapid switching of the power semiconductor 19th to enable.

Wie aus 6 ersichtlich ist, ist der invertierte Eingang 21 des UND-Gliedes 20 mit dem Ausgang der Spannungsmesseinheit 15 verbunden, während der andere Eingang 23 des UND-Gliedes 20 mit dem Ausgang der Logikschaltung 4 verbunden ist. Für den zuvor genannten Zustand, dass keine Überspannung mehr ansteht, der Leistungshalbleiter 3 jedoch durch die Logikschaltung 4 noch aktiviert ist, damit ein im gasgefüllten Überspannungsableiter 8 noch anstehender Lichtbogen gelöscht werden kann, steht am invertierte Eingang 21 des UND-Gliedes 20 eine logische „0“ und am anderen Eingang 23 eine logische „1“ an, so dass am Ausgang 24 des UND-Glieds 20 eine logische „1“ ansteht. Dies führt zu einer Aktivierung des zweiten Leistungshalbleiters 19 und damit zu einem Kurzschluss der dritten Wicklung 17 über die Diodenbrücke 18.How out 6th can be seen is the inverted input 21 of the AND element 20th with the output of the voltage measuring unit 15th connected while the other input 23 of the AND element 20th with the output of the logic circuit 4th connected is. For the aforementioned condition that there is no longer any overvoltage, the power semiconductor 3rd however by the logic circuit 4th is still activated, so that a gas-filled surge arrester 8th pending arc can be extinguished is shown at the inverted input 21 of the AND element 20th a logical "0" and at the other input 23 a logical "1", so that at the output 24 of the AND element 20th a logical "1" is pending. This leads to activation of the second power semiconductor 19th and thus to a short circuit of the third winding 17th over the diode bridge 18th .

Bezüglich der in den 2 bis 6 dargestellten vereinfachten Schaltungen sei darauf hingewiesen, dass die Schaltungen immer nur eine Schaltung für ein unidirektionales System darstellen. Die vorliegende Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt, sondern auch bei einem bidirektionalen System einsetzbar. In diesem Fall wäre Ansteuerung entsprechend zweifach ausgeführt oder es wären geeignete Gleichrichter eingesetzt.Regarding the in the 2 to 6th It should be pointed out that the simplified circuits shown here always represent only one circuit for a unidirectional system. However, the present invention is not restricted to this, but can also be used in a bidirectional system. In this case, control would accordingly be implemented twice or suitable rectifiers would be used.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1.1.
ÜberspannungsschutzanordnungSurge protection arrangement
2.2.
VaristorVaristor
3.3.
LeistungshalbleiterPower semiconductors
4.4th
LogikschaltungLogic circuit
5.5.
SteuereingangControl input
6.6th
Ausgangoutput
7.7th
FunkenstreckeSpark gap
8.8th.
ÜSaGÜSaG
9.9.
ZündvorrichtungIgnition device
10.10.
StrompfadCurrent path
11.11.
StrompfadCurrent path
12.12th
Transformatortransformer
13.13th
ZündelektrodeIgnition electrode
14.14th
Treiberdriver
15.15th
SpannungsmesseinheitVoltage measuring unit
16.16.
StrommesseinheitCurrent measuring unit
17.17th
3. Wicklung3. winding
18.18th
DiodenbrückeDiode bridge
19.19th
LeistungshalbleiterPower semiconductors
20.20th
UND-GliedAND element
21.21.
invertierter Einganginverted input
22.22nd
Treiberdriver
23.23
anderer Eingangother entrance
24.24
Ausgangoutput

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 1020162011628 A1 [0002]DE 1020162011628 A1 [0002]
  • DE 102010006525 B4 [0023]DE 102010006525 B4 [0023]

Claims (16)

Überspannungsschutzanordnung (1), insbesondere zum Schutz von elektronischen Geräten, die einen Leistungshalbleiter aufweisen, mit einem Varistor (2), mit einem Leistungshalbleiter (3) und mit einer Logikschaltung (4), wobei der Varistor (2) eine Bemessungsspannung aufweist, die kleiner als die Nennspannung ist, wobei der Leistungshalbleiter (3) elektrisch in Reihe zum Varistor (2) angeordnet ist, wobei der Steuereingang (5) des Leistungshalbleiters (3) direkt oder indirekt mit der Logikschaltung (4) verbunden ist, wobei der Leistungshalbleiter (3) bei an der Überspannungsschutzanordnung (1) anliegender Nennspannung deaktiviert ist und zu Beginn eines Überspannungsereignisses von der Logikschaltung (4) aktiviert wird, so dass bei leitendem Leistungshalbleiter (3) ein Strom durch den Varistor (2) und den Leistungshalbleiter (3) fließt, und wobei der Leistungshalbleiter (3) im Laufe des Überspannungsereignisses wieder von der Logikschaltung (4) deaktiviert wird.Overvoltage protection arrangement (1), in particular for protecting electronic devices that have a power semiconductor, with a varistor (2), with a power semiconductor (3) and with a logic circuit (4), the varistor (2) having a rated voltage that is lower than the rated voltage, wherein the power semiconductor (3) is arranged electrically in series with the varistor (2), wherein the control input (5) of the power semiconductor (3) is connected directly or indirectly to the logic circuit (4), wherein the power semiconductor (3) is deactivated when the nominal voltage is applied to the overvoltage protection arrangement (1) and is activated by the logic circuit (4) at the beginning of an overvoltage event, so that when the power semiconductor (3) is conductive, a current through the varistor (2) and the power semiconductor (3) flows, and wherein the power semiconductor (3) is deactivated again by the logic circuit (4) in the course of the overvoltage event. Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (2) gemäß seiner Spannungs-Stromkennlinie einem 1 mA-Punkt aufweist, bei dem die am Varistor (2) abfallende Varistorspannung kleiner als die Nennspannung ist.Overvoltage protection arrangement (1) according to Claim 1 , characterized in that the varistor (2) has, according to its voltage-current characteristic, a 1 mA point at which the varistor voltage drop across the varistor (2) is less than the nominal voltage. Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (2) gemäß seiner Spannungs-Stromkennlinie einem 1 mA-Punkt aufweist, bei dem die am Varistor (2) abfallende Varistorspannung maximal 90 %, vorzugsweise maximal 60 %, insbesondere maximale 40 % der Nennspannung beträgt.Overvoltage protection arrangement (1) according to Claim 2 , characterized in that the varistor (2) has a 1 mA point according to its voltage-current characteristic, at which the varistor voltage dropping across the varistor (2) is a maximum of 90%, preferably a maximum of 60%, in particular a maximum of 40% of the nominal voltage. Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leistungshalbleiter (3) mindestens ein Überspannungsbauelement (7, 8), insbesondere eine Funkenstrecke (7) oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter (8), parallel geschaltet ist, so dass die Parallelschaltung aus Leistungshalbleiter (3) und Überspannungsbauelement (7, 8) elektrisch in Reihe zum Varistor (2) angeordnet ist, und dass der Leistungshalbleiter (3) derart energetisch mit dem parallel geschalteten Überspannungsbauelement (7, 8) koordiniert ist, dass das parallel geschaltete Überspannungsbauelement (7, 8) leitend wird, bevor der Leistungshalbleiter (3) aufgrund des über ihn fließenden Stroms überlastet ist.Overvoltage protection arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that at least one overvoltage component (7, 8), in particular a spark gap (7) or a gas-filled surge arrester (8), is connected in parallel to the power semiconductor (3), so that the parallel connection of the power semiconductor (3) and the overvoltage component (7 , 8) is arranged electrically in series with the varistor (2), and that the power semiconductor (3) is energetically coordinated with the overvoltage component (7, 8) connected in parallel in such a way that the overvoltage component (7, 8) connected in parallel becomes conductive before the power semiconductor (3) is overloaded due to the current flowing through it. Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordination zwischen dem Leistungshalbleiter (3) und dem parallel geschalteten Überspannungsbauelement (7, 8) passiv, durch geeignete Dimensionierung der Ansprechspannung des Überspannungsbauelements (7, 8) erfolgt.Overvoltage protection arrangement (1) according to Claim 4 , characterized in that the coordination between the power semiconductor (3) and the overvoltage component (7, 8) connected in parallel takes place passively by suitable dimensioning of the response voltage of the overvoltage component (7, 8). Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter (3) nach dem Beginn eines Überspannungsereignisses von der Logikschaltung (4) wieder deaktiviert wird, so dass der Leistungshalbleiter (3) hochohmig wird, und dass die Ansprechspannung des Überspannungsbauelements (7, 8) so gewählt ist, dass das Überspannungsbauelement (7, 8) aufgrund der über den parallel geschalteten, hochohmigen Leistungshalbleiter (3) abfallenden Spannung leitend wird.Overvoltage protection arrangement (1) according to Claim 4 , characterized in that the power semiconductor (3) is deactivated again by the logic circuit (4) after the start of an overvoltage event, so that the power semiconductor (3) has a high resistance, and that the response voltage of the overvoltage component (7, 8) is selected so that the overvoltage component (7, 8) becomes conductive due to the voltage dropping across the high-resistance power semiconductor (3) connected in parallel. Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Zündung des Überspannungsbauelements (7, 8) dienende Zündvorrichtung vorgesehen ist, die dann aktiviert wird, wenn der über den Varistor (2) fließende Strom und/oder die am Varistor (2) abfallende Spannung einen Grenzwert übersteigen.Overvoltage protection arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that an ignition device is provided which is used to ignite the overvoltage component (7, 8) and is activated when the current flowing through the varistor (2) and / or the voltage drop across the varistor (2) exceeds a limit value. Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Zündung des Überspannungsbauelements (7, 8) dienende Zündvorrichtung (9) vorgesehen ist, die derart mit dem Strompfad (10), in dem der Leistungshalbleiter (3) angeordnet ist, gekoppelt ist, dass das Überspannungsbauelement (7, 8) aufgrund des Stromes, der bei leitendem Leistungshalbleiter (3) durch den Strompfad (10) fließt, gezündet wird.Overvoltage protection arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that an ignition device (9) serving to ignite the overvoltage component (7, 8) is provided which is coupled to the current path (10) in which the power semiconductor (3) is arranged that the overvoltage component (7 , 8) is ignited due to the current which flows through the current path (10) when the power semiconductor (3) is conducting. Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (9) einen magneto-elektrischen Spannungswandler (12) oder einen piezokeramischen Spannungswandler aufweist.Overvoltage protection arrangement (1) according to Claim 8 , characterized in that the ignition device (9) has a magneto-electrical voltage converter (12) or a piezoceramic voltage converter. Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der magneto-elektrische Spannungswandler (12) oder der piezokeramische Spannungswandler hinsichtlich seines Übertragungsverhaltens steuerbar sind.Overvoltage protection arrangement (1) according to Claim 9 , characterized in that the magneto-electrical voltage converter (12) or the piezoceramic voltage converter can be controlled with regard to its transmission behavior. Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuereingang (5) des Leistungshalbleiters (3) und dem Ausgang (6) der Logikschaltung (4) ein Treiber (14) angeordnet ist.Overvoltage protection arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that a driver (14) is arranged between the control input (5) of the power semiconductor (3) and the output (6) of the logic circuit (4). Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter (3) zu Beginn eines Überspannungsereignisses von der Logikschaltung (4) und dem Treiber (14) derart schnell aktiviert wird und der Leistungshalbleiter (3) derart energetisch mit dem parallel geschalteten Überspannungsbauelement (7, 8) koordiniert ist, dass das parallel geschaltete Überspannungsbauelement (7, 8) leitend wird, bevor die über die Überspannungsschutzanordnung (1) abfallende Ableitspannung 200 % der Nennspannung erreicht hat.Overvoltage protection arrangement (1) according to Claim 11 , characterized in that the power semiconductor (3) is activated so quickly at the beginning of an overvoltage event by the logic circuit (4) and the driver (14) and the power semiconductor (3) so energetically with the overvoltage component (7, 8) connected in parallel it is coordinated that the overvoltage component (7, 8) connected in parallel becomes conductive before the discharge voltage dropping across the overvoltage protection arrangement (1) has reached 200% of the nominal voltage. Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter (3) zum Ende des Überspannungsereignisses von der Logikschaltung (4) für eine vorgegebene bzw. vorgebbare Zeitdauer oder für eine variable, von Parametern abhängige Zeitdauer wieder aktiviert und danach wieder deaktiviert wird.Overvoltage protection arrangement (1) according to one of the Claims 4 to 12th , characterized in that the power semiconductor (3) is reactivated at the end of the overvoltage event by the logic circuit (4) for a predefined or predefinable period of time or for a variable period of time dependent on parameters and then deactivated again. Überspannungsschutzanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsmesseinheit (15) vorgesehen ist, die die an der Überspannungsschutzanordnung (1) anliegende Spannung erfasst und dass die Aktivierung des Leistungshalbleiters (3) zu Beginn eines Überspannungsereignisses erfolgt, wenn die von der Spannungsmesseinheit (15) gemessene Spannung einen Grenzwert übersteigt.Overvoltage protection arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 13th , characterized in that a voltage measuring unit (15) is provided which detects the voltage applied to the overvoltage protection arrangement (1) and that the power semiconductor (3) is activated at the beginning of an overvoltage event when the voltage measured by the voltage measuring unit (15) has a Exceeds limit. Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strommesseinheit (16) vorgesehen ist, die den über das Überspannungsbauelement (7, 8) fließenden Strom erfasst und dass die erneute Aktivierung des Leistungshalbleiters (3) erfolgt, wenn der von der Strommesseinheit (16) gemessenen Strom einen Grenzwert unterschreitet.Overvoltage protection arrangement (1) according to Claim 13 or 14th , characterized in that a current measuring unit (16) is provided which detects the current flowing through the overvoltage component (7, 8) and that the power semiconductor (3) is reactivated when the current measured by the current measuring unit (16) reaches a limit value falls below. Überspannungsschutzanordnung (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Logikschaltung (4) mehrere Eingangsgrößen zuführbar sind, die aus der analogen oder digitalen Analyse von Stromänderungen oder Spannungsänderungen und/oder Strompegeln oder Spannungspegeln und dem Vergleich mit Grenzwerten abgeleitet sind.Overvoltage protection arrangement (1) according to Claim 14 or 15th , characterized in that several input variables can be fed to the logic circuit (4) which are derived from the analog or digital analysis of current changes or voltage changes and / or current levels or voltage levels and the comparison with limit values.
DE102020121589.4A 2019-08-30 2020-08-18 Surge protection arrangement Pending DE102020121589A1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102021101506A1 (en) 2021-01-25 2022-07-28 Dehn Se Overvoltage protection device and use of an overvoltage protection device

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DE102021101506A1 (en) 2021-01-25 2022-07-28 Dehn Se Overvoltage protection device and use of an overvoltage protection device

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