CN107735931B - 接入电流限制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对电压中间电路进行接入电流限制的方法和电路组件，该电路组件构造成具有至少一个储存电容。

Description

接入电流限制
技术领域
本发明涉及一种在中间电路或电压中间电路变流器中用于对接入电流进行限制的方法和电路组件。
背景技术
通常，已知中间电路为电路装置，其作为储能器经由变流器与多个电网连接。例如已知直流中间电路，其在电压恒定且电流变化的情况下利用中间电路电容运行。
这种电压中间电路变流器通常包括相对大的电容，其用作联接的变流器的低欧姆源。电容特性，即在接入高电流之后直接衰减在此是不利的。在将所涉及的变流器插入或接入时流到储存电容器中的高充电电流可导致构件损坏，只要不采取限制的措施。因此，在将EC设备装入或接入电网时，该EC设备通常在其中间电路中以具有大的电容，相应大的接入电流脉冲流过。该电流脉冲必须与保护构件不相关地也受到限制，以使得用于整体安装、包括电网中的保护措施在内的费用保持最小。
从文献EP 0591 915 A2中已知一种解决方案，其中，与开关串联布置有扼流阀。在出现电压过高的情况下，升高的电流通过扼流阀的功能使得在扼流阀处产生感应电压；识别到该电压并且随后关断MOSFET。
广泛应用的还有借助于与温度相关的电阻(NTC)对接入电流进行限制，也被称为热敏电阻。特别是在电网部分中，通常使用这种热敏电阻作为接入电流限制器，其与用电器串联，而不一定需要桥接。由于其在冷态下的大电阻在接入之后可限制电流。此后，其受到电流量加热，其电阻减小并且然后进而产生较低的损耗，以正确保持其自身温度。因为在NTC中，电阻值随温度上升而降低，反之，这也意味着，在热的(运行生热)NTC中，受限制的电阻的电阻值下降到很低并且接入电流脉冲显著上升。这又会导致开始时提及的问题和失效起因，这在使用NTC解决方案来限制电流时是不利的。
原理上另一种可行方案是使用于中间电路电容器串联的固定电阻，其中，该电阻在需充电的中间电路电容器的充电过程之后必须桥接。为此需要额外的联接元件，其必须同时一起操作。
发明内容
本发明的目的在于，克服上述缺点并且在中间电路中设置电路组件用于对接入电流进行限制，该电路组件可以尽可能地制造成本低廉、运行可靠并且尽可能无损伤地工作。
该目的通过具有权利要求1的特征的电路组件以及具有权利要求11的特征的方法来实现。
本发明的基本思想在于，设有一种特殊的充电电路，以按次序对储存电容器充电并且通过相应依次的充电量对储存电容器优选地逐步充电，其中，充电电路经由半导体构件接通并且关断到储存电容器的充电电流循环。在此，指数函数的包络线以下对储存电容器充电，该包络线很接近电容器的充电电容。
根据本发明，因此提出了一种用于对电压中间电路进行接入电流限制的电路组件，所述电路组件构造成至少具有储存电容器，其中为了限制流过所述储存电容器的最大充电电流，在供电电压源与所述储存电容器之间设有充电电路，充电电路具有至少一个带有栅极的半导体构件、电阻以及晶体管，其中，所述半导体构件的漏极-源极路段(在漏极端口与源极端口之间)与所述储存电容器串联布置，并且其中，所述储存电容器的充电通过多个分别在时间上依次的充电电流脉冲(I1,…In)进行，充电电流脉冲在短时间接通所述半导体构件的漏极-源极路段时流到所述储存电容器。充电电流因此划分成多个充电电流分量，其在时间上依次对储存电容器充电。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述半导体构件的栅极经由所述晶体管的基极-发射极路段接地或者(根据线路状态)可接地，并且根据所述晶体管的基极-发射极路段是否关断或接通，所述半导体构件的栅极或者接地或者与控制电压UST连接。
另外有利地设置成，所述半导体构件的漏极-源极路段布置成与电阻串联。该支路因此为储存电容器的充电电流的充电电流支路。仅在半导体构件接通的短时间内，可流过时间上受限的充电电流。一旦所述半导体构件的栅极由与接地电势连接，则漏极-源极路段进入关断状态并且充电电流断路。
如上文阐述的那样，电阻布置成与所述半导体构件的漏极-源极路段串联，使得在所述电阻处产生电压下降，利用电压下降可控制所述晶体管的基极，以同样接通晶体管，这又使得所述半导体构件的栅极与所述电路组件的接地电势连接并且由此所述半导体组件过渡到其关断状态。一旦进入关断状态，则不再有电流在充电支路中流过电阻并且电阻处的电压直接下降。由此，在晶体管的基极处不再有控制电压并且晶体管进入关断状态。一旦晶体管又处于关断状态，则在晶体管的栅极处又存在控制电压并且又接通半导体构件等。
重复该过程，直至储存电容器充好电。因为充电脉冲的充电电流逐渐变小，则在某一时刻，电阻处的电压下降低于对于接通电容器处的基极来说所需的阈值。
根据本发明设置成，所述晶体管具有基极并且所述电阻与所述半导体构件的源极端口相连接并且在所述电阻与所述源极端口之间存在中间抽头，该中间抽头与所述晶体管的基极相连接。
此外，有利地设置成，所述半导体电路的栅极为了施加接通所述栅极所需要的控制电压UST与控制电压线路、优选与在分压器的抽头相连接。
在根据本发明的电路组件的另一有利的设计方案中，所述储存电容器与所述半导体构件的漏极端口相连接。
优选地，使用MOSFET(例如超网MOSFET(SuperMesh Power MOSFET))或晶体管。更优选的是，用于接通MOSFET的栅极或半导体元件的晶体管是NPN晶体管。
此外，为了进一步保护静态运行设有另一可接通的晶体管，其在接通时桥接用于对充电电容器进行充电的充电电路。除此之外，在线路的另一有利的设计方案中，可接通的晶体管还与半导体构件的栅极(例如MOSFET的栅极)连接，以将半导体构件转换到关断状态。为此确保，在用电器运行期间，在中间电路处不会有电流可经由支路流过以对储存电容器充电，这用于进一步保护储存电容器并且因此保护整个中间电路。
本发明的另一方面涉及一种利用上文所述的电路组件对电压中间电路进行接入电流限制的方法，其中：
a.分别经由持续了所述半导体构件的漏极-源极路段接通的时长的充电电流脉冲(I1,…In)、通过在所述半导体构件的栅极处施加该持续时间的控制电压，在此与各个充电电流脉冲(I1,…In)相应的充电量流至储存电容器(2)，以及
b.在充电电流流经所述电阻时，在该电阻处的电压下降，该电压施加在所述晶体管的基极的(中间)抽头处，并且一旦所述晶体管接通，由此在所述半导体构件的栅极处的电势下降到接地电势，并且所述半导体构件关断，由此充电电流按规定中断。
按照根据本发明的方法重复步骤a)和b)直至储存电容器充好电并且不再有充电电流流过(循环充电)。
备选地，在使用特定的开关调整器、如逆变器(微型开关)的情况下，经由在时间上依次的充电电流脉冲(I1…In)、对于接通线路调整器的漏极-源极路段的持续、通过闭合的功率开关对储存电容器(循环)充电，其中，对于该时长完成充电，为此与各个充电电流脉冲(I1…In)相应的充电量流至储存电容器并且储存电容器的充电电流上升，并且在充电电流上升至超过线路调整器的阈值时，再次打开功率开关，由此充电电路断路。
优选地，这样运行线路，使得至所述储存电容器的充电电流由此中断，即，所述半导体构件的漏极-源极路段关断，由此在所述电阻处以及在所述晶体管的基极处的电压下降并且所述晶体管转换到关断状态。但是，在晶体管的关断状态下，半导体构件的栅极不再处于接地电势，而是处于控制电势，使得漏极-源极路段又接通并且充电电流又短时间通过充电支路流至储存电容器等。
备选地，上文说明的充电利用充电电流脉冲通过充电电路来进行，在使用例如逆变器的情况下。在此，利用逆变器的工作原理，以实现上文说明的根据本发明的想法并且相应储存在充电阶段中的变压器的磁场中的少量能量，并且在第二(储存)阶段，通过次级侧进行放电。该充电/放电循环通过一定的开关频率、例如130kHz来进行。
根据本发明设置成，优选地这样进一步开发本发明，即，在接入由电压中间电路供电的用电器之前，激活另一晶体管，以桥接用于给所述充电电容器充电的所述充电电路。也就是说，在运行中不再有充电电流流经储存电容器并且在电阻处也不出现另外的损耗。
换言之，在接通需驱动的用电器(其由中间电路供电)之前，接通额外的晶体管。由此桥接储存电容器的充电电路。为了安全性，额外地，随着接通晶体管还激活另一晶体管，其将半导体构件的栅极接地。由此，在静态运行中，半导体构件不再传导并且因此受保护免于高电流产生的过载。
通过监控线路，在半导体构件的栅极处、在用于桥接充电电路的晶体管的基极处的电平(电势)和电阻的电压受到监控。如果例如在激活功率阶段之后产生了该情况下在电阻处不允许的电压下降，则产生报错信号，其中断线路并且因此避免充电支路损坏。
接下来说明有利的实施方式。有利的是，之前提及的电路组件的特征在于，半导体构件是MOSFET或晶体管，尤其NPN晶体管和/或此外设有可接通的晶体管，其在接通时桥接用于给充电电容器充电的充电电路。有利的是，此外可接通的晶体管与半导体的栅极连接，以将半导体切换到其关断状态。
附图说明
本发明其他有利的改进方案在从属权利要求中说明或者接下来接合本发明的优选地实施方案的说明根据附图对其进行阐述。
其中：
图1：根据本发明的线路组件的原理电路图；
图2：示范性地示出了具有根据本发明的充电线路的储存电容器的充电过程的图示；
图3：对于充电电路示例性使用的逆变器；
图4：充电电路的一种备选实施方式的图示；
图5：示出了具有充电线路的充电电容器的充电过程的图示；
图6：充电电路的另一种备选实施方式的图示；
图7：充电电路的另一种备选实施方式的图示，以及
图8：中间线路电路的图示。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电路组件1的示例性的实施方式的原理电路图。电路组件1包括充电电路4(充电运行)、功率部分20(在对电容器充电之后的静态运行)、监控部分30(电压监控)和锁定部分40。
电路组件1构造成对电压中间电路进行接入电流限制，电路组件构造成至少具有储存电容器2。为了限制流过储存电容器2的最大充电电流，在供电电压源3与储存电容器2之间设有之前提及的充电电路4。充电电路4具有至少一个带有栅极6的半导体构件5(此处为MOSFET)、电阻7以及晶体管8。
半导体构件5具有漏极端口D、源极端口S和栅极6。如从图1中可知的那样，在半导体构件5的漏极端口D与源极端口S之间的漏极-源极路段与储存电容器2串联布置。
储存电容器2的充电通过多个分别在时间上依次的充电电流脉冲(I1,…In)经由该充电支路来进行，充电电流脉冲在短时间接通半导体构件5的漏极-源极路段时流到储存电容器2。这例如在图2的测量曲线中示例性地示出。下曲线示出了电流脉冲随时间的变化，利用该电流脉冲对应于上曲线相应的曲线变化对电容器充电。
储存电容器2在此与半导体构件5的漏极端口D相连接。此外，在充电支路中，电阻7与充电电容器2和半导体构件5串联。如果此后，充电电流流经充电电流支路，则在电阻7处的电压下降，该电压等受监控部分30的监控。如果因此在储存电容器2完全充电之后，在静态运行中不受监控到的电流流经充电支路，则在电阻7处受监控部分30检测的电压下降，使得可触发报错信号，以切断电路连接。
此外，设有用于关闭和接通半导体构件2的晶体管8(在此为NPN晶体管)。半导体构件5的栅极6经由晶体管8的基极发射极路段接地。如果晶体管8的基极发射极路段关闭或接通，则半导体构件5的栅极6或者接地或者与控制电压UST连接并且之后处于关闭的状态或其接通位置。
晶体管8具有基极10并且电阻7与半导体构件5的源极端口S连接。在电阻7与源极端口S之间存在电压抽头9，该电压抽头与晶体管8的基极10相连接。即根据充电电流(充电电流脉冲)是否流入充电电流支路，接通晶体管8，因为与此相关在电阻7处出现电压下降。
此外，设有分压器12，为了提供对于接通半导体构件5来说所需要的控制电压UST。半导体构件5的栅极6为了接通栅极6经由控制电压线路11、优选与在分压器12处的抽头13相连接。
充电电路4还具有晶体管16，该晶体管在其接通位置将在半导体构件5的栅极6处的电势拉成接地电势并且之后关闭充电支路。如果晶体管8和晶体管16位于其关闭位置，则在栅极6处存在控制电压UST。
此外，功率部分20具有晶体管15，其用于静态运行中的电路。晶体管15(或者备选的MOSFET)通常桥接充电电路4。
监控部分30用于电压监控。在此，监控在半导体构件5的栅极6处、在用于桥接充电电路的晶体管18的基极10处的电平(电势)和电阻7的电压。通过接口31可发出来自监控部分30的报错信号。
参考图3至图8阐述本发明的另外的实施例。图3示出了用于充电电路的示例性的开关调整器50。功率开关以固定的频率接通，其中，接通时间受电流增加限制。
在开关功能块的这种构造中，可实现紧凑的结构，为此带有传动器的功率开关、电流限制部和节拍信号的产生部安放在壳体中。此外，功能块通过内部的电压调节本身产生其需要的电压，使得不需要额外的控制电压。
在图4中示出充电电路4的备选实施方案的图示。示出的开关调整器50(微型开关)给自身提供“漏极”-PIN D。一旦开关调整器50建立其运行电压，则开始充电过程。在此，进行以下过程。在充电循环开始时，关断功率开关并且充电电容器2的充电电流上升。
电流上升的斜度通过与开关调整器50串联布置的电阻7来设定。如果达到开关调整器50的电流阈值，则中断功率开关。在识别电流阈值与中断功率开关之间存在一定的时间差，在该时间差中电流继续上升。此外，为了在关断功率开关时的电网放电而设有如下构件，即电阻R60、R61、R62、R63、二极管D60、电容器C60。
图5示出了相应的图示，其显示了接有图4中的充电电路4的充电电容器7的充电过程。如充电电压的测量曲线(上测量曲线)和充电电流的测量曲线(下测量曲线)可知，电流上升直至到达开关调整器的电流限制值。在到达施加电流的75％时，开始功率开关的关断过程。该接通循环按照开关调整器50(微型开关)的节拍频率重复并且在本实施例中为固定的130kHz。
开关调整器50的内部断路必须通过在图6中示出的线路60来实现。晶体管61将开关调整器50的使能PIN EN调到“零”，一旦起始电压超过系统特定的理论值。因此，之前说明的节拍中断。如果起始电压又低于阈值，则晶体管61关断并且继续节拍。
如从图6可知，开关调整器50的旁通Pin BP与电容器C101相连接。电容器用作调节最大流过的充电电流。为了识别过低的电压(低压识别)，在与充电支路并联布置的线路中还设有四个串联的电阻R100、R101、R102和R103。
此外还可知，使能PIN EN与晶体管61通过电阻R104相连接。在图6中示出的线路60(参见虚线框线的范围)用于给晶体管61供电，使得可操作开环控制。晶体管61具有可调节的节拍频率，由此产生用于接通和关闭时间的持续时长。节拍信号由不稳定的起动线路产生。
在中间电路电容较高的情形，可通过根据图7中示出的实施例的线路的变型方案合适地减少充电时间。为此，为了限制电流上升，扼流阀19与充电电容器2串联。由于通过扼流阀19的电流上升特性，用于电流上升的持续时间增加。相反这意味着，功率开关保持更长时间闭合，在达到电流阈值断路之前，由此迅速对充电电容器2充电，由此实现了优化的充电特性。
图8示出了用于对充电电容器2进行充电的电路组件1(此处为中间线路电路)的图示，该电路组件包括三个分电路(TS1、TS2和TS3)。分电路TS1对应于上文说明的充电电路4的实施方式。可知的是，微型开关的使能PIN(EN)经由电阻与晶体管8相连接。Pin1、2和4至8在此如下放置：Pin1＝使能Pin(在图示的右上方)、Pin2＝旁通Pin(多功能Pin)，Pin4(图示中左上方)＝漏极D，并且下方Pin3至8为源极Pin S。分电路TS2为功率部分20，其用于桥接并且控制充电电路的功率开关。分电路TS3用于开启，一旦充电电容器2充好电。
本发明在实施方式方面不限制于上文给出的优选实施例。而可考虑多种变型，其来自于所示出的解决方案但是可使用不同的实施方案。

Claims (15)

1.一种用于对电压中间电路进行接入电流限制的电路组件(1)，所述电路组件构造成至少具有储存电容器(2)，其中为了限制流过所述储存电容器(2)的最大充电电流，在供电电压源(3)与所述储存电容器(2)之间设有充电电路(4)，充电电路(4)具有至少一个带有栅极(6)的半导体构件(5)、电阻(7)以及第一晶体管(8)，其中，在所述半导体构件(5)的漏极端口(D)与源极端口(S)之间的漏极-源极路段与所述储存电容器(2)串联布置，并且其中，所述储存电容器(2)的充电通过多个分别在时间上依次的充电电流脉冲(I1,…In)进行，充电电流脉冲在短时间接通所述半导体构件(5)的漏极-源极路段时流到所述储存电容器(2)，并且其中，在所述充电电路中的电阻(7)布置成与所述半导体构件的漏极-源极路段串联并且与半导体构件(5)的源极端口(S)相连接，使得在所述电阻(7)处产生电压下降，利用电压下降能够控制所述第一晶体管(8)的基极，以接通所述第一晶体管(8)，使得所述半导体构件(5)的栅极(6)与所述电路组件(1)的接地电势连接并且由此所述半导体构件(5)过渡到其关断状态，
其中，在接入由电压中间电路供电的用电器之前，激活至少一个第二晶体管(15、16)，以将所述半导体构件(5)接通到其关断状态。
2.根据权利要求1所述的电路组件(1)，其特征在于，所述半导体构件(5)的栅极(6)经由所述第一晶体管(8)的基极-发射极路段接地并且根据所述第一晶体管(8)的基极-发射极路段是否关断或接通，所述半导体构件(5)的栅极(6)或者接地或者与控制电压UST连接。
3.根据权利要求1或2所述的电路组件(1)，其特征在于，所述第一晶体管(8)具有基极(10)并且在所述电阻(7)与所述源极端口(S)之间存在中间抽头(9)，该中间抽头与所述第一晶体管(8)的基极(10)相连接。
4.根据权利要求1或2所述的电路组件(1)，其特征在于，所述半导体构件(5)的栅极(6)为了施加接通所述栅极(6)所需要的控制电压UST与控制电压线路(11)相连接。
5.根据权利要求1或2中所述的电路组件(1)，其特征在于，所述储存电容器(2)与所述半导体构件(5)的漏极端口(D)相连接。
6.根据权利要求1所述的电路组件(1)，其特征在于，至少一个所述半导体构件(5)通过线路调整器(50)来提供。
7.根据权利要求6所述的电路组件(1)，其特征在于，所述线路调整器(50)构造成逆变器。
8.根据权利要求7所述的电路组件(1)，其特征在于，所述第一晶体管(8)与所述逆变器的使能PIN(EN)相连接，其中，在所述逆变器的漏极端口(D)和源极端口(S)之间的漏极-源极路段布置成与所述储存电容器(2)串联，并且其中经由多个在时间上依次的充电电流脉冲(I1,…In)来给所述储存电容器(2)充电，充电电流脉冲分别在短时间接通所述半导体构件(5)的漏极-源极路段时流至所述储存电容器(2)。
9.一种利用根据权利要求1至8中任一项所述的电路组件(1)对电压中间电路进行接入电流限制的方法，其中：
a.分别经由持续了所述半导体构件(5)的漏极-源极路段接通的时长的充电电流脉冲(I1,…In)、通过在所述半导体构件(5)的栅极(6)处施加该持续的时长的控制电压对所述储存电容器(2)充电，为此，与各个充电电流脉冲(I1,…In)相应的充电量流至所述储存电容器(2)，以及
b.在充电电流流经所述电阻(7)时，电压下降，该电压施加在所述第一晶体管(8)的基极(10)的中间抽头(9)处，并且一旦所述第一晶体管(8)接通，由此在所述半导体构件(5)的栅极(6)处的电势下降到接地电势，并且所述半导体构件(5)关断，由此充电电流中断。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，至所述储存电容器(2)的充电电流由此中断，即，所述半导体构件(5)的漏极-源极路段关断，由此在所述电阻(7)处以及在所述第一晶体管(8)的基极(10)处的电压下降并且所述第一晶体管(8)转换到关断状态。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在接入由电压中间电路供电的用电器之前，激活第二晶体管(15)，以桥接用于给所述储存电容器(2)充电的所述充电电路(4)。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，重复步骤a)和b)，直至所述储存电容器(2)充好电。
13.一种利用根据权利要求6至8中任一项所述的电路组件(1)对电压中间电路进行接入电流限制的方法，其中：
a.分别经由持续了所述线路调整器(50)的漏极-源极路段接通的时长的充电电流脉冲(I1,…In)、通过闭合的功率开关对所述储存电容器(2)循环充电，其中，充电持续该时长，为此，与各个充电电流脉冲(I1,…In)相应的充电量流至所述储存电容器(2)，并且所述储存电容器(2)的充电电流上升，以及
b.在所述充电电流上升超过所述线路调整器(50)的电流阈值时，再次打开功率开关，由此切断充电电流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，重复步骤a)和b)，直至所述储存电容器(2)充好电。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过控制线路调整器(50)的使能PIN(EN)产生循环充电。
CN201680014340.7A 2015-02-02 2016-01-11 接入电流限制 Active CN107735931B (zh)

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