CN107925219B - 用于电子地操控可触发的过压放电器的电路布置结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电子地操控可触发的过压放电器如火花隙、多电极气体放电器或类似器件的电路布置结构，其中，在识别出过压事件的情况下至少一个功率半导体由转换级激活并且所述功率半导体在输出端侧与过压放电器的触发器输入端连接。根据本发明，所述转换级构成为用于识别瞬时的过压事件的控制和分析单元，并且所述转换级首先拥有能电平敏感地或与陡度相关地实现脉冲识别的脉冲识别级，以及所述转换级其次具有用于事件评估的微控制器或类似器件。所述微控制器在输出端侧引导至功率半导体的控制输入端上。在功率半导体的输出端与过压放电器的触发器输入端之间设有快速切换的整流器。

Description

用于电子地操控可触发的过压放电器的电路布置结构

技术领域

本发明涉及一种用于电子地操控可触发的过压放电器(如火花隙、多电极气体放电器或类似器件)的电路布置结构，其中，在识别出过压事件的情况下至少一个功率半导体由转换级激活并且所述功率半导体在输出端侧与过压放电器的触发器输入端连接。

背景技术

为了导出高的脉冲电流、特别是在直接雷击的情况下，以已知的方式使用过压保护部件、典型地基于火花隙技术的过压放电器亦或气体放电器。不利的是，在火花隙中的响应电压通常是高的，因为必须首先通过施加过压才在火花隙的电极之间发生火花放电和电离并且此后发生与电压陡度相关的响应，所述响应在陡度高的情况下导致较高的保护电平。出于这个原因，提出了能实现较低的保护电平(例如用于在230V供电网中的设备的1.5kV)的触发电路。通常的触发电路包括压敏电阻、气体放电放电器、抑制二极管或电容并且产生输送给火花隙的相应的触发电极的并且可靠地点燃该火花隙的触发信号。

通过结构上的措施达到改进火花隙，所述火花隙已经拥有改善的响应特性并且所述火花隙通过在下游连接去离子室在一定程度上可实现不熄灭(ausblasen)。

在此方面应注意到文献DE 10 2011 102 257 A1，所述文献公开了具有以不熄灭的结构型式的去离子室的角火花隙，所述结构型式具有多件式的绝缘材料壳体作为用于角电极的支撑和接纳体。按照其解决方案，在各电极之间朝向去离子室的电弧延伸区域通过板状的绝缘材料限定，其中，所述板状的绝缘材料形锁合地嵌入在半壳内的相应的突出成型部中。附加地，设有铁磁的后端部(Hinterlegung)，以便影响电弧延伸。此外，存在器件，以便影响在角火花隙内的气流并且改善这样的过压放电器的运行特性。

由文献WO 2012/022547 A1已知一种用于借助绝缘的触发电极来点燃火花隙的布置结构，其中，该触发电极与其他的主电极之一通过至少一个电压切换的或电压监视的元件电连接并且气隙处于该触发电极与所述其他的主电极之间。按照其解决方案，所述触发电极与绝缘段和由传导性比主电极之一的材料低的材料制成的层形成夹层结构。所述夹层结构构成在串联电路中的层电介质，所述串联电路由利用绝缘段的电介质的第一子电容和利用所述材料作为电介质的第二子电容组成。利用这样的解决方案，能达到用于230/400V低电压网络的在1.5kV的范围内的保护电平。

对于很多现实的应用情况已经证明，所述目前的保护电平是不足够的，由此不能排除下游连接的电子部件的危险。

发明内容

出于上述原因，因此本发明的任务在于，提供一种进一步开发的用于电子地操控可触发的过压放电器(如火花隙、多电极气体放电器)的电路布置结构，其中，应该实现比目前通常的保护电平小得多的保护电平。此外应该确保，该电路布置结构对于所述链电网电压是不敏感的，并且在不同的电网电压情况下应该能够直接使用该电路布置结构。此外，应该提供一种方案，该方案确保对运行行为并且因此对相应使用的过压放电器的负载进行监视或诊断。

所述电路布置结构应该这样实施，使得同一电路布置结构基本上适合于火花隙的操控，但也适合于多电极气体放电器的操控。

因此，以用于电子地操控可触发的高压放电器的电路布置结构为出发点。所述过压放电器可能是火花隙、尤其是角火花隙，但也可能是多电极气体放电器或类似器件。

所述电路布置结构包括至少一个功率半导体，所述功率半导体在识别出过压事件的情况下由转换级激活。所述功率半导体在输出端侧与所使用的过压放电器的一个或相应的触发器输入端连接。

按照本发明，所述转换级构成为用于识别瞬时的过压事件的控制和分析单元。为此，所述控制和分析单元首先拥有能电平敏感地或陡度相关地实现脉冲识别的脉冲识别级。其次，设有用于事件评估的分析和控制单元、尤其是微控制器，其中，所述微控制器在输出端侧引导至功率半导体的控制输入端上。

在功率半导体的输出端与过压放电器的触发器输入端之间设有快速切换的整流器，以便能够控制不同的极性的过压。

通过使用快速切换的整流器来简化所述电路，因为仅必须使用一个相对成本密集的功率半导体。

在本发明的实施方案中，为了避免延迟激活过压放电器，所述脉冲识别级直接引导至功率半导体的控制输入端上。为了同样的目的，可以设有功率半导体的钳位运行。

在基本上小于50ns的范围内期望地快速地操控功率半导体之后，所述控制和分析单元的微控制器接管并预定进一步的运行，在所述进一步的运行中进行或发生过压放电器的可靠的击穿以及接着触发线路的受时间控制的切断。

在本发明的一种实施方案(其尤其是对于在多电极气体放电器作为高压放电器的情况下使用所述电路布置结构是符合目的的)中，变压器或电压变换器嵌入在功率半导体的输出端与触发器输入端之间。

优选地，IGBT或MosFET用作功率半导体。

在本发明的进一步扩展方案中，尤其是为了追求对电路布置结构进行诊断和状态监视的目的或对连接的过压放电器的负载情形进行分析，所述微控制器具有用于利用触发器触发存储和/或显示过压事件的单元。

所述信号值(所述控制和分析单元在该信号值时响应)要么可在生产商侧预定，要么也可从外部调整、尤其是可通过微控制器编程。

在本发明的一种实施形式中，所述脉冲识别级包括施加在电网上的串联电路，所述串联电路包括抑制二极管，其中，在超过在所述抑制二极管中的第一抑制二极管上的端电压时产生到达微控制器的信号电平，以便于是在显著性评估之后提供或触发一个触发信号。

在脉冲识别级的另一种实施方案变型中，所述脉冲识别级拥有带有抑制二极管的、施加在电网上的高通滤波器，其中，所述高通滤波器借助所属的电阻和电容器这样设计，使得在电压电平的预定的陡度的情况下微控制器的比较器输入端识别与触发器相关的信号电平。

借助在脉冲识别级的高通滤波器支线中的抑制二极管，可预定在电网电压之上的最低电平以用于进一步的检测和评估。

附图说明

以下借助实施例以及在借助附图应该更详细地阐明本发明。

在此示出:

图1示出按照本发明的解决方案的方框图，尤其是设置用于在火花隙具有触发器输入端的情况下使用；

图2示出按照本发明的解决方案的方框图，尤其是构成用于在三电极气体放电器作为过压放电器的情况下使用，以及

图3示出电平敏感的(左图)以及与陡度相关的、具有最低电平的(右图)脉冲识别的原理图。

具体实施方案

在附图中示出的电路布置结构实施为包括快速切换的半导体元件的有源(aktiv)电路，所述半导体元件与相应的过压放电器的触发器输入端连接。相应的半导体元件或功率半导体通过控制和分析单元运行。所述控制和分析单元包括脉冲识别级1以及微控制器2。微控制器2连接至电压供应部3，所述电压供应部施加在低电压网络4上。

微控制器2在输出端侧与半导体开关5的控制器输入端连接。

按照图1，半导体开关5通过用于脉冲整流器6的组件与火花隙8的触发器输入端7连接，所述脉冲整流器作为快速切换的整流器起作用。

火花隙8的主电极9和10同样地连接在网络4上并且与要保护的用电器11连接。

在按照图2的实施形式中，三电极气体放电器12作为过压放电器使用，所述三电极气体放电器同样具有触发器连接端7。附加地，在该实施形式中设有变压器13。

与供电网4连接的电压供应部3为所述布置结构提供必需的运行电压。在此，电压供应部3实施为脉冲稳定的并且确保在瞬时事件期间(亦即在火花隙的响应或放电期间以及在链电压的情况下)不存在功能损害。

在出现瞬时事件时，通过脉冲识别电路1操控微控制器2。脉冲识别电路(如在图3中用符号示出的那样)要么实施为用于电平敏感的脉冲识别的串联电路(左图)，所述串联电路包括抑制二极管D1和D2，要么实施为用于与陡度相关的脉冲识别的高通滤波器(右图)。

按照图2，在半导体开关5的集电极上，电容器C2接入到变压器13的初级电路中，以便限制电网持续电流。电容C2通过放电电路在触发之后快速地放电，从而能够在非常短的时间内反复触发或恢复运行准备状态。

在这点上应该注意，在原则上完全存在如下可能性，即，所述一个或多个功率半导体同整流器电路连同分析和控制单元机械地集成到一个共同的壳体中，从而能够提供节省空间的、要求小的结构空间的布置结构。

在构成按照图3的串联电路时，在利用二极管D1、D2和R1(左图)的情况下，在超过了二极管D1的端电压之后在微控制器2的输入端上产生高电平。

在具有高通滤波器的变型(右图)中，所述微控制器通过元件C1和R1这样确定规格，使得从一定的电压陡度开始微控制器的输入端通过在那里设置的比较器识别出高电平。这自然仅在电平处于电网电压之上时发生，这可通过二极管D1S调整。

已经证明，尽管只有少量计算运算，但是在通常的8比特的微控制器中还是出现延迟时间，所述延迟时间由于信号通过时间以及因此推迟地接通触发电流而导致较差的保护电平。

按照本发明，这点可通过如下方式防止，即，将过压识别的信号直接引导到微控制器2中的驱动器上或直接引导至功率半导体5。由此在小于50ns的范围内的非常快速的操控是可能的。

在边沿非常陡的情况下有利的是，为了进一步减少功率半导体的接通时间，在有源钳位运行中(由组件15象征性地表示)为所述功率半导体供电。

通过这种预先操控，第一触发电流已经非常快速地传导到火花隙中。

在考虑处理时间的情况下，微控制器2于是接管进一步的控制和与此相应的运行。首先，微控制器2接通相关的功率半导体5直至可靠地击穿火花隙8或三电极气体放电器12。此后，受时间控制地切断触发线路，以便可能的电网持续电流不流经触发线路。于是，整个触发电路又是准备好运行的。

按照本发明的解决方案，在期望的TOV强度的情况下能实现在1kV之下的保护电平。脉冲识别本身可以分级地进行，由此不同的额定电压和因此适配的保护电平是可能的。调整不仅可以在生产商侧固定地预定，而且可以通过按控制器的编程意义的预先调整来实现。

设置的脉冲整流器6导致节省功率半导体，这不仅减少电路的空间需求而且降低其成本。

在没有施加工作电压的情况下也确保电路布置结构的基本保护和基本功能，因为火花隙近似在其上方(über Kopf)可以通过半导体开关或功率半导体的有源钳位运行类型来点燃。

不言而喻地，为了达到较高的触发电流值，多个半导体元件也可以并联并且由一个唯一的操控电路供电。通过整流省去作为双极的电路布置结构的构成方案。为了得到快速的切换时间可以使用分立的、快速的IGBT二极管。

按照本发明，通过利用微控制器2对触发电流检测可以用作运行计数器或用于诊断目的。相应的显示可以按照响应识别的意义向外引导。

此外，可以在触发之后借助微控制器来监视、用信号通知和存储过压放电器的放电电流。对此，可以以已知的方式使用分流器、霍尔元件或类似器件。

Claims (9)

1.用于电子地操控可触发的过压放电器的电路布置结构，其中，在识别出过压事件的情况下至少一个功率半导体(5)由转换级激活并且所述功率半导体(5)在输出端侧与过压放电器的触发器输入端(7)连接，

其特征在于，

所述转换级构成为用于识别瞬时的过压事件的控制和分析单元，并且所述转换级首先拥有能电平敏感地或与陡度相关地实现脉冲识别的脉冲识别级(1)，所述转换级此外其次具有用于事件评估的微控制器(2)，其中，所述微控制器(2)在输出端侧引导至功率半导体(5)的控制输入端上并且在功率半导体(5)的输出端与过压放电器的触发器输入端(7)之间设有快速切换的整流器(6)，

为了避免延迟激活过压放电器，脉冲识别级(1)直接引导至功率半导体(5)的控制输入端上和/或设有功率半导体(5)的钳位运行(15)，并且在小于50ns的范围内快速地操控功率半导体(5)之后，所述控制和分析单元的微控制器(2)预定进一步的运行，在所述进一步的运行中可靠地击穿过压放电器并且接着受时间控制地切断触发线路。

2.按照权利要求1所述的电路布置结构，

其特征在于，

在功率半导体(5)的输出端与触发器输入端(7)之间设有变压器(13)。

3.按照权利要求1或2所述的电路布置结构，

其特征在于，

所述功率半导体(5)构成为IGBT、MosFET或快速切换的闸流管。

4.按照权利要求1或2所述的电路布置结构，

其特征在于，

所述微控制器(2)具有用于利用触发器触发来存储和/或显示过压事件的单元。

5.按照权利要求1或2所述的电路布置结构，

其特征在于，

所述控制和分析单元的响应电压是可预定的或可调整的。

6.按照权利要求1或2所述的电路布置结构，

其特征在于，

所述脉冲识别级(1)具有施加在电网上的串联电路，所述串联电路包括抑制二极管(D1、D2)，其中，在超过所述抑制二极管中的第一抑制二极管(D1)上的端电压的情况下产生到达微控制器(2)的信号电平。

7.按照权利要求1或2所述的电路布置结构，

其特征在于，

所述脉冲识别级(1)具有施加在电网上的高通滤波器，所述高通滤波器具有抑制二极管(D1S和D2S)，其中，所述高通滤波器借助电阻(R1S)和电容器(C1)这样设计，使得在电压电平的预定的陡度的情况下微控制器(2)的比较器识别与触发器相关的信号电平。

8.按照权利要求7所述的电路布置结构，

其特征在于，

借助在高通滤波器分支中的抑制二极管(D1S)可预定在电网电压之上的最低电平。

9.按照权利要求1所述的电路布置结构，

其特征在于，所述过压放电器是火花隙(8)或多电极气体放电器(12)。

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