CN111566885A - 用于组合地保护负载以防暂时和瞬态过电压的电路布置结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于组合地保护负载以防暂时和瞬态过电压的电路布置结构，具有在存在暂时过电压的情况下负载的紧急运行和集成的续流限制，其中，在电源侧的输入端子之间设有第一过电压放电器、尤其是火花放电装置或压敏电阻，以及在负载侧的输出端子之间设有第二过电压放电器、尤其是压敏电阻，以用于续流限制。按照本发明在输入和输出端子之间的纵向支路中以及在输出侧的横向支路中分别设有至少一个受控的半导体开关，其中，在纵向支路中的半导体开关并联连接有机械开关以及纵向电容。此外，在横向支路中的半导体开关是串联电路的组成部分，所述串联电路包括由第二过电压放电器和横向电容组成的并联电路。在纵向支路中在输入端子与由纵向电容、受控的半导体开关和机械开关组成的并联电路之间设有串联电感。此外存在用于操控所述半导体开关的微控制器，所述微控制器与在纵向支路中的电流检测器相连接。

Description

用于组合地保护负载以防暂时和瞬态过电压的电路布置结构
技术领域
本发明基于一种用于组合地保护负载以防暂时和瞬态过电压的电路布置结构，具有在存在暂时过电压的情况下使负载紧急运行以及集成的续流限制，其中，按照权利要求1在电源侧的输入端子之间设有第一过电压放电器、尤其是火花放电装置或压敏电阻，以及在负载侧的输出端子之间设有第二过电压放电器、尤其是压敏电阻，以用于续流限制。
背景技术
已知，过电压保护器明显有助于电气设备和电子装置的功能维护。
使用过电压保护器来保护电气设备已经属于标准。
因为大气源头的过电压(即雷电过电压)原则上相对于电气设备的地电位出现，所以在激活的导体与局部的地电位之间必须设有低压用电器设备的过电压保护器。根据低压用电器设备的相应的网络系统来设计所需要的保护路径的数量和放电器的接头。因此，符合标准的放电器具有限制快速的且短时出现的过电压的任务。由于所述过电压的形成也被称为雷电和开关过电压，所述过电压属于术语“瞬态过电压”。而具有电源频率的在时间上受限的电压升高被称为暂时过电压或TOV。这种暂时过电压由于其相对长的持续时间仅能被过电压保护器有条件地限制并且尤其是对于放电器构成非常高的要求。TOV的原因可能是在低压供电设备之内和之外的最不同的故障状态。
发明内容
因此，出于上面提到的内容，本发明的任务在于，给出一种用于组合地保护负载以防暂时和瞬态过电压的电路布置结构，所述电路布置结构此外在存在暂时过电压的情况下也能够实现负载的紧急运行。
本发明的任务的解决方案通过一种根据按照权利要求1的特征组合所述的电路布置结构实现，其中，各从属权利要求至少构成有针对性的实施方案和进一步扩展方案。
因此，基于用于组合地保护负载以防暂时和瞬态过电压的电路布置结构连同负载的紧急运行，所述电路布置结构动用基于半导体的受控的纵向和横向元件。通过在纵向和横向支路中的所使用的电容存在确保以恒定的功率的紧急运行的可能性，所述紧急运行在暂时过电压的情况下例如允许与安全相关的控制器的电源件的运行。代替使用电容作为纵向和横向元件原则上存在使用欧姆或电感的电压分配器的可能性。基于受控的纵向和横向阻抗的按照本发明的原理由此保持不受影响。
按照本发明在本发明的第一实施方式中，在所述输入和输出端子之间的纵向支路中使用受控的半导体开关。另一个受控的半导体开关处于输出侧的横向支路中。
在一种优选的实施方式中，在纵向支路中的半导体开关具有并联连接的机械开关(例如构造为继电器)以及并联连接的纵向电容。
在横向支路中的半导体开关是串联电路的组成部分。该串联电路包括由第二过电压放电器(尤其是压敏电阻)和横向电容组成的并联电路。
为了补偿机械开关的惯性并且确保对在纵向支路中的半导体开关的保护，在纵向支路中在输入端子与由纵向电容、受控的半导体开关和机械开关组成的并联电路之间设有串联电感。
微控制器承担对半导体开关的操控，其中，所述微控制器与在纵向支路中的电流检测器相连接。
在本发明的进一步扩展方案中，所述微控制器为了识别过电压与输入端子相连接，从而能够确定相应的输入电压值并且能够用于处理和用于获得逻辑信号。
此外进一步扩展地，设有用于过零识别的装置，基于所述装置能相位正确地接通相应的半导体开关。
优选地，对在纵向支路中的半导体开关的操控电流上分离地、尤其是通过脉冲变压器来进行。
在识别出暂时过电压的情况下，借助脉冲变压器主动实现对在横向支路中的半导体开关的操控。在瞬态过电压的情况下，通过TVS二极管来进行对在横向支路中的半导体开关的操控，其中，从大于TVS二极管电压的电压起给出被动的操控。
在本发明的另一种实施方式中，所述微控制器为了识别输出电压与输出端子相连接，以便符合相应的负载情况提供逻辑信号。
基于由电流检测器确定的值，为了避免在纵向支路中的半导体开关的过载，对已经提到的机械开关进行接通。
纵向和横向电容形成电容性的分压器，以便即使在暂时过电压的情况下，也能够使连接在输出端子上的小的负载继续运行。
如果省去机械开关，则得出如下优点，即，所述机械开关的缓慢的反应时间对电路布置结构没有负面影响。在这种情况下可以取消所提到的用于解耦的纵向电感。在负载上的最大的电压值可以通过在纵向支路中的半导体开关的切换电平来调节。
为了在由于所述负载引起的电流较大的情况下限制在纵向支路中的半导体开关的损耗功率，必须进行多个纵向半导体的并联。
附图说明
以下应该借助实施例以及图更详细地阐述本发明。
具体实施方式
所述图示出按照本发明的用于组合地保护负载以防暂时和瞬态过电压的布置结构的原理电路图，其具有在存在暂时过电压的情况下使负载紧急运行连同集成的续流限制的可能性。
如在图中示出的，在输入端子E之间存在已知的第一过电压放电器、尤其是构成为火花放电装置或压敏电阻。该近似位于上游的第一过电压放电器吸收出现的浪涌电流的大部分并且按照能最大预期的TOV电压设计。而较小的幅值的浪涌电流被在横向支路中的半导体开关HLQuer吸收，并且更确切地说吸收直至在纵向支路中的半导体开关
Figure BDA0002562234340000041
关断。
在所述输入端子与输出端子之间在纵向支路中存在纵向电感L以及并联电路，所述并联电路包括纵向电容
Figure BDA0002562234340000042
机械开关S以及已经提到的以例如两个并联连接的半导体形式的半导体开关
Figure BDA0002562234340000043
由于小的损耗功率，在这里特别有利的是机械开关、MOSFET和IGBT的组合。
能在图中看出的、在输出端子上的横向支路包括具有半导体开关HLQuer的串联电路以及作为串联电路的组成部分具有第二过电压放电器以及横向电容CQuer的并联电路，所述第二过电压放电器构成为压敏电阻2用以续流限制。
微控制器μC用于操控在纵向支路中的半导体开关
Figure BDA0002562234340000044
以及在横向支路中的半导体开关HLQuer。
此外存在电流检测器SD，所述电流检测器通向所述微控制器的相应的输入端。
此外，所述微控制器具有用于输入电压检测以及输出电压检测的输入端。
借助所述电流检测器SD可以在识别出负载电流超过确定的理论值的情况下以持续运行的方式接通机械开关S，以便减轻半导体开关
Figure BDA0002562234340000045
的负荷。
为了能够实现相位正确的接通，按照本发明规定过零识别。所述过零识别阻止过高的涌入电流，否则所述涌入电流可能损害所使用的半导体开关或减少所述半导体开关的使用寿命。
在输入端上的电压检测能够实现：首先识别暂时电压、但也识别瞬态电压，并且在动用微控制器和其内部的程序的情况下可以作出反应。对纵向半导体
Figure BDA0002562234340000046
的操控优选通过脉冲变压器设备进行，其中，能够减少切换时间和能量转换。
对在横向支路中的半导体开关HLQuer的操控在暂时过电压的情况下通过脉冲变压器主动地进行。而在瞬态过电压的情况下通过使用TVS二极管被动地进行。当通过脉冲变压器的操控被停用并且电压大于TVS二极管电压时，在横向支路中的被动的操控总是激活的。这是在瞬态过电压事件以及在暂时过电压开始时(例如在将暂时过电压接通到电路布置结构时，直到通过微控制器识别出所述暂时过电压)的情况。
原则上借助微控制器来进行对瞬态过电压事件的检测，然而所述微控制器具有几乎不易受到影响的反应时间。在这种情况下，可能非常大的电流沿纵向方向流过半导体开关。
通过借助(用于输入电压检测的)二极管链的被动的TOV电压识别，可以近似在绕过微控制器的情况下对在纵向支路中的半导体开关
Figure BDA0002562234340000051
进行直接的操控。通过更快地识别和关断在纵向支路中的半导体开关
Figure BDA0002562234340000052
能够承载显著更高的浪涌电流负荷。
因为基于继电器的机械开关同样具有例如在2至8ms之间的有限的反应时间，所以必须提出一种解决方案，以便快速地对瞬态过电压事件作出反应。特别是使用例如L＝20μH的串联电感L。该解耦电感限制继电器电流，从而避免损害并且减轻横向半导体的负荷。
通过使用按照实施例的电容器，可以确保以恒定的功率的紧急运行。在例如
Figure BDA0002562234340000053
时，即使由于TOV而进行关断(即断开电网)，在输出端也可以运行150W用电器。
在由于零线损耗造成的暂时过电压的情况下，应考虑在各相中的负载情况。
按照实施例的电路布置结构特别是也可以三相或多相地实施。为了进行高效的瞬态过电压保护，力求纵向开关
Figure BDA0002562234340000054
的切换时间小于500ns。
以下应该简短地概括所介绍的布置结构的运行方式。
在例如负载<6A且电压UTOV>340V的持续运行中，通常只有在纵向支路中的半导体开关是激活的，以便能够快速地对可能的零线断路作出反应。
在负载>6A且UTOV>340V的情况下，半导体开关
Figure BDA0002562234340000061
和机械开关S同时激活，以便减少在持续运行中的损耗功率。机械开关S的切换动态可以在大约340V时被视为足够用于负载保护。仅电压过零时才进行接通。机械开关S的切换可以通过并联的半导体开关
Figure BDA0002562234340000062
无电流地实现，这提高开关的使用寿命。
当出现瞬态过电压时，位于上游的过电压放电器1吸收浪涌电流的大部分。较小幅值的浪涌电流被在横向路径中的半导体开关HLQuer吸收，直至进行在纵向支路中的关断。在这里应区分以下两种情况。
在第一情况中，仅在纵向路径中的半导体开关是激活的。纵向元件可以快速闭合，亦即过电压放电器1吸收全部的浪涌电流。
在第二情况中，在纵向支路中的半导体开关和机械开关是激活的。机械开关太缓慢以致不能对瞬态事件作出反应。在这种情况下，所提到的电感解耦是必需的，所述解耦将在半导体中的浪涌电流减少到可承载的程度。
在TOV运行中，可能出现零线断路。在这里UTOV<270V且负载>12A。在纵向支路中的半导体开关和机械开关保持激活，亦即负载可正常地继续运行。
在UTOV>270V且ILast<12A时，在横向路径中的纵向开关在出现故障时被停用。可以通过电容性的分压器
Figure BDA0002562234340000063
和CQuer使直至例如150W的负载继续运行，从而出现所期望的紧急运行特性来提高运行安全。
所提到的例如>12A的电流阈值构成如下调节仪器，利用所述调节仪器能控制横向和纵向开关。但备选地也可以在没有负载电流的情况下只对基本上270V的电压幅值进行调节。
在相邻的相位中存在短路L-N的情况下，在ILast<6A时仅所述半导体开关是激活的，并且借此可以快速对故障情况作出反应。
在负载>6A时，在纵向支路中的半导体开关和机械开关是激活的。通过机械开关来预先给定反应时间。电压升高至参考电压的1.33倍例如持续大约2ms。该短时的电压升高对于负载代表高度直至1.33×参考电压的瞬态负荷并且可以被视为是没有问题的。机械开关被无电流地关断，因为在纵向支路中的半导体开关吸收全部的电流。
在电路布置结构本身的相位中短路L-N的情况下，半导体开关和机械开关共同激活，直至故障通过位于上游的保险装置消除。
在纵向支路中的半导体开关和机械开关组合的情况下，在负载上的最大的电压值为在暂时事件中的1.33×URef。在瞬态事件中，将在负载上的保护电平调节到大约650V。

Claims (8)

1.用于组合地保护负载以防暂时和瞬态过电压的电路布置结构，具有在暂时过电压的情况下负载的紧急运行和集成的续流限制，其中，在电源侧的输入端子(E)之间设有第一过电压放电器(1)、尤其是火花放电装置或压敏电阻，以及在负载侧的输出端子(A)之间设有第二过电压放电器(2)、尤其是压敏电阻，以用于续流限制，
其特征在于，
在所述输入和输出端子(E；A)之间的纵向支路中以及在输出侧的横向支路中分别设有至少一个受控的半导体开关，其中，在纵向支路中的半导体开关
Figure FDA0002562234330000011
并联连接有机械开关(S)以及纵向电容
Figure FDA0002562234330000012
此外，在横向支路中的半导体开关(HLQuer)是串联电路的组成部分，所述串联电路包括由第二过电压放电器(2)和横向电容(CQuer)组成的并联电路，所述电路布置结构具有在纵向支路中在输入端子(E)与由纵向电容
Figure FDA0002562234330000013
受控的半导体开关
Figure FDA0002562234330000014
和机械开关(S)组成的并联电路之间的串联电感(L)，以及具有用于操控所述半导体开关的微控制器(μC)，所述微控制器(μC)与在纵向支路中的电流检测器(SD)相连接。
2.按照权利要求1所述的电路布置结构，其特征在于，
所述微控制器(μC)为了识别过电压与输入端子(E)相连接，以便接收相应的输入电压值。
3.按照权利要求1或2所述的电路布置结构，其特征在于，
设有用于过零识别的装置，基于所述装置能相位正确地接通所述半导体开关。
4.按照上述权利要求之一所述的电路布置结构，其特征在于，
通过脉冲变压器来操控在纵向支路中的所述半导体开关
Figure FDA0002562234330000015
5.按照上述权利要求之一所述的电路布置结构，其特征在于，
在识别出暂时过电压(TOV)的情况下，借助脉冲变压器主动地进行对在横向支路中的半导体开关(HLQuer)的操控，而在瞬态过电压的情况下通过TOV二极管被动地进行，其中，从处于TVS二极管电压之上的电压起给出被动的操控。
6.按照上述权利要求之一所述的电路布置结构，其特征在于，
所述微控制器(μC)为了识别输出电压与输出端子(A)相连接，以便提供符合相应的负载情况地提供逻辑信号。
7.按照上述权利要求之一所述的电路布置结构，其特征在于，
基于由电流检测器(SD)确定的值，为了避免在纵向支路中的半导体开关
Figure FDA0002562234330000021
的过载，接通机械开关(S)。
8.按照上述权利要求之一所述的电路布置结构，其特征在于，纵向和横向电容
Figure FDA0002562234330000022
形成电容性的分压器，以便即使在暂时过电压(TOV)的情况下，也能够使连接在输出端子(A)上的小的负载继续运行。
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