CN113383475A - 用于对电网部分进行预充电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用来自直流电网(100)的第一电网部分(31a)的电能对第二电网部分(31i)进行预充电的方法。在此，在初始状态(t₀)下，存在于第二电网部分(31i)中的初始电压(U2_t0)低于存在于第一电网部分(31a)中的直流电压(U_DC)。在第一时间点(t₁)，两个电网部分(31a，31i)通过具有预充电电阻(6)的电阻电流路径(2)连接。在随后的第二时间点(t₂)，只要第二电网部分(31i)中的电压(U2)位于初始电压(U2_t0)与直流电压(U_DC)之间，两个电网部分(31a，31i)就会通过与电阻电流路径(2)并联布置的半导体开关(1)连接，半导体开关在时钟控制的运行模式下运行或者在线性范围内作为可调节的电阻运行。

Description

用于对电网部分进行预充电的方法

技术领域

本发明涉及一种对直流电网的电网部分进行预充电的方法，以及一种可用于执行该方法的计算机程序产品。同样地，本发明还涉及一种相应的开关装置和一种具有这种开关装置的直流电网。

背景技术

在工业设施或建筑物内借助直流电进行能量分配不仅由于设备之间的简单的能量交换和/或例如与可再生能量源的简单连接是有利的。直流电网(DC网)的简单和高度模块化在如今不断变化的工业中也已经被证明是有利的(DC＝Direct Current，直流电流)。

通常，直流电网具有多个电网部分，它们可以被设计为例如能量源、能量存储器或负载，即被设计为耗电器。在此，电网部分可以通过开关装置以能够电分离的方式彼此连接。为了分离电网部分，开关装置通常具有电子和/或机械开关。通常，直流电网还具有与三相电网的连接，其形成直流电网的外部能量源。在此，三相电流借助整流器进行整流，并且通过馈送单元馈送到直流电网。

工业直流电网中的最大的耗电器通常是交流供应的电驱动器(AC＝AlternatingCurrent，交流电流)。基于布置在强制性连接在交流电驱动器上游的逆变器中的、用于稳定和缓冲直流电压的储能电容器，这些电驱动器主要形成电容性负载。当这些电容性负载连接到直流电网时，在直流电网的作为中央供电电网起作用的第一电网部分与布置在直流电网的第二电网部分中的电容性负载之间有平衡电流流过开关装置，平衡电流能够呈现出非常大的振幅，因此也被称为接通浪涌(switch-on surge)，从而可能导致电子部件的热损坏和对供电电网的难以承受的影响。在电气技术上，这种平衡电流可以通过不同的措施进行掌控，然而，所有这些措施都是基于限制平衡电流的最大值的原则。

在预充电期间，用于限制平衡电流(下文中也将其称为预充电电流)的最简单的可能性是，将两个电网部分之间的平衡电流引导通过预充电电阻。只有当电容性负载接通到供电电网时才需要预充电电阻；预充电电阻用于限制用以从供电电网对电容性负载充电的预充电电流。一旦电容性负载被充电，就可以结束电流限制；为此，例如可以借助桥接触点将预充电电阻桥接。然而，接通预充电电阻的缺点在于，如果负载已经在预充电阶段消耗了功率，例如由于电容器的漏电流、由于流过对称电阻的电流、也由于在达到可能相对较低的电压值后立即启动的辅助电源，则两个电网部分之间总是保持有电压差。

在预充电期间，用于限制平衡电流的第二可能性是，在负载电流路径中使用降压转换器。在此，需要降压转换器扼流圈。取代将降压转换器扼流圈设置为单独的组件，(这由于附加的成本、空间需求和能量损耗是不期望的，)替换地可以使用电线的电感。然而，这要求高的时钟频率，这导致晶体管处的较大的开关损耗，或/和形成很大的电流纹波；在此，电流纹波的最大电流可能会变得比降压转换器的额定电流明显更大。这意味着，降压转换器必须针对电流纹波的最大电流进行设计，由此降压转换器必须具有比它实际需要的载流能力高很多倍的载流能力。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种改进的用于预充电的方法。

上述技术问题通过根据权利要求1的方法来解决。该方法是利用来自直流电网的第一电网部分的电能对第二电网部分进行预充电的方法。在此，在初始状态下，存在于第二电网部分中的初始电压低于存在于第一电网部分中的直流电压。在第一时间点，两个电网部分通过具有预充电电阻的电阻电流路径彼此导电连接。在随后的第二时间点，只要第二电网部分中的电压位于初始电压与直流电压之间，两个电网部分就会通过与电阻电流路径并联布置的半导体开关彼此导电连接。在此，半导体开关在时钟控制的运行模式下运行，或者在线性范围内作为可调节的电阻运行。在线性范围内的运行在保护电路方面需要较少的开销。然而，对于在线性范围内的运行，在功率半导体中实现功率损耗，功率半导体作为可变的电阻进行工作。此外，半导体开关在线性范围内的运行的电路开销比半导体开关在时钟控制的运行模式下的运行的电路开销大。

如果两个电网部分通过与电阻电流路径并联布置的半导体开关电连接，则两个电网部分此外可以通过电阻电流路径保持导电连接。

此外，上述技术问题通过根据权利要求5的开关装置来解决，该开关装置是利用来自直流电网的第一电网部分的电能对第二电网部分进行预充电的开关装置。开关装置包括具有预充电电阻的电阻电流路径。开关装置包括与电阻电流路径并联布置的半导体开关，其被设计为将两个电网部分电连接并且包括至少一个功率半导体。在此，功率半导体可以在时钟控制的运行模式下运行，或者可以在线性范围内的运行模式作为可调节的电阻下运行。此外，开关装置还包括用于控制功率半导体的控制单元。

与电阻电流路径并联布置的半导体开关包括至少一个功率半导体，其可以在时钟控制的运行模式下运行，或者可以在线性范围内的运行模式下作为可调节的电阻运行。在此，可以考虑所有可关断的功率半导体，如IGBT(＝Insulated Gate BipolarTransistors，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(＝Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)、GTO(＝Gate Turn OffThyristors，栅极关断晶闸管)等。

本发明的核心在于，在两个电网部分之间的电压平衡的持续时间内，在不同的电流限制方法之间进行变换，其中依据当前存在的电压差选择最合适的电流限制方法。通过这种方式，在很大程度上避开了相应预充电可能性具有的缺点。

在根据本发明的方法的第一时间段中，通过预充电电阻进行预充电：基于如下事实，即在该第一时间段的开始，驱动平衡电流的电压仍然相对较高，在两个电网部分之间流动的平衡电流也相对较高；因此，首先可以进行有效的预充电。由于平衡电流不断流过预充电电阻，第二电网部分中的电压水平不断趋向于第一电网部分中的电压水平，并且驱动平衡电流的电压随着时间推移而明显减小；因此达到预充电电阻相对于减少的驱动电压来说相对较大的阶段，从而平衡电流明显小于第一时间段的开始。如果想在该配置下等待第二电网部分的完全预充电，则这可能会持续不能接受的时长，或者甚至永远不会发生，因为如已经在开头提到的，如果负载已经在预充电阶段消耗了功率，例如由于电容器的漏电流、由于流过对称电阻的电流、也由于在达到可能相对较低的电压值后立即启动的辅助电源，则两个电网部分之间总是保持有电压差。

在这点上，根据本发明的方法的第二时间段在第一时间段之后开始，在第二时间段中，预充电通过与电阻电流路径并联布置的半导体开关进行，该半导体开关以时钟控制的方式或在线性范围内运行。

在时钟控制的运行模式下的半导体开关作为进行通断的直流电压转换器进行工作，其中输出电压小于输入电压的绝对值。半导体开关由控制器规律地接通和关断；通常每秒执行几百至几百万次开关循环。由此将电能从第一电网部分转移到第二电网部分。由于相对于在第一时间段的开始时存在的电压，在第二时间段开始时，两个连接的电网部分之间的驱动电压大大降低，因此电流增加比它在第一时间段的开始时存在的电压下要低；因此，时钟频率和/或电流纹波保持相对较小。因此，电流纹波的最大电流保持在半导体开关的安全的工作范围内的水平。

在线性范围(也被称为有效范围)内运行的半导体开关，作为可调节的电阻起作用，其限制平衡电流。由于相对于在第一时间段的开始时存在的电压，在第二时间段开始时，两个连接的电网部分之间的驱动电压大大降低，因此平衡电流和相应的热功率损耗比它们在第一时间段开始时存在的电压下要小得多。因此，半导体开关没有热过载；因此可以省略在这方面保证安全性的半导体开关的过大尺寸。

因此，本发明允许在没有附加组件的情况下实现完全的预充电。在通过预充电电阻的预充电阶段，利用了两个连接的电网部分之间的、首先存在的高的电压差。反之，在通过半导体开关的预充电阶段，在通过预充电电阻的预充电阶段中存在的高电压差是不期望的：取而代之，使用在两个连接的电网部分之间现在存在的较低的电压差。在经过根据本发明的方法的上面描述的两个时间段后，在两个连接的电网部分之间不再存在电压差或不再存在明显的电压差。在这种情况下，可以认为预充电已经完成，以便进入正常运行。在正常运行中，两个电网部分优选地通过半导体开关相互连接。

在此，半导体开关在时钟控制的运行模式中或在线性范围内的运行与随后的正常运行之间的过渡是顺畅的，在正常运行中，两个电网部分实际上处于同一电压水平：由此可以通过平衡电流的电流峰值来调节时钟控制的运行模式中的时钟，在某一时刻不再达到电流峰值，从而简单地使半导体开关保持接通；替换地，还可以通过要流过的电流来调节有效范围，从而使设置的电阻值变得越来越小，直到电阻值最后达到最小值，由此使开关保持接通。

本发明实现了设施运行的保护概念，以避免破坏性的平衡电流，其中保护概念可以可变地适应于设施配置。

根据本发明的优选的实施方式，只要第二电网部分中的电压在直流电压的60％至90％之间，就通过半导体开关将两个电网部分连接起来。该电压范围是断开半导体开关的最佳范围，因为在那里实现了，在通过预充电电阻进行进一步预充电的情况下的、增加的延迟与在通过半导体开关较早实施预充电的情况下的、由大电流引起的较大的功率损耗或损坏风险之间的最佳折衷。

根据本发明的优选的实施方式，只要流经电阻电流路径的平衡电流小于预定的阈值，就通过半导体开关将两个电网部分连接起来。在此，选择阈值，使得针对预先给定的电网部分配置，在通过预充电电阻进行进一步预充电的情况下的、增加的延迟与在通过半导体开关较早实施预充电的情况下的、由大电流引起的较大的功率损耗或损坏风险之间实现最佳折衷。

根据本发明的优选的实施方式，电阻电流路径具有与预充电电阻串联的开关，其中，控制单元被设计为用于控制该开关。利用该开关可以断开和接通通过预充电电阻的电阻电流路径。

根据本发明的优选的实施方式，布置在电阻电流路径中的开关包括至少一个功率半导体。该开关可以被设计为可开关的半导体，例如晶体管、IGBT、MOSFET或诸如此类。开关还可以以两个反串联连接的可开关的半导体的形式形成，所述半导体必要时分别具有与可开关的半导体反并联连接的二极管。如果机械开关要接通和关断预充电电阻，则机械开关必须具有直流开关能力；然而，这点对于机械开关来说通常很难实现。可开关的功率半导体具有直流开关能力，此外，功率半导体可以比机械开关明显更快地通断。

上述技术问题还通过根据本发明的计算机程序产品来解决。该计算机程序产品被设计为可在至少一个控制单元中执行。计算机程序产品可以被设计为软件，例如被设计为可以从互联网上下载的应用程序，或者被设计为可以存储在存储器中并由处理器或计算单元执行的固件。替换地或补充地，计算机程序产品也可以至少部分地被设计为固定布线电路，例如被设计为ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特定应用集成电路)。根据本发明的计算机程序产品被设计为，用于执行根据上面提到的权利要求中任一项所描述的方法。因此，该计算机程序产品被设计为用于执行用于对电网部分进行预充电的方法。特别地，该计算机程序产品被设计为用于执行如下步骤：在第一时间点通过具有预充电电阻的电阻电流路径连接两个电网部分。此外，该计算机程序产品被设计为用于执行如下步骤：在随后的第二时间点，只要第二电网部分中的电压处于初始电压与直流电压之间，就通过与电阻电流路径并联布置的半导体开关连接两个电网部分，该半导体开关在时钟控制的运行模式下运行或者在线性范围内的运行模式作为可调节的电阻下运行。根据本发明，计算机程序产品被设计为用于实现和执行所描述的用于对电网部分进行预充电的方法的至少一个实施方式。在此，根据本发明的计算机程序产品可以被设计为用于执行用于对电网部分进行预充电的方法，该方法被设计为可在开关装置的控制单元中执行。在此，计算机程序产品可以将该方法的所有子功能结合在一起，即以单片形式设计。替换地，计算机程序产品也可以被分段地设计以及将子功能分别分配给在单独硬件上实施的片段。因此，计算机程序产品可以被设计为可以部分在第一电网部分的控制单元中执行并且部分在第二电网部分的控制单元中执行。此外，该方法的一部分可以在控制单元中执行，该方法的另一部分可以在控制单元的上级实体中执行，如SPS(speicherprogrammierbare Steuerung，可编程逻辑控制器，PLC)、手持式参数化装置或计算机云。

上述技术问题还通过根据本发明的直流电网来解决，该直流电网具有第一电网部分和第二电网部分，其中，在初始状态下，在第二电网部分中存在的初始电压低于在第一电网部分中存在的直流电压。在此，直流电网具有根据本发明的开关装置，如上所述，其布置在第一电网部分与第二电网部分之间。

按照根据本发明的直流电网的优选的实施方式，两个电网部分分别包括第一线路和第二线路，在这两条线路之间施加了相应电网部分的电压，其中两个电网部分通过第二线路永久地相互连接，并且可以借助开关装置通过第一线路相互连接和相互分离。

附图说明

结合下面对结合附图详细阐述的实施例的描述更清楚且明晰地理解上面描述的本发明的特点、特征和优点以及其实现方式。在此，以示意图示出：

图1示出了具有多个电网部分的直流电网；

图2示出了中央电网部分和具有耗电器的电网部分以及连接在电网部分之间的开关装置；

图3示出了开关装置的示意图；

图4示出了开关装置的第一实施例；

图5示出了所要求保护的方法的流程图；

图6示出了开关装置的另外的实施例；

图7示出了在所要求保护的方法的时间流程上的、在开关装置上测得的电流和电压值的线图；

图8示出了用于解释半导体开关的时钟控制的运行模式的线图；以及

图9示出了用于解释半导体开关在线性范围内的运行的线图。

具体实施方式

一般说来，本发明涉及电工技术的实施情况。因此，诸如术语“连接“和“分离”或“隔离”等总是指电气意义上的，而不是机械意义上的。

图1示出具有多个电网部分31的直流电网100。在图1的图示中，电网部分31另外补充了一个小写字母。如果随后涉及到图1中所示的电网部分31中完全特定的一个，则使用通过相应的小写字母补充的附图标记，即例如附图标记31c或附图标记31f。反之，如果仅一般地涉及到电网部分31，则只使用不通过小写字母补充的附图标记31。

通常，直流电网具有中央电网部分，简称为中央部分。在图1的图示中，这是电网部分31a。中央部分31a表示另外的电网部分31的“枢纽”。因此，中央部分31a对于另外的电网部分31是共同的。

从图1中可以看出，电网部分31可以类似于树状结构形成分支。例如，电网部分31d本身被细分为进一步的电网部分31e至31h。多个电网部分31还可以一个接一个地连接。在图1的图示中，这些是电网部分31k和31l。“电网部分”31m表示中央部分31a与交流电网(在此是三相电网)的连接。

电网部分31本身的类型可以根据需要确定，例如作为负载区、机器人单元或耗电器分支。然而，它们通常分别具有电能存储器32。电能存储器32例如可以是电池或电容器。电网部分31大多进一步具有至少一个能量源33和/或至少一个耗电器34。能量源33的例子是光伏设施或(已充电的)电池。耗电器34的例子是电动机、加热装置和(未充电的)电池。然而，还可能存在其他能量源33和其他耗电器34。组合也是可能的。为了清楚起见，在图1中仅针对电网部分31中的一个描绘了电能存储器32、能量源33和耗电器34。然而，相应的单元32、33和34也可以存在于另外的电网部分31。

直流电网针对电网部分31分别具有开关装置35。通过相应的开关装置35(取决于对开关装置35的控制)相应的电网部分31可以与至少一个另外的电网部分31连接或与至少一个另外的电网部分31分离。作为结果，电网部分31b至31l可以直接或间接地通过另外的电网部分31与中央部分1a连接或可以与其分离。例如，电网部分31f的开关装置35的开关过程，即在两个不同的开关状态之间变化引起电网部分31f与电网部分31d的连接或与之分离。因此，根据电网部分31d的开关装置35的开关状态，电网部分31f通过电网部分31d与中央部分31a连接或与之分离，或者只与电网部分31d连接或与之分离而没有进一步与中央部分31a连接。

由于作为直流电压电网的实施方式，电网部分31在第一电气线路L+中具有第一正电位Φ1，并且在第二电气线路L-中具有第二负电位Φ2。为了清楚起见，在图1中仅针对电网部分1a和1f描绘了线路的附图标记L+、L-。电网部分31的处于相同或近似相同电位Φ的两条线路可以通过开关装置5相互连接，即例如电网部分31中的一个的处于正电位Φ1的第一电气线路L+与另外的电网部分31的处于正电位Φ1的第一电气线路L+连接，并且类似的，电网部分31中的一个的处于负电位Φ2的第二电气线路L-与另外的电网部分31的处于负电位Φ2的第二电气线路L-连接。反之，不允许“交叉”连接，即例如中央部分31a的第一线路L+与另外的电网部分31中的一个的第二线路L-连接。

在最简单的情况下，开关装置35被设计为，使得根据开关状态，开关装置仅将第一电网部分31的处于第一正电位Φ1的第一线路L+与另外的电网部分31的处于第一正电位Φ1的第一线路L+分离或与之连接。反之，电网部分31的处于负电位Φ2的第二线路L-永久地相互连接。因此在这种情况下，必要时只进行相应电网部分31与另外的电网部分31的单极分离。因此只存在一个(1)开关路径。在不限制一般性的情况下，在此总是可以假定，正电位Φ1是通断的电位，而负电位Φ2不进行通断。然而，原则上，相反的方式也是可能的。

然而，还可以借助两个开关，即每条线路上一个开关，进行相应的电网部分31与另外的电网部分31的双极分离。优选地，第一开关将第一电网部分31的处于第一电位Φ1的第一线路L+与另外的电网部分31的处于第一电位Φ1的第一线路L+分离或连接，第二开关将第一电网部分31的处于第二电位Φ2的第二线路L-与另外的电网部分31的处于第二电位Φ2的第二线路L-分离或连接。

只要电网部分31相互连接，正电位Φ1就会彼此相等，并且负电位Φ2也会彼此相等。因此，正电位Φ1与负电位Φ2之间的电位差U，即在线路L+、L-之间施加的电压对于电网部分31也是一样的。如果可能的话，电压U应该等于额定值。可以根据需要选择额定值；其例如可以是24V、380V、760V或其他合适的值。如果电网部分31彼此分离，在单极分离的情况下，负电位Φ2对于电网部分31仍然是相同的。反之，在这种情况下，正电位Φ1可以针对电网部分31或可能的一组电网部分31具有单独的值。在双极分离的情况下，这也附加地适用于负电位Φ2。然而，在这两种情况下，即在单极分离和双极分离的情况下，电压U单独地针对相应的电网部分31或相应的一组电网部分31可以分别具有自己的值。

如果第一电网部分31的电压U1与另外的电网部分31的电压U2不同，即如果成立：U1≠U2，则相应的电网部分31不能容易地电连接，因为由处于不同的电位Φ的线路L之间的电压差ΔU触发的电流可能呈现高的强度，使得电气部件、特别是功率半导体可能被损坏。虽然这种电流只有在连接电容性负载时才会流动；然而，这是工业电网中的标准，因为转换器中间电路在那里彼此耦合。为了在连接之前补偿要连接的线路L之间的这种电压差ΔU＝U1-U2，开关装置5分别具有预充电装置100。

图2以放大的图示示出了图1中所示的、中央电网部分31a与电网部分31i之间的连接，其中借助连接在两个电网部分31a、31i之间的开关装置35，连接了耗电器34，简称为耗电器电网部分31i。在此，开关装置35将中央电网部分31a的处于正电位的线路L+与耗电器电网部分31i的相应的线路L+连接，并且将中央电网部分31a的处于负电位的线路L-与耗电器电网部分31i的相应的线路L-连接。

图3以进一步放大的图示示出了图2中所示的开关装置35，通过该开关装置可以将具有耗电器34的耗电器电网部分31i与中央电网部分31a电气连接或与之分离。为此，开关装置35允许电网部分31i与中央电网部分31a单极分离，其中开关装置35执行电网部分31a、31i的处于正电位的线路L+的分离，并且使电网部分31a、31i的处于负电位的线路L-始终连接。

开关装置35具有半导体开关1，利用半导体开关，正极线路L+可以进行分离和连接。为此，半导体开关1具有至少一个功率半导体，该功率半导体可以在时钟控制的运行模式下运行或者在线性范围内的运行模式下作为可调节的电阻运行。在与半导体开关1的并联电路中，开关装置35具有电阻电流路径2，在该电阻电流路径中，平衡电流被引导通过预充电电阻。

半导体开关1和电阻电流路径2可以由控制单元16进行控制，该控制单元与数据存储器17连接。在数据存储器中存储了计算机程序产品，计算机程序产品在由控制单元16执行时执行根据本发明的方法的步骤。

图4示出了开关装置的第一实施例。电阻电流路径2包括两个反串联连接的IGBT 7和9，为简单起见下面将其称为晶体管，其分别具有与晶体管7和9反并联连接的二极管8、10，以及与晶体管串联连接的预充电电阻6。晶体管7、9由第一控制单元12进行控制，即切换为导通或截止：这是通过改变相应晶体管7、9处的栅极-发射电压实现的。在第一电流方向上，电流路径由此延伸通过切换为导通的第一晶体管9、与切换为截止的第二晶体管7反并联连接的二极管8和预充电电阻6。在与第一电流方向相反定向的第二电流方向上，电流路径由此延伸通过预充电电阻6、切换为导通的第二晶体管7和与切换为截止的第一晶体管9反并联连接的二极管10。

通过半导体开关1的电流路径延伸通过两个串联连接的、可通断的功率半导体3，它们被设计为反串联连接的、常闭型n沟道MOSFET。MOSFET3由第二控制单元13进行控制，即切换为导通或截止：对MOSFET 3的控制通过控制电压(栅极-源极电压)或控制电位(栅极电位)进行，利用控制电压或控制电位可以影响从漏极到源极的电流流动。MOSFET具有内在的反向二极管，因此可以省去与MOSFET 3反并联连接的二极管(如对于IGBT在电阻电流路径2中所需的二极管)。缓冲元件4，5与两个MOSFET 3并联连接，缓冲元件4，5由电容器4与电阻5的串联电路形成，电阻5在此为：可变的电阻，其也被称为变阻器。在此，与电压和电流相匹配地来设计电容器4和电阻5的尺寸。缓冲元件4、5限制了断开MOSFET 3时的过电压。

此外，图4还示出了电压检测装置11，用于测量在开关装置35上下降的电压；电流检测装置14，用于测量流经开关装置35的电流；以及信号处理装置15，信号处理装置接收并评估电压和电流检测装置11、14的测量信号，并且将信号输出到两个控制单元12、13。在此，信号处理装置15可以从外部、例如从开关装置的操作者接收用于接通和断开的信号19，并且可以向外部、例如向开关装置的操作者发送状态信号20。通过电流检测装置14既可以测量流经电阻电流路径2的电流也可以测量流经半导体开关1的电流。

图5示出了根据本发明的、用于限制两个电网部分31a、31i之间的平衡电流的方法的流程图，其中在初始状态51中，在第二电网部分中存在的初始电压U2_t0低于在第一电网部分中存在的直流电压U_DC。在第一步骤52中，两个电网部分31a、31i通过具有预充电电阻的电阻电流路径2电连接。流经该电连接的平衡电流(其大小受到预充电电阻的限制)在一个方向上流动，使得两个电网部分31a、31i之间的电位差变得更加平衡，换言之：平衡电流不断减少两个电网部分31a、31i之间的电压差。有规律地，在询问步骤53中询问，第二电网部分31i中的电压U2是否位于初始电压U2_t0与直流电压U_DC之间，以及第二电网部分31i中的电压值U2是否超过直流电压U_DC的特定百分比：只要第二电网部分31i中的电压值U2没有超过直流电压U_DC的特定百分比(箭头“否”)，半导体开关1保持接通。只有当第二电网部分31i中的电压值U2超过直流电压U_DC的特定百分比(箭头“是”)时，半导体开关1才断开，其中半导体开关1中的功率半导体3在半导体开关1的时钟控制的运行模式下运行和/或在线性范围内的运行模式下作为可调节的电阻运行。

图6示出了用于根据本发明的开关装置35的电压检测装置11的另外的实施例。在这个例子中，电压检测装置11在开关装置35之前和之后的测量点处采集第一电气线路L+中的电压差以及第二电气线路L-的电位Φ2。

图7示出了功率半导体随着时间t的状态变化的电流或电压走向的图示。在线图中示出了四个测量曲线21-24。测量曲线21表征主支路中的功率半导体3的栅极信号。测量曲线22示出了平衡电流I_A。测量曲线23示出了根据本发明的开关装置上的电压。测量曲线24中示出了直流电网电压U_DC。此外，图7中的图示被划分为区域A、B、C和D。在区域A中，以t₀开始并且以t₁结束，功率半导体3断开。在此，整个电压在功率半导体上下降。在区域B中，在t₁与t₂之间，示出了通过预充电电阻的预充电直到达到阈值。区域C，在t2和t3之间，示出了主路径中的功率半导体的时钟，直到电压差为零或者直到平衡电流小于预先给定的参考值。通过测量曲线的虚线要说明的是，区域C中的测量曲线示出由时钟控制的运行模式引起的非常大的波动；虚线表示一种平均值。最后，在区域D中，从t₃开始，示出了接通的功率半导体，其中现在在输入端与输出端之间不再存在任何电压差。

图8示出了用于解释半导体开关的时钟控制的运行模式的线图。半导体、例如晶体管，作为开关进行工作，其例如借助脉冲宽度调制的控制电压或借助两点调节器以高的频率进行接通和断开。

在图8的上部，电压U在时间t上的图示中示出了，施加了电压V的半导体开关在周期持续时间T的0到t₁的时间子范围期间是打开的(接通时间)，在剩余的子范围t₁到T内是关闭的。接通时间与周期持续时间之间的商(t₁/T)被称为占空比或占空比例(duty cycle)。

在图8的下部，平衡电流I_A在时间t上的图示中示出了，通过所述以占空比变化的半导体开关的打开和关闭形成了由驱动的电压V引起的平衡电流I_A的三角形走向，其中，平衡电流I_A以振幅ΔI_A在最小值I_A，min和最大值I_A，max之间振荡。作为三角形波动的电流的时间平均值得出平均的平衡电流I_A，mean，其在图8的下部用虚线绘出。

图9示出了用于解释功率半导体在线性范围内的运行的线图，功率半导体在此是：具有漏极、源极和栅极的场效应晶体管(FET)。在线图中，关于漏极-源极电压V_DS绘制了漏极电流I_D，其中在线图中针对不同大小的栅极-源极电压V_GS记录了不同的漏极电流曲线；在栅极-源极电压V_GS等于阈值电压V_T的情况下，V_GS＝V_T，漏极电流曲线沿着X轴延伸。在此，在线图中，位于左边的半导体的线性(欧姆的)运行范围lin通过虚线形式的抛物线V_DSsat与位于右边的半导体的饱和(激活的)运行范围sat分开。这种依据栅极-源极电压V_GS的、漏极电流I_D与漏极-源极电压V_DS之间的关系的图示被称为MOSFET的输出特性曲线图。

Claims (9)

1.一种利用来自直流电网(100)的第一电网部分(31a)的电能对第二电网部分(31i)进行预充电的方法，其中，在初始状态(t₀)下，存在于所述第二电网部分(31i)中的初始电压(U2_t0)低于存在于所述第一电网部分(31a)中的直流电压(U_DC)，

-其中，在第一时间点(t₁)，两个电网部分(31a，31i)通过具有预充电电阻(6)的电阻电流路径(2)连接，并且

-在随后的第二时间点(t₂)，只要所述第二电网部分(31i)中的电压(U2)位于所述初始电压(U2_t0)与所述直流电压(U_DC)之间，所述两个电网部分(31a，31i)就会通过与所述电阻电流路径(2)并联布置的半导体开关(1)连接，所述半导体开关在时钟控制的运行模式下运行，或者在线性范围内作为可调节的电阻运行。

2.根据权利要求1的方法，其中只要所述第二电网部分(31i)中的电压(U2)在所述直流电压(U_DC)的60％至90％之间，就通过所述半导体开关(1)将所述两个电网部分(31a，31i)连接起来。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，只要流经电阻电流路径(2)的平衡电流(I_A)小于预定的阈值(I_S)，就通过所述半导体开关(1)将所述两个电网部分(31a，31i)连接起来。

4.一种计算机程序产品(80)，所述计算机程序产品用于利用来自直流电网(100)的第一电网部分(31a)的电能对第二电网部分(31i)进行预充电，其中所述计算机程序产品(80)能够在直流电网(100)的控制单元(16)中执行，并且被配置为用于执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法。

5.一种用于利用来自直流电网(100)的第一电网部分(31a)的电能对第二电网部分(31i)进行预充电的开关装置(35)，包括

-具有预充电电阻(6)的电阻电流路径(2)，

-与所述电阻电流路径(2)并联布置的半导体开关(1)，所述半导体开关被设计为，将两个电网部分(31a，31i)电连接，所述半导体开关包括至少一个功率半导体(3)，所述功率半导体能够在时钟控制的运行模式下运行，或者在线性范围内的运行模式下作为可调节的电阻运行，以及

-控制单元(16)，所述控制单元用于控制所述功率半导体(3)。

6.根据权利要求5所述的开关装置，其特征在于，所述电阻电流路径(2)具有与所述预充电电阻(6)串联的开关(7，8，9，10)，其中所述控制单元(16)被设计用于控制所述开关(7，8，9，10)。

7.根据权利要求6所述的开关装置，其特征在于，所述开关(7，8，9，10)包括至少一个功率半导体(7，9)。

8.一种直流电网(100)，具有第一电网部分(31a)和第二电网部分(31i)，其中在初始状态(t₀)下，存在于所述第二电网部分(31i)中的初始电压(U2_t0)低于存在于所述第一电网部分(31a)中的直流电压(U_DC)，所述直流电网具有根据权利要求5至7中任一项所述的开关装置(31)，所述开关装置布置在所述第一电网部分(31a)与所述第二电网部分(31i)之间。

9.根据权利要求8所述的直流电网(100)，其中两个电网部分(31a，31i)分别包括第一线路(L+)和第二线路(L-)，在所述第一线路与所述第二线路之间施加相应电网部分(31a，31i)的电压(U_DC，U2)，其中所述两个电网部分(31a，31i)通过所述第二线路(L-)永久地相互连接，并且能够借助开关装置(35)通过所述第一线路(L+)相互连接和彼此分离。

Images