CN113454865B - 一种用于切换和保护负载的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于切换和/或保护与装置连接的负载的所述装置，所述装置(1)包括：电源开关(5)，所连接的负载通过该电源开关(5)接收电流；传感器组件(4)，该传感器组件(4)与所述电源开关(5)串联连接，并且适于直接产生与经由所述传感器组件(4)和经由所述电源开关(5)流到所述负载的电流的电流上升速度相对应的电压降；以及驱动器电路(6)，其适于根据由所述传感器组件(4)产生的电压降利用或不利用沿着所述电源开关(5)的电压降来检测发生的过电流，并且当检测到在关断期间内的过电流时关断所述电源开关(5)，以保护所述电源开关(5)和所述负载。

Description

一种用于切换和保护负载的装置
技术领域
本发明涉及一种用于切换和/或用于保护与相应装置连接的负载的装置。
背景技术
连接到电源系统的负载需要过载和过电流保护。在电气系统中，可能发生过电流流过电导体的情况，导致过度产生热量并损坏电气设备或负载。导致过流的原因有很多，包括短路、不正确的电路设计或接地故障。存在多种常规过流保护装置，例如熔丝、机电断路器或固态电源开关。当过流发生时，保险丝会熔断，从而中断电流并保护负载。然而，熔丝仅在相对高的电流幅度下熔化，使得在熔丝熔化之前可以将大量电能传递到所连接的负载，从而增加了损坏相应负载的部件的风险。此外，在消除过流的原因之后，有必要更换受影响的熔丝。
其他电气保护装置采用电流传感器来测量流到所连接的负载的电流，以检测临界情形，并且在临界情形确实出现的情况下自动触发电子或机电开关。诸如霍尔传感器的电流测量元件可以测量电流并且将测量值提供给控制器或控制逻辑，控制器或控制逻辑可以在测量的电流超过预定阈值的情况下关断开关部件。一些传统的保护电路使用诸如MOSFET的半导体开关来保护连接的负载免受过电流。随着流经接通的半导体开关的电流的增加，沿着半导体开关的电压降也增加，从而在半导体开关处出现更高的功率损耗。增加的功率损耗可导致所连接负载内的半导体开关和/或电子部件的损坏甚至损坏。因此，传统的保护电路评估沿着其半导体开关的电压降，并且一旦电压降超过阈值就关断半导体开关。然而，这种传统的关断机构仅在电流在长的关断期间之后已经达到高振幅之后才发生。这些传统的保护电路工作得比较慢，并且需要高电流电平来触发相应的开关部件。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种更有效地保护连接的负载的保护装置。
该目的通过包括下述特征的装置来实现。
根据第一方面，本发明提供了一种用于切换和/或保护与装置连接的负载的所述装置，所述装置包括：
电源开关，所连接的负载通过该电源开关接收电流，
传感器组件，该传感器组件与所述电源开关串联连接，并且适于直接产生与经由所述传感器组件和经由所述电源开关流到所述负载的电流的电流上升速度相对应的电压降，并且包括：
驱动器电路，其适于根据由所述传感器组件产生的电压降和/或沿着所述电源开关的电压降来检测发生的过电流，以当检测到在关断期间内的过电流时关断所述电源开关，以保护所述电源开关和所述负载。
在可能的实施例中，关断期间小于1微秒。
所述关断期间由所述驱动器电路的内部电路的信号传播延迟来预定义。可以实现小于5微秒的关断期间。
所述传感器组件是为相关联的电源开关单独配置的硬件组件。
在根据本发明的第一方面的装置的可能实施例中，所述传感器组件包括线圈，该线圈适于根据流经所述传感器组件并流经所述电源开关到达所连接负载的电流来产生感应电压。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能实施例中，由所述传感器组件产生的电压降和沿着所述电源开关的电压降作为总电压施加到驱动器电路。
在根据本发明第一方面的装置的另一可能实施例中，所述驱动器电路适于基于所施加的总电压来确定出现的过电流，特别是短路电流，和/或电源开关的过载，并且适于当检测到过电流时和/或当检测到电源开关的过载时关断电源开关，以保护连接的负载和/或在小于1毫秒的关断期间内保护电源开关。
在一个可能实施例中，可以实现小于5微秒的关断期间。
根据本发明的装置优选地使用不同的测量原理或技术来提供冗余保护机构，以保护电源开关免于过载和/或免于短路电流。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能实施例中，如果所施加的总电压在关断期间内超过可配置阈值电压，则所述驱动器电路适于自动关断电源开关，以保护所述装置本身和所连接的负载免受过载和/或短路过电流，特别是免受短路电流。
在根据本发明的第一方面的装置的又一可能实施例中，所述装置包括电流测量单元，该电流测量单元连续地测量流到所连接的负载的电流，并且向装置的控制单元通知所测量的电流。
所述电流测量单元可以包括霍尔传感器、GMR传感器或变压器。
在根据本发明第一方面的装置的另一可能实施例中，所述控制单元适于基于由所述电流测量单元测量的电流的电流分布和/或所述装置的操作状态来确定所连接负载的操作状态，并且还适于在偏离预定负载操作范围时控制所述驱动器电路，使得所述驱动器电路在关断期间内自动关断所述电源开关。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能实施例中，所述控制单元适于在接收到控制命令时控制所述装置的驱动器电路，使得所述电源开关根据接收到的控制命令来接通或关断。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能实施例中，所述装置的控制单元适于从所述装置的用户接口、从连接到所述装置的计算机或者从自动化系统的存储程序控制来接收所述控制命令。
在根据本发明第一方面的装置的另一可能实施例中，所述电源开关包括IGBT或功率MOSFET，特别是SiC MOSFET、GaN MOSFET或ScAlN MOSFET。
在根据本发明第一方面的装置的另一可能实施例中，所述装置适于基于所连接负载的至少一个参数以及基于由所述电流测量单元测量的电流分布导出所述负载的组件和/或所述装置的组件的温度分布，并且如果检测到与预定温度范围的偏差，则控制所述驱动器电路关断所述电源开关。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能实施例中，在可配置的等待期间之后和/或在成功清除关断原因之后和/或如果满足其他预定的接通条件，则接通所述电源开关。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能实施例中，负载包括多相电机，该多相电机经由所述装置接收若干电流相作为操作电流。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能的实施例中，针对每个电流相提供至少一个传感器组件和与所述传感器组件串联连接的关联电源开关，并且该至少一个传感器组件和关联电源开关由所述装置的相关联的驱动器电路控制。
在替代实施例中，所述负载还可以包括电阻性负载或电容性负载。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能实施例中，针对每个电流相位或DC电流方向，为AC电流的正电流半波提供第一电源开关，并且为AC电流的负电流半波提供第二电源开关。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能实施例中，为正DC电流提供第一电源开关，并且为负DC电流提供第二电源开关。
在根据本发明的第一方面的装置的另一可能实施例中，电源开关经由桥式整流器电路与所述装置的关联驱动器电路连接。
线圈处的电压降ΔU4和/或电压降ΔU5可以提供给驱动器电路。电压降ΔU4、ΔU5可以作为总电压、或者单独地(即并联地)提供给驱动器电路。
在根据本发明第一方面的装置的另一可能实施例中，所述装置包括用户接口，该用户接口适于用信号通知所述装置的操作状态和/或所述负载的操作状态。
在另一可能的实施例中，所述驱动器电路包括与所述控制单元连接的低电压侧和与所述电源开关连接的高电压侧，其中，所述驱动器电路的低电压侧和高电压侧彼此电分离。
根据第二方面，本发明提供了一种用于切换和/或保护负载的方法，所述方法包括以下步骤：
沿着传感器组件直接产生电压降，所述电压降对应于经由所述传感器组件和电源开关流到所述负载的电流的电流上升速度；以及
如果所产生的电压降和/或沿着所述电源开关的电压降超过阈值电压，则在关断期间内自动关断所述电源开关。
关断期间由硬连线驱动器电路内的信号传播延迟限定，并且在任何情况下包括小于1毫秒。可以实现小于5微秒的关断期间。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明不同方面的可能实施例。
图1示出了根据本发明的第一方面的保护装置的可能的示例性实施例的框图；
图2示出了根据本发明的第二方面的用于执行负载保护的方法的可能示例性实施例的流程图；
图3示出了根据本发明的保护装置的可能的示例性实施例的电路图；
图4示出了根据本发明另一方面的用于负载保护的方法的可能示例性实施例的流程图；
图5示意性地示出了根据本发明的方法和装置所采用的不同冗余测量和保护机构；
图6至图8示出了根据本发明第一方面的保护装置的另一示例性实施例的框图。
具体实施方式
从图1的框图可以看出，根据本发明的装置1可以被提供用于切换和/或保护与装置1连接的负载。在所示实施例中，装置1包括输入端子2，用于从电源系统PSN接收电流相L(AC)。在可能的使用情况下，输入端子2也可以接收直流电流。在所示实施例中，装置1包括输出端子3，以将外部负载连接到保护装置1。负载可以是例如电感负载，例如电动机。负载还可以包括电阻性负载或电容性负载。装置1包括与电源开关5串联连接的传感器组件4。在优选实施例中，电源开关5包括由关联驱动器电路6控制的半导体电源开关，如图1所示。在可能的实施例中，电源开关5可以包括IGBT或功率MOSFET，特别是SiC MOSFET、GaN MOSFET或ScAlN MOSFET。在图4的框图中示出了驱动器电路6的可能实施例。提供给装置1的输入端子2的电流I流过传感器组件4和电源开关5，到达与装置1连接的至少一个负载。在图1所示的示例性实施例中，装置1还包括电流测量单元7，该电流测量单元7适于测量流到所连接的负载的电流I。电流测量单元7向装置1的控制单元8通知所测量的电流。电流测量单元7可以包括如图6的实施例中所示的霍尔传感器。变压器也可以用作电流测量单元7，如图7所示。另一替代方案是使用如图8的实施例中所示的GMR传感器。
与电源开关5串联连接的硬件传感器组件4适于产生对应于电流I的电流上升速度的电压，电流I流经传感器组件4并流经电源开关5流到与装置1的输出端子3连接的负载。驱动器电路6适于根据由传感器组件4直接产生的电压降ΔU4来检测出现的过电流，特别是短路电流，并且适于在非常短的时间段内检测到过电流时自动关断电源开关5以保护连接的负载。在可能的实施例中，传感器组件4包括线圈，该线圈适于根据流经传感器组件4并流经电源开关5到达所连接负载的电流I的变化而直接产生感应电压ΔU4。由线圈4产生的感应电压ΔU4对应于流经传感器4并流经电源开关5到达相应负载的电流I的电流上升速度。由传感器组件4产生的电压降ΔU4和沿着电源开关5的电压降ΔU5可以在所示实施例中作为和电压U∑施加到驱动器电路6(U∑＝ΔU4+ΔU5)。在电源开关5由MOSFET实现的情况下，沿着电源开关5的电压降ΔU5对应于漏-源电压UDS。传感器组件4不仅测量电流上升速度/>而且通过限制电压降(例如MOSFET 5的漏极-源极电压)来提供对电源开关5的保护。驱动器电路6适于基于所施加的总电压U∑来确定电源开关5的发生短路电流和/或过载，并且适于当检测到过电流和/或检测到电源开关的过载时关断电源开关5，以在小于1毫秒(最好小于5微秒)的短开关期间内保护所连接负载和/或保护所述装置1的电源开关5。在优选实施例中，如果所施加的总电压超过预定阈值电压UTH，则驱动器电路6可以在小于2微秒的关断期间内关断电源开关5。关断期间由如图3所示的将驱动器电路6与传感器组件4-1、4-2连接的连接电路来预定义，具体地，关断期间由电容器C的电容以及如图4所示的驱动器电路6的内部电路来限定，即，由驱动器电路6的栅极和比较器引起的信号传播延迟来限定。在可能的实施例中，阈值电压UTH可以是可配置的。如果所施加的总电压U∑超过所配置的阈值电压UTH，则驱动器电路6在小于5微秒的短关断期间内，优选地在小于2微秒的期间内，自动关断电源开关5。在可能的实施例中，传感器组件4包括线圈，该线圈适于测量流经传感器组件4的电流的电流上升速度/>传感器组件4直接产生与流过线圈4的电流(dI/dt)的变化成比例的感应电压ΔU4。在可能的实施例中，如果电流I具有大约5安培/微秒的电流上升速度，则施加到驱动器电路6的所产生的感应电压UL足以触发串联连接到传感器组件4的电源开关5的关断操作。线圈4的电感L被单独地适配于所使用的电源开关5的物理限制。在可能的实施例中，电源开关5的寄生电感可以用于提供所提供给驱动器电路6的电压降ΔU4。硬件传感器组件4对于环境影响非常稳健，并且不涉及任何用于产生感测电压UL的电子电路。因此，硬件传感器组件4在装置1的操作期间发生故障的概率非常低。传感器组件4可以连接在电源开关5的前面，如图1所示，或者连接在电源开关5的后面。与诸如微分器的电子电路相比，硬件传感器组件、特别是线圈的使用使得装置1非常鲁棒并且增加了其操作寿命。关断操作由驱动器电路6执行，而不涉及相对慢控制单元8。因此，由传感器组件4物理上产生的电压触发的关断操作由驱动器电路6的硬件组件执行，如图4的框图中所示。传感器组件4非常灵敏并且甚至在流到负载的电负载电流IL达到可能损坏所连接负载的组件的高电流水平之前产生感测电压。因此，如图1的框图所示的保护装置1可以比传统的保护装置快至少大约50倍。由硬件驱动器电路6提供的非常快的关断操作确实保证了在过电流或短电流情况下仅有一小部分电能被传输到所连接的负载。因此，根据本发明的保护装置1有效地保护了连接负载的甚至敏感的电气组件。根据本发明的装置1不但保护所连接负载的电气组件，而且保护集成在装置1中的电源开关5。因此，如图1所示的装置1还提供自保护。在可能的实施例中，电源开关处的电功率被限制为预定操作功率的80％。
在已经关断电源开关5之后，在已经满足预定接通条件的情况下，可以再次接通电源开关5。在成功地清除了关断原因之后，可以再次接通电源开关5。因此，根据本发明的装置1可以在已经触发关断之后再次使用。在可能的实施例中，电源开关5可以在可配置的等待期间已经期满之后和/或在成功清除关断原因之后再次接通。
如图1的框图所示，控制单元8适于响应于控制命令CMD来控制驱动器电路6。控制单元8可以从装置1的用户接口或者从远程设备接收控制命令CMD，特别是从连接到装置1的计算机或者从自动化系统的存储的程序控制单元接收控制命令CMD。电流测量单元7可以例如包括霍尔传感器，该霍尔传感器适于连续地测量流到所连接负载的电流I，并且向控制单元8供应指示所测量电流的测量值。在可能的实施例中，控制单元8适于基于由电流测量单元7测量的电流I的电流分布来确定所连接负载的操作状态。控制单元8可以在偏离预定负载操作范围时控制驱动器电路6，使得其自动地关断电源开关5。此外，控制单元8适于在接收到控制指令CMD时控制装置1的驱动器电路6，使得电源开关5根据接收到的指令CMD被接通或关断。因此，控制单元8响应于接收到的命令CMD或者在所测量的电流分布指示所连接负载的过载的情况下控制正常的接通/关断操作。然而，由驱动器电路6响应于所施加的总电压U∑而执行的过电流触发的关断操作具有最高优先级并且可以非常快地执行，因为其不涉及控制单元8。
控制单元8可以包括微处理器，该微处理器计算电源开关5的电流状态，特别是电流耗散功率和/或操作温度。控制单元8可以在电源开关5的监测功率或电源开关5的温度超过允许极限的情况下发出抢先警报。控制单元8可以观察电源开关5的功率和温度的趋势，并且在已经达到临界范围的情况下触发关断。
在图1所示的实施例中，装置1包括单个输入2和单个输出3。在可能的实施例中，装置1可以用于接收多个电流相L1、L2、L3的多相负载。对于每个电流相L，可以提供单独的传感器组件4和相关联的电源开关5，其连接到相关联的驱动器电路6。因此，在三相实施例中，根据本发明的装置1包括用于每个电流相的相关联的驱动器电路6，即总共三个驱动器电路6，每个驱动器电路6连接到相应的传感器元件4和相应的电源开关5。在可能的实施例中，对于每个电流相L，可以为施加的AC电流的正电流半波提供第一电源开关，并且为AC电流的负电流半波提供第二电源开关。第一和第二电源开关可以经由桥式整流器电路与相关联的驱动器电路6连接。
所施加的电流相L可以包括例如50至60Hz的频率。在可能的实施例中，传感器组件4包括具有小于1毫亨利的电感的线圈。
在可能的实施例中，控制单元8是可编程的并且可以利用在所连接负载中实现的和/或在装置1本身中实现的组件的编程模型。在可能的实施例中，可以配置所采用的模型的模型参数。这些参数可以例如包括所连接负载的正常操作电流以及所连接负载的跳闸等级。在可能的实施例中，控制单元8适于基于由电流测量单元7测量的电流分布和基于所连接负载的至少一个参数导出所连接负载的组件和/或装置1的组件的温度分布，并且如果检测到与预定温度范围的偏差，则控制驱动器电路6关断电源开关5。该参数可以例如包括负载的设定电流或跳闸等级。此外，控制单元8可以被编程为具有可配置的等待期间。例如，根据导出的温度分布，在电源开关5可以被再次接通之前，相应的等待期间必须期满。如图1的框图所示的装置1可以用于任何类型的负载，即电感负载、电容负载或欧姆负载。负载包括一个或多个负载参数。负载可以是例如电动机，其具有例如1.5kW的电动机功率、400伏的电源电压、3.6安培的额定电流以及10级跳闸。在电流I达到高电流水平或幅值之前，将所连接负载与电源分离。在所施加的总电压超过可配置的阈值电压UTH的情况下，驱动器电路6可以独立于控制单元8操作以在短的反应时间内关断相关联的电源开关5。沿着电源开关5的电压降ΔU5对应于流动的电负载电流的幅度或电平。沿着传感器组件4的电压降ΔU4对应于经由传感器组件4和经由电源开关5流到相应负载的电流的电流上升速度。在临界运行状态中，将两个电压降相加并施加到驱动器电路6，使得在临界运行状态出现的初始阶段中已经可以检测到临界运行状态。如图4所示，将总电压U∑施加到集成驱动器电路芯片6只需要芯片的一个输入引脚，从而促进装置1的小型化。
驱动器电路6控制相关联的电源开关5，在优选实施例中，电源开关5包括氮化镓MOSFET，其在关断状态下具有至少800伏的高电压耐久性，并且在其接通状态下具有低阻抗。在另一可能的实施例中，电源开关5还可以包括SiC功率MOSFET或ScAlN MOSFET。
还如图5所示，装置1包括使用不同测量技术的多个冗余保护机构。
如图1和图5所示的装置1包括多个保护机构，特别是由传感器组件4提供的第一保护机构、由沿着电源开关5的电压降提供的第二保护机构以及由电流测量单元7提供的第三保护机构。在短路电流的情况下，传感器组件4和电源开关5触发驱动器电路6以执行非常快的关断操作。电流测量单元7还在过载的情况下提供保护。相应地，保护装置1提供电子过载和过电流保护，该电子过载和过电流保护可以在电源开关5已经关断之后，特别是在可编程等待时间已经期满之后再次使用。
图2示出了根据本发明另一方面的用于切换和保护负载的方法的可能示例性实施例的流程图。在所示实施例中，该方法包括两个主要步骤。
在第一步骤S1中，直接在传感器组件4处产生与经由电源开关5流到负载的电流I的电流上升速度相对应的电压降。在可能的实施例中，感测到的电压降可以由传感器组件4、特别是由线圈产生。感测的电压降由诸如线圈的硬件传感器组件4物理地和瞬时地产生。传感器组件4在物理上适合于与传感器组件4串联连接的相关联的电源开关5的物理要求。例如，用作传感器组件的线圈的电感被单独地配置到各个电源开关5的功率极限。
在另一步骤S2中，如果传感器组件4处的电压降加上沿着电源开关5本身的电压降超过预先配置的阈值电压UTH，则电源开关5自动关断。在优选实施例中，在小于1毫秒的期间内非常快地执行步骤S2中的关断。利用图4所示的驱动器电路6，可以实现小于5微秒的关断期间，并且在优选实施例中，可以实现小于2微秒的关断期间。
图3示出了用于切换和/或保护与装置1连接的负载的装置1的可能的示例性实施例的电路图。在所示的实施例中，装置1包括输入端子2，用于从具有例如400伏电压的电流源接收相电流L。在所示的示例性实施例中，存在从输入端子2到输出端子3的信号路径，该信号路径包括两对电源开关5和相关联的传感器组件4。图3所示的电路对于提供给装置1的AC电流的正电流半波和负电流半波是对称的。在装置1的输入端子2和输出端子3之间，设置有第一线圈4-1和第二线圈4-2。每个线圈4-1、4-2包括相关联的电源开关5-1、5-2，如图3的电路图所示。在所示的示例性实施方式中，线圈4-1、4-2都具有2.2微亨的电感。在所示实施例中，电源开关5-1、5-2由功率MOSFET实现。可以在可能的实施方式中提供变阻器VAR以消除干扰。在所示的实施方案中，二极管D可并联连接到每一线圈4-1、4-2以减少自感应。电源开关5-1、5-2连接到桥式整流器电路，该桥式整流器电路在所示实施例中包括两对互补晶体管Q1至Q4。在桥式整流器电路的输出侧，可以提供电容器C以提供预定的最小延迟。该延迟对关断期间有影响。在可能的实施例中，电容器C的电容可以是可调节的，以适应关断期间。
电阻器R1、R2都包括能够被配置为调节图3所示电路的灵敏度的电阻。如图3所示，驱动器电路6连接到桥式整流器电路的输出，以接收电源开关5-1或5-2以及传感器组件4-1或4-2的和电压，并且在返回时将控制电压施加到两个示出的电源开关5-1、5-2的栅极。驱动器电路6适于检测发生的过电流，特别是短路电流，这取决于由传感器组件4-1或传感器组件4-2直接产生的电压，并且在短时间内检测到流过输入端子2和输出端子3之间的电流路径的短路电流时关断相关联的电源开关5-1或5-2，以保护连接到装置1的输出端子3的任何负载。
图4示出了在根据本发明的装置1中使用的驱动器电路6的可能的示例性实施例的框图。在所示的示例性实施例中，驱动器电路6包括由英飞凌科技公司制造的单个IGBT驱动器IC 1ED020/12-B2。从图4的框图可以看出，驱动器电路6包括由变压器T1、T2电隔离的两个分离的电路半部。图4所示的驱动器电路6的左侧连接到控制单元8，以从控制单元8接收控制信号，特别是响应于控制指令CMD或取决于测量的电流分布。图4的电路图左侧上的低电压侧经由变压器连接到图4所示的电路右侧上提供的高电压侧。由沿着传感器组件4的电压降和沿着电源开关5的电压降组成的和电压被施加到驱动器电路6的DESAT输入引脚，并由比较器K3与例如9伏的可配置阈值电压UTH进行比较，如图4所示。如果超过可配置阈值电压，则二进制信号行进通过几个栅极以驱动运算放大器并产生输出到功率MOSFET 5-1、5-2的栅极的控制关断信号，以在小于5微秒的非常短的反应时间内关断两个功率MOSFET。图4所示的驱动器电路6包括两个电分离的部分。驱动器电路6可以连接到形成控制单元8的一部分的标准5伏DSP或微控制器，其中CMOS输入/输出连接到低电压侧。从图4的电路图可以看出，仅在驱动器电路6的高电压侧提供用于响应于所施加的和电压而关断电源开关5-1、5-2的关断回路，使得反应时间非常短，这是因为逻辑信号经由驱动器电路6的高电压部分的逻辑门的传播时间很小。关断保护回路不包括主要用于响应于接收到的接通/关断命令CMD的正常接通/关断操作的控制单元8。
在可能的实施例中，传感器组件4和电源开关5以及驱动器电路6可以设置在共同的印刷电路板上。
在可能的实施例中，传感器组件4可以由线圈之外的另一组件来实现，特别是由如图8的实施例中所示的电阻器R来实现，其中对应的局部测量电路适于直接生成与流过相应感测电阻器的电流I的电流上升速度相对应的电压U。电阻器可以是NTC或PTC电阻器。所使用的电阻器4的电阻可以是温度相关的。而且，取决于温度的电阻可以被单独地配置到相关联的电源开关5的物理限制。
在另一可能的实施例中，所连接负载的数据模型可以存储在存储器中并且由控制单元8的处理器评估，以提供所连接负载的过载保护。在可能的实施例中，装置1可以包括用户接口，该用户接口适于用信号通知装置1的当前操作状态，特别是其电源开关的当前操作状态。在可能的实施例中，用户接口可以指示在集成电源开关5的关断中已经触发了什么安全机构。在该实施方式中，可以告知自动化系统的用户或操作者，电源开关5的关断是由检测到的电流的高电流上升速度引起的，还是由于确定的或检测到的电源开关5的过载引起的，还是由考虑到由电流测量单元7测量到的电流分布的过载检测引起的。在另一可能的实施例中，关于电源开关5的关断的原因的信息也可以经由装置1的数据接口输出到例如自动化系统的远程控制器，该自动化系统包括连接到装置1的受保护负载。在又一可能的实施例中，保护装置1可以包括本地数据存储器以存储日志数据。日志数据可以包括关于在自动化系统的操作期间或在所连接负载的操作期间执行的关断操作的数据。在可能的实施例中，可以评估存储的日志数据以分析在自动化系统的运行期间已经发生的关键运行状态。
在可能的实施例中，继电器电路14可以与电源开关5串联连接。继电器电路可用于改变电源相的顺序并提供电流分离。在由驱动器电路6或控制单元8控制的关断操作期间，电源开关5在关联的继电器电路之前关断，而在驱动器电路6或控制单元8控制的接通操作期间，继电器电路在电源开关5之前接通。这确实最小化了继电器电路14的接触磨损并且提高了防止电源开关5故障的安全性。此外，该接通和关断序列使得能够检测电源开关5的故障。
在另一可能的实施例中，可以将用于不同负载的不同模型上载到控制单元8的配置存储器，以根据所测量的电流分布和根据所连接负载的至少一个负载参数为相应负载提供匹配的负载保护。在可能的实施例中，数据模型可以从通过数据网络连接到控制单元8的中央数据库中下载。根据所连接负载的类型，可以将不同的相应数据模型加载到控制单元8的配置存储器中并且根据由电流测量单元7提供的所测量的电流分布进行评估。
图5示意性地示出了根据本发明的装置1的操作架构，该操作架构包括冗余保护机构和不同的测量技术，以为装置1本身，特别是其电源开关5，以及还为与装置1连接的负载提供过载保护和过电流保护。不同的冗余保护机构在其检测的内容(Imax、Ilimit、Icontinuous)、其各自的反应时间和测量精度方面有所不同，如图5所示。即使一个保护机构可能失效，仍然可以应用另一个保护机构。
图6示出了根据本发明第一方面的装置1的另一可能的示例性实施例的框图。在图6所示的实施例中，装置1在输入端子2处包括由分压器形成的另一传感器组件9，分压器适于经由模数转换器11将装置1的输入端子2处的供电电压U的一部分供应到装置1的控制单元8，以提供随时间的供电电压分布。此外，在图6的实施例中，电流测量单元7由霍尔传感器形成。流到所连接负载的测量负载电流IL由霍尔传感器7经由模数转换器10通知给装置1的控制单元8。控制单元8适于基于所测量的负载电流分布来确定所连接负载的过载状态。电流测量单元7还可以向驱动器电路6提供用于故障检测的测量。图6中所示的装置1的控制单元8适于控制驱动器电路6，以在电负载的过载状态已经由控制单元8确定的情况下自动关断电源开关5。如图6所示，霍尔传感器7和传感器组件9都连接到相关联的模数转换器10、11。模数转换器10、11适于将从霍尔传感器7接收的所测量模拟负载电流分布和由传感器组件9测量的所测量供电电压分布转换成相应的测量值(样本)。由模数转换器10、11提供的测量值在可能的实施例中作为数据样本存储在控制单元8的数据存储器8B中，作为负载电流分布数据和作为供电电压分布数据。采样率可以根据使用情况而不同。在可能的实施例中，ADC 10、11的采样率是4kHz。分辨率也可以变化。在可能的实施方式中，ADC 10、11包括至少12比特的分辨率。ADC 10、11也可以集成在控制极限8的处理器中。在图6、图7和图8的所示实施例中，控制单元8包括处理器或FPGA 8A和数据存储器8B，数据存储器8B适于在操作期间动态地存储负载电流分布数据和电源电压分布数据。控制单元8还可以包括存储器8C，用于存储不同的操作特性，即，不同操作参数的操作特性和/或用于不同类型的负载的操作特性。根据负载的类型，即电感性负载、电阻性负载或电容性负载，可以将用于不同使用情况的不同操作特性存储在图6、图7和图8中示出的控制单元8的特性存储器8C中。在可能的实施例中，控制单元8还可以执行对供应到与装置1的输出端子3连接的负载的电力的供电控制。在可能的实施方式中，电负载的电力供应可以由控制单元8的处理器8A根据运行模式和/或所连接的电负载的类型基于由霍尔传感器7测量的负载电流分布和基于由传感器组件9测量的供电电压分布来执行。在可能的实施方式中，控制单元8的处理器8A可以基于存储在控制单元8的数据存储器8B中的负载电流分布数据和供电电压分布数据来计算功率因数分布数据可以在数据存储器8B中存储预定的移动时间窗口。在可能的实施例中，处理器8A可以由FPGA电路代替。
在可能的实施例中，控制单元8的处理器8A适于通过处理在控制单元8的数据存储器8B中可用的负载电流分布数据和/或供电电压分布数据来确定所连接电负载的操作模式和/或特定操作状态。
在图6的实施例中示出的装置1的另一可能实施例中，控制单元8的处理器8A适于根据所计算的功率因数和与装置1的输出端子3连接的电负载的电流操作模式和/或类型，直接地或经由驱动器电路6来执行相位角控制和/或将预定义的开关模式应用到电源开关5。为此，控制单元8的处理器8A可以访问相应电负载的运行特性，该运行特性为运行参数指示至少一个容许运行区域、至少一个临界运行区域和/或至少一个不容许运行区域。
在图6、图7、图8所示的实施例中，装置1还包括也与电源开关5串联连接的继电器电路14。在图6所示的实施例中，继电器电路14设置在霍尔传感器7和所连接负载之间的输出端子3处。用于不同相的继电器电路可以用于改变电源相的序列和/或提供电流分离。继电器电路14由控制单元8控制，如图6所示。在可能的实施方式中，在由驱动器电路6或由控制单元8控制的关断操作期间，电源开关5可以在关联继电器电路14之前关断，而在接通操作期间，在驱动器电路6的控制下或在控制单元8的控制下，继电器电路14在关联的电源开关5之前接通。这确实最小化了继电器电路14的接触磨损，并且确实提高了针对电源开关5的故障的安全性。此外，接通和关断序列使得可以确定电源开关5的故障。
如在图6的实施例中可见，传感器组件4、电源开关5、霍尔传感器7和继电器电路14都串联连接在输入端子2和输出端子3之间的电流路径中。串联连接的元件的顺序在不同的实施例中可以变化。例如，图6所示的线圈4可以设置在电源开关5和霍尔传感器7之间。此外，可以冗余地提供多个组件，特别地，可以将组件彼此并联连接以提供针对电子组件故障的安全性。例如，在可能的实施方式中，两个以上的线圈4可以并联连接。此外，在装置1的可能实施方式中，两个或更多个电源开关5可以并联连接。这同样适用于电流测量单元7，即，在图6所示的装置1的可能实施例中，多个电流测量单元7可以并联连接。
其他实施例是可能的。在如图7所示的可能实施例中，类似于图6所示的电路9的分压器电路9B也可以设置在输出端子3处，以经由ADC 11将输出电源电压的一部分提供给装置1的控制单元8。如果所连接负载是与装置1的输出端子3连接的电容性负载，则可能需要在输出端子3处提供这样的附加分压器9B。
这种电容性负载的示例是适于补偿设施中的无功功率的补偿设备。如果所连接负载是电容性负载，则在接通所连接的电容性负载之前，必须由控制单元8检查输入端子2处的输入电压Vin是否等于输出端子3处的输出电压Vout。因此，如果从传感器组件9A接收的所测量的输入电压对应于在输出端子3处从另一个分压器9B接收的电压，则可以接通所连接的电容性负载。相反，如果两个测量电压不同，则可以通过控制单元8抑制电容性负载的接通。
在图7的实施例中，变压器7用于向模数转换器10提供电流测量。
在另一可能的实施例中，分压器9A、9B可以提供测量值，该测量值可以由控制单元8的处理器8A评估，以提供针对过低或过高电源电压的负载保护。如果由分压器9A测量的经由模数转换器11通知给控制单元8的电压小于预定的低阈值电压，则由控制单元8检测到过低的供电电压，该过低的供电电压可以通过电源开关5触发关断操作。此外，如果由传感器组件9A提供并且经由模数转换器11提供给控制单元8的所测量的供电电压超过另一高阈值电压，则控制单元8可以确定用于所连接负载的供电电压过高，使得在控制单元8的控制下自动触发电源开关5的关断。可以使用另一个分压器9B的测量值来执行类似的控制。
如图6所示的装置1导致与输出端子3连接的负载或设施的快速关断，使得在任何情况下，所提供的电流都小于100安培。以这种方式，所连接负载或设施总是被小心地处理，并被保护以防磨损或损坏。
图6所示的装置1的其他实施例是可能的。在一种可能的实施方式中，驱动电路6可以集成在装置1的控制单元8中。此外，可以在装置1的壳体外部提供一些电气组件。例如，继电器电路14可以连接在输出端子3和所连接负载之间。此外，传感器部件可以集成在装置1的壳体中，或者通过与装置1的壳体连接的外部传感器组件来实现。
对于不同的使用情况或应用，可以将不同的操作特性加载到存储器8C中。这些操作特性可以例如包括熔断器或断路器的操作特性。用户接口15可以设置在装置1的壳体中或者可以经由数据接口连接而连接到装置1的壳体。该用户接口15可以包括键或按钮或杠杆作为输入接口12的输入元件或输出接口13的光学显示元件。在可能的实施例中，输出接口13可以指示装置1和/或与装置1连接的负载的当前操作状态。输出接口13还可以包括指示什么类型的操作特性当前已经被激活用于操作的元件。因此，在可能的实施例中，特性存储器8C可以适于针对不同的使用情况和/或针对与装置1连接的不同种类的负载来存储不同种类的操作特性。用户可以通过将相应的输入命令输入到输入接口12中来激活特定的操作特性。所选择的操作特性可以通过输出接口13的光学元件显示给用户。在可能的实施方式中，在装置1的壳体中，可以提供收纳槽以收纳存储卡或USB棒，该存储卡或USB棒包括特性存储器8C，该特性存储器8C具有用于不同负载和/或使用情况的一个或多个操作特性。因此，在本实施例中，特性存储器8C可以集成在可替换的数据载体中。
可能的实施方式中，图1、图6的实施例中示出的装置1在也可以集成到与电源网络PSN连接的负载中。装置1还可以集成到连接在负载和供电网络PSN之间的设备中。该设备例如可以是连接在供电网络PSN和感应负载(特别是电动机)之间的电动机起动设备。在另一实施例中，装置1还可以集成到变频控制器设备中，该变频控制器设备适于将从供电网络PSN接收的AC供电电压改变为具有可变幅度和/或可变频率的AC电压。
根据本发明的装置1还可以集成到诸如电池的电源中。装置1可以集成在适于存储电能的任何类型的能量存储设备中。例如，装置1可以设置在电负载所连接到的电池的输出处。装置1也可以设置在能量存储器的输入侧，特别是用于保护能量存储器的负载过程不受供电网络PSN的影响。
其他实施例是可能的。在一个可能的实施例中，如图1、图6、图7、图8的框图所示的装置1也可以集成在与传统熔丝元件的壳体相对应的壳体中。以这种方式，根据本发明的保护装置1可以用于替换由电子电路的熔丝保持器接收的现有熔丝组件。
如图1、图6、图7、图8所示，根据本发明的保护装置1可以连接到供电网络PSN的母线(busbar)系统。例如，输入端子2可以通过适配器直接或间接地连接到母线系统的母线以接收电力供应。装置1还可以用于提供针对闪电的保护。相应的操作特性可以存储在控制单元8的特性存储器8C中。装置1也可以直接或通过适配器间接地安装到DIN导轨或顶帽导轨上。
由于不同种类的操作特性可以存储在存储器8C中，所以根据本发明的装置1非常灵活，并且适用于不同种类的使用情况或场景，特别是不同种类的负载和设施。例如，控制单元8的特性存储器8C可以提供用于电感性负载的操作特性、用于电阻性负载的操作特性和/或用于电容性负载的操作特性。用户可以经由用户接口15的输入接口12选择所连接负载的类型，并且选择哪种负载连接到装置1的输出端子3。如果用户选择电感性负载，则激活针对电感性负载的所存储的操作特性，并使其对处理器8A可用。相反，如果用户选择电阻性负载，则电阻性负载的对应操作特性被激活并可用于处理器8A。此外，如果用户选择电容性负载，则从存储器8C加载对应的电容性操作特性，并使其可用于处理器或FPGA 8A以用于装置1的操作。输出接口13可以指示什么类型的操作特性被瞬时激活，并且甚至可以在输出接口13的显示元件上向用户显示操作特性。
控制单元8还可以确定针对不同相位接收的供电电压是否对称。例如，如果一个相缺失，则连接的电机可能不能启动。如果非对称变得太高，则控制单元8可以触发警报和/或关断电源开关5和/或继电器电路14。
根据本发明的装置1不限于图1至图8所示的实施例。如从以上描述显而易见的，不同实施例的不同特征可以彼此结合以提供根据本发明的装置1的不同变型。根据本发明的装置1不仅提供了对所连接负载的非常有效的保护，特别是过载保护和/或过电流保护，而且对于不同类型的负载和/或使用情况也非常灵活。
图1至图8所示的不同实施例的特征可以彼此组合。

Claims (21)

1.一种用于保护与装置连接的负载的所述装置，所述装置(1)包括：
-电源开关(5)，所连接的负载通过该电源开关(5)接收电流；
-电流上升速度传感器组件(4)，该电流上升速度传感器组件(4)与所述电源开关(5)串联连接，并且适于直接产生与经由所述电流上升速度传感器组件(4)和经由所述电源开关(5)流到所述负载的电流的电流上升速度相对应的电压降(ΔU4)；以及
-驱动器电路(6)，其适于根据由所述电流上升速度传感器组件(4)产生的电压降(ΔU4)和沿着所述电源开关(5)的电压降(ΔU5)来检测发生的过电流，并且当检测到在小于1毫秒的关断期间内的过电流时关断所述电源开关(5)，以保护所述电源开关(5)和所述负载，
其中，由所述电流上升速度传感器组件(4)产生的电压降(ΔU4)加上沿着所述电源开关(5)的电压降(ΔU5)作为总电压(U∑)施加到所述驱动器电路(6)的输入，
其中，所述驱动器电路(6)适于独立于所述装置(1)的控制单元(8)运行，如果施加的总电压(U∑)超过可配置阈值电压(UTH)，则在关断期间内关断所述电源开关(5)，
其中，所述控制单元(8)适于在从所述装置(1)的用户接口(15)或从与所述装置(1)连接的远程设备接收到控制命令(CMD)时控制所述装置(1)的驱动器电路(6)，使得所述电源开关(5)响应于接收到的控制命令(CMD)被接通或关断，并且其中，如果由所述装置(1)的负载电流测量单元(7)测量的电流的电流分布指示连接到所述装置(1)的负载的过载，则所述控制单元(8)适于控制所述驱动器电路(6)关断所述电源开关(5)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述关断期间小于5微秒，其中，通过将所述电流上升速度传感器组件(4)与所述驱动器电路(6)的输入连接的连接电路以及通过所述驱动器电路(6)的内部电路来预定义所述关断期间。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电流上升速度传感器组件(4)包括线圈，该线圈适于根据流经所述电流上升速度传感器组件(4)并流经所述电源开关(5)到达所连接负载的电流来产生感应电压(UL)。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中，所述驱动器电路(6)适于基于所施加的总电压来确定出现的过电流，并且适于当检测到过电流时关断所述电源开关(5)，以在关断期间内保护所述电源开关(5)。
5.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，所述装置包括冗余保护机构，该冗余保护机构使用不同测量技术来保护所述电源开关(5)免受过载和/或过电流的影响。
6.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，所述驱动器电路(6)适于如果所施加的总电压(U∑)在所述关断期间内超过可配置阈值电压(UTH)，则自动关断所述电源开关(5)，以保护所述装置(1)本身和所述负载免受过电流的影响。
7.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，所述负载电流测量单元(7)适于连续地测量流到所连接负载的电负载电流(IL)，并且适于向所述装置(1)的控制单元(8)通知所测量的电负载电流。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中，所述装置(1)的控制单元(8)适于从所述远程设备来接收所述控制命令(CMD)。
9.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中，所述电源开关(5)包括IGBT或功率MOSFET。
10.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中，在可配置的等待期间之后和/或在成功清除关断原因之后和/或如果满足其他预定的接通条件，则接通所述电源开关(5)。
11.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中，与所述装置(1)连接的所述负载包括电感性负载、电容性负载或电阻性负载，其经由所述装置(1)从与所述装置(1)的相应输入端子(2)连接的电源系统(PSN)接收若干电AC电流相L作为操作电流。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述装置(1)对于每个电流相L包括至少一个电流上升速度传感器组件(4)和相关联的电源开关(5)，该电源开关(5)与所述电流上升速度传感器组件(4)串联连接并且由所述装置(1)的相关联的驱动器电路(6)控制。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，对于每个电流相L，为AC电流的正电流半波提供第一电源开关(5-1)，并且其中，为所述AC电流的负电流半波提供第二电源开关(5-2)。
14.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，所述用户接口(15)适于用信号通知所述装置(1)和与所述装置(1)连接的负载的操作状态。
15.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中，所述驱动器电路(6)包括：与所述控制单元(8)连接的低电压侧以及与所述电源开关(5)连接的高电压侧，其中，所述驱动器电路(6)的低电压侧和高电压侧彼此电分离。
16.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，所述装置还包括电磁继电器电路(14)，其串联连接到所述电源开关(5)并且由所述装置(1)的所述控制单元(8)控制。
17.根据前述权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中，所述控制单元(8)包括处理器(8A)或FPGA电路、存储电流分布数据并存储电源电压分布数据的数据存储器(8B)、以及适于存储不同类型电负载的操作特性的特性存储器(8C)。
18.根据权利要求11所述的装置，所述装置包括在所述装置(1)的所述输入端子(2)和/或输出端子(3)处作为传感器组件的至少一个分压器电路(9)。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述负载电流测量单元(7)和所述分压器电路(9)经由模数转换器(10、11)连接到所述控制单元(8)。
20.一种用于切换保护负载的方法，所述方法包括以下步骤：
直接在电流上升速度传感器组件(4)处产生(S1)电压降(ΔU4)，所述电压降(ΔU4)对应于流经所述电流上升速度传感器组件(4)和电源开关(5)到达所述负载的电流的电流上升速度；
根据由所述电流上升速度传感器组件(4)产生的电压降(ΔU4)和沿所述电源开关(5)产生的电压降(ΔU5)来检测发生的过流，
其中，如果所产生的电压降(ΔU4)加上沿着所述电源开关(5)的电压降(ΔU5)作为总电压(U∑)施加到驱动器电路(6)的输入的电压降超过可配置阈值电压(UTH)，则在小于1毫秒的关断期间内，通过独立于控制单元(8)操作的驱动器电路(6)自动关断(S2)所述电源开关(5)，
其中，所述控制单元(8)在从用户接口(15)或从远程设备接收到控制命令(CMD)时控制所述驱动器电路(6)，使得所述电源开关(5)响应于接收到的控制命令(CMD)被接通或关断，并且其中，如果由负载电流测量单元(7)测量的电流的电流分布指示所连接负载的过载，则所述控制单元(8)控制所述驱动器电路(6)关断所述电源开关(5)。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述关断期间小于5微秒，
其中，通过将所述电流上升速度传感器组件(4)与所述驱动器电路(6)的输入连接的连接电路以及通过所述驱动器电路(6)的内部电路来预定义所述关断期间。
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