CN114175433B - 用于直流电网的过电流保护设备 - Google Patents
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Abstract
直流电网的负载路径(2)中的过电流保护设备，包括可控半导体开关装置(10)以及具有驱动电路(21)和过电流监控单元(22)的控制单元(20)，所述过电流监控单元构成用于，当施加在过电流监控输入端(22S)上的电压信号(s3)超过预设的电压极限值时，促使驱动电路(21)将可控半导体开关装置(10)切换至截止。在负载路径(2)中设置的电流测量装置(30)检测流过可控半导体开关装置(10)的电流的水平并且提供代表电流变量的电流变量信号(s1)。评估电路(40)从输送给其的电流变量信号(s1)中产生电流变量电压信号(s2)，所述电流变量电压信号在过电流监控单元(22)的过电流监控输入端(22S)处作为电压信号(S3)输送给所述过电流监控单元。产生电流变量电压信号(S2)，使得当流过可控半导体开关装置(10)的电流的水平超过预先限定的电流极限值时，所述电流电量电压信号具有大于预设的电压极限值的值，在所述电流极限值的情况下，应通过控制单元(20)促使可控半导体开关装置(10)切换至截止。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于直流电网的过电流保护设备。尤其地，本发明涉及一种用于保护设置在直流电网中的消耗器的过电流保护设备。此外，本发明涉及一种直流电网。此外，本发明涉及一种用于防御直流电网的负载路径中的过电流的方法。
背景技术
从直流电网(DC电网)中供电的负载装置尤其使用在工业领域中。从直流电网中对负载装置供电提供如下优点，通过智能电网控制装置和集成存储器可以灵活地且鲁棒地对波动的电网质量和能量供应做出反应。尤其地，再生式能量产生器如例如电池存储器和/或光伏设施可以容易地并入直流电网中。从交流电到直流电的转换损失在此可以避免。通过可以缓冲例如以发电机方式运行的驱动器的制动能量的可能性，得到能量节约。
在这种直流电网中需要的是，可以监控在负载路径中流动的电流。此外，应存在如下可行性，在出现经由设置在负载路径中的开关装置的电流过高时，可以关断负载路径中的电流。这种类型的监控尤其对于过载情况和短路电流而言是需要的。
已知的是，作为开关元件例如使用机械功率保护开关或功率开关元件，其可以开关直流电流。
此外，已知保护设备，所述保护设备仅借助半导体开关元件开关直流电流。半导体开关需要操控装置，所述操控装置能够实现开关的电容的快速的重新充电，由此操控装置具有高复杂性。
此外，已知混合技术中的保护设备，所述保护设备借助于半导体开关元件实现电流中断，其中然而经由机械接触部实现电流引导。这种混合过电流保护设备的半导体开关元件在此必须与机械开关元件的性能相协调从而需要耗费的控制装置来关断过电流或短路电流。此外，机械开关元件需要更多时间来关断这种电流。
然而原则上，在过电流保护设备的全部提到的变型方案中存在如下问题，在非常高的过电流的情况下才可能识别过电流，使得直至通过将在其中使用的开关元件切换至截止来激活过电流保护设备的持续时间是相对长的。即使这不一定直接引起过电流保护设备的部件损坏，这也造成过电流保护设备的部件的高负载。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于直流电网的过电流保护设备，其在结构上和/或在功能上得到改进并且尤其能够实现更快地且更早地识别过电流。此外，本发明的目的是，提出一种用于防御在直流电网的负载路径中的过电流的方法。
所述目的通过根据实施例的特征的用于直流电网的过电流保护设备以及包括根据本发明构成的过电流保护设备的直流电网来实现。
有利的设计方案在实施例中给出。在此，在实施例中给出的其他特征能够以类似的方式转用于根据本发明的方法。
提出一种用于直流电网的过电流保护设备。过电流保护设备例如用于保护在直流电网中设置的消耗器。这种消耗器尤其可以为一个或多个电容性的和/或电感性的消耗器。电感性的消耗器例如是逆变器，所述逆变器从由直流电网提供的电压中产生用于负载、例如马达的三相电压或至少一个交流电压。
过电流保护设备包括可控半导体开关装置，所述可控半导体开关装置设置在直流电网的负载路径中。负载路径例如将施加在供电端子或轨道上的供电电势与提到的消耗器连接。
此外，过电流保护设备包括控制单元，所述控制单元具有用于操控可控半导体开关装置的驱动电路和过电流监控单元，所述过电流监控单元构成用于，当施加在过电流监控输入端上的电压信号超过预设的电压极限值时，促使驱动电路将可控半导体开关装置切换至截止。
通过驱动电路操控可控半导体开关装置包括将半导体开关装置的相应的半导体开关元件切换为导通或截止。作为半导体开关元件尤其使用功率电子器件，如例如MOSFET(Metal Oxid Silicon Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极性晶体管)等。这种功率电子器件可以是n沟道或p沟道型的或者是npn或pnp型的。半导体材料可以基于硅(Si)或SiC(碳化硅)等。如果半导体开关装置包括多于一个的可控半导体开关元件，那么在负载路径中所述可控半导体开关元件中的两个可控半导体开关元件合乎目的地彼此反串联连接。
作为过电流监控输入端尤其使用控制单元的所谓的去饱和监控端子。其也称作为所谓的DESAT输入端，所述DESAT输入端根据过电流监控单元的设计方案在预设的电压极限值的情况下促使可控半导体开关装置切换至截止。典型的预设的电压极限值例如为9V(在1200V器件中)或者更大。
此外，过电流保护设备包括在负载路径中设置的电流测量装置，所述电流测量装置检测流过可控半导体开关装置的电流的水平，并且提供代表电流变量的电流变量信号。根据适宜的设计方案，电流测量装置可以构成用于，作为电流变量信号输出电压或者电流。在第一种情况下，电流测量装置例如可以在负载路径中包括分流器。如果电流测量装置构成用于，作为电流变量信号输出电流，那么电流测量装置例如可以包括霍尔传感器、GMR传感器(GMR：Giant Magneto Resistance(巨磁阻)，即磁场评估传感器)、Sigma-Delta变换器或AMR传感器(AMR：Anistrop Magneto Resistiv(各向异性磁阻)；例如供应商为德国的Sensitec有限责任公司)。
最后，过电流保护设备包括评估电路，所述评估电路构成用于，从输送给其的电流变量信号中产生与电流成比例的电流变量电压信号，所述电流变量电压信号在过电流监控单元的过电流监控输入端处作为电压信号输送给所述过电流监控单元。此外，评估电路构成用于，产生电流变量电压信号，使得当流过可控半导体开关装置的电流的水平超出预定义的电流极限值时，所述电流变量电压信号具有大于预设的电压极限值的值，在所述电流极限值的情况下应通过控制单元促使可控半导体开关装置切换至截止。
由此，评估电路将电流变量电压的超出电流极限值的值“翻译成”电流变量电压信号，所述电流变量电压信号根据过电流监控单元的构造方式达到如下电压水平，所述电压水平足以超过预设的电压极限值从而促使可控半导体开关装置切换至截止。
通过所提出的过电流保护设备与已知的解决方案相比可行的是，在明显更小地超出额定电流的情况下就已经触发过电流保护设备。“触发”在此理解成在过电流监控单元促使下将可控半导体开关装置切换至截止。
因此，评估电路有利地用于准备电流变量信号，使得所述电流变量信号可以在过电流监控单元的过电流监控输入端处输送给所述过电流监控单元。如果超出预设的电流极限值，那么评估电路产生电流变量电压信号，使得所述电流变量电压信号对应于大于预设的电压极限值的值，这引起过电流保护设备的触发。
提出的过电流保护设备因此使用在许多控制单元中存在的去饱和监控信号路段，所述去饱和监控信号路段设为用于，在例如为额定电流的4倍至6倍的大的过电流的情况下关断半导体开关装置。由电流测量装置和评估电路构成的组合能够实现，在过电流较小的情况下已经将半导体开关装置置于截止状态中。
这能够通过如下方式实现：电流测量装置和评估电路构成用于，仿效半导体开关装置的去饱和的半导体开关元件。
产生用于产生触发的电流变量电压信号的电流极限值合乎目的地能够可变地设定。电流极限值Ig在此可以可变地在极限Inenn＜Ig＜x*Inenn之间设定。换言之，电流极限值能够在额定电流Inenn和x倍(例如x＝5)的额定电流(作为最靠外的极限)之间选择。
在一个适宜的设计方案中，评估电路可以包括微控制器，在所述微控制器上运行用于评估电流变量信号和用于产生电流变量电压信号的程序。换言之，评估电路可以以软件实现，所述软件通过微控制器运行。
评估电路可以附加地或替选地构成为晶体管级，所述晶体管级产生电流变量电压信号。在最简单的设计方案中，评估电路可以构成为放大器，所述放大器从电流变量信息中产生电流变量电压信号。
根据另一适宜的设计方案，评估电路可以构成用于，根据电流变量信号延迟电流变量电压信号的输出。例如，在少量超出额定电流(例如2倍额定电流)的情况下在从检测过电流起的时间段t1之后产生电流变量电压信号，而在较大地超过额定电流(例如4倍超出额定电流)的情况下在从出现过电流起的时间段t2之后产生电流变量电压信号，其中t2小于t1。与评估电路的设计方案相关地，在此可以对不同的电流变量信号进行任意分级，所述电流变量信号例如可以在表格中保存或者通过等式描述。
在一个较简单的设计方案中，半导体开关装置可以包括仅一个唯一的可控半导体开关元件。如已经描述的那样，半导体开关装置也可以包括多个可控半导体开关元件，其中尤其地，提出具有两个彼此反串联地连接的半导体开关元件的设计方案。
根据另一方面，提出一种具有如在本文中描述的过电流保护设备的直流电网。直流电网具有与在上文中结合根据本发明的过电流保护设备描述的优点相同的优点。
根据另一方面，提出一种用于防御直流电网的负载路径中的过电流的方法。所述方法包括如下步骤：检测流过设置在负载路径中的可控半导体开关装置的电流的水平；所述检测步骤优选地通过设置在负载路径中的电流装置进行。提供代表电流变量的电流变量信号。从电流变量信号中产生电流变量电压信号，使得当流过可控半导体开关装置的电流的水平超过预定义的电流极限值时，所述电流变量电压信号具有大于预设的电压极限值的值，在所述电流极限值的情况下，应促使可控半导体开关装置切换至截止；所述产生步骤优选地通过评估电路进行。将电流变量电压信号作为电压信号输送给设为用于操控可控半导体开关装置的控制单元的过电流监控单元的过电流监控输入端。并且当施加在过电流监控输入端处的电压信号超过预设的电压极限值时，促使优选控制单元的驱动电路将可控半导体开关装置切换至截止；所述促使步骤优选地通过控制单元的过电流监控单元进行。
概述的目的提出也通过根据本发明的计算机程序产品来实现。计算机程序产品构成为可在控制单元中运行。计算机程序产品能够作为软件或固件存储在存储器中并且构成为可通过计算机构运行。替选地或补充地，计算机程序产品也可以至少部分地构成为固定布线的电路，例如ASIC。计算机程序产品构成用于，接收、评估电压信号并且产生给控制单元的驱动电路的指令。根据本发明，计算机程序产品构成用于，实现和执行概述的用于防御直流电网的负载路径中的过电流的方法的至少一个实施方式。在此，计算机程序产品可以将该方法的全部子功能组合成一体，即单片地构成。替选地，计算机程序产品也可以分区段地构成并且将子功能分别分布于区段上，所述区段在单独的硬件上构成。例如，该方法的一部分可以在评估电路中执行而该方法的另一部分可以在控制单元、如例如SPS或计算机云中执行。
附图说明
本发明在下文中详细地根据附图中的实施例描述。附图示出：
图1示出根据本发明的过电流保护设备的一般性的第一设计方案变型形式的示意图；
图2示出根据本发明的过电流保护设备的第二设计方案变型形式的示意图；
图3示出根据本发明的过电流保护设备的第三设计方案变型形式的示意图；和
图4示出根据本发明的过电流保护设备的第四设计方案变型形式的示意图。
具体实施方式
图1至4示出用于保护在直流电网中设置的并且在附图中未分别示出的消耗器的过电流保护设备1的示意图。在细节中同样未示出的直流电网(DC电网)在供电端子或轨道处提供直流电压。直流电压例如可以由电池提供。也可以为其他任意能量源或多个能量源的组合，在所述能量源的端子处提供直流电压。这种能量源例如可以是光伏设施和/或电池存储器，但是也可以是整流器，所述整流器通过对由交流电压源产生的交流电压整流来产生直流电压。
因为直流电压网的设计方案和消耗器的细节对于本发明的理解都不重要，所以在图1至4中仅示出负载路径2，所述负载路径将供电端子或轨道和一个或多个消耗器经由过电流保护设备1连接。
过电流保护设备1包括在负载路径2中设置的半导体开关装置10。可控半导体开关装置10包括至少一个可控半导体开关元件11、12(如在图2至4中示出的那样)。作为可控半导体开关元件11、12尤其考虑功率电子器件，如例如MOSFET或IGBT。一个或多个功率电子器件可以是n沟道型的或p沟道型的或者是npn型的或pnp型的。半导体材料可以基于硅(Si)或碳化硅(GaN)等。
半导体开关装置10的一个或多个可控半导体开关元件11、12的操控通过控制单元20进行。控制单元20包括驱动电路21，所述驱动电路在信号输出端21S处提供用于半导体开关装置10的操控信号，借助所述操控信号可以将相应的可控半导体开关元件11、12切换至导通或截止。在图1至4中可控半导体开关元件11、12通过驱动电路21的共同的操控信号来操控。本领域技术人员清楚的是，可控半导体开关元件11、12中的每个也可以通过不同的操控信号操控，所述操控信号由不同的驱动电路产生。
此外，控制单元20还包括过电流监控单元22。过电流监控单元22与控制单元20的过电流监控输入端22S耦合。在过电流监控输入端处，过电流监控单元22接收电压信号s3，其中如果电压信号超出预设的电压极限值，那么产生用于驱动电路21的控制信号s4，以便将半导体开关装置10的开关元件切换至截止。
过电流监控输入端22S是在典型的控制单元20中存在的去饱和监控引脚(DESAT引脚)，所述去饱和监控引脚借助于通常同样存在的过电流保护单元22在负载路径2中的过电流I大的情况下产生控制信号s4。大的过电流典型地是流过负载路径2的额定电流Inenn的4至6倍，所述额定电流受原理决定而形成。
在常规的过电流保护设备中，电压信号ss代表降落在半导体开关装置10的半导体开关元件上的电压。为了降落在半导体开关元件的负载路段上的电压达到或超过预设的电压值，流过半导体开关装置10的电流I必须至少具有4倍的额定电流Inenn。
为了规避所述受原理决定的缺点，根据本发明的过电流保护设备1在负载路径2中设有电流测量装置30。换言之，电流测量装置30与半导体开关装置10串联设置。电流测量装置30检测流过半导体开关装置10的电流I的水平并且提供代表电流变量的电流变量信号s1。电流变量信号s1根据电流测量装置30的设计方案代表电压值或电流值。
电流变量信号s1输送给评估电路40。评估电路40构成用于，从输送给其的电流变量信号s1中产生电流变量电压信号s2，所述电流变量电压信号作为电压信号s3在过电流监控单元22的过电流监控输入端22S处输送给过电流监控单元22，即s2＝s3。评估电路40在此产生电流变量电压信号s2，使得当流过可控半导体开关装置10的电流I超过预定义的电流极限值时，所述电流变量电压信号具有大于(过电流监控单元22的)预设的电压极限值的值，所述电流极限值可以可变地设定。预定义的电流极限值选择成，使得在超出所述电流极限值时，通过控制单元20促使可控半导体开关装置10切换至截止，其方式为：过电流监控单元22确定超出预设的电流极限值并且输出用于驱动电路21的控制信号s4，由此驱动电路将半导体开关装置10切换至截止。
过电流保护设备1的基本原理因此提出，通过电流测量装置30产生的电流变量信号s1由评估电路40处理成，使得在过电流监控输入端22S处施加(DC)信号，所述(DC)信号引起半导体开关装置10切换至截止。电流测量装置30和评估电路40因此仿效半导体开关装置的去饱和的半导体开关元件从而能够作为电压信号s3产生如下电压，当满足对于过载和/或短路的条件时，所述电压变为有效。
由此可行的是，半导体开关装置10在过电流较小、例如为额定电流的1.2、1.5或2倍的情况下也已经置于截止状态中。
由于信号引导不必电流隔离，则得到过电流保护设备的快速的反应速度和成本适宜的构造。
图2至4在下文中示出在上文中描述的方法的不同的实施方式。
在图2中，半导体开关装置10包括第一和第二半导体开关元件11和12，所述第一和第二半导体开关元件彼此反串联地连接。第一和第二半导体开关元件11、12例如是IGBT。相应的续流二极管出于概览的原因没有示出。第一和第二半导体开关元件11、12的控制端子11S、12S从控制单元20的驱动电路21的信号输出端21S接收共同的操控信号。电流测量装置30，在此构成为分流器，串联地设置在第一和第二半导体开关元件11、12之间。在此，第一和第二半导体开关元件11、12的相应的发射极端子11E、12E与分流器31的相应的端子连接。集电极端子11C、12C在负载路径中设置在背离分流器31的侧上。
例如，评估电路40构成为运算放大器。受制于构造，构成为分流器31的电流测量装置30作为电流变量信号s1提供电压，所述电压在放大器42的输入端处检测。放大器42于是产生电流变量电压信号s2，所述电流变量电压信号作为电压信号s3输送给过电流监控单元22。
尽管构成为分流器31的电流测量装置30在本实施例中设置在第一和第二半导体开关元件11、12之间，这不是强制性必需的。仅有意义的是，电流测量装置30与半导体开关装置的元件串联地设置在负载路径2中。
图3示出在图2中描述的实施例的变型形式，其中电流变量电压信号s2输送给微控制器41，所述微控制器于是产生电压信号s3并且在过电流监控输入端22S处提供。借助于微控制器41，例如可行的是，电流变量电压信号s2例如通过滤波处理并且执行其他调整，例如在信号渡越时间方面。例如，可以提出根据负载路径2中的过电流的水平来延迟电压信号s3。
图4示出另一实施例，在所述另一实施例中，作为电流测量装置30例如使用霍尔传感器、GMR传感器或Sigma-Delta转换器，其中于是作为电流变量信号s1输出电流。使用霍尔传感器或GMR传感器作为电流测量装置具有如下优点，与测量部位进行电流隔离。在图4中示出的实施例中，评估电路40的功能通过在微处理器41上运行的软件来实现。微控制器41在其输出端处提供电流变量电压信号s2作为电压信号s3(即s2＝s3)。
评估电路40执行电流变量信号s1的信号处理，所述电流变量信号根据触发条件借助对应的电流变量电压信号s3触发过电流监控输入端22S，以便借此开始将半导体开关装置10的一个或多个开关元件切换至截止。
Claims (13)
1.一种用于直流电网的过电流保护设备，包括：
-可控半导体开关装置(10)，所述可控半导体开关装置设置在所述直流电网的负载路径(2)中；
-具有驱动电路(21)和过电流监控单元(22)的控制单元(20)，所述驱动电路(21)用于操控所述可控半导体开关装置(10)，所述过电流监控单元(22)构成用于，当施加在去饱和监控端子(22S)上的电压信号(s3)超过预设的电压极限值时，促使所述驱动电路(21)将所述可控半导体开关装置(10)切换至截止；
-在所述负载路径(2)中设置的电流测量装置(30)，所述电流测量装置(30)检测流过所述可控半导体开关装置(10)的电流的水平并且提供代表所述电流变量的电流变量信号(s1)；
-评估电路(40)，所述评估电路(40)构成用于，从输送给所述评估电路的电流变量信号(s1)中产生电流变量电压信号(s2)，所述电流变量电压信号在所述过电流监控单元(22)的去饱和监控端子(22S)处作为所述电压信号(s3)输送给所述过电流监控单元，并且
其中所述电流测量装置(30)和所述评估电路(40)共同地构成用于，仿效所述半导体开关装置(10)的去饱和的半导体开关元件，其方式是：所述评估电路(40)还构成用于，产生所述电流变量电压信号(s2)，使得当流过所述可控半导体开关装置(10)的电流的水平超过预先限定的电流极限值时，所述电流变量电压信号具有大于预设的电压极限值的值，在所述电流极限值的情况下，应通过所述控制单元(20)促使所述可控半导体开关装置(10)切换至截止。
2.根据权利要求1所述的过电流保护设备，
其特征在于，
所述电流测量装置(30)构成用于，作为所述电流变量信号(s1)输出电压。
3.根据权利要求1所述的过电流保护设备，
其特征在于，
所述电流测量装置(30)构成用于，作为所述电流变量信号(s1)输出电流。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的过电流保护设备，
其特征在于，
所述电流极限值能够可变地设定。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的过电流保护设备，
其特征在于，
所述电流极限值Ig根据Inenn＜Ig＜x*Inenn来选择，其中Inenn是流过所述负载路径(2)的额定电流并且1＜x＜8。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的过电流保护设备，
其特征在于，
所述评估电路(40)包括微控制器(41)，在所述微控制器上实施用于评估所述电流变量信号(s1)和用于产生所述电流变量电压信号(s2)的程序。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的过电流保护设备，
其特征在于，
所述评估电路(40)构成为运算放大器(42)，所述运算放大器(42)产生所述电流变量电压信号(s2)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的过电流保护设备，
其特征在于，
所述评估电路(40)构成用于，根据所述电流变量信号(s1)延迟所述电流变量电压信号(s2)的输出。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的过电流保护设备，
其特征在于，
所述评估电路(40)构成用于，根据所述电流变量信号(s1)可设定地延迟所述电流变量电压信号(s2)的输出。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的过电流保护设备，
其特征在于，
所述半导体开关装置(10)包括唯一的可控半导体开关元件(11或12)或者两个彼此反串联连接的可控半导体开关元件(11、12)。
11.一种直流电网，其包括根据权利要求1至10中任一项所述的过电流保护设备(1)。
12.一种用于防御直流电网的负载路径(2)中的过电流的方法，其包括如下步骤：
借助电流测量装置(30)检测流过设置在所述负载路径(2)中的可控半导体开关装置(10)的电流的水平；
借助评估电路(40)提供代表电流变量的电流变量信号(s1)；
通过从所述电流变量信号(s1)中产生电流变量电压信号(s2)来共同借助所述电流测量装置(30)和所述评估电路(40)仿效所述半导体开关装置(10)的去饱和的半导体开关元件，使得当流过所述可控半导体开关装置(10)的电流的水平超过预先限定的电流极限值时，所述电流变量电压信号具有大于预设的电压极限值的值，在所述电流极限值的情况下，应促使所述可控半导体开关装置(10)切换至截止；
将所述电流变量电压信号(s2)作为电压信号(s3)输送给设为用于操控所述可控半导体开关装置(10)的控制单元(20)的过电流监控单元(22)的去饱和监控端子(22S)；和
当施加在所述去饱和监控端子(22S)处的电压信号(s3)超过预设的电压极限值时，通过所述控制单元(20)的所述过电流监控单元(22)促使所述控制单元(20)的驱动电路(21)将所述可控半导体开关装置(10)切换至截止。
13.一种计算机可读存储介质，其包括计算机程序，所述计算机程序能够在控制单元(20)中运行，
其特征在于，
所述计算机程序构成用于执行根据权利要求12所述的方法。
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