CN114982085A - 用于保护电负载免受过电压影响的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于保护电负载(9)的保护设备(1)，所述保护设备(1)包括：适于接收供电电压的至少一个输入端子(2)；供电路径(10)中的与相关联的输入端子(2)串联连接的至少一个半导体电源开关(5)，与所述供电路径(10)的输出端子(3)连接的电负载(9)通过所述供电路径接收负载电流IL；所述保护设备(1)还包括：具有微处理器(8A)的控制单元(8)，该控制单元(8)适于响应于接收到的开关命令(CMD)控制所述保护设备(1)的驱动电路(6)以接通或关断设置在供电路径(10)中的至少一个半导体电源开关(5)；所述保护设备(1)还包括：至少一个过电压检测电路ODC(12)，其与所述保护设备(1)的相关联的供电路径(10)连接并且适于检测所述保护设备(1)的相应的供电路径(10)处的过电压状态并在过电压检测电路ODC(12)检测到过电压状态时，通过与驱动电路(6)的低电压侧(6A)的驱动器输入端(IN)连接的控制线(12、20)直接控制驱动电路(6)，以关断设置在相关联的供电路径(10)内的至少一个半导体电源开关(5)以保护连接的电负载(9)免受过电压的影响。

Description

用于保护电负载免受过电压影响的方法和设备

本发明涉及用于保护与保护设备的输出端子连接的电负载免受过电压影响的方法和设备。

当电路或负载装置的一部分中的电压升高到超过设计上限时，这也被称为过电压。可能存在许多可能发生过电压的不同的情况和条件。根据其持续时间，过电压事件可能是瞬态的，即电压尖峰的出现，也可能是永久性的，导致电涌。例如，雷击可能在供电网络中导致过电压，这进而导致与供电网络连接的电负载被损坏。此外，电压尖峰可能是由接通或关断感应负载(例如电动机)时的电磁感应或切换大电阻AC负载引起的。由于可能发生包括电压尖峰的瞬态过电压，因此需要尽可能快地关断所连接的负载以避免对其内部电路造成任何损坏。

因此，本发明的一个目的是提供一种在最少的关断期间内关断所连接的负载的用于保护电负载免受过电压影响的保护设备。

根据本发明的第一方面，上述目的通过包括权利要求1的特征的保护设备来实现。

根据第一方面，本发明提供一种用于保护电负载免受过电压影响的保护设备，

所述保护设备包括：

至少一个输入端子，该输入端子适于接收供电电压；供电路径中的至少一个半导体电源开关，该半导体电源开关与相关联的输入端子串联连接，与供电路径的输出端子连接的电负载通过该供电路径接收电负载电流，其中所述保护设备还包括具有微处理器的控制单元CU，该控制单元适于响应于接收到的开关命令控制所述保护设备的驱动电路接通或关断设置在供电路径中的至少一个电源开关，

其中保护设备还包括：

至少一个过电压检测电路ODC，该过电压检测电路ODC与所述保护设备的相关联的供电路径连接，并且适于检测保护设备的相应的供电路径处的过电压状态并在所述过电压检测电路ODC检测到过电压状态时，通过与驱动电路的低电压侧的驱动器输入端连接的控制线直接控制驱动电路在短的关断期间内关断设置在相关联的供电路径内的至少一个半导体电源开关，以为所连接的电负载提供免受过电压影响的保护，

其中短的关断期间由沿着控制线的控制信号传播延迟和沿着驱动电路的内部电路的传播延迟来预定。

在一个优选的实施方式中，根据本发明的第一方面的保护设备能够在小于1毫秒的关断期间内关断供电路径内的至少一个半导体电源开关。这是可能的，因为驱动电路的内部电路的传播延迟小于200纳秒。

在一个优选的实施方式中，过电压检测电路包括具有最小传播延迟的快速模拟控制路径，使得对于在供电路径中检测到的过电压瞬变实现小于1微秒的关断期间。在一个可能的实施方式中，可以通过可配置的阈值来调整过电压检测电路对瞬态或永久过电压的灵敏度。

在根据本发明的第一方面的保护设备的一个可能的实施方式中，控制单元与用户界面连接以接收开关命令。

具有微控制器的保护设备的控制单元可以响应于接收到的开关命令通过控制保护设备的集成驱动电路来接通或关断供电路径中的至少一个半导体电源开关。

在根据本发明的第一方面的保护设备的替代实施方式中，保护设备的控制单元与自动化系统的系统级控制器连接以接收开关命令。在该实施方式中，在控制单元CU的控制下，响应于从系统级控制器接收的开关命令CMD，执行供电路径内的至少一个半导体电源开关的关断。在一个可能的实施方式中，控制单元CU可以通过控制接口从系统级控制器接收开关命令CMD。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一个可能的实施方式中，保护设备包括三个并联的供电路径，每个供电路径将输入端子与相关联的输出端子连接。在一个可能的实施方式中，设置在三个供电路径中的每一个供电路径中的至少一个半导体电源开关包括IGBT或功率MOSFET，该IGBT或功率MOSFET具有超过施加到保护设备的供电路径的输入端子的供电电压的正常操作电压的阻断电压。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，所述至少一个半导体电源开关的控制栅极直接与驱动电路的驱动器输出端连接。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，包括多个供电路径的保护设备包括对应数量的相关联的过电压检测电路ODC，其中每个相关联的过电压检测电路可以与相应的供电路径的输入端子和/或输出端子连接。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，与相关联的供电路径的输入端子或输出端子连接的每个过电压检测电路ODC包括：适于对相关联的供电路径的相应的端子处的电压进行整流的整流器、特别是桥式整流器；以及适于将低通滤波信号转换成施加到数字比较器的数字信号的模数转换器ADC，该数字比较器在所述保护设备的控制单元CU的微处理器中实现，并适于将模数转换器ADC输出的低通滤波信号与第一可调数字阈值进行比较以检测相关联的供电路径的相应的端子处的电压的低频漂移，并且还适于在检测到低频漂移时生成高逻辑信号。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，每个过电压检测电路ODC还包括快速模拟比较器、特别是施密特触发器电路，该快速模拟比较器适于将整流器输出的整流电压与阈值设定点进行比较以检测相关联的供电路径的相应的端子的电压的过电压瞬变，并且还适于在过电压检测电路ODC的模拟比较器检测到过电压瞬变时，生成逻辑使能信号以使驱动电路能够关断设置在相关联的供电路径中的至少一个半导体电源开关。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，由在控制单元CU的微处理器中实现的数字比较器生成的逻辑信号和由过电压检测电路ODC的模拟比较器生成的逻辑使能信号由过电压检测电路ODC的与门逻辑地组合以提供逻辑电压状态信号，该逻辑电压状态信号指示检测到的相关联的供电路径的相应的端子的瞬时电压状态，其中逻辑电压状态信号被施加到驱动电路的低电压侧的驱动器输入端。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，在整流器与模拟比较器之间设置有模拟高通滤波器HPF，该模拟高通滤波器HPF适于对整流器输出的整流电压执行高通滤波。

在根据本发明的第一方面的保护设备的又一可能的实施方式中，在整流器与模数转换器ADC之间设置有模拟低通滤波器LPF，该模拟低通滤波器LPF适于对整流器输出的整流电压执行低通滤波。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，过电压检测电路ODC的整流器通过电位分离电路与相关联的供电路径连接。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，驱动电路适于向控制单元CU的微处理器提供监控信号，该监控信号适于通知微处理器驱动电路的当前操作状态和/或相关联的供电路径内的至少一个电源开关的当前开关状态。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，过电压检测电路ODC的模拟比较器的阈值设定点由控制单元的微处理器通过数模转换器DAC设置，其中阈值设定点在保护设备的第一操作模式中包括固定阈值并且在保护设备的第二操作模式中包括移动阈值。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，保护设备还包括与供电路径中的所述至少一个半导体电源开关串联连接的负载电流传感器组件，其中负载电流传感器组件适于连续测量流经供电路径中的至少一个半导体电源开关到达所连接的电负载的负载电流I_L，其中测量到的负载电流I_L由负载电流传感器组件通知给控制单元CU的微处理器，以确定与相应的供电路径的输出端子连接的电负载的瞬时负载状态。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，保护设备还包括与所述至少一个半导体电源开关和负载电流传感器组件串联连接的电流上升速度传感器组件、特别是线圈，该电流上升速度传感器组件适于生成与负载电流I_L的电流上升速度相对应的电压降，负载电流I_L从输入端子沿着供电路径通过电流上升速度传感器组件和至少一个半导体电源开关和负载电流传感器组件流到供电路径的相应的输出端子，

其中，保护设备的驱动电路适于根据电流上升速度传感器组件生成的电压降和沿着至少一个半导体电源开关的电压降检测发生的过电流，并在检测到过电流时在小于1毫秒的关断期间内自动关断所述至少一个半导体电源开关，以提供免受过电流影响的保护，电流上升速度传感器组件生成的电压降和沿着至少一个半导体电源开关的电压降作为总和电压直接被施加到驱动电路的高电压侧的驱动器输入端，其中小于1毫秒的关断期间由沿着控制路径的信号传播延迟来限定，该控制路径包括将电流上升速度传感器组件与驱动电路的高电压侧的驱动器输入端连接的连接电路以及驱动电路的高电压侧内的内部电路连接。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，所述保护设备包括：

第一过电压检测电路ODC1，其与相关联的供电路径的输入端子连接并且适用于确定输入端子处的瞬时电压状态，并且还包括：

第二过电压检测电路ODC2，其与相关联的供电路径的输出端子连接并且适于确定输出端子处的瞬时电压状态。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，对由第一过电压检测电路ODC1确定的输入端子处的瞬时电压状态和由第二过电压检测电路ODC2确定的输出端子处的瞬时电压状态进行处理以确定相关联的供电路径的两个端子处的瞬时整体电压状态，该瞬时整体电压状态由逻辑门逻辑地组合以在检测到相关联的供电路径的两个端子处的整体过电压状态时，触发保护设备的驱动电路自动关断相关联的供电路径的至少一个半导体电源开关。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，电流上升速度传感器组件、至少一个半导体电源开关和负载电流传感器组件沿着供电路径串联连接并形成设置在保护设备的输入端子和输出端子之间的次级电流路径，其中在输入端子和输出端子之间设置包括可控机械开关的初级电流路径，该初级电流路径与次级电流路径并联连接。

根据另一方面，本发明还提供了一种具有权利要求19的特征的用于为电负载提供免受过电压影响的保护的方法。

根据第二方面，本发明提供了一种用于为电负载提供免受过电压影响的保护的方法，

其中该方法包括以下步骤：

检测在包括至少一个半导体电源开关的供电路径处的过电压，其中供电路径将负载电流提供给连接的电负载；

将控制信号沿着控制路径施加到驱动电路的驱动器输入端，以在短的关断期间内触发供电路径的至少一个半导体电源开关的关断，所述关断期间由沿着控制路径的控制信号传播延迟和沿着驱动电路的内部电路的传播延迟来限定。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的不同方面的可能实施方式。

图1示出了用于说明根据本发明的第一方面的保护设备的可能示例性实施方式的框图；

图2示出了用于说明根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的示例性实施方式的另一框图；

图3示出了用于说明根据本发明的第一方面的保护设备的可能示例性实施方式的另一框图；

图4示出了用于说明根据本发明的第一方面的保护设备的可能示例性实施方式的电路图；

图5示出了用于说明根据本发明的第一方面的保护设备的可能示例性实施方式的另一框图；

图6A至图6D示出了根据本发明的第一方面的保护设备内的供电路径的可能实现方式；

图7示出了用于说明根据本发明的另一方面的用于为电负载提供免受过电压影响的保护的方法的可能示例性实施方式的流程图；

图8示出了根据本发明的保护设备的驱动电路的可能实现方式的内部电路的电路图；

图9更详细示出了图2的实施方式中的驱动电路的高电压侧的连接电路；

图10、图11示出了说明保护设备的操作的信号图。

从图1的框图可以看出，提供了保护设备1，用于保护与保护设备1的输出端子3连接的电负载9。保护设备1包括适于接收供电电压U_IN的至少一个输入端子2。该供电电压可以包括来自供电网络PSN的AC供电电压U_AC。如图1所示，保护设备1还包括至少一个输出端子3。输入端子2和输出端子3通过图1所示的供电路径10相互连接，该供电路径10包括至少一个半导体电源开关5。还如图2所示，至少一个半导体电源开关5可以与另外的组件串联连接。负载9从供电路径10的输出端子3接收负载电流I_L。施加到输入端子2的供电电压U_IN在可能的实施方式中还可以包括DC供电电压。

保护设备1还包括控制单元8，该控制单元8包括处理器8A，该控制单元8适于响应于接收到的开关命令CMD控制保护设备1的驱动电路6接通或关断设置在供电路径10内的至少一个半导体电源开关5。在一个可能的实施方式中，保护设备1可以从实体11接收开关命令CMD，该实体11可以包括用户界面或远程系统级控制器。响应于接收到的命令CMD，控制单元8的微处理器8A可以通过相关联的驱动电路6触发供电路径10内的至少一个半导体电源开关5的自动接通或自动关断。

如图1所示，根据本发明的第一方面的保护设备1在所示的实施方式中包括与相关联的供电路径10连接的至少一个过电压检测电路(ODC)12。过电压检测电路12适于检测相关联的供电路径10处的过电压状态，并且可以通过控制线13直接控制驱动电路6，控制线13通过与门14与驱动电路6的低电压侧6A的驱动器输入端IN连接。过电压检测电路12可以通过控制线13提供施加到与门14的输入端的使能控制信号。这也在图3中更详细示出。过电压检测电路12可以通过控制线13直接控制驱动电路6，以在过电压检测电路12检测到过电压状态时通过驱动电路6触发半导体电源开关5的关断，以为负载9提供免受过电压影响的保护。在图1所示的实施方式中，过电压检测电路12在节点15处连接至供电路径10以检测供电路径10的输入侧的过电压状态。在替代的实施方式中，过电压检测器电路12也可以连接至供电路径10的输出侧，即连接至与保护设备1的输出端子3连接的节点，以检测保护设备1的输出侧的过电压状态。如图1所示，图1所示的过电压检测电路12还通过信号线16与模数转换器(ADC)17连接，该模数转换器(ADC)17在其输出侧与控制单元8的输入端连接。通过信号线13与与门14连接的过电压检测电路(ODC)12的第一输出指示在沿着供电路径10的信号内检测到的高频瞬变TR(也如图10A所示)。过电压检测电路12的另一个输出提供关于通过供电路径10施加到保护设备1的输出端子3的信号内的缓慢电压漂移(图10B所示)的信息。如图1所示，过电压检测电路12和与门14和驱动电路6以及模数转换器17和控制单元8一起形成与供电路径10相关联的控制路径18。

与相关联的供电路径10连接的过电压检测电路12适于检测相应的供电路径10处的过电压并在过电压检测电路12检测到过电压状态时，通过与门14到驱动电路6的低电压侧6A的驱动器输入端IN之间的控制线20直接控制驱动电路6触发设置在相关联的供电路径10内的至少一个半导体电源开关5的关断，以为负载9提供免受过电压影响的保护。

在可能的实施方式中，设置在供电路径10中的至少一个半导体电源开关5可以包括功率MOSFET、特别是N-MOSFET。在替代的实施方式中，半导体电源开关5也可以包括IGBT。至少一个半导体电源开关5具有超过所接收的施加到保护设备1的输入端子2的AC供电电压U_AC的正常操作电压的阻断电压。至少一个半导体电源开关5的控制栅极21直接与驱动电路6的高电压侧6B的驱动电路6的驱动器输出端OUT连接。在优选的实施方式中，驱动电路6适于通过控制线19在小于1毫秒的关断期间内关断至少一个半导体电源开关5，所述关断期间由沿着第一控制线13、与门14的输出端和驱动器输入端IN之间的控制线20的信号传播延迟以及沿着驱动电路6的内部电路的传播延迟来限定。在可能的实施方式中，驱动器输入端IN和驱动器输出端OUT之间的驱动电路6的内部电路内的信号传播延迟小于200纳秒。根据过电压检测电路12的实现方式，可以实现非常短的关断期间。在可能的实施方式中，关断期间可以低至1微秒。在任何情况下，都提供了小于1毫秒的短的关断期间，该关断期间由图1所示的沿着从节点15开始并在电源开关5的控制栅极21处结束的控制线的传播延迟来限定。因此，节点15与供电路径10内的至少一个半导体电源开关5的控制栅极21之间的信号传播延迟限定了响应于发生的过电压而关断半导体电源开关5的关断期间。由于沿着驱动电路6的传播延迟非常低并且包括小于200纳秒，因此在可能的实施方式中可以实现1微秒的非常短的关断期间。即使在过电压检测电路12中使用相对较慢的电路时，使用驱动电路6仍然可以实现小于1毫秒的非常低的关断期间。在可能的实施方式中，可以使用英飞凌科技公司(Infineo Technologies)制造的驱动电路1ED020/12-B2。该驱动电路包括通过变压器T1、T2彼此流电分离的两个分离的电路半部，也如图4所示。驱动电路6包括低电压侧6A和高电压侧6B。设置在低电压侧的驱动器输入端IN通过与门14接收来自过电压检测电路12和来自控制单元8的信号。设置在高电压侧6B的驱动电路6的驱动器输出端OUT将驱动电路6直接连接至可控电源开关5的控制输入端21。

在图1所示的实施方式中，由在控制单元8的微处理器8A中实现的数字比较器COMP1生成的逻辑信号和由过电压检测电路12的模拟比较器COMP2生成的逻辑使能信号由与门14逻辑地组合以提供逻辑电压状态信号，该逻辑电压状态信号指示在供电路径10处检测到的瞬时电压状态。逻辑电压状态信号通过控制线20被施加到驱动电路6的低电压侧6A的驱动器输入端IN。在可能的实施方式中，驱动电路6还适于向控制单元8的微处理器8A提供监控信号，该监控信号适于通知微处理器8A驱动电路6本身的当前操作状态和/或设置在供电路径10内的至少一个电源开关5的当前开关状态。在图1所示的实施方式中，驱动电路6通过信号线22向控制单元8的微处理器8A提供监控信号。

图2示出了根据本发明的保护设备1的另一可能的实施方式的框图。在图2所示的实施方式中，输入端子2和输出端子3之间的供电路径10包括附加组件、特别是电流上升速度传感器组件4和负载电流传感器组件7。电流上升速度传感器组件4可由线圈构成。如图2所示，负载电流传感器组件7与供电路径10的至少一个电源开关5串联连接。负载电流传感器组件7适于连续测量流经与输出端子3连接的电负载9的供电路径10中的至少一个半导体电源开关5的负载电流I_L。负载电流传感器组件7通过图2所示的信号线23将测量到的负载电流I_L通知给控制单元8的微处理器8A。控制单元8的微处理器8A适于基于通过信号线23接收的负载电流I_L确定与供电路径10的输出端子3连接的电负载9的瞬时负载状态。电流测量单元7可以由霍尔传感器实现。在另一替代的实施方式中，负载电流传感器组件7还可以包括GMR传感器。在又一替代的实施方式中，负载电流传感器组件7还可以由通过模数转换器与控制单元8的输入端连接的变压器形成。因此，保护设备1的负载电流传感器组件7可以包括适于连续测量流向供电路径10的输出端子3的负载电流I_L的霍尔传感器、GMR传感器、分流电阻器或变压器，负载电流I_L被通知给控制单元8。连续测量的负载电流I_L可以提供负载电流曲线，在可能的实施方式中，该负载电流曲线可以存储在控制单元8的数据存储器中。

在可能的实施方式中，供电路径10可以包括可以由控制单元8的微处理器8A直接控制的另外的组件，例如继电器。在半导体电源开关5的关断失败的情况下，设置在供电路径10中的这种机械开关可以提供额外的安全性。在一个可能的实施方式中，如果控制单元8的微处理器8A已经确定了电负载9的过载状态，则机电继电器可以与至少一个半导体电源开关5串联连接以中断电流流动。在一个可能的实施方式中，由负载电流传感器组件7测量的负载电流I_L可以通过模数转换器转换成存储在控制单元8的数据存储器中的数字测量值。

在图2中可以看出，可以由线圈构成的电流上升速度传感器组件4在供电路径10内与至少一个半导体电源开关5和负载电流传感器组件7串联连接。电流上升速度传感器组件4适于生成与流经供电路径10的负载电流I_L的电流上升速度相对应的电压降ΔU₄。此外，如图2所示，沿着半导体电源开关5存在电压降ΔU₅，例如沿着MOSFET 5的漏源电压U_DS。生成的电压降ΔU₄和沿着半导体电源开关5的电压降ΔU₅作为总和电压U_∑直接施加到图2所示的驱动电路6的高电压侧6B的驱动器输入端DESAT。施加的总和电压U_∑可以在检测到流过供电路径10的过电流时在小于1毫秒的关断期间内触发至少一个半导体电源开关5的自动关断，以还提供免受过电流影响的保护。因此，提供图2的实施方式所示的保护设备1以提供免受过电压和过电流影响的保护。提供免受过电流影响的保护的小于1毫秒的关断期间由沿着另一个控制回路的信号传播延迟来限定，该控制回路包括将电流上升速度传感器组件4沿着信号线24A、24B与驱动电路6的高电压侧6B的驱动器输入端DESAT连接的内部电路以及驱动电路6的高电压侧6B的内部电路。由高电压侧6B的内部电路引起的信号传播延迟甚至低于从低电压侧6A的驱动器输入端IN到高电压侧6B的驱动器输出端OUT的传播延迟。因此，由在DESAT输入端和驱动器输出端OUT之间的高电压侧6B的内部电路引起的信号传播延迟小于200纳秒。总和电压U_∑对应于图2所示的供电路径10内的节点25A、25B之间的电压降，节点25A、25B通过信号线24A、24B与驱动电路6的高电压侧6B的输入端连接。

图3示出了用于说明根据本发明的第一方面的保护设备1的可能的实施方式的另一框图。图3更详细示出了保护设备1内的过电压检测电路(ODC)12的可能示例性实施方式。过电压检测电路12与供电路径10相关联，并且适于检测供电路径10内的过电压。在图3所示的实施方式中，过电压检测电路12在其输入侧在节点15处与供电路径10连接。过电压检测电路12在所示的实施方式中包括适于在供电路径10与过电压检测电路12的其他电路之间提供电位分离的电位分离电路26。电位分离电路26提供高电压侧(即，供电路径10)与包括过电压检测电路12的电路的低电压侧之间的电位分离。在高电压侧，根据使用情况，可能会有超过400伏(最高1500伏)的高电压。在低电压侧，控制电路的典型的供电电压在5至24伏DC之间变化。过电压检测电路12包括适于对通过电位分离电路26接收的电压进行整流的整流器27。整流器27可以包括例如桥式整流器，也如图4所示。在图3所示的实施方式中，过电压检测电路12包括适于对整流器27输出的整流电压执行高通滤波的模拟高通滤波器(HPF)28。如图3所示，高通滤波器28通过信号线29与整流器27的输出端连接。在图3所示的实施方式中，过电压检测电路12还可以包括通过信号线31与整流器27的输出端连接的低通滤波器(LPF)30。低通滤波器30适于对整流器27输出的整流电压执行低通滤波。低通滤波器30的输出端通过信号线32与模数转换器(ADC)17连接，该模数转换器(ADC)17将低通滤波信号转换成数字样本，该数字样本通过信号线33施加到在控制单元8的微处理器8A中实现的数字比较器34。模数转换器17适于将从低通滤波器30接收的低通滤波信号转换成数字信号或样本，该数字信号或样本被施加到在控制单元8的微处理器8A中实现的数字比较器34。在微处理器8A中实现的数字比较器34适于将由模数转换器17输出的低通滤波数字信号与第一可调数字阈值TH1进行比较，以检测也如图10B所示的供电路径10处的电压的低频漂移。数字比较器COMP1 34适于在检测到低频漂移时生成高逻辑信号，其中高逻辑信号通过信号线35提供给图3所示的与门14的输入端。

图3所示的过电压检测电路12还包括通过信号线37与高通滤波器28的输出端连接的快速模拟比较器COMP2 36。在一个可能的实现方式中，也如图4的实施方式所示，模拟比较器COMP2 36可以由施密特触发器电路形成。模拟比较器36适于将整流器27输出的由高通滤波器(HPF)28进行高通滤波的整流电压与阈值设定点TH2进行比较，以检测也如图10A所示的供电路径10处的电压的过电压瞬变TR。模拟比较器36适于生成通过控制线13施加到图3所示的与门14的输入端的逻辑使能信号。所生成的逻辑使能信号被提供用于在模拟比较器36检测到过电压瞬态TR时使驱动电路6能够关断设置在相关联的供电路径10内的至少一个半导体电源开关5。在图3所示的实施方式中，过电压检测电路12的模拟比较器COMP2 36的阈值设定点TH2可以由控制单元8的微处理器8A通过数模转换器DAC 38设置。阈值设定点TH2可以在保护设备1的第一操作模式中包括固定阈值。此外，阈值设定点TH2也可以在保护设备1的第二操作模式中包括移动阈值。

图3的实施方式中所示的过电压检测电路12包括模拟高通滤波器(HPF)28和模拟低通滤波器(LPF)30。模拟高通滤波器28和模拟低通滤波器30的设置是可选的。因此，在替代的实施方式中，过电压检测电路12可以省去高通滤波器(HPF)28和低通滤波器(LPF)30。在可能的实现方式中，模数转换器(ADC)17和数模转换器(DAC)38也可以集成在控制单元8中。ADC17的采样率和DAC 38的转换率可以由微处理器8A控制。

图4示出了用于说明根据本发明的第一方面的保护设备1的可能示例性实施方式的电路图。图4和图8更详细示出了驱动电路6。如图8所示，驱动电路6包括由变压器T1、T2分离的低电压侧6A和高电压侧6B。

过电压检测电路12在节点15A、15B处与AC线和中性线N连接，该AC线与供电路径10连接。过电压检测电路(ODC)12在所示实施方式中在其输入侧包括电位分离电路26，该电位分离电路26由具有大于1兆欧的高电阻的两个电阻器26A、26B实现。该高电阻提供了过电压检测电路12的输入端与高电压供电路径的电位分离。电阻器26A、26B的高电阻提供了与可与AC电网或供电网络PSN连接的输入端子2的高阻抗耦合，以避免任何过电流流入过电压检测电路12的电路中。在替代的实施方式中，输入端子2可以与DC供电电源连接。在替代的实现方式中，电位分离电路26可以通过其他方式实现，例如通过电感耦合。整流器27在所示的实施方式中被实施为包括四个二极管D的桥式整流器。桥式整流器27适于对从电位分离电路26接收的电压进行整流以提供经整流的输出电压。模拟比较器COMP2 36在所示的实施方式中由施密特触发器电路实现。在所示的实现方式中，施密特触发器电路的运算放大器的反相输入端(-)通过Z二极管38与桥式整流器电路27连接。Z二极管38提供了与单纯的电阻耦合相比更强的抗误触发模拟比较器COMP2 36的稳健性。施密特触发器比较器36包括滞后。

由桥式整流器27提供的输出电压可以通过由两个电阻器39A、39B组成的信号调节电路39通过信号线31A、31B提供给模数转换器(ADC)17的输入端。通过信号线31A、31B输送的逻辑信号提供关于与保护设备1的输入端子2连接的AC线处的信号幅度的信息。模数转换器17将接收到的信号转换成数字样本，该数字样本通过信号线33施加到在控制单元8的微处理器8A中实现的数字比较器34。数字比较器34适于将转换的数字样本与第一可调数字阈值TH1进行比较，以检测与保护设备1的输入端子2连接的AC线处的电压的低频漂移。如果检测到低频漂移，则数字比较器34提供高电压信号，并且通过信号线35将高逻辑信号施加到与门14的输入端。图4所示的实现方式的优点是，比较器34可以在控制单元8的微控制器8A中实现并且可以直接由微处理器8A执行的控制程序控制。因此，可以通过软件控制程序在该控制路径中设置阈值。

此外，在所示的实现方式中，模拟比较器(例如，施密特触发器36)的阈值设定点由控制单元8的微处理器8A通过图4所示的数模转换器(DAC)38设置。在保护设备1的第一操作模式中，设置固定阈值。在该操作模式下，模拟比较器COMP2 36仅根据绝对幅度(50Hz和过电压峰值的叠加)触发。在保护设备1的第二操作模式中，设置移动阈值。在该第二操作模式中，可以在保护设备1的正常操作期间增加信噪比SNR。比较器设定点可以在50Hz信号为高时降低，并且可以在50Hz信号为低时增加。

如果AC电压U_AC在允许的范围内，则模拟快速施密特触发器比较器COMP2 36在所示的实施方式中提供高逻辑信号，并通过信号线13将该高逻辑信号施加到与门14的第一输入端。相比之下，如果AC电压U_AC太高并且存在过电压，则模拟比较器36提供低逻辑信号，该低逻辑信号通过信号线13被施加到与门14的第一输入端。因此，模拟比较器COMP2 36(施密特触发器)的输出信号提供使能信号，该使能信号使逻辑控制信号能够从微处理器8A通过与门14的第二输入端传输到驱动电路6的低电压侧6A的驱动器输入端IN。控制单元8可以从实体11，即从用户界面或从系统级控制器接收接通或关断命令CMD。如果接收到的命令CMD是ON命令，则通过控制线35将高逻辑信号提供给与门14的第二输入端。该高逻辑信号只能传输到与门14的输出端，并且在由模拟比较器36提供的使能信号ENABLE为高时，可以通过信号线20提供给驱动器输入端IN。因此，如果在供电路径10的AC线上存在高频瞬变TR，则ENABLE信号为低并阻塞与门14，使得即使控制单元8通过线35输出高逻辑接通命令，驱动电路6的低电压侧6A的非反相输入端IN+也不接收高逻辑信号。微处理器8A通过信号线35向与门14的第二输入端提供用户可控的接通、关断信号。如果高逻辑信号被施加到与门14的两个信号输入端，则高电平控制信号被施加到驱动电路6的低电压侧6A的驱动器输入端IN。驱动电路6可以由驱动电路芯片提供，该驱动电路芯片具有在低电压侧6A的引脚和在高电压侧6B的引脚。跨越流电隔离的信号传输由变压器T1、T2实现，变压器T1、T2在驱动电路6的低电压侧6A和高电压侧6B之间提供电感耦合。在图4所示的实施方式中，信号线20将与门14的输出端与驱动电路6的非反相驱动器输入端IN+连接。在可能的实现方式中，驱动电路6还包括反相驱动器输入端。

图4所示的驱动电路6可以包括图8所示的由英飞凌科技公司生产的IED020112-B2驱动电路。驱动电路6由两个流电分离的部分组成。低电压侧6A与过电压检测电路和控制单元8的微处理器8A连接。驱动电路6的输出侧6B与高电压供电路径10连接。高电压侧6B的驱动器输出端OUT可以使用集成MOSFET来提供轨对轨的输出信号。如图4所示，驱动器输出端OUT通过信号线15A、15B直接与半导体电源开关5A、5B的控制栅极21A、21B连接。半导体电源开关5A、5B在所示的实现方式中是功率N-MOSFET。在所示的实施方式中，功率MOSFET 5A、5B与作为线圈实现的相关联的电流上升速度传感器组件4A、4B串联连接。提供这些线圈4A、4B以生成传感器信号以提供过电流保护。半导体电源开关5A、5B以及电流上升速度传感器组件4A、4B设置在将输入端子2和输出端子3连接的供电路径10内。线圈4A、4B可以通过整流器级40(在图9中更详细示出)与驱动电路6的高电压侧6B的DESAT输入引脚连接。沿着半导体电源开关5A、5B的电压降ΔU₅与漏源电压U_DS相对应。沿着半导体电源开关5的电压降ΔU₅和沿着电流上升速度传感器组件4(即线圈4)的电压降ΔU₄作为总和电压U_∑被施加到驱动电路6的DESAT驱动器输入端。电流上升速度传感器组件4不仅测量电流上升速度dI/dt，还可以通过限制电压降(即，功率MOSFET 5处的漏源电压U_DS)为半导体电源开关5提供额外的保护。总和电压U_∑包括与电流上升速度(dI/dt)线性相关的线圈4的电压降ΔU₄，加上沿着具有非线性漏源电压U_DS的半导体电源开关5的电压降ΔU₅。驱动电路6适于基于接收的总和电压U_∑确定供电路径10内发生的短路。在可能的实施方式中，驱动电路6可以在检测到过电流时在小于1微秒内关断电源开关5。电流上升速度传感器组件4的电感L可以单独适应所使用的半导体电源开关5的物理限制。线圈4对环境影响非常稳健并且不涉及生成传感电压ΔU₄的任何电子电路。因此，硬件传感器组件4在保护设备1运行期间发生故障的概率极低。与诸如微分器的传统电子电路相比，硬件传感器组件4、特别是线圈的使用使保护设备1稳健并且增加了其工作寿命。值得注意的是，过电流情况下的关断操作由模拟驱动电路6执行，而不涉及相对缓慢的控制单元8。响应于检测到的过电压而自动执行关断操作。该检测由过电压检测电路12执行。由检测到的过电压引起的关断操作由驱动电路6执行，而不涉及慢速控制单元8，使得可以实现小于1毫秒甚至几微秒的范围内的极短的关断期间。此外，在通过沿着线圈4和电源开关5的电压降检测到过电流的情况下，也触发非常快速的关断操作，而不涉及慢速控制单元8。因此，在小于1毫秒的短的关断期间内也可以实现供电路径10中的至少一个电源开关5的关断。电流上升速度传感器组件4是敏感的，甚至在流向负载9的电流达到可能损坏所连接的负载9的组件的高电流水平之前就生成传感电压ΔU₄。响应于检测到的过电压和/或响应于检测到的过电流通过硬件驱动电路6提供的快速关断操作保证在过电压和/或在发生过电流的情况下向所连接的负载9仅提供小部分的电能。

施加到端子2的所施加的AC供电电压U_AC在可能的实现方式中可以包括例如50至60Hz的频率。电流上升速度传感器组件4可以包括线圈，该线圈在可能的实现方式中包括大约1μH(ΔU₄～L dI/dt)微亨的电感L。对于根据本发明的保护设备1，驱动电路6确实独立于控制单元8操作以在检测到过电压或过电流时在短暂的反应时间内关断相关联的半导体电源开关5A、5B。

在包括图2所示的负载电流传感器组件7的实施方式中，保护设备1还提供免受过载状态影响的保护。因此，保护设备1在使用单个驱动电路6的同时提供了不同的保护机制。

对于过载保护，施加到驱动器输入端IN+的逻辑信号通过低电压侧6A的栅极并感应耦合到驱动电路6的高电压侧6B并沿着栅极传输到驱动电路6的驱动器输出端OUT。相比之下，对于过电流保护，总和电压U_∑直接被注入高电压侧6B的DESAT输入引脚，并沿着栅极通过比较器K3传输到驱动器输出端OUT。在可能的实现方式中，比较器K3的阈值电压可以是可调的。因此，可以调整驱动电路6对由施加到驱动电路6的高电压侧6B的DESAT输入端的总和电压U_∑表示的过电流的灵敏度。对于包括过电压检测电路12的保护设备1，监测供电路径10处的电压，并且在发生过电压事件的情况下，只要存在过电压，半导体电源开关5就自动关断，即断开。只要半导体电源开关5关闭，源极和负载9之间的高阻抗就会使过电压与所连接的负载9保持隔开。为确保正常操作，至少一个半导体电源开关5的阻断电压高于供电电网侧的任何预期过电压。

根据本发明的保护设备1的优点在于，它可以单独监测与输入端子2连接的多相供电系统或供电网络PSN的每一相。因此，如果在供电网络PSN的其中一根供电线上检测到过电压和/或过电流，则触发半导体电源开关5的关断以保护与保护设备1的输出端子3连接的负载9。保护设备1提供的检测响应时间也足以处理高频过电压瞬变TR。在由根据本发明的保护设备1提供的瞬变TR的情况下的关断期间在可能的实现方式中在几微秒的范围内。在任何情况下，反应时间都小于1毫秒。这是可以实现的，因为驱动电路6包括小于200纳秒的非常低的传播延迟。此外，通过每个供电路径10的数字可调关闭阈值实现了高度的灵活性，每个供电路径10的数字可调关闭阈值在可能的实现方式中可以通过与控制单元8的微处理器8A连接的用户界面设置。

所连接的负载9可以包括不同种类的负载，特别是诸如电机的感应负载。负载还可以包括电阻负载，例如加热器。

在供电网络PSN与负载9之间设置的根据本发明的保护设备1是完全可控的并且具有与驱动电路6的驱动器输出端OUT连接的快速半导体电源开关5。在供电路径10的输入端子2处的电压超过可调阈值的情况下，半导体电源开关5以非常小的延迟时间自动关断。该延迟时间由沿着节点15与半导体电源开关5的控制栅极21之间的控制路径的信号传播延迟限定，也如图1所示。在至少一个半导体电源开关5被关断之后，它包括非常高的阻抗，如果检测到过电压事件，该非常高的阻抗会抑制从供电网络PSN流向所连接的负载9的任何过电流。在可能的实施方式中，如果过电压已经消失，则至少一个半导体电源开关5可以在等待时间之后再次自动接通。对于根据本发明的保护设备1，在检测到过电压事件的情况下，电源和负载9之间的阻抗被提升，从而为负载9提供额外的保护。半导体电源开关5可以在关断状态下提供大于1兆欧的阻抗，该阻抗保护负载9免受过电压的影响。半导体电源开关5在接通状态下提供低电阻，从而仅生成很少的耗散功率。

图5示出了根据本发明的保护设备1的可能实施方式。在所示的实施方式中，保护设备1包括三个并联的供电路径10-1、10-2、10-3。每个供电路径10-1、10-2、10-3都包括相关联的控制路径18-1、18-2、18-3，它们可以如图1的实施方式中所示的那样实现。因此，每个供电路径10-1、10-2、10-3可单独地被保护免受过电流和/或过电压的影响。每个供电路径10-i可以包括至少一个半导体电源开关5。此外，供电路径10-i可以包括串联连接的附加组件，例如电流上升速度传感器组件4或负载电流传感器组件7。每个控制路径18-1都可以包括单独的过电流检测电路12。保护设备1的控制单元8可以在可能的实现方式中被设置用于所有三个控制路径18-1、18-2、18-3。

图6A至图6B示出了在供电路径10中设置半导体电源开关5的替代可能的实施方式。在优选的实施方式中，每个供电路径10设置有由图6A所示的单个驱动电路6控制的一对N-MOSFET。设置串联连接的两个功率MOSFET确实增加了当两个功率MOSFET被驱动电路6关断时在供电路径10中提供的阻断电压。也可以使用IGBT代替功率MOSFET。此外，可以使用Sic MOSFET。

图6B说明了由公共驱动电路6控制的供电路径10内的并联连接的功率MOSFET对的设置。图6B中说明的实现方式提供了可以根据使用情况需要的供电路径10的增加的电流能力。

图6C说明了另一可能的实施方式，其中多个驱动电路6-i响应于控制信号来控制多个半导体电源开关5的重叠对，该控制信号由与门14输出并且被施加到图6C所示的不同驱动电路6的驱动器输入端。由于图6C所示的大量串联连接的半导体电源开关5，阻断电压可以根据使用情况显著增加。

图6D示出了形成图6B所示的实施方式和图6C所示的实施方式的组合的另一可能的替代实现方式。在图6D所示的实施方式中，多个电源开关5串联连接，并且多个电源开关5并联连接以由对应的驱动电路6驱动。在图6D所示的例子中，六个半导体电源开关5串联连接，三个半导体电源开关5并联连接。图6所示的实施方式同时提供了增加的阻断电压和供电路径10的更高的电流能力。串联连接和并联连接的半导体电源开关5的数量可以根据使用情况、特别是根据供电网络PSN的供电电压U_AC和所连接的负载9而变化。

保护设备1的另外的实施方式是可能的。在一个可能的实施方式中，保护设备1不只是包括一个过电压检测电路(ODC)12，而是包括两个过电压检测电路12。在该实施方式中，第一过电压检测电路(ODC1)12可以与相关联的供电路径10的输入端子2连接，并且可以适于确定输入端子2处的瞬时电压状态。第二过电压检测电路(ODC2)12可以与相关联的供电路径10的输出端子3连接，并且可以适于确定输出端子3处的瞬时电压状态。因此，本实施方式的优点在于，它不仅监测保护设备1的输入侧的电压状态，而且监测保护设备1的输出侧的电压状态。在该实施方式中，可对由第一过电压检测电路(ODC1)12确定的输入端子2的瞬时电压状态和由第二过电压检测电路(ODC2)12确定的输出端子2的瞬时电压状态进行处理以确定保护设备1的两个端子(即输入端子2和输出端子3)处的瞬时整体电压状态。在可能的实现方式中，输入端子2处的瞬时电压状态和输出端子3处的瞬时电压状态可以由逻辑门逻辑地组合，以在检测到保护设备1的两个端子2、3的整体过电压状态时，触发保护设备1的驱动电路6自动关断相关联的供电路径10的至少一个半导体电源开关5。

在根据本发明的第一方面的保护设备的另一可能的实施方式中，沿着供电路径10串联连接的电流上升速度传感器组件4(即线圈)和至少一个半导体电源开关5以及负载电流传感器组件7确实形成保护设备1内的设置在输入端子2和输出端子3之间的次级电流路径。在该实施方式中，保护设备1可以包括设置在保护设备1的输入端子2和输出端子3之间的附加的初级电流路径，该附加的初级电流路径具有例如汤姆逊开关的可控机械开关，并与保护设备1的第二电流路径(即供电路径10)并联连接。如果机械开关在运行过程中被控制器关断，则流过初级电流路径的电流会偏离到由供电路径10提供的并联次级电流路径，从而抑制在机械开关的机械触点处的电弧的生成。

图7示出了说明提供免受过电压影响的保护的方法的示例性实施方式的流程图。该方法在所示的实施方式中包括两个主要步骤。

在第一步骤S1中，通过过电压检测电路(ODC)12检测供电路径10处的过电压，该过电压检测电路(ODC)12通过与门14处的控制信号线13和信号线20向驱动电路6的低电压侧6A的驱动器输入端IN提供控制信号，以在进一步的步骤S2中自动触发供电路径10中的半导体电源开关5的关断。供电路径10内的半导体电源开关5的关断可以在小于1毫秒的关断期间内非常快速地执行。该关断期间由过电压检测电路12的电路和驱动电路6的内部电路限定。该小于1毫秒的关断期间由图1所示的控制回路中的节点15和至少一个半导体开关5的控制栅极21之间的电路限定。由于驱动电路6包括小于200纳秒的内部传播延迟，因此在可能的实施方式中，关断期间甚至可以更低，并且可以仅包括几微秒。这为所连接的负载9提供了非常有效的过电压保护。如图10A所示，过电压保护方法提供了特别是还针对高频瞬变TR的过电压保护。

根据本发明的保护设备1具有额外的优点，即，半导体电源开关5的关断不需要接收到的正弦供电电压必须为0伏来执行关断。可以独立于接收到的正弦AC供电电压U_AC的当前状态随时执行关断。通过使用半导体电源开关5和包括过电压检测电路12和驱动电路6的极快速的测量电路，可以有效地保护负载9并增加负载9的工作寿命。

图8更详细示出了由根据本发明的第一方面的保护设备1使用的驱动电路6的可能示例性实施方式的电路图。图8所示的驱动电路6可用于驱动IGBT或功率MOSFET。在图8中可以看出，驱动电路6由两个流电分离的部分组成。驱动电路6包括低电压侧6A和高电压侧6B。低电压侧6A包括非反相输入端IN+和反相输入端IN-。如图8所示，两侧6A、6B流电分离并通过变压器T1、T2耦合。低电压侧6A的非反相输入端IN+用于接收来自与门14的逻辑输出信号。高电压侧6B的输出端OUT用于控制控制线19处的半导体电源开关5的栅极21。

高电压侧6B的DESAT输入端用于接收来自电流上升速度传感器组件4和图2所示的沿着电源开关5的电压降ΔU₅的总和电压U_∑。驱动电路6的高电压侧6B的DESAT输入端的总和电压U_∑可以与图8所示的比较器K3处的阈值电压U_TH进行比较。如果总和电压U_∑超过该可配置的阈值电压U_TH，则高逻辑信号沿着高电压侧6B内的控制回路中的逻辑门传输到驱动电路6的驱动器输出端OUT。从DESAT输入端到驱动电路6的高电压侧6B内的驱动器输出端OUT的内部传播延迟极其低并且不超过200纳秒。如果总和电压U_∑超过可配置的阈值电压U_TH，则高逻辑信号沿着或门OR1和与门AND1以及另外的与门AND2传输到运算放大器AMP，该运算放大器AMP驱动在驱动器输出端OUT处的输出级。该内部控制回路的传播延迟时间小于200纳秒。

施加到驱动电路6的非反相输入端IN+的逻辑信号被施加到与门AND3并通过变压器T1耦合到高电压侧6B的与门AND2以由高电压侧6B的驱动器输出端OUT输出，以触发所连接的半导体开关5的切换。驱动器输入端IN+和驱动器输出端OUT之间的信号传播延迟也不超过200纳秒。

图9更详细示出了将线圈4A、4B与驱动电路6的高电压侧6B的DESAT驱动器输入端连接的电路。因此，保护设备1将单个驱动电路6用于通过处理施加到驱动电路6的输出侧6B的DESAT输入端的总和信号U∑和通过处理施加到驱动电路6的低电压侧6A的逻辑驱动输入端IN+的逻辑信号的过电流检测。从逻辑输入端IN+到驱动器输出端OUT的信号路径以及DESAT输入端和驱动器输出端之间的信号路径都具有小于200纳秒的低传播延迟。图9更详细示出了将线圈4A、4B与驱动电路6的高电压侧6B的DESAT输入端连接的电路。

保护设备1包括输入端子2以从具有例如400伏或更高电压的供电网络PSN接收供电电压U_AC。供电路径10包括与电流上升速度传感器组件4、特别是线圈相关联的半导体电源开关对5A、5B。该电路对于通过供电路径10施加到负载9的AC电流的正电流半波和负电流半波是对称的。每个线圈4A、4B包括图9所示的相关联的半导体电源开关5A、5B。在一个可能的实施方式中，两个线圈4A、4B都可以包括小于约2.2微亨的电感L。电源开关5A、5B可以由功率MOSFET实现。在所示的实现方式中，二极管可以并联连接至每个线圈4A、4B以减少自感应。电源开关5A、5B与桥式整流器电路连接，该桥式整流器电路在所示的实现方式中包括两对互补的晶体管Q1至Q4。在桥式整流器电路的输出侧，可以设置电容器C以提供预定的最小延迟。该延迟可能会对关断期间有影响。在一个可能的实施方式中，可以通过改变电容器C的容量来调整延迟，从而将关断期间调整为相应使用情况的要求，例如在1微秒和1毫秒之间的范围内。图9所示的电阻器R1、R2的电阻可被配置为调整图9所示的电路的灵敏度。在图9中可以看出，驱动电路6的高电压侧6B的DESAT输入端与桥式整流器电路的输出端连接，以接收电源开关5A、5B和相关联的电流上升传感器组件4A、4B的总和电压U_∑。驱动电路6生成施加到图4所示的两个半导体电源开关5A、5B的栅极21A、21B的控制电压。驱动电路6适于根据由传感器组件4A、4B直接生成的电压来检测发生的过电流、特别是短路电流，并且在检测到沿着供电路径10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，根据电容器C的配置和调整的电容在小于1毫秒的短的关断期间内关断相关联的半导体电源开关5A、5B。甚至可以实现2到5微秒的关断。在图9所示的示例性实施方式中，驱动电路6包括由英飞凌科技公司制造的单个IGBT驱动器ICIED020/12-B2。也可以使用其他驱动电路6，特别是ASIC。

在一个可能的实现方式中，电流上升速度传感器组件4也可以由另一个组件传感器线圈来实现，特别是由具有对应的本地测量电路的电阻器实现，该电阻器适于直接生成与流经相应的传感电阻器的电流I的电流上升速度相对应的电压U。该电阻器可以包括NTC或PTC电阻器。在一个可能的实施方式中，使用的电阻器4的电阻可以是温度相关的。电阻器4的温度相关的电阻可以单独被配置为相关联的半导体电源开关5的物理限制。

图10A、图10B示出了可以由根据本发明的保护设备1的过电压检测电路12检测的过电压的不同场景。所施加的供电电压U_AC是正弦的并且包括例如50至60Hz的频率。在图10A所示的例子中，瞬态TR会出现在所施加的电压信号中，这可能会损坏所连接的负载9。这些高频瞬态或频率突增可以由过电压检测电路12通过模拟比较器36可靠地检测到。

图10B说明了接收到的供电电压U_AC的缓慢漂移，这也可能对所连接的负载9造成损坏。该负载频率漂移可以通过过电压检测电路12以及通过模数转换器(ADC)17和在控制单元8的微处理器8A中实现的数字比较器34连接。

因此，保护设备1的过电压检测单元12可以处理不同种类的过电压情景，特别是图10A所示的高频瞬变TR以及图10B所示的低电压漂移。

在图4所示的过电压检测电路12的所示的实施方式中，过电压检测电路12包括两个主要路径，即可用于检测接收到的供电电压中的瞬态TR的快速信号路径以及适于检测接收到的AC供电电压U_AC中的低漂移的较慢的信号路径。

过电压检测电路12的灵敏度可以通过设置慢速控制路径中的数字比较器34的阈值TH1和设置过电压检测电路12的快速控制路径中的施密特触发器36的比较器的阈值电压TH2来控制。这些阈值TH1、TH2在可能的实施方式中由微处理器8A执行的软件控制。在可能的实现方式中，微处理器8A执行的过电压检测软件还可以控制模数转换器17的采样率。这些参数可以预先设置和配置，也可以通过与保护电路1的控制单元8连接的远程高电平控制器进行一定程度的控制。在可能的实现方式中，过电压检测软件可以存储在控制单元8的程序存储器中。过电压检测软件可以进行定制并适应特定的使用情况，特别是适应供电电压U_AC的幅度和与保护设备1的输出端子3连接的负载9的类型。与保护设备1的输出端子3连接的负载9的类型可以包括电阻负载、电容负载或电感负载，特别是AC电机。对于不同类型的负载，不同的定制软件程序或子程序可以作为固件存储在控制单元8的存储器中。在另一实现方式中，也可以从通过数据接口与控制单元8的程序存储器连接的数据库中加载不同的定制的过电压检测程序或例程。该数据接口可以通过数据网络与远程数据库或服务器连接。例如，用户可以选择所连接的负载9的基本类型，例如电阻负载或电感负载，以及由供电网络PSN提供的供电电压U_AC的幅度，使得加载或激活相关联的拟合过电压检测软件以执行过电压检测程序。通过这种方式，实现了高度的灵活性，允许针对不同的使用情况和操作场景灵活、快速地调整过电压检测。在可能的实施方式中，保护设备1包括用户界面，其适于输入基本参数，例如所连接的负载9的类型和供电网络PSN的幅度，以选择相关联的拟合过电压检测程序或例程来执行过电压检测。在可能的实现方式中，这些参数可以在保护设备1的配置模式中进行设置。用户可以根据使用情况进一步调整关断期间，例如通过调整图9所示的DESAT整流器级40内的电容器C的电容。此外，可以配置过电压检测电路12的比较器34、36的阈值。配置值可以存储在控制单元8的配置存储器中。

图11A、图11B示意性示出了在接收到的供电电压中观察到瞬变的情况下由保护设备1执行的关断。在图11A中可以看出，瞬态TR可能超过预定阈值以触发供电路径10内的至少一个半导体电源开关5的自动关断，从而如图11B所示使流向负载9的负载电流I_L被中断。检测到瞬态TR与关断负载电流I_L之间的关断期间Δt在优选的实施方式中包括小于1毫秒。图11A所示的关断期间可以低至几微秒。根据本发明的保护设备1的一个优点是，供电路径10的关断可以在任何时间发生并且不限于在所接收的AC供电电压U_AC的零电压交叉处的关断。此外，根据本发明的过电压检测所提供的关断期间可以极其短，即，甚至低至几微秒。负载电流I_L的非常快速的关断保护了负载9并且还增加了它的工作寿命。

根据本发明的保护设备1可以集成到装置的外壳中。该装置可以包括在输入端子2处的突出的电触头，该电触头适于插入母线系统的混合电力母线的对应的插槽中。在一个可能的实施方式中，保护设备1包括图5所示的三个输入端子2-1、2-2、2-3，并具有三个对应的突出的电触头，这些电触头可以插入到母线系统的混合母线的对应的插槽中。在可能的实施方式中，保护设备1也可以集成到NH熔断器外壳中。

保护设备1可以通过其输入端子2直接或通过适配器装置间接地连接至母线系统的母线。负载保护设备1也可以通过适配器直接或间接安装到DIN导轨或顶帽导轨或传统母线上。

Claims (18)

1.一种用于保护电负载(9)的保护设备(1)，

所述保护设备(1)包括：

-至少一个输入端子(2)，该输入端子适于接收供电电压；

-供电路径(10)中的至少一个半导体电源开关(5)，该半导体电源开关(5)与相关联的输入端子(2)串联连接，与所述供电路径(10)的输出端子(3)连接的所述电负载(9)通过所述供电路径(10)接收电负载电流I_L；

所述保护设备(1)还包括：

-具有微处理器(8A)的控制单元(8)，所述控制单元(8)适于：响应于接收到的开关命令(CMD)，来控制所述保护设备(1)的驱动电路(6)接通或关断设置在所述供电路径(10)中的所述至少一个半导体电源开关(5)，所述驱动电路(6)具有低电压侧(6A)并且具有高电压侧(6B)，

所述保护设备(1)还包括：

至少一个过电压检测电路ODC(12)，该过电压检测电路ODC(12)与所述保护设备(1)的相关联的供电路径(10)的所述输入端子(2)或所述输出端子(3)连接，并且适于检测所述保护设备(1)的相应的供电路径(10)处的过电压状态并在所述过电压检测电路ODC(12)检测到过电压状态时，通过控制线(13)直接控制所述驱动电路(6)关断设置在相关联的供电路径(10)内的所述至少一个半导体电源开关(5)，以为所连接的电负载(9)提供免受过电压影响的保护，所述控制线(13)和与门(14)的第一输入端连接，所述与门(14)与所述驱动电路(6)的所述低电压侧(6A)的驱动器输入端(IN)连接，其中所述过电压检测电路(12)包括数字比较器COMP1(34)，该数字比较器COMP1(34)在所述控制单元(8)的所述微处理器(8A)中实现，并且适于将所述过电压检测电路(12)的模数转换器ADC(17)输出的低通滤波信号与第一可调数字阈值TH1进行比较，以检测所述保护设备(1)的相应的端子(2；3)处的电压的低频漂移，并且还适于在检测到低频漂移时生成高逻辑信号，其中所生成的高逻辑信号被施加到所述与门(14)的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的保护设备(1)，其中，所述控制单元(8)与用户界面或自动化系统的系统级控制器连接，以接收所述开关命令(CMD)。

3.根据权利要求1或2所述的保护设备(1)，其中，设置在所述供电路径(10)中的所述至少一个半导体电源开关(5)包括IGBT或功率MOSFET，该IGBT或功率MOSFET具有超过施加到所述供电路径(10)的所述输入端子(2)的所述供电电压U_IN的正常操作电压的阻断电压，其中所述至少一个半导体电源开关(5)的控制栅极(21)直接与所述驱动电路(6)的高电压侧(6B)的驱动器输出端(OUT)连接。

4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的保护设备(1)，其中，所述保护设备(1)包括：经由相关联的供电路径(10-1、10-2、10-3)相互连接的三个输入端子(2-1、2-2、2-3)和三个输出端子(3-1、3-2、3-3)，其中对于每个供电路径(10-1、10-2、10-3)，提供相关联的过电压检测电路ODC(12-1、12-2、12-3)，其中所述过电压检测电路ODC(12-i)连接到相应的供电路径(10-i)的输入端子(2-i)和/或输出端子(3-i)。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的保护设备(1)，其中，所述驱动电路(6)适于在小于1毫秒的关断期间内关断设置在所述供电路径(10)内的所述至少一个半导体电源开关(5)，所述关断期间由沿着所述第一控制线(13、20)和沿着所述驱动电路(6)的内部电路的信号传播延迟来限定。

6.根据权利要求5所述的保护设备(1)，其中，以下两者之间的所述驱动电路(6)的内部电路的信号传播延迟小于200纳秒：

所述驱动电路(6)的所述低电压侧(6A)的所述驱动器输入端(IN)，

所述驱动电路(6)的所述高电压侧(6B)的所述驱动器输出端(OUT)。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的保护设备(1)，其中，与相关联的供电路径(10-i)的输入端子(2)或输出端子(3)连接的每个过电压检测电路ODC(12-i)包括：

-整流器(27)，其适于对相应的端子(2；3)处的电压进行整流，以及

-模数转换器ADC(17)，其适于将施加到所述模数转换器ADC(17)的所述低通滤波信号转换成施加到数字比较器COMP1(34)的数字信号，所述数字比较器COMP1(34)在所述保护设备(1)的所述控制单元(8)的所述微处理器(8A)中实现，并适于将由所述模数转换器ADC(17)输出的所述低通滤波信号与第一可调数字阈值TH1进行比较，以检测相应的端子(2；3)处的电压的低频漂移，并且还适于在检测到低频漂移时生成高逻辑信号。

8.根据权利要求7所述的保护设备(1)，其中，每个过电压检测电路ODC(12-i)还包括快速模拟比较器COMP2(36)，特别是施密特触发器电路，所述快速模拟比较器COMP2适于将由所述整流器(27)输出的整流电压与阈值设定点TH2进行比较，以检测所述保护设备(1)的相应的端子(2；3)的电压的过电压瞬变，并且还适于在所述模拟比较器COMP2(36)检测到过电压瞬变时，生成逻辑使能信号，以使所述驱动电路(6)能够关断设置在相关联的供电路径(10)中的至少一个半导体电源开关(5)。

9.根据权利要求7或8所述的保护设备(1)，其中，由在所述控制单元(8)的所述微处理器(8A)中实现的所述数字比较器COMP1(34)生成的逻辑信号和由所述过电压检测电路ODC(12)的所述模拟比较器COMP2(36)生成的所述逻辑使能信号，被所述过电压检测电路ODC(12)的所述与门(14)逻辑地组合以提供逻辑电压状态信号，所述逻辑电压状态信号指示相关联的供电路径(10)的相应的端子(2；3)的检测到的瞬时电压状态，其中所述逻辑电压状态信号被施加到所述驱动电路(6)的所述低电压侧(6A)处的所述驱动器输入端(IN)。

10.根据前述权利要求7至8中任一项所述的保护设备(1)，其还包括设置在所述整流器(27)与所述模拟比较器COMP2(36)之间的模拟高通滤波器HPF(28)，所述模拟高通滤波器HPF(28)适于对所述整流器(27)输出的整流电压执行高通滤波。

11.根据前述权利要求7至10中任一项所述的保护设备(1)，其中，所述过电压检测电路ODC(12)的所述整流器(27)经由电位分离电路(26)与相关联的供电路径(10)连接。

12.根据前述权利要求1至11中任一项所述的保护设备(1)，其中，所述驱动电路(6)适于向所述控制单元(8)的所述微处理器(8A)提供监控信号，所述监控信号适于通知所述微处理器(8A)关于所述驱动电路(6)的当前操作状态和/或关于所述至少一个半导体电源开关(5)的当前开关状态。

13.根据权利要求8所述的保护设备(1)，其中，所述过电压检测电路ODC(12)的所述模拟比较器COMP2(36)的所述阈值设定点由所述控制单元(8)的所述微处理器(8A)经由数模转换器DAC(38)设置，

其中，所述阈值设定点TH2在所述保护设备(1)的第一操作模式中包括固定阈值并且在所述保护设备(1)的第二操作模式中包括移动阈值。

14.根据前述权利要求1至13中任一项所述的保护设备(1)，其还包括与所述供电路径(10)的所述至少一个半导体电源开关(5)串联连接的负载电流传感器组件(7)，其中所述负载电流传感器组件(7)适于连续测量流经所述供电路径(10)中的所述至少一个半导体电源开关(5)到达所连接的电负载(9)的负载电流I_L，其中测量到的负载电流I_L由所述负载电流传感器组件(7)通知给所述控制单元(8)的所述微处理器(8A)，以确定与相应的供电路径(10)的输出端子(3)连接的电负载(9)的瞬时负载状态。

15.根据权利要求13所述的保护设备(1)，其还包括：与所述至少一个半导体电源开关(5)和所述负载电流传感器组件(7)串联连接的电流上升速度传感器组件(4)，特别是线圈，所述电流上升速度传感器组件(4)适于生成与所述负载电流I_L的电流上升速度相对应的电压降(ΔU4)，所述负载电流I_L从所述输入端子(2)沿着所述供电路径(10)经由所述电流上升速度传感器组件(4)和所述至少一个半导体电源开关(5)以及所述负载电流传感器组件(7)流到所述供电路径(10)的相应的输出端子(3)，

其中，所述保护设备(1)的所述驱动电路(6)适于根据所述电流上升速度传感器组件(4)生成的所述电压降(ΔU4)和沿着所述至少一个半导体电源开关(5)的电压降(ΔU5)检测发生的过电流，并在检测到过电流时在小于1毫秒的关断期间内自动关断所述至少一个半导体电源开关(5)，以提供免受过电流影响的保护，所述电流上升速度传感器组件(4)生成的所述电压降(ΔU4)和沿着所述至少一个半导体电源开关(5)的电压降(ΔU5)作为总和电压(U_∑)被直接施加到所述驱动电路(6)的高电压侧(6B)的驱动器输入端(DESAT)，

其中小于1毫秒的所述关断期间由沿着控制信号回路的信号传播延迟来限定，所述控制信号回路包括：将所述电流上升速度传感器组件(4)与所述驱动电路(6)的所述高电压侧(6B)的所述驱动器输入端(DESAT)连接的连接电路、以及所述驱动电路(6)的所述高电压侧(6B)内的内部电路。

16.根据前述权利要求1至14中任一项所述的保护设备(1)，其包括：

第一过电压检测电路ODC1，其与相关联的供电路径(10)的输入端子(2)连接并且适于确定所述输入端子(2)处的瞬时电压状态，并且包括：

第二过电压检测电路ODC2，其与相关联的供电路径(10)的输出端子(3)连接并且适于确定所述输出端子(3)处的瞬时电压状态。

17.根据权利要求16所述的保护设备(1)，其中，对由所述第一过电压检测电路ODC1确定的所述输入端子(2)处的瞬时电压状态和由所述第二过电压检测电路ODC2确定的所述输出端子(3)处的瞬时电压状态进行处理，以确定在所述保护设备(1)的两个端子(2；3)处的瞬时整体电压状态，所述两个端子(2；3)处的瞬时整体电压状态被逻辑电路逻辑地组合以在检测到所述保护设备(1)的两个端子(2；3)处的整体过电压状态时，触发所述保护设备(1)的所述驱动电路(6)，以自动关断所述保护设备(1)的所述至少一个半导体电源开关(5)。

18.根据前述权利要求15至17中任一项所述的保护设备(1)，其中，所述电流上升速度传感器组件(4)、所述至少一个电源开关(5)以及所述负载电流传感器组件(7)沿着所述供电路径(10)被串联连接，并且形成设置在所述保护设备(1)的输入端子(2)和输出端子(3)之间的次级电流路径(1B)，其中，在所述保护设备(1)的输入端子(2)和输出端子(3)之间设置包括可控机械开关MSW的所述保护设备(1)的初级电流路径(1A)，所述初级电流路径(1A)与所述次级电流路径(1B)并联连接。

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