CN115244853A - 用于操控功率半导体开关的方法、用于功率半导体开关的操控电路以及电子保护开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操控交流电路的功率半导体开关（14A，14B）的方法，所述交流电路能够通过所述功率半导体开关接通和/或切断。所述方法具有以下步骤：a）确定交流电路的瞬时电流值和瞬时电压值。b）确定瞬时电流值是否超过可预先给定的最大值。如果是，c1）产生用于切断所述电路的操控信号以及c2）在从产生用于切断所述电路的操控信号起的时间间隔之内产生用于接通所述电路的操控信号，其中所述时间间隔小于或等于电压的周期持续时间，和c3）确定在接通所述电路之后瞬时电流值是否超过可预先给定的最大值，所述最大值对应于以前的最大值或者小于以前的最大值。如果是，重复步骤c1）、c2）和c3）。在步骤d）中如果步骤c1）、c2）、c3）的重复的次数超过数值n，则识别出故障情况并持久地输出用于断开所述电路的操控信号以及结束所述方法。否则，在步骤e）中，如果在步骤b）中或在步骤c3）中确定了瞬时电流值未超过相应的最大值，则继续产生用于接通所述电路的操控信号，并以步骤a）继续所述方法。

Description

用于操控功率半导体开关的方法、用于功率半导体开关的操 控电路以及电子保护开关

技术领域

本发明涉及一种用于操控功率半导体开关的方法、一种用于功率半导体开关的操控电路以及一种电子保护开关。

背景技术

在将电子负载、诸如具有开关电源和/或整流器的负载连接到交流电压电源上时，经常出现高接通电流，这些接通电流也被称为浪涌电流。即使在具有比较小的额定功率的开关电源的情况下，例如在具有小于100W的额定功率的开关电源的情况下，也可能出现数百安培的电流峰值。这些浪涌电流可能导致常规的功率保护开关（英语：MiniatureCircuit Breaker（小型断路器），简称MCB）的不期望的触发。

具有低持续功率和高接通电流的消耗器的典型情况是LED发光体，所述LED发光体在家庭中和在建筑技术中越来越多地取代其他发光体。用于在230V电网上运行的LED发光体此外具有电源，该电源在接通时刻具有电容行为。在此情况下，在实践中，这些发光体中的许多发光体经常并联连接并且因此同时被接通，由此接通电流相应地倍增并且可能导致电路的过载和/或MCB的不期望的触发。

此外，例如如果高接通电流与机械触点的抖动结合地出现，则高接通电流负荷也可能造成传统开关设备、如继电器、接触器或开关中的提高的磨损。与高电流有关的抖动于是可能导致在开关触点处的短时间的电弧，这些短时间的电弧又引起触点烧损和开关元件的相应的磨损并且在极端情况下引起触点的焊接。

在使用现代半导体功率保护开关（英语：Semiconductor Circuit Breaker（半导体断路器），简称SCCB，有时也为Solid State Circuit Breaker（固态断路器），简称SSCB；在下文中使用缩写SCCB）时，另一问题在于，这种SCCB本身可能被过高的电流损坏。

整个电流必须利用常规组件来设计，使得最大出现的接通电流不导致干扰或过载，这在实践中意味着，该电路的所有组件都必须针对所设置的持续负荷的倍数来设计。这相应地引起更高的成本并且也导致：功率保护开关不保护由所设置的持续负荷定义的实际的应用情况，而是保护持续负荷和接通电流之间的折衷。虽然在传统的机电MCB中该折衷可以通过选择MCB的触发特性来相对成本低地实现，但是如下折衷继续存在：MCB于是不是最优地针对相应的应用情况来设计的，即尤其使用具有较慢的触发特性的MCB，然而由此在故障情况下也出现较高的故障电流。而在许多情况下，SCCB的使用在经济上是完全不可能的。

发明内容

因此，本发明的任务是说明改进的用于操控功率半导体开关的方法以及改进的用于功率半导体开关的操控电路和改进的电子保护开关，其适合于使用在具有潜在地非常高的接通电流的电路中。

该任务通过具有独立专利权利要求1的特征的方法、通过具有用于执行根据本发明的方法的装置的操控电路以及通过具有这种操控电路的电子保护开关来解决。

本发明的有利的改进方案在从属权利要求中予以说明。

本发明的优点可以在以下方面看到：在探测到过高的接通电流时，通过短暂地中断该电路，抑制过高的接通电流，并且接着将该电路再次接通，其中切断和再次接通之间的持续时间最大对应于周期持续时间。在此情况下，在开头所讨论的类型的许多消耗器中，由通过该方法在时间上被限制的接通电流浪涌进行对消耗器的电容性元件的预充电，使得在再次接通过程中接通电流更低。优选地，在（更）低电压值的情况下、例如在过零附近的时间窗中出现的电压值的情况下再次接通，使得电压值在再次接通时小于交流电压的峰值电压的大约35%，该时间窗以相对于电压的下一次过零的-20°的电压的相位角开始并且以相对于电压的下一次过零的+20°的电压的相位角结束。在其他设计方案中，选择更小的相位角并且因此选择更小的电压，例如对应于峰值电压的大约25%的在过零附近的+/-15°或者对应于峰值电压的大约17%的在过零附近的+/-10°。在本发明的特别的设计方案中，电路的再次接通在电压的下一次过零之前、也就是说在电压的跟随在切断之后的过零之前进行。以此方式附加地限制在再次接通时的接通电流。

如果存在的电容还未充分地被预充电，则重新造成并且根据本发明探测到过高的接通电流，并且上面提到的步骤被重复，直到或者不再出现过高的接通电流或者在该方法的n次重复之后确定，接通电流继续过高并且于是确定具有过大的电容的消耗器、短路或更一般地说确定故障。

换言之，借助本发明可靠地防止过高的接通电流，并且不同于在现有技术中，不需要针对由允许的消耗器产生的高接通电流来设计整个电路。也不需要故意地降低保护开关设备的速度，例如使用具有C特性的保护开关设备，而不是具有B特性的保护开关设备，以便防止在接入对于该电路而言允许的和按规定运行的消耗器时保护开关设备的错误触发。在此情况下，在实施例中有利地在中央通过SCCB进行接通电流的限制，使得能够省去用于接通电流限制的特殊组件、如DALI电路和相位截止控制器（Phasenanschnitt-Steuerungen），由此可以在消耗器侧节省成本。

附加地，通过根据本发明的方法可以有利地实现，可以完全使用SCCB，而不存在由于过高的接通电流而损坏SCCB的风险。至少在任何情况下，给定的SCCB可以被扩展根据本发明的方法并且由此适配于包括具有典型地高的接通电流和低的持续电流的电消耗器的电路。

总之，实现对电路和整个电气系统的电消耗器的改进的保护。在此情况下，根据本发明的方法可以任意地扩展并且可以使用在几乎任意的电压和电流范围中。

特别有利的是，通过重复切断和再次接通，也可以以受限制的电流启动具有非常大的接通电流的负载、例如具有非常大的中间电路电容的整流器。仅仅该方法的重复的次数n必须相应地被适配。

此外有利的是，在现代SCCB中用于检测电流和电压的瞬时值的必要的测量装置已经存在或可以利用非常少的附加的耗费来实施。此外，通常总归存在控制器，使得经常可以利用已经存在的硬件实施本发明。

此外，有利的是，已经连接在电路上的消耗器不显著地受在单个全波之内或在实施例中在单个半波之内进行的切断和再次接通过程影响。考虑到通常的家庭电路，例如可以假设：出于抗干扰性的原因，任何电消耗器总归相对于多个短时间的切断和再次接通过程不受影响。

本发明的另一重要的优点可以在以下方面看到：与在分别分配给电动机的传统软起动器的情况下不同，在消耗器和用于限制接通电流的电路之间不必存在1:1关系，这例如带来成本优点。更确切地说，在典型的应用情况中，根据本发明被控制的保护开关用于保护具有多个消耗器的电路。

附图说明

在下文中，根据附图更详细地解释本发明的实施例。

在附图中：

图1示出根据本发明的一个实施例的半导体功率保护开关的示意图；

图2示出与根据本发明的方法的一个实施例的应用有关的电流和电压的示例性时间分布；

图3示出根据本发明的方法的一个实施例的示例性流程；以及

图4示出与根据本发明的方法的另一实施例的应用有关的电流和电压的示例性时间分布。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的半导体功率保护开关（在下文中：SCCB）10的示意图。SCCB 10具有电网侧端子11A、11B，SCCB 10能够利用所述端子与供电网（未示出）连接。第一电网侧端子11A在此用于与中性导体N连接，第二电网侧端子11B用于与相导体L连接。

电压测量装置12用于SCCB 10的输入侧的电压测量。由电压测量装置12确定的电压值被输送给控制器13（通过虚线示出）。在此情况下，电压测量装置12可以被设计，使得代表输入侧端子11A和11B之间的电压的信号连续地以模拟形式被输送给控制器13。在替代的设计方案中，输入侧端子11A和11B之间的电压通过电压测量装置12在离散时间点进行采样并作为时间离散的数字信号提供给控制器13，其中采样频率相对于电网频率被选择，使得控制器13能够从信号序列中确定施加在输入侧端子11A、11B上的电压的时间分布、尤其过零的时间点，必要时通过插值来确定。

连接在第一电网侧端子11A上的中性导体直接与SCCB 10的第一输出侧或消耗器侧端子18A连接。施加在第二电网侧端子11B上的相L借助功率半导体电路14A、14B与第二输出侧或消耗器侧端子18B连接。在图1的例子中，功率半导体电路具有两个自换相的（selbstgeführt）功率半导体开关14A、14B，所述功率半导体开关由控制器13控制并且将相L连通到第二输出侧或消耗器侧端子18B或切断第二电网侧端子11B与第二消耗器侧端子18B之间的连接。在本发明的实施例中，也可以使用并联连接的功率半导体（未示出）。

在图1的例子中，能量吸收器16与功率半导体电路14A、14B并联连接，该能量吸收器连接在电网侧跨接端子15A和负载侧跨接端子15B之间并且用于电压限制以及因此用于在确定的开关事件的情况下保护功率半导体电路。

电流测量装置17布置在功率半导体电路14A、14B和第二消耗器侧端子18B之间的相导体中并且用于测量相导体中的负载电流。在此情况下，电流测量装置17可以被设计，使得代表在相导体中流动的电流的信号连续地以模拟形式被输送给控制器13（通过电流测量装置17和控制器13之间的虚线表明）。在替代的设计方案中，该电流由电流测量装置17在离散时间点检测并作为时间离散的数字信号提供给控制器13，其中采样频率被选择为高的，使得例如针对相应应用的由短路造成的大大增高的电流分布可以及时地被探测到并被转化为相应的动作。

三个电消耗器20、30、40连接在SCCB 10的负载侧端子18A、18B上。消耗器30和40应该是任意的消耗器，其仅被示出，以便阐明，如果在消耗器20被接通之前在通过SCCB10保护的相应电路中的其他消耗器30、40已经是激活的（这对应于典型的实际的应用情况），则也可以执行进一步在下面所描述的用于限制消耗器20的接通电流的方法。

在图1的例子中，消耗器20是开头所描述的类型的消耗器，也就是说具有低持续功率和高接通电流的消耗器，例如较大房间的包括多个单独的LED发光体的LED照明系统。这通过整流器21和电容性负载22表明。在本发明的实施例中，不仅整流器21而且电容性负载都代表多个并联连接的整流器和电容性负载，如例如在大型大厅中的LED照明系统中情况如此。消耗器20可以通过开关23接通或切断。在此情况下，开关23可以是可以由用户操作的机械墙式开关，或者也可以是电子控制的开关。

根据本发明的方法的第一变型方案在下文中结合图2来解释。图2在单一图表中示出由电流测量装置17检测到的电流I的示例性时间分布220（该图表的右侧标度轴）和由电压测量装置12检测到的电压U的示例性时间分布210（该图表的左侧标度轴）。纯粹示例性地示出了230V低压电网的情况，在该230V低压电网中单个相L相对于中性导体N在时间点t=0的峰值电压为大约325V。

在时间点t=0，接入消耗器20，该消耗器造成非常高的接通电流221。该电流由电流测量装置17确定并由控制器13处理。在该实施例中，控制器13被设立，使得不允许超过80A的电流。因此，在达到80A的电流值时，控制器13控制功率半导体电路，使得该功率半导体电路截止，即输入端子11B和输出端子18B之间的相导体L中的电流流动被中断，紧接着电流和电流测量值下降到零。

接着，在t=0.005s时达到正弦（电网）电压U的过零之前不久，通过控制器13将功率半导体电路切换为导通的，紧接着电流的测量值再次具有大的增高222，然而该增高已经比在t=0时更平坦，因为消耗器20的电容已经部分地充电和/或因为瞬时电压值是低的并且此外具有下降趋势，以及因此电流的增高和最大值与消耗器20无关地是受限制的。

如果消耗器20是如在图1中所表明的那样具有电容性元件22的消耗器，则在电压过零附近通常形成由已经部分地被充电的电容引起的零电流阶段230。该事实和术语“零电流阶段”进一步在下面深入地予以解释。

在电压的过零（这里通过进入负半波来表征）之后并且在零电流阶段230结束时，电流重新升高到明显高于相应电路的正常值的值224，但是不再达到80A的触发值，并且还在电网电压的负半波期间返回到消耗器20的例如几百毫安的低持续电流值，其中图2中的持续电流值由于所选择的标度而不能与电流值I=0区分开。

控制器13根据电流在再次接通之后在电压的过零之前不久没有重新达到80A的极限值的事实来判定不存在短路。SCCB 10的运行以对电流的监控继续。

在本发明的一个优选实施例中，上面利用“在达到过零之前不久”所描述的用于再次接通功率半导体电路的时间点可以通过控制器13优选地被选择为如下时间点，在该时间点，根据在电网电压的正半波期间还是在电网电压的负半波期间进行了该电路通过控制器的中断，正弦电网电压（也就是说在SCCB 10的输入端子11A、11B处）的相位角位于160°和170°之间或在340°和350°之间。

在本发明的实施例中，零电流阶段可以被用于区分短路与接通过程。因为在短路时典型地出现特征性的电流时间分布并且实际上不出现零电流阶段，因为短路具有欧姆行为，也就是说，电流时间分布具有电流的高值并且与电压时间分布非常相似。在具有电容性元件并造成非常高的接通电流221的消耗器20的接通过程的情况下，情况不同：这里，如果否则没有消耗器在该电路中接通，则在电压的过零附近的期望的电流时间分布的特征在于可以为零的低电流值-因此这里简化地使用的名称“零电流阶段”。

图3图示根据本发明的方法的一个实施例的上面结合图2所描述的流程。该方法以初始化步骤310开始，该初始化步骤例如通过从存储器读出提供最大电流值，并为监控步骤320提供最大电流值。

在监控步骤320中，将当前电流值与最大电流值进行比较。如果当前电流值不超过最大电流值，那么功率半导体电路14A、14B保持接通，步骤330，并且该方法以步骤320继续。

而如果当前电流值对应于或超过该最大电流值，那么功率半导体电路14A、14B被切断，步骤340，并且在步骤350中检查：是否已经可以识别出短路或故障情况，因为例如在步骤340中递增的计数器（未示出）超过确定的值n。

如果在步骤350中确定存在短路或故障情况，则该方法以步骤370结束并且功率半导体电路14A、14B保持切断，直到例如短路被消除了并且手动地再次被接通（未示出）。在本发明的实施例中，如果故障情况或短路情况被确定，则总是可以附加地切断与功率半导体开关串联地布置的隔离开关（未示出）。该隔离开关优选地布置在导体L1中的功率半导体开关的电网侧，但是也可以布置在功率半导体开关的负载侧。在此情况下可能的是使用单极或两极隔离开关。

如果在步骤350中确定：没有达到用于确定短路或故障情况的条件，则在步骤360中再次接通功率半导体电路14A、14B，其中上面关于图2进行的评论适用于再次接通的时间点。

在从步骤360再次进入到监控步骤320中时，可以附加地规定，使用另一个、例如更低的最大电流值，而不是以前的最大电流值。附加地或者替代地，在从步骤360再次进入到监控步骤320中时可以规定，如结合图2所解释的那样监控零电流阶段的存在并且在没有出现零电流阶段时识别出短路或故障情况并结束该方法（未示出）。

根据本发明的方法的另一变型方案在下文中结合图4予以解释。图4（如图2那样）在单一图表中示出由电流测量装置17检测到的电流I的示例性时间分布220A（该图表的右侧标度轴）和由电压测量装置12检测到的电压U的示例性时间分布210（该图表的左侧标度轴）。又纯粹示例性地示出了230 V/230 V低压电网的情况，在该低压电网中单个相L相对于中性导体N的峰值电压为大约325V。

在时间点t=0.005s，又接入消耗器20，该消耗器造成非常高的接通电流221。该电流由电流测量装置17确定并由控制器13处理。在该实施例中，控制器13被设立，使得首先不允许超过50A的电流。因此，在达到50A的电流值时，控制器13控制功率半导体电路，使得该功率半导体电路截止，即相导体中的电流流动被中断，紧接着电流的测量值返回到零。

输出给功率半导体电路的控制信号在图4中的图表的下边缘处作为数字信号序列240示出。从t＝0到t＝0.005s，示出了接通（EIN）信号，从t＝0.005s到t＝0.01s之前不久，示出了切断（AUS）信号，然后非常短的接通信号，接着是非常短的切断信号，接着是在大约t＝0.01s时的接通信号等等。

如根据信号序列240清楚的，在t＝0.01s时达到正弦电压U的过零之前不久，通过控制器13将功率半导体电路切换为导通的（第一次再次接通），紧接着电流和其测量值又具有大的增高222并又升高到超过50A。控制器13因此重新控制功率半导体电路，使得该功率半导体电路截止，即相导体中的电流流动被中断，紧接着电流和其测量值返回到零。

在该方法的一个设计方案中，可以通过控制器13直接接着重新、仍然在电压U的过零之前不久或在电压U的过零期间将功率半导体电路切换为导通的（第二次再次接通），紧接着由于整流器21中的二极管和/或已经部分地预充电的电容22，只有当电压的数值超过整流器中的二极管的阈值电压和/或已经部分地充电的电容的电压时才进行重新的电流增高224。

在点224中电流在第二次再次接通之后也超过最大值，其中在所示出的实施例中，在第二次再次接通情况下的最大值被选择为小于在第一次再次接通情况下的最大值并且例如为40A。

由于超过现在有效的最大值，控制器13重新控制功率半导体电路，使得该功率半导体开关截止，即相导体中的电流流动被中断，紧接着电流和其测量值返回到零。

在电压U的（负）半波结束时，通过控制器13将功率半导体电路切换为导通的，重新接通（第三次再次接通）。在此情况下，可以选择在达到电压过零之前的与在第一次再次接通情况下相同的时间间隔，或者可以为第三次再次接通选择稍晚一点的在时间上更接近电压的过零的时间点。

电流重新大大增高，点225，但是不超过最大值，为此控制器13使功率半导体电路被切换为导通的。不过，在过零之后在零电流阶段231结束时在点226中的电流重新超过40A的最大值，紧接着控制器13重新操控功率半导体电路，使得该功率半导体电路截止，即相导体中的电流流动被中断，紧接着电流和其测量值返回到零。

在电压U的（正）半波结束时，通过控制器13将功率半导体电路切换为导通的，重新接通（第四次再次接通）。在此情况下，可以选择在达到电压过零之前的与在第三次再次接通情况下相同的时间间隔，或者可以为第四次再次接通选择稍晚一点的、在时间上更接近电压的过零的时间点，或者也可以为第四次再次接通选择稍早一点的、在时间上更远离电压零的过零的时间点。

在图4的例子中，直接随着第四次再次接通在t=0.03s之前不久不产生电流增高，因为接通时间点落在由消耗器20的电容22的已经部分实现的充电引起的零电流阶段232中。

在过零之后并且在零电流阶段232结束时，点227中的电流重新超过40A的最大值，紧接着控制器13重新操控功率半导体电路，使得该功率半导体电路截止，即相导体中的电流流动被中断，紧接着电流和其测量值返回到零。

在电压U的（负）半波结束时，通过控制器13将功率半导体电路切换为导通的，又接通（第五次再次接通）。

在图4的例子中，直接随着第五次再次接通在t=0.04s之前不久不产生电流增高，因为接通时间点重新落在由消耗器20的电容22的已经部分实现的充电引起的零电流阶段233中。

在过零之后并且在零电流阶段233结束时，点228中的电流重新大大增高，但是未达到40A的最大值。因此，控制器13让功率半导体电路保持在接通状态中，并且该方法以对电流的监控继续，其中或者直接或者在可定义的时间到期之后使用50A的原始最大值，而不是40A的修改后的最大值。

更一般来说，由切断和再次接通功率半导体的步骤组成的方法可以被重复多达n次。如果在达到第n次重复之前出现电流不再超过最大值的情况，则控制器确定正常的接通过程。如果未出现这种情况，即在该方法的第n次重复时也超过电流的最大值，则结束该方法并确定故障情况并且必要时用信号通知给操作者。

如上面已经举例解释的那样，最大值可以针对每次再次接通是恒定的，或针对每次再次接通重新被规定，例如被减小，以便限制总系统的I²t负荷。此外，相对于过零的用于再次接通的时间点可以被改变，例如其方式是：用于再次接通的时间点随着每次重复被设置为更接近过零，以便仅仅根据电压的然后更低的绝对数值实现更低的接通电流，但是所述接通电流还是对消耗器侧的电容充电，尤其对整流器的中间电路电容充电，或者以便将再次接通移动到在整流器消耗器的情况下期望的零电流阶段中，并且当在该阶段中出现不期望地高的电流时确定短路情况。

重复的次数的值n此外取决于，哪些其他消耗器30、40连接到由SCCB 10所保护的电路上，并且尤其取决于，多少个半波可以失效，而在其他消耗器处不形成故障或破坏。这可以从适用于相应电路的标准得出，或根据典型地连接的消耗器视情况而定来判定。

在图4的例子中，选择了n=5。在其他的实施例中，适用n≤5，并且在再次其他的实施例中，适用n≤10。在此情况下，数量n不仅可以与消耗器的类型有关，如上面所解释的，而且可以与电路中的在具体情况下已经存在的总负载有关，所述总负载由其他激活的消耗器30、40造成。同样可以使最大电流值与该已经存在的负载有关，当电路中已经存在负载时，尤其当该存在的负载例如超过电路的额定负载或允许的持续电流的50%或75%或90%时，尤其可以将初始最大电流值以及所有其他最大电流值选择为小于标准最大电流值。

在本发明的实施例中可以规定，在识别出故障的情况下自动地在可配置的等待时间（该等待时间可以为数毫秒到数秒或数秒到数分钟）到期之后重新接通该电路并根据然后再次进行的上面所描述的方法确定，故障情况是继续存在还是已消退，例如在消耗器的热引起的暂时故障的情况下。

这例如可以如下来实施：在上面所描述的方法的流程期间，针对每次再次接通，例如根据在过零附近是否可以确定零电流阶段的标准，确定：接着出现的电流峰值222、224、226、227、228是接通电流还是短路电流。如果识别出接通电流事件，则使计数器inr_cnt递增。如果识别出短路电流事件，则使计数器sc_cnt递增。

这些计数器连续地与极限值进行比较。如果inr_cnt>n，不再被再次接通，如上面所描述的，其中在可预先给定的时间之后使计数器inr_cnt逐步地再次递减，直到该计数器已达到其初值、例如零。可预先给定的时间例如可以为一个电网周期，即在欧洲家庭电网的情况下为20ms，或者为数个电网周期直至数秒。

附加地，计数器sc_cnt可以与另一极限值k进行比较，并且只有当sc_cnt>k时，在短路电流事件或故障事件之后的再次接通才被禁止，使得即使被分类为短路电流事件的事件也不直接导致故障的确定，而是只有当探测到多于k个短路电流事件时才确定并输出故障。

在此情况下，可以选择k=0，也就是说，第一短路电流事件已经导致故障情况的确定，或者可以选择k>0，优选地0≤k<n。针对计数器sc_cnt也可以规定：该计数器在可预先给定的时间之后逐步地再次被递减，直到该计数器已达到其初值、例如零。该可预先给定的时间同样可以例如为一个电网周期，或者其可以被选择为比该可预先给定的时间更长，在该时间之后计数器inr_cnt被递减。优选地，在计数器sc_cnt逐步地再次被递减之前所等待的可预先给定的时间为数秒并且在确定的实施例中甚至为数分钟。

电流的最大值的已经解释的下降（在该最大值的情况下功率半导体电路被切断）在此情况下可以与计数器inr_cnt和/或sc_cnt的值耦合，例如其方式是：随着这些值之一的每次递增而降低最大值，或其方式是：最大值在少数几个阶段中被降低，例如在达到inr_cnt＝2时首次降低和在达到inr_cnt＝4时重新降低。

应该指出的是，在实施例的上面的描述中，在其他消耗器20接入之前已经接入的消耗器30、40的电流消耗简化地假定为低的，并且该电流消耗因此在图2和图4中不能与I=0区分开。同样，配备有整流器的要接入的消耗器20由于未达到整流二极管的正向电压而没有消耗电流的时段简化地被称为“零电流阶段”。利用术语“零电流阶段”通常意指如下时段，在该时段中在图1中所示出的电路中的情况不受新接入的消耗器20的接通过程影响，即典型地如下时段，在该时段中消耗器20不造成任何或任何显著的附加的电流流动，例如因为电容22已经部分地充电。

最后的例子应如下来理解：如果具有整流器和寄生电容或有效电容22的消耗器21在直流电路中经由开关23接入，则这些电容如已经解释的那样通过电流脉冲至少部分地被充电，直至通过控制器13切断并在短时段内完全地或部分地保持该电压，直到功率半导体电路最迟在电压的当前半波结束时重新被接通。

由于电容的这种部分充电，在再次接通之后，只有当SCCB 10的负载侧上的电压的瞬时值超过在直流电压侧施加在整流器21上的电压的值加上位于电流路径中的二极管的阈值电压时，电流才开始流入消耗器20中。正好相反，零电流阶段因此从如下事实得出：在已经到电容22的由先前的电流脉冲所定义的电压上时，只要馈入消耗器20中的电压的瞬时值低于该所定义的电压，就没有电荷流动。当然，这也可以经由电压分布的正弦关系容易地被表示为相位角或时间间隔，关于这方面的细节请参见下文。

在本发明的确定的实施例中，该所定义的电压值可以至少近似地通过测量负载侧端子18A、18B之间的电压或基于这种测量被规定为比较标准。在其他实施例中，该所定义的电压值可以基于估计、尤其基于根据再次接通过程的次数的估计来规定。在此情况下，常规接通行为（例如电流、电压的分布和所需的再次接通周期的数量）可以更典型地基于可接入到具体的交流电路的消耗器20。

在本发明的实施例中，为了识别短路或故障情况，因此可以附加地在期望的或如上面所定义的零电流阶段中、也就是说紧接在瞬时电压值的过零之前并且紧接在瞬时电压值的过零之后评估电流时间分布。在此情况下，电流的当前时间分布与电流时间分布进行比较。该期望的电流时间分布例如可以是短路或不允许地高的负载的电流时间分布，并且当实际电流时间分布至少近似地对应于这种短路分布或不允许的过载分布时，识别出短路或故障情况。

在其他实施例中，将电流的当前时间分布与不存在短路或不允许的过载情况时期望的电流时间分布进行比较。这种额定电流时间分布可以针对具体的交流电路通过配置来预先给定，并且例如可以对应于加载有其额定负载的电路的电流时间分布。

替代地或附加地，该额定电流时间分布可以被选择为在第一次确定超过可预先给定的最大值之前、即例如在第一接通电流事件或短路电流事件221之前常规存在的电流时间分布。在此，利用“常规”意指可以以不同方式确定的“常规情况”。例如，在电压在其过零之前的可选择的相位角、例如-10°到该电压在其过零之后的可选择的相位角、例如+10°之间的电流的时间分布可以针对每次过零重新作为参考被存储。

如果探测到了接通电流事件或短路电流事件，则使用该参考，以便将在该事件之后的零电流阶段与该参考进行比较并且在超过确定的公差的偏差的情况下确定存在短路电流事件，并且否则，即在当前分布和该参考彼此的偏差小于确定的公差时，确定存在接通电流事件。

所提到的相位角优选地被选择，使得电压的绝对值适合于对新连接的消耗器中的（可能已经预充电的）电容充电，也就是说比这些电容的已经达到的电压高了确定的数值，该电压又例如可以从接通过程的以前的分布中导出。在实施例、尤其这种具有50Hz的电网频率的实施例中，零电流阶段被定义为在电压的过零附近的0.5毫秒的时段，其中该时段优选地对称地被置于过零附近，即在过零之前的0.25毫秒开始并且在过零之后的0.25毫秒结束。在其他实施例中或者在重复再次接通的情况下，例如从第二次或第三次重复起，该时段可以选择为更长，以便为已经部分预充电的电容的进一步充电提供更高的电压。例如，可以选择1毫秒的零电流阶段，所述零电流阶段优选地又对称地被置于过零附近，即在过零之前的0.5毫秒根据大约50V的电压值的数值开始并且在过零之后的0.5毫秒结束。

以方程的形式表示，零电流阶段也可以如下来描述：abs(I(t)) ≤ I_Lim(t)。这里，I(t)表示SCCB 10中的电流的由电流测量装置17确定的值，I_Lim(t)表示在零电流阶段期间期望的电流，并且abs()表示数值。I_Lim(t)可以是恒定的，即与t无关。在一般情况下，I_Lim(t)描述在过零附近的所考虑的时间窗中电流的期望的时间分布。在此情况下，可以一同考虑实际期望的值的例如10%或20%或25%或50%的公差。

在其他实施例中，可以使用恒定的极限值，与电网电压成比例的分布中的与时间有关的值被添加到该极限值上，即例如I_Lim(t)=I_const+I_dyn(t)，其中I_const是恒定的极限值并且I_dyn(t)是与时间有关的值。在此情况下，可以选择I_dyn(t)=U(t)/R_cur，其中U(t)是电压的瞬时值并且R_cur是当前接入的欧姆负载、例如欧姆消耗器30、40的欧姆电阻。由电压测量装置12确定的值可以容易地被用于U(t)，或者使用附加的负载侧的电压测量装置（未示出）。

除了上面所描述的用于区分接通电流事件与短路电流事件的方法之外或替代于该方法，也可以将电流时间分布的增高与最大值或参考值进行比较，以便区分接通电流事件与短路电流事件。这尤其在允许多次（例如n=5）重复接通和切断过程的实施方案中在稍后的再次接通过程中适合。电容性负载随着每次再次接通过程被充电一点，使得随着再次接通过程的次数增加，可以假定电流时间分布的更小一点的增高，而在短路的情况下始终可以预期相同的增高。

在一个改进方案中，该考虑被扩展到功率半导体电路的再次接通和紧随其后的由于超过最大值的切断之间的电流时间分布的曲线形状。在此情况下，将电流时间分布的曲线形状与可预先给定的故障曲线形状进行比较。如果电流时间分布的曲线形状至少主要在故障曲线形状之上延伸，则识别出故障/短路事件。否则，识别出接通电流事件。

应该指出的是，上面所描述的实施例可以任意地彼此组合。此外应该指出的是，上面尤其考虑了三相400V/50Hz供电网中的单相低压电路的情况。根据上面的公开内容，本领域技术人员可以找到上面所描述的发明的变型方案和应用，而无需创造性劳动，例如将本发明应用于其他电压和/或频率和/或应用于三相系统中的任意电路，例如用于连接在两相L1、L2之间的电路。

Claims (12)

1.一种用于操控交流电路的功率半导体开关（14A，14B）的方法，所述交流电路能够通过所述功率半导体开关接通和/或切断，所述方法具有以下步骤：

a）确定所述交流电路的瞬时电流值和瞬时电压值；

b）确定所述瞬时电流值是否超过可预先给定的最大值，并且如果是：

c1）产生用于切断所述电路的操控信号；

c2）在从产生用于切断所述电路的操控信号起的时间间隔之内产生用于接通所述电路的操控信号，其中所述时间间隔小于或等于电压的周期持续时间；

c3）确定在接通所述电路之后所述瞬时电流值是否超过可预先给定的最大值，所述最大值对应于以前的最大值或者小于以前的最大值，并且要么

c4a）确定电流时间分布紧接在所述瞬时电压值的下一次过零之前并且紧接在所述瞬时电压值的下一次过零之后是否至少近似地对应于短路的期望的电流时间分布，要么

c4b）确定所述电流时间分布紧接在所述瞬时电压值的下一次过零之前并且紧接在所述瞬时电压值的下一次过零之后是否不至少近似地对应于期望的电流时间分布，并且

c5）如果满足条件c3）并且不满足条件c4a）或不满足条件c4b），则重复步骤c1）、c2）、c3）、c4a）或c4b）和c5）；

d）如果步骤c1）、c2）、c3）、c4a）或c4b）、c5）的重复的次数超过数值n和/或如果满足条件c4a或c4b，则识别出故障情况并且持久地输出用于切断所述电路的操控信号以及结束所述方法；

e）如果在步骤b）中确定了所述瞬时电流值未超过可预先给定的最大值或者如果在步骤c5）中确定了满足条件c3）并且不满足条件c4a）或不满足条件c4b），则继续产生用于接通所述电路的操控信号，并以步骤a）继续所述方法。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤c3）中在所述电压的下一次过零之前和/或在时间窗之内产生用于接通所述电路的操控信号，所述时间窗以相对于所述电压的下一次过零的-20°的所述电压的相位角开始并且以相对于所述电压的下一次过零的+20°的所述电压的相位角结束。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤c3）中，除了所述瞬时电流值之外还确定电流时间分布的增高，其中将所述增高与可预先给定的最大值进行比较，并且其中如果所述增高位于所述最大值之上，则结束所述方法，识别出故障情况并持久地输出用于切断所述电路的操控信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其中代替所述增高，确定电流时间分布的曲线形状，将所述曲线形状与可预先给定的故障曲线形状进行比较，其中如果电流时间分布的曲线形状至少主要在故障曲线形状之上延伸，则结束该方法，识别出故障情况并持久地输出用于切断所述电路的操控信号。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤b）中第一次确定超过可预先给定的最大值之前常规存在的电流时间分布被用作期望的电流时间分布。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述瞬时电压值的过零附近的时间窗中评估所述电流时间分布，所述时间窗通过如下方式来定义：在所述时间窗中所述瞬时电压的数值位于预先定义的值之下。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述预先定义的值至少近似地对应于如下电压，所述电压在要连接到所述交流电路上的消耗器（20）的整流器（21）上在直流电压侧存在。

8.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，其中所述预先定义的值基于对所述功率半导体开关的负载侧的连接端子（18A，18B）上的电压的测量或基于估计、尤其基于根据步骤c1）、c2）和c3）的已经进行的重复的次数的估计针对典型地可连接到所述交流电路上的消耗器（20）来规定。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤c2）中产生用于接通所述电路的操控信号，使得在所述电压的可预先给定的或预先给定的相位角时、尤其在下一次过零之前的10°至20°的电压的相位角时进行所述电路的接通。

10.用于交流电路的功率半导体开关（14A，14B）的操控电路（13），所述操控电路具有用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的装置。

11.用于交流电路的电子保护开关（10），所述电子保护开关具有如下组件：

- 功率半导体开关（14A，14B），尤其用于接通和/或切断所述交流电路的自换相的功率半导体开关，

- 电流测量装置（17），用于确定在所述交流电路中流动的电流的瞬时电流值；

- 电压测量装置（12），用于确定所述交流电路相对于参考电位的瞬时电压值；

- 控制所述功率半导体开关的根据权利要求10所述的操控电路（13）。

12.根据权利要求11所述的电子保护开关，所述电子保护开关附加地具有机电隔离触点，所述隔离触点与所述功率半导体开关串联地布置，以及用于如果识别出故障情况则断开所述隔离触点的装置。

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