DE102016000034A1

DE102016000034A1 - Festkörperstromsteuerung mit halbanalogem Überstromschutz

Info

Publication number: DE102016000034A1
Application number: DE102016000034.1A
Authority: DE
Inventors: Rodolphe De Maglie; Erich Riedisser; Nejat Mahdavi
Original assignee: Liebherr Elektronik GmbH
Current assignee: Liebherr Electronics and Drives GmbH
Priority date: 2016-01-04
Filing date: 2016-01-04
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2036-01-05
Also published as: US20170194783A1; FR3046503A1; FR3046503B1; US10361552B2; DE102016000034B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Festkörperstromsteuerung, welche umfasst: einen Leistungsschalter zum Unter-brechen einer Leitung, einen Stromfühler zum Messen eines Stromflusses auf der Leitung, und eine Steuereinheit zum Steuern des Leistungsschalters, die dazu ausgelegt ist, auf Grundlage des von dem Stromfühler gemessenen Stroms einen zeitabhängigen Überstrom auf der Leitung zu verhindern, wobei die Steuereinheit einen Zähler umfasst, der dazu ausgelegt ist, einen Zählerstand zu inkrementieren, wenn der gemessene Strom größer einem Schwellenwert ist, und den Zählerstand zu dekrementieren, wenn der gemessene Strom kleiner als der Schwellenwert ist, und wobei der Leistungsschalter dazu ausgelegt ist, die Leitung zu unterbrechen, wenn der Zähler einen vorbestimmten Zählerstand erreicht oder überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperstromsteuerung, sowie eine Festkörperstromsteuerungsanordnung, deren primären Aufgaben es sind, elektrische Geräte und ihre Verdrahtung vor Stromüberlasten zeitabhängig zu bewahren, sowie die elektrischen Geräte an ein Stromnetz an- bzw. abzukoppeln.
Eine Festkörperstromsteuerung, im Englischen auch Solid State Power Controller, SSPC, greift herkömmlicherweise auf einen digitalen Microcontroller (oder einen DSP) zurück, um die geforderte Funktionalität mit Hilfe eines Softwareprogramms umzusetzen. Hauptaufgabe dieser Festkörperstromsteuerung ist es dabei, elektrische Energie zu einer Last zu schalten und, im Falle einer Überlast, den Stromfluss zeitabhängig zu unterbrechen.
Dabei werden Festkörperstromsteuerungen aus dem Stand der Technik mit Hilfe ihrer Microcontroller so programmiert, dass sie eine I²t-Charakteristik aufweisen. Dies bedeutet, dass das Produkt des Quadrats des Stroms I und der Zeit t, um einen kritischen Energiepegel zu erreichen, konstant ist, sodass die Zeit, bei der eine Trennung stattfindet, umgekehrt proportional zum Quadrat des Stroms ist. In anderen Worten ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, bei hohen Strömen rasch zu trennen, jedoch bei geringen Strömen, ein Trennen später auszuführen. Vorteil hiervon ist, dass bei einem moderaten Überstrom keine Trennung erzeugt wird, falls der Strom nach kurzer Zeit verringert wird bzw. den Überstrombereich verlässt. Dies vermindert das Auftreten von störenden Trennungen, wodurch Fehlauslösungen von Trennungen minimiert werden. Zudem weisen die im Stand der Technik bekannten Festkörperstromsteuerungen eine Funktionalität auf, die eine Gedächtnisfunktion enthält, sodass eine vorangegangene Überlast, die keine Trennung bewirkt hat, nach einem zwischenzeitlichen Verlassens des Überlastbereichs, mit einem kurz danach auftretenden zweiten Überlaststrom zusammenwirkt, sodass eine Trennung einer Leitung rascher erfolgt, als nur hinsichtlich des Vorhandenseins des zweiten Überlaststroms alleine (Gedächtniseffekt). Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die thermische Erwärmung des mit der Festkörperstromsteuerung zu schützenden Geräts abgebildet werden kann.
Zusammenfassend besitzt die Festkörperstromsteuerung also die zwei Hauptaufgaben zum Verbinden oder Unterbrechen von Lasten in einem elektrischen Kreis sowie den Schutz der Kabel, die mit der Last in Verbindung stehen. Insbesondere können die Lasten elektrische Steueraktuatoren in Flugzeugen sein, wobei in diesem Umfeld ein thermischer Schaltungsunterbrecher immer noch sehr weit verbreitet ist. Der Schutz umfasst dabei ein Kurzschließen und eine Überlastbetrachtung hinsichtlich einer I²t-Kurve des Kabels.
In Luftfahrzeugen ist es erforderlich, die Aktuatorleistungsverwaltungseinheit (Actuator Power Management Unit, APMU) so auszuführen, dass ein Schutz der die mit der APMU in Verbindung stehenden Kabel vorgesehen ist. Dieser Schutz soll gleichzeitig auch das Verhalten einer Sicherung, die vorzugsweise das typische I²t-Verhalten aufweist, und die bisher verwendeten mechanischen Stromunterbrechungsschaltkreise ersetzen. Man verspricht sich hier Vorteile hinsichtlich der Flexibilität und einer höheren Verlässlichkeit und sieht auch die Möglichkeit Kosten zu senken.
Wie bereits weiter oben aufgeführt, verwenden herkömmliche Festkörperstromsteuerungen (SSPCs) digitale Steuereinheiten, wie einen Microcontroller oder einen DSP (= digitaler Signalprozessor), um die geforderten Funktionen in Form eines Softwareprogramms umzusetzen. Jedoch führt diese Architektur zu einer gesteigerten Fehlerhäufigkeit und zu einem Anstieg bezüglich des Zertifizierungsaufwands für die implementierte Software, da diese bei Luftfahrzeugen einer besonders genauen Prüfung bzw. Zertifizierung zu unterziehen ist.
Die US 2008/0 174 928 A1 offenbart eine Festkörperstromsteuerung, die durch Verwenden eines Kondensators und eines Zählers eine I²t-Funktion implementiert, wobei der erste Kondensator sich mehrere Male auflädt, wenn ein Überstromfall eintritt. Der Zähler implementiert dabei einen mit der Anzahl der Ladezyklen des ersten Kondensators in Zusammenhang stehenden Zählerstand, um eine Abschaltbedingung zu erfassen. Zudem umfasst der Schaltkreis ein mit dem Abschaltmodul verbundenes Entlademodul, das einen Wiederstand und einen zweiten Kondensator umfasst, wobei ein elektrischer Parameter, der mit dem Zählerstand verknüpft ist, unter Verwendung des Widerstands und des zweiten Kondensators über die Zeit hinweg abfällt.
Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen Modell aus dem Stand der Technik ist, dass die hierin verwendeten Kondensatoren von zentraler Wichtigkeit sind und die Gesamtgenauigkeit sowie die Langzeitstabilität von diesen Komponenten abhängt. Zudem wird beim Abfallen des Zählerstands ein thermisches Verhalten nicht präzise und verlässlich genug berücksichtigt.
Außerdem wird der Zählerstand nur dann aktualisiert, wenn ein Überlastfall gemessen wird. Die Gesamtenergiebilanz, die auch Zustände im Nicht-Überlastfall betrachtet, wird nicht herangezogen.
Es ist also ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Festkörperstromsteuerung (SSPC) vorzusehen, die die oben aufgeführten Nachteile überwindet und gleichzeitig eine I²t-Funktionalität ohne das Vorhandensein eines Microcontrollers oder dergleichen erreicht. Dieses Ziel wird erreicht durch die halbanaloge Festkörperstromsteuerung, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Demnach umfasst die Festkörperstromsteuerung einen Leistungsschalter zum Unterbrechen einer Leitung, einen Stromfühler zum Messen eines Stromflusses auf der Leitung, und eine Steuereinheit zum Steuern des Leistungsschalters, die dazu ausgelegt ist, auf Grundlage des von dem Stromfühler gemessenen Stroms einen Überstrom auf der Leitung zu verhindern. Die Festkörperstromsteuerung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen Zähler umfasst, der dazu ausgelegt ist, einen Zählerstand zu inkrementieren, wenn der gemessene Strom größer einem Schwellenwert ist, und den Zählerstand zu dekrementieren, wenn der gemessene Strom kleiner als der Schwellenwert ist, wobei der Leistungsschalter dazu ausgelegt ist, die Leitung zu unterbrechen, wenn der Zähler einen vorbestimmten Zählerstandsgrenzwert erreicht oder überschreitet.
Vorzugsweise wird für den Fall, in dem der gemessene Strom I_M genau gleich dem Schwellenwert I_TH ist, der Zählerstand des Zählers nicht geändert.
Im Unterschied zu den im Stand der Technik bekannten Festkörperstromsteuerungen hängt der Wert des Zählers im Falle eines Überstromfalls direkt von dem gemessenen Strom ab. Dadurch ergeben sich verlässlichere und genauere Rückschlüsse auf den tatsächlichen Zustand der zu überwachenden Leitung, da das laden von Kondensatoren oder dergleichen nicht zu unerwünschten Abweichungen führen kann.
Der Leistungsschalter der beanspruchten Festkörperstromsteuerung besitzt im Wesentlichen die Fähigkeit die zu überwachende Leitung aufzutrennen oder zu verbinden. In einem aufgetrennten Zustand wird das Fließen eines Stroms durch die Leitung unterbunden, wohingegen in einem verbunden Zustand der Leitung ein Stromfluss durch die Leitung möglich ist. Der Stromfühler misst die Stromstärke des auf der Leitung fließenden Stroms und gibt den gemessenen Strom an die Steuereinheit weiter. Diese ist dazu ausgelegt, den Leistungsschalter, also das Auftrennen oder das Schließen der Leitung zu steuern. Dies geschieht auf Grundlage des von dem Stromfühler gemessenen Stroms, indem ein Zähler einen Zählerstand inkrementiert, wenn der gemessene Strom größer als ein Schwellenwert ist, bzw. den Zählerstand dekrementiert, wenn der gemessene Strom kleiner als der Schwellenwert ist. Bei Erreichen oder Überschreiten eines vorbestimmten Zählerstandsgrenzwerts unterbricht der Leistungsschalter die Leitung, sodass kein Strom mehr durch die Leitung fließen kann.
Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit einen mit dem Schwellenwert und dem gemessenen Strom geschalteten Komparator, der ein Signal an einen Eingang des Zählers gibt, der die Zählrichtung (Inkrementieren oder Dekrementieren) des Zählers bestimmt. Eine Zählrichtung nach oben entspricht einem Inkrementieren, wohingegen eine Zählrichtung nach unten einem Dekrementieren entspricht. Der Komparator ist dabei eine verlässliche Variante, um die geforderte Funktionalität der Steuereinheit umzusetzen. Durch die Beschaltung mit der Schwellenwert und dem gemessenen Strom ist es möglich an dem Ausgang des Komparators ein Signal zu erzeugen, das je nachdem ob der gemessene Strom größer als der Schwellenwert ist, einen bestimmten Zustand annimmt. Typischerweise ist der Zustand ein Hochpegel oder ein Niedrigpegel (High value oder Low value) eines Spannungsbereichs. Dieses Signal wird dann an einen Eingang des Zählers weiter gegeben, dessen Beschaltung über ein Inkrementieren oder ein Dekrementieren des Zählerstands entscheidet. Die Ausgabe des Komparators für den Fall I_M = I_TH spielt keine Rolle, kann also einen High-Pegel oder einen Low-Pegel annehmen.
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung steht die Frequenz des Zählers, bei der dieser seinen Zählerstand inkrementiert oder dekrementiert, im Zusammenhang mit einer Abweichung des gemessenen Stroms von dem Schwellenwert, wobei sich dieser Zusammenhang vorzugsweise durch den Ausdruck (Schwellenwert – gemessener Strom)² wiederspiegelt, um die typischerweise geforderte I²t-Charakteristik der Festkörperstromsteuerung umzusetzen.
Je größer die Differenz des gemessenen Stroms von dem Schwellenwert ist, desto schneller erfolgt ein Inkrementieren oder ein Dekrementieren des Zählers. Liegt beispielsweise der gemessene Strom deutlich oberhalb des Schwellenwerts, erfolgt rasch hintereinander ein Inkrementieren des Zählers, sodass der Zählerstand relativ schnell den vorbestimmten Zählerstandsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Liegt hingegen der gemessene Strom knapp unterhalb des Schwellenwerts so führt dies zu einem Dekrementieren des Zählerstands wobei die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Dekrementierungsschritten groß sind.
Gemäß einer weiteren Modifikation der Erfindung umfasst die Steuereinheit ferner einen Differenzierer, der mit dem gemessenen Strom und dem Schwellenwert beschaltet ist und einen Differenzwert zwischen dem Schwellenwert und dem gemessenen Strom ausgibt, einen Multiplizierer, der den vom Differenzierer ausgegebenen Differenzwert mit sich selbst multipliziert (quadriert), und einen Spannungs-Frequenz-Wandler, der den vom Multiplizierer ausgegebenen Wert in eine Impulsfolge entsprechender Frequenz wandelt, wobei die Impulsfolge an einen Clock-Eingang (CLK-Eingang) des Zählers gegeben wird, sodass bei jedem Impuls ein Inkrementieren oder Dekrementieren des Zählerstands erfolgt.
Der Differenzierer bildet die Differenz zwischen dem gemessenen Strom und dem Schwellenwert, die in dem Multiplizierer mit sich selbst multipliziert wird. Das Vorzeichen der Differenz ist ohne Belang, da der Multiplizierer den Differenzwert von dem gemessen Strom und dem Schwellenwert ins Quadrat nimmt. Der Ausgang des Multiplizierers ist mit dem U/f-Wandler verbunden.
Der Spannungs-Frequenz-Wandler ist ein Bauteil, das in Abhängigkeit von seiner Eingangsspannung eine Impulsfolge ausgibt, deren Abstände zueinander umgekehrt proportional zum Eingangsspannungswert sind. Bei einem hohen Eingangsspannungswert des Spannungsfrequenzwandlers wird demnach eine Impulsfolge mit einer hohen Frequenz ausgegeben, wohingegen bei einem niedrigen Eingangsspannungswert des Spannungsfrequenzwandlers eine Impulsfolge niedriger Frequenz ausgegeben wird. Die vom Spannungs-Frequenz-Wandler ausgegebene Impulsfolge wird an einen Clock-Eingang des Zählers eingegeben, sodass der Zähler ein Inkrementieren oder ein Dekrementieren bei jedem der vom Multiplizierer ausgegebenen Impulse vornimmt.
Insgesamt bedeutet dies, dass bei einer großen Differenz von dem gemessenen Strom zu dem Schwellenwert sich der Zählerstand des Zählers sehr schnell ändert, wohingegen bei einer geringen Differenz des gemessenen Stroms und des Schwellenwerts der Zählerstand des Zählers sich über die Zeit nur langsam verändert, wobei durch das Quadrieren mit Hilfe des Multiplizierers die I²t-Charakteristik umgesetzt wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuereinheit ferner einen Strom-Spannungs-Wandler, um den vom Stromfühler gemessenen Strom in einen Spannungswert zu wandeln. Diese Strom-Spannungs-Wandlung wird dabei vorzugsweise vor einem Zuführen eines Signals zu einem Komparator und einem Differenzierer vorgenommen, sodass dem Differenzierer und dem Komparator ein Spannungswert zugeführt wird, der dem gemessenen Strom entspricht.
Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist der Leistungsschalter zum Unterbrechen einer Leitung dazu ausgelegt, die Leitung bei einem Unterschreiten des vorbestimmten Zählerstandsgrenzwerts oder bei einem Darunterliegen unterhalb des vorbestimmten Zählerstandsgrenzwerts zu schließen. Dadurch kann durch die von der Festkörperstromsteuerung überwachte Leitung ein Strom fließen, sofern der Zählerstandsgrenzwert des Zählers nicht überschritten worden ist.
Vorzugsweise weist der Zähler einen kleinsten Zählerstand auf, der nicht mehr weiter dekrementiert werden kann, wobei dieser kleinste Zählerstand vorzugsweise null ist.
Nach einer weiteren optionalen Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, eine I²t-Charakteristik abzubilden, wobei dies vorzugsweise ohne das Verwenden eines Microcontrollers erfolgt. Dies bringt Vorteile mit sich, da es nicht erforderlich ist, die Software des Microcontrollers oder eines DSPs bei kritischen Anwendungen, beispielsweise bei Verwendung einer Festkörperstromsteuerung in einem Luftfahrzeug, einer Zertifizierungsprüfung zu unterziehen.
Zudem ist es möglich, dass die Festkörperstromsteuerung keinen Microcontroller umfasst und/oder im Wesentlichen nur aus den Bauteilen der vorhergehend aufgeführten die Festkörperstromsteuerung beschreibenden Absätze besteht.
Nach einer Variation der Erfindung ist der Leistungsschalter bidirektional leitfähig und umfasst vorzugsweise einen IGBT, einen MOSFET, einen Si-Halbleiter und/oder einen SiC-Halbleiter.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Festkörperstromsteuerungsanordnung, die mindestens zwei der vorstehend beschriebenen Festkörperstromsteuerungen umfasst, wobei eine erste Festkörperstromsteuerung in einer Leitung vorhanden ist, die zum Hinleiten eines Stroms zu einer Last dient, und eine zweite Festkörperstromsteuerung in einer Leitung vorhanden ist, die zum Wegleiten des Stroms von der Last dient. Diese Zweikanalarchitektur ermöglicht ohne größeren Aufwand das Erfassen eines Erdschlusses oder anderer Fehler, die auf einem Differenzstromungleichgewicht basieren. Es wird also eine Festkörperstromsteuerung in die Plusleitung und eine Festkörperstromsteuerung in die Minusleitung einer mit der Festkörperstromsteuerung zu überwachenden/zu schaltenden Last eingefügt.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Diskussion der Figuren deutlich. Es zeigen:
1: die erfindungsgemäße Festkörperstromsteuerung im Verbund mit einer Leistungsverteilungsvorrichtung,
2: ein Schaltbild zur Darlegung des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Festkörperstromsteuerung,
3: ein Schaltbild der halbanalogen Steuereinheit der erfindungsgemäßen Festkörperstromsteuerung, und
4: eine Diagrammübersicht zur Darlegung der verschiedenen Signalzustände in der Steuereinheit der erfindungsgemäßen Festkörperstromsteuerung.
1 zeigt die Verwendung einer Festkörperstromsteuerung 1 zum Schutz der Leitungen, die zwischen der Last 12, typischerweise einem Aktuator, und der Leistungsverteilungsvorrichtung angeordnet sind. In dem AC/DC-Wandler 13 wird eine Wechselstromspannung eingegeben und in eine daraus gewandelte Gleichstromspannung ausgegeben. An die zwischen den beiden Leitungen abfallende Spannung wird eine Last 12 angeschlossen. Dabei ist sowohl in der Leitung 31, die den Strom zu der Last 12 hinführt, als auch in der Leitung 32, die den Strom von der Last 12 wegleitet eine Festkörperstromsteuerung 1 vorgesehen.
Man spricht hierbei von einer Festkörperstromsteuerungsanordnung nach einer Zweikanalarchitektur, da in beiden Kanälen (Leitungen) der Last eine Festkörperstromsteuerung vorhanden ist.
Die Festkörperstromsteuerung 1 besitzt dabei das Verhalten einer Sicherung mit ihrer typischen I²t-Charakteristik und dient typischerweise dazu die vormals genutzten, mechanischen Leistungsunterbrecher zu ersetzen. Neben ihrer Hauptfunktion eines An- und eines Ausschaltens verhindert die Festkörperstromsteuerung ein in Brand geraten oder Verschmoren des zwischen der Festkörperstromsteuerung und der Last angeordneten Kabels während eines Kurzschlusses oder während Überlastphasen.
Die in 1 dargestellte Anordnung von zwei Festkörperstromsteuerungen in den jeweiligen Leitungen, die die Last mit der Spannungsquelle verbinden, ermöglicht das leichte Erkennen von Fehlern aufgrund einer Differenzstromungleichheit.
2 zeigt ein Diagramm, dass die Funktionsblöcke der in 1 dargestellten Festkörperstromsteuerung detailliert zeigt. Da eine Festkörperstromsteuerung in. 1 sowohl an der positiven Spannungsleitung als auch an der negativen Spannungsleitung vorhanden ist, wird nachfolgend die Funktionsweise der Festkörperstromsteuerung anhand lediglich eines der im Wesentlichen gleichen Festkörperstromsteuerungen erklärt. Für die Wesentlichen Funktionalitäten der Festkörperstromsteuerung ist das Vorhandensein einer Festkörperstromsteuerung in nur einer Leitung ausreichend.
Die durch eine Festkörperstromsteuerung zu schaltenden und/oder zu überwachende Leitung 3 wird mit Hilfe eines Stromfühlers 4 auf den in der Leitung 3 fließenden Strom abgetastet. Der Stromfühler 4 misst also den in der Leitung 3 fließenden Strom. Dieser wird an eine Steuereinheit 5 gegeben, die mit Hilfe eines später im Detail diskutierten Steuermechanismus entscheidet, ob ein Leistungsschalter 2 die Leitung 3 trennt oder verbindet. Zum Ausführen der Trennung oder der Verbindung der Leitung 3 besitzt der Leistungsschalter 2 einen Treiber 16. Die Leistungsversorgungseinheit 15 (engl. Power Supply Unit, PSU) versorgt dabei sowohl die Steuereinheit 5 als auch den Treiber 16 des Leistungsschalters 2 mit Energie. Darüber hinaus ist die Steuereinheit 5 über einen Isolator 14 mit Signallogik 18 gekoppelt, die mit einer übergeordneten Steuerinstanz kommunizieren kann. Von dieser Instanz kann die Signallogik 18 bspw. ein Reset-Signal zum Zurücksetzen aller Einstellungen oder ein Enable-Signal zum Ausführen der Festkörperstromsteuerungsfunktionalität empfangen. Umgekehrt kann die Signallogik 18 dieser übergeordneten Steuerinstanz verschiedene Zustände wie den gemessenen Strom auf der Leitung 3 oder das Auftrennen der Leitung 3 durch die Festkörperstromsteuerung 1 aufgrund eines zu hohen Stroms auf der Leitung 3 mitteilen.
Um auch im Falle eines Fehlers oder eines Fehlverhaltens der Festkörperstromsteuerung gewappnet zu sein, ist zusätzlich eine herkömmliche Sicherung 17 in der Leitung 3 vorgesehen. Diese Sicherung 17 ist jedoch optional und kann eine Schmelzsicherung oder eine andere herkömmliche Sicherung sein.
Mit Hilfe eines Isolators 14, über den die Steuereinheit 5 mit der Signallogik 18 kommuniziert, ist eine galvanische Trennung vorgesehen. Dies sorgt im Falle eines Kurzschlusses dafür, dass die Signallogik hiervon nicht beeinträchtigt werden kann.
3 zeigt ein Blockschaltbild der Steuereinheit 5. Man erkennt, dass der durch den Stromfühler 4 gemessene Strom der Leitung 3 durch den Strom-Spannungs-Wandler 11 in einen Spannungswert gewandelt wird, der dem gemessenen Strom in der Leitung 3 entspricht und mit dem Zeichen „I_M” dargestellt wird. Zudem erkennt man einen Schwellenwert „I_TH”, der zusammen mit dem gemessenen Strom an einen Komparator 7 und einen Differenzierer 8 gegeben wird.
Der Komparator 7 ist dabei so geschaltet, dass er einen einfachen Vergleich der beiden Eingangsgrößen I_M und I_TH vornimmt und in Abhängigkeit davon, welches der beiden Eingangssignale größer ist, einen spezifischen Signalwert (High- oder Low-Wert) ausgibt. Im Zusammenspiel mit dem Zählerbaustein 6, der über einen die Zählrichtung festlegenden Eingang 61 verfügt, wird festgelegt, dass bei einem gemessenen Strom I_M größer dem Schwellenwert I_TH der Zähler 6 nach oben zählt und bei einem gemessenen Strom I_M, der kleiner ist als der Schwellenwert I_TH, der Zähler 6 nach unten zählt. Ist also der gemessene Strom I_M größer als der Schwellenwert I_TH inkrementiert der Zähler 6 seinen Zählerstand, anderenfalls dekrementiert der Zähler 6 seinen Zählerstand. Für den Fall, dass der gemessene Strom genau dem Schwellenwert I_TH entspricht, kann der Zähler 6 entweder seinen Zählerstand inkrementieren oder dekrementieren. Dies ist ohne Belang, da in diesem Fall der Zählerstand nicht geändert wird.
Zusammenfassend gilt, dass der Zähler 6 seine Zählrichtung davon abhängig macht, ob der gemessene Strom I_M größer oder kleiner dem Schwellenwert I_TH ist.
Darüber hinaus gehen der gemessene Strom I_M und der Schwellenwert I_TH auch in einem Differenzierer 8 ein. Dieser Differenzierer 8 bestimmt die Differenz der beiden im zugeführten Signale. An dem Ausgang des Differenzierers liegt also ein Spannungspegel an, der im mathematischen Sinne ausgedrückt werden kann, als: ΔI = Schwellenwert I_TH – gemessener Strom I_M. Das Vorzeichen dieser Differenz ist für die nachfolgende Betrachtung ohne Belang, da das von dem Differenzierer 8 erhaltene Ergebnis ΔI mit Hilfe eines Multiplizierers 9 ins Quadrat gesetzt wird, so dass man das aus dem Differenzierer 8 erhaltene Ergebnis ΔI nun als (ΔI)² zusammenfassen kann.
Die ins Quadrat genommene Differenz ΔI² des gemessenen Stroms I_M zu dem Schwellenwert I_TH wird dann einem Spannungs-Frequenz-Wandler 10 zugeführt. Dieses Bauteil gibt eine Impulsfolge aus, wobei der Abstand der ausgegebenen Impulse von der Größe des eingegebenen Spannungspegels abhängt. So führt bspw. ein großer Spannungspegel am Eingang des Spannungs-Frequenz-Wandlers 10 zu einer Impulsfolge, deren Abstände gering sind, also eine hohe Frequenz aufweisen. Ein niedriger Spannungspegel führt hingegen zu einer Impulsfolge, deren Abstände zueinander groß sind, also eine geringe Frequenz aufweisen. Mathematisch wird dies dargestellt indem die Periode der Impulse eine von ΔI² abhängige Funktion ist.
Der Ausgang des Spannungs-Frequenz-Wandlers 10 wird mit dem Eingang 62 des Zählers 6 verbunden. Der Eingang 62 ist mit „CLK” beschrieben und bezeichnet einen Eingang des Zählers, bei dem bei Vorliegen eines Impulses ein Zählerstand entweder inkrementiert oder dekrementiert wird, abhängig der Beschaltung des Eingangs 61, der ja direkt mit dem Ausgang des Komparators 7 verbunden ist.
Man kann also sagen, dass je größer die Differenz zwischen dem gemessenen Strom I_M und dem Schwellenwert I_TH umso schneller bzw. mit einer umso höheren Frequenz erfolgt ein Inkrementieren/Dekrementieren durch den Zähler 6.
Erreicht der Zähler 6 einen gewissen vorbestimmten Zählerstand, den sogenannten Zählerstandsgrenzwert „Trip limit”, so gibt der Zähler 6 ein Signal zum Trennen der Verbindung 3 durch den Leistungsschalter 2 aus. Dieses Signal wird Abschaltsignal oder im Englischen „Trip signal” genannt.
4 zeigt einige Signaldiagramme, die das Verständnis der Abläufe in der Steuereinheit 5 vereinfachen. Hierbei sind die Signalverläufe an einigen ausgewählten Stellen in der Steuereinheit 5 herausgegriffen und über die Zeit aufgetragen. Im Wesentlichen sind hierbei drei Abschnitte dargestellt, anhand der die Funktionalität der erfindungsgemäßen Festkörperstromsteuerung erklärt wird.
Das oberste der vier dargestellten Diagramme zeigt den gemessenen Strom I_M sowie den Schwellenwert I_TH. Wie bereits im Zusammenhang mit 3 erläutert, werden diese beiden Signale mit Hilfe des Differenzierers voneinander abgezogen und mit Hilfe des Multiplizierers 9 erfolgt die Quadratur des Differenzbetrags dieser beiden Signale ΔI².
Dies ist in der darunter liegenden Darstellung visuell wiedergegeben und entspricht im Wesentlichen einem Signalverlauf, wie er im Ausgang des Multiplizierers 9 bzw. an Eingang des Spannungs-Frequenz-Wandlers 10 vorliegt.
Erneut darunter befindet sich ein Signalverlauf, wie er am Ausgang des Komparators 7 vorhanden ist. Hierbei erkennt man, dass für Bereiche, in denen das gemessene Signal I_M größer ist als der Schwellenwert I_TH das Signal ein High-Pegel und im umgekehrten Fall das Signal ein Low-Pegel ist. Dabei ist der Eingang 61 des Zählers 6 so ausgelegt, dass er bei einem High-Pegel-Signal zu einem Inkrementieren, bei einem Low-Pegel-Signal zu einem Dekrementieren des Zählerstands in dem Zähler 6 führt.
Die unterste Darstellung in 4 zeigt dabei die Variation des Zählerstands C anhand des in der 4 dargestellten zeitlichen Verlaufs des gemessenen Stromverlaufs I_M sowie den Zählerstandsgrenzwert „Trip limit”, bei dessen Erreichen oder Überschreiten ein Abschaltbefehl an den Leistungsschalter 2 zum Trennen der Leitung 3 gegeben wird.
Beginnend mit dem als Abschnitt 1 gekennzeichneten Zeitbereich, der durch sämtliche Diagramme mit Hilfe von vertikalen Linien dargestellt ist, besitzt der Zählerstand einen gewissen Wert. Da der gemessene Strom I_M größer als der Schwellenwert I_TH ist, erfolgt eine Zählrichtung des Zählers 6 nach oben, es wird also Inkrementiert. Die Frequenz der Imkrementierungen bestimmt sich dabei wesentlich aus der Differenz des gemessenen Stroms I_M von dem Schwellenwert I_TH, da der Zähler seinen Zählerstand in Abhängigkeit von ΔI² entweder inkrementiert oder dekrementiert. Solange also der gemessene Strom I_M größer als der Schwellenwert I_TH ist, steigt der Zählerstand kontinuierlich an, erhöht sich jedoch am Schnellsten in den Bereichen, in denen die Differenz von gemessene Strom I_M zu dem Schwellenwert I_TH am größten ist.
Fällt der gemessene Strom I_M unterhalb des Schwellenwerts I_TH erfolgt keine unmittelbare Rücksetzung des Zählerwerts auf 0 oder einen anderen Initialisierungswert sondern es wird erneut in Abhängigkeit von der Differenz des gemessenen Stroms I_M und des Schwellenwerts I_TH eine Dekrementierung des erreichten Zählerstandswerts C vorgenommen. Erkennbar ist dies im Abschnitt II der in 4 dargestellten Diagramme.
Durch die gewählte Funktionalität ergibt sich also ein gewisser Gedächtniseffekt für in der Vergangenheit oberhalb des Schwellenwerts I_TH liegende, gemessene Ströme I_M.
Anhand der in 4 dargestellten Signalverläufe, erkennt man im Abschnitt III erneut ein Überschreiten des gemessenen Stroms I_M oberhalb des Schwellenwerts I_TH. Dies führt zu einem ähnlichen Verhalten des Zählerstands wie im Abschnitt I. Da das Überschreiten des gemessenen Stroms I_M lang andauert und im Zusammenhang mit der im Abschnitt I betrachteten Überschreitung des Schwellenwerts I_TH insgesamt zu einem Überschreiten des Zählerstandsgrenzwerts „Trip limit” führt, wird bei Überschreiten bzw. Erreichen des Zählerstandsgrenzwerts „Trip limit” ein Abschaltsignal von dem Zähler 6 an den Leistungsschalter 2 gesendet, der eine Trennen der Leitung 3 veranlasst.
Indem der Zählerstand nicht ohne weiteres auf einen Ausgangswert zurückgesetzt wird, wird die gewünschte I²t-Charakteristik mit seiner Gedächtnisfunktion präzise abgebildet.
Die Vorteile der vorstehend beschriebenen Festkörperstromsteuerung werden in einer besonders hohen Verlässlichkeit und den niedrigen Kosten, die zur Umsetzung der Lösung anfallen gesehen. Im Unterschied zu einer digitalen Lösung, bei der ein mit Software programmierter Microcontroller die Funktionalität übernimmt, werden hierbei technologische Risiken und der Entwicklungsaufwand bedeutend verringert. Nicht zu unterschätzen ist auch der bei Software erhöhte Zertifizierungsaufwand für den Fall einer Anwendung der Festkörperstromsteuerung in einem Luftfahrzeug, der bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht oder nur in einem sehr reduzierten Rahmen anfällt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0174928 A1 [0007]

Claims

Festkörperstromsteuerung (1), umfassend: einen Leistungsschalter (2) zum Unterbrechen einer Leitung (3), einen Stromfühler (4) zum Messen eines Stromflusses auf der Leitung (3), und eine Steuereinheit (5) zum Steuern des Leistungsschalters (2), die dazu ausgelegt ist, auf Grundlage des von dem Stromfühler (4) gemessenen Stroms (IM) einen Überstrom auf der Leitung (3) zu verhindern, vorzugsweise zeitabhängig zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) einen Zähler (6) umfasst, der dazu ausgelegt ist, einen Zählerstand (C) zu inkrementieren, wenn der gemessene Strom (I_M) größer einem Schwellenwert (I_TH) ist, und den Zählerstand (C) zu dekrementieren, wenn der gemessene Strom (I_M) kleiner als der Schwellenwert (I_TH) ist, wobei der Leistungsschalter (2) dazu ausgelegt ist, die Leitung (3) zu unterbrechen, wenn der Zähler (6) einen vorbestimmten Zählerstandsgrenzwert (TRIP limit) erreicht oder überschreitet.
Festkörperstromsteuerung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (5) einen mit dem Schwellenwert (I_TH) und dem gemessenen Strom (I_M) beschalteten Komparator (7) umfasst, der ein Signal an einen Eingang (61) des Zählers (6) gibt, der die Zählrichtung des Zählers (6) bestimmt.
Festkörperstromsteuerung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz des Zählers (6), bei der dieser seinen Zählerstand (C) inkrementiert oder dekrementiert, in Zusammenhang mit einer Abweichung des gemessenen Stroms (I_M) von dem Schwellenwert (I_TH) steht, wobei sich dieser Zusammenhang vorzugsweise durch den Ausdruck (Schwellenwert (I_TH) – gemessener Strom (I_M))² wiederspiegelt.
Festkörperstromsteuerung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (5) ferner umfasst: einen Differenzierer (8), der mit dem gemessenen Strom (I_M) und dem Schwellenwert (I_TH) beschaltet ist und einen Differenzwert zwischen dem Schwellenwert (I_TH) und dem gemessenen Strom (I_M) ausgibt, einen Multiplizierer (9), der den vom Differenzierer (8) ausgegebenen Differenzwert mit sich selbst multipliziert, und einen Spannungs-Frequenz-Wandler (10), der den vom Multiplizierer (9) ausgegebenen Wert in eine Impulsfolge entsprechender Frequenz wandelt, wobei die Impulsfolge an einen CLK-Eingang (62) des Zählers (6) gegeben wird, so dass bei jedem Impuls ein Inkrementieren oder Dekrementieren des Zählerstands (C) erfolgt.
Festkörperstromsteuerung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (5) ferner einen Strom-Spannungswandler (11) umfasst, um den vom Stromfühler (4) gemessenen Strom (I_M) in einen Spannungswert zu wandeln.
Festkörperstromsteuerung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungsschalter (2) zum Unterbrechen einer Leitung (3) dazu ausgelegt ist, die Leitung (3) bei einem Unterschreiten oder einem Darunterliegen unterhalb des vorbestimmten Zählerstandsgrenzwerts (TRIP limit) zu schließen.
Festkörperstromsteuerung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zähler (6) einen kleinsten Zählerstand (C) aufweist, der nicht weiter dekrementiert werden kann und dieser kleinste Zählerstand (C) vorzugsweise Null ist.
Festkörperstromsteuerung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (5) dazu ausgelegt ist, eine I²t-Charakteristik abzubilden, wobei dies vorzugsweise ohne das Verwenden eines Microcontrollers erfolgt.
Festkörperstromsteuerung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der keinen Microcontroller umfasst und/oder im Wesentlichen nur aus den Bauteilen der vorhergehenden Ansprüche besteht.
Festkörperstromsteuerung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungsschalter (2) bidirektional leitfähig ist, und vorzugsweise einen IGBT, einen MOSFET, einen Si-Halbleiter und/oder einen SiC-Halbleiter umfasst.
Festkörperstromsteuerungsanordnung (100), umfassend zwei Festkörperstromsteuerungen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Festkörperstromsteuerung (1) in einer Leitung (31) vorhanden ist, die zum Hinleiten eines Stroms zu einer Last dient, und eine zweite Festkörperstromsteuerung (2) in einer Leitung (32) vorhanden ist, die zum Wegleiten des Stroms von der Last (12) dient.