DE102020121589A1 - Surge protection arrangement - Google Patents
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Abstract
Dargestellt und beschrieben ist eine Überspannungsschutzanordnung (1), insbesondere zum Schutz von elektronischen Geräten, die einen Leistungshalbleiter aufweisen, mit einem Varistor (2), mit einem Leistungshalbleiter (3) und mit einer Logikschaltung (4), wobei der Varistor (2) eine Bemessungsspannung aufweist, die kleiner als die Nennspannung ist, wobei der Leistungshalbleiter (3) elektrisch in Reihe zum Varistor (2) angeordnet ist, wobei der Steuereingang (5) des Leistungshalbleiters (3) direkt oder indirekt mit der Logikschaltung (4) verbunden ist, wobei der Leistungshalbleiter (3) bei an der Überspannungsschutzanordnung (1) anliegender Nennspannung deaktiviert ist und zu Beginn eines Überspannungsereignisses von der Logikschaltung (4) aktiviert wird, so dass bei leitendem Leistungshalbleiter (3) ein Strom durch den Varistor (2) und den Leistungshalbleiter (3) fließt, und wobei der Leistungshalbleiter (3) im Laufe des Überspannungsereignisses wieder von der Logikschaltung (4) deaktiviert wird.Shown and described is an overvoltage protection arrangement (1), in particular for protecting electronic devices that have a power semiconductor, with a varistor (2), with a power semiconductor (3) and with a logic circuit (4), the varistor (2) having a Has rated voltage which is lower than the nominal voltage, the power semiconductor (3) being arranged electrically in series with the varistor (2), the control input (5) of the power semiconductor (3) being connected directly or indirectly to the logic circuit (4), wherein the power semiconductor (3) is deactivated when the nominal voltage is applied to the overvoltage protection arrangement (1) and is activated by the logic circuit (4) at the beginning of an overvoltage event, so that when the power semiconductor (3) is conductive, a current through the varistor (2) and the power semiconductor (3) flows, and the power semiconductor (3) is deactivated again by the logic circuit (4) in the course of the overvoltage event is fourth.
Description
Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzanordnung, insbesondere zum Schutz von elektronischen Geräten, die einen Leistungshalbleiter aufweisen, mit einem Varistor als ein Überspannungsbauelement, einem Leistungshalbleiter und einer Logikschaltung.The invention relates to an overvoltage protection arrangement, in particular for protecting electronic devices which have a power semiconductor, with a varistor as an overvoltage component, a power semiconductor and a logic circuit.
Aus der
Überspannungsschutzanordnungen bzw. Überspannungsschutzgeräte sollen Anlagen und elektrische Geräte, die an Versorgungsnetzen angeschlossen sind, vor transienten Überspannungen schützen, die die elektrischen Isolationen der Anlagen und angeschlossenen Geräte gefährden. Je nach Einsatzort und Einsatzzweck werden dabei unterschiedliche Überspannungsschutzgeräte eingesetzt, die sich unter anderem bezüglich ihres jeweiligen Schutzpegels voneinander unterscheiden.Overvoltage protection arrangements or overvoltage protection devices are intended to protect systems and electrical devices that are connected to supply networks from transient overvoltages that endanger the electrical insulation of the systems and connected devices. Depending on the location and purpose of use, different surge protection devices are used, which differ from one another with regard to their respective protection level, among other things.
Der Schutzpegel charakterisiert die Fähigkeit eines Überspannungsschutzgeräts, eine anstehende Überspannung auf eine Restspannung zu begrenzen. Damit ein zu schützendes elektrisches Gerät zuverlässig vor schädlichen Überspannungen geschützt werden kann, muss der Schutzpegel des verwendeten Überspannungsschutzgeräts entsprechend an die Spannungsfestigkeit bzw. die Isolationsfestigkeit des zu schützenden Geräts angepasst werden. Die an dem Überspannungsschutzgerät während dem Fließen eines Ableitstroms auftretende Restspannung muss somit niedriger sein als die Spannung, die maximal an dem zu schützenden Gerät anliegen darf.The protection level characterizes the ability of an overvoltage protection device to limit a pending overvoltage to a residual voltage. In order for an electrical device to be protected to be reliably protected from harmful overvoltages, the protection level of the overvoltage protection device used must be adapted accordingly to the dielectric strength or insulation strength of the device to be protected. The residual voltage that occurs on the surge protection device while a leakage current is flowing must therefore be lower than the maximum voltage that may be applied to the device to be protected.
Soll durch eine Überspannungsschutzanordnung ein elektronisches Gerät geschützt werden, das eine relativ geringe Spannungsfestigkeit aufweist, weil das elektronische Gerät beispielsweise einen Leistungshalbleiter im Eingang aufweist, so muss dafür ein Überspannungsschutzgerät mit einem entsprechend niedrigen Schutzpegel ausgewählt werden. Gleichzeitig muss jedoch auch sichergestellt werden, dass die Ansprechspannung des Überspannungsschutzgeräts so hoch ist, dass sie einen ausreichenden Abstand von der Betriebsspannung des Versorgungsnetzes aufweist, um ein Ansprechen des Überspannungsschutzgeräts bei betriebszulässigen temporären Überspannungen auszuschließen.If an electronic device with a relatively low dielectric strength is to be protected by an overvoltage protection arrangement, because the electronic device has a power semiconductor in the input, for example, an overvoltage protection device with a correspondingly low protection level must be selected. At the same time, however, it must also be ensured that the response voltage of the overvoltage protection device is so high that it is at a sufficient distance from the operating voltage of the supply network to prevent the overvoltage protection device from responding in the event of operationally permissible temporary overvoltages.
Bei konventionellen elektrischen Geräten, wie Transformatoren und Motoren, sowie bei elektrischen Installationen in Form von Kabeln, Schaltern und Steckverbindern ist der Abstand zwischen der Spannungsfestigkeit der Geräte gegen transiente Überspannungen und der Betriebsspannung relativ groß. Beträgt die Spannungsfestigkeit gegenüber transienten Überspannungen eines Geräts beispielsweise 5 kV bei einer Betriebsnennspannung von 400 Volt, so kann beispielsweise ein Überspannungsschutzgerät mit einem Schutzpegel von 1,5 kV problemlos eingesetzt werden, da der Abstand des Schutzpegels sowohl zur Betriebsnennspannung als auch zur Spannungsfestigkeit ausreichend groß ist.With conventional electrical devices such as transformers and motors, as well as with electrical installations in the form of cables, switches and connectors, the distance between the dielectric strength of the devices against transient overvoltages and the operating voltage is relatively large. If the dielectric strength of a device against transient overvoltages is, for example, 5 kV at a nominal operating voltage of 400 volts, an overvoltage protection device with a protection level of 1.5 kV can be used without any problems, since the distance between the protection level and both the nominal operating voltage and the dielectric strength is sufficiently large .
Derartige Überspannungsschutzgeräte können unterschiedliche Arten von Überspannungsbauelementen aufweisen. Typisch sind beispielsweise Suppressordioden, Varistoren, gasgefüllte Überspannungsableiter (GDT) und Funkenstrecken sowie verschiedene Kombinationsschaltungen dieser Bauteile. Alle diese Bauelemente unterscheiden sich hinsichtlich ihres charakteristischen Ableitverhaltens und ihrer Leistungsfähigkeit. Leistungsstarke Überspannungsschutzanordnungen auf Basis von Funkenstrecken oder Varistoren können im Ableitfall Restspannungen erzeugen, die ein Mehrfaches der eigentlichen Betriebsnennspannung betragen.Such overvoltage protection devices can have different types of overvoltage components. Typical examples are suppressor diodes, varistors, gas-filled surge arresters (GDT) and spark gaps as well as various combinations of these components. All of these components differ in terms of their characteristic discharge behavior and their performance. In the event of leakage, powerful surge protection arrangements based on spark gaps or varistors can generate residual voltages that are a multiple of the actual nominal operating voltage.
Wie zuvor ausgeführt worden ist, sind derartige hohe Restspannungswerte bei robusten elektrischen Installationen und Geräten unkritisch, während sie bei halbleiterbasierten elektronischen Geräten zur Zerstörung oder Beschädigung der Geräte führen können, da deren Spannungsfestigkeit wesentlich geringer ist. Bei Überspannungsschutzgeräten, die Geräten mit Halbleitern schützen sollen, können daher Varistoren und Funkenstrecken als Überspannungsbauelemente nicht ohne weiteres eingesetzt werden.As stated above, such high residual voltage values are not critical in robust electrical installations and devices, whereas in semiconductor-based electronic devices they can lead to the destruction or damage of the devices, since their dielectric strength is significantly lower. In overvoltage protection devices that are intended to protect devices with semiconductors, varistors and spark gaps cannot easily be used as overvoltage components.
Überspannungsschutzanordnungen mit Überspannungsbauelementen, bei denen die Restspannung im Ableitfall geringer ist, wie beispielsweise Suppressordioden oder gasgefüllte Überspannungsableiter, weisen dagegen den Nachteil auf, dass sie bei anliegender Betriebsspannungen sehr hohe Folgeströme bis in die Größenordnung von Kurzschlussströmen erzeugen. Dies kann dazu führen, dass das Überspannungsbauelement selber zerstört wird. Ist zusätzlich zu der Überspannungsschutzanordnung eine Überstromschutzanordnung vorgesehen, durch die das Überspannungsbauelement vor einer Zerstörung durch den fließenden Folgestrom geschützt wird, so führt das Fließen eines hohen Folgestroms zum gewollten Ansprechen der Überstromschutzanordnung und damit zu einem Ausfall der Betriebsspannung. In beiden Fällen ist die Verfügbarkeit der elektrischen Anlage bzw. des elektrischen Geräts eingeschränkt, womit das eigentliche Ziel der Überspannungsschutzanordnung, das elektrische Gerät bzw. die elektrische Anlage im Betrieb zu halten, verfehlt wird.Overvoltage protection arrangements with overvoltage components in which the residual voltage is lower in the event of a discharge, such as suppressor diodes or gas-filled surge arresters, on the other hand, have the disadvantage that they generate very high follow-up currents up to the order of magnitude of short-circuit currents when operating voltages are applied. This can lead to the surge device itself gets destroyed. If, in addition to the overvoltage protection arrangement, an overcurrent protection arrangement is provided, by means of which the overvoltage component is protected from destruction by the flowing follow current, the flow of a high follow current leads to the intended response of the overcurrent protection arrangement and thus to a failure of the operating voltage. In both cases, the availability of the electrical system or the electrical device is limited, so that the actual aim of the surge protection arrangement, to keep the electrical device or the electrical system in operation, is missed.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs beschriebene Überspannungsschutzanordnung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere zum Schutz von elektronischen Geräten, die einen Leistungshalbleiter aufweisen, geeignet ist. Dabei soll die Überspannungsschutzanordnung sowohl ein relativ hohes Ableitvermögen aufweisen, als auch einen möglichst niedrigen Schutzpegel haben.The present invention is therefore based on the object of providing an overvoltage protection arrangement described at the outset which is particularly suitable for protecting electronic devices that have a power semiconductor. The overvoltage protection arrangement should have both a relatively high discharge capacity and the lowest possible protection level.
Diese Aufgabe ist bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Überspannungsschutzanordnung weist einen Varistor, einen Leistungshalbleiter und eine Logikschaltung auf, wobei der Leistungshalbleiter elektrisch in Reihe zum Varistor angeordnet ist und der Steuereingang des Leistungshalbleiters direkt oder indirekt mit der Logikschaltung verbunden ist. Der Varistor ist dabei derart ausgebildet, dass er eine Bemessungsspannung aufweist, die kleiner als die Nennspannung der Überspannungsschutzanordnung ist.This object is achieved in the overvoltage protection arrangement according to the invention with the features of
Die Bemessungsspannung des Varistors ist dabei die maximale Spannung, die betriebsmäßig an die Anschlussklemmen des Varistors angelegt werden darf, bei der sich der Varistor noch im definierten, nicht leitenden Zustand befindet. Als definierter, nicht leitender Zustand wird dabei der Zustand angesehen, bei dem über den Varistor maximal 1 mA Strom als Leckstrom fließt.The rated voltage of the varistor is the maximum voltage that may be applied to the connection terminals of the varistor during operation at which the varistor is still in the defined, non-conductive state. The state in which a maximum of 1 mA current flows through the varistor as leakage current is regarded as a defined, non-conductive state.
Da bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung der Varistor gewollt eine Bemessungsspannung aufweist, die kleiner als die Nennspannung ist, würde dies bei Anliegen der Nennspannung an der Überspannungsschutzanordnung dazu führen, dass über den Varistor ein Strom größer als 1 mA fließt. Der Varistor würde sich dann nicht mehr im Normalbetrieb befinden, da der Varistor beim Anliegen der Nennspannung nicht isolierend wäre.Since the varistor in the overvoltage protection arrangement according to the invention deliberately has a rated voltage that is lower than the nominal voltage, this would result in a current greater than 1 mA flowing through the varistor if the nominal voltage was applied to the overvoltage protection arrangement. The varistor would then no longer be in normal operation, since the varistor would not be insulating when the nominal voltage was applied.
Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung ist daher einem derart bemessenen Varistor ein Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet, der bei an der Überspannungsschutzanordnung anliegender Netzspannung deaktiviert ist, so dass über die Reihenschaltung aus Varistor und Leistungshalbleiter kein Strom fließt. Zur Erzielung der gewünschten Ableitfunktion wird der Leistungshalbleiter zu Beginn eines Überspannungsereignisses von der Logikschaltung aktiviert, so dass bei dann leitendem Leistungshalbleiter ein Strom durch den Varistor und den Leistungshalbleiter fließt. Dadurch wird die anstehende Überspannung auf einen Wert begrenzt, der unterhalb des Schutzpegels des zu schützenden elektronischen Geräts liegt, auch wenn dieses einen Leistungshalbleiter im Eingang aufweist.In the overvoltage protection arrangement according to the invention, a varistor dimensioned in this way is therefore connected in series with a power semiconductor which is deactivated when the mains voltage is applied to the overvoltage protection arrangement, so that no current flows through the series connection of varistor and power semiconductor. To achieve the desired discharge function, the power semiconductor is activated by the logic circuit at the beginning of an overvoltage event, so that when the power semiconductor is then conductive, a current flows through the varistor and the power semiconductor. This limits the overvoltage to a value that is below the protection level of the electronic device to be protected, even if it has a power semiconductor in its input.
Über den Varistor können dabei auch relativ große Ableitströme fließen, ohne dass die über den Varistor abfallende Restspannung die Spannungsfestigkeit des zu schützenden elektronischen Geräts übersteigt. Ist der abzuleitende Überspannungsimpuls so weit abgeklungen, dass die Überspannung im Toleranzbereich der Nennspannung liegt, so wird der Leistungshalbleiter von der Logikschaltung wieder deaktiviert. Dieses erneute Sperren des Leistungshalbleiters kann insbesondere zum Ende des Überspannungsereignisses, wenn sich der Wert der Überspannung entsprechend reduziert hat, erfolgen.Relatively large leakage currents can also flow via the varistor without the residual voltage dropping across the varistor exceeding the dielectric strength of the electronic device to be protected. If the overvoltage pulse to be diverted has decayed so far that the overvoltage is within the tolerance range of the nominal voltage, the power semiconductor is deactivated again by the logic circuit. This renewed blocking of the power semiconductor can take place in particular at the end of the overvoltage event, when the value of the overvoltage has correspondingly reduced.
Zur ergänzenden Erläuterung des Verhaltens eines Varistors bei unterschiedlichen Nennspannungen bzw. bei unterschiedlichen Ableitströmen sind in
Der zweite, mit „B“ gekennzeichnete Bereich ist der Arbeitsbereich des Varistors. Bei Anliegen einer Überspannung wird der Varistor niederohmig, so dass über den Varistor ein Ableitstrom fließt. In Abhängigkeit von der Höhe des Ableitstroms erhöht sich auch die über den Varistor abfallende Spannung etwas, wobei ein deutlicher Spannungsanstieg erst zum Ende des Arbeitsbereichs auftritt. Das Ende des Arbeitsbereichs wird durch den maximalen Schutzpegel und dem zugehörigen Stoßstrom bestimmt.The second area, marked “B”, is the working area of the varistor. If there is an overvoltage, the varistor becomes low-resistance, so that a leakage current flows through the varistor. Depending on the level of the leakage current, the voltage drop across the varistor also increases somewhat, with a significant increase in voltage not occurring until the end of the working range. The end of the working range is determined by the maximum protection level and the associated surge current.
In
Wenn an dem Varistor beispielsweise ein Betriebsspannung von 800 V angelegt würde, so ergibt sich aus der Spannungs-Stromkennlinie gemäß
Aus
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung einen Varistor aufweist, dessen Bemessungsspannung kleiner als die Nennspannung der Überspannungsschutzanordnung ist, wird erreicht, dass die Überspannungsschutzanordnung sowohl ein hohes Ableitvermögen als auch einen niedrigen Schutzpegel aufweist. Dadurch, dass dem so bemessenen Varistor ein Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet ist, wird dabei verhindert, dass über den Varistor bei anliegender Nennspannung ein zu hoher Leckstrom fließt, was zu einer Zerstörung des Varistors führen würde. Bei der erfindungsgemä-ßen Überspannungsschutzanordnung wird somit als Überspannungsbauelement ein Varistor eingesetzt, der eigentlich für die ausgewiesene Nennbetriebsspannung der Überspannungsschutzanordnung nicht geeignet ist.The fact that the overvoltage protection arrangement according to the invention has a varistor whose rated voltage is lower than the nominal voltage of the overvoltage protection arrangement ensures that the overvoltage protection arrangement has both a high discharge capacity and a low protection level. The fact that a power semiconductor is connected in series with the varistor dimensioned in this way prevents an excessively high leakage current from flowing through the varistor when the nominal voltage is applied, which would lead to the destruction of the varistor. In the overvoltage protection arrangement according to the invention, a varistor is used as the overvoltage component which is actually not suitable for the specified nominal operating voltage of the overvoltage protection arrangement.
Gemäß der Erfindung wird bei einer Überspannungsschutzanordnung mit einer bestimmten Nennspannung ein Varistor verwendet, der gemäß seiner Spannungs-Stromkennlinie einem 1 mA-Punkt aufweist, bei dem die am Varistor abfallende Varistorspannung kleiner als die Nennspannung ist. Vorzugsweise ist der Varistor so ausgewählt, dass er gemäß seiner Spannungs-Stromkennlinie einem 1 mA-Punkt aufweist, bei dem die am Varistor abfallende Varistorspannung maximal 90 %, vorzugsweise maximal 60 %, insbesondere maximale 40 % der Nennspannung beträgt. Bei einer Nennspannung der Überspannungsschutzanordnung von beispielsweise 600 V ist der Varistor somit so ausgewählt, dass die Bemessungsspannung kleiner als 600 V ist, insbesondere nur maximal 540 V, vorzugsweise nur 360 V oder sogar nur 240 V beträgt.According to the invention, in an overvoltage protection arrangement with a specific nominal voltage, a varistor is used which, according to its voltage-current characteristic, has a 1 mA point at which the varistor voltage drop across the varistor is lower than the nominal voltage. The varistor is preferably selected so that, according to its voltage-current characteristic, it has a 1 mA point at which the varistor voltage drop across the varistor is a maximum of 90%, preferably a maximum of 60%, in particular a maximum of 40% of the nominal voltage. With a nominal voltage of the overvoltage protection arrangement of 600 V, for example, the varistor is selected so that the rated voltage is less than 600 V, in particular is only a maximum of 540 V, preferably only 360 V or even only 240 V.
Wenn bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung der Leistungshalbleiter durch die Logikschaltung aktiviert wird, so beginnt bei anliegender Überspannung ein Ableitstrom über die Reihenschaltung aus Varistor und Leistungshalbleiter zu fließen. Leistungshalbleiter weisen in der Regel eine Stromtragfähigkeit von einigen 100 A auf. Darüber hinaus sind Leistungshalbleiter bekannt, die durch eine geeignete Eingangsübersteuerung jenseits der Nennparameter kurzzeitig auch eine Stromtragfähigkeit von einigen kA erreichen (
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass dem Leistungshalbleiter mindestens ein Überspannungsbauelement, insbesondere eine Funkenstrecke oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter (GDT) parallel geschaltet ist, so dass die Parallelschaltung aus Leistungshalbleiter und Überspannungsbauelement elektrisch in Reihe zum Varistor angeordnet ist. Dabei ist der Leistungshalbleiter derart energetisch mit dem parallel geschalteten Überspannungsbauelement koordiniert, dass das parallel geschaltete Überspannungsbauelement leitend wird, bevor der Leistungshalbleiter aufgrund des über ihn fließenden Stromes überlastet ist, also bevor die Stromtragfähigkeit des Leistungshalbleiter überschritten ist.According to a preferred embodiment of the invention, it is therefore provided that at least one overvoltage component, in particular a spark gap or a gas-filled surge arrester (GDT), is connected in parallel to the power semiconductor, so that the parallel connection of the power semiconductor and overvoltage component is arranged electrically in series with the varistor. The power semiconductor is energetically coordinated with the overvoltage component connected in parallel in such a way that the overvoltage component connected in parallel becomes conductive before the power semiconductor is overloaded due to the current flowing through it, i.e. before the current carrying capacity of the power semiconductor is exceeded.
Die Koordination zwischen den beiden parallelen Strompfaden, also dem Strompfad mit dem Leistungshalbleiter und dem Strompfad mit dem Überspannungsbauelement kann passiv erfolgen, insbesondere durch geeignete Dimensionierung der Ansprechspannung des Überspannungsbauelements. Ist als Überspannungsbauelement ein gasgefüllter Überspannungsableiter eingesetzt, so kann die Koordination zwischen dem Leistungshalbleiter und dem gasgefüllten Überspannungsableiter derart ausgestaltet sein, dass der Ableitstrom bzw. der abzuleitende Stromimpuls zunächst über den Leistungshalbleiter fließt und dann aufgrund der zeitlich verzögerten Zündung des gasgefüllten Überspannungsableiters auf diesen kommutiert.The coordination between the two parallel current paths, that is to say the current path with the power semiconductor and the current path with the overvoltage component, can take place passively, in particular through suitable dimensioning of the response voltage of the overvoltage component. If a gas-filled surge arrester is used as the surge component, the coordination between the power semiconductor and the gas-filled surge arrester can be carried out in this way be designed so that the leakage current or the current pulse to be diverted initially flows through the power semiconductor and then commutates on this due to the delayed ignition of the gas-filled surge arrester.
Gemäß einer diesbezüglich bevorzugten Ausgestaltung wird der Leistungshalbleiter nach dem Beginn eines Überspannungsereignisses, nachdem ein erster Teil des Ableitstromes über den Leistungshalbleiter geflossen ist, von der Logikschaltung wieder deaktiviert, so dass der Leistungshalbleiter hochohmig wird. Die dadurch über den Leistungshalbleiter abfallende Spannung wird dann zur Zündung des parallel geschalteten Überspannungsbauelements genutzt, indem die Ansprechspannung des Überspannungsbauelements so gewählt ist, dass das Überspannungsbauelement aufgrund der über den parallel geschalteten, hochohmigen Leistungshalbleiter abfallenden Spannung zündet.According to a preferred embodiment in this regard, the power semiconductor is deactivated again by the logic circuit after the start of an overvoltage event after a first part of the leakage current has flowed through the power semiconductor, so that the power semiconductor becomes highly resistive. The voltage drop across the power semiconductor is then used to ignite the overvoltage component connected in parallel by selecting the response voltage of the overvoltage component so that the overvoltage component ignites due to the voltage drop across the high-resistance power semiconductor connected in parallel.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Überspannungsschutzanordnung, bei der ebenfalls ein Überspannungsbauelement parallel zum Leistungshalbleiter geschaltet ist, ist eine der Zündungen des Überspannungsbauelements dienende Zündvorrichtung vorgesehen, die dann aktiviert wird, wenn der über den Varistor fließende Strom und/oder die am Varistor abfallende Spannung einen Grenzwert übersteigt bzw. übersteigen. Die Auslösung der Zündvorrichtung erfolgt somit in Abhängigkeit von dem über den Varistor fließenden Strom oder der am Varistor abfallenden Spannung, zu deren Erfassung die Überspannungsschutzanordnung dann eine entsprechende Strommesseinheit bzw. eine Spannungsmesseinheit aufweist.According to an alternative embodiment of the overvoltage protection arrangement, in which an overvoltage component is also connected in parallel to the power semiconductor, an ignition device is provided which is used to ignite the overvoltage component and which is activated when the current flowing through the varistor and / or the voltage dropping across the varistor reaches a limit value exceeds or exceed. The triggering device is thus triggered as a function of the current flowing through the varistor or the voltage drop across the varistor, for the detection of which the overvoltage protection arrangement then has a corresponding current measuring unit or a voltage measuring unit.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung, bei der auch eine der Zündungen des Überspannungsbauelements dienende Zündvorrichtung vorgesehen ist, ist diese Zündvorrichtung derart mit dem Strompfad, in dem der Leistungshalbleiter angeordnet ist, gekoppelt, dass das Überspannungsbauelement aufgrund des Stromes, der bei leitendem Leistungshalbleiter durch den Strompfad fließt, gezündet wird. Bei dieser Ausgestaltung ist somit eine zusätzliche Erfassung bzw. Messung des Stromes bzw. einer abfallenden Spannung nicht erforderlich. Die Zündung des parallelen Überspannungsbauelements wird somit unmittelbar durch den Ableitstrom initiiert, der über den Leistungshalbleiter fließt. Hierzu kann die Zündvorrichtung vorzugsweise einen entsprechenden Übertrager aufweisen, der aus dem fließenden Ableitstrom bzw. der Stromänderung ein Hochspannungsimpuls zur Triggerung einer Funkenstrecke oder eines gasgefüllten Überspannungsableiters im Parallelzweig erzeugt.According to a further alternative embodiment, in which an ignition device serving to ignite the overvoltage component is also provided, this ignition device is coupled to the current path in which the power semiconductor is arranged that the overvoltage component due to the current flowing through the current path when the power semiconductor is conductive flows, is ignited. In this embodiment, additional detection or measurement of the current or a falling voltage is therefore not required. The ignition of the parallel overvoltage component is thus initiated directly by the leakage current flowing through the power semiconductor. For this purpose, the ignition device can preferably have a corresponding transformer which generates a high-voltage pulse from the flowing leakage current or the change in current to trigger a spark gap or a gas-filled surge arrester in the parallel branch.
Um den Leistungshalbleiter vor einer zu starken Belastung durch den über ihn fließenden Ableitstrom zu schützen, wird der Leistungshalbleiter derart als Schalter betrieben, dass er möglichst schnell vom sperrenden in den leitenden Zustand und umgekehrt verbracht wird. Die Schaltflanken, also die Zeiten, in denen der Leistungshalbleiter teilleitfähig ist, werden dabei möglichst gering gehalten, wodurch der Energieumsatz im Leistungshalbleiter begrenzt wird. Hierzu ist zwischen dem Steuereingang des Leistungshalbleiters und dem Ausgang der Logikschaltung vorzugsweise ein Treiber angeordnet, so dass der Steuereingang des Leistungshalbleiters nicht direkt, sondern indirekt, über den Treiber, mit der Logikschaltung verbunden ist. Mit Hilfe eines derartigen Treibers, der auch als Gate-Treiber bezeichnet wird, kann der Leistungshalbleiter besonders schnell umgeschaltet werden. Dem Fachmann sind dabei verschiedene Treiberschaltungen bekannt, die je nach den gewünschten Einsatzbedingungen eingesetzt werden können. Der Treiber kann dabei sowohl als diskrete als auch als integrierte elektronische Schaltung ausgebildet sein.In order to protect the power semiconductor from excessive load from the leakage current flowing through it, the power semiconductor is operated as a switch in such a way that it is switched from the blocking to the conductive state and vice versa as quickly as possible. The switching edges, i.e. the times in which the power semiconductor is partially conductive, are kept as low as possible, which limits the energy consumption in the power semiconductor. For this purpose, a driver is preferably arranged between the control input of the power semiconductor and the output of the logic circuit, so that the control input of the power semiconductor is connected to the logic circuit not directly, but indirectly via the driver. With the aid of such a driver, which is also referred to as a gate driver, the power semiconductor can be switched over particularly quickly. The person skilled in the art is familiar with various driver circuits which can be used depending on the desired conditions of use. The driver can be designed both as a discrete and as an integrated electronic circuit.
Vorzugsweise sind der Treiber und auch die Logikschaltung derart ausgebildet, dass der Leistungshalbleiter zu Beginn eines Überspannungsereignisses derart schnell aktiviert wird, dass das dem Leistungshalbleiter parallel geschaltete Überspannungsbauelement leitend wird, bevor die über die Überspannungsschutzanordnung abfallende Ableitspannung 200 % der Nennspannung erreicht hat. Hierzu erfolgt die Koordination zwischen dem Leistungshalbleiter und dem parallel geschalteten Überspannungsbauelement vorzugsweise mit Hilfe einer Zündvorrichtung, die insbesondere einen magnetisch-elektrischen Spannungswandler oder einen piezokeramischen Spannungswandler aufweist, so dass eine schnelle Zündung des parallel geschalteten Überspannungsbauelements erreicht werden kann.The driver and also the logic circuit are preferably designed in such a way that the power semiconductor is activated so quickly at the beginning of an overvoltage event that the overvoltage component connected in parallel with the power semiconductor becomes conductive before the leakage voltage drop across the overvoltage protection arrangement has reached 200% of the nominal voltage. For this purpose, the coordination between the power semiconductor and the overvoltage component connected in parallel is preferably carried out with the aid of an ignition device, which in particular has a magnetic-electrical voltage converter or a piezoceramic voltage converter, so that rapid ignition of the overvoltage component connected in parallel can be achieved.
Wie zuvor ausgeführt worden ist, wird der Leistungshalbleiter im Laufe des Überspannungsereignisses von der Logikschaltung deaktiviert. Weist die Überspannungsschutzanordnung ein dem Leistungshalbleiter parallel geschaltetes Überspannungsbauelement auf, so erfolgt das Deaktivieren des Leistungshalbleiters nach der Zündung des Überspannungsbauelements, so dass der abzuleitende Stoßstrom nur noch über das gezündete Überspannungsbauelement fließt. Vorzugsweise wird zusätzlich zum Ende des Überspannungsereignisses der Leistungshalbleiter wieder von der Logikschaltung aktiviert, so dass dem Strompfad über das Überspannungsbauelement der Strompfad über den Leistungshalbleiter wieder parallelgeschaltet wird. Dies führt dazu, dass der Strom wieder auf den parallel geschalteten, den Leistungshalbleiter aufweisenden Strompfad kommutiert, und der Strom über das Überspannungsbauelement erlischt. Um dabei ein erneutes Zünden des Überspannungsbauelements über die Zündvorrichtung und insbesondere einen als Teil der Zündvorrichtung vorgesehen Transformator zu vermeiden, kann der Transformator hinsichtlich seines Übertragungsverhaltens steuerbar ausgestaltet sein. Hierzu kann beispielsweise eine dritte Wicklung vorgesehen sein, die dann kurzgeschlossen wird, wenn über den Leistungshalbleiter nur noch der Netzfolgestrom fließt. Durch das Kurzschließen der dritten Wicklung wird dann verhindert, dass von dem Transformator ein Zündimpuls erzeugt wird, der zu einer erneuten Zündung des Überspannungsbauelements führen würde.As previously stated, the power semiconductor is deactivated by the logic circuit in the course of the overvoltage event. If the overvoltage protection arrangement has an overvoltage component connected in parallel to the power semiconductor, the power semiconductor is deactivated after the overvoltage component has been ignited, so that the surge current to be diverted only flows through the ignited overvoltage component. Preferably, in addition to the end of the overvoltage event, the power semiconductor is activated again by the logic circuit, so that the current path via the overvoltage component is again connected in parallel to the current path via the power semiconductor. This leads to the fact that the current commutates again on the current path connected in parallel and having the power semiconductor, and the current through the overvoltage component is extinguished. In order to re-ignite the overvoltage component To avoid the ignition device and in particular a transformer provided as part of the ignition device, the transformer can be designed to be controllable with regard to its transmission behavior. For this purpose, a third winding can be provided, for example, which is then short-circuited when only the line follow current flows through the power semiconductor. The short-circuiting of the third winding then prevents the transformer from generating an ignition pulse which would lead to re-ignition of the overvoltage component.
Da der Leistungshalbleiter erst zum Ende des Überspannungsereignisses wieder von der Logikschaltung aktiviert wird, fließt nicht mehr der abzuleitende Stoßstrom sondern nur noch der wesentlich geringere Netzfolgestrom über den parallelen Strompfad und damit über den Leistungshalbleiter. Dadurch ist sichergestellt, dass der dann über den Leistungshalbleiter fließende Strom nicht zu einer Überlastung des Leistungshalbleiters führt. Durch ein erneutes Deaktivieren des Leistungshalbleiters kann ein fließender Netzfolgestrom dann endgültig unterbrochen werden.Since the power semiconductor is only activated again by the logic circuit at the end of the overvoltage event, the surge current to be diverted no longer flows, but only the significantly lower line follow-up current via the parallel current path and thus via the power semiconductor. This ensures that the current then flowing via the power semiconductor does not lead to an overload of the power semiconductor. By deactivating the power semiconductor again, a flowing line follow current can then be finally interrupted.
Das endgültige Abschalten bzw. Deaktivieren des Leistungshalbleiters, mit dem ein Netzfolgestrom unterbrochen wird, kann dadurch von der Logikschaltung gesteuert werden, dass mittels eines Überwachungselements überprüft wird, ob im Überspannungsbauelement noch ein Lichtbogen ansteht. Hierzu kann beispielsweise ein optisches Überwachungselement eingesetzt werden. Um den Anteil der erforderlichen Bauteile zu reduzieren, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung jedoch vorgesehen, dass der Leistungshalbleiter zum Ende des Überspannungsereignisses von der Logikschaltung für eine bestimmte Zeitdauer aktiviert wird und danach automatisch deaktiviert wird. Hierdurch kann auf die Verwendung zusätzlicher Überwachungselemente verzichtet werden. Die jeweilige Zeitdauer kann dabei von der Logikschaltung fest vorgegeben sein oder je nach Anwendungsfall bestimmt werden. Die Zeitdauer kann jedoch auch aus bestimmten Parametern der Überspannungsschutzanordnung berechnet werden, insbesondere aus Kennwerten des Überspannungsbauelements und/oder des Leistungshalbleiters sowie des Netzes, in dem die Überspannungsschutzanordnung angeordnet ist.The final disconnection or deactivation of the power semiconductor, with which a line follow current is interrupted, can be controlled by the logic circuit in that a monitoring element is used to check whether an arc is still pending in the overvoltage component. For example, an optical monitoring element can be used for this purpose. In order to reduce the proportion of required components, however, a preferred embodiment of the invention provides that the power semiconductor is activated by the logic circuit for a certain period of time at the end of the overvoltage event and is then automatically deactivated. This means that the use of additional monitoring elements can be dispensed with. The respective period of time can be predetermined by the logic circuit or determined depending on the application. The duration can, however, also be calculated from certain parameters of the overvoltage protection arrangement, in particular from characteristic values of the overvoltage component and / or the power semiconductor and of the network in which the overvoltage protection arrangement is arranged.
Gemäß einer weiteren vorläufigen Ausgestaltung der Erfindung weist die Überspannungsschutzanordnung eine Spannungsmesseinheit auf, die die an der Überspannungsschutzanordnung anliegende Spannung erfasst, wobei die Aktivierung des Leistungshalbleiters zu Beginn eines Überspannungsereignisses erfolgt, wenn die von der Spannungsmesseinheit gemessene Spannung einen Grenzwert übersteigt. Die Aktivierung des Leistungshalbleiters erfolgt somit aufgrund einer gemessenen erhöhten Spannung.According to a further preliminary embodiment of the invention, the overvoltage protection arrangement has a voltage measuring unit that detects the voltage applied to the overvoltage protection arrangement, the power semiconductor being activated at the beginning of an overvoltage event when the voltage measured by the voltage measuring unit exceeds a limit value. The power semiconductor is thus activated on the basis of a measured increased voltage.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Strommesseinheit vorgesehen, die den über das Überspannungsbauelement fließenden Strom erfasst, wobei die erneute Aktivierung des Leistungshalbleiters durch die Logikschaltung dann erfolgt, wenn der von der Strommesseinheit gemessene Strom einen Grenzwert unterschreitet. Die erneute Aktivierung des Leistungshalbleiters erfolgt somit in Abhängigkeit von dem Strom, der über das Überspannungsbauelement fließt, wodurch feststellbar ist, ob es sich bei dem Strom noch um den abzuleitenden Stoßstrom oder um einen Netzfolgestrom handelt. Die erneute Aktivierung des Leistungshalbleiters zum Ende des Überspannungsereignisses kann darüber hinaus zusätzlich auch unter Berücksichtigung der von der Spannungsmesseinheit gemessenen Spannung und auch unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Zeitdauer erfolgen. Beispielsweise wird der Leistungshalbleiter von der Logikschaltung dann erneut aktiviert, wenn der gemessene Strom und/oder die gemessene Spannung für eine bestimmte Zeitdauer einen Schwellwert unterschritten hat. Dies wird dann als Ende des eigentlichen Überspannungsereignisses interpretiert, so dass der Leistungshalbleiter wieder aktiviert werden kann, um einen Netzfolgestrom zu unterbrechen bzw. den im Überspannungsbauelement anstehenden Lichtbogen zu löschen.According to a further advantageous embodiment, a current measuring unit is provided which detects the current flowing through the overvoltage component, the power semiconductor being reactivated by the logic circuit when the current measured by the current measuring unit falls below a limit value. The renewed activation of the power semiconductor therefore takes place as a function of the current that flows through the overvoltage component, whereby it can be determined whether the current is still the surge current to be diverted or a system follow-up current. The renewed activation of the power semiconductor at the end of the overvoltage event can additionally also take place taking into account the voltage measured by the voltage measuring unit and also taking into account a predetermined time period. For example, the power semiconductor is reactivated by the logic circuit when the measured current and / or the measured voltage has fallen below a threshold value for a certain period of time. This is then interpreted as the end of the actual overvoltage event, so that the power semiconductor can be activated again in order to interrupt a line follow current or to extinguish the arc pending in the overvoltage component.
Wie zuvor ausgeführt worden ist, erfolgt die zweite Aktivierung des Leistungshalbleiters vorzugsweise für eine vorgegebene oder vorgebbare bzw. bestimmte Zeitdauer. Um dabei sicherzustellen, dass es während der erneuten Aktivierung des Leistungshalbleiters zum Erlöschen des Lichtbogens im Überspannungsbauelement gekommen ist, kann zum einen die Zeitdauer relativ groß gewählt werden. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass nach der zweiten Deaktivierung des Leistungshalbleiters eine Analyse der anliegenden Spannung und/oder des über das Überspannungsbauelement fließenden Stroms erfolgt. Hierdurch kann überprüft werden, ob der gewollte Löschvorgang erfolgreich war, d. h. kein Netzfolgestrom mehr über die Überspannungsschutzanordnung fließt. Wird bei der Analyse festgestellt, dass die Löschung des Lichtbogens nicht erfolgreich war, so dass ein Netzfolgestrom noch fließt, so wird der Leistungshalbleiter nochmals aktiviert und anschließend deaktiviert, der Löschvorgang also nochmals durchgeführt. Die Zeitdauer, während der der Leistungshalbleiter nochmals aktiviert wird, kann dabei von der vorher gewählten oder bestimmten Zeitdauer abweichen, insbesondere kürzer gewählt sein.As has been explained above, the second activation of the power semiconductor takes place preferably for a predefined or predefinable or specific period of time. In order to ensure that the arc in the overvoltage component has been extinguished during the renewed activation of the power semiconductor, on the one hand the duration can be selected to be relatively long. As an alternative to this, it can be provided that, after the second deactivation of the power semiconductor, an analysis of the applied voltage and / or of the current flowing through the overvoltage component takes place. This makes it possible to check whether the intended deletion process was successful, i. E. H. mains follow current no longer flows through the overvoltage protection arrangement. If the analysis reveals that the arc was not extinguished successfully, so that a line follower current is still flowing, the power semiconductor is activated again and then deactivated, i.e. the extinguishing process is carried out again. The time period during which the power semiconductor is activated again can deviate from the previously selected or determined time period, in particular it can be selected to be shorter.
Bei der Logikschaltung, die den Leistungshalbleiter aktiviert und deaktiviert, kann es sich beispielsweise um einen Mikrokontroller handeln kann. Als Logikschaltung können jedoch auch ein oder mehrere Zustandspeicher, wie beispielsweise RS-Flip-Flops, eingesetzt werden, so dass die Logikschaltung mindestens eine bistabile Kippstufe aufweist.The logic circuit that activates and deactivates the power semiconductor can be can for example be a microcontroller. However, one or more state memories, such as RS flip-flops, can also be used as the logic circuit, so that the logic circuit has at least one bistable multivibrator.
Zuvor ist ausgeführt worden, dass die Überspannungsschutzanordnung vorzugsweise eine Zündvorrichtung aufweist, mit der eine dem Leistungshalbleiter parallel geschaltete Funkenstrecke oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter gezündet werden kann. Die Zündvorrichtung kann beispielsweise eine Triggerelektrode aufweisen, wie sie aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. In diesem Fall kann die Zündvorrichtung neben der Triggerelektrode insbesondere auch noch einen Übertrager aufweisen.It was previously stated that the overvoltage protection arrangement preferably has an ignition device with which a spark gap connected in parallel with the power semiconductor or a gas-filled surge arrester can be ignited. The ignition device can, for example, have a trigger electrode as is well known from the prior art. In this case, the ignition device can in particular also have a transmitter in addition to the trigger electrode.
Als Leistungshalbleiter kommen vorzugsweise IGBTs oder MOSFETs zum Einsatz. Es können jedoch auch andere schnell schaltende Elemente, wie beispielsweise Thyristoren eingesetzt werden. Als Logikschaltung wird bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung vorzugsweise ein Mikrokontroller verwendet, dessen Spannungsversorgung über die anliegende Netzspannung, eine interne oder externe Spannungsquelle oder die Spannung des Überspannungsereignisses erfolgen kann.IGBTs or MOSFETs are preferably used as power semiconductors. However, other fast-switching elements, such as thyristors, can also be used. A microcontroller is preferably used as the logic circuit in the overvoltage protection arrangement according to the invention, the voltage of which can be supplied via the applied mains voltage, an internal or external voltage source or the voltage of the overvoltage event.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
-
1 ein Diagramm der Spannungs-Stromkennlinien für eine Mehrzahl von Varistoren, -
2 ein vereinfachtes Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung, -
3 ein vereinfachtes Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung, -
4 ein vereinfachtes Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung, -
5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Überspannungsschutzanordnung, ähnlichdem Ausführungsbeispiel gemäß 4 , und -
6 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Überspannungsschutzanordnung, ähnlichdem Ausführungsbeispiel gemäß 5
-
1 a diagram of the voltage-current characteristics for a plurality of varistors, -
2 a simplified circuit diagram of a first embodiment of the overvoltage protection arrangement according to the invention, -
3rd a simplified circuit diagram of a second embodiment of the overvoltage protection arrangement according to the invention, -
4th a simplified circuit diagram of a further embodiment of the overvoltage protection arrangement according to the invention, -
5 a circuit diagram of an embodiment of the overvoltage protection arrangement, similar to the embodiment according to4th , and -
6th a circuit diagram of a further embodiment of the overvoltage protection arrangement, similar to the embodiment according to FIG5
Die
Die Steuerung des Leistungshalbleiters
Über den Varistor
Das in
Gemäß dem Ausführungsbeispiel, das in
Nach erfolgter Zündung der Funkenstrecke
Wie aus der schematischen Darstellung gemäß
Außerdem zeigt diese schematische Darstellung noch eine Spannungsmesseinheit
Ergänzend zu der in
Aus der schematischen Darstellung der Logikschaltung
In
Dazu weist der Transformator
Wie aus
Bezüglich der in den
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1.1.
- ÜberspannungsschutzanordnungSurge protection arrangement
- 2.2.
- VaristorVaristor
- 3.3.
- LeistungshalbleiterPower semiconductors
- 4.4th
- LogikschaltungLogic circuit
- 5.5.
- SteuereingangControl input
- 6.6th
- Ausgangoutput
- 7.7th
- FunkenstreckeSpark gap
- 8.8th.
- ÜSaGÜSaG
- 9.9.
- ZündvorrichtungIgnition device
- 10.10.
- StrompfadCurrent path
- 11.11.
- StrompfadCurrent path
- 12.12th
- Transformatortransformer
- 13.13th
- ZündelektrodeIgnition electrode
- 14.14th
- Treiberdriver
- 15.15th
- SpannungsmesseinheitVoltage measuring unit
- 16.16.
- StrommesseinheitCurrent measuring unit
- 17.17th
- 3. Wicklung3. winding
- 18.18th
- DiodenbrückeDiode bridge
- 19.19th
- LeistungshalbleiterPower semiconductors
- 20.20th
- UND-GliedAND element
- 21.21.
- invertierter Einganginverted input
- 22.22nd
- Treiberdriver
- 23.23
- anderer Eingangother entrance
- 24.24
- Ausgangoutput
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 1020162011628 A1 [0002]DE 1020162011628 A1 [0002]
- DE 102010006525 B4 [0023]DE 102010006525 B4 [0023]
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021101506A1 (en) | 2021-01-25 | 2022-07-28 | Dehn Se | Overvoltage protection device and use of an overvoltage protection device |
-
2020
- 2020-08-18 DE DE102020121589.4A patent/DE102020121589A1/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021101506A1 (en) | 2021-01-25 | 2022-07-28 | Dehn Se | Overvoltage protection device and use of an overvoltage protection device |
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