DE102021105023A1

DE102021105023A1 - Entladeschaltung zum Entladen einer Kapazität, Verfahren zur Entladung einer Kapazität über die Entladeschaltung und elektrisches Gerät mit einer derartigen Entladeschaltung

Info

Publication number: DE102021105023A1
Application number: DE102021105023.5A
Authority: DE
Inventors: Berthold Fuld; Oliver Prior; Kevin Goebel
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: WO2022184404A1; DE102021105023B4

Abstract

Die Anmeldung beschreibt eine Entladeschaltung (100) zum Entladen einer Kapazität (1) mit- einen Eingang (101) zum elektrischen Anschluss der Kapazität (1),- einen Transistor (3), dessen Drain-Anschluss (3D) über einen Entladewiderstand (2) mit einem ersten Eingangsanschluss (101a) und dessen Source-Anschluss (3S) mit dem zweiten Eingangsanschluss (101b) verbunden ist,- einen Gate-Ladewiderstand (9) der den ersten Eingangsanschluss (101a) mit einem Gate-Anschluss (3G) des Transistors (3) verbindet,- einen thermisch mit dem Entladewiderstand (2) und/oder dem Transistor (3) gekoppelten Thermistor (4), und- einen Schalter (6), der den Gate-Anschluss (3G) mit dem zweiten Eingangsanschluss (101b) verbindet, und- eine Triggerschaltung (5), die ausgelegt ist, den Schalter (6) in Abhängigkeit einer Temperatur des Thermistors (4) zu steuern. Die Entladeschaltung (100) ist ausgelegt, aus einer an den Eingangsanschlüssen (101a, 101b) anliegenden Spannung versorgt zu werden, wobei- der Schalter (6) und/oder eine Kombination aus der Triggerschaltung (5) und dem Schalter (6) eingerichtet ist, den Schaltzustand des Schalters (6) sprungartig von dem sperrenden in den leitenden Schaltzustand zu verändern, um einen transienten Wechsel von einem ersten Betriebszustand BZ1 der Entladeschaltung (100) bei durchgesteuertem Transistor (3) in einen zweiten Betriebszustand BZ2 der Entladeschaltung (100) bei sperrendem Transistor (3) zu generieren. Die Anmeldung offenbart weiterhin ein Verfahren zum Entladen einer Kapazität und ein elektrisches Gerät mit einer derartigen Entladeschaltung.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entladung einer Kapazität, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Entladeschaltung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Gerät mit einer derartigen Entladeschaltung.
Stand der Technik
Bei elektrischen Geräten ist es oftmals aus Sicherheitsgründen gefordert, dass nach einem Ausschalten des Gerätes alle von außen berührbaren Komponenten keine elektrische Spannung oder lediglich eine ungefährliche elektrische Spannung aufweisen. Daraus folgt meist, dass Kapazitäten des Gerätes nach dessen Ausschalten kontrolliert ggf. innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer entladen werden müssen. Konkret müssen beispielsweise Eingangskapazitäten eines Photovoltaik (PV) - Wechselrichter dann, wenn dieser aus Sicherheitsgründen sowohl DC-seitig von PV-Modulen eines ihm zugeordneten PV-Generators, als auch AC-seitig von einem Energieversorgungsnetz getrennt wird, innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer entladen werden. Indem die Eingangskapazitäten entladen werden, ist auch sichergestellt, dass mit der Eingangskapazität verbundene DC-Zuleitungen zwischen dem PV-Wechselrichter und dem PV-Generator, zumindest bei einer geöffneten generatornahen Trenneinrichtung, spannungsfrei sind. Dabei muss die Entladung der Eingangskapazitäten auch dann sicher erfolgen, wenn das elektrische Gerät ausgeschaltet ist und/oder von seiner im normalen Betrieb erfolgenden elektrischen Versorgung getrennt vorliegt.
Aus der Schrift EP 2 248 238 B1 ist eine Vorrichtung zum Entladen eines Bordnetzes eines Elektrofahrzeuges oder eines elektrischen Bauelements bekannt. Die Vorrichtung weist einen schaltbaren Widerstand auf, der aus einem Transistor und einem mit einem Source Anschluss des Transistors verbundenen und thermisch mit dem Transistor gekoppelten PTC-Widerstand gebildet wird. Dabei ist der Steueranschluss des Transistors mit einer Netzspannung verbunden.
Die Schrift WO 2019 / 158748 A1 offenbart eine Entladevorrichtung zum aktiven Entladen eines elektrischen Netzes oder einer elektrisch betriebenen Einheit umfassend eine Entladeschaltung mit einem Strombegrenzungswiderstand und einem ersten Schalter zum Verbinden eines zu entladenden Bauteils mittelbar über den Strombegrenzungswiderstand mit einem Referenzpotential. Die Entladeschaltung umfasst weiterhin eine steueranschlussseitig zu dem ersten Schalter angeordnete Begrenzungsschaltung zur Begrenzung einer im Entladebetrieb an dem ersten Schalter und/oder dem Strombegrenzungswiderstand auftretenden Erwärmung. Die Begrenzungsschaltung weist einen NTC-Widerstand auf, der thermisch mit dem ersten Schalter und/oder dem Strombegrenzungswiderstand gekoppelt ist.
Nachteilig bei diesen Konzepten ist, dass insbesondere bei einer hohen elektrischen DC-Spannung im Bereich oberhalb 400 V, welche DC-Spannung beispielsweise bei PV-Generatoren und damit auch bei Eingangskapazitäten daran angeschlossener PV-Wechselrichter üblich ist, eine relativ hohe Energiemenge gespeichert ist. Die Entladung dieser Energiemenge in der vorgegebenen Zeit ist mit einer entsprechend großen elektrischen Leistung während des Entladevorganges verbunden, was wiederum eine starke thermische Belastung des Transistors, im Fall der EP 2 248 238 B1 auch des PTC-Widerstandes bedeutet. Konkret würde bei ansteigender Temperatur des PTC-Widerstandes bzw. ansteigender Temperatur des NTC Widerstandes ein Entladestrom durch den Transistor und den PTC-Widerstand bzw. den Strombegrenzungswiderstand in stetiger Art und Weise reduziert. Dabei wirkt die Spannung am PTC-Widerstand (der EP 2248238 B1 ) bzw. am Strombegrenzungswiderstand (der WO 2019 / 158748 A1) einer Steuerspannung des Transistors entgegen, wobei der Transistor zumindest überwiegend in seinem Linearbetrieb betrieben wird. Daraus resultiert eine hohe thermische Belastung des Transistors. Zudem sind PTC-Widerstände üblicherweise nur für eine geringe Anzahl thermischer Zyklen ausgelegt und müssen nach deren Ablauf getauscht werden. Dabei sinkt eine Zyklenfestigkeit des PTC-Widerstandes, also die Anzahl erlaubter thermischer Zyklen bis zum nächsten Bauteiltausch, mit zunehmender thermischer Belastung innerhalb eines Zyklus. Eine Verringerung der Entladeleistung zum Schutze des Transistors würde jedoch dazu führen, dass die vorgegebene Zeit zur Entladung der Kapazität überschritten würde.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Entladeschaltung für eine geladene Kapazität anzugeben, mit der die oben genannten Nachteile vermieden werden, zumindest jedoch signifikant reduziert werden. Insbesondere sollen temperatursensitive Komponenten der Entladeschaltung, beispielsweise Thermistoren und Halbleiterschalter, während eines Entladevorganges eine möglichst geringe thermische Belastung erfahren. Dabei ist sicherzustellen, dass die geladene Kapazität innerhalb der vorgegebenen Zeitdauer bis auf eine bezüglich einer Berührung ungefährliche DC-Spannung - üblicherweise < 60 V - entladen ist. Die Entladeschaltung soll ausgelegt sein, die Entladung der Kapazität auch ohne eine externe Energieversorgung durchzuführen und zudem möglichst kostengünstig herstellbar sein. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Entladung einer Kapazität mittels der Entladeschaltung aufzuzeigen. Zusätzlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Gerät aufzuzeigen, bei dem eine bauteilschonende Entladung von Kapazitäten des Gerätes, insbesondere auch in einem Zustand erfolgt, bei dem das Gerät von seiner Energieversorgung getrennt ist.
Lösung
Die Aufgabe, eine verbesserte Entladeschaltung aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Entladung einer Kapazität aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Die Aufgabe, ein elektrisches Gerät aufzuzeigen, bei dem eine bauteilschonende Entladung einer geräteinternen Kapazität auch in einem von einer Energieversorgung des Gerätes getrennten Zustand erfolgt, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Entladungseinheit sind in den Ansprüchen 2 bis 12 wiedergegeben, vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ist in den Anspruch 14 und 15 genannt. Eine vorteilhafte Ausführungsform des elektrischen Gerätes ist in den Ansprüchen 16 und 17 beschrieben.
Beschreibung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Entladeschaltung zum Entladen einer Kapazität umfasst:

- einen Eingang mit einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss zum Verbinden mit jeweils einem Anschluss der Kapazität,
- einen Transistor, dessen Drain-Anschluss über einen Entladewiderstand mit dem ersten Eingangsanschluss und dessen Source-Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss verbunden ist,
- einen Gate-Ladewiderstand der den ersten Eingangsanschluss mit einem Gate-Anschluss des Transistors verbindet,
- einen thermisch mit dem Entladewiderstand und/oder dem Transistor gekoppelten Thermistor. Die Entladeschaltung umfasst weiterhin
- einen Schalter mit einem leitenden und einem sperrenden Schaltzustand, der den Gate-Anschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss verbindet, und ausgelegt ist, seinen Schaltzustand in Reaktion auf ein Triggersignal zu verändern, und
- eine Triggerschaltung zur Steuerung des Schalters, die ausgelegt ist, das Triggersignal für den Schalter in Abhängigkeit einer Temperatur des Thermistors zu erzeugen, und somit den Schalter in Abhängigkeit der Temperatur des Thermistors zu steuern. Die Entladeschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eingerichtet ist, aus einer an den Eingangsanschlüssen anliegenden Spannung versorgt zu werden, und dass
- der Schalter und/oder eine Kombination aus der Triggerschaltung und dem Schalter eingerichtet ist, den Schaltzustand des Schalters in Reaktion auf das Triggersignal, und somit auch in Abhängigkeit der Temperatur des Thermistors, sprungartig von dem sperrenden in den leitenden Schaltzustand zu verändern, um einen transienten Wechsel von einem ersten Betriebszustand BZ1 der Entladeschaltung bei durchgesteuertem Transistor in einen zweiten Betriebszustand BZ2 der Entladeschaltung bei sperrendem Transistor zu generieren.

Der Transistor kann als ein feldgesteuerter Transistor ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich hierbei um einen Feldeffekt-Transistor (FET) handeln. Alternativ dazu kann der feldgesteuerte Transistor jedoch auch als ein Insulated-Gate-BipolarTransistor (IGBT) ausgebildet sein. Die Beschreibung erfolgt durchgehend mit auf einen FET bezogenen Anschlussbezeichnungen. Im Falle eines IGBT's gelten die folgenden Zuordnungen für die Anschlussbezeichnungen des Transistors: der Source-Anschluss des FET entspricht einem Emitter-Anschluss des IGBT's, der Drain-Anschluss des FET entspricht einem Kollektor-Anschluss des IGBT's. Der Gate-Anschluss behält üblicherweise seine Bezeichnung bei.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entladen einer Kapazität wird die Kapazität über die erfindungsgemäße Entladeschaltung entladen. Die Entladeschaltung weist einen ersten Betriebszustand BZ1 mit geöffnetem Schalter und durchgesteuertem Transistor, und einen zweiten Betriebszustand BZ2 mit geschlossenem Schalter und gesperrtem Transistor auf. Dabei beinhaltet das Verfahren die Schritte:

- Betreiben der Entladeschaltung in Abhängigkeit einer Temperatur des Thermistors in einem aus dem ersten BZ1 und dem zweiten Betriebszustand BZ2,
- wobei die Entladeschaltung stationär in dem ersten Betriebszustand BZ1 betrieben wird, wenn eine Temperatur des Thermistors unterhalb eines Temperatur-Schwellwertes T_TH liegt, und
- wobei die Entladeschaltung mit einem sich wiederholendem Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand BZ1 und dem zweiten Betriebszustand BZ2 betrieben wird, wenn die Temperatur des Thermistors größer oder gleich dem Temperatur-Schwellwert T_TH ist, so dass der Transistor in wiederholter Art und Weise zwischen dem durchgesteuerten und dem gesperrten Zustand wechselt

Die erfindungsgemäße Entladeschaltung ist ausgelegt und eingerichtet, bei einer an ihren Eingang angeschlossenen Kapazität gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden.
Die Erfindung nutzt den Effekt, dass bei der Entladung der Kapazität ein linearer Betrieb des Transistors verhindert, zumindest jedoch weitestgehend reduziert wird. Vielmehr operiert der Transistor - und damit die Entladeschaltung - vorwiegend in zwei Betriebszuständen, dem ersten Betriebszustand bei durchgeschaltetem Transistor und dem zweiten Betriebszustand bei sperrendem Transistor. Ein Wechsel von dem ersten in den zweiten Betriebszustand erfolgt initiiert durch den Schalter, indem der Schalter selbst, oder der Schalter in Verbindung mit der Triggerschaltung seinen Schaltzustand sprunghaft von dem sperrenden in den leitenden Zustand ändert. Da bei dem leitenden Zustand das Schalters der Gate-Anschluss des Transistors mit dem zweiten Eingangsanschluss verbunden wird, erfolgt in Reaktion darauf ein transienter Wechsel von dem ersten Betriebszustand BZ1 der Entladeschaltung bei durchgesteuertem Transistor in den zweiten Betriebszustand BZ2 der Entladeschaltung bei sperrendem Transistor.
Sowohl in dem ersten Betriebszustand BZ1 als auch in dem zweiten Betriebszustand BZ2 der Entladeschaltung ist eine über dem Transistor erzeugte Verlustleistung im Vergleich zu einem linearen Betrieb des Transistors, wie er aus dem genannten Stand der Technik bekannt ist, signifikant reduziert. Konkret ist der Entladewiderstand so dimensioniert, dass in dem ersten Betriebszustand BZ1 ein Großteil der Verlustleistung bei der Entladung der Kapazität in dem Entladewiderstand und nicht in dem Transistor umgesetzt wird. In dem zweiten Betriebszustand BZ2 wird eine Entladung der Kapazität durch den sperrenden Transistor temporär nicht nur reduziert, sondern unterdrückt. Auch bei sperrendem Transistor - und quasi temporär unterdrückter Entladung der Kapazität - ist eine an dem Transistor umgesetzte Verlustleistung im Vergleich zu einem dauerhafteren Operieren des Transistors in seinem linearen Bereich deutlich reduziert. Dies liegt darin begründet, dass in dem hier vorliegenden Fall die Verlustleistung des Transistors zu einem erheblichen Anteil auf dessen Schaltverluste reduziert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die erfindungsgemäße Entladeschaltung dann, wenn eine Temperatur des an den Transistor und/oder den Entladewiderstand thermisch gekoppelten Thermistors den Temperaturschwellwert T_TH unterschreitet, in dem ersten Betriebszustand BZ1 bei durchgeschaltetem Transistor betrieben. Dadurch erfolgt ein Stromfluss in einem Entladepfad, der über eine Reihenschaltung des Entladewiderstandes und des Transistors gebildet wird, dessen Höhe überwiegend über den Entladewiderstand begrenzt wird. Der Entladewiderstand, in geringerem Masse auch der Transistor, und daher ebenfalls der thermisch angekoppelte Thermistor erwärmen sich hierbei. Erreicht oder übersteigt eine Temperatur des Thermistors nun den Temperatur-Schwellwert T_TH, so wird die Entladung der Kapazität nicht nur verringert, sondern zumindest temporär unterdrückt, indem die Entladeschaltung durch ein sprunghaftes Schließen des Schalters in den zweiten Betriebszustand BZ2 bei sperrendem Transistor versetzt wird.
Solange nun die Temperatur des Thermistors dem Temperatur-Schwellwert T_TH entspricht oder oberhalb des Temperatur-Schwellwertes T_TH liegt und die Kapazität noch aufgeladen ist, wird die Entladeschaltung zumindest kurzzeitig in wiederholter Art und Weise über den Gate-Ladewiderstand bei zumindest temporär geöffnetem Schalter in den ersten Betriebszustand BZ1 versetzt, um dann, wenn die Temperatur des Thermistors auch in dem ersten Betriebszustand BZ1 noch den Temperatur-Schwellwert T_TH erreicht oder übersteigt, wieder durch ein sprunghaftes Schließen des Schalters in den zweiten Betriebszustand BZ2 bei sperrendem Transistor zu wechseln. Wie auch in Verbindung mit 1 nochmals detaillierter erläutert, erfolgt dabei ein sich zeitlich wiederholender, insbesondere mehrfach wiederholender transienter Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand BZ1 mit durchgesteuertem Transistor und dem zweiten Betriebszustand BZ2 mit sperrendem Transistor. Dabei ist üblicherweise eine Zeitdauer des zweiten Betriebszustandes BZ2 deutlich größer im Vergleich zu einer Zeitdauer des ersten Betriebszustandes, weswegen bei Temperaturen des Thermistors oberhalb des Temperatur-Schwellwertes im zeitlichen Mittel nur eine vergleichsweise geringe Entladung der Kapazität erfolgt. Erst wenn sich die Temperatur des Thermistors wieder soweit verringert hat, dass sie unterhalb des Temperatur-Schwellwertes T_TH liegt, wird der erste Betriebszustand BZ1 dauerhafter aufrechterhalten, zumindest solange aufrechterhalten, bis sich der Thermistor aufgrund eines im länger anhaltenden ersten Betriebszustand BZ1 auch dauerhaft(er) fließenden Entladungsstroms wieder auf eine Temperatur erwärmt hat, die dem Temperatur-Schwellwert T_TH entspricht, oder diesen übersteigt.
Zusammengefasst ergibt sowohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch bei der erfindungsgemäßen Entladevorrichtung eine dauerhaft ununterbrochen erfolgende Entladung der Kapazität bei Temperaturen des Thermistors unterhalb des Temperatur-Schwellwertes T_TH. Bei einer Temperatur des Thermistors bei oder oberhalb dem Temperatur-Schwellwertes T_TH ergibt sich hingegen eine im Zeitmittel überwiegend unterdrückte Entladung der Kapazität, die jedoch wiederholt von vergleichsweise kurzen Entladungspulsen unterbrochen wird. Die Verlustleistung in dem Entladepfad wird zu einem überwiegendem Anteil an dem Entladewiderstand, nicht aber dem Transistor umgesetzt. Da der Entladewiderstand zwischen dem Drain-Anschluss des Transistors und dem ersten Eingangsanschluss der Entladeschaltung angeordnet ist, wird der Transistor nicht, zumindest nur möglichst kurz in seinem linearen Arbeitsbereich betrieben. Die Entladeschaltung kann daher auch bei Entladungen von hohen zwischen den Eingangsanschlüssen anliegenden DC-Spannungen eingesetzt werden. Konkret kann die Entladeschaltung beispielsweise bei DC-Spannungen oberhalb von 400 V, vorteilhafterweise oberhalb von 1000 V, besonders bevorzugt sogar oberhalb von 1400 V eingesetzt werden. Die Entladeschaltung und das Verfahren zu deren Betrieb ist geeignet, selbst bei derartig hohen DC-Spannungen eine hinreichend schnelle Entladung der Kapazität zu gewährleisten, ohne dabei den Transistor einer hohen Belastung auszusetzen, wie sie andernfalls bei überwiegend linearem Betrieb des Transistors auftreten würde. Solche DC-Spannungen sind beispielsweise an einem DC Eingang eines PV-Wechselrichters durchaus üblich, weswegen die Entladeschaltungen auch besonders vorteilhaft in einem PV-Wechselrichter eingesetzt werden kann. Die Entladeschaltung wird aus der aufgeladenen Kapazität elektrisch versorgt. Sie ist daher ausgelegt, auch dann ordnungsgemäß in einem elektrischen Gerät zu operieren, wenn das elektrische Gerät von seiner normalen elektrischen Versorgung getrennt vorliegt. Selbst dann, wenn die Kapazität sich nicht entladen lässt, zum Beispiel weil sie aus einer mit der Kapazität fehlerhafterweise noch verbundenen DC-Quelle wieder aufgeladen wird, ist die Entladeschaltung bzw. deren Komponenten vor einer Beschädigung bzw. Zerstörung infolge des Fehlers geschützt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit lediglich einem Temperatur-Schwellwert T_TH des Thermistors operieren. In diesem Fall erfolgt ein Eintritt „in“ den stationären Betrieb der Entladeschaltung in dem ersten Betriebszustand BZ1, wie auch ein Austritt „aus“ dem stationären Betrieb der Entladeschaltung in dem ersten Betriebszustand BZ1 bei demselben Temperatur-Schwellwert T_TH. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann jedoch der „Austritt aus“ dem stationären Betrieb der Entladeschaltung in dem ersten Betriebszustand BZ1 bei dem Temperatur Schwellwert T_TH und der „Eintritt in“ den stationären Betrieb der Entladeschaltung in dem ersten Betriebszustand BZ1 bei einem zweiten Temperatur-Schwellwert T_TH,2 erfolgen. Über den zweiten Temperatur-Schwellwert T_TH,2 und ein damit verbundenes Hystereseverhalten kann ein stabiler und robuster Gesamtbetrieb der Entladeschaltung unterstützt werden. Konkret kann es also vorteilhaft sein, dass das stationäre Betreiben der Entladeschaltung in dem ersten Betriebszustand BZ1 erst dann erfolgt, wenn die Temperatur des Thermistors unter den zweiten Temperatur-Schwellwert T_TH,2 gefallen ist, der kleiner als der Temperatur Schwellwert T_TH ist. Dabei kann ein Betrieb der Entladeschaltung bei einer Temperatur des Thermistors zwischen dem Temperaturschwelwert T_TH und dem zweiten Temperaturschwellwert T_TH,2 von einer kurz zuvor herrschenden Temperatur des Thermistors abhängen. Beispielsweise kann der Betrieb davon abhängig sein, ob der Thermistor aktuell eine Abkühlung oder eine Erwärmung erfährt.
In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens kann das Betreiben der Entladeschaltung in Abhängigkeit einer Temperatur des Thermistors solange andauern, bis eine an der Kapazität abfallende, und daher eine an den Eingangsanschlüssen der Entladeschalung anliegende DC-Spannung einen Spannungs-Schwellwert U_TH unterschreitet. Der Spannungs-Schwellwert kann einer DC-Spannung von nahezu 0 V entsprechen. Es kann jedoch auch ausreichend sein, wenn die Kapazität sich lediglich auf eine DC-Spannung entladen hat, von der im Falle einer Berührung keine Gefahr ausgeht. In diesem Fall kann der Spannungs-Schwellwert U_TH abhängig von entsprechenden Normen z.B. bei 12 V, bei 30V, gegebenenfalls auch bei 60 V liegen.
Der Schalter der Entladeschaltung kann als bistabiler Schalter ausgebildet sein und beispielsweise einen Thyristor umfassen. Ein bistabiler Schalter im Sinne der Anmeldung ist insbesondere ein Schalter, der frei von einem linearen Arbeitsbereich ist. Er umfasst also einen leitenden und einen sperrenden Schaltzustand, aber keinen Übergangsbereich zwischen dem leitenden und dem sperrenden Schaltzustand, bei dem sich ein ohmscher Widerstand in einem Leistungspfad des Schalters kontinuierlich bzw. stetig ändert. Alternativ dazu kann der Schalter aber auch einen linearen Arbeitsbereich aufweisen und beispielsweise einen Transistor, insbesondere einen MOSFET-Transistor oder einen IGBT-Transistor, umfassen. In diesen Fällen kann dann die Triggerschaltung als Kippschaltung ausgebildet sein, die gewährleistet, dass der Schalter bei einem Wechsel seines Schaltzustandes, insbesondere bei einem Wechsel von dem sperrenden in den leitenden Schaltzustand in sprunghafter Art und Weise erfolgt, dass also der gegebenenfalls vorhandene lineare Übergangsbereich rasch durchlaufen wird. Insbesondere kann der Schalter einen Wechsel von seinem sperrenden in seinen leitenden Schaltzustand innerhalb von 10 µs, vorteilhafterweise innerhalb von 5 µs, besonders bevorzugt innerhalb von 1 µs ändern.
In einer Ausführungsform kann die Entladeschaltung zusätzlich eine Spannungsstabilisierungseinheit aufweisen, die beispielsweise eine Zenerdiode oder eine Parallelschaltung aus einer Zenerdiode und einem Pufferkondensator beinhaltet. Dabei ist die Kathode der Zenerdiode mit dem Gate-Anschluss des Transistors und die Anode der Zenerdiode mit dem zweiten Eingangsanschluss verbunden ist. In einer derartigen Verschaltung ist die Spannungsstabilisierungseinheit ausgelegt, ihren Pufferkondensator durch einen von dem ersten Eingangsanschluss ausgehenden Strom über den Gate-Ladewiderstand bis auf einen durch die Zenerdiode vorgegebenen Wert einer DC-Spannung aufzuladen. Dabei sind der Pufferkondensator und der Gate-Ladewiderstand so dimensioniert, dass eine Aufladung des Pufferkondensators auf den durch die Zenerdiode vorgegebenen Wert innerhalb einer Zeitdauer von minimal 0,2 s und maximal 4 s, besonders bevorzugt von minimal 0,5 s und maximal 2 s abgeschlossen ist. Insbesondere dann, wenn der Schalter der Entladeschaltung durch einen Thyristor gebildet ist, kann der Gate-Ladewiderstand vorteilhafterweise so dimensioniert sein, dass ein durch ihn begrenzter, von dem ersten Eingangsanschluss ausgehender Strom bei maximaler an den Eingangsanschlüssen anliegender DC-Spannung kleiner als ein Haltestrom des Thyristors ist. Damit ist sichergestellt, dass der als Thyristor ausgebildete Schalter, wenn er in seinem leitenden Schaltzustand vorliegt, aufgrund des durch ihn fließenden von dem Gate-Ladewiderstand begrenzten Strom wieder in den sperrenden Schaltzustand versetzt werden kann.
Der Thermistor kann als eine Komponente der Triggerschaltung ausgebildet sein, mit anderen Worten die Triggerschaltung kann den Thermistor umfassen. Der Thermistor kann einen Kaltleiter (auch PTC - Widerstand genannt) umfassen. Alternativ dazu kann er vorteilhafterweise jedoch auch als ein Heißleiter (auch NTC-Widerstand genannt) ausgebildet sein. Ein Heißleiter weist üblicherweise eine höhere Zyklenfestigkeit gegenüber einem Kaltleiter auf, kann also bei gleicher thermischer Belastung innerhalb jedes der Belastungszyklen mehrere Belastungszyklen durchlaufen, bevor er aus Sicherheitsgründen ausgetauscht werden sollte. Der Thermistor, gegebenenfalls auch die weitere Komponenten oder alle Komponenten der Triggerschaltung, können in dem Entladepfad angeordnet sein, der über die Reihenschaltung aus Entladewiderstand und Transistor gebildet wird. Indem der Thermistor in dem Entladepfad angeordnet ist, wird er selbst zumindest zu einem Teil von dem Entladestrom durchflossen. Daher erwärmt er sich nicht nur aufgrund seiner thermischen Kopplung zu dem Entladewiderstand und/oder dem Transistor, sondern auch durch den Entladestrom selbst. Dies kann in Bezug auf eine schnelle Reaktion der Triggerschaltung vorteilhaft sein.
Der in dem Entladepfad angeordnete Entladewiderstand kann als einzelner Entladewiderstand ausgebildet sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass der Entladewiderstand eine Vielzahl von untereinander seriell und/oder parallel geschalteten Widerständen umfasst. In letzterem Fall wird die umzusetzende Leistung auf mehrere Widerstände verteilt. Dabei kann der Thermistor mit lediglich einem - vorzugsweise einem innerhalb der Vielzahl von Widerständen zentral angeordneten Widerstand -, aber auch mit mehreren der Widerstände thermisch gekoppelt sein.
Die Triggerschaltung kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Exemplarisch werden vier vorteilhafte Möglichkeiten zur Umsetzung der Triggerschaltung detailliert in den 3a - 3c und 4 dargestellt und erläutert, weswegen hier auf die entsprechenden Figuren und Figurenbeschreibungen verwiesen wird.
Ein erfindungsgemäßes elektrisches Gerät umfasst eine Kapazität und eine auf die Kapazität wirkende erfindungsgemäße Entladeschaltung. Dabei ist das elektrische Gerät insbesondere dessen Entladeschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und eingerichtet. Insbesondere ist das elektrische Gerät mittels der Entladeschaltung eingerichtet, die geräteinterne Kapazität auch in einem Zustand zu entladen, bei dem das Gerät von seiner Energieversorgung getrennt ist.
Bei dem elektrischen Gerät kann es sich insbesondere um einen Photovoltaik (PV) - Wechselrichter handeln. Der PV-Wechselrichter kann als PV-Wechselrichter mit lediglich einem DC-Eingang zum Anschluss eines PV-Strings oder aber als sogenannter Multistring-PV-Wechselrichter mit mehreren jeweils eine Eingangskapazität aufweisenden DC-Eingängen zum Anschluss mehrerer PV-Strings ausgebildet sein. Je nach Art des PV-Wechselrichters kann die Kapazität daher eine oder auch mehrere durch Dioden entkoppelte Eingangskapazitäten des PV-Wechselrichters umfassen.
In einem normalen Betrieb des Gerätes ist es oftmals unerwünscht, die Kapazität des elektrischen Gerätes zu entladen, da dies eine Funktionsbeeinträchtigung des Gerätes bedingen kann. Vorteilhafterweise kann das elektrische Gerät daher eine auf den Gate-Anschluss des Transistors wirkende und von einer Steuerung des Gerätes ansteuerbare Schalteinheit aufweisen, die eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines Steuersignales der geräteinternen Steuerung eine Entladung der Kapazität zu unterdrücken oder zu ermöglichen. Dabei kann die Schalteinheit beispielsweise einen zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des Transistors angeordneten weiteren Schalter beinhalten, der in Reaktion auf ein Steuersignal der geräteinternen Steuerung den Gate-Anschluss des Transistors niederohmig mit dem Source-Anschluss des Transistors verbindet und so den Transistor der Entladevorrichtung dauerhaft sperrt, wodurch eine Entladung der Kapazität im Betrieb des Gerätes bewusst unterdrückt wird. Alternativ ist es natürlich auch möglich, den weiteren Schalter in Reaktion auf ein entsprechendes Steuersignal der geräteinternen Steuerung zu öffnen, wodurch ein Entladen der geräteinternen Kapazität bewusst initiiert werden kann.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen

1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Entladeschaltung in einer Ausführungsform;
2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms;
3a eine Triggerschaltung zur Ansteuerung zur Ansteuerung eines als Thyristor ausgebildeten Schalters der Entladeschaltung in einer ersten Ausführungsform.
3b eine Triggerschaltung zur Ansteuerung zur Ansteuerung eines als Thyristor ausgebildeten Schalters der Entladeschaltung in einer zweiten Ausführungsform.
3c eine Triggerschaltung zur Ansteuerung eines als Thyristor ausgebildeten Schalters der Entladeschaltung in einer dritten Ausführungsform.
4 eine Triggerschaltung in einer vierten Ausführungsform zur Ansteuerung eines als Transistor ausgebildeten Schalters der Entladeschaltung.

Figurenbeschreibung
In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Entladeschaltung 100 dargestellt. Die Entladeschaltung 100 weist einen Eingang 101 mit einem ersten Eingangsanschluss 101a und einem zweiten Eingangsanschluss 101b auf, an den eine zu entladene Kapazität 1 angeschlossen ist. Parallel zu dem Eingang 101 und der Kapazität 1 ist ein Entladepfad 10 angeschlossen, der aus einer Reihenschaltung eines Entladewiderstandes 2 und eines feldgesteuerten Transistors (FET, hier: exemplarisch als MOSFET) als Transistor 3 gebildet wird. Der FET 3 ist mit seinem Drain-Anschluss 3D über den Entladewiderstand 2 mit dem ersten Eingangsanschluss 101a verbunden. Ein Source-Anschluss 3S des FET 3 ist mit dem zweiten Eingangsanschluss 101b verbunden, welcher wiederum mit einem Referenzpotential GND verbunden ist. Weiterhin weist die Entladeschaltung 100 eine Reihenschaltung aus einem Gate-Ladewiderstand 9 und einer Spannungsstabilisierungseinheit 7 auf, die durch eine Parallelschaltung aus einer Zenerdiode ZD1 und einem Pufferkondensator C1 gebildet wird. Dabei ist der Gate-Ladewiderstand 9 mit dem ersten Eingangsanschluss 101a und die Anode der Zenerdiode ZD1 mit dem zweiten Eingangsanschluss 101b verbunden. Die Katode der Zenerdiode ZD1 - und damit auch ein Verbindungspunkt zwischen dem Gate-Ladewiderstand 9 und der Spannungsstabilisierungseinheit 7 - ist mit dem Gate-Anschluss 3G des FET 3 verbunden.
Parallel zu der Zenerdiode ZD1 ist ein Schalter 6 angeordnet. Der Schalter 6 wird über eine Triggerschaltung 5 angesteuert, was über einen gestrichelt illustrierten, auf den Schalter 6 gerichteten Pfeil symbolisiert ist. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Schalters 6 durch die Triggerschaltung 5 in Abhängigkeit einer Temperatur eines Thermistors 4, was in 1 über einen auf die Triggerschaltung 5 gerichteten Pfeil symbolisiert ist. Zusätzlich kann die Triggerschaltung 5 eingerichtet sein, die Ansteuerung des Schalters 6 auch in Abhängigkeit einer DC-Spannung U_GS zwischen dem Gate-Anschluss 3G und dem Source-Anschluss 3S des Transistors 3 durchzuführen. Der Thermistor 4, der in 1 exemplarisch als ein Heißleiter (NTC) dargestellt ist, ist thermisch mit dem Entladewiderstand 2 und/oder mit dem FET 3 gekoppelt. Die thermische Kopplung des Thermistors 4 ist in 1 über Doppelpfeile symbolisiert. Obwohl der Thermistor 4 und die Triggerschaltung 5 in 1 jeweils als separate Bauteile gezeigt sind, kann der Thermistor 4 integraler Bestandteil der Triggerschaltung 5 sein.
In einer Ausführungsform ist der Entladeschaltung 100 ist es möglich - aber nicht zwingend erforderlich -, den Thermistor 4 und zumindest Teile der Triggerschaltung 5, gegebenenfalls auch die gesamte Triggerschaltung 5 in dem Entladepfad 10 anzuordnen. Zwei mögliche Varianten zu einer derartigen Verschaltung innerhalb des Entladepfades 10 sind in 1 durch die gestrichelt dargestellten optionalen Schaltungspositionen 13, 14 mit ihren jeweiligen Anschlusspunkten 13a, 13b bzw. 14a, symbolisiert. Auf die Schaltungspositionen 13, 14 und deren Anschlusspunkte wird in Verbindung mit den in 3a - 3c und 4 dargestellten unterschiedlichen Ausführungsformen der Triggerschaltungen 5 Bezug genommen.
In 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms dargestellt, wie es mit einer in einem Gerät, beispielsweise einem PV-Wechselrichter, eingebauten Entladeschaltung gemäß 1 durchgeführt werden kann. Das Verfahren startet mit einem Verfahrensschritt S1. Das die Entladeschaltung umfassende elektrische Gerät wird in einem Verfahrensschritt S2 zunächst in seinem normalen Betrieb betrieben. Während des normalen Betriebs ist die Entladeschaltung 100 deaktiviert. In einem dritten Verfahrensschritt S3 erfolgt ein Ausschalten des Gerätes, wobei automatisch die Entladeschaltung 100 aktiviert wird. Dies kann beispielsweise über ein Ausbleiben eines ansonsten im normalen Betrieb des Gerätes an einer Schalteinheit anliegenden Steuersignales erfolgen, die den Gate-Anschluss 3G des Transistors 3 niederimpedant mit seinem Source-Anschluss 3S verbindet, wodurch eine Entladung der geräteinternen Kapazität 1 im normalen Betrieb des Gerätes unterdrückt wird. In einem vierten Verfahrensschritt S4 wird überprüft, ob eine an dem Eingang 101 der Entladeschaltung 100 anliegende Eingangsspannung U_ein einen Spannungs-Schwellwert U_TH unterschreitet. Ist dies nicht der Fall, so ist die an den Eingang 101 angeschlossener Kapazität 1 noch nicht ausreichend entladen und das Verfahren verzweigt zu einem fünften Verfahrensschritt S5. In dem fünften Verfahrensschritt S5 wird überprüft, ob eine Temperatur T des Thermistors 4 kleiner als ein Temperatur-Schwellwert T_TH ist. Ist dies der Fall, so verzweigt das Verfahren zu einem sechsten Verfahrensschritt S6, bei dem die Entladeschaltung 100 in dem ersten Betriebszustand BZ1 bei durchgeschalteten Transistor 3 betrieben wird. Die Kapazität 1 wird durch einen ununterbrochenen Stromfluss entladen. Das Verfahren verzweigt vom sechsten Verfahrensschritt S6 zurück zum vierten Verfahrensschritt S4. Ist bei der Überprüfung in dem fünften Verfahrensschritt S5 hingegen die Temperatur T des Thermistors 4 größer oder gleich dem Temperaturschwellwert T_TH, so verzweigt das Verfahren zu einem siebten Verfahrensschritt S7, bei dem die Entladeschaltung 100 alternierend zwischen dem zweiten Betriebszustand BZ2 bei sperrendem Transistor 3 und dem ersten Betriebszustand BZ1 bei durchgeschalteten Transistor 3 hin und her wechselt. Dabei wird üblicherweise der erste Betriebszustand BZ1 deutlich kürzer eingenommen als der zweite Betriebszustand BZ2. Infolgedessen wird die Kapazität 1 durch einen zyklisch unterbrochenen diskontinuierlichen Stromfluss entladen. Da die Zeiträume, in denen der erste Betriebszustandes BZ1 eingenommen wird üblicherweise deutlich kleiner sind als die Zeiträume, in denen der zweite Betriebszustand BZ2 vorliegt, erfolgt jedoch keine signifikante Entladung der Kapazität 1 in dem siebten Verfahrensschritt S7. Von dem siebten Verfahrensschritt S7 verzweigt das Verfahren wieder zurück zu dem vierten Verfahrensschritt S4. Wird nun in dem vierten Verfahrensschritt S4 festgestellt, dass die an dem Eingang 101 anliegende DC-Spannung U_ein kleiner als der Spannungs-Schwellwert U_TH ist, so ist die an die Entladeschaltung 100 angeschlossener Kapazität 1 ausreichend entladen und das Verfahren wird in einem achten Verfahrensschritt S8 beendet.
In dem Flussdiagramm ist eine Schleife der Verfahrensschritte S4 - S7 in separierten Blöcken dargestellt, um die Funktion des Verfahrens zu erläutern. Gemäß dem Verfahren ist es jedoch möglich, und bei einer weitgehend analog operierenden Entladeschaltung auch üblich, dass die Verfahrensschritte S4 - S7 innerhalb der Schleife nahezu simultan durchlaufen werden.
In 3a ist eine erste Ausführungsform einer Triggerschaltung 5 dargestellt, wie sie beispielsweise innerhalb der Entladeschaltung 100 in 1 verwendet werden kann. Die Triggerschaltung 5 weist eine Parallelschaltung aus dem Kaltleiter 21 und einer Reihenschaltung aus einer zweiten Zenerdiode ZD2 und einem zweiten Widerstand R2 auf. Dabei ist ein Verbindungspunkt 28 zwischen der zweiten Zenerdiode ZD2 und dem zweiten Widerstand R2 mit einem Steueranschluss 11G des als Thyristor 11 ausgebildeten Schalters 6 verbunden. Die Triggerschaltung 5 kann an der zweiten Schaltungsposition 14 innerhalb des Entladepfades 10 der Entladeschaltung 100 zwischen dem Source-Anschluss 3S des Transistors 3 und dem Referenzpotential GND bzw. dem Referenzpotential GND angeordnet sein. Dies ist über die in 3a ebenfalls eingezeichneten Anschlusspunkte 14a, 14b symbolisiert, die den Anschlusspunkten innerhalb der 1 entsprechen. Zusätzlich ist von den Anschlusspunkten 14a, 14b jeweils ein Pfeil auf den Source-Anschluss 3G bzw. das Referenzpotential GND gerichtet, was die Anordnung der Triggerschaltung 5 innerhalb der Entladeschaltung 100 nochmals kennzeichnet.
Der Kaltleiter 21 als Thermistor 4 wird während des ersten Betriebszustandes BZ1 von dem in dem Entladepfad 10 fließenden Strom durchflossen. Er erwärmt sich daher sowohl aufgrund der thermischen Kopplung mit dem Entladewiderstand 2 und/oder dem Transistor 3 als auch infolge des ihn durchsetzenden Stroms. Durch die Erwärmung des Kaltleiters 21 steigt sein ohmscher Widerstand und damit der Spannungsabfall zwischen den Anschlusspunkten 14a, 14b. Übersteigt der Spannungsabfall einen durch die zweite Zenerdiode ZD2 definierten Schwellwert, so erhält der Thyristor 11 an seinem Steueranschluss 11G ein Spannungssignal und wird gezündet, wodurch er sprungartig in seinen leitfähigen Zustand versetzt wird. Entsprechend wird der Steueranschluss 3G des Transistors 3 mit seinem Source-Anschluss 3S verbunden, wodurch der Pufferkondensator C1 der Spannungsstabilisierungseinheit 7 entladen wird und der Transistor 3 in seinen sperrenden Zustand versetzt wird. Nach Entladung des Pufferkondensators C1 fließt der durch den Gate-Ladewiderstand 9 limitierte Strom von dem ersten Eingangsanschluss 101a durch den Thyristor 11. Dieser ist jedoch kleiner als ein Haltestrom des Thyristors, wodurch der Thyristor 11 wieder in seinen sperrenden Zustand versetzt wird. Der durch den Gate-Ladewiderstand 9 limitierte Strom beginnt nun, den Pufferkondensator C1 auf den durch die Zenerdiode ZD1 festgelegten Wert aufzuladen. Die Spannung an dem Gate-Anschluss 3G des Transistors 3 steigt entsprechend und der Transistor 3 wird wieder durchgesteuert. Wenn die Temperatur des Thermistors 4 weiterhin zumindest dem Temperaturschwellwert TTH entspricht oder diesen übersteigt, so wird der Thyristor 11 unmittelbar wieder gezündet und in seinen leitfähigen Schaltzustand versetzt. Dieser alternierende Wechsel wiederholt sich nun solange, bis die Temperatur des Thermistors 4 den Temperatur-Schwellwert T_TH unterschreitet, wodurch der Transistor 3 wieder dauerhafter durchgesteuert bleibt. Ist die Kapazität 1 ausreichend entladen, so wird die Entladeschaltung 100 nicht mehr versorgt und das Verfahren automatisch beendet.
In 3b ist eine zweite Ausführungsform der Triggerschaltung 5 dargestellt, die ebenfalls ein der zweiten Schaltungsposition 14 innerhalb des Entladepfades angeordnet werden kann. Sie ähnelt in ihrem Aufbau und ihrem funktionellen Verhalten der in 3a dargestellten ersten Ausführungsform. Im Folgenden werden daher hauptsächlich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform dargestellt.
Die zweite Ausführungsform der Triggerschaltung 5 weist eine Parallelschaltung aus einer dritten Zenerdiode ZD3 und einer Reihenschaltung aus einem Heißleiter 22 und einem dritten Widerstand R3 auf. Dabei ist ein Verbindungspunkt 29 zwischen dem Heißleiter 22 und dem dritten Widerstand R3 und mit einem Steueranschluss 11G des als Thyristor 11 ausgebildeten Schalters 6 verbunden.
In der zweiten Ausführungsform wird der Spannungsabfall zwischen den Anschlusspunkten 14a, 14b durch die dritte Zenerdiode ZD3 vorgegeben. Bei einer Erwärmung des Heißleiters 22 nimmt dessen ohmscher Widerstand ab und eine an dem Verbindungspunkt 29 anliegende Spannung steigt relativ zu dem Referenzpotential GND an. Bei Erreichen eines für den Thyristor 11 erforderlichen Spannungs-Schwellwertes wird der Thyristor 11 gezündet und in seinen leitfähigen Zustand versetzt. Das weitere Funktionsverhalten, auch der alternierende Wechsel zwischen dem leitenden und dem sperrenden Schaltzustand des Thyristors 11 entspricht dem bereits in 3a beschriebenen Verhalten, jedoch mit dem Unterschied, dass ein Anheben der Spannung an dem Verbindungspunkt 29 durch eine Verringerung des ohmschen Widerstandes des Heißleiters 22, und nicht wie in 3a durch eine Vergrößerung des ohmschen Widerstandes des Kaltleiters verursacht wird. Daher wird zu dem prinzipiellen Funktionsverhalten auf die Ausführungen in der Beschreibung der 3a verwiesen.
In 3c ist eine dritte Ausführungsform der Triggerschaltung 5 illustriert. Die dritte Ausführungsform der Triggerschaltung 5 umfasst einen Optokoppler 23. Die Triggerschaltung 5 ist hier nicht vollständig, sondern nur teilweise in dem Entladepfad 10 angeordnet. Konkret ist ein erster in 3c links dargestellter Teil an der ersten Schaltungsposition 13 zwischen dem Transistor 3 und dem Entladewiderstand 2 angeordnet, was wiederum über entsprechend eingezeichnete Anschlusspunkte 13a 13b symbolisiert ist, die auch den Anschlusspunkten 13a, 13b innerhalb der 1 entsprechen. Der erste Teil der Triggerschaltung 5 weist einen ähnlichen Aufbau wie die in 3B gezeigte zweite Ausführungsform der Triggerschaltung auf und umfasst eine vierte Zenerdiode ZD4, die parallel zu einer Reihenschaltung aus einem vierten Widerstand R4 und einem Heißleiter 22 als Thermistor 4 geschaltet ist. Parallel zu dem vierten Widerstand R4 ist eine Reihenschaltung aus einer fünften Zenerdiode ZD5 und einer Diode des Optokopplers 23 angeordnet. Ein weiterer Teil der Triggerschaltung 5 umfasst eine Reihenschaltung aus einem fünften Widerstand R5, einem dem Optokoppler 23 zugeordneten Transistor und einem sechsten Widerstand R6. Die Reihenschaltung ist mit einem Ende (hier erster Anschlusspunkt 15a) mit dem ersten Eingangsanschluss 101a und mit dem anderen Ende (hier: weiterer Anschlusspunkt 15b) mit dem Referenzpotential GND verbunden.
Der links dargestellte Teil der Triggerschaltung 5 operiert ähnlich, wie die zweite Ausführungsform gemäß 3b. Bei einer Erwärmung des Heißleiters 22 steigt eine an dem Verbindungspunkt 30 anliegende Spannung relativ zu einer an dem Anschlusspunkt 13b anliegenden Spannung. Überschreitet die Spannung an dem Verbindungspunkt 30 einen durch die fünfte Zenerdiode ZD5 vorgegebenen Schwellwert, so resultiert ein Stromfluss durch die Diode des Optokopplers 23, wodurch der - zuvor gesperrte - Transistor des Optokopplers 23 durchgesteuert wird. Hierdurch wird eine an dem weiteren Verbindungspunkt 31 anliegende DC-Spannung relativ zu dem am weiteren Anschlusspunkt 15b anliegenden Referenzpotenzial angehoben, wodurch der als Thyristor 11 ausgebildete Schalter 6 gezündet und in seinen leitenden Schaltzustand versetzt wird. Auch hier ist das sich mit dem Schließen und Öffnen des Schalters 6 verbundene Funktionsverhalten in Bezug auf ein Versetzen der Entladeschaltung 100 in den ersten Betriebszustand BZ1 bei durchgesteuertem Transistors 3 und ein Betrieb mit einem alternierenden Wechsel zwischen dem zweiten und dem ersten Betriebszustand BZ2, BZ1 prinzipiell gleich dem Funktionsverhalten der ersten Ausführungsform, weswegen hier auf die Ausführungen unter 3a verwiesen wird.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform der Triggerschaltung 5 dargestellt, die im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen nicht in dem Entladepfad 10 der Entladeschaltung 100 angeordnet ist. Hingegen ist sie mit einem ersten Anschlusspunkt 16a mit dem Gate-Anschluss 3G des Transistors 3 verbunden, was in 4 über einen von dem Anschlusspunkt 16a ausgehenden und auf 3G gerichteten Pfeil symbolisiert ist. Ein zweiter Anschlusspunkt 16b der Triggerschaltung 5 ist mit dem Referenzpotential GND der Entladeschaltung verbunden, was in 4 über einen von dem zweiten Anschlusspunkt 16b ausgehenden und auf GND gerichteten Pfeil symbolisiert ist. Die vierte Ausführungsform der Triggerschaltung 5 ist als eine Kippschaltung ausgelegt, und wirkt steuernd auf einen Transistor 12 als Schalter 6. Die Triggerschaltung 5 beinhaltet eine sogenannte Schmitt-Triggerschaltung 32. Die Schmitt-Triggerschaltung 32 weist eine Widerstandsbrücke aus einem Heißleiter 22 als Thermistor 4, einem siebten R7, einem achten R8 und einem neunten Widerstand R9 auf. Dabei ist ein Verbindungspunkt einer Reihenschaltung aus dem siebten Widerstand R7 und dem Heißleiter 22 mit einem positiven Eingang eines Operationsverstärker 35, sowie ein Verbindungspunkt einer Reihenschaltung aus dem achten R8 und dem neunten Widerstand R9 mit einem negativen Eingang des Operationsverstärker 35 verbunden. Ein Ausgang des Operationsverstärkers 35 ist über einen zehnten Widerstand R10 in Form einer Mitkopplung mit dem Verbindungspunkt des siebten Widerstandes R7 und des Heißleiters 22 verbunden. Die Schmitt-Triggerschaltung 32 wird versorgt aus einer Spannungsstabilisierungsschaltung 33 umfassend eine Parallelschaltung aus einer sechsten Zenerdiode ZD6 und einen zweiten Pufferkondensator C2. Dabei wird die Spannungsstabilisierungsschaltung 32 aus einer an dem Gate-Anschluss 3G des Transistors 3 anliegenden Spannung gespeist, und zwar über eine Reihenschaltung aus einem elften Widerstand R11 und einer zweiten Diode D2, die mit dem ersten Anschlusspunkt 16a der Triggerschaltung 5 verbunden ist. Zudem ist der Ausgang des Operationsverstärkers 35 mit einem Gate-Anschluss 12G des Schalters 6 verbunden, der in 4 als weiterer Transistor 12, konkret als weiterer FET 12, ausgebildet ist. Alternativ kann der weitere Transistor 12 auch als bipolarer Transistor ausgebildet sein, optional auch zusammen mit dem Operationsverstärker 35 in einer integrierten Schaltung (IC) vorliegen.
Durch die Schmitt-Triggerschaltung wird ein Hystereseverhalten in Bezug auf einen Wechsel in den Schaltzuständen des weiteren Transistors 12 in Abhängigkeit der Temperatur des Thermistors 4 generiert. Konkret wird liegt der weitere Transistor 12 bei einer geringen Temperatur T des Thermistors 4 in einem sperrenden Schaltzustand vor. Die Entladeschaltung 100 wird hierdurch in dem ersten Betriebszustand BZ1 bei durchgeschaltetem Transistor 3 betrieben. Mit zunehmender Temperatur des Entladewiderstandes 2 und/oder des Transistors 3 wird der Thermistors 4 erwärmt und der Widerstand des Heißleiters 22 verringert sich. Bei Erreichen oder Überschreiten des Temperatur-Schwellwertes T_TH erfolgt ein sprungartiger Wechsel der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 35 von einem „Low-Signal“ auf ein „High-Signal“, wodurch der weitere Transistor 12 durchgeschaltet wird. Hierdurch wird der Gate-Anschluss 3G des Transistors 3 mit dem Referenzpotential GND verbunden und die Entladeschaltung 100 in den zweiten Betriebszustand BZ2 bei sperrendem Transistor 3 versetzt. Bei einer Abkühlung des Thermistors 4 hingegen verringert sich der Widerstand des Heißleiters 22. Bei Erreichen oder Unterschreiten eines zweiten Temperatur-Schwellwertes T_TH,2 erfolgt ein sprungartiger Wechsel der Ausgangsspannung von dem „High-Signal‟ auf das „Low-Signal“ wodurch der weitere Transistor 12 gesperrt wird, und die Entladeschaltung 100 wieder in den ersten Betriebszustand BZ1 versetzt wird. Dabei ist der zweite Temperatur-Schwellwert T_TH,2 kleiner als der Temperatur-Schwellwert T_TH, das heißt es gilt T_TH,2 < T_TH. Ein derartiges Hysterese-Verhalten ist üblicherweise im Hinblick auf einen robusten und stabilen Gesamtbetrieb der Entladeschaltung 100 vorteilhaft.
Auch dann, wenn die Temperatur T bei Erwärmung des Thermistors 4 größer oder gleich dem Temperatur-Schwellwert T_TH ist, oder die Temperatur T bei Abkühlung des Thermistors 4 größer oder gleich dem zweiten Temperatur-Schwellwert T_TH,2 ist, erfolgt wiederholter alternierender Wechsel zwischen dem zeitlich überwiegendem eingenommenen zweiten Betriebszustand BZ2 bei sperrendem Transistor 3 und einem lediglich kurzzeitig eingenommenen ersten Betriebszustand BZ1 bei durchgeschaltetem Transistor 3. Dabei ergibt sich der alternierende Wechsel aus Folgendem Grund: Bei durchgeschaltetem Schalter 6 wird die an dem Gate-Anschluss des Transistors 3 anliegende DC-Spannung auf das Referenzpotenzial GND gesetzt, wodurch auch der Operationsverstärker 35 seine elektrische Versorgung verliert. Er wird lediglich nur noch so lange weiter versorgt, wie durch eine an dem Pufferkondensator C2 der Spannungsstabilisierungseinheit 33 anliegende DC-Spannung ermöglicht wird. Da sich der Pufferkondensator C2 jedoch unter anderem aufgrund eines Energieverbrauchs der Schmitt-Triggerschaltung 32 entlädt, wird bei Unterschreiten einer minimalen DC-Spannung der Operationsverstärker 35 deaktiviert und der weitere Transistor 12 als Schalter 6 wieder in seinen sperrenden Schaltzustand versetzt. Dieser Schaltzustand des Schalters 6 liegt jedoch nur kurzzeitig vor, wenn die Temperatur T des Thermistors 4 einem dauerhaften Betrieb der Entladeschaltung 100 in dem ersten Betriebszustand BZ1 nicht entspricht. Vielmehr wird bei kurzzeitig sperrendem Schalter 6 der Gate-Anschluss 3G über den Gate-Ladewiderstand 9, sowie damit auch die Spannungsstabilisierungseinheit 33 wieder aufgeladen und der Schalter 6 wieder in seinen leitenden Schaltzustand versetzt. Zusammengefasst ergibt sich auch in der vierten Ausführungsform der Triggerschaltung 5 der oben erwähnte alternierende Wechsel zwischen dem zeitlich überwiegend vorliegendem zweiten Betriebszustand BZ2 und dem zeitlich kurz vorliegenden ersten Betriebszustand BZ1 der Entladeschaltung 100.
Bezugszeichenliste

1: Kapazität
2: Entladewiderstand
3: Transistor
3G: Gate-Anschluss
3D: Drain-Anschluss
3S: Source-Anschluss
4: Thermistor (PTC, NTC)
5: Triggerschaltung
6: Schalter
7: Spannungsstabilisierungseinheit
9: Gate-Ladewiderstand
10: Entladepfad
11: Thyristor
11G: Steueranschluss
12: MOSFET
12G: Gate-Anschluss
13, 14: Schaltungsposition (der Triggerschaltung)
13a, 13b: Anschlusspunkt (der Triggerschaltung)
14a, 14b: Anschlusspunkt (der Triggerschaltung)
15a, 15b: Anschlusspunkt (der Triggerschaltung)
16a, 16b: Anschlusspunkt (der Triggerschaltung)
21: Kaltleiter (PTC)
22: Heißleiter (NTC)
23: Optokoppler
28, 29, 30, 31: Verbindungspunkt
32: Schmitt-Triggerschaltung
33: Spannungsstabilisierungseinheit
35: Operationsverstärker
ZD1 - ZD6: Zenerdiode
R1 - R11: Widerstand
D1, D2: Diode
C1, C2: Pufferkondensator
TTH, TTH,2: Temperatur-Schwellwert
100: Entladeschaltung
101: Eingang
101 a, 101b: Eingangsanschluss
S1-S8: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2248238 B1 [0003, 0005]

Claims

Entladeschaltung (100) zum Entladen einer Kapazität (1) umfassend - einen Eingang (101) mit einem ersten Eingangsanschluss (101a) und einem zweiten Eingangsanschluss (101b) zum Verbinden mit jeweils einem Anschluss der Kapazität (1), - einen Transistor (3), dessen Drain-Anschluss (3D) über einen Entladewiderstand (2) mit dem ersten Eingangsanschluss (101a) und dessen Source-Anschluss (3S) mit dem zweiten Eingangsanschluss (101b) verbunden ist, - einen Gate-Ladewiderstand (9) der den ersten Eingangsanschluss (101a) mit einem Gate-Anschluss (3G) des Transistors (3) verbindet, - einen thermisch mit dem Entladewiderstand (2) und/oder dem Transistor (3) gekoppelten Thermistor (4), und - einen Schalter (6) mit einem leitenden und einem sperrenden Schaltzustand, der den Gate-Anschluss (3G) mit dem zweiten Eingangsanschluss (101b) verbindet, und ausgelegt ist, seinen Schaltzustand in Reaktion auf ein Triggersignal zu verändern, und - eine Triggerschaltung (5) zur Steuerung des Schalters (6), die ausgelegt ist, das Triggersignal für den Schalter (6) in Abhängigkeit einer Temperatur des Thermistors (4) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (100) eingerichtet ist, aus einer an den Eingangsanschlüssen (101a, 101b) anliegenden Spannung versorgt zu werden, und dass - der Schalter (6) und/oder eine Kombination aus der Triggerschaltung (5) und dem Schalter (6) eingerichtet ist, den Schaltzustand des Schalters (6) in Reaktion auf das Triggersignal sprungartig von dem sperrenden in den leitenden Schaltzustand zu verändern, um einen transienten Wechsel von einem ersten Betriebszustand BZ1 der Entladeschaltung (100) bei durchgesteuertem Transistor (3) in einen zweiten Betriebszustand BZ2 der Entladeschaltung (100) bei sperrendem Transistor (3) zu generieren.
Entladeschaltung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (6) bistabil ist und beispielsweise einen Thyristor (11) umfasst.
Entladeschaltung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (6) einen Transistor (12), insbesondere einen MOSFET-Transistor oder einen IGBT-Transistor umfasst, und die Triggerschaltung (5) als Kippschaltung ausgebildet ist.
Entladeschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermistor (4) einen Heißleiter (22) umfasst.
Entladeschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermistor (44) einen Kaltleiter (21) umfasst.
Entladeschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermistor (4), gegebenenfalls auch die Triggerschaltung (5), in einem Entladepfad (10) angeordnet ist, der über die Reihenschaltung aus Entladewiderstand (2) und Transistor (3) gebildet wird.
Entladeschaltung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (100) zusätzlich eine Spannungsstabilisierungseinheit (7) aufweist, die eine Zenerdiode (ZD1) oder einer Parallelschaltung aus Zenerdiode (ZD1) und einem Pufferkondensator (C1), beinhaltet, wobei die Kathode der Zenerdiode (ZD1) mit dem Gate-Anschluss (3G) des Transistors (3) und die Anode der Zenerdiode (ZD1) mit dem zweiten Eingangsanschluss (101b) verbunden ist.
Entladeschaltung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerschaltung (5) eine Parallelschaltung aus dem Kaltleiter (21) und einer Reihenschaltung aus einer zweiten Zenerdiode (ZD2) und einem zweiten Widerstand (R2) aufweist, wobei ein Verbindungspunkt (28) zwischen der zweiten Zenerdiode (23) und dem zweiten Widerstand (R2) mit einem Steueranschluss (11 G) des als Thyristor (11) ausgebildeten Schalters (6) verbunden ist.
Entladeschaltung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerschaltung (5) eine Parallelschaltung aus einer dritten Zenerdiode (ZD3) und einer Reihenschaltung aus dem Heißleiter (22) und einem dritten Widerstand (R3) aufweist, wobei ein Verbindungspunkt (29) zwischen dem Heißleiter (22) und dem dritten Widerstand (R3) mit einem Steueranschluss (11G) des als Thyristor (11) ausgebildeten Schalters (6) verbunden ist.
Entladeschaltung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerschaltung (5) einen Optokoppler (23) umfasst.
Entladeschaltung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerschaltung (5) als eine Kippschaltung ausgelegt ist und insbesondere eine Schmitt-Triggerschaltung umfasst.
Entladeschaltung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladewiderstand (2) eine Vielzahl von untereinander seriell und/oder parallel geschalteten Widerständen umfasst.
Verfahren zum Entladen einer Kapazität (1) über eine Entladeschaltung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die einen ersten Betriebszustand BZ1 mit geöffnetem Schalter (6) und durchgesteuertem Transistor (3), und einen zweiten Betriebszustand BZ2 mit geschlossenem Schalter (6) und gesperrtem Transistor (3) aufweist, mit den Schritten: - Betreiben der Entladeschaltung (100) in Abhängigkeit einer Temperatur des Thermistors (4) in einem aus dem ersten BZ1 und dem zweiten Betriebszustand BZ2, - wobei die Entladeschaltung (100) stationär in dem ersten Betriebszustand BZ1 betrieben wird, wenn eine Temperatur des Thermistors (4) unterhalb eines Temperatur-Schwellwertes T_TH liegt, und - wobei die Entladeschaltung 100 mit einem sich wiederholendem Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand BZ1 und dem zweiten Betriebszustand BZ2 betrieben wird, wenn die Temperatur des Thermistors (4), größer oder gleich dem Temperatur-Schwellwert T_TH ist, so dass der Transistor (3) in wiederholter Art und Weise zwischen dem durchgesteuerten und dem gesperrten Zustand wechselt
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das stationäre Betreiben der Entladeschaltung (100) in dem ersten Betriebszustand BZ1 erst dann erfolgt, wenn die Temperatur des Thermistors (4) unter einen zweiten Temperatur-Schwellwert T_TH,2 gefallen ist, der kleiner als der Temperatur Schwellwert T_TH ist, und wobei ein Betrieb der Entladeschaltung (100) bei einer Temperatur des Thermistors (4) zwischen dem Temperaturschwelwert T_TH und dem zweiten Temperaturschwellwert T_TH,2 abhängig davon ist, ob der Thermistor (4) eine Abkühlung oder eine Erwärmung erfährt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Betreiben der Entladeschaltung (100) in Abhängigkeit einer Temperatur des Thermistors (4) solange andauert, bis eine an der Kapazität (1) abfallende DC-Spannung einen Spannungs-Schwellwert U_TH unterschreitet.
Elektrisches Gerät, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine Kapazität (1) und eine auf die Kapazität (1) wirkende Entladeschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, und zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 13 oder Anspruch 14 eingerichtet, und - wobei das Gerät mittels der Entladeschaltung (100) eingerichtet ist, die geräteinterne Kapazität (1) auch in einem Zustand zu entladen, bei dem das Gerät von seiner Energieversorgung getrennt ist.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät als ein Photovoltaik (PV) - Wechselrichter ausgebildet ist, bei dem die Kapazität (1) über eine oder mehrere durch Dioden entkoppelte Eingangskapazitäten des PV-Wechselrichters gebildet wird.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine auf den Gate-Anschluss (3G) des Transistors (3) wirkende von einer Steuerung des Gerätes ansteuerbare Steuerschaltung aufweist, die eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines Steuersignales der geräteinternen Steuerung eine Entladung der Kapazität (1) zu unterdrücken oder zu ermöglichen.