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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines externen Schaltkreises vor einer Überspannung mittels eines Schutzschaltkreises nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch den Schutzschaltkreis zum Ausführen des Verfahrens.
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Um Überspannungsspitzen in einem elektronischen Schaltkreis zu begrenzen, werden öfters Schutzschaltkreise mit Suppressordioden bzw. TVS-Dioden (TVS: Transient Voltage Suppressor) verwendet. Die TVS-Dioden sind jedoch in der Regel für sehr kurze Spitzen (µs bis ms) optimiert und für hohe Überspannungen bei niedriger Leistung öfters nicht ausreichend robust. So können beispielweise in einer fremderregten Synchronmaschine längere Überspannungsspitzen - im Fehlerfall oder, wenn sich die Leistungsanforderungen an die Synchronmaschine in dynamischen Fahrsituationen ändern, - auftreten. In diesem Fall kann der Schutzschaltkreis mit den TVS-Dioden die Überspannungsspitzen nicht ausreichend sicher abschalten.
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DE 10 2005 046 833 A1 offenbart ein Überspannungsschutzgerät mit einem Gehäuse und mit einem leistungsstarken Halbleiterbauelement in dem Gehäuse. Das Halbleiterbauelement ist über eine Ansteuerschaltung derart steuerbar, dass die Kennlinie des Halbleiterbauelements in unterschiedlichen Betriebsbereichen des Überspannungsschutzgeräts unterschiedliche Eigenschaften aufweist.
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US 2014 / 0 340 799 A1 offenbart eine aktive Übergangsspannungsunterdrückungsvorrichtung, bei der ein Halbleiterschalter über ein Aktivierungsnetzwerk einschaltbar ist. Das Aktivierungsnetzwerk kann basierend auf der Änderungsrate der Spannung am geschützten Eingang des Geräts ausgelöst werden.
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EP 3 474 433 A1 offenbart eine Elektromotorantriebsvorrichtung mit einem Glättungskondensator und einem Wechselrichter. Die Elektromotorantriebsvorrichtung umfasst ferner eine Überspannungsschutzeinheit zum Überspannungsschutz für den Glättungskondensator und eine Phasenkurzschlusssteuerung.
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DE 197 10 073 A1 offenbart eine Überspannungsschutzvorrichtung zum Schutz elektrischer Anlagen vor Überspannungen. Dabei wird durch eine Anordnung am Generatorausgang der Spannungswert der Bordnetzspannung überwacht und auf einen oberen zulässigen Wert geregelt.
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DE 10 2018 007 011 A1 offenbart ein Verfahren zum Schützen eines Leistungsschalters während des Einschaltens. Das Verfahren umfasst dabei das Erfassen einer Änderung im Strom, das Messen einer Zeitdauer der Änderung und das Vergleichen der Zeitdauer mit einer Bezugszeitdauer. Wenn die Zeitdauer der Stromänderung im Leistungsschalter die Bezugszeitdauer übersteigt, wird der Leistungsschalter über ein Überstromsignal deaktivieret.
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DE 44 28 675 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines über seinen MOS-Steuereingang ein- und aus- schaltbaren Leistungshalbleiter-Schalter vor energiereichen Überspannungen mit einer Spannungsklemmbeschaltung.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein Verfahren und einen Schutzschaltkreis der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Verfahren ist zum Schutz eines externen Schaltkreises vor einer Überspannung mittels eines Schutzschaltkreises vorgesehen. Der Schutzschaltkreis weist dabei eine Schutzeinheit mit einem parallel zum externen Schaltkreis schaltbaren Halbleiterschalter und einem Spannungsregler auf. In dem Verfahren wird eine mit einer Bemessungsspannung des externen Schaltkreises korrelierende SOLL-Spannung dem Spannungsregler vorgegeben. Zudem greift der Spannungsregler eine mit der aktuellen Spannung des externen Schaltkreises korrelierende IST-Spannung des externen Schaltkreises ab. Abhängig von dem Unterschied zwischen der vorgegebenen SOLL-Spannung und der abgegriffenen IST-Spannung stellt der Spannungsregler eine GATE-Spannung an dem Halbleiterschalter der Schutzeinheit bereit. Der Halbleiterschalter nimmt bei der anliegenden GATE-Spannung einen in dem externen Schaltkreis strömenden Strom ab und ändert dadurch die aktuelle Spannung in dem externen Schaltkreis.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die GATE-Spannung an dem Halbleiterschalter geregelt und dadurch der Widerstand des Halbleiterschalters geändert. Beim Ändern des Widerstands ändert sich auch der von dem Halbleiterschalter abgenommene Strom und entsprechend die aktuelle Spannung in dem externen Schaltkreis. Effektiv wirkt der Schutzschaltkreis als ein paralleler Pfad mit einem kontrollierten Widerstand zur Aufnahme der überschüssigen Energie.
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Der Widerstand des Halbleiterschalters fällt dabei mit der steigenden GATE-Spannung und steigt mit der fallenden GATE-Spannung. Bei der steigenden GATE-Spannung und dem fallenden Widerstand nimmt der Halbleiterschalter immer mehr Strom des externen Schaltkreises ab. Bei der fallenden GATE-Spannung und dem steigenden Widerstand nimmt der Halbleiterschalter immer weniger Strom des externen Schaltkreises ab. Dadurch wird die GATE-Spannung an dem Halbleiterschalter so geregelt, dass durch den von dem Halbleiterschalter abgenommenen Strom die aktuelle Spannung in dem externen Schaltkreis unter die Bemessungsspannung des Schaltkreises gebracht wird. Mit anderen Worten wird die GATE-Spannung an dem Halbleiterschalter so geregelt, dass der durch den Halbleiterschalter fließende Strom zur Begrenzung des Spitzenwerts der aktuellen Spannung in dem externen Schaltkreis ausreicht. Liegt die aktuelle Spannung in dem Schaltkreis unterhalb der Bemessungsspannung, so kann der Halbleiterschalter vollständig ausgeschaltet werden.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhafterweise eine bessere langfristige Verlustleistung und eine bessere Kontrolle des Leistungsverhaltens erreicht werden. Zudem können Kosten im Vergleich zu einem Schutzschaltkreis mit klassischen TVS-Dioden reduziert werden.
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Das Verfahren kann vorteilhafterweise für abweichende Anwendungen geeignet sein. Denkbar ist es beispielsweise, dass der externe Schaltkreis eine kontaktlose Rotorversorgung für eine fremderregte Synchronmaschine ist. Denkbar ist es auch, dass der Schutzschaltkreis als ein gesteuerter dissipativer Serienwiderstand verwendet wird. Hier kann der Schutzschaltkreis beispielweise in einen Schaltungsschutzschalter für Vorladeanwendungen oder zur Dissipation der Resonanzenergie des Rotors einer fremderregten Synchronmaschine bei Kurzschluss des Stator-Wechselrichters integriert sein.
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In dem Schutzschaltkreis korrelieren die IST-Spannung mit der aktuellen Spannung und die SOLL-Spannung mit der Bemessungsspannung. Es versteht sich, dass die Korrelationsbeziehung in beiden Fällen identisch ist. Denkbar ist es beispielweise, dass die IST-Spannung der aktuellen Spannung und die SOLL-Spannung der Bemessungsspannung identisch sind. Alternativ ist es auch möglich, dass die IST-Spannung sich von der aktuellen Spannung und die SOLL-Spannung sich von der Bemessungsspannung um einen Skalierungsfaktor unterscheiden.
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So kann die Schutzeinheit einen zum Halbleiterschalter parallel geschalteten Spannungsteiler aufweisen. In dem Verfahren kann dann die aktuelle Spannung in dem externen Schaltkreis mittels des Spannungsteilers um einen durch den Spannungsteiler vorgegebenen Skalierungsfaktor skaliert werden. Der Spannungsregler kann dann die skalierte aktuelle Spannung als die IST-Spannung abgreifen. Zweckgemäß wird dann dem Spannungsregler die SOLL-Spannung, die der mit dem Skalierungsfaktor vorskalierter Bemessungsspannung des externen Schaltkreises entspricht, vorgegeben. Der Spannungsteiler kann dabei zwei Widerstandselemente mit voneinander abweichenden elektrischen Widerständen aufweisen. Der Skalierungsfaktor ist dann durch ein Verhältnis von Widerständen der beiden Widerstandselemente zueinander bestimmt und kann je nach dem Anwendungsfall beliebig groß oder klein sein. Vorteilhafterweise kann der Skalierungsfaktur auf die SOLL-Spannung angepasst sein.
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In dem Verfahren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Spannungsregler einen Impedanzwandler aufweist. Die in dem externen Schaltkreis abgegriffene IST-Spannung wird dann über den Impedanzwandler geleitet und dadurch von dem externen Schaltkreis abgekoppelt. Durch den Impedanzwandler können die Wechselwirkungen zwischen dem Spannungsregler und dem externen Schaltkreis ausgeschlossen werden. Der Impedanzwandler kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise aufgebaut sein. Vorteilhafterweise kann der Impedanzwandler wenigstens ein Widerstandselement und einen Operationsverstärker aufweisen. Das wenigstens eine Widerstandselement kann zwischen einem invertierenden Eingang und einem Ausgang des Operationsverstärkers geschaltet sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Spannungsregler einen PID-Regelkreis aufweist. In dem Verfahren werden dann die SOLL-Spannung und die IST-Spannung dem PID-Regelkreis des Spannungsreglers vorgegeben. Der PID-Regelkreis stellt dann abhängig von dem Unterschied zwischen der SOLL-Spannung und der IST-Spannung die GATE-Spannung an dem Halbleiterschalter bereit. Der PID-Regelkreis kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise aufgebaut sein. Vorteilhafterweise kann der PID-Regelkreis eine Integrator-Schaltung und einen Operationsverstärker aufweisen. Die Integrator-Schaltung kann dabei auf eine dem Fachmann bekannte Weise aufgebaut sein und wenigstens einen Kondensator und wenigstens ein Widerstandselement aufweisen, die parallel zueinander geschaltet sind. Die Integrator-Schaltung kann zwischen einem invertierenden Eingang und einem Ausgang des Operationsverstärkers geschaltet sein. Die SOLL-Spannung kann dabei an dem invertierenden Eingang und die IST-Spannung kann an einem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers anliegen. Die GATE-Spannung für den Halbleiterschalter kann an dem Ausgang des Operationsverstärkers bereitgestellt sein.
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Wie oben bereits erläutert, fällt/steigt der Widerstand des Halbleiterschalters mit steigender/fallender GATE-Spannung und der durch den Halbleiterschalter strömende Strom wird geändert. Dadurch ändert sich auch die aktuelle Spannung in dem externen Schaltkreis. Die GATE-Spannung hängt wiederum von der aktuellen Spannung in dem Schaltkreis ab. Vorteilhafterweise kann sich nun die durch den PID-Regelkreis bereitgestellte GATE-Spannung bei einem Wert einpendeln, der notwendig ist, um die aktuelle Spannung in dem externen Schaltkreis auf die Bemessungsspannung des externen Schaltkreises zu bringen.
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Sobald die aktuelle Spannung des externen Schaltkreises unter die Bemessungsspannung des externen Schaltkreises fällt, kann der Halbleiterschalter von dem Spannungsregler abgeschaltet werden. Insbesondere wird in dem PID-Regler des Spannungsreglers kein positiver Unterschied zwischen der SOLL-Spannung und der IST-Spannung an den beiden Eingängen mehr festgestellt und demnach wird von dem PID-Regler keine GATE-Spannung bereitgestellt. An dem Halbleiterschalter liegt demnach keine GATE-Spannung an und der Halbleiterschalter ist ausgeschaltet.
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Vorteilhafterweise kann der Schutzschaltkreis eine Strom-Schutzeinheit und einen Stromregler zum Regeln der Strom-Schutzeinheit aufweisen. In dem Verfahren kann dann der externe Schaltkreis auch vor einem Überstrom geschützt werden. Dadurch kann ein Leistungsbegrenzungssystem gebildet sein, das über längere Zeiträume hinweg betrieben werden kann.
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Die Erfindung betrifft auch einen Schutzschaltkreis zum Schutz eines externen Schaltkreises vor einer Überspannung. Der Schutzschaltkreis weist dabei eine Schutzeinheit mit einem Halbleiterschalter und einen Spannungsregler auf. Erfindungsgemäß ist der Schutzschaltkreis zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens ausgelegt.
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Vorteilhafterweise kann der Halbleiterschalter der Schutzeinheit ein Bipolartransistor mit einer isolierten GATE-Elektrode sein.
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Die Schutzeinheit kann einen Spannungsteiler mit wenigstens zwei elektrischen Widerstandselementen zum Vorgeben eines Skalierungsfaktors für die IST-Spannung aufweisen. Dabei kann der Spannungsteiler parallel zu dem Halbleiterschalter geschaltet sein.
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Der Spannungsregler kann einen Impedanzwandler aufweisen, wobei der Impedanzwandler unmittelbar an die Schutzeinheit des Schutzschaltkreises geschaltet ist. Der Impedanzwandler kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise aufgebaut sein. Vorteilhafterweise kann der Impedanzwandler wenigstens ein Widerstandselement und einen Operationsverstärker aufweisen.
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Der Spannungsregler kann einen PID-Regelkreis aufweisen, wobei der PID-Regelkreis mit dem externen Schaltkreis zum Abgreifen der IST-Spannung, mit einer externen Quelle zum Abgreifen einer SOLL-Spannung und mit dem Halbleiterschalter zum Vorgeben der GATE-Spannung verschaltet ist. Der PID-Regelkreis kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise aufgebaut sein. Vorteilhafterweise kann der PID-Regelkreis eine Integrator-Schaltung und einen Operationsverstärker aufweisen.
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Um weitere Wiederholungen zu vermeiden, wird hier auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der Schutzumfang der Erfindung wird dabei einzig durch die Ansprüche bestimmt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Schutzschaltkreises mit einem externen Schaltkreis;
- 2 zeitliche Verläufe von Spannungen und Strömen in der Schaltung nach 1.
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1 zeigt eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Schutzschaltkreises 1 mit einem externen Schaltkreis 2. Der externe Schaltkreis 2 weist eine Strom-Quelle Q1, einen Kondensator C1 und ein Widerstandselement R1. Die Strom-Quelle Q1, der Kondensator C1 und das Widerstandselement R1 sind parallel zueinander geschaltet. Es versteht sich, dass der gezeigte externe Schaltkreis 2 nur beispielhaft ist. Der gezeigte externe Schaltkreis 2 ist kein Teil der vorliegenden Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Schutzschaltkreis 1 weist eine Schutzeinheit 3 mit einem Halbleiterschalter 4 und mit einem Spannungsteiler 5, der aus zwei Widerstandselementen R2 und R3 gebildet ist. Der Spannungsteiler 5 gibt einen Skalierungsfaktor vor, der durch ein Verhältnis von elektrischen Widerständen der beiden Widerstandselemente R2 und R3 bestimmt ist. Zudem weist der Schutzschaltkreis 1 einen Spannungsregler 6 mit einem Impedanzwandler 7 und einem PID-Regelkreis 8 auf. Der Impedanzwandler 7 weist dabei einen ersten Operationsverstärker OP1 und Widerstandselemente R4, R5, R11 und R15 auf. Der PID-Regelkreis 8 weist eine Integrator-Schaltung 9 mit zwei Kondensatoren C2 und C3 und einem Widerstandselement R14 auf. Zudem weist der PID-Regelkreis 8 einen zweiten Operationsverstärker OP2 und zwei Widerstandselemente R9 und R10 auf.
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Die Strom-Quelle Q1 erzeugt einen Strom I1 und an den Elementen des externen Schaltkreises 2 liegt eine aktuelle Spannung U_AKTUELL an. An dem Spannungsteiler 5 liegt eine IST-Spannung U_IST an, die der mit dem Skalierungsfaktor skalierten aktuellen Spannung U_AKTUELL entspricht. Die IST-Spannung U_IST wird von dem Spannungsregler 6 abgegriffen und durch den Impedanzwandler 7 von dem externen Schaltkreis 2 abgekoppelt. Danach wird die IST-Spannung U_IST zu dem zweiten Operationsverstärker OP2 des PID-Regelkreis 8 geleitet. Zudem wird an den zweiten Operationsverstärker OP2 des PID-Regelkreis 8 eine SOLL-Spannung U_SOLL angelegt, die einer mit dem Skalierungsfaktor skalierten Bemessungsspannung des externen Schaltkreises 2 entspricht.
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Der zweite Operationsverstärker OP1 gibt abhängig von der Differenz der IST-Spannung U_IST und der SOLL-Spannung U_SOLL an seinen Eingängen eine GATE-Spannung U_GATE aus, die nun an dem Halbleiterschalter 4 anliegt. Übersteigt die IST-Spannung U_IST die SOLL-Spannung U-SOLL, so wird der Halbleiterschalter 4 eingeschaltet und sonst ausgeschaltet. Die GATE-Spannung U_GATE steigt und fällt dabei mit der genannten Differenz, so dass abhängig davon auch ein Widerstand des Halbleiterschalters 4 geändert wird. Der Widerstand des Halbleiterschalters 4 fällt dabei mit der steigenden GATE-Spannung U_GATE und steigt mit der fallenden GATE-Spannung U_GATE. Steigt die GATE-Spannung U_GATE, so fällt der Widerstand des Halbleiterschalters 4 und er nimmt immer mehr Strom in dem externen Schaltkreis 2 ab. Dadurch fällt die aktuelle Spannung U_AKTUELL in dem externen Schaltkreis 2. Fällt die GATE-Spannung U_GATE, so steigt der Widerstand des Halbleiterschalters 4 und er nimmt immer weniger Strom in dem externen Schaltkreis 2 ab. Dadurch steigt die aktuelle Spannung U-AKTUELL in dem externen Schaltkreis 2. Dadurch pendeln sich die GATE-Spannung und der Widerstand des Halbleiterschalters 4 bei einem Wert, bei dem die aktuelle Spannung U_AKTUELL genau der Bemessungsspannung des externen Schaltkreises entspricht.
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Die beiden Operationsverstärker OP1 und OP2 werden jeweils mit einer Versorgungsspannung U_AMP einer Versorgungsquelle versorgt. Denkbar ist es dabei, dass die beiden Operationsverstärker OP1 und OP2 von derselben Versorgungsquelle mit der Versorgungsspannung U_AMP versorgt werden. Die Versorgungsquelle kann zudem auch die SOLL-Spannung U_SOLL bereitstellen. Dazu kann die Versorgungsspannung U_AMP der Versorgungsquelle durch einen weiteren Spannungsteiler skaliert sein. Denkbar ist es zudem, dass die beiden Operationsverstärken OP 1 und OP2 in einem gemeinsamen Bauteil angeordnet bzw. befestigt bzw. integriert sind.
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Der Schutzschaltkreis 1 ist zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens 10 ausgelegt. Das Verfahren 10 wird anhand 2 näher erläutert.
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2 zeigt zeitliche Verläufe von Spannungen und Strömen in der Schaltung nach 1 entsprechend einer Simulation des erfindungsgenmäßen Verfahrens 10. In einem Teilbild A sind ein zeitlicher Verlauf des Stroms I1 der Strom-Quelle Q1 und ein zeitlicher Verlauf des von dem Halbleiterschalter 4 abgenommenen Stroms I_4 gezeigt. In einem Teilbild B ist ein zeitlicher Verlauf der GATE-Spannung U_GATE gezeigt. In einem Teilbild C sind ein zeitlicher Verlauf der IST-Spannung U_IST und ein zeitlicher Verlauf der SOLL-Spannung U_SOLL gezeigt. In einem Teilbild D ist ein zeitlicher Verlauf der aktuellen Spannung U_AKTUELL in dem externen Schaltkreis 2 gezeigt.
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Bei der Simulation wurden beispielhafte Werte gesetzt. Hier stellt die Strom-Quelle Q1 den Strom I1 in Höhe von 200 mA bereit. Das Widerstandselement R1 weist einen Widerstand von 5 kΩ auf. Der Spannungsteiler 5 skaliert die aktuelle Spannung U_AKTUELL in dem externen Schaltkreis 2 zu der IST-Spannung U_IST mit einem Skalierungsfaktor gleich 100. Die Bemessungsspannung des externen Schaltkreises 2 ist auf 420V gesetzt. Die SOLL-Spannung U_SOLL entspricht der mit dem Skalierungsfaktor 100 skalierten Bemessungsspannung des externen Schaltkreises 2 und beträgt 4,2 V. Der Spannungsregler ist also auf die Bemessungsspannung von 420 V eingestellt.
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Das Widerstandselement R1 mit dem Widerstand von 5 kΩ nimmt bei der aktuellen Spannung U_AKTUELL von 400 V den Strom in Höhe von 80 mA auf. Die Strom-Quelle G1 liefert jedoch den Strom I1 von 200 mA. Daher steigt die aktuelle Spannung U_AKTUELL an dem Widerstandselement R1. Steigt die aktuelle Spannung U_AKTUELL über 420 V und somit die IST-Spannung über 4,2 V, so legt der zweite Operationsverstärker OP2 die GATE-Spannung U_GATE an den Halbleiterschalter 4 ein. Der Halbleiterschalter 4 wird also eingeschaltet. Dabei pendelt sich die GATE-Spannung U_GATE bei einem Wert ein, bei dem der Halbleiterschalter 4 genau den überschüssigen Strom von 120 mA in dem externen Schaltkreis 2 aufnimmt. Dieses Verhalten entspricht dem einer herkömmlichen TVS-Diode, ermöglicht jedoch eine höhere langfristige Verlustleistung und eine bessere Kontrolle des Systemverhaltens.
