DE102022208528A1 - Schaltmodul für einen elektronischen Schutzschalter, elektronischer Schutzschalter sowie elektrische Anlage mit einem elektronischen Schutzschalter - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltmodul (100) für einen elektronischen Wechselspannungs-Schutzschalter aufweisend einen ersten Halbleiterschalter (T₁) und einen zweiten Halbleiterschalter (T₂), wobei der erste und der zweite Halbleiterschalter antiseriell zwischen zwei Anschlüssen (X₁, X₂) des Schaltmoduls in Reihe geschaltet sind, wobei zu jedem der Halbleiterschalter eine Reihenschaltung aus einem kapazitiven Element (C₁, C₂) und einem resistiven Element (R₁, R₂) parallelgeschaltet ist und wobei parallel zur Reihenschaltung der beiden Halbleiterschalter eine TVS-Diode geschaltet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen elektronischen Wechselspannungs-Schutzschalter aufweisend ein derartiges Schaltmodul sowie eine elektrische Anlage mit einem oder mehreren derartigen Schutzschaltern.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Schaltmodul für einen elektronischen Schutzschalter, einen elektronischen Schutzschalter sowie eine elektrische Anlage mit einem elektronischen Schutzschalter.
• Moderne Halbleiter-Leitungsschutzschalter (englisch: Semiconductor Circuit Breaker, kurz SCCB, mitunter auch Solid State Circuit Breaker, kurz SSCB oder allgemeiner Electronic Circuit Protection Device, kurz ECPD) sind in der Lage, elektrische Stromkreise im Kurzschlussfall sehr viel schneller abzuschalten als herkömmliche mechanische Leitungsschutzschalter (englisch: Miniature Circuit Breaker, kurz MCB).
• Wie allgemein bekannt entstehen beim Abschalten elektrischer Stromkreise aufgrund induktiver Lastanteile im Stromkreis und der in den entsprechenden induktiven Komponenten gespeicherten Energie Überspannungen am Schaltelement. Diese Energie wird im Fall herkömmlicher Leitungsschutzschalter in Lichtbogenlöschkammern durch die Bildung eines Lichtbogens in Wärme umgewandelt. Bei elektronischen Halbleiter-Leitungsschutzschaltern ist es bekannt, Varistoren einzusetzen, um insbesondere bei Abschaltvorgängen die Spannung über dem Schalter zu begrenzen und die Energie aufzunehmen. Nachteilig an Varistoren ist, dass diese Leckströme sowie ein nachteiliges Alterungsverhalten aufweisen.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Anordnungen anzugeben, bei welchen auf Varistoren zum Schutz vor Überspannungen verzichtet werden kann.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schaltmodul mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, durch einen elektronischen Schutzschalter mit einem erfindungsgemäßen Schaltmodul sowie durch eine elektrische Anlage mit einem derartigen Schutzschalter.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die Kombination der die elektronischen Schalter überbrückenden RC-Komponenten mit einer oder mehrerer beide elektronischen Schalter überbrückender TVS-Dioden auf Varistoren verzichtet werden kann. Zudem wird die maximal auftretende Spannung besser begrenzt, da TVS Dioden im Vergleich zu Varistoren eine flachere Kennlinie aufweisen, d.h. die Klemmspannung bzw. Clamping-Spannung ändert sich weniger stark in Abhängigkeit vom fließenden Strom als bei einem Varistor. Deswegen können bei Anwendung der vorliegenden Erfindung elektronische Schalter mit einer (gegenüber Schaltanordnungen mit Varistoren) niedrigeren Sperrspannung verwendet werden, was die Kosten eines erfindungsgemäßen Schaltmoduls gegenüber herkömmlichen Schaltmodulen verringert.
• Falls mehrere TVS-Dioden in Reihe geschaltet werden, kann bei Ausfall einer TVS-Diode der Überspannungsschutz bzw. die Energieabsorption dennoch funktionieren, wenn auch eingeschränkt.
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
• Die einzige 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Schaltmoduls 100 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Schaltmodul 100 weist zwei Anschlüsse X₁ und X₂ auf, zwischen denen sich der zu schaltende Strompfad eines Stromkreises (nicht dargestellt) erstreckt. Im Strompfad zwischen den Anschlüssen X₁ und X₂ sind zwei elektronische Schalter T₁ und T₂ in Reihe geschaltet, und zwar zur Gewährleistung der bipolaren Spannungsfestigkeit antiseriell. Im Beispiel der 1 sind die elektronischen Schalter T₁, T₂ als MOSFETs dargestellt. Dabei ist der Drain-Anschluss des ersten MOSFET T₁ mit dem ersten Anschluss X₁ des Schaltmoduls verbunden. Der Source-Anschluss des ersten MOSFET T₁ ist mit dem Source-Anschluss des zweiten MOSFET T₂ verbunden und der Drain-Anschluss des zweiten MOSFET ist mit dem zweiten Anschluss X₂ des Schaltmoduls verbunden. Die Beschaltung der Gate-Anschlüsse der beiden MOSFET ist zur Vereinfachung nicht dargestellt. Üblicherweise sind die Gate-Anschlüsse miteinander verbunden oder werden anderweitig gleichsinnig und gleichzeitig mit Steuersignalen beaufschlagt.
• Die MOSFETs T₁ und T₂ weisen, wie allgemein bekannt, jeweils (intrinsische) Inversdioden auf, die jeweils in Richtung Source-Drain leitend sind.
• Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung von MOSFETs für die elektronischen Schalter T₁ und T₂ rein beispielhaft zu verstehen ist und andere elektronische Schalter wie beispielsweise IGBTs eingesetzt werden können.
• Beide elektronischen Schalter sind von einer Reihenschaltung aus jeweils einem kapazitiven Element und einem resistiven Element überbrückt bzw. zu beiden elektronischen Schaltern ist jeweils eine Reihenschaltung aus jeweils einem kapazitiven Element und einem resistiven Element parallel geschaltet. Während es aus ökonomischen Gründen bevorzugt ist, jeweils genau ein kapazitives Element C₁, C₂ und genau ein resistives Element R₁, R₂ zu verwenden, kann natürlich sowohl das kapazitive Element als auch das resistive Element aus einer Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer kapazitiver bzw. resistiver Elemente gebildet werden, um anhand dem Fachmann geläufiger Überlegungen eine gewünschte Gesamtkapazität bzw. einen gewünschten gesamten ohmschen Widerstandswert zu erhalten.
• Zum ersten elektronischen Schalter T₁ ist dabei eine Reihenschaltung aufweisend einen ersten Kondensator C₁ und einen ersten Widerstand R₁ parallelgeschaltet. Zum zweiten elektronischen Schalter T₂ ist eine Reihenschaltung aufweisend einen zweiten Kondensator C₂ und einen zweiten Widerstand R₂ parallelgeschaltet.
• Eine möglichst unmittelbare und niederinduktive Anordnung der RC-Netzwerke direkt an den Halbleiter-Schaltern ist dabei von Vorteil, weil so beim Abschaltvorgang besonders schnell Strom aus dem Schalter übernommen werden kann. Daraus, dass jedem Leistungshalbleiter eine RC-Schaltung zugeordnet ist, ergibt sich zusätzlich folgender Vorteil: für die Höhe des Leckstroms ist (im Wesentlichen) die Summe der Kapazitäten maßgeblich, siehe hierzu auch die Formel für Z_ges weiter unten. Da jeder Leistungshalbleiter eine Halbwelle der Netzspannung sperrt, wird beim Abschaltvorgang nur die parallel zum entsprechenden Leistungsschalter geschaltete RC-Schaltung beansprucht. Folglich liefert die vorliegende Erfindung im Vergleich zu einer zwischen den Punkten X₁ und X₂ angeordneten RC-Schaltung mit der gleichen Gesamtkapazität bei gleichem Leckstrom die doppelte Aufnahmekapazität. Anders ausgedrückt verringert sich durch die Erfindung bei gleicher wirksamer Kapazität der Leckstrom auf die Hälfte im Vergleich zu einer zwischen den Punkten X₁ und X₂ angeordneten RC-Schaltung.
• Zusätzlich zu den für jeden elektronischen Schalter separat ausgebildeten RC-Schaltungen ist ein für beide Schalter gemeinsames Überspannungs-Diodennetzwerk vorgesehen. Das Diodennetzwerk weist mindestens eine TVS-Diode D auf und ist parallel zur Reihenschaltung der beiden Schalter angeordnet, zwischen den Anschlüssen X₁ und X₂ des Schaltmoduls. Im Beispiel der 1 weist das Diodennetzwerk vier in Reihe geschaltete TVS-Dioden D_x,1, D_x,2, D_x,3, D_x,4 auf.
• Die Kombination aus RC-Schaltungen und Dioden ist vorteilhaft, da die RC-Netzwerke sofort, d.h. innerhalb von Nanosekunden nach Beginn eines Abschaltvorgangs, Energie aufnehmen können, aber bei praktikabler Dimensionierung insgesamt vergleichsweise wenig Energie aufnehmen können. Sobald die Klemmspannung bzw. Clamping-Spannung der TVS-Diode(n) überschritten ist, nehmen die Dioden die gesamte noch im System verbliebene Energie auf.
• Der besondere Nutzen der RC-Schaltungen in der erfindungsgemäßen Schaltung wiederum besteht darin, dass die TVS-Diode(n) erst dann beginnt/beginnen Strom zu führen, wenn ihre Klemmspannung bzw Clamping-Spannung erreicht ist. Unmittelbar nach dem Abschalten ist diese noch nicht erreicht, aber die Kondensatoren führen aufgrund der Spannungsänderung Strom. Mit anderen Worten führt die Spannungsänderung direkt nach dem Abschalten dazu, dass der RC-Teil der Schaltung den Strom trägt und die Diode(n) nicht. Diese erste Phase des Abschaltvorgangs, in welcher allein die RC-Schaltungen die Energie aufnehmen, ist jedoch entscheidend, um den Schalter vor einer zu hohen Überspannung zu schützen, sodass ein Verzicht auf die RC-Schaltungen eine geringere Überspannungsfestigkeit zur Folge hätte.
• Im Folgenden werden Beispiele zur Dimensionierung der Komponenten C₁, C₂, R₁, R₂, D_x,1, D_x,2, D_x,3, D_x,4 näher erläutert.
• Die RC-Schaltungen überbrücken die elektronischen Schalter permanent und sind somit entscheidend für den fließenden Leckstrom im ausgeschalteten Zustand des Schaltmoduls. Der zulässige Ableitstrom ergibt sich in der Regel aus den entsprechenden Normen und darf nicht überschritten werden. Beispielsweise sieht die Leitungsschutzschalter-Norm DIN EN 60947 einen maximalen Ableitstrom von I_a = 2 mA vor, die dem entsprechende UL-Norm sogar nur maximal I_a = 0,5 mA.
• Davon ausgehend müssen die Komponenten C₁, C₂, R₁, R₂ folgende Bedingung erfüllen: $${\text{z}}_{\text{ges}}>{\text{U}}_{\text{L}}/{\text{I}}_{\text{a}}$$

  
• Dabei ist U_L der Effektivwert der Wechselspannung im vom Schutzschalter geschalteten Stromkreis, I_a der zulässige Ableitstrom und Z_ges die Impedanz der Reihenschaltung der beiden RC-Schaltungen. Für Z_ges gilt dabei: $${\text{Z}}_{\text{ges}}={\text{R}}_1+1/\left(2*\mathrm{\pi }*\text{f}*{\text{C}}_1\right)+{\text{R}}_2+1/\left(2*\mathrm{\pi }*\text{f}*{\text{C}}_2\right)$$

  
• Dabei ist f die Frequenz des Wechselstromsystems, in welchem das Schaltmodul eingesetzt werden soll.
• Im allgemeinen Fall sind C₁ und C₂ sowie R₁ und R₂ verschieden und auch die elektronischen Schalter können verschieden sein. In der Praxis wird jedoch häufig eine möglichst geringe Anzahl verschiedener Bauelemente bzw. Baugruppen angestrebt, so dass beispielsweise elektronische Schalter vom gleichen Typ gewählt werden und die RC-Glieder gleich dimensioniert werden.
• Für diesen praktisch bedeutsamen Fall ergibt sich also die Vereinfachung C₁ = C₂ = C sowie R₁ = R₂ = R. Dann ergibt sich für Z_ges: $${\text{Z}}_{\text{ges}}=2*\text{R}+1/\left(2*\mathrm{\pi }*\text{f}*\text{C}/2\right)$$

  
• Durch die Reihenschaltung der beiden separaten RC-Schaltungen kann somit ein doppelt so großer Kondensator eingesetzt werden, was einen Vorteil gegenüber einem ebenfalls denkbaren gemeinsamen RC-Schaltungsteil darstellt.
• Die Größe des Widerstandes wird vorzugsweise so gewählt, dass die Höhe des Stromimpulses in den Kondensator so begrenzt wird, dass dieser nicht beschädigt wird.
• Für ein europäisches 230V-System kann folgende Dimensionierung gewählt werden: $${\text{Z}}_{\text{ges}}>230\text{V}/2\text{mA}$$

  

  $${\text{Z}}_{\text{ges}}>115\text{k}\mathrm{\Omega }$$

  

  $$\text{R}=50\mathrm{\Omega }$$

  

  $$\text{C}=10\text{nF}$$

  

  $${\text{Z}}_{\text{ges}}=2*50\mathrm{\Omega +1/}\left(2*\mathrm{\pi }*50\text{Hz}*10\text{nF/}2\right)$$

  

  $${\text{Z}}_{\text{ges}}=637\text{k}\mathrm{\Omega }>115\text{k}\mathrm{\Omega }$$

  
• In Worten ausgedrückt: Der Mindestwert für die Impedanz im Geltungsbereich der DIN EN 60947 beträgt 115kΩ. Mit ohmschen Widerständen R₁, R₂ von je 50Ω und Kondensatoren C₁, C₂ mit einer Kapazität von je 10nF beträgt die Impedanz 637kΩ und liegt damit deutlich über dem geforderten Impedanzwert.
• Mit der vorliegenden Dimensionierung wird auch die UL-Norm eingehalten: $${\text{Z}}_{\text{ges}\text{,UL}}>120\text{V}/\mathrm{0,5}\text{mA}$$

  

  $${\text{Z}}_{\text{ges}\text{,UL}}>240\text{k}\mathrm{\Omega }$$

  

  $${\text{Z}}_{\text{ges}\text{,UL}}=2*50\mathrm{\Omega +}1\mathrm{/}\left(2*\mathrm{\pi }*60\text{Hz}*10\text{nF/}2\right)=530\text{k}\mathrm{\Omega }$$

  
• Auch hier liegt die Impedanz mit 530kΩ deutlich über dem geforderten Impedanzwert von 240kΩ.
• Bei der vorstehenden Berechnung wurden die Leckströme durch die Schalthalbleiter T₁, T₂ nicht berücksichtigt. Dies ist dem zuständigen Fachmann jedoch ohne Schwierigkeiten möglich, da es sich um einfache Parallelschaltungen der Schaltelemente und der RC-Schaltungen handelt.
• Die Diode (n) D_x,1, D_x,2, D_x,3, D_x,4 überbrücken sämtliche Komponenten des Schaltmoduls zwischen den Anschlüssen X₁ und X₂ und sind daher sicherheitskritische Bauteile. Fällt eine Diode aus, insbesondere als Kurzschluss, ist ein Abschalten des Schaltmoduls nicht mehr möglich. Daher werden vorzugsweise mehrere Dioden in Serie geschaltet, so dass der Kurzschluss einer Diode nicht zum Kurzschluss des gesamten Schaltmoduls führt.
• Vorzugsweise erfolgt die Dimensionierung anhand folgender Gesichtspunkte: Die Summe der Klemmspannungen (Clamping Spannungen) der Dioden wird kleiner gewählt als die maximale Sperrspannung der Leistungshalbleiter U_T,max unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors. Als zusätzliche Dimensionierungsvorschrift soll die Summe der Klemmspannungen auch nach dem Ausfall (Durchlegierung) einer Diode größer als die Scheitelspannung des Wechselstromsystems sein. Dies stellt sicher, dass auch bei Durchlegierung einer Diode im ausgeschalteten Zustand des Schaltmoduls kein Strom über die Dioden fließt.
• In Form einer Gleichung ausgedrückt: $$\left(\text{N}-1\right)*{\text{U}}_{\text{cl}}>{\text{U}}_{\text{max}}$$

  

  wobei U_max die Scheitelspannung des Wechselstromsystems, N die Anzahl der in Reihe geschalteten TVS-Dioden D_x,1, D_x,2, D_x,3, D_x,4 und U_cl die Klemmspannung (Clamping Spannung) jeder einzelnen Diode ist und wobei wie bereits für die Kondensatoren und Widerstände vereinfachend Dioden mit gleichen Parametern, insbesondere mit gleicher Klemmspannung eingesetzt werden.
• Gleichzeitig soll die Summe der Klemmspannungen um einen Sicherheitsfaktor unter der maximal zulässigen Sperr- bzw. Nennspannung der Leistungshalbleiter liegen, d.h.: $${\displaystyle \sum {\text{U}}_{\text{cl}}}<\text{f}*{\text{U}}_{\text{T}\text{,max}}$$

  

  mit f = 0,5 .. 0,9 und U_T,max beispielsweise 600V oder 650V oder 750V.
• Folgende Tabelle gibt geeignete Kombinationen von Dioden für ein 230V Wechselstromsystem mit einer Scheitelspannung von 325V an:

  N	Ucl	ΣUcl	(N-1) * Ucl
  3	170V	510V	340V
  4	125V	500V	375V
  5	100V	500V	400V
  6	85V	510V	425V

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• DIN EN 60947 [0029]

Claims (8)

1. Schaltmodul (100) für einen elektronischen Wechselspannungs-Schutzschalter aufweisend einen ersten Halbleiterschalter (T₁) und einen zweiten Halbleiterschalter (T₂), wobei der erste und der zweite Halbleiterschalter antiseriell zwischen zwei Anschlüssen (X₁, X₂) des Schaltmoduls in Reihe geschaltet sind, wobei zu jedem der Halbleiterschalter eine Reihenschaltung aus mindestens einem kapazitiven Element (C₁, C₂) und einem mindestens resistiven Element (R₁, R₂) parallelgeschaltet ist und wobei parallel zur Reihenschaltung der beiden Halbleiterschalter eine TVS-Diode geschaltet ist.
2. Schaltmodul nach Anspruch 1, dessen kapazitive Elemente den gleichen Nennwert C und dessen resistive Elemente den gleichen Nennwert R aufweisen.
3. Schaltmodul nach Anspruch 2, für welchen die Werte C und R so gewählt werden, dass sie die folgende Beziehung erfüllen: $${\text{U}}_{\text{L}}{\text{/I}}_{\text{a}}<2\text{*R}+1/\left(2*\mathrm{\pi }*\text{f}*\text{C}/2\right)$$

   

   wobei U_L der Effektivwert der Wechselspannung im vom Schutzschalter geschalteten Stromkreis ist, I_a der zulässige Ableitstrom und f die Frequenz des Wechselstroms im Stromkreis.
4. Schaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem parallel zur Reihenschaltung der beiden Halbleiterschalter eine Reihenschaltung aufweisend zwei oder mehr TVS-Dioden (D_x,1, D_x,2, D_x,3, D_x,4) geschaltet ist.
5. Schaltmodul nach Anspruch 4, bei dem die TVS-Dioden die gleiche Klemmspannung U_cl aufweisen.
6. Schaltmodul nach Anspruch 5, bei dem die Anzahl N und/oder die Klemmspannung U_cl der in Reihe geschalteten TVS-Dioden so gewählt werden, dass folgende Beziehung erfüllt ist: $$\left(\text{N}-1\right)*{\text{U}}_{\text{cl}}>{\text{U}}_{\text{max}}$$

   

   wobei U_max die Scheitelspannung der Wechselspannung im vom Schutzschalter geschalteten Stromkreis ist.
7. Elektronischer Wechselspannungs-Schutzschalter aufweisend ein Schaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
8. Elektrische Anlage mit einem oder mehreren Schutzschaltern gemäß Anspruch 7.

Images