DE202009005420U1

DE202009005420U1 - Elektronischer Schutzschalter

Info

Publication number: DE202009005420U1
Application number: DE200920005420
Authority: DE
Original assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Current assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2019-03-12

Abstract

Elektronischer Schutzschalter (1) mit einstellbarer Strombegrenzung in einem Stromverteilungssystem im DC-Niedervoltbereich, mit in einem Strompfad (3) einem Leistungsteil (4), das in Abhängigkeit vom über den Strompfad (3) fließenden Strom (I_N) angesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteil (4) zwei zueinander parallele Teilpfade (3a, 3b) aufweist, von denen ein Teilpfad (3b) dazu eingerichtet ist, im Überlast- und/oder Kurzschlussfall einen begrenzten Strom (I_N2) über den Strompfad (3) und/oder über eine Last (2) zu führen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schutzschalter mit einstellbarer Strombegrenzung mit in einem Strompfad zwischen einem Lastanschluss und einem Spannungsanschluss einem Leistungsteil, das in Abhängigkeit vom über den Strompfad fließenden Strom angesteuert ist. Der Schutzschalter soll insbesondere in einem Stromverteilungssystem im DC-Niedervoltbereich eingesetzt sein, wobei unter Niedervoltbereich wird ein Gleichspannungsbereich (DC) kleiner 100 V_DC, vorzugsweise zwischen 30 V_DC und 80 V_DC verstanden wird, wie beispielsweise im Telekommunikationsbereich.
Aus der EP 1 186 086 B1 ist ein Stromverteilungssystem im Niedervoltbereich, insbesondere im 24 V DC-Bereich, mit einer Anzahl von Stromkreisen mit jeweils einem elektronischen Schutzschalter als Kurzschluss- und/oder Überlastschutz bekannt. Die Stromkreise sind mittels eines getakteten Netzteils gemeinsam gespeist. Im Überlastfall erfolgt bei Überschreiten einer einstellbaren Stromschwelle, z. B. beim 1,1-Fachen des Nennstroms (I_N) eine Sperrung des elektronischen Schutzschalters nach Ablauf einer Verzögerungszeit, während im Kurzschlussfall zunächst eine Strombegrenzung und nach Überschreiten einer weiteren Stromschwelle (z. B. 2 × I_N) eine Sperrung des Schutzschalters nach Ablauf einer bestimmten Abschaltzeit erfolgt.
Aus der EP 1 150 410 A2 ist ein mittels eines Mikroprozessors über einen Auslösekreis angesteuerter elektronischer Schutzschalter bekannt, der die Energieversorgung zu einer Last mit einer Zeitverzögerung unterbricht. Zuvor oder zeitgleich erfolgt eine partielle Unterbrechung des Schutzschalters.
Eine partielle Unterbrechung eines elektronischen Schutzschalters mit mehreren Schaltblöcken, die jeweils einen elektronischen Schalter in Form eines MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und einen diesen über einen gemeinsamen Mikroprozessor steuernden Komparator aufweisen, ist auch aus der EP 1 294 069 B1 bekannt. Im Falle eines Überstroms wird die Energieversorgung zur Last nach einer Zeitverzögerung unterbrochen, die auf eine partielle Untersagung des wenigstens einen Schalters folgt.
Um mit einem elektronischen Schalter zum Schalten einer Last in einem Gleichspannungsnetz eine zuverlässige Strombegrenzung zu erreichen, ist es aus der DE 203 02 275 U1 bekannt, einen von einem Stromsensor in einem Strompfad erfassten Messwert einem Komparatoreingang einer Regeleinrichtung zuzuführen. Bei Vorliegen eines Einschaltsignals und bei einem einen Referenzwert unterschreitenden Messwert steuert die Regeleinrichtung einen in den Strompfad geschalteten Leistungstransistor (MOSFET) auf, während bei einem den Referenzwert überschreitenden Messwert die Regeleinrichtung den Leistungstransistor zusteuert und den über diesen fließende Strom auf den Referenzwert begrenzt. Dem Leistungstransistor ist ein Temperatursensor zugeordnet, der die Betriebstemperatur des Transistors erfasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen für ein Stromverteilungssystem im Niedervoltbereich, insbesondere im Bereich kleiner 100 Volt, vorzugsweise im Spannungsbereich zwischen 30 V_DC bis 80 V_DC, besonders geeigneten elektronischen Schutzschalter anzugeben. Insbesondere soll der elektronische Schutzschalter geeignet sein, im Kurzschluss- bzw. Überlastfall ein Zusammenbrechen der von einer Spannungsquelle, beispielsweise einem getakteten Netzteil, gelieferten Versorgungsspannung zuverlässig zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hierzu weist das Leistungsteil des elektronischen Schutzschalters zwei zueinander parallele Teil- oder Parallelpfade. Mit anderen Worten: Das Leistungsteil bzw. der Strompfad, in den auch die Last geschaltet ist, ist in einen Leistungspfad und einen Strombegrenzungspfad unterteilt.
Der erste Teilpfad (Leistungspfad) des zwischen den Versorgungsspannungs- bzw. Lastanschlüssen des elektronischen Schutzschalters gebildeten Strompfades ist vergleichsweise niederohmig und weist einen ersten Leistungshalbleiter, insbesondere einen MOSFET, auf. Mit diesem ist zweckmäßigerweise ein Fail-Safe-Element in Reihe geschaltet. Der zweite Teilpfad (Strombegrenzungspfad) des zwischen den Versorgungsspannungs- bzw. Lastanschlüssen des elektronischen Schutzschalters gebildeten Strompfades weist strombegrenzende Mittel auf. Diese können durch einen oder mehrere ohmsche Widerstände (Leistungswiderstände) gebildet sein. Vorzugsweise umfassen die strombegrenzenden Mittel eine Reihenschaltung mit mindestens einem Widerstand und einem zweiten Leistungshalbleiter. Dieser ist geeigneterweise ebenfalls ein MOSFET.
Im Kurzschluss- bzw. Überlastfall begrenzt der vergleichsweise hochohmige Strombegrenzungspfad den Strom und liefert zumindest für eine eingestellte Verzögerungszeit einen eingestellten Begrenzungsstrom, während der vergleichsweise niederohmige Leistungspfad gesperrt ist.
So liefert der elektronische Schutzschalter in einem Überlastfall (Kurzschluss- oder Ladestromfall) für eine Zeit von beispielsweise 10 ms (Verzögerungszeit) einen begrenzten Strom, bevor der entsprechende Strompfad abgeschaltet wird. Diese Verzögerungszeit ist eingerichtet oder eingestellt zum Laden von innerhalb des übergeordneten Stromverteilungssystems üblicherweise vorhandenen Kapazitäten (Kondensatoren) und dient darüber hinaus zur Gewährleistung der Selektivität in nachgeschalteten Stromkreisen. Dabei wird aufgrund des zusätzlichen Strombegrenzungspfades im Falle eines Kurzschlusses nicht nur eine undefinierte hohe Strombelastung im parallelen Leistungspfad vermieden, die den ersten Leistungshalbleiter zerstören könnte. Vielmehr wird mittels des Strombegrenzungspfads ein definierter Strom (Begrenzungsstrom) im gesamten Strompfad erzeugt.
Aufgrund des in der Reihenschaltung vorgesehenen mindestens einen Leistungswiderstandes ist dieser Strombegrenzungspfad selbstsicher dimensioniert. Die entstehende Verlustleistung ist dabei – in Abhängigkeit von dem jeweiligen Leis tungsvermögen – auf den oder jeden Leistungswiderstand sowie den zweiten Leistungshalbleiter aufgeteilt.
Während der über den Strombegrenzungspfad fließende Teilstrom zweckmäßigerweise mittels eines so genannten Mess-Shunts erfasst wird, erfolgt die Stromerfassung des über den ersten Leistungshalbleiter im niederohmigen Leistungspfad fließenden Teilstroms durch eine direkte Abfrage des aktuellen Innenwiderstandes des aufgesteuerten ersten Leistungshalbleiters. Hierbei wird der Teilstrom aus dem Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiter und dem üblicherweise temperaturabhängigen Halbleiter-Innenwiderstand ermittelt. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Leistungshalbleiters wird daher zweckmäßigerweise dessen Temperaturgang (des Halbleiter-Innenwiderstandes) mittels einer Kompensationsschaltung ausgeglichen.
Das Schaltverhalten des erfindungsgemäßen Schutzschalters ist dahingehend ausgelegt, dass nach dem Einschalten bei normaler Last über den Strompfad ein Strom (Last- oder Nennstrom) unterhalb einer Abschaltschwelle fließt. Die Abschaltschwelle bezieht sich hierbei geeigneterweise auf den gsamten Last- bzw. Nennstrom und nicht nur auf einen der Teilströme. Unter Nennstrom wird hierbei der Bemessungsstrom (DIN-EN 60934) verstanden, insbesonder ein festgelegter Strom, der dauerhaft über den Schutzschalter fließen darf. Dabei ist zunächst der Strombegrenzungspfad eingeschaltet und der hierüber fließende Teilstrom wird erfasst. Liegt der Teil- oder Laststrom nach Ablauf der Verzögerungszeit – beispielsweise nach 10 ms – weiterhin unterhalb der Abschaltschwelle, so wird anschließend der parallele (niederohmige) Leistungspfad eingeschaltet. Somit sind sowohl der zweite Leistungshalbleiter im Strombegrenzungspfad als auch der erste Leistungshalbleiter im parallelen Leistungspfad aufgesteuert. Der über diesen Strompfad eines Stromverteilungssystems fleißende Strom ist dabei in einen über den Leistungsstrompfad und damit über den ersten Leistungshalbleiter fließenden vergleichsweise großen Stromanteil (erster Teilstrom) und einen über den Strombegrenzungspfad und damit über den parallelen zweiten Leistungshalbleiter fließenden vergleichsweise kleinen Stromanteil (zweiter Teilstrom) aufgeteilt.
Die Verzögerungszeit ist unter Berücksichtigung üblicher Ladezeiten für Kondensatoren bemessen, so dass nach dem Einschalten des Schutzschalters nachgeschaltete Kapazitäten im fehlerfreien Betrieb (Normalbetrieb) geladen sind, wenn die Verzögerungszeit abgelaufen ist. Bei vergleichsweise kleinen Kapazitäten kann die Abschaltschwelle während des Ladevorgangs sogar unterschritten sein. Die Verzögerungszeit ist zweckmäßigerweise stets gleich und vorzugsweise von einem elektronischen Zeitglied realisiert, welches mit dem Überschreiten der Abschaltschwelle startet.
Bei normaler Last und zusätzlich vergleichsweise großen Kapazitäten wird der über den zunächst eingeschalteten Strombegrenzungspfad fließende Strom begrenzt. Überschreitet der erfasste Strom (zweiter Teil- oder Begrenzungsstrom) nach Ablauf der Verzögerungszeit weiterhin die Abschaltschwelle, so wird der Strombegrenzungspfad abgeschaltet. Dies erfolgt zweckmäßigerweise durch eine entsprechende, vorzugsweise geregelte Ansteuerung des zweiten Leistungshalbleiters. Hierzu kann eine Regel- oder Steuereinrichtung vorgesehen sein, die auf einen Überlastfall erkennt.
Tritt während des Normalbetriebs im mittels des elektronischen Schutzschalters gesicherten Strompfad ein Überstrom oder Kurzschluss auf, so erzeugt dieser im vergleichsweise niederohmigen Leistungspfad einen Spannungsabfall am ersten Leistungshalbleiter, der zu dessen sofortiger Sperrung und somit zum Abschalten des Leistungspfades führt. Als Abschaltkriterium wird somit der Spannungsabfall bzw. die Änderung der vorzugsweise am Leistungshalbleiter abgegriffenen Spannung herangezogen. Der erfasste Spannungsabfall ist einem Komparator eingangsseitig zugeführt, der ausgangsseitig mit dem ersten Leistungshalbleiter steuerseitig verbunden ist und diesen sperrt, wenn der Spannungsabfall eine Abschaltschwelle überschreitet, d. h. wenn ein einem entsprechenden Abschaltstrom äquivalenter Spannungspegel erreicht oder überschritten ist.
Der parallel über den vergleichsweise niederohmigen Strombegrenzungspfad fließende Strom wird durch die Widerstände begrenzt (Begrenzungsstrom). Ist der dort erfasste Strom nach Ablauf der Verzögerungszeit weiterhin größer als die Abschaltschwelle, so wird auch dieser Strombegrenzungspfad abgeschaltet (Überlastfall).
Die Strombegrenzung ist vorzugsweise derart einstellbar, d. h. regel- oder steuerbar, dass einerseits bei einer Versorgungsspannung unterhalb eines unteren Spannungsgrenzwertes der Begrenzungsstrom stets größer oder gleich dem Nennstrom ist. Hierdurch ist auch bei einer vergleichsweise niedrigen Versorgungsspannung (z. B. bei kleiner oder gleich 35 V_DC) sichergestellt, dass einem dem elektronischen Schutzschalter nachgeordneten Schutzelement weiterhin ein zu dessen Auslösung ausreichend größerer Auslösestrom zur Verfügung steht.
Der Begrenzungsstrom unterschreitet jedoch andererseits bei einer Versorgungsspannung oberhalb eines oberen Spannungsgrenzwertes stets einen vorgegebenen Stromgrenzwert. Beispielsweise bei einer Leistungsbegrenzung auf 7 kW wäre der Stromgrenzwert auf 100 A eingestellt, um einen Spannungsgrenzwert der Versorgungsspannung von 70 V sicherzustellen. Dadurch ist gewährleistet, dass das Leistungsteil für nachgeordnete Schutzelemente noch einen genügend hohen Strom über den Strompfad führen kann.
Die Einstellung der Strombegrenzung erfolgt zweckmäßigerweise mittels eines gesteuert überbrückbaren Widerstandes. Dieser ist vorzugsweise im Strombegrenzungspfad einer der Leistungswiderstände der Reihenschaltung. Hierzu ist zweckmäßigerweise ein weiterer Leistungshalbleiter (MOSFET) vorgesehen, der ansteuerseitig mit einer Schaltung zur spannungsabhängigen Umschaltung der Strombegrenzung – also abhängig von der betriebsbedingten oder aktuellen Versorgungsspannung – verbunden ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch einen elektronischen Schutzschalters mit einem ersten Teilpfad und mit einem hierzu parallelen zweiten Teilpfad zur Begrenzung des über den Schutzschalter fließenden Stroms, insbesondere im Überlast- und/oder Kurzschlussfall, und
2a und 2b ein vergleichsweise detailliertes Schaltbild des Schutzschalters gemäß 1.
Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einem Blockschaltbild einen elektronischen Schutzschalter 1 mit einem Lastanschluss L_A sowie mit einem eingangsseitigen Versorgungsspannungsanschluss L_U(+) und einem ausgangsseitigen Versorgungsspannungsanschluss L_U(–). Eine Last 2 ist zwischen den Versorgungsspannungsanschluss L_U(+) und somit den Pluspol der Versorgungs- oder Betriebsspannung U_B und den Lastanschluss L_A geschaltet. Die Verbindung zwischen dem Lastanschluss L_A und dem ausgangsseitigen Versorgungsspannungsanschluss L_U(–) (Minuspol oder Ground der Versorgungs- oder Betriebsspannung U_B) bildet einen Strompfad 3. Dieser wiederum kann ein Strompfad 3 von mehreren gleichartigen Strompfaden eines Stromverteilungssystems gemäß der eingangs genannten EP 1 186 086 B1 sein.
In den Strompfad 3 ist ein Leistungsteil 4 geschaltet, das mit einem Steuerteil 5 verbunden ist. Das Steuerteil 5, das vorzugsweise Bestandteil einer Regeleinrichtung ist, ist mit einem Schaltblock 6 zur Betätigung oder Ansteuerung des Schutzschalters 1 verbunden. Dieser Schaltblock 6 umfasst im Ausführungsbeispiel einen als Taster symbolisierten Ein- und Ausschalter 6a sowie eine Statusanzeige 6b, die durch eine Leuchtdiode (LED) symbolisiert ist.
Das Steuerteil 5 weist einen nachfolgend auch als Erkennungs- und Kompensationsschaltung bezeichneten Funktionsbaustein 7 zur Erkennung eines Überlast- bzw. Kurzschlussstroms sowie zur Temperaturkompensation auf. Des Weiteren umfasst das Steuerteil 5 einen nachfolgend auch als Auswerteschaltung bezeichneten Funktionsbaustein 8 zur Auswertung des Überlast- bzw. Kurzschlussstroms. Dieser Funktionsbaustein 8 enthält auch Speicherzeitangaben sowie Angaben über den Abschaltschwellwert des elektronischen Schutzschalters 1. Schalterintern ist mit dem ersten Spannungsanschluss L_U(+) ein internes Netzteil 9 verbunden. Das Steuerungsteil 5 umfasst somit eine Schaltung 7 zur Temperaturkompensation und zur Kurzschlussstrom-Erkennung sowie eine Schaltung 8 zur Steuerung des Schaltverhaltens mit einer Kurzschlussstrom-Auswertung.
Das in den Strompfad 3 geschaltete Leistungsteil 4 umfasst in einem ersten Teil- oder Leistungspfad 3a, einen ersten steuerbaren Leistungsschalter oder Leistungshalbleiter 10 in Form eines MOSFET. Diesem ist im Ausführungsbeispiel drain-seitig innerhalb dieses Leistungspfades 3a ein Sicherungs- oder Fail-Safe-Element 11 vorgeschaltet.
Das Leistungsteil 4 umfasst zudem parallel zum ersten Teil- bzw. Leistungspfad 3a einen zweiten Teil- oder Strombegrenzungspfad 3b. In diesen Strombegrenzungspfad 3b ist ein zweiter ansteuerbarer Leistungsschalter bzw. -halbleiter 12 in Form wiederum eines MOSFET geschaltet. Dieser Leistungshalbleiter 12, d. h. dessen drain-source-Strecke bildet zusammen mit mindestens einem nachfolgend auch als Leistungswiderstand bezeichneten ohmschen Widerstand 13 eine Reihenschaltung. In diesem vergleichsweise hochohmigen Strombegrenzungspfad 3b können auch weitere Widerstände vorgesehen sein (2). Der Strombegrenzungspfad 3b dient zur Strombegrenzung des Leistungsteils 4 bzw. des elektronischen Schutzschalters 1.
Der vergleichsweise niederohmige Leistungspfad 3a kann seinerseits aus mehreren, zueinander parallelen, gleichermaßen aufgebauten Parallelsträngen mit je weils einem Leistungshalbleiter 10 und zugeordnetem Fail-Safe-Element 11 aufgebaut sein.
2 zeigt den elektronischen Schutzschalter 1 wiederum mit dessen Funktionsblöcken oder -bausteinen, nämlich dem Leistungsteil 4 (Leistungshalbleiter 10 und Faile-Safe-Elemente 11) mit dem Leistungspfad 3a und dem Strombegrenzungspfad 3b sowie mit dem Funktionsbaustein 7 zur Kurzschluss- und/oder Ladestrom-Erkennung sowie mit dem Funktionsbaustein 8 zur Kurzschlussstrom- bzw. Überlast-Auswertung (Kurzschluss-/Überstromabschaltung). Der Funktionsbaustein 7 ist wiederum eine Schaltung zur Temperaturkompensation (bzw. -abschaltung) und zur Kurzschluss- oder Überlast-Erkennung. Der Funktionsbaustein 8 ist analog eine Schaltung zur Steuerung des Schaltverhaltens mit einer Kurzschlussstrom-Auswertung. Der Funktionsbaustein 7 ist über ein Abschaltelement 7' mit einem mit Widerständen beschalteten Leistungsteil oder Halbleiterschalter (MOSFET) mit dem Leistungsteil 4 verbunden.
Ein Verstärker oder Verstärkerbaustein 14 umfasst eine der Anzahl der Parallelstränge des Leistungspfades 3a entsprechende Anzahl von Operationsverstärkern 15, die eingangsseitig mit dem ersten Leistungshalbleiter 10 verbunden sind. Der Verstärkerbaustein 14 liefert ausgangsseitig ein Ausgangssignal S_IN1, das den über diesen Leistungspfad 3a fließenden (ersten) Teilstroms I_N1 repräsentiert. Dieses Ausgangssignal S_IN1 ist dem Funktionsbaustein 7 zur Kurzschluss- bzw. Überlast-Erkennung und Temperaturkompensation zugeführt. Dieser Funktionsbaustein 7 wiederum liefert ausgangsseitig ein Steuersignal S₁ zur Ansteuerung und damit zur bedarfsweisen Abschaltung des ersten Leistungsschalters 10 im niederohmigen Leistungspfad 3a.
In den vergleichsweise hochohmigen Strombegrenzungspfad 3b sind im Ausführungsbeispiel nach 2 drei ohmsche Widerstände 13a, 13b und 13c geschaltet. Der Widerstand 13c wirkt als Mess-Shunt zur Strom-Messung des über den Strombegrenzungspfad fließenden (zweiten) Teilstroms I_N2. Hierzu werden Spannungsabgriffe an dem Widerstand 13c eingangsseitig an einen Operationsverstär ker 16 geführt. Dieser ist ausgangsseitig mit dem Funktionsbaustein 7 verbunden, der auch zur Ladestromerkennung dient. Der Funktionsbaustein 7 umfasst einen Operationsverstärker oder Komparator 17, dem eingangsseitig das den zweiten Teilstrom I_N2 repräsentierende Ausgangssignal S_IN2 des Operationsverstärkers 16 und damit des Mess-Shunts 13c des Strommessungsbausteins 13c, 16 zugeführt ist. Ausgangsseitig ist der Operationsverstärker bzw. Komparator 17 mit einem Schmitt-Trigger 18 verbunden. Dieser liefert ausgangsseitig das Steuersignal S₁ zur Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiters 10 im Leistungspfad 3a.
Gemäß 2b umfasst ein Schaltbaustein 19 zur spannungsabhängigen Umschaltung der Strombegrenzungshöhe einen Leistungshalbleiter 20 in Form wiederum eines MOSFET und einen Transistor 21 sowie einen Schmitt-Trigger 22. Dieser ist ausgangsseitig über einen im Ausführungsbeispiel aus drei Widerständen 23a, 23b und 23c gebildeten Spannungsteiler 23 mit dem Steuereingang (gate) eines weiteren Leistungshalbleiters 24 in Form wiederum eines MOSFET verbunden. Diesem ist der Widerstand 13b in der Reihenschaltung mit dem zweiten Leistungshalbleiter 12 im Strombegrenzungspfad 3b drain-source-seitig parallel geschaltet. Hierdurch überbrückt dieser Leistungshalbleiter 24 den Widerstand 13b derart steuerbar, dass der Gesamtwiderstand dieses Schaltungsteils mit dem Widerstand 13b und mit dem Leistungshalbleiter 24 in Abhängigkeit von der Ansteuerung des Leistungshalbleiters 24 zu- oder abnimmt. Demzufolge ändert sich entsprechend der Gesamtwiderstand im Strombegrenzungspfad 3b, so dass je nach Ansteuerung des Halbleiterschalters 24 mittels des Schaltbausteins 19 und somit je nach Grad der Überbrückung des Reihenwiderstandes 13b ein bestimmter Begrenzungsstrom I_N2 im Strombegrenzungspfad 3b und damit die Strombegrenzung im Strompfad 3 entsprechend eingestellt ist.
Im Normalbetrieb nach dem Einschalten des Schutzschalters 1 mittels des Tasters 6a fließt nach Ansteuerung des Leistungsteils 4 der Nenn- oder Laststrom IN über die beiden Teilpfade 3a und 3b innerhalb des Strompfades 3. Unter Nennstrom wird hierbei der Bemessungsstrom (DIN-EN 60934, VDE 0642) verstanden, d. h. der für eine (herstellerseitig) vorgegebene Betriebsbedingung festgelegte Strom, der dauerhaft über den Schutzschalter 1 fließen darf. Dabei ist der über das Fail-Safe-Element (Sicherung) 11 und den Leistungshalbleiter 10 innerhalb des Leistungspfades 3a fließende Teilstrom I_N1 wesentlich größer als der über die Reihenschaltung aus dem Widerstand 13 und dem zweiten Leistungshalbleiter 2 im Strombegrenzungspfad 3b fließende Teilstrom I_N2. Grund hierfür ist, dass der Strombegrenzungspfad 3b wesentlich hochohmiger ist als der Leistungspfad 3a.
Zur Erfassung des Teilstroms I_N1 im Leistungspfad 3a wird der Spannungsabfall ΔU über dem Innenwiderstand R_DS(on) des Leistungshalbleiters 10 mittels des Verstärkerbausteins 14 verstärkt und mittels des Funktionsbausteins 7 zur Temperaturkompensation ausgewertet. Diese direkte Abfrage des Innenwiderstandes R_DS(on) des ersten Leistungshalbleiters 10 erspart vergleichsweise kostenintensive Mess-Shunts im Leistungspfad 3a. Der Temperaturgang des Leistungshalbleiters 10, d. h. dessen Innenwiderstandes R_DS(on), wird durch die Temperaturkompensation ausgeglichen. Diese ist beispielsweise mit einer Diodenschaltung oder – wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel – mit einem temperaturabhängigen NTC-Widerstand 25 ausgeführt. Der Funktionsbaustein 7 mit dem NTC-Widerstand 25 wird gleichzeitig als Temperaturüberwachung und -abschaltung des Leistungsteils 4 und dort insbesondere des ersten Leistungshalbleiters 10 verwendet.
Der am Leistungshalbleiter 10 des Leistungspfades 3 erfasste, mittels des Verstärkerbausteins 14 verstärkte aktuelle Spannungsabfall ΔU wird als entsprechendes Strom- bzw. Spannungssignal (Ausgangssignal) S_IN1 eingangsseitig an einen Komparator 26 des Funktionsbausteins 7 geführt. Sobald der Spannungspegel infolge eines entsprechend hohen Teilstroms I_N1 einen vorgegebenen Schwellwert eines äquivalenten Abschaltstroms erreicht, liefert der Komparator 26 ausgangsseitig das Ansteuersignal S₁ zur Sperrung bzw. Abschaltung des Leistungshalbleiters 10 im Leistungspfad 3a. Anschließend fließt nur noch der vergleichsweise geringe Teilstrom I_N2 über den Strombegrenzungspfad 3b.
Im Anschluss an ein Einschalten des Schutzschalters 1 über beispielsweise den Taster 6a wird der Teilstrom I_N2 im Strombegrenzungspfad 3b auf einen durch die Widerstände 13a und 13b sowie den Innenwiderstand R_DS(on) des zweiten Leistungshalbleiters 12 bestimmten Stromwert begrenzt (Begrenzungsstrom). Je nach Ansteuerung des Leistungshalbleiters 24 ist hierbei der Widerstand 13b mehr oder weniger überbrückt, was eine bestimmte oder gezielte Einstellung und Umschaltung der Höhe der Strombegrenzung ermöglicht (Ladestrombegrenzung).
Analog zu diesem Fall der Ladestrombegrenzung von nachgeordneten Kapazitäten beim Einschalten des elektronischen Schutzschalters 1 und entsprechender Ansteuerung des Leistungsteils 4 wird im Falle eines Überstroms oder Kurzschlusses der Teilstrom I_N2 und somit der Nenn- bzw. Laststrom I_N auf einen bestimmten Wert, beispielsweise auf 100 A bei einem Spannungsbereich der Versorgungs- oder Betriebsspannung U_B zwischen 30 V_DC und 80 V_DC, begrenzt.
Die im Falle eines Kurzschlusses oder eines Überstroms erzeugte Leistung wird aufgrund deren Höhe von beispielsweise bis zu 7 kW auf die Leistungswiderstände 13a und 13b und bedarfsweise auch auf den zweiten Leistungshalbleiter 12 aufgeteilt. Bei Versorgungs- bzw. Betriebsspannungen U_B unterhalb von beispielsweise 51 V_DC kann der Widerstand 13b auch entfallen. Die Höhe des über den Strombegrenzungspfad 3b fließenden Teilstroms I_N2 wird mittels des Shunts 13c mit nachgeordnetem Operationsverstärker 16 erfasst. Die Verstärkung des Strommesswertes mittels des Operationsverstärkers 16 dient zur zuverlässigen Unterscheidung zwischen einem Kurzschlussstrom und einem Ladestrom nachgeordneter Kapazitäten.
Ist nach Ablauf einer einstellbaren Verzögerungszeit von beispielsweise 10 ms der zweite Teilstrom I_N2 – und damit der über den Strompfad 3 fließende Nenn- oder Laststrom I_N – weiterhin größer als ein vorgegebener Schwellwert, so wird auf einen Überstromfall geschlossen, so dass der zweite Teil- oder Strombegrenzungspfad 3b abgeschaltet wird. Hierzu ist der Operationsverstärker 16 ausgangsseitig mit einem Operationsverstärker oder Komparator 27 des Funktionsbauseins 8 für einen Kurzschluss- bzw. Überstromfall verbunden, der seinerseits ausgangsseitig, beispielsweise über einen weiteren Leistungshalbleiter 28 in Form wiederum eines MOSFET, ein Steuersignal S₂ liefert und hiermit den zweiten Leistungshalbleiter 12 des Strombegrenzungspfads 3b zu dessen vollständiger Sperrung ansteuert.
Sinkt der Teilstrom I_N2 im Strombegrenzungspfad 3b nach Ablauf der Strombegrenzungs- oder Verzögerungszeit unter den vorgegebenen Schwellwert, so wird der gesperrte Leistungshalbleiter 10 und damit das gesperrte Leistungsteil 4 zum Laden nachgeschalteter Kapazitäten eingeschaltet. Hierzu liefert der Funktionsbaustein 7 ein entsprechendes Steuersignal S₁ zur Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiters 10 im Leistungspfad 3a.
Damit der Begrenzungsstrom, d. h. der zweite Teilstrom I_N2 im Strombegrenzungspfad 3b bei vergleichsweise hoher Versorgungsspannung U_B – mit einem oberen Spannungsgrenzwert U_B2 von beispielsweise 75 V – einen Stromgrenzwert I_max nicht übersteigt und bei vergleichsweise niedriger Versorgungsspannung U_B – mit einem unteren Spannungsgrenzwert U_B1 von beispielsweise 35 V – den Nennstrom I_N nicht unterschreitet, wird ein Teil des Strombegrenzungswiderstandes, nämlich der Widerstand 13b, bei vergleichsweise geringer Versorgungsspannung U_B als ein voreingestellter Wert (beispielsweise 51 V_DC) durch den entsprechend angesteuerten Leistungshalbleiter 24 überbrückt. Der Grenzwert für das Umschalten von niedriger auf hohe Versorgungsspannung beträgt geeigneterweise 50 V.
Eine nur mit einem Festwiderstand realisierte Strombegrenzung hat bei einem großen Versorgungsspannungsbereich eine entsprechend große Spannungsdifferenz. Beispielsweise wäre in einem Spannungsbereich zwischen U_B = 36 V bis U_B = 72 V und einem Begrenzungswiderstand R_B = 0,8 Ohm im Strombegrenzungspfad 3a eine entsprechende Begrenzungsbandbreite des Teil- oder Begrenzungsstroms zwischen I_N2 = 45 A und I_N2 = 90 A.

1: elektronischer Schutzschalter
2: Last
3: Strompfad
3a: Teil-/Leistungspfad
3b: Teil-/Strombegrenzungspfad
4: Leistungsteil
5: Steuerteil
6: Schaltblock
6a: Ein-/Ausschalter
6b: Statusanzeige
7: Funktionsbaustein
7': Abschaltelement
8: Funktionsbaustein
9: Netzteil
10: Leistungshalbleiter
11: Fail-Safe-Element
12: Leistungshalbleiter
13: Leistungs-/Widerstand
14: Verstärkerbaustein
15: Operationsverstärker
16: Operationsverstärker
17: Operationsverstärker/Komparator
18: Schmitt-Trigger
19: Schaltbaustein
20: Leistungshalbleiter
21: Transistor
22: Schmitt-Trigger
23: Spannungsteiler
24: Leistungshalbleiter
25: NTC-Widerstand
26: Komparator
27: Operationsverstärker/Komparator

I_N: Last-/Nennstrom
I_N1: erster Teilstrom
I_N2: zweiter Teilstrom
I_max: Stromgrenzwert
L_A: Lastanschluss
L_U(±): Versorgungsspannungsanschluss
R_DS(on): Innenwiderstand
S₁: Steuersignal
S₂: Steuersignal
S_IN2: Ausgangs-/Stromsignal
S_IN1: Ausgangs-/Stromsignal
U_B1: untere Spannungsgrenze
U_B2: obere Spannungsgrenze
ΔU: Spannungsabfall

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 Patentliteratur

- EP 1186086 B1 [0002, 0025]
- EP 1150410 A2 [0003]
- EP 1294069 B1 [0004]
- DE 20302275 U1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN-EN 60934 [0013]
- DIN-EN 60934 [0035]

Claims

Elektronischer Schutzschalter (1) mit einstellbarer Strombegrenzung in einem Stromverteilungssystem im DC-Niedervoltbereich, mit in einem Strompfad (3) einem Leistungsteil (4), das in Abhängigkeit vom über den Strompfad (3) fließenden Strom (I_N) angesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteil (4) zwei zueinander parallele Teilpfade (3a, 3b) aufweist, von denen ein Teilpfad (3b) dazu eingerichtet ist, im Überlast- und/oder Kurzschlussfall einen begrenzten Strom (I_N2) über den Strompfad (3) und/oder über eine Last (2) zu führen.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilpfad (3a) einen ersten Leistungshalbleiter (10) aufweist, dem im zweiten Teilpfad (3b) strombegrenzende Mittel (12, 13) parallel geschaltet sind.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Überlast- bzw. Kurzschlussfall der erste Leistungshalbleiter (10) zugesteuert ist, während über die strombegrenzenden Mittel (12, 13) ein begrenzter Strom (I_N2) geführt ist.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der begrenzte Strom (I_N2) für eine definierte Verzögerungszeit über die strombegrenzenden Mittel (12, 13) geführt ist.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den strombegrenzenden Teilpfad (3b) ein zweiter Leistungshalbleiter (12) geschaltet ist.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als strombegrenzende Mittel (12, 13) mindestens ein Widerstand (13) vorgesehen ist.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als strombegrenzende Mittel (12, 13) eine Reihenschaltung mit mindestens einem Widerstand (13a, 13c) und einem zweiten Leistungshalbleiter (12) vorgesehen ist.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leistungshalbleiter (12) aufgesteuert ist, wenn der über diesen fließende Strom (I_N2) einen Abschaltschwellwert unterschreitet.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leistungshalbleiter (10) aufgesteuert ist, wenn der über diesen fließende Teilstrom (I_N1) einen Abschaltschwellwert vor Ablauf einer Verzögerungszeit unterschreitet.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der über den strombegrenzenden Teilpfad (3b) fließende Teilstrom (I_N2) kleiner ist als der über den parallelen Teilpfad (3a) fließende Teilstrom (I_N1).
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine einstellbare Strombegrenzung derart, dass bei einer Versorgungsspannung (U_B) unterhalb eines unteren Spannungsgrenzwertes (U_B1) der begrenzte Strom (I_N2) größer oder gleich dem Nennstrom (I_N) ist.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der begrenzte Strom (I_N2) bei einer Versorgungsspannung (U_B) oberhalb eines oberen Spannungsgrenzwertes (U_B2) einen vorgegebenen Stromgrenzwert (I_max) unterschreitet.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Strombegrenzung mittels eines gesteuert überbrückbaren Widerstandes (13b) erfolgt.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (13b) mittels eines steuerbaren Leistungshalbleiters (24) überbrückt ist, der ansteuerseitig mit einer Schaltung (19) zur spannungsabhängigen Umschaltung der Strombegrenzung verbunden ist.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall (ΔU) des ersten Leistungshalbleiter (10) erfasst und einem Komparator (26) zugeführt ist, der ausgangsseitig mit dem ersten Leistungshalbleiter (10) verbunden ist und diesen sperrt, wenn der Spannungsabfall (ΔU) eine Abschaltschwelle überschreitet.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 15, gekennzeichnet durch einen Verstärkerbaustein (14) zur Verstärkung des am ersten Leistungshalbleiter (10) erfassten Spannungsabfalls (ΔU).
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 16, gekennzeichnet durch einen Funktionsbaustein (7) zur Kompensation der Temperaturabhängigkeiten des ersten Leistungshalbleiters (10) und/oder dessen Innenwiderstandes (R_DS(on)).
Elektronischer Schutzschalter (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbaustein (7) einen Komparator (26) und einen temperaturabhängigen Widerstand (25), insbesondere einen NTC-Widerstand, aufweist.
Elektronischer Schutzschalter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 18, gekennzeichnet durch einen Funktionsbaustein (8) mit einem Operationsverstärker/Komparator (27) zur Kurzschlussstrom- bzw. Überlast-Auswertung und Abschaltung des ersten und/oder des zweiten Leistungshalbleiters (10, 12).