DE202022102043U1 - Power electronic device with gas sensor - Google Patents
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Abstract
Leistungselektronische Vorrichtung, aufweisend:
ein Gehäuse (10),
eine Leiterplatte (20) mit Leistungselektronikbauteilen (30), die sich in dem Gehäuse (10) befindet,
eine Steuerungseinheit (50), die mit der Leiterplatte verbunden ist,
wenigstens einen Gassensor (40), der sich in dem Gehäuse (10) befindet und zumindest mit der Steuerungseinheit (50) verbunden ist, wobei
der wenigstens eine Gassensor (40) konfiguriert ist, um eine Gaskonzentration im Gehäuse (10) zu erfassen und
die Steuerungseinheit (50) konfiguriert ist, um einen Betrieb der Leistungselektronikbauteile (30) einzuschränken, wenn die Gaskonzentration im Gehäuse (10) einen Schwellwert übersteigt.
a housing (10),
a printed circuit board (20) with power electronic components (30), which is located in the housing (10),
a control unit (50) connected to the printed circuit board,
at least one gas sensor (40), which is located in the housing (10) and is connected to at least the control unit (50), wherein
the at least one gas sensor (40) is configured to detect a gas concentration in the housing (10) and
the control unit (50) is configured to restrict operation of the power electronic components (30) when the gas concentration in the housing (10) exceeds a threshold value.
Description
Die Erfindung betrifft eine leistungselektronische Vorrichtung mit einem Gassensor.The invention relates to a power electronic device with a gas sensor.
Seit einigen Jahren gibt es den Trend, im heimischen Bereich über Photovoltaikanlagen mit angekoppelten leistungselektronischen Vorrichtungen selbstnutzbaren elektrischen Strom zu generieren. Dabei kann es in Bezug auf die leistungselektronische Vorrichtung zu Fehlfunktionen kommen, die zu finanziellen Einbußen und/oder im schlimmsten Fall zu gesundheitlichen Schäden beim Betreiber der Anlage führen können.For several years there has been a trend towards generating self-usable electrical power in the domestic area via photovoltaic systems coupled with power electronic devices. This can lead to malfunctions in relation to the electronic power device, which can lead to financial losses and/or, in the worst case, damage to the health of the operator of the system.
In diesem Bereich gibt es bereits Anmeldungen, die sich mit der Spannungsfreiheit von Bauteilen zur Vermeidung von elektrischen Schlägen bei Berührung, der Vermeidung von Lichtbögen oder ähnlichem befassen.There are already applications in this area that deal with the absence of voltage from components to avoid electric shocks when touched, avoiding arcing or the like.
Jedoch kann es zur Situation kommen, in der sich während des Betriebs der leistungselektronischen Vorrichtung ein Gas im Gehäuse bildet, das direkt oder indirekt entweder die leistungselektronische Vorrichtung beschädigt oder die Gesundheit von Personen in näherer Umgebung gefährdet.However, a situation can arise in which a gas forms in the housing during operation of the electronic power device, which either directly or indirectly damages the electronic power device or endangers the health of people in the immediate vicinity.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Sicherheit beim Betrieb einer leistungselektronischen Vorrichtung zu erhöhen.It is an object of the invention to increase safety when operating a power electronic device.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by the subject matter of the main claim. Developments according to the invention are the subject matter of the dependent claims.
Hierfür weist die erfindungsgemäße leistungselektronische Vorrichtung ein Gehäuse, eine Leiterplatte mit Leistungselektronikbauteilen, die sich in dem Gehäuse befindet, eine Steuerungseinheit, die mit der Leiterplatte verbunden ist, und wenigstens einen Gassensor auf, der sich in dem Gehäuse befindet und zumindest mit der Steuerungseinheit verbunden ist, wobei der wenigstens eine Gassensor konfiguriert ist, um eine Gaskonzentration im Gehäuse zu erfassen und die Steuereinheit konfiguriert ist, um einen Betrieb der Leistungselektronikbauteile einzuschränken, wenn die Gaskonzentration im Gehäuse einen Schwellwert übersteigt.For this purpose, the power electronic device according to the invention has a housing, a printed circuit board with power electronic components that is located in the housing, a control unit that is connected to the printed circuit board, and at least one gas sensor that is located in the housing and is connected at least to the control unit , wherein the at least one gas sensor is configured to detect a gas concentration in the housing and the control unit is configured to limit operation of the power electronics components when the gas concentration in the housing exceeds a threshold value.
Es ist der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Vorrichtung folglich möglich, den Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung, insbesondere der für die Hauptfunktionalität der leistungselektronischen Vorrichtung dienenden Leistungselektronikbauteile, einzuschränken, wenn die Gaskonzentration im Gehäuse einen Schwellwert übersteigt. It is consequently possible for the power electronic device according to the invention to restrict the operation of the power electronic device, in particular the power electronic components serving for the main functionality of the power electronic device, when the gas concentration in the housing exceeds a threshold value.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass für die leistungselektronische Vorrichtung oder für Personen in der Umgebung der leistungselektronischen Vorrichtung eine Gefährdung durch Gaskonzentrationen in dem Gehäuse der leistungselektronischen Vorrichtung und insbesondere aus dem Gehäuse ausströmendes Gas vermindert oder verhindert werden kann.This results in the advantage that for the electronic power device or for people in the vicinity of the electronic power device, a risk from gas concentrations in the housing of the electronic power device and in particular gas escaping from the housing can be reduced or prevented.
Nach einer Ausführungsform ist der Gassensor konfiguriert, um eine Gaskonzentration von Wasserstoff im Gehäuse zu erfassen.According to one embodiment, the gas sensor is configured to detect a gas concentration of hydrogen in the housing.
In dieser Ausführungsform ist der Gassensor konfiguriert, eine Gaskonzentration von Wasserstoff, mit anderen Worten eine Wasserstoffkonzentration, im Gehäuse zu erfassen. Wasserstoff kann beispielsweise durch ein Ausgasen von Kondensatoren, bestimmte unerwünschte Ereignisse im Zusammenhang mit elektrischer Leistung oder eine in der Nähe befindliche oder integrierte Elektrolysevorrichtung auftreten.In this embodiment, the gas sensor is configured to detect a gas concentration of hydrogen, in other words, a hydrogen concentration in the case. Hydrogen may occur, for example, from capacitor outgassing, certain electrical power-related adverse events, or a nearby or integrated electrolyzer.
Insbesondere kann Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff ein entzündbares bzw. explosionsfähiges Gemisch, auch Knallgas genannt, bilden. Entzündet sich ein solches Gemisch, kann es einerseits zur Zerstörung der leistungselektronischen Vorrichtung kommen, andererseits können durch eine Explosion im Gehäuse der leistungselektronischen Vorrichtung in der Nähe befindliche Personen durch teils schwerwiegende Verletzungen geschädigt werden.In particular, hydrogen and oxygen can form a flammable or explosive mixture, also called oxyhydrogen. If such a mixture ignites, the electronic power device can be destroyed on the one hand, and people in the vicinity can be damaged by an explosion in the housing of the electronic power device, in some cases with serious injuries.
Der Vorteil dieser Ausführungsform ist es, den Betrieb der Leistungselektronikbauteile einzuschränken, um ein Entzünden eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischs durch einen im Betrieb der Leistungselektronikbauteile entstehenden Funken und/oder eine weitere Erhöhung einer Wasserstoffkonzentration im Inneren des Gehäuses der leistungselektronischen Vorrichtung zu vermeiden bzw. zu verhindern.The advantage of this embodiment is to restrict the operation of the power electronic components in order to avoid or to ignite a hydrogen-oxygen mixture by a spark occurring during operation of the power electronic components and/or a further increase in a hydrogen concentration inside the housing of the power electronic device impede.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinheit konfiguriert, um einen Betrieb der Leistungselektronikbauteile einzuschränken, wenn der Gassensor eine Wasserstoffkonzentration von über 4 Vol.-% erfasst.According to a further embodiment, the control unit is configured to restrict operation of the power electronic components when the gas sensor detects a hydrogen concentration above 4% by volume.
In dieser Ausführungsform ist der Schwellwert spezifiziert, ab der eine Einschränkung des Betriebs der Leistungselektronikbauteile stattfindet. Dabei ist die Einschränkung ab 4 Vol.-% Wasserstoffkonzentration in der Luft in dem Gehäuse festgelegt, da ab 4 Vol.-% Wasserstoffkonzentration in Luft ein entzündungsfähiges Gasgemisch vorhanden ist. Durch die Einschränkung des Betriebs der Leistungselektronikbauteile kann auf diese Weise ein Entzünden eines entzündungsfähigen Gasgemischs vermieden werden. Die Sicherheit im Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung wird erhöht.In this embodiment, the threshold value is specified, above which the operation of the electronic power components is restricted. The restriction is specified from a hydrogen concentration of 4% by volume in the air in the housing, since an ignitable gas mixture is present from a hydrogen concentration of 4% by volume in the air. Restricting the operation of the power electronic components in this way can ignite an ignitable gas mixture be avoided. Safety during operation of the electronic power device is increased.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinheit konfiguriert, um einen Betrieb der Leistungselektronikbauteile bei einer Wasserstoffkonzentration von über 18 Vol.-% einzuschränken.According to a further embodiment, the control unit is configured to restrict operation of the power electronic components at a hydrogen concentration above 18% by volume.
In dieser Ausführungsform ist der Schwellwert spezifiziert, ab der eine Einschränkung des Betriebs der Leistungselektronikbauteile stattfindet. Dabei ist die Einschränkung ab 18 Vol.-% Wasserstoffkonzentration in der Luft in dem Gehäuse festgelegt, da ab 18 Vol.-% Wasserstoffkonzentration in Luft ein explosionsfähiges Gasgemisch vorhanden ist.In this embodiment, the threshold value is specified, above which the operation of the electronic power components is restricted. The restriction is specified from a hydrogen concentration of 18% by volume in the air in the housing, since an explosive gas mixture is present from a hydrogen concentration of 18% by volume in the air.
Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass durch die Einschränkung des Betriebs der Leistungselektronikbauteile auf diese Weise ein Entzünden eines explosionsfähigen Gasgemischs durch einen im Betrieb der Leistungselektronikbauteile entstehenden Funken vermieden werden kann. Die Sicherheit im Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung wird erhöht.It is an advantage of this embodiment that, by restricting the operation of the power electronic components in this way, an ignition of an explosive gas mixture by a spark occurring during operation of the power electronic components can be avoided. Safety during operation of the electronic power device is increased.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Gassensor konfiguriert, um alternativ oder zusätzlich eine Gaskonzentration von Kohlenstoffmonoxid im Gehäuse zu erfassen.According to a further embodiment, the gas sensor is configured to alternatively or additionally detect a gas concentration of carbon monoxide in the housing.
In dieser Ausführungsform ist der Gassensor spezifiziert, um eine Konzentration von Kohlenstoffmonoxid, mit anderen Worten eine Kohlenstoffmonoxidkonzentration, im Gehäuse der leistungselektronischen Vorrichtung zu erfassen.In this embodiment, the gas sensor is specified to detect a concentration of carbon monoxide, in other words a carbon monoxide concentration, in the housing of the power electronic device.
Kohlenstoffmonoxid kann bei einer leistungselektronischen Vorrichtung durch einen Schwelbrand, bestimmte unerwünschte Ereignisse im Zusammenhang mit elektrischer Leistung oder andere Effekte entstehen.Carbon monoxide can arise in a power electronic device from a smoldering fire, certain adverse events associated with electrical power, or other effects.
Insbesondere wird eine Kohlenstoffmonoxidkonzentration erfasst, da Kohlenstoffmonoxid einerseits ein toxisches Gas ist, das bei Personen, die es in höherer Konzentration einatmen, zu schwerwiegenden gesundheitlichen Schäden führen kann. Zusätzlich ist es farb- und geruchslos und kann folglich nicht auf einfache Weise wahrgenommen werden. Andererseits ist Kohlenstoffmonoxid im Zusammenhang mit Sauerstoff brennbar. Insbesondere kann, wenn eine höhere Kohlenstoffmonoxidkonzentration im Gehäuse einer leistungselektronischen Vorrichtung vorhanden ist und ein Gehäusedeckel geöffnet wird, so dass sauerstoffreiche Luft in das Gehäuse strömt, eine Entzündung durch einen im Betrieb der Leistungselektronikbauteile entstehenden Funken stattfinden, die den Öffnenden des Gehäusedeckels schädigen kann.In particular, a carbon monoxide concentration is recorded, since carbon monoxide is a toxic gas that can cause serious damage to the health of people who inhale it in higher concentrations. In addition, it is colorless and odorless and consequently cannot be easily detected. On the other hand, carbon monoxide is combustible in the presence of oxygen. In particular, if there is a higher concentration of carbon monoxide in the housing of a power electronic device and a housing cover is opened so that oxygen-rich air flows into the housing, ignition can take place due to a spark generated during operation of the power electronic components, which can damage the opening end of the housing cover.
Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, den Betrieb der Leistungselektronikbauteile einzuschränken, um eine weitere Erhöhung einer Kohlenstoffmonoxidkonzentration im Inneren des Gehäuses der leistungselektronischen Vorrichtung zu vermeiden bzw. zu verhindern.It is an advantage of this embodiment to restrict the operation of the power electronic components in order to avoid or prevent a further increase in a carbon monoxide concentration inside the housing of the power electronic device.
In einer anderen Ausführungsform ist die Steuerungseinheit konfiguriert, um einen Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung einzuschränken, wenn der Gassensor eine Gaskonzentration von Kohlenstoffmonoxid erfasst, die einen ersten Kohlenstoffmonoxidkonzentrationsschwellwert überschreitet.In another embodiment, the control unit is configured to restrict operation of the power electronic device when the gas sensor detects a gas concentration of carbon monoxide that exceeds a first carbon monoxide concentration threshold.
In dieser Ausführungsform ist der Wert der Kohlenstoffmonoxidkonzentration, ab der ein Betrieb der leistungselektronischen Vorrichtung eingeschränkt wird, als ein erster Kohlenstoffmonoxidkonzentrationsschwellwert definiert. Dabei kann der erste Kohlenstoffmonoxidkonzentrationsschwellwert ein Schwellwert sein, ab dem ein Schwelbrand im Gehäuse der leistungselektronischen Vorrichtung wahrscheinlich ist, ab dem ein Schwelbrand im Gehäuse der leistungselektronischen Vorrichtung sicher ist, ab dem eine gesundheitliche Schädigung von Personen in der Nähe der leistungselektronischen Vorrichtung wahrscheinlich ist oder ab dem beim Öffnen eines Gehäusedeckels des Gehäuses der leistungselektronischen Vorrichtung die Entzündung eines Gasgemischs wahrscheinlich ist.In this embodiment, the value of the carbon monoxide concentration above which operation of the electronic power device is restricted is defined as a first carbon monoxide concentration threshold value. The first carbon monoxide concentration threshold can be a threshold above which a smoldering fire in the housing of the electronic power device is likely, above which a smoldering fire in the housing of the electronic power device is certain, above which damage to the health of persons in the vicinity of the electronic power device is likely or from which is likely to ignite a gas mixture when a housing cover of the housing of the electronic power device is opened.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinheit im Gehäuse der leistungselektronischen Vorrichtung angeordnet.According to a further embodiment, the control unit is arranged in the housing of the electronic power device.
Die Anordnung der Steuerungseinheit im Gehäuse der leistungselektronischen Vorrichtung bietet den Vorteil, dass Übertragungsleitungen für elektrische Energie zur Versorgung des Gassensors oder für Signale zwischen der Steuerungseinheit und dem Gassensor kurz sind. Alternativ kann die Steuerungseinheit auf der Leiterplatte angeordnet sein, wodurch eine Montage der leistungselektronischen Vorrichtung vereinfacht wird.The arrangement of the control unit in the housing of the electronic power device offers the advantage that transmission lines for electrical energy to supply the gas sensor or for signals between the control unit and the gas sensor are short. Alternatively, the control unit can be arranged on the printed circuit board, which simplifies assembly of the electronic power device.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinheit außerhalb des Gehäuses der leistungselektronischen Vorrichtung angeordnet.According to a further embodiment, the control unit is arranged outside the housing of the electronic power device.
Die Anordnung der Steuerungseinheit außerhalb des Gehäuses der leistungselektronischen Vorrichtung bietet den Vorteil, dass eine räumliche Trennung zwischen der Steuerungseinheit und der leistungselektronischen Vorrichtung vorliegt. Insbesondere im Falle eines Schwelbrands ist die Steuerungseinheit von dem Schwelbrand nicht betroffen und die Funktionsweise der Steuerungseinheit wird nicht beeinträchtigt. Beispielsweise kann in einem Schadensfall der Verlauf der Signale vom Gassensor an die Steuerungseinheit nachvollzogen werden.The arrangement of the control unit outside the housing of the electronic power device offers the advantage that there is a physical separation between the control unit and the electronic power device. In the case of a smoldering fire in particular, the control unit is not affected by the smoldering fire and the functioning of the control unit is not impaired. For example, in a In the event of damage, the course of the signals from the gas sensor to the control unit can be traced.
Nach einer weiteren Ausführungsform der leistungselektronischen Vorrichtung ist die Steuerungseinheit konfiguriert, um ein Benachrichtigungssignal an einen Empfänger, beispielsweise eine Anzeigevorrichtung oder eine Alarmierungseinrichtung, zu senden, wenn der Betrieb der Leistungselektronikbauteile eingeschränkt wird.According to a further embodiment of the electronic power device, the control unit is configured to send a notification signal to a receiver, for example a display device or an alarm device, when the operation of the electronic power components is restricted.
Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass ein Besitzer, ein Betreiber und/oder ein zuständiger Wartungsdienst der leistungselektronischen Vorrichtung von der Einschränkung des Betriebs der Leistungselektronikbauteile informiert wird. Insbesondere können durch die gesendeten Informationen Schritte eingeleitet werden, um den Fehler bei der leistungselektronischen Vorrichtung zu beheben. Ferner ist es möglich, Personen in der Nähe der leistungselektronischen Vorrichtung zu warnen bzw. Personen davon abzuhalten, sich so nah zu der leistungselektronischen Vorrichtung zu begeben, dass eine Gefährdung auftritt und gesundheitliche Schäden auftreten können.It is an advantage of this embodiment that an owner, an operator and/or a responsible maintenance service of the power electronic device is informed of the limitation of the operation of the power electronic components. In particular, the sent information can be used to initiate steps to rectify the error in the electronic power device. Furthermore, it is possible to warn persons in the vicinity of the electronic power device or to prevent persons from going so close to the electronic power device that a hazard arises and damage to health can occur.
Dabei ist die erfindungsgemäße leistungselektronische Vorrichtung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere sind Zahlenwerte als beispielhaft zu verstehen.The power electronic device according to the invention is not limited to the above embodiments. In particular, numerical values are to be understood as exemplary.
Beispielsweise kann bei allen Ausführungsformen der Betrieb der Leistungselektronikbauteile um 5, 10, 15, 20, 25, 35, 40, 50, 60, 75, 80, 90 oder auch 100% eingeschränkt werden. Ferner können auch kleinere Wasserstoffkonzentrationen als 4 Vol.-% oder 18 Vol.-% erfasst werden. Diese Werte können beispielsweise bei 2, 3, 5, 6, 16, 17, 19 oder 20 Vol.-%. Ebenso ist es möglich, dass eine Einschränkung des Betriebs bei einer kleineren erfassten Wasserstoffkonzentration kleiner als bei einer höheren erfassten Wasserstoffkonzentration ist.For example, in all embodiments, the operation of the power electronic components can be restricted by 5, 10, 15, 20, 25, 35, 40, 50, 60, 75, 80, 90 or even 100%. Furthermore, hydrogen concentrations smaller than 4% by volume or 18% by volume can also be detected. These values can be, for example, 2, 3, 5, 6, 16, 17, 19 or 20% by volume. It is also possible that a limitation of the operation is smaller with a lower detected hydrogen concentration than with a higher detected hydrogen concentration.
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe einer Figur dargestellt, wobei
-
1 eine erfindungsgemäße leistungselektronische Vorrichtung zeigt.
-
1 shows a power electronic device according to the invention.
Im Folgenden wird die Figur detailliert erläutert.The figure is explained in detail below.
In
Dabei sind in dieser beispielhaften Anordnung die Leiterplatte 20 mit den Leistungselektronikbauteilen 30, der Gassensor 40 und die Steuerungseinheit 50 in dem Gehäuse 10 der leistungselektronische Vorrichtung 1 eingehaust. Die Leistungselektronikbauteile 30 sind an der Leiterplatte 20 angebracht und stehen mit dieser in Verbindung. Der Gassensor 40 ist im Gehäuse 10 vorzugsweise in der Nähe der Leistungselektronikbauteile 30 angeordnet. Ferner ist der Gassensor 40 mit der Steuerungseinheit 50 verbunden (gestrichelte Linie).In this exemplary arrangement, the
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Leistungselektronische VorrichtungPower electronic device
- 1010
- GehäuseHousing
- 2020
- Leiterplattecircuit board
- 3030
- Leistungselektronikbauteilepower electronics components
- 4040
- Gassensorgas sensor
- 5050
- Steuerungseinheitcontrol unit
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SMA SOLAR TECHNOLOGY AG, DE Free format text: FORMER OWNER: SMA SOLAR TECHNOLOGY AG, 34266 NIESTETAL, DE |
|
| R163 | Identified publications notified | ||
| R207 | Utility model specification |