EP3963686A1 - Asymmetrische überspannungsschutzvorrichtung, gleichstromschaltungsanordnung sowie gleichstromnetz - Google Patents

Asymmetrische überspannungsschutzvorrichtung, gleichstromschaltungsanordnung sowie gleichstromnetz

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Publication number
EP3963686A1
EP3963686A1 EP20724063.1A EP20724063A EP3963686A1 EP 3963686 A1 EP3963686 A1 EP 3963686A1 EP 20724063 A EP20724063 A EP 20724063A EP 3963686 A1 EP3963686 A1 EP 3963686A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
negative
protection device
overvoltage protection
direct current
positive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20724063.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Stehle
Frank SCHORK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Dehn and Soehne GmbH and Co KG filed Critical Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Publication of EP3963686A1 publication Critical patent/EP3963686A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/041—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage using a short-circuiting device
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. DC/AC converters

Definitions

  • the invention relates to an asymmetrical overvoltage protection device, a direct current circuit arrangement and a direct current network.
  • an asymmetrical overvoltage protection device for a direct current circuit having a current input and a current output, with a negative side that can be connected to the current output of the direct current circuit, a positive side that can be connected to the current input of the direct current circuit, and an asymmetrical protective path.
  • the asymmetrical protective path has a positive protective level for a positive voltage between the positive side and the negative side and a negative protective level for a negative voltage between the positive side and the negative side, the positive protective level being different from the negative protective level.
  • the overvoltage protection can be implemented asymmetrically will. In this way, positive and negative overvoltages can be treated separately, whereby the asymmetry of the direct current circuit or the electrical device and thus the asymmetrical sensitivity to overvoltages is taken into account.
  • the negative protection level can be smaller than the negative freewheeling voltage of the DC circuit.
  • the DC circuit has no reverse polarity protection.
  • the plus side is also called “DC-Plus” or “L +” for unipolar direct current.
  • the minus side of unipolar direct current is also called “DC minus” or “L-”.
  • the protective section has a dissipative component and the overvoltage protection device has a control for the protection section, the control being designed in such a way that it releases the dissipating component accordingly when the voltage between the plus side and the minus side is positive and the amount of the voltage is above the positive protection level or if the voltage is negative and the amount of the voltage is above the negative protection level.
  • the control makes it possible to adapt the protection level flexibly.
  • the dissipating component can in particular be loaded with impulses.
  • the dissipating component can have a spark gap, a gas discharge tube, a varistor, a thyristor, an IGBT and / or a MOSFET and / or the control can have at least one diode, one IGBT, one thyristor and / or one Have MOSFET.
  • the protective path has a positive dissipative branch for reducing a positive voltage and a negative dissipating branch for reducing a negative voltage, in particular with the branches being parallel.
  • the construction of the protective section can be implemented using simple components.
  • the positive dissipating branch has a first passive dissipating component, in particular a varistor, a spark gap and / or a gas discharge tube.
  • the positive derivative branch can be completely passive.
  • the dissipating component can be loaded with impulses.
  • the breakdown voltage or threshold voltage of the positive dissipating component is the positive protection level.
  • the negative discharge branch has a switchable component and the overvoltage protection device has a control for the switchable component, in particular the switchable component being an IGBT (bipolar transistor with insulated gate electrode), a thyristor or a MOSFET (metal-oxide-semiconductor Field effect transistor).
  • the control is designed such that it switches the switchable component accordingly when the voltage between the plus side and the minus side is negative and the amount of the voltage is above the negative protection level. In this way, the negative protection level can be flexibly adjusted.
  • the negative dissipative branch only has the switchable component.
  • the negatively discharging branch has a further component such as a spark gap, a gas discharge tube and / or a varistor.
  • the negative dissipating branch has at least one second passive dissipating component, in particular the negative dissipating branch being completely passive, as a result of which the overvoltage protection device can be made particularly simple.
  • the second passive dissipative component can, for example, be loaded with impulses.
  • the forward voltage or the lock voltage of the second passive dissipative component for the negative voltage can be the negative protection level.
  • the breakdown voltage for the positive voltage is greater than the positive protection level.
  • the entire protective section has no active or switching components.
  • the at least one second passive dissipative component can be a diode or the second passive dissipative component can be a plurality of diodes connected in series.
  • the diode or diodes are connected with their cathode to the plus side and with their anode (s) to the minus side.
  • the protective path has at least one unipolar suppressor diode, which is connected with its cathode to the positive side and its anode to the negative side, in particular wherein the protective path has several unipolar suppressor diodes connected in parallel.
  • the protective section can be implemented with a single or a few components.
  • the forward voltage of the suppressor diode (s) is the negative protection level and the breakdown voltage is the positive protection level.
  • the positive protection level is greater than 100 V, in particular greater than 400 V, and / or the negative protection level is less than 100 V, as a result of which the direct current circuit is reliably protected.
  • the voltage information relates to the amount of voltage.
  • the DC circuit can be a converter, in particular an inverter or a DC voltage converter.
  • the object is also achieved by a direct current circuit arrangement with a direct current circuit, in particular a converter, such as an inverter or a DC voltage converter, and an asymmetrical overvoltage protection device as described above.
  • the direct current circuit has a current input and a current output, and the plus side of the overvoltage protection device is electrically connected to the current input and the minus side of the overvoltage protection device is electrically connected to the current output.
  • the overvoltage protection device applies equally to the DC circuit arrangement and vice versa.
  • the DC circuit has no reverse polarity protection.
  • the direct current circuit arrangement can have a direct current connection, the overvoltage protection device being arranged between the direct current connection and the direct current circuit.
  • the object is also achieved by a direct current network with a direct current circuit arrangement as described above and a direct current source with a positive pole and a negative pole.
  • the positive pole is electrically connected to the positive side of the overvoltage protection device and the negative pole is electrically connected to the negative side of the overvoltage protection device.
  • the direct current network is, for example, a direct current network in a building.
  • the overvoltage protection device is arranged between the direct current source and the direct current circuit in order to reliably protect the direct current circuit.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a direct current network according to the invention with a direct current circuit arrangement according to the invention, which has an asymmetrical overvoltage protection device according to the invention
  • Figure 2 shows a block diagram of a second embodiment of an overvoltage protection device according to the invention, a direct current circuit arrangement according to the invention and a power network according to the invention,
  • Figure 3 shows a block diagram of a third embodiment of an overvoltage protection device according to the invention, one DC circuit arrangement according to the invention and a power network according to the invention,
  • FIG. 4 shows a block diagram of a fourth embodiment of an overvoltage protection device according to the invention, a direct current circuit arrangement according to the invention and a power network according to the invention
  • FIGS. 5a to 5c show various embodiments of an overvoltage protection device according to the invention according to FIG. 4
  • FIG. 6b shows a block diagram of a possible embodiment of the overvoltage protection device according to FIG. 6a.
  • the direct current network 10 is for example a direct current network of a building, a charging infrastructure for electric vehicles or some other direct current network.
  • the DC network 10 is unipolar.
  • the direct current circuit 16 can be a converter 20 or any other direct current circuit, for example a consumer.
  • the direct current source 12 can be any direct current source, which in the context of this invention also includes connections to a higher-level power supply.
  • the direct current source 12 has a first pole 21, in the described case of a unipolar direct current source 12 the positive pole 22, and a second pole 23, in this case the negative pole 24.
  • first pole 21 and the second pole 23 are also meant in general.
  • the direct current circuit 16 is operated by means of the current from the direct current source 12 and accordingly has a current input 26 and a current output 28.
  • the direct current circuit 16 has no reverse polarity protection.
  • the overvoltage protection device 18 has a plus side 30, a minus side 32 and a protective section 34.
  • the plus side 30 and the minus side 32 are connected to one another by means of the protective section 34.
  • the plus side 30 and the minus side 32 are each formed by a line that electrically connects the plus pole 22 of the direct current source 12 to the current input 26 of the direct current circuit 16 and the current output 28 of the direct current circuit 16 to the negative pole 24 of the direct current source 12.
  • the overvoltage protection device 18 is thus arranged between the direct current source 12 and the direct current circuit 16.
  • the DC circuitry 14 has a DC connector 36 connected to the DC power source 12.
  • the overvoltage protection device 18 is arranged between the direct current connection 36 and the direct current circuit 16.
  • connections of the positive side 30 and the negative side 32 facing the direct current source 12 form the direct current connection 36 of the direct current circuit arrangement 14.
  • the direct current source 12 During regular operation of the direct current network 10, the direct current source 12 provides a positive voltage.
  • the plus side 30 of the overvoltage protection device 18 is at a higher potential than the minus side 32, so that the voltage V between the plus side 30 and the minus side 32 is positive.
  • a positive voltage is used in this case.
  • the minus side 32 is at a higher potential than the plus side 30. This situation can occur, for example, in the event of a lightning strike in the direct current network 10.
  • the voltage V is negative and in the context of this invention it is referred to as a negative voltage.
  • the protective path 34 is now designed such that it provides two different protective levels, namely a positive protective level V p and a negative protective level V n .
  • "Different" in this case means different amounts.
  • the positive protection level V p relates to positive voltages V and the negative protection level V n relates to negative voltages V.
  • the positive protection level V p and the negative protection level V n define the operating range of the direct current circuit 16 by: -V n ⁇ V ⁇ V p .
  • the positive protection level V p is greater than 100 V, for example 400 V
  • the negative protection level V n is less than 100 V, for example 80 V, so that a safe operating range of -80 V to 400 V results. It is of course also conceivable that the positive protection level V p is greater than 400 V and the negative protection level V n is less than 80 V.
  • the direct current circuit 16 is reliably protected against current surges with both positive voltage and negative voltage, the different sensitivities of direct current circuit 16 to negative and positive voltage being taken into account.
  • FIGS. 2 to 5 further embodiments of the direct current network 10, the direct current circuit arrangement 14 and the overvoltage protection device 18 are shown and described, which essentially correspond to the first embodiment according to FIG. in the In the following, therefore, only the differences will be discussed and parts that are the same and functionally the same are provided with the same reference symbols.
  • the direct current circuit 16 is an inverter 38.
  • the protective path 34 has a dissipative component 40 and a control 42 for the dissipative component 40.
  • the diverting component 40 can be loaded with current impulses, in particular with a symmetrical protection level for positive and negative voltages.
  • the dissipating component 40 is a gas discharge tube, a spark gap or a varistor.
  • Controls 42 for dissipative components 40 are well known.
  • control 42 has a switching element 44, a diode 45 and a control unit 46 which is set up to control the switching element 44.
  • the dissipative component 40 is connected directly to the plus side 30 and by means of the switching element 44 and the diode 45 to the minus side 32.
  • the diode 45 and the switching element 44 are arranged in parallel.
  • the anode of the diode 45 is connected to the negative side 32 and its cathode is connected to the dissipating component 40.
  • the switching element 44 is, for example, an IGBT (bipolar transistor with an insulated gate electrode), a thyristor and / or a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor).
  • IGBT bipolar transistor with an insulated gate electrode
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field-effect transistor
  • control unit 46 is connected to the switching element 44, for example to the gate electrode of the switching element 44, and to the plus side 30 and the minus side 32 for measuring the voltage V.
  • the control unit 46 measures the voltage V continuously or at regular intervals. If the voltage V measured by the control unit 46 is positive and its magnitude is above the positive protective level V p , the control unit 46 switches the switching element 44 in order to reduce the voltage V via the diverting component 40.
  • the positive protection level V p is thus stored in the control unit 46 as a threshold value and can be adapted to the direct current circuit 16.
  • the negative protection level V n is provided by the forward voltage of the diode 45. If the voltage V is negative and the amount of the voltage V is above the negative protection level V n , the diode 45 becomes conductive and releases the dissipating component 40. The negative voltage is then reduced via the diode 45 and the dissipating component 40.
  • switching element 44 and the diode 45 are arranged between the dissipative component 40 and the plus side 30, as shown in dashed lines in FIG.
  • a further switching element 47 is used that is switched by the control unit 46.
  • the further switching element 47 can be designed like the switching element 44, but be anti-parallel.
  • the control unit 46 switches the further switching element 47 in order to reduce the voltage V via the diverting component 40 if the voltage V measured by the control unit 46 is negative and its magnitude is above the negative protection level V n .
  • both the positive and the negative protection level V p , V n can be stored as threshold values in the control unit 46.
  • the DC circuit 16 is a DC voltage converter 48, which is shown schematically.
  • the DC voltage converter 48 has a half-bridge circuit 50 with two substrate or freewheeling diodes 52, which define a freewheeling voltage VF of the DC voltage converter 48 or the DC circuit 16.
  • the direct current circuits 16 all shown exemplary embodiments or all direct current circuits 16 have a freewheeling voltage V F.
  • a negative voltage with an amount greater than the freewheeling voltage VF leads to damage to the direct current circuit 16, in particular at high voltages.
  • the negative voltage level V n is therefore always selected to be smaller than the freewheeling voltage VF.
  • the protective path 34 has a unipolar suppressor diode 54, the cathode of which is connected to the positive side 30 and the anode of which is connected to the negative side 32.
  • the forward voltage of the unipolar suppressor diode 54 represents the negative protective level V n and the breakdown voltage of the unipolar suppressor diode 54 represents the positive protective level V p .
  • the protective path 34 is completely passive in this third embodiment, since no switching or active components are required. In particular, the protective section 34 contains only one or more unipolar suppressor diodes 54.
  • the protective path 34 has two branches running in parallel, namely a positively dissipating branch 56 and a negatively dissipating branch 58.
  • the positive dissipating branch 56 is used to dissipate the voltage V if the voltage V is positive
  • the negative dissipating branch 58 is used to dissipate the voltage V if the voltage V is negative.
  • the positive dissipative branch 56 has, for example, only a first passive dissipative component 60, which can be loaded with current impulses and has a high breakdown voltage which forms the positive protection level V p .
  • the breakdown voltage of the first passive dissipative component 60 or of the positive dissipative branch 56 can also be symmetrical.
  • the negative dissipative branch 58 is asymmetrical. This means that the breakdown voltage of the negative dissipating branch 58 for positive voltages is above the breakdown voltage of the positive dissipating branch 56. The forward voltage for negative voltages of the negative dissipating branch 58 is, however, significantly lower and represents the protection level V n .
  • the forward voltage for negative voltages and thus the negative protection level V n is lower than the free-wheeling voltage VF of the direct current circuit 16 and also less than the symmetrical breakdown voltage of the positive dissipating branch 56.
  • FIGS. 5a, 5b and 5c various configurations of the outgoing branches 56, 58 are shown, the combinations of the configurations of the outgoing branches 56, 58 being merely exemplary.
  • diverting branches 56, 58 can be combined with one another in any combination in order to form the protective path 34.
  • the first passive dissipative component 60 is a varistor 62.
  • the negative dissipating branch 58 has a switchable component 64 and the overvoltage protection device 18 has a control unit 66 which forms a control 65 for the switchable component 64.
  • the switchable component 64 has a high breakdown voltage for positive voltages and, in particular, can withstand current impulses.
  • the negative dissipative branch 58 in particular only has the switchable component 64.
  • the switchable component 64 is, for example, an IGBT, a thyristor or a MOSFET.
  • control unit 66 is connected to the plus side 30, the minus side 32 and, for control, also to the switchable component 64.
  • the control unit 66 measures the voltage V continuously or at regular intervals, and as soon as the voltage V is negative and its magnitude is above the negative protection level V n , the control unit 66 switches the switchable component 64, so that the voltage V via the negative dissipative branch 58 is dismantled.
  • the first passive dissipative component 60 is a gas discharge tube 63.
  • the negative dissipative branch 58 does not have a switchable component 64, but is designed to be completely passive.
  • the negative dissipative branch 58 thus has a second passive dissipative component 68.
  • the entire protective path 34 is therefore passive.
  • the second passive dissipative component 68 can also be loaded with impulses.
  • the numerical word “second” is used here in order to distinguish itself from the first passive dissipative component 60. The use does not imply that the negative dissipative branch 58 also includes a first passive dissipative component.
  • the second passive dissipative component 68 is a diode 70 whose cathode is connected to the plus side 30 and its anode to the minus side 32.
  • the first passive dissipative component 60 is a spark gap 72.
  • the second passive dissipative component 68 comprises a plurality of diodes 74 connected in series.
  • any number of diodes 74 may of course be used to achieve the desired breakdown voltage and / or forward voltage.
  • FIGS. 6a and 6b A fifth embodiment is shown in FIGS. 6a and 6b.
  • the direct current network 10 is not a unipolar direct current network, but a multipolar direct current network, here a bipolar direct current network.
  • the direct current source 12 in this embodiment is also a multipolar direct current source 12, here a bipolar direct current source.
  • the other components of the direct current network 10 are also multi-pole, in particular the direct current circuit arrangement 14, the direct current circuit 16 and the overvoltage protection device 18.
  • the direct current source 12 has, in addition to the first pole 21 and the second pole 23, a third pole 76.
  • the first pole 21 is L +, the second pole as L and the third pole 76 as M.
  • the third pole 76 can also be referred to as a common zero pole.
  • the regular operating voltage between the first pole 21 and the third pole 76 can be 400 V and between the third pole 76 and the second pole 23 can also be 400 V (see FIG. 6b).
  • the first pole 21 and the second pole 23 then have a potential difference of 800 V.
  • the direct current circuit 16 accordingly has three current inputs or current outputs 26, 27, 80.
  • the overvoltage protection device 18 has two protective sections 34 and three sides, namely a third side 78 in addition to the plus side 30 and the minus side 32.
  • the first protective section 34 is provided between the plus side 30 and the third side 78 and the second protective section 34 is provided between the minus side 32 and the third side 78.
  • the protective paths 34 of this fifth embodiment can be designed in accordance with the preceding embodiments.
  • the protective sections 34 correspond to the protective sections of the embodiment according to FIG. 5b.
  • all other embodiments are also conceivable.
  • the mode of operation of the protective sections 34 of the fifth embodiment is the same as that of the protective section 34 of the previous embodiments.
  • the third side 78 corresponds to the minus side of the previous embodiments and for the second protected section 34, the third side 78 corresponds to the plus side.
  • direct current circuits 16 can also be reliably protected in multipolar direct current networks 10.

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Abstract

Eine asymmetrische Überspannungsschutzvorrichtung für eine Gleichstromschaltung (16) hat eine Minusseite (32), die mit einem Stromausgang (28) der Gleichstromschaltung (16) verbindbar ist, eine Plusseite (30), die mit einem Stromeingang (26) der Gleichstromschaltung (16) verbindbar ist, und eine asymmetrische Schutzstrecke (34). Die asymmetrische Schutzstrecke (34) weist einen positiven Schutzpegel (Vp) für eine positive Spannung (V) zwischen der Plusseite (30) und der Minusseite (32) und einen negativen Schutzpegel (Vn) für eine negative Spannung (V) zwischen der Plusseite (30) und der Minusseite (32) auf, wobei sich der positive Schutzpegel (Vp) vom negativen Schutzpegel (Vn) unterscheidet. Ferner sind eine Gleichstromschaltungsanordnung (14) und ein Gleichstromnetz (10) gezeigt.

Description

Asymmetrische Überspannungsschutzvorrichtung,
Gleichstromschaltungsanordnung sowie Gleichstromnetz
Die Erfindung betrifft eine asymmetrische Überspannungsschutzvorrichtung, eine Gleichstromschaltungsanordnung sowie ein Gleichstromnetz.
Überspannungsschutz für Stromnetze bzw. Verbraucher sind notwendig, um in Ausnahmefällen, wie Blitzeinschlägen, Schäden an den Verbrauchern oder Schaltungen zu verhindern.
Für Gleichstromkreise und Gleichstromschaltungen bzw. elektronische Geräte für Gleichstromnetze existiert kein wirksamer Überspannungsschutz, insbesondere wenn die Gleichstromschaltung bzw. das Gerät keinen Verpolungsschutz, wie eine Verpolungsschutzdiode aufweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Überspannungsschutzvorrichtung, eine Gleichstromschaltungsanordnung sowie ein Gleichstromnetz bereitzustellen, bei dem Beschädigungen durch Überspannungen wirksam verhindert werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine asymmetrische Überspannungsschutzvorrichtung für eine einen Stromeingang und einen Stromausgang aufweisende Gleichstromschaltung, mit einer Minusseite, die mit dem Stromausgang der Gleichstromschaltung verbindbar ist, einer Plusseite, die mit dem Stromeingang der Gleichstromschaltung verbindbar ist, und einer asymmetrischen Schutzstrecke. Die asymmetrische Schutzstrecke weist einen positiven Schutzpegel für eine positive Spannung zwischen der Plusseite und der Minusseite und einen negativen Schutzpegel für eine negative Spannung zwischen der Plusseite und der Minusseite auf, wobei sich der positive Schutzpegel vom negativen Schutzpegel unterscheidet.
Dadurch, dass der positive Schutzpegel und der negative Schutzpegel unterschiedlich sind, kann der Überspannungsschutz asymmetrisch ausgeführt werden. Auf diese Weise können positive und negative Überspannungen getrennt behandelt werden, wodurch der Asymmetrie der Gleichstromschaltung bzw. des elektrischen Geräts und damit der asymmetrischen Empfindlichkeit für Überspannungen Rechnung getragen wird.
Der negative Schutzpegel kann kleiner als die negative Freilaufspannung der Gleichstromschaltung sein.
Zum Beispiel hat die Gleichstromschaltung hat keinen Verpolungsschutz.
Die Plusseite wird bei unipolarem Gleichstrom auch „DC-Plus“ oder „L+“ genannt. Entsprechend wird die Minusseite bei unipolarem Gleichstrom auch„DC- Minus“ oder„L-“ genannt.
Beispielsweise weist die Schutzstrecke ein ableitendes Bauteil und die Überspannungsschutzvorrichtung eine Ansteuerung für die Schutzstrecke auf, wobei die Ansteuerung derart ausgebildet ist, dass sie das ableitende Bauteil entsprechend freigibt, wenn die Spannung zwischen der Plusseite und der Minusseite positiv ist sowie der Betrag der Spannung oberhalb des positiven Schutzpegels liegt oder wenn die Spannung negativ ist und der Betrag der Spannung oberhalb des negativen Schutzpegels liegt. Durch die Ansteuerung ist es möglich, die Schutzpegel flexibel anzupassen.
Das ableitende Bauteil ist insbesondere stoßstrombelastbar.
Um eine zuverlässige Überspannungsschutzvorrichtung zu realisieren, kann das ableitende Bauteil eine Funkenstrecke, einen Gasableiter, einen Varistor, einen Thyristor, einen IGBT und/oder einen MOSFET aufweisen und/oder die Ansteuerung kann wenigstens eine Diode, einen IGBT, einen Thyristor und/oder einen MOSFET aufweisen.
In einer Ausführungsform weist die Schutzstrecke einen positiv ableitenden Zweig zum Abbau einer positiven Spannung und einen negativ ableitenden Zweig zum Abbau einer negativen Spannung auf, insbesondere wobei die Zweige parallel sind. Auf diese kann der Aufbau der Schutzstrecke mittels einfacher Bauteile realisiert werden. Für eine effiziente Ableitung, weist der positiv ableitende Zweig ein erstes passives ableitendes Bauteil auf, insbesondere einen Varistor, eine Funkenstrecke und/oder einen Gasableiter.
Der positiv ableitende Zweig kann vollständig passiv sein. Insbesondere ist das ableitende Bauteil stoßstrombelastbar.
Zum Beispiel ist die Durchbruchsspannung bzw. Schwellspannung des positiv ableitenden Bauteils der positive Schutzpegel.
In einer Ausgestaltung weist der negativ ableitende Zweig ein schaltbares Bauteil und die Überspannungsschutzvorrichtung eine Ansteuerung für das schaltbare Bauteil auf, insbesondere wobei das schaltbare Bauteil ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), ein Thyristor oder ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ist. Die Ansteuerung ist derart ausgebildet, dass sie das schaltbare Bauteil entsprechend schaltet, wenn die Spannung zwischen der Plusseite und der Minusseite negativ ist und der Betrag der Spannung oberhalb des negativen Schutzpegels liegt. Auf diese Weise lässt sich der negative Schutzpegel flexibel anpassen.
Zum Beispiel weist der negativ ableitende Zweig lediglich das schaltbare Bauteil auf. Denkbar ist jedoch auch, dass der negativ ableitende Zweig ein weiteres Bauteil wie eine Funkenstrecke, einen Gasableiter und/oder einen Varistor aufweist.
In einer Ausgestaltung weist der negativ ableitende Zweig wenigstens ein zweites passives ableitendes Bauteil auf, insbesondere wobei der negativ ableitende Zweig vollständig passiv ist, wodurch die Überspannungsschutzvorrichtung besonders einfach ausgeführt sein kann. Das zweite passive ableitende Bauteil ist zum Beispiel stoßstrombelastbar.
Die Durchlassspannung bzw. die Schleusenspannung des zweiten passiven ableitenden Bauteils für die negative Spannung kann der negative Schutzpegel sein. Insbesondere ist die Durchbruchspannung für die positive Spannung größer als der positive Schutzpegel.
Zum Beispiel weist die gesamte Schutzstrecke keine aktiven bzw. schaltenden Bauteile auf. Um die Überspannungsschutzvorrichtung weiter zu vereinfachen, kann das wenigstens eine zweite passive ableitende Bauteil eine Diode sein oder kann das zweite passive ableitende Bauteil mehrere in Reihe geschaltete Dioden sein.
Insbesondere ist die Diode bzw. sind die Dioden mit ihrer Kathode mit der Plusseite und mit ihrer bzw. ihren Anode(n) mit der Minusseite verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Schutzstrecke wenigstens eine unipolare Suppressordiode auf, die mit ihrer Kathode mit der Plusseite und mit ihrer Anode mit der Minusseite verbunden ist, insbesondere wobei die Schutzstrecke mehrere parallel geschaltete unipolare Suppressordioden aufweist. Auf diese Weise lässt sich die Schutzstrecke mit einem einzigen bzw. wenigen Bauteilen realisieren.
Zum Beispiel ist die Durchlassspannung der Suppressordiode(n) der negative Schutzpegel und die Durchbruchspannung ist der positive Schutzpegel.
In einer Ausführungsvariante ist der positive Schutzpegel größer als 100 V, insbesondere größer als 400 V, und/oder der negative Schutzpegel ist kleiner als 100 V ist, wodurch die Gleichstromschaltung zuverlässig geschützt ist.
Die Spannungsangaben beziehen sich dabei auf den Betrag der Spannung.
Um leistungsstarke Gleichstromschaltungen zu schützen, kann die Gleichstromschaltung ein Wandler sein, insbesondere ein Wechselrichter oder ein Gleichspannungswandler.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Gleichstromschaltungsanordnung mit einer Gleichstromschaltung, insbesondere einem Wandler, wie einem Wechselrichter oder einem Gleichspannungswandler, und einer asymmetrischen Überspannungsschutzvorrichtung wie zuvor beschrieben. Die Gleichstromschaltung weist einen Stromeingang und einen Stromausgang auf, und die Plusseite der Überspannungsschutzvorrichtung ist mit dem Stromeingang und die Minusseite der Überspannungsschutzvorrichtung ist mit dem Stromausgang elektrisch verbunden.
Die zur Überspannungsschutzvorrichtung diskutieren Merkmale und Vorteile gelten gleichermaßen für die Gleichstromschaltungsanordnung und umgekehrt. Insbesondere hat die Gleichstromschaltung keinen Verpolungsschutz.
Um die Gleichstromschaltung sicher schützen zu können, kann die Gleichstromschaltungsanordnung einen Gleichstromanschluss aufweisen, wobei die Überspannungsschutzvorrichtung zwischen dem Gleichstromanschluss und der Gleichstromschaltung angeordnet ist.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Gleichstromnetz mit einer Gleichstromschaltungsanordnung wie zuvor beschrieben und einer Gleichstromquelle mit einem Pluspol und einem Minuspol. Der Pluspol ist mit der Plusseite der Überspannungsschutzvorrichtung und der Minuspol ist mit der Minusseite der Überspannungsschutzvorrichtung elektrisch verbunden.
Die zur Überspannungsschutzvorrichtung und zur
Gleichstromschaltungsanordnung diskutieren Merkmale und Vorteile gelten gleichermaßen für das Gleichstromnetz und umgekehrt.
Das Gleichstromnetz ist zum Beispiel ein Gleichstromnetz in einem Gebäude. Beispielsweise ist die Überspannungsschutzvorrichtung zwischen der Gleichstromquelle und der Gleichstromschaltung angeordnet, um die Gleichstromschaltung zuverlässig zu schützen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gleichstromnetzes mit einer erfindungsgemäßen Gleichstromschaltungsanordnung, die eine erfindungsgemäße asymmetrische Überspannungsschutzvorrichtung aufweist,
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung, einer erfindungsgemäßen Gleichstromschaltungsanordnung und eines erfindungsgemäßen Stromnetzes,
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung, einer erfindungsgemäßen Gleichstromschaltungsanordnung und eines erfindungsgemäßen Stromnetzes,
Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung, einer erfindungsgemäßen Gleichstromschaltungsanordnung und eines erfindungsgemäßen Stromnetzes, die Figuren 5a bis 5c verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung gemäß Figur 4 in einem Blockschaltbild, und
Figur 6a ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung, einer erfindungsgemäßen Gleichstromschaltungsanordnung und eines erfindungsgemäßen Stromnetzes, und
Figur 6b ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführung der Überspannungsschutzvorrichtung gemäß Figur 6a.
In Figur 1 ist ein Gleichstromnetz 10 mit einer Gleichstromquelle 12 und einer Gleichstromschaltungsanordnung 14 dargestellt, die eine Gleichstromschaltung 16 sowie eine erfindungsgemäße asymmetrische Überspannungsschutz vorrichtung 18 aufweist. Das Gleichstromnetz 10 ist beispielsweise ein Gleichstromnetz eines Gebäudes, einer Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge oder ein sonstiges Gleichstromnetz. Zum Beispiel ist das Gleichstromnetz 10 unipolar.
Die Gleichstromschaltung 16 kann ein Wandler 20 sein oder aber auch jede andere Gleichstromschaltung, beispielsweise ein Verbraucher. Die Gleichstromquelle 12 kann eine beliebige Gleichstromquelle sein, worunter im Rahmen dieser Erfindung auch Anschlüsse an ein übergeordnetes Stromnetz fallen. Entsprechend weist die Gleichstromquelle 12 einen ersten Pol 21 , im beschriebenen Fall einer unipolaren Gleichstromquelle 12 der Pluspol 22, und einen zweiten Pol 23, in diesem Fall der Minuspol 24 auf. Im Folgenden wird zur Vereinfachung nur von Pluspol 22 und Minuspol 24 gesprochen, wobei damit selbstverständlich allgemein der erste Pol 21 und der zweite Pol 23 ebenfalls gemeint sind.
Die Gleichstromschaltung 16 wird mittels des Stroms der Gleichstromquelle 12 betrieben und weist entsprechend einen Stromeingang 26 und einen Stromausgang 28 auf.
Die Gleichstromschaltung 16 hat insbesondere keinen Verpolungsschutz.
Die Überspannungsschutzvorrichtung 18 hat eine Plusseite 30, eine Minusseite 32 sowie eine Schutzstrecke 34.
Innerhalb der Überspannungsschutzvorrichtung 18 sind die Plusseite 30 und die Minusseite 32 mittels der Schutzstrecke 34 miteinander verbunden.
Die Plusseite 30 und die Minusseite 32 werden jeweils durch eine Leitung gebildet, die den Pluspol 22 der Gleichstromquelle 12 mit dem Stromeingang 26 der Gleichstromschaltung 16 bzw. den Stromausgang 28 der Gleichstromschaltung 16 mit dem Minuspol 24 der Gleichstromquelle 12 elektrisch verbinden.
Die Überspannungsschutzvorrichtung 18 ist somit zwischen der Gleichstromquelle 12 und der Gleichstromschaltung 16 angeordnet.
Anders ausgedrückt hat die Gleichstromschaltungsanordnung 14 einen Gleichstromanschluss 36, der mit der Gleichstromquelle 12 verbunden ist. Dabei ist die Überspannungsschutzvorrichtung 18 zwischen dem Gleichstromanschluss 36 und der Gleichstromschaltung 16 angeordnet.
Denkbar ist auch, dass die der Gleichstromquelle 12 zugewandten Anschlüsse der Plusseite 30 bzw. der Minusseite 32 den Gleichstromanschluss 36 der Gleichstromschaltungsanordnung 14 bilden.
Im regulären Betrieb des Gleichstromnetzes 10 stellt die Gleichstromquelle 12 eine positive Spannung bereit.
Dadurch liegt die Plusseite 30 der Überspannungsschutzvorrichtung 18 auf einem höheren Potenzial als die Minusseite 32, sodass die Spannung V zwischen der Plusseite 30 und der Minusseite 32 positiv ist. Im Rahmen dieser Erfindung wird in diesem Fall von einer positiven Spannung gesprochen. In Ausnahmefällen kann es dazu kommen, dass die Minusseite 32 auf einem höheren Potenzial liegt als die Plusseite 30. Diese Situation kann beispielsweise bei einem Blitzeinschlag in das Gleichstromnetz 10 auftreten. In diesem Fall ist die Spannung V negativ und es wird im Rahmen dieser Erfindung von einer negativen Spannung gesprochen.
Die Schutzstrecke 34 ist nun derart ausgebildet, dass sie zwei verschiedene Schutzpegel bereitstellt, nämlich einen positiven Schutzpegel Vp und einen negativen Schutzpegel Vn. „Verschieden“ bedeutet in diesem Falle unterschiedliche Beträge.
Der positive Schutzpegel Vp bezieht sich auf positive Spannungen V und der negative Schutzpegel Vn bezieht sich auf negative Spannungen V.
Dies bedeutet, dass positive Spannungen V oberhalb des positiven Schutzpegels Vp und negative Spannungen V, deren Betrag größer ist als der negative Schutzpegel Vn, über die Schutzstrecke 34 abgebaut werden.
Anders ausgedrückt definieren der positive Schutzpegel Vp und der negative Schutzpegel Vn den Betriebsbereich der Gleichstromschaltung 16 durch: -Vn < V < Vp.
Zum Beispiel ist der positive Schutzpegel Vp größer als 100 V, beispielsweise 400 V, und der negative Schutzpegel Vn ist kleiner als 100 V, beispielsweise 80 V, sodass sich ein sicherer Betriebsbereich von -80 V bis 400 V ergibt. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass der positive Schutzpegel Vp größer als 400 V und der negative Schutzpegel Vn kleiner als 80 V ist.
Auf diese Weise wird die Gleichstromschaltung 16 zuverlässig vor Stromstößen sowohl mit positiver Spannung als auch mit negativer Spannung geschützt, wobei die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Gleichstromschaltung 16 gegenüber negativer und positiver Spannung berücksichtigt sind.
In den Figuren 2 bis 5 werden weitere Ausführungsformen des Gleichstromnetzes 10, der Gleichstromschaltungsanordnung 14 bzw. der Überspannungsschutzvorrichtung 18 dargestellt und beschrieben, die im Wesentlichen der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 entsprechen. Im Folgenden wird daher lediglich auf die Unterschiede eingegangen und gleiche und funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist die Gleichstromschaltung 16 ein Wechselrichter 38.
Die Schutzstrecke 34 weist in dieser Ausführungsform ein ableitendes Bauteil 40 sowie eine Ansteuerung 42 für das ableitende Bauteil 40 auf.
Das ableitende Bauteil 40 ist stromstoßbelastbar, insbesondere mit einem symmetrischen Schutzpegel für positive und negative Spannungen. Beispielsweise ist das ableitende Bauteil 40 ein Gasableiter, eine Funkenstrecke oder ein Varistor.
Ansteuerungen 42 für ableitende Bauteile 40 sind hinlänglich bekannt.
Im gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel weist die Ansteuerung 42 ein Schaltelement 44, eine Diode 45 sowie eine Steuereinheit 46 auf, die dazu eingerichtet ist, das Schaltelement 44 zu steuern.
Das ableitende Bauteil 40 ist direkt mit der Plusseite 30 und mittels dem Schaltelement 44 und der Diode 45 mit der Minusseite 32 verbunden. Die Diode 45 und das Schaltelement 44 sind parallel angeordnet.
Die Diode 45 ist mit ihrer Anode mit der Minusseite 32 und mit ihrer Kathode mit dem ableitenden Bauteil 40 verbunden.
Das Schaltelement 44 ist beispielsweise ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode), ein Thyristor und/oder ein MOSFET (Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor).
Die Steuereinheit 46 ist zur Steuerung mit dem Schaltelement 44, beispielsweise mit der Gate-Elektrode des Schaltelementes 44, verbunden sowie mit der Plusseite 30 und der Minusseite 32 zur Messung der Spannung V.
Während des Betriebs misst die Steuereinheit 46 die Spannung V kontinuierlich bzw. in regelmäßigen Abständen. Ist die von der Steuereinheit 46 gemessene Spannung V positiv und liegt ihr Betrag oberhalb des positiven Schutzpegels Vp schaltet die Steuereinheit 46 das Schaltelement 44, um die Spannung V über das ableitende Bauteil 40 abzubauen. Der positive Schutzpegel Vp ist somit in der Steuereinheit 46 als Schwellwert hinterlegt und kann an die Gleichstromschaltung 16 angepasst werden.
Der negative Schutzpegel Vn wird durch die Durchlassspannung der Diode 45 bereitgestellt. Wenn die Spannung V negativ ist und der Betrag der Spannung V oberhalb des negativen Schutzpegels Vn liegt, so wird die Diode 45 leitend und gibt das ableitende Bauteil 40 frei. Die negative Spannung wird dann über die Diode 45 und das ableitende Bauteil 40 abgebaut.
Selbstverständlich ist es möglich, dass das Schaltelement 44 und die Diode 45 zwischen dem ableitenden Bauteil 40 und der Plusseite 30 angeordnet sind, wie in Figur 2 gestrichelt dargestellt ist.
Denkbar ist auch, dass anstelle der Diode 45 ein weiteres Schaltelement 47 verwendet wird, dass von der Steuereinheit 46 geschaltet wird. Das weitere Schaltelement 47 kann wie das Schaltelement 44 ausgebildet aber antiparallel sein. In diesem Fall schaltet die Steuereinheit 46 das weitere Schaltelement 47, um die Spannung V über das ableitende Bauteil 40 abzubauen, wenn die von der Steuereinheit 46 gemessene Spannung V negativ ist und ihr Betrag oberhalb des negativen Schutzpegels Vn liegt. Somit können sowohl der positive als auch der negative Schutzpegel Vp, Vn als Schwellwerte in der Steuereinheit 46 hinterlegt sein.
In der in Figur 3 gezeigten dritten Ausführungsform ist die Gleichstromschaltung 16 ein Gleichspannungswandler 48, der schematisch dargestellt ist.
Im gezeigten dritten Ausführungsbeispiel hat der Gleichspannungswandler 48 eine Halbbrückenschaltung 50 mit zwei Substrat- bzw. Freilaufdioden 52, die eine Freilaufspannung VF des Gleichspannungswandlers 48 bzw. der Gleichstromschaltung 16 definieren.
In gleicher Weise weisen die Gleichstromschaltungen 16 sämtliche gezeigte Ausführungsbeispiele bzw. alle Gleichstromschaltungen 16 eine Freilaufspannung VF auf. Eine negative Spannung mit einem Betrag größer als die Freilaufspannung VF führt zu einer Beschädigung der Gleichstromschaltung 16, insbesondere bei hohen Spannungen. Daher ist der negative Spannungspegel Vn stets kleiner gewählt als die Freilaufspannung VF.
In der dritten Ausführungsform gemäß Figur 3 weist die Schutzstrecke 34 eine unipolare Suppressordiode 54 auf, deren Kathode mit der Plusseite 30 und deren Anode mit der Minusseite 32 verbunden ist.
Denkbar ist auch, dass mehrere unipolare Suppressordioden 54 parallel geschaltet sind, wie in Figur 3 durch die gestrichelte Darstellung angedeutet ist.
Die Durchlassspannung der unipolaren Suppressordiode 54 stellt den negativen Schutzpegel Vn dar und die Durchbruchsspannung der unipolaren Suppressordiode 54 den positiven Schutzpegel Vp. Die Schutzstrecke 34 ist in dieser dritten Ausführungsform somit vollständig passiv, da keine schaltenden oder aktiven Bauteile benötigt werden. Insbesondere enthält die Schutzstrecke 34 ausschließlich eine oder mehrere unipolare Suppressordioden 54.
In der vierten Ausführungsform, die in Figur 4 gezeigt ist, hat die Schutzstrecke 34 zwei parallel verlaufende Zweige, nämlich einen positiv ableitenden Zweig 56 und einen negativ ableitenden Zweig 58.
Der positiv ableitende Zweig 56 dient zum Ableiten der Spannung V, sofern die Spannung V positiv ist, der negativ ableitende Zweig 58 dient zum Ableiten der Spannung V falls die Spannung V negativ ist.
In der vierten Ausführungsform weist der positiv ableitende Zweig 56 zum Beispiel lediglich ein erstes passives ableitendes Bauteil 60 auf, das stromstoßbelastbar ist und eine hohe Durchbruchsspannung hat, die den positiven Schutzpegel Vp bildet. Die Durchbruchsspannung des ersten passiven ableitenden Bauteils 60 bzw. des positiv ableitenden Zweigs 56 kann auch symmetrisch sein.
Der negativ ableitende Zweig 58 ist asymmetrisch ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Durchbruchsspannung des negativ ableitenden Zweigs 58 für positive Spannungen oberhalb der Durchbruchsspannung des positiven ableitenden Zweigs 56 liegt. Die Durchlassspannung für negative Spannungen des negativ ableitenden Zweigs 58 ist jedoch deutlich kleiner und stellt den Schutzpegel Vn dar.
Die Durchlassspannung für negative Spannungen und damit der negative Schutzpegel Vn ist kleiner als die Freilaufspannung VF der Gleichstromschaltung 16 und ebenfalls kleiner als die symmetrische Durchbruchsspannung des positiv ableitenden Zweigs 56.
In den Figuren 5a, 5b und 5c sind verschiedene Ausgestaltungen der ableitenden Zweige 56, 58 dargestellt, wobei die Kombinationen der Ausgestaltungen der ableitenden Zweige 56, 58 lediglich beispielhaft ist.
Selbstverständlich können die ableitenden Zweige 56, 58 in beliebigen Kombinationen miteinander kombiniert werden, um die Schutzstrecke 34 zu bilden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5a ist das erste passive ableitende Bauteil 60 ein Varistor 62.
Der negativ ableitende Zweig 58 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein schaltbares Bauteil 64 auf und die Überspannungsschutzvorrichtung 18 hat eine Steuereinheit 66, die eine Ansteuerung 65 für das schaltbare Bauteil 64 bildet.
Das schaltbare Bauteil 64 hat eine hohe Durchbruchsspannung für positive Spannungen und ist insbesondere stromstoßbelastbar. Der negativ ableitende Zweig 58 weist insbesondere lediglich das schaltbare Bauteil 64 auf.
Das schaltbare Bauteil 64 ist beispielsweise ein IGBT, ein Thyristor oder ein MOSFET.
Ähnlich zur Ansteuerung 42 ist die Steuereinheit 66 mit der Plusseite 30, der Minusseite 32 und zur Steuerung auch mit dem schaltbaren Bauteil 64 verbunden.
Die Steuereinheit 66 misst die Spannung V kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen, und sobald die Spannung V negativ und vom Betrag her oberhalb des negativen Schutzpegels Vn ist, schaltet die Steuereinheit 66 das schaltbare Bauteil 64, sodass die Spannung V über den negativ ableitenden Zweig 58 abgebaut wird.
In der in Figur 5b gezeigten Ausführungsform ist das erste passive ableitende Bauteil 60 ein Gasableiter 63.
Der negativ ableitende Zweig 58 weist in dieser Ausführungsform kein schaltbares Bauteil 64 auf, sondern ist vollständig passiv ausgebildet. Der negativ ableitende Zweig 58 hat also ein zweites passives ableitendes Bauteil 68. Somit ist die gesamte Schutzstrecke 34 passiv. Das zweite passive ableitende Bauteil 68 ist ebenfalls stoßstrombelastbar.
Hierbei wird das Zahlwort„zweites“ verwendet, um sich vom ersten passiven ableitenden Bauteil 60 abzugrenzen. Die Verwendung impliziert nicht, dass der negativ ableitende Zweig 58 auch ein erstes passives ableitendes Bauteil umfasst.
Im in Figur 5b gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zweite passive ableitende Bauteil 68 eine Diode 70, die mit ihrer Kathode mit der Plusseite 30 und ihrer Anode mit der Minusseite 32 verbunden ist.
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 5c, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5b entspricht, ist das erste passive ableitende Bauteil 60 eine Funkenstrecke 72.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das zweite passive ableitende Bauteil 68 mehrere Dioden 74, die in Reihe geschaltet sind.
Obwohl in Figur 5c drei Dioden 74 gezeigt sind, kann selbstverständlich eine beliebige Anzahl an Dioden 74 verwendet werden, um die gewünschte Durchbruchspannung und/oder Durchlassspannung zu erreichen.
In den Figuren 6a und 6b ist eine fünfte Ausführungsform dargestellt. In dieser fünften Ausführungsform ist das Gleichstromnetz 10 kein unipolares Gleichstromnetz, sondern ein mehrpolares Gleichstromnetz, hier ein bipolares Gleichstromnetz.
Dementsprechend ist die Gleichstromquelle 12 in dieser Ausführungsform ebenfalls eine mehrpolare Gleichstromquelle 12, hier eine bipolare Gleichstromquelle.
Gleichermaßen sind auch die übrigen Komponenten des Gleichstromnetzes 10 mehrpolig ausgeführt, insbesondere die Gleichstromschaltungsanordnung 14, die Gleichstromschaltung 16 und die Überspannungsschutzvorrichtung 18.
Die Funktionsweise wird im Folgenden anhand eines bipolaren Gleichstromnetzes beschrieben, lässt sich aber selbstverständlich auch auf Gleichstromnetze mit mehr als drei Polen erweitern.
Die Gleichstromquelle 12 hat neben dem ersten Pol 21 und dem zweiten Pol 23 einen dritten Pol 76. Zum Beispiel wird der erste Pol 21 als L+, der zweite Pol als L- und der dritte Pol 76 als M bezeichnet. Der dritte Pol 76 kann auch als gemeinsamer Nullpol bezeichnet werden.
Die reguläre Betriebsspannung zwischen dem ersten Pol 21 und dem dritten Pol 76 kann 400 V und zwischen dem dritten Pol 76 und dem zweiten Pol 23 ebenfalls 400 V betragen (vgl. Fig. 6b). Der erste Pol 21 und der zweite Pol 23 haben dann eine Potentialdifferenz von 800 V.
Die Gleichstromschaltung 16 hat dementsprechend drei Stromeingänge bzw. Stromausgänge 26, 27, 80.
Die Überspannungsschutzvorrichtung 18 hat in dieser Ausführungsform zwei Schutzstrecken 34 und drei Seiten, nämlich eine dritte Seite 78 zusätzlich zu der Plusseite 30 und der Minusseite 32.
Die erste Schutzstrecke 34 ist zwischen der Plusseite 30 und der dritten Seite 78 und die zweit Schutzstrecke 34 ist zwischen der Minusseite 32 und der dritten Seite 78 vorgesehen.
Die Schutzstrecken 34 dieser fünften Ausführungsform können entsprechend der vorhergehenden Ausführungsformen ausgebildet sein.
Im in Figur 6b gezeigten Beispiel entsprechen die Schutzstrecken 34 der Schutzstrecke der Ausführungsform gemäß Figur 5b. Denkbar sind jedoch auch alle anderen Ausführungsformen.
Entsprechend ist auch die Funktionsweise der Schutzstrecken 34 der fünften Ausführungsform die gleiche wie die der Schutzstrecke 34 der vorhergehenden Ausführungsformen. Für die erste Schutzstrecke 34 entspricht die dritte Seite 78 der Minusseite der vorherigen Ausführungsformen und für die zweite Schutzstrecke 34 entspricht die dritte Seite 78 der Plusseite.
Auf diese Weise lassen sich Gleichstromschaltungen 16 auch in mehrpolaren Gleichstromnetzen 10 zuverlässig schützen.

Claims

Patentansprüche
1. Asymmetrische Überspannungsschutzvorrichtung für eine einen Stromeingang (26) und einen Stromausgang (28) aufweisende Gleichstromschaltung (16), mit einer Minusseite (32), die mit dem Stromausgang (28) der Gleichstromschaltung (16) verbindbar ist, einer Plusseite (30), die mit dem
Stromeingang (26) der Gleichstromschaltung (16) verbindbar ist, und einer asymmetrischen Schutzstrecke (34), wobei die asymmetrische Schutzstrecke (34) einen positiven Schutzpegel (Vp) für eine positive Spannung (V) zwischen der Plusseite (30) und der Minusseite (32) und einen negativen Schutzpegel (Vn) für eine negative Spannung (V) zwischen der Plusseite (30) und der Minusseite (32) aufweist, wobei sich der positive Schutzpegel (Vp) vom negativen Schutzpegel (Vn) unterscheidet.
2. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzstrecke (34) ein ableitendes Bauteil (40) und die Überspannungsschutzvorrichtung (18) eine Ansteuerung (42) für die Schutzstrecke (34) aufweist, wobei die Ansteuerung (42) derart ausgebildet ist, dass sie das ableitende Bauteil (40) entsprechend freigibt, wenn die Spannung (V) zwischen der Plusseite (30) und der Minusseite (32) positiv ist sowie der Betrag der Spannung (V) oberhalb des positiven Schutzpegels (Vp) liegt oder wenn die Spannung (V) negativ ist und der Betrag der Spannung (V) oberhalb des negativen Schutzpegels (Vn) liegt.
3. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ableitende Bauteil (40) eine Funkenstrecke, ein Gasableiter und/oder einen Varistor aufweist und/oder dass die Ansteuerung (42) wenigstens eine Diode (45), einen IGBT, einen Thyristor und/oder einen MOSFET aufweist.
4. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzstrecke (34) einen positiv ableitenden Zweig (56) zum Abbau einer positiven Spannung (V) und einen negativ ableitenden Zweig (58) zum Abbau einer negativen Spannung (V) aufweist, insbesondere wobei die Zweige (56, 58) parallel sind.
5. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der positiv ableitende Zweig (56) ein erstes passives ableitendes Bauteil (60) aufweist, insbesondere einen Varistor (62), eine Funkenstrecke (72) und/oder einen Gasableiter (63), insbesondere wobei der positiv ableitende Zweig (56) vollständig passiv ist.
6. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der negativ ableitende Zweig (58) ein schaltbares Bauteil (64) und die Überspannungsschutzvorrichtung (18) eine Ansteuerung (65) für das schaltbare Bauteil (64) aufweist, insbesondere wobei das schaltbare Bauteil ein IGBT, ein Thyristor oder ein MOSFET ist, wobei die Ansteuerung (65) derart ausgebildet ist, dass sie das schaltbare Bauteil (64) entsprechend schaltet, wenn die Spannung (V) zwischen der Plusseite (30) und der Minusseite (32) negativ ist und der Betrag der Spannung (V) oberhalb des negativen Schutzpegels (Vn) liegt.
7. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der negativ ableitende Zweig (58) wenigstens ein zweites passives ableitendes Bauteil (68) aufweist, insbesondere wobei der negativ ableitende Zweig (58) vollständig passiv ist.
8. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zweite passive ableitende Bauteil (68) eine Diode (70) ist oder dass das zweite passive ableitende Bauteil (68) mehrere in Reihe geschaltete Dioden (74) umfasst.
9. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzstrecke (34) wenigstens eine unipolare Suppressordiode (54) aufweist, die mit ihrer Kathode mit der Plusseite (30) und mit ihrer Anode mit der Minusseite (32) verbunden ist, insbesondere wobei die Schutzstrecke (34) mehrere parallel geschaltete unipolare Suppressordioden (54) aufweist.
10. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Schutzpegel (Vp) größer als 100 V, insbesondere größer als 400 V ist, und/oder der negative Schutzpegel (Vn) kleiner als 100 V ist.
11. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromschaltung (16) ein Wandler (20) ist, insbesondere ein Wechselrichter (38) oder ein Gleichspannungswandler (48).
12. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzvorrichtung (18) wenigstens eine dritte Seite (78) und wenigstens zwei Schutzstrecken (34) aufweist, die je zwei der Seiten (30, 32, 78) der Überspannungsschutzvorrichtung (18) miteinander verbinden.
13. Gleichstromschaltungsanordnung mit einer Gleichstromschaltung (16), insbesondere einen Wandler (20), wie einem Wechselrichter (38) oder einem Gleichspannungswandler (48), und einer asymmetrischen Überspannungsschutzvorrichtung (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichstromschaltung (16) einen Stromeingang (26) und einen Stromausgang (28) aufweist, und wobei die Plusseite (30) der Überspannungsschutzvorrichtung (18) mit dem Stromeingang (26) und die Minusseite (32) der Überspannungsschutzvorrichtung (18) mit dem Stromausgang (28) elektrisch verbunden ist.
14. Gleichstromschaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromschaltungsanordnung (14) einen Gleichstromanschluss (36) aufweist, wobei die Überspannungsschutzvorrichtung (18) zwischen dem Gleichstromanschluss (36) und der Gleichstromschaltung (16) angeordnet ist.
15. Gleichstromnetz mit einer Gleichstromschaltungsanordnung (14) nach
Anspruch 13 oder 14 und einer Gleichstromquelle (12) mit einem ersten Pol (21) und einem zweiten Pol (23), wobei der erste Pol (21) mit der Plusseite (30) der Überspannungsschutzvorrichtung (18) und der zweite Pol (23) mit der Minusseite (32) der Überspannungsschutzvorrichtung (18) elektrisch verbunden ist.
16. Gleichstromnetz nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gleichstromquelle (12) eine mehrpolare Gleichstromquelle mit wenigstens einem dritten Pol (76) ist, wobei die wenigstens eine dritte Seite (78) der Überspannungsschutzvorrichtung (18) mit dem dritten Pol (76) verbunden ist.
17. Gleichstromnetz nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzvorrichtung (18) zwischen der Gleichstromquelle (12) und der Gleichstromschaltung (16) angeordnet ist.
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