EP4649590A1 - Elektronische unterbrechungseinheit - Google Patents

Elektronische unterbrechungseinheit

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Publication number
EP4649590A1
EP4649590A1 EP24710650.3A EP24710650A EP4649590A1 EP 4649590 A1 EP4649590 A1 EP 4649590A1 EP 24710650 A EP24710650 A EP 24710650A EP 4649590 A1 EP4649590 A1 EP 4649590A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
terminal
interruption unit
transistor
circuit
electronic interruption
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
EP24710650.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominic Malane
Alexander Joeckel
Hauke NANNEN
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4649590A1 publication Critical patent/EP4649590A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/6871—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor
    • H03K17/6874—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor in a symmetrical configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0814—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
    • H03K17/08142—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches

Definitions

  • the invention relates to an electronic interruption unit for interrupting a current flow.
  • low voltage means voltages of up to 1000 volts AC or up to 1500 volts DC.
  • Low voltage means in particular voltages that are higher than the extra-low voltage, with values of 50 volts AC or 120 volts DC.
  • Low-voltage circuits, networks or systems refer to circuits with nominal or rated currents of up to 125 amps, more specifically up to 63 amps.
  • Low-voltage circuits refer in particular to circuits with nominal or rated currents of up to 40 amps, 32 amps, 25 amps, 16 amps or 10 amps.
  • the current values mentioned refer in particular to nominal, rated and/or breaking currents, i.e. the maximum current that is normally carried through the circuit or at which the electrical circuit is usually interrupted, for example by a protective device such as a protective switching device, circuit breaker or circuit breaker.
  • Circuit breakers have long been known as overcurrent protection devices that are used in low-voltage circuits in electrical installation technology.
  • a circuit breaker can automatically switch off the circuit in the event of an overload and/or short circuit.
  • a circuit breaker is generally a non-automatic resetting fuse element and usually has a mounting option for attachment to a so-called top hat rail (mounting rail, DIN rail, TH35).
  • circuit breakers are electromechanical in design. They have a mechanical switching contact or shunt release in a housing to interrupt (trip) the electrical current.
  • a bimetal protective element or bimetal element is usually used to trip (interrupt) in the event of a prolonged overcurrent (overcurrent protection) or thermal overload (overload protection).
  • An electromagnetic release with a coil is used for brief tripping when an overcurrent limit is exceeded or in the event of a short circuit (short-circuit protection).
  • One or more arc quenching chamber(s) or devices for arc quenching are provided, as well as connection elements for conductors of the electrical circuit to be protected.
  • Circuit breakers with an electronic interruption unit are a relatively new development. They have a semiconductor-based electronic interruption unit. This means that the electrical current flow in the low-voltage circuit is guided via semiconductor components or semiconductor switches, which interrupt the electrical current flow or can be switched to conduct.
  • circuit breaker refers not only to circuit breakers, but generally to switches with a protective function, e.g. circuit breakers.
  • circuit breakers In contrast to circuit breakers, low-voltage circuit breakers are designed for currents greater than 125 A, sometimes even as low as 63 amps.
  • circuit breaker does not only refer to classic low-voltage switches in the energy supply sector.
  • the invention described below can also be used in motor starters with short-circuit protection, other switches in industrial environments or in medium-voltage circuit breakers with a protective function.
  • Protective switching devices with an electronic interruption unit often have a mechanical isolating contact system, in particular with isolating properties in accordance with relevant standards for low-voltage circuits, whereby the contacts of the mechanical isolating contact system are connected in series with the electronic interruption unit, i.e. the current of the low-voltage circuit to be protected is conducted via both the mechanical isolating contact system and the electronic interruption unit.
  • the switching energy does not have to be converted into an arc as with a mechanical switching device, but into heat by means of an additional circuit, the energy absorber.
  • the switching energy includes the energy stored in the circuit, i.e. in the mains, line or load impedances (consumer impedances).
  • the current that flows at the moment of switching off must be as low as possible. This also applies in the case of a short circuit. Here the current increases very quickly.
  • Fast short-circuit detection means that a short circuit can be detected early and too high a short-circuit current can be avoided.
  • the semiconductor-based protective switching device interrupts the circuit in the sense of a switching process almost immediately, within ps. There are no high currents and the load on the energy absorber of a semiconductor-based protective switching device is reduced. Known short-circuit detection or shutdown criteria are usually based on the determination and evaluation of the actual current value.
  • the invention aims to improve the properties of an electronic interruption unit with energy absorber .
  • An electronic interruption unit for interrupting a current flow is proposed.
  • This is formed with at least one transistor with a source connection, a control connection and a sink connection.
  • the source connection can be a source connection or an emitter connection, the control connection a gate connection or a base connection and the sink connection a drain connection or a collector connection.
  • the transistor can be a BJT (bipolar junction transistor) with base, collector and emitter, a field effect transistor such as a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) with gate, source and drain or an IGBT (insulated-gate bipolar transistor) with gate, collector and emitter.
  • At least one driver can be provided which is connected to the control connection of the at least one transistor for controlling or switching it.
  • the electronic interruption unit is formed with at least one TVS diode, which is connected in parallel to the at least one transistor.
  • a series circuit of several TVS diodes is provided in parallel to the at least one transistor, wherein the individual TVS diodes are preferably but not necessarily constructed identically.
  • a series circuit comprising at least one capacitive element and at least one resistive element is provided, which is arranged between the control connection and the drain connection of the at least one transistor.
  • the electronic interruption unit comprises a first transistor and a second transistor, the two transistors being connected in series anti-serially, and for each of the transistors a series circuit comprising at least one capacitive element and at least one resistive element is arranged between the control connection and the drain connection.
  • series circuits with capacitive and resistive elements can be provided for all transistors arranged between the control connection and the drain connection.
  • the electronic interruption unit according to the invention offers, due to its energy absorption properties, efficient protection of transistors or power semiconductors against excessive voltages.
  • a suitable dimensioning can be made as follows: the number N and/or the clamping voltage Ucl of the TVS diodes connected in series is chosen so that the relationship
  • the electronic interruption unit according to the invention can in particular be a component of an electronic circuit breaker or a motor starter, but is not limited to this. Its use in circuit breakers, for example, is also conceivable.
  • the electronic interruption unit according to the invention can be an independent structural unit that can also be manufactured separately from a switch and then inserted into the switch during its manufacture.
  • a switch with an electronic interruption unit according to the invention can also be constructed in such a way that the elements assigned to this unit as a whole are not or cannot be separated from the switch or a component of the switch comprising further elements, i.e. they are possibly only to be regarded as a functional unit and not as a unit in terms of construction.
  • Fig . 1 the architecture of a SSCB
  • Fig. 2 an electrical equivalent circuit for a short circuit situation
  • Fig . 3 an electronic interruption unit or shutdown device
  • Fig. 4 an electronic interruption unit according to the invention.
  • Fig. 1 shows an illustration of an SSCB for protecting a low-voltage electrical circuit.
  • a mains-side neutral conductor connection NG, a mains-side phase conductor connection LG, a load-side neutral conductor connection NL and a load-side phase conductor connection LL are arranged in a housing GEH.
  • An energy source is connected to the mains side GRID and a consumer is connected to the load side LOAD.
  • the main components of the switch are a power supply NT , a control unit SE , an electronic interruption unit unit EU and a mechanical isolating contact unit MK .
  • the control unit SE switches on the electronic interruption unit EU, which is formed e.g. with a pair of Mos fets for switching the phase conductor, and sends an enable to the mechanical isolating contact unit .
  • the mechanical isolating contact unit MK comprises contacts KKN, KKL for opening/closing the phase and neutral conductors.
  • a current sensor unit ST in the path of the phase conductor For the recording of current and voltage values, a current sensor unit ST in the path of the phase conductor, a first voltage sensor unit SUI for determining the level of the voltage between a mains-side connection point EUG and a load-side connection point EUL of the electronic interruption unit EU and a second voltage sensor unit SU2 for determining the level of the voltage between the mains-side neutral conductor connection NG and the mains-side phase conductor connection LG are provided.
  • the Mosfets of the electronic interruption unit EU are - like power semiconductors in general - designed for a certain blocking voltage, which should not be exceeded during operation.
  • the challenge for the electronic interruption unit EU is therefore to protect the power semiconductor from excessive voltages. This is especially true when short circuits occur, where the shutdown device EU interrupts the circuit protected by the SSCB.
  • FIG. 2 An equivalent circuit diagram for the situation in the event of a short circuit is shown in Fig. 2.
  • a mains voltage U n _ mains which supplies a consumer (not shown) via a circuit.
  • the circuit is protected by means of a Switch according to Fig. 1, of which only the electronic interruption unit or shutdown device EU is shown.
  • mains and line impedances NLI On the mains side there are mains and line impedances NLI, on the consumer side there are line impedances. Typically these impedances have ohmic and inductive components (indicated by the letters R and L).
  • the energy stored in the system which is contained in the mains and line impedances, causes the voltage across the electronic shutdown device or across the power semiconductors to rise.
  • An energy absorber is then required to prevent the blocking voltage of the power semiconductors from being exceeded when the energy in the system is sufficiently high and these are destroyed.
  • the energy absorber has the task of limiting the voltage across the power semiconductors.
  • An energy absorber is understood to be a circuit that protects the semiconductor components of the electronic interruption unit by reducing the voltage load on the semiconductors, particularly during short-circuit shutdown.
  • Fig. 3 shows a schematic of an electronic interruption unit EU with energy absorber EA.
  • the electronic interruption unit EU is shown with two MOSFETs Ml and M2 with opposite conduction directions.
  • the MOSFETs Ml and M2 each have (intrinsic) inverse diodes, each of which conducts in the source-drain direction.
  • MOSFETs with opposite conduction directions are required for interrupting alternating current or direct current with different directions. For direct current switching in just one direction, one MOSFET might be sufficient.
  • the MOSFETs Ml and M2 are switched by means of drivers TI and T2, which are triggered by control signals SIG.
  • the control signals SIG come from the control unit SE.
  • the energy absorber EA connected in parallel to the Mosfets in the figure can be implemented with a varistor, for example.
  • the corresponding circuit is relatively simple and therefore inexpensive, but has the disadvantage that that the varistor characteristic curve is very soft, making dimensioning very difficult or even practically impossible for some application situations.
  • the RC snubber is not placed over the respective power terminals (drain and source) of the power semiconductors, but from drain D to gate G.
  • two RC snubbers are each realized by a series connection of an ohmic resistor RI or R2 and a capacitor Cl or C2 between the respective gate terminal G and the drain terminal D.
  • the energy absorber EA then comprises the elements shown in the area surrounded by a dotted line, namely the TVS diodes TV1-TV5 and the snubber elements RI , Cl , R2 and C2 arranged between gate G and drain D.
  • the switching edge of the power semiconductor is reduced at the turn-off and turn-on moment, so that the current in the power semiconductor has enough time to commutate to the TVS diodes, with the advantage that the RC snubber is not exposed to a high pulse load in terms of power in this case.
  • the dimensioning of the clamping voltage is simpler compared to a varistor solution, which may reduce the blocking voltage of the power semiconductors (e.g. with 600V power semiconductors in a three-phase network). The use of cheaper power semiconductors is then possible. A possible approach to dimensioning is given below.
  • the dimensioning of the clamping voltages specified in the German patent application with the application number DE 10 2022 208 528 . 0 is also applicable for the circuit shown in Fig. 4.
  • the sum of the clamping voltages of the TVS diodes is selected to be smaller than the maximum blocking voltage of the power semiconductors U T , max , taking into account a safety factor.
  • the sum of the terminal voltages should be greater than the peak voltage of the AC system even after the failure (alloying) of a diode. This ensures that even if a diode alloys, no current flows through the diodes when the switching module is switched off.
  • the sum of the terminal voltages should be a safety factor below the maximum permissible blocking or opening voltage.
  • Nominal voltage of the power semiconductors i.e.:

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Unterbrechungseinheit (EU) zur Unterbrechung eines Stromflusses. Sie ist mit mindestens einem Transistor (M1, M2) mit einem Quellenanschluss (S), einem Steueranschluss (G) und einem Senkenanschluss (D) und mit mindestens einer TVS-Diode (TVS1-TVS5), welche zu dem mindestens einen Transistor (M1, M2) parallel-geschaltet ist, gebildet. Die Unterbrechungseinheit umfasst eine Reihenschaltung aus mindestens einem kapazitiven Element (C1, C2) und mindestens einem resistiven Element (R1, R2), welche zwischen dem Steueranschluss (G) und dem Senkenanschluss (D) des mindestens einen Transistors (M1, M2) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Elektronische Un t e rbre chungs einhe it
Die Erfindung betrifft eine elektronische Unterbrechungseinheit zur Unterbrechung eines Stromflusses.
Fortschritte bei der Entwicklung von Halbleiterbauelementen haben zu neuen Schalterkonzepten geführt, die herkömmliche, typischerweise elektromechanisch auf gebaute Schalter insb. der Niederspannungstechnik ersetzen können. Diese neuen Konzepte betreffen z.B. Schutzschalter oder Motorstarter, können aber prinzipiell auch z.B. für das Schalten von höheren Strömen, z.B. durch Leistungsschalter, verwendet werden. Von zentraler Bedeutung sind dabei die schnellen Ansprechzeiten der Halbleiterbauelemente, durch die Schäden durch Überbelastung vermieden werden. D.h., der Schalter schaltet den Strom ab, bevor die Halbleiterbauelemente zerstört werden könnten.
Mit Niederspannung sind im Folgenden Spannungen von bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder bis zu 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 50 Volt Wechsel-spannung bzw. 120 Volt Gleichspannung, sind.
Mit Niederspannungsstromkreis bzw. -netz oder -anlage sind Stromkreise mit Nennströmen bzw. Bemessungsströmen von bis zu 125 Ampere, spezifischer bis zu 63 Ampere gemeint. Mit Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Nennströmen bzw. Bemessungsströmen von bis zu 40 Ampere, 32 Ampere, 25 Ampere, 16 Ampere oder 10 Ampere gemeint. Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn-, Bemessungs- oder/und Abschaltströme gemeint, d.h. der Strom, der im Normalfall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw. bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie ein Schutzschaltgerät, Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter . Leitungsschutzschalter sind seit langem bekannte Überstromschutzeinrichtungen, die in der Elektroinstallationstechnik in Niederspannungsstromkreisen eingesetzt werden . Diese schützen Leitungen vor Beschädigung durch Erwärmung infolge zu hohen Stromes und/oder Kurzschluss . Ein Leitungsschutzschalter kann den Stromkreis bei Überlast und/oder Kurzschluss selbsttätig abschalten . Ein Leitungsschutzschalter ist in der Regel ein nicht selbsttätig zurückstellendes Sicherungselement und weist üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung auf einer so genannten Hutschiene ( Tragschiene , DIN-Schiene , TH35 ) auf .
Herkömmliche Leitungsschutzschalter sind elektromechanisch auf gebaut . In einem Gehäuse weisen sie einen mechanischen Schaltkontakt bzw . Arbeitsstromauslöser zur Unterbrechung (Auslösung) des elektrischen Stromes auf . Üblicherweise wird ein Bimetall-Schutzelement bzw . Bimetall-Element zur Auslösung (Unterbrechung) bei länger anhaltenden Überstrom (Überstromschutz ) respektive bei thermischer Überlast (Überlastschutz ) eingesetzt . Ein elektromagnetischer Auslöser mit einer Spule wird zur kurz zeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Überstromgrenzwerts bzw . im Falle eines Kurzschlusses (Kurzschlussschutz ) verwendet . Eine oder mehrere Lichtbogenlöschkammer (n) bzw . Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung sind vorgesehen, ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises .
Leitungsschutzschalter mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit sind eine relativ neuartige Entwicklung . Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit auf . D . h . , der elektrische Stromfluss des Niederspannungsstromkreises wird über Halbleiterbauelemente respektive Halbleiterschalter geführt , die den elektrischen Stromfluss unterbrechen bzw . leitfähig geschaltet werden können .
Im Folgenden bezeichnet der Begri f f „Schutzschalter" insb . nicht nur Leitungsschutzschalter, sondern generell Schalter mit einer Schutz funktion, z . B . auch Leistungsschalter . Leistungsschalter der Niederspannungstechnik sind, im Gegensatz zu Leitungsschutzschaltern, für Ströme größer als 125 A vorgesehen, teilweise auch schon ab 63 Ampere . Unter den Begri f f „Schutzschalter" werden aber nicht nur klassische Niederspannungsschalter im Bereich der Energieversorgung verstanden . Beispielsweise kann die unten beschriebene Erfindung auch bei Motorstartern mit Kurzschlussschutz , anderen Schaltern im industriellen Umfeld oder bei Mittelspannungsleistungsschaltern mit Schutz funktion zum Einsatz kommen .
Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit weisen häufig ein mechanisches Trennkontaktsystem auf , insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigen Normen für Niederspannungsstromkreise , wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind, d . h . der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über das mechanische Trennkontaktsystem und die elektronische Unterbrechungseinheit geführt .
Bei halbleiterbasierten Schutzschaltgeräten bzw . Schutzgeräten, neudeutsch Solid State Circuit Breaker, kurz SSCB, muss die Schaltenergie nicht wie bei einem mechanischen Schaltgerät in einen Lichtbogen, sondern mittels eines zusätzlichen Schaltkreises , dem Energy Absorber bzw . Energieabsorber, in Wärme umgesetzt werden . Die Abschaltenergie umfasst dabei die im Stromkreis , d . h . in den Netz- , Leitungs- bzw . Lastimpedanzen (Verbraucherimpedanzen) gespeicherte Energie . Um den Energy Absorber zu entlasten, muss der Strom, der im Moment des Abschaltens fließt , möglichst gering sein . Dies gilt auch im Falle eines Kurzschlusses . Hier steigt der Strom sehr schnell an . Durch schnelle Kurzschlusserkennung kann ein Kurzschluss frühzeitig erkannt und ein zu hoher Kurzschlussstrom vermieden werden . Das halbleiterbasierte Schutzschaltgerät unterbricht , im Sinne eines Abschaltvorganges , nahezu unverzögert , innerhalb von ps , den Stromkreis . Es treten keine hohen Ströme auf und die Belastung des Energy Absorbers eines halbleiterbasierten Schutzschaltgerätes wird reduziert . Bekannte Kurzschlusserkennungen bzw . Abschaltkriterien basieren üblicherweise auf der Ermittlung und Auswertung des Strom- I stwertes .
Die Erfindung hat zur Aufgabe , die Eigenschaften einer elektronische Unterbrechungseinheit mit Energy Absorber zu verbessern .
Diese Aufgabe wird durch eine elektronische Unterbrechungseinheit nach Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben .
Es wird eine elektronische Unterbrechungseinheit zur Unterbrechung eines Stromflusses vorgeschlagen . Diese ist mit mindestens einem Transistor mit einem Quellenanschluss , einem Steueranschluss und einem Senkenanschluss gebildet . Der Quelleanschluss kann ein Source-Anschluss oder ein Emitter- Anschluss , der Steueranschluss ein Gate-Anschluss oder ein Basis-Anschluss und der Senkenanschluss ein Drain-Anschluss oder ein Kollektor-Anschluss sein . Insbesondere kann damit der Transistor ein BJT (Bipolar Junction Transistor ) mit Basis , Kollektor und Emitter, ein Feldef fekttransistor, wie z . B . ein MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldef f ekttransistor ) mit Gate , Source und Drain oder ein IGBT ( insulated-gate bipolar transistor ) mit Gate , Kollektor und Emitter sein . Es kann dabei mindestens ein Treiber vorgesehen sein, welcher zum Ansteuern bzw . Schalten des mindestens einen Transistors mit dessen Steueranschluss verbunden ist .
Die elektronische Unterbrechungseinheit ist zwecks Energieabsorption mit mindestens einer TVS-Diode gebildet , welche zu dem mindestens einen Transistor parallelgeschaltet ist . Z . B . ist eine Reihenschaltung aus mehreren TVS-Dioden parallel zu dem mindestens einen Transistor vorgesehen, wobei die einzelnen TVS-Dioden vorzugsweise aber nicht notwendigerweise identisch aufgebaut sind . Zudem ist eine Reihenschaltung aus mindestens einem kapazitiven Element und mindestens einem resistiven Element vorgesehen, welche zwischen dem Steueranschluss und dem Senkenanschluss des mindestens einen Transistors angeordnet ist . Beispielsweise umfasst die elektronische Unterbrechungseinheit einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor, wobei die beiden Transistoren antiseriell in Reihe geschaltet sind, und es ist für j eden der Transistoren eine Reihenschaltung aus mindestens einem kapazitiven Element und mindesten einem resistiven Element zwischen dem Steueranschluss und dem Senkenanschluss angeordnet . In diesem Fall oder generell bei mehreren Transistoren können Reihenschaltungen mit kapazitiven und resistiven Element für alle Transistoren vorgesehen sein, die zwischen Steueranschluss und Senkenanschluss angeordnet sind . Diese Reihenschaltungen sind dann bzgl . der einzelnen Elemente und ihrer Reihenfolge vorzugsweise identisch ( z . B . haben die Elemente desselben Typs denselben Nennwert ) .
Die erfindungsgemäße elektronische Unterbrechungseinheit bietet durch ihre Energieabsorptionseigenschaften einen ef fizienten Schutz von Transistoren bzw . Leistungshalbleitern vor zu hohen Spannungen .
Bei einer Lösung mit einer Mehrzahl N von TVS-Dioden, die die gleiche Klemmspannung Ucl haben, kann eine geeignete Dimensionierung wie folgt vorgenommen werden : die Anzahl N und/oder die Klemmspannung Ucl der in Reihe geschalteten TVS-Dioden wird so gewählt werden, dass die Beziehung
(N - 1 ) * Ucl > Umax erfüllt ist .
Die erfindungsgemäße elektronische Unterbrechungseinheit kann insbesondere Bestandteil eines elektronischen Schutzschalters oder eines Motorstarters sein, ist aber nicht darauf beschränkt . Ein Einsatz z . B . auch in Leistungsschaltern ist ebenfalls denkbar . Die erfindungsgemäße elektronische Unterbrechungseinheit kann eine eigenständige Baueinheit sein, die auch separat zu einem Schalter gefertigt und dann bei dessen Herstellung in diesen eingesetzt werden kann . Es kann aber auch sein, dass ein Schalter mit einer erfindungsgemäßen elektronische Unterbrechungseinheit so aufgebaut ist , dass die zu dieser Einheit zuzuordnenden Elemente als Gesamtheit nicht von dem Schalter oder einem weitere Elemente umfassenden Bauteil des Schalters abgetrennt oder abtrennbar sind, d . h . evtl , nur funktionell und nicht in Bezug auf den Aufbau als eine Einheit zu betrachten sind .
Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Aus führungsbeispiels näher erläutert . Es zeigen :
Fig . 1 : die Architektur eines SSCBs ,
Fig . 2 : ein elektrisches Ersatzschaltbild für eine Kurzschlusssituation,
Fig . 3 : eine elektronische Unterbrechungseinheit bzw . Abschaltvorrichtung und
Fig . 4 : eine erfindungsgemäße elektronische Unterbrechungseinheit .
Fig . 1 zeigt eine Darstellung eines SSCBs zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises . In einem Gehäuse GEH sind ein netzseitiger Neutralleiteranschluss NG, ein netzseitiger Phasenleiteranschluss LG, ein lastseitiger Neutralleiteranschluss NL und ein lastseitigen Phasenleiteranschluss LL angeordnet . An der Netzseite GRID ist eine Energiequelle und an der Lastseite LOAD ein Verbraucher angeschlossen .
Die Hauptkomponenten des Schalters sind ein Netzteil NT , eine Steuerungseinheit SE , eine elektronische Unterbrechungsein- heit EU und eine mechanische Trennkontakteinheit MK . Die Steuerungseinheit SE schaltet die elektronische Unterbrechungseinheit EU, die z . B . mit einem Paar Mos fets zum Schalten des Phasenleiters gebildet ist , ein und sendet eine Freigabe (Enable ) an die mechanische Trennkontakteinheit . Die mechanische Trennkontakteinheit MK umfasst Kontakte KKN, KKL zum Öf fnen/Schließen von Phasen- und Neutralleiter .
Für die Erfassung von Strom- bzw . Spannungswerten sind eine Stromsensoreinheit S T im Pfad des Phasenleiters , eine erste Spannungssensoreinheit SUI zur Ermittlung der Höhe der Spannung zwischen einem netzseitigen Verbindungspunkt EUG und einem lastseitigen Verbindungspunkt EUL der elektronischen Unterbrechungseinheit EU und eine zweite Spannungssensoreinheit SU2 zur Ermittlung der Höhe der Spannung zwischen dem netzseitigen Neutralleiteranschluss NG und dem netzseitigen Phasenleiteranschluss LG vorgesehen .
Weitere Details zum Schalter gem . Fig . 1 sind in der deutschen Anmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen DE 10 2021 210 820 . 2 zu finden .
Die Mos fets der elektronischen Unterbrechungseinheit EU sind - wie Leistungshalbleiter im Allgemeinen - für eine bestimmte Sperrspannung ausgelegt , die im Betrieb auch nicht überschritten werden sollte .
Für die elektronischen Unterbrechungseinheit EU ergibt sich daher die Heraus forderung, den Leistungshalbleiter vor zu hohen Spannungen zu schützen . Dies gilt vor allem beim Auftreten von Kurzschlüssen, bei denen die Abschaltvorrichtung EU den Stromkreis , der durch den SSCB abgesichert wird, unterbricht .
Ein Ersatzschaltbild für die Situation bei einem Kurzschluss ist in Fig . 2 gezeigt . Netzseitig liegt eine Netzspannung Un_ etz an, die einen Verbraucher (nicht dargestellt ) über einen Stromkreis speist . Der Stromkreis ist gesichert mittels eines Schalters entsprechend Fig. 1, von dem nur die elektronische Unterbrechungseinheit bzw. Abschaltvorrichtung EU gezeigt ist. Netzseitig sind Netz- und Leitungsimpedanzen NLI vorhanden, verbraucherseitig Leitungsimpedanzen. Typischerweise haben diese Impedanzen ohmsche und induktive Komponenten (angedeutet durch die Buchstaben R und L) . Unterbricht die elektronische Abschaltvorrichtung im Falle eines Kurzschlusses KS beim Verbraucher, dann führt die im System gespeicherte Energie, die in der Netz- und den Leitungsimpedanzen steckt, dazu, dass die Spannung über elektronische Abschaltvorrichtung bzw. über den Leistungshalbleitern ansteigt. Es wird dann ein Energieabsorber benötigt, um zu verhindern, dass die Sperrspannung der Leistungshalbeiter bei genügend großen Energien im System überschritten wird und diese zerstört werden. Der Energieabsorber hat die Aufgabe die Spannung über den Leistungshalbleitern zu begrenzen.
Als Energieabsorber wird dabei eine Schaltung verstanden, die die Halbleiterbauelemente der elektronischen Unterbrechungseinheit schützt, indem sie Spannungsbelastung der Halbleiter insb. beim Kurzschlussabschalten reduziert. In Fig. 3 ist schematisch eine elektronischen Unterbrechungseinheit EU mit Energieabsorber EA gezeigt. Die elektronischen Unterbrechungseinheit EU ist mit zwei Mosfets Ml und M2 mit entgegengesetzter Durchlassrichtung dargestellt. Die Mosfets Ml und M2 weisen, wie allgemein bekannt, jeweils (intrinsische) Inversdioden auf, die jeweils in Richtung Source-Drain leitend sind. Mosfets mit entgegengesetzter Durchlassrichtung werden für die Unterbrechung von Wechselstrom bzw. Gleichstrom mit unterschiedlicher Richtung benötigt. Für Gleichstromschalten in nur einer Richtung wäre ggf. ein Mosfet ausreichend. Das Schalten der Mosfets Ml und M2 erfolgt mittels Treibern TI und T2, die durch Steuersignale SIG getriggert werden. Die Steuersignale SIG kommen z.B. bei dem in Fig. 1 dargestellten SSCB von der Steuerungseinheit SE . Der in der Figur zu den Mosfets parallel geschaltete Energieabsorber EA kann z.B. mit einem Varistor realisiert werden. Die entsprechende Schaltung ist relativ einfach und somit günstig, hat aber den Nachteil, dass die Varistor-Kennlinie sehr weich ist , und damit eine Dimensionierung sehr schwierig bis hin für manche Anwendungssituationen praktisch unmöglich wird .
In der deutschen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen DE 10 2022 208 528 . 0 wird daher eine andere Lösung vorgeschlagen, bei der der Energieabsorber EA wird durch TVS- Dioden in Kombination mit einem RC-Snubber über den Leistungshalbleitern realisiert wird . Dies hat die Vorteile , dass die Dimensionierung der Clamping-Spannung einfach wird und die Sperrspannung der Mos fets gegebenenfalls reduziert werden kann . Es hat sich j edoch gezeigt , dass die Impulsbelastung des RC-Snubbers beim Abschalten signi fikant ist . Bei höheren Spannungen ( >600V) wird dadurch die Energieabsorberschaltung schwierig bzw . sehr aufwendig zu dimensionieren (mehrfach parallel und Reihenschaltung von Widerständen und Kondensatoren nötig) .
Fig . 4 zeigt eine Lösung, die die bisherigen Nachteile kompensiert . Dazu werden die TVS-Dioden weiterhin genutzt , um die Spannung über den Leistungshalbleitern zu begrenzen . Eingezeichnet ist eine Reihenschaltung aus fünf TVS-Dioden TV1- TV5 , welche den beiden Mos fets Ml und Ml parallelgeschaltet ist . Die beiden Mos fets haben die Anschlüsse Source S , Drain D und Gate G, wobei die Ansteuerung durch Treiber (nicht eingezeichnet ) über einen Widerstand R bei Gate G erfolgt .
Anders als in der deutschen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen DE 10 2022 208 528 . 0 wird der RC-Snubber nicht über den j eweiligen Leistungsanschlüssen ( Drain und Source ) der Leistungshalbleiter platziert , sondern von Drain D auf Gate G . In der Figur sind zwei RC-Snubber j eweils durch eine Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands RI bzw . R2 und eines Kondensators Cl bzw . C2 zwischen dem j eweiligen Gate- Anschluss G und dem Drain-Anschluss D realisiert . Der Energieabsorber EA umfasst dann die in dem mit einer punktierten Linie umgebenen Bereich dargestellten Elemente , nämlich die TVS-Dioden TV1-TV5 und die zwischen Gate G und Drain D angeordneten Snubber-Elemente RI , Cl , R2 und C2 .
Dadurch wird im Abschalt- und im Einschaltmoment die Schaltflanke des Leistungshalbleiter reduziert , so dass der Strom im Leistungshalbleiter genügend Zeit hat , um auf die TVS- Dioden zu kommutieren, mit dem Vorteil , dass der RC-Snubber in diesem Fall keiner hohen Impulsbelastung hinsichtlich der Leistung ausgesetzt ist .
Diese Schaltung hat folgende Vorteile :
• Auf Grund der sehr geringen Impulsbelastung des RC- Snubbers kann dieser sehr leicht dimensioniert werden .
• Insbesondere die Bauteilauswahl gestaltet sich als einfacher, da keine speziellen impuls festen Widerstände oder Kondensatoren verwendet werden müssen, was zu geringere Kosten und geringerem Platzbedarf führt .
• Die Dimensionierung der Clamping-Spannung gestaltet sich als einfacher im Vergleich zu einer Varistor-Lösung, wodurch evtl , die Sperrspannung der Leistungshalbleiter reduziert werden kann ( z . B . bei 600V Leistungshalbleiter in einem Drehstromnetz ) . Der Einsatz von kostengünstigeren Leistungshalbleitern ist dann möglich . Ein mögliches Vorgehen bei der Dimensionierung ist weiter unten angegeben .
• Bei kleineren Sperrspannungen können gegebenenfalls Leistungshalbleiter mit noch kleinerem Durchlasswiderstand RDson verwendet werden . Eine Reduzierung der Verluste im System bzw . eine kompaktere Bauform ist dann möglich .
Die in der deutschen Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen DE 10 2022 208 528 . 0 angegebene Dimensionierung der Klemmspannungen ist auch für die Schaltung gern . Fig 4 anwendbar . Dabei wird die Summe der Klemmspannungen ( Clamping Spannungen) der TVS-Dioden kleiner gewählt als die maximale Sperrspannung der Leistungshalbleiter UT,max unter Berücksichtigung eines Sicherheits faktors . Als zusätzliche Dimensionie- rungsvorschrif t soll die Summe der Klemmspannungen auch nach dem Ausfall (Durchlegierung) einer Diode größer als die Scheitelspannung des Wechselstromsystems sein. Dies stellt sicher, dass auch bei Durchlegierung einer Diode im ausgeschalteten Zustand des Schaltmoduls kein Strom über die Dioden fließt.
In Form einer Gleichung ausgedrückt:
(N - 1) * UC1 > Umax wobei Umax die Scheitelspannung des Wechselstromsystems, N die Anzahl der in Reihe geschalteten TVS-Dioden und Uci die Klemmspannung (Clamping Spannung) jeder einzelnen TVS-Diode ist und wobei TVS-Dioden mit gleichen Parametern, insbesondere mit gleicher Klemmspannung eingesetzt werden.
Gleichzeitig soll die Summe der Klemmspannungen um einen Sicherheitsfaktor unter der maximal zulässigen Sperr- bzw.
Nennspannung der Leistungshalbleiter liegen, d.h. :
£UC1 < f * UT,max mit f = 0,5 .. 0,9 und UT,max beispielsweise 600V oder 650V oder 750V.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronische Unterbrechungseinheit (EU) zur Unterbrechung eines Stromflusses,
- mit mindestens einem Transistor (Ml, M2) mit einem Quellenanschluss (S) , einem Steueranschluss (G) und einem Senkenanschluss (D) , wobei der Quellenanschluss (S) ein Source- Anschluss oder ein Emitter-Anschluss, der Steueranschluss (G) ein Gate-Anschluss oder ein Basis-Anschluss und der Senkenanschluss (D) ein Drain-Anschluss oder ein Kollektor-Anschluss ist,
- mindestens einer TVS-Diode (TVS1-TVS5) , welche zu dem mindestens einen Transistor (Ml, M2) parallelgeschaltet ist, und
- eine Reihenschaltung aus mindestens einem kapazitiven Element (Cl, C2) und mindestens einem resistiven Element (RI, R2 ) , welche zwischen dem Steueranschluss (G) und dem Senkenanschluss (D) des mindestens einen Transistors (Ml, M2) angeordnet ist.
2. Elektronischen Unterbrechungseinheit (EU) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen ersten Transistor (Ml) und einen zweiten Transistor (M2) aufweist, wobei die beiden Transistoren (Ml, M2) antiseriell in Reihe geschaltet sind und für jeden der Transistoren (Ml, M2) eine Reihenschaltung aus mindestens einem kapazitiven Element (Cl, C2) und mindesten einem resistiven Element (RI, R2 ) zwischen dem Steueranschluss (G) und dem Senkenanschluss (D) angeordnet ist.
3. Elektronische Unterbrechungseinheit (EU) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Transistor (Ml, M2) ein Mosfet oder ein IGBT ist.
4. Elektronische Unterbrechungseinheit (EU) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit mindestens einem Treiber ( S IG) gebildet ist , welcher zum Ansteuern ( Schalten) des mindestens einen Transistors (Ml , M2 ) mit dessen Steueranschluss ( G) verbunden ist .
5. Elektronische Unterbrechungseinheit (EU) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass alle kapazitiven Elemente ( Cl , C2 ) den gleichen Nennwert C und alle resistiven Elemente (RI , R2 ) den gleichen Nennwert R aufweisen .
6. Elektronische Unterbrechungseinheit (EU) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass sie Bestandteil eines Schutzschalters für Wechselspannung ist und eine Mehrzahl N von parallel zu den Transistoren (Ml , M2 ) in Reihe geschalteten TVs-Dioden aufweist , welche die gleiche Klemmspannung Ucl aufweisen und die Anzahl N und/oder die Klemmspannung Uci der in Reihe geschalteten TVS-Dioden so gewählt werden, dass folgende Beziehung erfüllt ist :
(N - 1 ) * UC1 > Umax wobei Umax die Scheitelspannung der Wechselspannung im vom Schutzschalter geschalteten Stromkreis ist .
7 . Elektronischer Schutzschalter aufweisend elektronische Unterbrechungseinheit (EU) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
8 . Motorstarter aufweisend elektronische Unterbrechungseinheit (EU) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
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