EP4659353A1 - Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum unterbrechen eines stromflusses, und gleichspannungssystem - Google Patents

Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum unterbrechen eines stromflusses, und gleichspannungssystem

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Publication number
EP4659353A1
EP4659353A1 EP24703114.9A EP24703114A EP4659353A1 EP 4659353 A1 EP4659353 A1 EP 4659353A1 EP 24703114 A EP24703114 A EP 24703114A EP 4659353 A1 EP4659353 A1 EP 4659353A1
Authority
EP
European Patent Office
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current
switch
current path
voltage
connection
Prior art date
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Pending
Application number
EP24703114.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elmar Schaper
Tobias Grote
Lutz Heuer
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.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • 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
    • H03K17/08148—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 composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/021—Details concerning the disconnection itself, e.g. at a particular instant, particularly at zero value of current, disconnection in a predetermined order
    • H02H3/023—Details concerning the disconnection itself, e.g. at a particular instant, particularly at zero value of current, disconnection in a predetermined order by short-circuiting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for DC applications
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    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for DC systems
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    • 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
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    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0009—AC switches, i.e. delivering AC power to a load

Definitions

  • the invention relates to a DC switching device which can in particular interrupt an electrical current flow between the input side and the output side of the DC switching device or between two DC devices.
  • the invention further relates to a DC system which has such a DC device.
  • an electronic switch for interrupting a current flow is known from EP 3 891 890 B1.
  • a load capable of regenerating energy can be connected to a second and fourth connection on the electronic switch, while an energy source can be connected to a first and third connection.
  • the electronic switch also has two anti-serially connected semiconductor switches to enable bi-directional switching off of the electronic switch. Two fuses are connected in series with the two semiconductor switches, with the two semiconductor switches being arranged between the two fuses. The two fuses serve to protect the load, the energy source or the switching device itself if a short-circuit current occurs.
  • two short-circuiters which can be designed as thyristors, are connected to the fuses in such a way that a series connection of a fuse and a short-circuiter is located between the first and third connection and between the second and fourth connection.
  • the present invention is based on the object of creating a DC switching device, in particular for interrupting a current flow, and a DC voltage system which can be constructed with fewer components and thus more cost-effectively than the known electronic switch while providing reliable short-circuit resistance.
  • a core idea of the invention can be seen in the provision of a DC switching device which requires only a single short-circuit switch, even if the DC switching device can be operated in both current directions.
  • a DC switching device in particular for interrupting a current flow, which can have, for example, the following features:
  • a current detection device which is designed to measure the current intensity of a current flowing through the first or second current path
  • an anti-serial circuit arranged in the first current path, which has a first controllable semiconductor switch and a second controllable semiconductor switch connected anti-serially thereto, wherein a first diode is connected anti-parallel to the first semiconductor switch and a second diode is connected anti-parallel to the second semiconductor switch, wherein the first electrical fuse and the anti-serial circuit are connected in series,
  • a single controllable short-circuit switch having a first terminal and a second terminal, wherein the first terminal is electrically connected to the first current path and arranged between the first device terminal and the first electrical fuse, and the second terminal is electrically connected to the second current path and arranged between the fourth device terminal and the second electrical fuse,
  • control and evaluation device which is connected to the current detection device, wherein the control and evaluation device is designed to switch on or close the single short-circuit switch when the current intensity measured by the current detection device reaches or exceeds a predetermined threshold value, wherein in the switched-on state the single short-circuit switch is connected in series with either the first or the second fuse depending on the direction of the current flowing through the two current paths.
  • a DC switching device in particular for interrupting a current flow, which can have, for example, the following features:
  • a current detection device which is designed to measure the current intensity of a current flowing through the first or second current path
  • an anti-serial circuit arranged in the second current path, which has a first controllable semiconductor switch and a second controllable semiconductor switch connected anti-serially thereto, wherein a first diode is connected anti-parallel to the first semiconductor switch and a second diode is connected anti-parallel to the second semiconductor switch, wherein the second electrical fuse and the anti-serial circuit are connected in series,
  • a single controllable short-circuit switch having a first terminal and a second terminal, the first terminal being electrically connected to the first current path and arranged between the second device terminal and the first electrical fuse, and the second terminal being electrically connected to the second current path and arranged between the third device terminal and the second electrical fuse,
  • control and evaluation device which is connected to the current detection device, wherein the control and evaluation device is designed to switch on or close the single short-circuit switch when the current intensity measured by the current detection device reaches or exceeds a predetermined threshold value, wherein in the switched-on state of the The only short-circuit switch is connected in series with either the first or the second fuse, depending on the direction of the current flowing through the two current paths.
  • control and evaluation device is implemented as a microcontroller, microprocessor or as an analog circuit.
  • the short-circuit switch can, for example, be designed as a thyristor or triac with a bidirectional current flow.
  • an electromechanical switch with a mechanical switching contact can be provided, wherein the mechanical switching contact is connected in parallel to the first and second semiconductor switches, wherein the control and evaluation device is designed to control the electromechanical switch.
  • the control and evaluation device preferably ensures that during a switch-on process the two semiconductor switches are first switched on and then the mechanical switching contact is closed.
  • a DC voltage supply device can be connected to the first and third device connection and an electrical device can be connected to the second and fourth device connection, or vice versa.
  • the electrical device can be a non-regenerative electrical device, such as an ohmic resistor, a regenerative electrical device or another DC voltage supply device.
  • the DC voltage supply device can be, for example, a DC supply network.
  • the current detection device can, for example, have a current sensor or magnetic field sensor. Furthermore, the current detection device can be connected directly into the respective current path. Alternatively, the current detection device can have a shunt resistor and be designed to measure a voltage at the Shunt resistance and its polarity in order to determine the current flowing through the respective current path and its direction.
  • the current detection device can be connected in series with the first or the second fuse.
  • a direct current system which can comprise the direct current device described above.
  • a direct current supply device and an electrical device for example an electrical device capable of regenerative power, can be connected to the direct current device.
  • the direct current supply device can be, for example, a grounded direct current source with a positive pole and a ground connection, a DC supply network or a direct current bus.
  • the first and second device connections each serve as a positive pole and the third and fourth device connections each serve as a negative pole or ground connection.
  • the control and evaluation device of the DC switching device is designed, for example, to first control the first semiconductor switch to be conductive, particularly during a switch-on process, and at the same time to keep the second semiconductor switch blocked and then to close the mechanical switching contact when a current is to flow from the first device connection to the third device connection, and, when the current strength measured by the current detection device reaches or exceeds the predetermined threshold value, to close the first short-circuit switch.
  • This is preferably the case when a DC voltage supply device is connected to the first and third device connections and an electrical load that is not capable of regenerative power is connected to the second and fourth device connections.
  • the control and evaluation device can also be designed to first control the second semiconductor switch to be conductive and at the same time to keep the first semiconductor switch blocked and then to close the mechanical switching contact when a current is to flow from the second device connection to the fourth device connection and, when the current intensity measured by the current detection device reaches or exceeds the predetermined threshold value, to close the second short-circuit switch. This is preferably the case when an electrical load that is not capable of regenerative power is connected to the first and third device connection and a DC voltage supply device is connected to the second and fourth device connection.
  • the first and second semiconductor switches are preferably switched on at the same time. This is particularly useful if, for example, a DC voltage supply device is connected to the first and third device connection and a regenerative electrical load or a second DC voltage supply device is connected to the second and fourth device connection, since the current direction is not fixed.
  • Fig. 1 is a circuit diagram of an exemplary DC switching device
  • Fig. 2 is an alternative circuit diagram of an exemplary DC switching device.
  • Fig. 1 shows the circuit diagram of an exemplary DC voltage system 5, which has an exemplary DC voltage switching device 10.
  • the DC voltage switching device 10 has a first and a third device connection 11, 12, to which a DC voltage supply device 100 can be connected. Furthermore, the DC voltage device 10 has a second and a fourth device connection 13, 14, to which an electrical device 90 can be connected. It should be noted that the electrical Device 90 can also be connected to the device connections 11 and 12 and the DC voltage supply device 100 can be connected to the device connections 13 and 14.
  • the DC voltage supply device 100 can be, for example, a grounded DC voltage source with a positive pole and a ground connection, a DC supply network or a DC voltage bus.
  • the electrical device 90 can be designed, for example, as a regenerative or non-regenerative DC voltage load 90 or another DC voltage supply device.
  • a first current path 1 runs between the first device connection 11 and the second device connection 13.
  • An anti-serial circuit 60 and an electrical fuse 20 connected in series with it are connected in the current path 1.
  • the 60 has a first controllable semiconductor switch 61 and a second controllable semiconductor switch 62, which is connected anti-serially to the first semiconductor switch 61.
  • a first diode 70 is connected anti-parallel to the first semiconductor switch 61 and a second diode 71 is connected anti-parallel to the second semiconductor switch 62.
  • the two semiconductor switches 61, 62 can be designed, for example, as field-effect transistors or as bipolar transistors with an insulated gate electrode (IGBT). In the present example, the two semiconductor switches are
  • the electrical fuse 20 is arranged between the collector electrode of the semiconductor switch 61 and the device connection 11, while the collector electrode of the semiconductor switch 62 can be connected directly to the device connection 13.
  • a current detection device 30 can be arranged between the fuse 20 and the collector connection of the semiconductor switch 61, as shown by way of example in Fig.
  • the current detection device 30 can be connected in series with the fuse 20 in the first current path 1. However, the current detection device 30 can be connected at any point in the first or second current path 1, 2.
  • the current detection device 30 can also have a shunt resistor connected in the first or second current path (not shown). In this case, the current detection device is designed to detect a voltage at the shunt resistor and its polarity in order to determine therefrom the current flowing through the respective current path and its direction.
  • the current detection device 30 is designed to determine the current intensity of a direct current flowing through the current paths 1 and 2 in order to detect a short-circuit current.
  • the emitter electrodes of the two semiconductor switches 61 and 62 form a common connection point.
  • the cathode of the diode 70 is connected to the collector electrode of the semiconductor switch 61, while the anode of the diode 70 is connected to the emitter electrode of the semiconductor switch 61.
  • the cathode of the diode 71 is connected to the collector electrode of the semiconductor switch 62, while the anode of the diode 71 is connected to the emitter electrode of the semiconductor switch 62.
  • the gate electrodes of the semiconductor switches 61 and 62 are each connected to an input of a control and evaluation device 40, which can be designed as a microcontroller, for example.
  • the control and evaluation device 40 is also connected on the input side to the current detection device 30.
  • a second current path 2 runs between the third device connection 12 and the fourth device connection 14, into which only one electrical fuse 21 is connected in the embodiment shown.
  • no semiconductor switches are implemented in the second current path 2.
  • the exemplary connection of the two semiconductor switches 61 and 62 as well as the two diodes 70 and 71 ensures that a) when the first semiconductor switch 61 is electrically conductive and the second semiconductor switch 62 is simultaneously electrically blocked, a current can flow from the device connection 11 via the fuse 20, the current detection device 30, the first semiconductor switch 61, the diode 71, the load 90, and the fuse 21 to the device connection 12, or that, b) when the second semiconductor switch 62 is electrically conductive and the first semiconductor switch 61 is simultaneously electrically blocked, a current can flow from the device connection 13 via the second semiconductor switch 62, the diode 70, the current detection device 30, the fuse 20, the device connections 11 and 12, and the fuse 21 to the device connection 14.
  • a mechanical switching contact 81 of an electromechanical switch 80 can be connected in parallel to the first and second semiconductor switches 61, 62.
  • the electromechanical switch 80 can be designed as a relay.
  • the electromechanical switch 80 has an excitation coil 82, which can be connected to the control and evaluation device 40, as shown in Fig. 1.
  • the excitation coil 82 is located in a control circuit that can be controlled by the control and evaluation device 40 to open and close accordingly in order to be able to open or close the mechanical switching contact 81.
  • the mechanical switching contact 81 is designed, for example, as a normally open contact.
  • the DC voltage switching device 10 also has a single controllable short-circuit switch 50 with a first connection 50a, which is designed as an anode connection, and a second connection 50b, which is designed as a cathode connection.
  • the first connection 50a is electrically connected to the first current path 1 and is arranged between the first device connection 11 and the first electrical fuse 20.
  • the second connection 50b is electrically connected to the second current path 2 and is arranged between the fourth device connection 14 and the second electrical fuse 21.
  • the short-circuit switch 50 also has a control connection, which is connected to an output of the control and evaluation device 40.
  • Fig. 2 shows the circuit diagram of another exemplary DC voltage system 5', which has an exemplary DC voltage switching device 10'.
  • a first current path 1 runs between the first device connection 11 and the second device connection 13, into which only one electrical fuse 20 is connected in the embodiment shown. No semiconductor switches are implemented in the current path 1.
  • a second current path 2 runs between the third device connection 13 and the fourth device connection 14.
  • An anti-serial circuit 60 and an electrical fuse 21 connected in series with it are connected in the current path 2.
  • the 60 has a first controllable semiconductor switch 61 and a second controllable semiconductor switch 62, which is connected anti-serially to the first semiconductor switch 61.
  • a first diode 70 is connected anti-parallel to the first semiconductor switch 61 and a second diode 71 is connected anti-parallel to the second semiconductor switch 62.
  • the two semiconductor switches 61, 62 can be designed, for example, as field-effect transistors or as bipolar transistors with an insulated gate electrode (IGBT). In the present example, the two semiconductor switches are
  • 61 and 62 are each implemented as an n-channel IGBT transistor.
  • the electrical fuse 21 is connected between the collector electrode of the semiconductor switch 62 and the device connection 12, while the collector electrode of the
  • Semiconductor switch 61 can be directly connected to the device connection 14.
  • a current detection device 30 can be arranged between the fuse 21 and the collector connection of the semiconductor switch 62, as shown by way of example in Fig. 2. According to the exemplary embodiment shown, the current detection device 30 can be connected in series with the fuse 21 in the second current path 2. However, the current detection device 30 can be connected at any point in the first or second current path 1, 2. For example, the current detection device 30 can also have a shunt resistor connected in the first or second current path (not shown). In this case, the current detection device is designed to detect a voltage at the shunt resistor and its polarity in order to determine the current flowing through the respective current path and its direction. Current detection deviceIt is only important that the current detection device 30, however it is implemented, is designed to determine the current intensity of a direct current flowing through the current paths 1 and 2 in order to detect a short-circuit current.
  • the emitter electrodes of the two semiconductor switches 61 and 62 form a common connection point.
  • the cathode of the diode 70 is connected to the collector electrode of the semiconductor switch 61, while the anode of the diode 70 is connected to the emitter electrode of the semiconductor switch 61.
  • the cathode of the diode 10 is connected to the collector electrode of the semiconductor switch 62, while the anode of the diode 71 is connected to the emitter electrode of the semiconductor switch 62.
  • the gate electrodes of the semiconductor switches 61 and 62 are each connected to an input of a control and evaluation device 40, which can be designed as a microcontroller, for example.
  • the control and evaluation device 40 is also connected on the input side to the current detection device 30.
  • the exemplary interconnection of the two semiconductor switches 61 and 62 and the two diodes 70 and 71 in turn ensures that a) when the first semiconductor switch 61 is electrically conductive and the second semiconductor switch 62 is simultaneously controlled to be electrically blocking, a current can flow from the device connection 11 via the fuse 20, the load 90, the first semiconductor switch 61, the diode 71, the current detection device 30 and the fuse 21 to the device connection 12, or that b) when the second semiconductor switch 62 is electrically conductive and the first semiconductor switch 61 is simultaneously controlled to be electrically blocking, a current can flow from the device connection 13 via the fuse 20, the device connections 11 and 12, the fuse 21, the current detection device 30, the second semiconductor switch 62 and the diode 70 to the device connection 14.
  • a mechanical switching contact 81 of an electromechanical switch 80 can be connected in parallel to the first and second semiconductor switches 61, 62.
  • the electromechanical switch 80 can be designed as a relay.
  • the electromechanical switch 80 has an excitation coil 82, which can be connected to the control and evaluation device 40, as shown in Fig. 1.
  • the excitation coil 82 is located in a control circuit that can be controlled by the control and evaluation device 40 to open and close accordingly in order to be able to open or close the mechanical switching contact 81.
  • the mechanical switching contact 81 is designed, for example, as a normally open contact.
  • the DC voltage switching device 10 has a single controllable short-circuit switch 50 with a first connection 50a, which is designed as an anode connection, and a second connection 50b, which is designed as a cathode connection.
  • the first connection 50a is electrically connected to the first current path 1 and between the second device connection 13 and the first electrical Fuse 20 is arranged.
  • the second connection 50b is electrically connected to the second current path 2 and is arranged between the third device connection 12 and the second electrical fuse 21.
  • the short-circuit switch 50 also has a control connection which is connected to an output of the control and evaluation device 40.
  • a predetermined threshold value that defines a short-circuit current is preferably stored in each of the direct voltage devices 10 and 10'.
  • the control and evaluation device 40 preferably has a memory in which the predetermined threshold value is stored.
  • the predetermined threshold value can also be stored in a separate memory that the control and evaluation device 40 can access.
  • the device connections 11 and 13 can function as positive poles, in which case current path 1 functions as the positive conductor.
  • the device connections 12 and 14 can function as negative poles or ground connections, in which case current path 2 functions as the negative conductor or ground line.
  • the control and evaluation device 40 is therefore designed to control a switch-on process by first switching the semiconductor switch 61 electrically conductive and the semiconductor switch 62 electrically blocking. At this moment, a direct current flows from the direct voltage supply device 100 via the device connection 11, the semiconductor transistor 61, the diode 71, through the load 90 and via the device connection 12 back to the direct voltage supply device 100. If the electromechanical switch 80 is implemented, the control and evaluation device 40 causes the DC switching device 10 to close the mechanical switching contact 81 after a definable period of time after the semiconductor switch 61 has been switched to conduct. The direction and the current intensity of the direct current are preferably continuously determined by the current determination device 30 and transmitted to the control and evaluation device 40.
  • both the semiconductor switch 61 would have to be switched to blocking and, if present, the mechanical switching contact 81 would have to be opened.
  • the reaction time of the electromechanical switch 80 to open the mechanical switching contact 81 is too long to ensure reliable short-circuit resistance. Thanks to the inventive measure, however, sufficient short-circuit resistance can now be ensured, particularly when using an electromechanical switch.
  • the control and evaluation device 40 recognizes the occurrence of a short circuit because the direct current measured by the current detection device 30 reaches or exceeds the predetermined threshold value. In response to this, the control and evaluation device 40 causes the direct current switching device 10 to switch on or close the short-circuit switch 50. From this moment on, the short-circuit current flows from the device connection 11 via the short-circuit switch 50, the fuse 21 to the device connection 12, which triggers the fuse 21. When switched on, the only short-circuit switch 50 is now connected in series with the fuse 21.
  • a switch-on process of the DC voltage switching device 10 takes place as follows:
  • the control and evaluation device 40 is now designed to control a switch-on process by first switching the semiconductor switch 62 electrically conductive and the semiconductor switch 61 electrically blocking. At this moment, a direct current flows from the direct voltage supply device 100 via the device connection 13, the semiconductor transistor 62, the diode 70 through the load 90 and via the device connection 14 back to the direct voltage supply device 100.
  • control and evaluation device 40 causes the direct voltage switching device 10 to close the mechanical switching contact 81 after a definable period of time after the semiconductor switch 62 has been switched conductive.
  • the current intensity of the direct current is preferably continuously determined by the current determination device 30 and transmitted to the control and evaluation device 40.
  • the control and evaluation device 40 recognizes the occurrence of a short circuit because the direct current measured by the current detection device 30 reaches or exceeds the predetermined threshold value. In response to this, the control and evaluation device 40 causes the direct current switching device 10 to switch on the short-circuit switch 50. From this moment on, the short-circuit current flows from the device connection 13, via the semiconductor switch 62, the diode 70, the current detection device 30, the fuse 20, the short-circuit switch 50 back to the device connection 14, whereby the fuse 20 is triggered. In the switched-on state, the only short-circuit switch 50 is now connected in series with the fuse 20.
  • the load on current paths 1 and 2 and possible connecting cables can be reduced in the event of a short circuit.
  • the rated current and overload current of the short-circuit switch 50, the semiconductor switches 61, 62 and the diodes 70, 71 as well as the electromechanical switch 80 are advantageously to be matched to the rated current (ie the tripping characteristic) of the fuses 20 and 21.
  • the mode of operation of the DC switching device 10' essentially corresponds to the mode of operation of the DC switching device 10, so that in order to avoid repetition, reference is made to the explanations regarding the DC switching device 10.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleichspannungsschaltgerät (10) mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Geräteanschluss (11-14), einem ersten Strompfad (1), einer Stromermittlungseinrichtung (30), einem zweiten Strompfad (2) und einem einzigen Kurzschlussschalter (50), wobei in den beiden Strompfaden (1, 2) jeweils eine Sicherung (20, 21) angeordnet ist. Eine antiserielle Schaltung (60), die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (61) und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (62) aufweist, ist in einem der beiden Strompfade (1, 2) angeordnet. Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (40) ist dazu ausgebildet, den einzigen Kurzschlussschalter (50) einzuschalten, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung (30) gemessene Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, wobei im eingeschalteten Zustand der einzige Kurzschlussschalter (50) in Abhängigkeit von der Richtung des durch die beiden Strompfade (1, 2) fließenden Stroms entweder mit der ersten oder mit der zweiten Sicherung (20, 21) in Reihe geschaltet ist.

Description

Phoenix Contact GmbH & Co. KG 1 26. Januar 2024
P-2023-0045 BE/WO 23PH 0007WOP
Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, und Gleichspannungssystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Gleichspannungsschaltgerät, welches insbesondere einen elektrischen Stromfluss zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Gleichspannungsschaltgeräts bzw. zwischen zwei Gleichspannungsvorrichtungen unterbrechen kann. Die Erfindung betrifft ferner ein Gleichspannungssystem, welches ein solches Gleichspannungsgerät aufweist.
Um beispielsweise eine Gleichspannungslast an eine Gleichspannungsquelle elektrisch anschalten oder von dieser trennen zu können, wird üblicherweise ein Gleichspannungsschaltgerät verwendet. An die Eingangsanschlüsse des Gleichspannungsschaltgeräts kann eine externe Gleichspannungsquelle, z.B. ein DC- Versorgungsnetz oder ein Gleichspannungsbus angeschlossen werden, während an die Ausgangsanschlüsse des Gleichspannungsschaltgeräts eine Gleichspannungslast anschaltbar ist. Zum elektrischen An- und Abschalten der Gleichspannungslast umfasst das Gleichspannungsschaltgerät zumindest ein Schaltelement. Häufig kommt hierfür ein steuerbares Halbleiterschaltelement zum Einsatz, welches in dem zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss verlaufenden Plusleiter oder in dem zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss verlaufenden Minusleiter angeordnet ist. Ferner kann zusätzlich ein elektromechanischer Schalter vorgesehen sein. Ist das Halbleiterschaltelement leitend geschaltet, so erfolgt ein Stromfluss zwischen der Gleichspannungsquelle und der Gleichspannungslast. Dieser Stromfluss kann durch ein Ausschalten bzw. Öffnen des Halbleiterschaltelements hingegen unterbunden bzw. unterbrochen werden.
Um insbesondere das Gleichspannungsgerät und/oder eine daran angeschlossene elektrische Last vor einer Beschädigung oder Zerstörung infolge eines Kurzschlusses zu schützen, sind besondere Maßnahmen zu ergreifen. So ist beispielsweise aus der EP 3 891 890 Bl ein elektronischer Schalter zum Trennen eines Stromflusses bekannt. An den elektronischen Schalter kann eine rückspeisefähige Last an einen zweiten und vierten Anschluss angeschlossen werden, während eine Energiequelle an einen ersten und dritten Anschluss angeschlossen werden kann. Ferner weist der elektronische Schalter zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter auf, um eine bi-direktionale Abschaltung des elektronischen Schalters zu ermöglichen. In Reihe mit den beiden Halbleiterschaltern sind zwei Sicherungen geschaltet, wobei die beiden Halbleiterschalter zwischen den beiden Sicherungen angeordnet sind. Die beiden Sicherungen dienen dazu, die Last, die Energiequelle oder das Schaltgerät selbst bei Auftreten eines Kurzschlussstroms zu schützen. Um insbesondere die beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschalter vor einem Kurzschlussstrom zu schützen, sind zwei Kurzschließer, die als Thyristoren ausgebildet sein können, derart mit den Sicherungen verschaltet, dass jeweils eine Reihenschaltung aus einer Sicherung und einem Kurzschließer zwischen dem ersten und dritten Anschluss und zwischen dem zweiten und vierten Anschluss liegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, und ein Gleichspannungssystem zu schaffen, welches bei einer zuverlässigen Kurzschlussfestigkeit mit weniger Bauteilen und somit kostengünstiger als der bekannte elektronische Schalter aufgebaut werden kann.
Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Gleichspannungsschaltgerät zur Verfügung zu stellen, welches mit einem einzigen Kurzschlussschalter auskommt, auch wenn das Gleichspannungsschaltgerät in beide Stromrichtungen betrieben werden kann.
Das oben genannte technische Problem wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäß ist ein Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, vorgesehen, welches beispielsweise folgende Merkmale aufweisen kann:
- einen ersten und einen zweiten Geräteanschluss,
- einen ersten Strompfad, der elektrisch mit dem ersten und zweiten Geräteanschluss verbunden ist,
- einen dritten und einen vierten Geräteanschluss,
- einen zweiten Strompfad, der elektrisch mit dem dritten und vierten Geräteanschluss verbunden ist,
- eine Stromermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch eines durch den ersten oder zweiten Strompfad fließenden Stroms zu messen,
- eine erste, im ersten Strompfad angeordnete elektrische Sicherung,
- eine zweite, im zweiten Strompfad angeordnete elektrische Sicherung,
- eine im ersten Strompfad angeordnete antiserielle Schaltung, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter und einen dazu antiseriell geschalteten zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter aufweist, wobei eine erste Diode antiparallel zum ersten Halbleiterschalter und eine zweite Diode antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter geschaltete ist, wobei die erste elektrische Sicherung und die antiserielle Schaltung in Reihe geschaltet sind,
- einen einzigen ansteuerbaren Kurzschlussschalter, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss elektrisch mit dem ersten Strompfad verbunden und zwischen dem ersten Geräteanschluss und der ersten elektrischen Sicherung angeordnet ist, und der zweite Anschluss elektrisch mit dem zweiten Strompfad verbunden und zwischen dem vierten Geräteanschluss und der zweiten elektrischen Sicherung angeordnet ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung , die mit der Stromermittlungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, den einzigen Kurzschlussschalter einzuschalten bzw. zu schließen, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung gemessene Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, wobei im eingeschalteten Zustand der einzige Kurzschlussschalter in Abhängigkeit von der Richtung des durch die beiden Strompfade fließenden Stroms entweder mit der ersten oder mit der zweiten Sicherung in Reihe geschaltet ist. Das oben genannte technische Problem wird ebenfalls mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
Demgemäß ist ein Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, vorgesehen, welches beispielsweise folgende Merkmale aufweisen kann:
- einen ersten und einen zweiten Geräteanschluss,
- einen ersten Strompfad, der elektrisch mit dem ersten und zweiten Geräteanschluss verbunden ist,
- einen dritten und einen vierten Geräteanschluss,
- einen zweiten Strompfad, der elektrisch mit dem dritten und vierten Geräteanschluss verbunden ist,
- eine Stromermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch eines durch den ersten oder zweiten Strompfad fließenden Stroms zu messen,
- eine erste, im ersten Strompfad angeordnete elektrische Sicherung,
- eine zweite, im zweiten Strompfad angeordnete elektrische Sicherung,
- eine im zweiten Strompfad angeordnete antiserielle Schaltung, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter und einen dazu antiseriell geschalteten zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter aufweist, wobei eine erste Diode antiparallel zum ersten Halbleiterschalter und eine zweite Diode antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter geschaltete ist, wobei die zweite elektrische Sicherung und die antiserielle Schaltung in Reihe geschaltet sind,
- einen einzigen ansteuerbaren Kurzschlussschalter, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss elektrisch mit dem ersten Strompfad verbunden und zwischen dem zweiten Geräteanschluss und der ersten elektrischen Sicherung angeordnet ist, und der zweite Anschluss elektrisch mit dem zweiten Strompfad verbunden und zwischen dem dritten Geräteanschluss und der zweiten elektrischen Sicherung angeordnet ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die mit der Stromermittlungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, den einzigen Kurzschlussschalter einzuschalten bzw. zu schließen, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung gemessene Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, wobei im eingeschalteten Zustand der einzige Kurzschlussschalter in Abhängigkeit von der Richtung des durch die beiden Strompfade fließenden Stroms entweder mit der ersten oder mit der zweiten Sicherung in Reihe geschaltet ist.
Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung als Mikrocontroller, Mikroprozessor oder auch als Analogschaltung implementiert.
Der Kurzschlussschalter kann beispielsweise als Thyristor oder Triac mit einer bidirektionalen Stromführung ausgebildet sein.
Um das Gleichspannungsschaltgerät energiesparend betreiben zu können, kann ein elektromechanischer Schalter mit einem mechanischen Schaltkontakt vorgesehen sein, wobei der mechanische Schaltkontakt parallel zum ersten und zweiten Halbleiterschalter geschaltet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Ansteuern des elektromechanischen Schalters ausgebildet ist. Vorzugsweise sorgt die Steuer- und Auswerteeinrichtung dafür, dass während eines Einschaltvorgangs zuerst die beiden Halbleiterschalter leitend geschaltet und anschließend der mechanische Schaltkontakt geschlossen wird.
Vorzugsweise kann an den ersten und dritten Geräteanschluss eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung und an den zweiten und vierten Geräteanschluss eine elektrische Einrichtung oder umgekehrt angeschlossen werden. Bei der elektrischen Einrichtung kann es sich um eine nicht rückspeisefähige elektrische Einrichtung, wie zum Beispiel einen ohmschen Widerstand, um eine rückspeisfähige elektrische Einrichtung oder um eine weitere Gleichspannungsversorgungseinrichtung handeln. Die Gleichspannungsversorgungseinrichtung kann zum Beispiel ein DC- Versorgungsnetz sein.
Die Stromermittlungseinrichtung kann zum Beispiel einen Stromsensor oder Magnetfeldsensor aufweisen. Ferner kann die Stromermittlungseinrichtung direkt in den jeweiligen Strompfad geschaltet sein. Alternativ kann die Strom ermittlungseinrichtung einen Shuntwiderstand aufweisen und dazu ausgebildet sein, eine Spannung an dem Shuntwiderstand und deren Polarität zu erfassen, um daraus den durch den jeweiligen Strompfad fließenden Strom und dessen Richtung zu ermitteln.
Die Stromermittlungseinrichtung kann in Reihe mit der ersten oder der zweiten Sicherung geschaltet sein.
Das oben genannte technische Problem wird ebenfalls durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
Demnach ist ein Gleichspannungssystem vorgesehen, welches das zuvor beschriebene Gleichspannungsgerät umfassen kann. An das Gleichspannungsgerät kann eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung und eine elektrische Einrichtung, beispielsweise eine rückspeisefähige elektrische Einrichtung angeschlossen sein. Die Gleichspannungsversorgungseinrichtung kann zum Beispiel eine geerdete Gleichspannungsquelle mit einem Pluspol und einem Masseanschluss, ein DC- Versorgungsnetz oder ein Gleichspannungsbus sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dienen der erste und zweite Geräteanschluss jeweils als Pluspol und der dritte und vierte Geräteanschluss jeweils als Minuspol oder Masseanschluss. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung des Gleichspannungsschaltgeräts ist beispielsweise dazu ausgebildet, insbesondere während eine Einschaltvorgangs zuerst den ersten Halbleiterschalter leitend zu steuern und gleichzeitig den zweiten Halbleiterschalter sperrend zu halten und anschließend den mechanischen Schaltkontakt zu schließen, wenn ein Strom vom ersten Geräteanschluss zum dritten Geräteanschluss fließen soll, und, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung gemessene Stromstärke den vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den ersten Kurzschlussschalter zu schließen. Dies ist vorzugsweise der Fall, wenn am ersten und dritten Geräteanschluss eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung und am zweiten und vierten Geräteanschluss eine elektrische Last, die nicht rückspeisefähig ist, angeschlossen ist. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann ferner dazu ausgebildet sein, zuerst den zweiten Halbleiterschalter leitend zu steuern und gleichzeitig den ersten Halbleiteschalter sperrend zu halten und anschließend den mechanischen Schaltkontakt zu schließen, wenn ein Strom vom zweiten Geräteanschluss zum vierten Geräteanschluss fließen soll, und, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung gemessene Stromstärke den vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den zweiten Kurzschlussschalter zu schließen. Dies ist vorzugsweise der Fall, wenn am ersten und dritten Geräteanschluss eine elektrische Last, die nicht rückspeisefähig ist, und am zweiten und vierten Geräteanschluss eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung, angeschlossen ist.
In der Praxis werden der erste und zweite Halbleiterschalter vorzugsweise gleichzeitig eingeschaltet. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn zum Beispiel am ersten und dritten Geräteanschluss eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung und am zweiten und vierten Geräteanschluss eine rückspeisefähige elektrische Last oder eine zweite Gleichspannungsversorgungseinrichtung angeschlossen ist, da die Stromrichtung nicht festgelegt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Der einfachen Darstellung wegen sind in den Zeichnungen gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines bespielhaften Gleichspannungsschaltgeräts, und Fig. 2 ein alternatives Schaltbild eines beispielhaften Gleichspannungsschaltgeräts.
Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines beispielhaften Gleichspannungssystems 5, welches ein beispielhaftes Gleichspannungsschaltgerät 10 aufweist. Das Gleichspannungsschaltgerät 10 weist einen ersten und einen dritten Geräteanschluss 11, 12 auf, an die eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 anschließbar ist. Ferner weist das Gleichspannungsgerät 10 einen zweiten und vierten Geräteanschluss 13, 14 auf, an die eine elektrische Einrichtung 90 anschließbar ist. Angemerkt sei, dass die elektrische Einrichtung 90 auch an die Geräteanschlüsse 11 und 12 und die Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 an die Geräteanschlüsse 13 und 14 angeschlossen werden können. Die Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 kann zum Beispiel eine geerdete Gleichspannungsquelle mit einem Pluspol und einem Masseanschluss, ein DC- Versorgungsnetz oder ein Gleichspannungsbus sein. Die elektrische Einrichtung 90 kann beispielsweise als rückspeisefähige oder nicht rückspeisefähige Gleichspannungs-Last 90 oder eine weitere Gleichspannungsversorgungseinrichtung ausgebildet sein.
Zwischen dem ersten Geräteanschluss 11 und dem zweiten Geräteanschluss 13 verläuft ein erster Strompfad 1. In den Strompfad 1 ist eine antiserielle Schaltung 60 und eine dazu in Reihe geschaltete elektrische Sicherung 20 geschaltet. Die antiserielle Schaltung
60 weist einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter 61 und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter 62 auf, der antiseriell zum ersten Halbleiterschalter 61 geschaltet ist. Eine erste Diode 70 ist antiparallel zum ersten Halbleiterschalter 61 und eine zweite Diode 71 ist antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter 62 geschaltet. Die beiden Halbleiterschalter 61, 62 können zum Beispiel als Feldeffekttransistoren oder als Bipolartransistor mit isolierterer Gate-Elektrode (IGBT von insulated-gate bipolar transistor) ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel sind die beiden Halbleiterschalter
61 und 62 jeweils als n-Kanal-IGBT-Transistor realisiert. Beispielsweise ist die elektrische Sicherung 20 zwischen der Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 61 und dem Geräteanschluss 11 angeordnet, während die Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 62 unmittelbar mit dem Geräteanschluss 13 verbunden sein kann.
Zwischen der Sicherung 20 und dem Kollektor- Anschluss des Halbleiterschalters 61 kann eine Stromermittlungseinrichtung 30 angeordnet sein, wie dies beispielhaft in Fig.
1 gezeigt ist. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Stromermittlungseinrichtung 30 in Reihe mit der Sicherung 20 in den ersten Strompfad 1 geschaltet sein. Allerdings kann die Stromermittlungseinrichtung 30 an jeder beliebigen Stelle in den ersten oder zweiten Strompfad 1, 2 geschaltet sein. Beispielsweise kann die Stromermittlungseinrichtung 30 auch einen in den ersten oder zweiten Strompfad geschalteten Shuntwiderstand aufweisen (nicht dargestellt). In diesem Fall ist die Stromermittlungseinrichtung dazu ausgebildet sein, eine Spannung an dem Shuntwiderstand und deren Polarität zu erfassen, um daraus den durch den jeweiligen Strompfad fließenden Strom und dessen Richtung zu ermitteln.
Stromermittlungseinrichtung Wichtig ist nur, dass die Stromermittlungseinrichtung 30, wie immer sie auch implementiert wird, dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch die Strompfade 1 und 2 fließenden Gleichstroms zu ermitteln, um einen Kurzschlussstrom zu erkennen.
Die Emitter-Elektroden der beiden Halbleiterschalter 61 und 62 bilden einen gemeinsamen Verbindungspunkt. Die Kathode der Diode 70 ist mit der Kollektor- Elektrode des Halbleiterschalters 61 verbunden, während die Anode der Diode 70 mit der Emitter-Elektrode des Halbleiterschalters 61 verbunden ist. In ähnlicher Weise ist die Kathode der Diode 71 mit der Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 62 verbunden, während die Anode der Diode 71 mit der Emitter-Elektrode des Halbleiterschalters 62 verbunden ist. Die Gate-Elektroden der Halbleiterschalter 61 und 62 sind jeweils mit einem Eingang einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein kann. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 ist eingangsseitig ebenfalls mit der Stromermittlungseinrichtung 30 verbunden.
Zwischen dem dritten Geräteanschluss 12 und dem vierten Geräteanschluss 14 verläuft ein zweiter Strompfad 2, in den bei der dargestellten Ausführungsform nur eine elektrische Sicherung 21 geschaltet ist. In dem zweiten Strompfad 2 sind vorzugsweise keine Halbleiterschalter implementiert.
Die beispielhafte Verschaltung der beiden Halbleiterschalter 61 und 62 sowie der beiden Dioden 70 und 71 sorgt dafür, dass a) wenn der erste Halbleiterschalter 61 elektrisch leitend und der zweite Halbleiterschalter 62 gleichzeitig elektrisch sperrend gesteuert sind, ein Strom vom Geräteanschluss 11 über die Sicherung 20, die Stromermittlungseinrichtung 30 den ersten Halbleiterschalter 61, die Diode 71, die Last 90, und die Sicherung 21 zum Geräteanschluss 12 fließen kann, oder dass, b) wenn der zweite Halbleiterschalter 62 elektrisch leitend und der erste Halbleiterschalter 61 gleichzeitig elektrisch sperrend gesteuert sind, ein Strom vom Geräteanschluss 13 über den zweiten Halbleiterschalter 62, die Diode 70, die Stromermittlungseinrichtung 30, die Sicherung 20, die Geräteanschlüsse 11 und 12, und die Sicherung 21 zum Geräteanschluss 14 fließen kann.
Um das Gleichspannungsgerät 10 während des Betriebs, d.h. die Last 90 ist eingeschaltet und es fließt ein elektrischer Strom zum Beispiel von der Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 über den Halbleiterschalter 61 zur Last 90, in einen Energiesparmodus schalten zu können, kann ein mechanischen Schaltkontakt 81 eines elektromechanischen Schalters 80 parallel zum ersten und zweiten Halbleiterschalter 61, 62 geschaltet sein. Der elektromechanische Schalter 80 kann als Relais ausgebildet sein. Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung weist der elektromechanische Schalter 80 eine Erregerspule 82 auf, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden sein kann, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Erregerspule 82 liegt in einem Steuerkreis, der von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 zum Öffnen und Schließen entsprechend angesteuert werden kann, um den mechanischen Schaltkontakt 81 öffnen bzw. Schließen zu können. Der mechanische Schaltkontakt 81 ist beispielsweise als Schließer ausgebildet.
Ferner weist das Gleichspannungsschaltgerät 10 einen einzigen ansteuerbaren Kurzschlussschalter 50 mit einem ersten Anschluss 50a, der als Anoden- Anschluss ausgebildet ist, und einen zweiten Anschluss 50b auf, der als Kathoden- Anschluss ausgebildet ist. Der erste Anschluss 50a ist elektrisch mit dem ersten Strompfad 1 verbunden und zwischen dem ersten Geräteanschluss 11 und der ersten elektrischen Sicherung 20 angeordnet. Der zweite Anschluss 50b ist elektrisch mit dem zweiten Strompfad 2 verbunden und zwischen dem vierten Geräteanschluss 14 und der zweiten elektrischen Sicherung 21 angeordnet. Der Kurzschlussschalter 50 weist ferner einen Steueranschluss auf, der mit einem Ausgang der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden ist. Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines weiteren beispielhaften Gleichspannungssystems 5‘, welches ein beispielhaftes Gleichspannungsschaltgerät 10‘ aufweist. Das Gleichspannungsschaltgerät 10‘ weist einen ersten und einen dritten Geräteanschluss 11, 12 auf, an die eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 anschließbar ist. Ferner weist das Gleichspannungsgerät 10 einen zweiten und vierten Geräteanschluss 13, 14 auf, an die eine elektrische Gleichspannungs-Last 90 anschließbar ist. Angemerkt sei, dass die Last 90 auch an die Geräteanschlüsse 11 und 12 und die Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 an die Geräteanschlüsse 13 und 14 angeschlossen werden können, wie dies Fig. 2 zeigt. Das Gleichspannungsschaltgerät 10‘ unterscheidet sich vom Gleichspannungsschaltgerät 10 insbesondere nur darin, dass eine antiserielle Schaltung 60 und eine in Reihe dazu geschaltete elektrische Sicherung 21 im zweiten Strompfad 2 und eine elektrische Sicherung 20 im ersten Strompfad 1 angeordnet ist. Im ersten Strompfad sind keine Halbleiterschalter angeordnet. Deshalb sind in Fig. 1 und Fig. 2 gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Zwischen dem ersten Geräteanschluss 11 und dem zweiten Geräteanschluss 13 verläuft ein erster Strompfad 1, in den bei der dargestellten Ausführungsform nur eine elektrische Sicherung 20 geschaltet ist. In dem Strompfad 1 sind keine Halbleiterschalter implementiert.
Zwischen dem dritten Geräteanschluss 13 und dem vierten Geräteanschluss 14 verläuft ein zweiter Strompfad 2. In den Strompfad 2 ist eine antiserielle Schaltung 60 und eine dazu in Reihe geschaltete elektrische Sicherung 21 geschaltet. Die antiserielle Schaltung
60 weist einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter 61 und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter 62 auf, der antiseriell zum ersten Halbleiterschalter 61 geschaltet ist. Eine erste Diode 70 ist antiparallel zum ersten Halbleiterschalter 61 und eine zweite Diode 71 ist antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter 62 geschaltet. Die beiden Halbleiterschalter 61, 62 können zum Beispiel als Feldeffekttransistoren oder als Bipolartransistor mit isolierterer Gate-Elektrode (IGBT von insulated-gate bipolar transistor) ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel sind die beiden Halbleiterschalter
61 und 62 jeweils als n-Kanal-IGBT-Transistor realisiert. Beispielsweise ist die elektrische Sicherung 21 zwischen der Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 62 und dem Geräteanschluss 12 angeordnet, während die Kollektor-Elektrode des
Halbleiterschalters 61 unmittelbar mit dem Geräteanschluss 14 verbunden sein kann.
Zwischen der Sicherung 21 und dem Kollektor- Anschluss des Halbleiterschalters 62 kann eine Stromermittlungseinrichtung 30 angeordnet sein, wie dies beispielhaft in Fig. 2 gezeigt ist. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Stromermittlungseinrichtung 30 in Reihe mit der Sicherung 21 in den zweiten Strompfad 2 geschaltet sein. Allerdings kann die Stromermittlungseinrichtung 30 an jeder beliebigen Stelle in den ersten oder zweiten Strompfad 1, 2 geschaltet sein. Beispielsweise kann die Stromermittlungseinrichtung 30 auch einen in den ersten oder zweiten Strompfad geschalteten Shuntwiderstand aufweisen (nicht dargestellt). In diesem Fall ist die Stromermittlungseinrichtung dazu ausgebildet sein, eine Spannung an dem Shuntwiderstand und deren Polarität zu erfassen, um daraus den durch den jeweiligen Strompfad fließenden Strom und dessen Richtung zu ermitteln. StromermittlungseinrichtungWichtig ist nur, dass die Stromermittlungseinrichtung 30, wie immer sie auch implementiert wird, dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch die Strompfade 1 und 2 fließenden Gleichstroms zu ermitteln, um einen Kurzschlussstrom zu erkennen.
Die Emitter-Elektroden der beiden Halbleiterschalter 61 und 62 bilden einen gemeinsamen Verbindungspunkt. Die Kathode der Diode 70 ist mit der Kollektor- Elektrode des Halbleiterschalters 61 verbunden, während die Anode der Diode 70 mit der Emitter-Elektrode des Halbleiterschalters 61 verbunden ist. In ähnlicher Weise ist die Kathode der Diode 10 mit der Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 62 verbunden, während die Anode der Diode 71 mit der Emitter-Elektrode des Halbleiterschalters 62 verbunden ist. Die Gate-Elektroden der Halbleiterschalter 61 und 62 sind jeweils mit einem Eingang einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein kann. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 ist eingangsseitig ebenfalls mit der Stromermittlungseinrichtung 30 verbunden. Die beispielhafte Verschaltung der beiden Halbleiterschalter 61 und 62 sowie der beiden Dioden 70 und 71 sorgt wiederum dafür, dass a) wenn der erste Halbleiterschalter 61 elektrisch leitend und der zweite Halbleiterschalter 62 gleichzeitig elektrisch sperrend gesteuert sind, ein Strom vom Geräteanschluss 11 über die Sicherung 20, die Last 90, den ersten Halbleiterschalter 61, die Diode 71, die Stromermittlungseinrichtung 30 und die Sicherung 21 zum Geräteanschluss 12 fließen kann, oder dass, b) wenn der zweite Halbleiterschalter 62 elektrisch leitend und der erste Halbleiterschalter 61 gleichzeitig elektrisch sperrend gesteuert sind, ein Strom vom Geräteanschluss 13 über die Sicherung 20, die Geräteanschlüsse 11 und 12, die Sicherung 21, die Stromermittlungseinrichtung 30, den zweiten Halbleiterschalter 62 und die Diode 70 zum Geräteanschluss 14 fließen kann.
Um das Gleichspannungsgerät 10 während des Betriebs, d.h. die Last 90 ist eingeschaltet und es fließt ein elektrischer Strom zum Beispiel von der Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 über den Halbleiterschalter 61 zur Last 90, in einen Energiesparmodus schalten zu können, kann ein mechanischen Schaltkontakt 81 eines elektromechanischen Schalters 80 parallel zum ersten und zweiten Halbleiterschalter 61, 62 geschaltet sein. Der elektromechanische Schalter 80 kann als Relais ausgebildet sein. Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung weist der elektromechanische Schalter 80 eine Erregerspule 82 auf, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden sein kann, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Erregerspule 82 liegt in einem Steuerkreis, der von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 zum Öffnen und Schließen entsprechend angesteuert werden kann, um den mechanischen Schaltkontakt 81 öffnen bzw. Schließen zu können. Der mechanische Schaltkontakt 81 ist beispielsweise als Schließer ausgebildet.
Ferner weist das Gleichspannungsschaltgerät 10 einen einzigen ansteuerbaren Kurzschlussschalter 50 mit einem ersten Anschluss 50a, der als Anoden- Anschluss ausgebildet ist, und einen zweiten Anschluss 50b auf, der als Kathoden- Anschluss ausgebildet ist. Der erste Anschluss 50a ist elektrisch mit dem ersten Strompfad 1 verbunden und zwischen dem zweiten Geräteanschluss 13 und der ersten elektrischen Sicherung 20 angeordnet. Der zweite Anschluss 50b ist elektrisch mit dem zweiten Strompfad 2 verbunden und zwischen dem dritten Geräteanschluss 12 und der zweiten elektrischen Sicherung 21 angeordnet. Der Kurzschlussschalter 50 weist ferner einen Steueranschluss auf, der mit einem Ausgang der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden ist.
In den Gleichspannungsgeräte 10 und 10‘ ist vorzugsweise jeweils ein vorbestimmter Schwellenwert gespeichert, der einen Kurzschlussstrom definiert. Vorzugsweise weist hierzu die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 einen Speicher auf, in dem der vorbestimmte Schwellenwert gespeichert ist. Der vorbestimmte Schwellenwert kann auch in einem separaten Speicher abgelegt werden, auf den die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 zugreifen kann.
Anzumerken ist ferner, dass die Geräteanschlüsse 11 und 13 als Pluspole fungieren können, wobei in diesem Fall der Strompfad 1 als Plusleiter fungiert. Die Geräteanschlüsse 12 und 14 können als Minuspole oder Masseanschlüsse fungieren, wobei dann der Strompfad 2 als Minusleiter bzw. Masseleitung fungiert.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Gleichspannungsgeräte 10 in Verbindung mit dem in Fig. 1 gezeigten Gleichspannungssystem 5 erläutert.
Angenommen sei nunmehr, dass das Gleichspannungssystem 5 bzw. das Gleichspannungsgerät 10 aktiviert werden soll, um die elektrische Last 90 mit der Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 elektrisch zu koppeln.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 ist deshalb dazu ausgebildet, einen Einschaltvorgang zu steuern, indem sie zuerst den Halbleiterschalter 61 elektrisch leitend und den Halbleiterschalter 62 elektrisch sperrend schaltet. In diesem Moment fließt ein Gleichstrom von der Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 über den Geräteanschluss 11, den Halbleitertransistor 61, die Diode 71, durch die Last 90 und über den Geräteanschluss 12 zurück zur Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100. Sofern der elektromechanische Schalter 80 implementiert ist, veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 das Gleichspannungsschaltgerät 10, nach einer definierbaren Zeitdauer, nachdem der Halbleiterschalter 61 leitend geschaltet worden ist, den mechanischen Schaltkontakt 81 zu schließen. Die Richtung und die Stromstärke des Gleichstroms wird vorzugsweise kontinuierlich von der Stromermittlungseinrichtung 30 ermittelt und zur Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 übertragen.
Tritt nunmehr ein Kurzschluss auf, müssten sowohl der Halbleiterschalter 61 sperrend geschaltet als auch, wenn vorhanden, der mechanische Schaltkontakt 81 geöffnet werden. Allerdings ist bedingt durch die mechanische Konstruktion und auftretende Lichtbögen die Reaktionszeit des elektromechanischen Schalters 80, den mechanischen Schaltkontakt 81 zu öffnen, zu groß, um eine sichere Kurzschlussfestigkeit zu gewährleisten. Dank der erfinderischen Maßnahme kann aber nunmehr insbesondere bei Verwendung eines elektromechanischen Schalters eine ausreichende Kurzschlussfestigkeit sichergestellt werden.
Das Auftreten eines Kurzschlusses erkennt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 daran, dass der von der Stromermittlungseinrichtung 30 gemessene Gleichstrom den vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Unter Ansprechen hierauf veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 das Gleichspannungsschaltgerät 10, den Kurzschlussschalter 50 einzuschalten bzw. zu schließen. Ab diesem Moment fließt der Kurzschlussstrom vom Geräteanschluss 11 über den Kurzschlussschalter 50, die Sicherung 21 zum Geräteanschluss 12, wodurch die Sicherung 21 ausgelöst wird. Im eingeschalteten Zustand ist der einzige Kurzschlussschalter 50 nunmehr in Reihe mit der Sicherung 21 geschaltet.
Für den Fall, dass die Last 90 dazu ausgebildet ist, Energie zur Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 zurück zu speisen, oder für den Fall, dass die Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 an den Geräteanschlüssen 13 und 14 und die Last an den Geräteanschlüssen 11 und 12 angeschlossen sind, läuft ein Einschaltvorgang des Gleichspannungsschaltgeräts 10 wie folgt ab: Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 ist nunmehr ausgebildet, einen Einschaltvorgang zu steuern, indem sie zuerst den Halbleiterschalter 62 elektrisch leitend und den Halbleiterschalter 61 elektrisch sperrend schaltet. In diesem Moment fließt ein Gleichstrom von der Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 über den Geräteanschluss 13, den Halbleitertransistor 62, die Diode 70 durch die Last 90 und über den Geräteanschluss 14 zurück zur Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100. Sofern der elektromechanische Schalter 80 implementiert ist, veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 das Gleichspannungsschaltgerät 10, nach einer definierbaren Zeitdauer, nachdem der Halbleiterschalter 62 leitend geschaltet worden ist, den mechanischen Schaltkontakt 81 zu schließen. Die Stromstärke des Gleichstroms wird vorzugsweise kontinuierlich von der Stromermittlungseinrichtung 30 ermittelt und zur Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 übertragen.
Das Auftreten eines Kurzschlusses erkennt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 daran, dass der von der Stromermittlungseinrichtung 30 gemessene Gleichstrom den vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Unter Ansprechen hierauf veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 das Gleichspannungsschaltgerät 10, den Kurzschlussschalter 50 einzuschalten. Ab diesem Moment fließt der Kurzschlussstrom vom Geräteanschluss 13, über den Halbleiterschalter 62, die Diode 70, die Stromermittlungseinrichtung 30, die Sicherung 20, den Kurzschlussschalter 50 zurück zum Geräteanschluss 14, wodurch die Sicherung 20 ausgelöst wird. Im eingeschalteten Zustand ist der einzige Kurzschlussschalter 50 nunmehr in Reihe mit der Sicherung 20 geschaltet.
Dank der speziellen Verschaltung des einzigen Kurzschlussschalters 50 mit den Sicherungen 20 und 21 kann bei Auftritt eines Kurzschlusses die Belastung der Strompfade 1 und 2 und möglicher Anschlussleitungen reduziert werden.
Ferner sei angemerkt, dass vorteilhafterweise der Nennstrom und Überlaststrom des Kurzschlussschalters 50, der Halbleiterschalter 61, 62 und der Dioden 70, 71 sowie der elektromechanische Schalter 80 auf den Nennstrom (d.h. die Auslösekennlinie) der Sicherungen 20 und 21 abzustimmen ist. Die Funktionsweise des Gleichspannungsschaltgeräts 10‘ entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise des Gleichspannungsschaltgeräts 10, so dass, um Wiederholungen zu vermeiden, insoweit auf die Erläuterungen hinsichtlich des Gleichspannungsschaltgeräts 10 verwiesen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Gleichspannungsschaltgerät (10), insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, aufweisend:
- einen ersten und einen zweiten Geräteanschluss (11, 13),
- einen ersten Strompfad (1), der elektrisch mit dem ersten und zweiten Geräteanschluss (11, 13) verbunden ist,
- einen dritten und einen vierten Geräteanschluss (12, 14),
- einen zweiten Strompfad (2), der elektrisch mit dem dritten und vierten Geräteanschluss (12, 14) verbunden ist,
- eine Stromermittlungseinrichtung (30), die dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch eines durch den ersten oder zweiten Strompfad (1, 2) fließenden Stroms zu messen,
- eine erste, im ersten Strompfad (1) angeordnete elektrische Sicherung (20),
- eine zweite, im zweiten Strompfad (2) angeordnete elektrische Sicherung (21),
- eine im ersten Strompfad (1) angeordnete antiserielle Schaltung (60), die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (61) und einen dazu antiseriell geschalteten zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (62) aufweist, wobei eine erste Diode (70) antiparallel zum ersten Halbleiterschalter (61) und eine zweite Diode (71) antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter (62) geschaltete ist, wobei die erste elektrische Sicherung (20) und die antiserielle Schaltung (60) in Reihe geschaltet sind,
- einen einzigen ansteuerbaren Kurzschlussschalter (50), der einen ersten Anschluss (50a) und einen zweiten Anschluss (50b) aufweist, wobei der erste Anschluss (50a) elektrisch mit dem ersten Strompfad (1) verbunden und zwischen dem ersten Geräteanschluss (11) und der ersten elektrischen Sicherung (20) angeordnet ist, und der zweite Anschluss (50b) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (2) verbunden und zwischen dem vierten Geräteanschluss (14) und der zweiten elektrischen Sicherung (21) angeordnet ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (40), die mit der Stromermittlungseinrichtung (30) verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (40) dazu ausgebildet ist, den einzigen Kurzschlussschalter (50) einzuschalten, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung (30) gemessene Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, wobei im eingeschalteten Zustand der einzige Kurzschlussschalter (50) in Abhängigkeit von der Richtung des durch die beiden Strompfade (1, 2) fließenden Stroms entweder mit der ersten oder mit der zweiten Sicherung (20, 21) in Reihe geschaltet ist.
2. Gleichspannungsschaltgerät (10‘), insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, aufweisend:
- einen ersten und einen zweiten Geräteanschluss (11, 13),
- einen ersten Strompfad (1), der elektrisch mit dem ersten und zweiten Geräteanschluss (11, 13) verbunden ist,
- einen dritten und einen vierten Geräteanschluss (12, 14),
- einen zweiten Strompfad (2), der elektrisch mit dem dritten und vierten Geräteanschluss (12, 14) verbunden ist,
- eine Stromermittlungseinrichtung (30), die dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines durch eines durch den ersten oder zweiten Strompfad (1, 2) fließenden Stroms zu messen,
- eine erste, im ersten Strompfad (1) angeordnete elektrische Sicherung (20),
- eine zweite, im zweiten Strompfad (2) angeordnete elektrische Sicherung (21),
- eine im zweiten Strompfad (2) angeordnete antiserielle Schaltung (60), die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (61) und einen dazu antiseriell geschalteten zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (62) aufweist, wobei eine erste Diode (70) antiparallel zum ersten Halbleiterschalter (61) und eine zweite Diode (71) antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter (62) geschaltete ist, wobei die zweite elektrische Sicherung (20) und die antiserielle Schaltung (60) in Reihe geschaltet sind,
- einen einzigen ansteuerbaren Kurzschlussschalter (50), der einen ersten Anschluss (50a) und einen zweiten Anschluss (50b) aufweist, wobei der erste Anschluss (50a) elektrisch mit dem ersten Strompfad (1) verbunden und zwischen dem zweiten Geräteanschluss (13) und der ersten elektrischen Sicherung (20) angeordnet ist, und der zweite Anschluss (50b) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (2) verbunden und zwischen dem dritten Geräteanschluss (12) und der zweiten elektrischen Sicherung (20) angeordnet ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (40), die mit der Stromermittlungseinrichtung (30) verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (40) dazu ausgebildet ist, den einzigen Kurzschlussschalter (50) einzuschalten, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung (30) gemessene Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, wobei im eingeschalteten Zustand der einzige Kurzschlussschalter (50) in Abhängigkeit von der Richtung des durch die beiden Strompfade (1, 2) fließenden Stroms entweder mit der ersten oder mit der zweiten Sicherung (20, 21) in Reihe geschaltet ist.
3. Gleichspannungsschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend einen elektromechanischen Schalter (80) mit einem mechanischen Schaltkontakt (81), wobei der mechanische Schaltkontakt (81) parallel zum ersten und zweiten Halbleiterschalter (61, 62) geschaltet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (40) zum Ansteuern des elektromechanischen Schalters (80) ausgebildet ist.
4. Gleichspannungsschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an den ersten und dritten Geräteanschluss (11, 12) eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung (100) und an den zweiten und vierten Geräteanschluss (13, 14) eine elektrische Einrichtung (90) oder umgekehrt anschließbar sind.
5. Gleichspannungsschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stromermittlungseinrichtung (30) einen Stromsensor aufweist.
6. Gleichspannungsschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stromermittlungseinrichtung (30) in Reihe mit der ersten oder der zweiten Sicherung (20, 21) geschaltet ist.
7. Gleichspannungsschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kurzschlussschalter (50) jeweils als Thyristor ausgebildet sind.
8. Gleichspannungssystem (5; 5‘) umfassend ein Gleichspannungsgerät (10; 10‘) nach einem der vorstehenden Ansprüche, eine an das Gleichspannungsgerät (10; 10‘) angeschlossene Gleichspannungsversorgungseinrichtung (100) und eine an das Gleichspannungsgerät (10; 10‘) angeschlossene elektrische Einrichtung (90).
9. Gleichspannungssystem (5; 5‘) nach Anspruch 8, wobei der erste und zweite Geräteanschluss (11, 13) jeweils als Pluspol und der dritte und vierte Geräteanschluss (12, 14) jeweils als Minuspol oder Masseanschluss festgelegt sind, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (40) des Gleichspannungsschaltgeräts (10; 10‘) dazu ausgebildet ist, zuerst den ersten und/oder zweiten Halbleiterschalter (61) leitend zu steuern und anschließend den mechanischen Schaltkontakt (81) zu schließen, und, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung (30) gemessene Stromstärke den vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den einzigen Kurzschlussschalter (50) einzuschalten
10. Gleichspannungssystem (5; 5‘) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Gleichspannungsversorgungseinrichtung (100) ein DC- Versorgungsnetz ist.
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