CN110214359B - 低电压保护装置 - Google Patents

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Abstract

在具有至少一个外部导体路径(2)和一个中性导体路径(5)的低电压保护装置(1)中，其中机械旁路开关(8)布置于所述外部导体路径(2)中，其中第一半导体电路布置(11)与所述旁路开关(8)并联连接，其中所述第一半导体电路布置(11)具有带有控制端子的至少一个功率半导体(21)，其中电流测量布置(12)布置于所述外部导体路径(2)中，连接到所述保护电路装置(1)的电子控制单元(13)，其中所述电子控制单元(13)被设计成在所述电流测量布置(12)检测到可指定的过电流后激活所述旁路开关(8)和所述第一半导体电路布置(11)，提议所述低电压保护装置(1)具有至少一个电压测量布置(80)，用于检测所述第一半导体电路布置(11)的所述至少一个功率半导体(21)处的密勒效应引起的电压峰值。

Description

低电压保护装置
技术领域
本发明涉及一种低电压保护装置。
背景技术
对应的保护装置从申请人的WO 2015/028634 A1已知。当保护装置切断时，第一旁路开关断开，使得发生电弧且电流换向到半导体电路布置。随后，先前激励的半导体电路布置切断，且开路触点断开以提供电流隔离。这些开路触点与旁路开关串联连接。
当短路电流中断时，重要的是旁路开关的触点断开得足够远，使得当短路电流中断时旁路开关的触点处不会点燃电弧。然而，同时，短路电流应尽可能快速中断以便使下游网络中以及半导体电路布置中的负载最小化。利用短路电流的早期和/或快速中断，有可能在上升期，甚至在电流达到由供电网络的内阻以及下游网络的电阻确定的其最大振幅之前中断电流，借此使得有可能进一步使网络和装置上的负载最小化。
以电学和/或电磁方式激活旁路开关使得其触点断开，是已知的惯例。同时启动计时器。假定在此情况下，在特定时间周期之后，旁路开关的触点断开得足够宽，使得其可安全地中断短路电流，且其已经呈现充分稳定和/或静止状态。此时间周期必须对照安全因素调适以确保旁路开关的触点实际上断开得足够宽。这些安全因素必须具有必需的尺寸且因此是充分的-归因于机械开关的断开行为的显著变化。结果是短路电流的中断迟延，以及对应地网络和半导体电路布置上的负载较高。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种开头所述类型的低电压保护装置，借此可避免所提及的缺点，且可使短路负载对于低电压保护装置自身且对于待保护的电气网络最小化。
这根据本发明通过以下特征实现：所述低电压保护装置具有至少一个电压测量布置，用于检测所述第一半导体电路布置的所述至少一个功率半导体处的密勒效应引起的电压尖峰。
如此，旁路开关的触点实际开始断开的时间点可非常准确地检测到，且可用于控制半导体电路布置。
在本发明中，利用电弧电压对所谓的密勒效应的影响来检测旁路中继器是否已经断开或不处于电气故障条件下。当旁路开关8断开时，形成电弧，且触点处的电压非常快速地上升到电弧电压。爬升率可以是几百伏/微秒。功率半导体在此情况下已经被激励。如果功率半导体被设计为IGBT，则此电压改变致使栅极-集极电容的电荷反转，从而导致栅极电压的可容易感知的增加。可利用此增加来检测旁路开关的触点是否已经移动而断开。
旁路开关为机械开关。此开关的机械触点的断开决不会恰好等于相同旁路开关或另一类似旁路开关的先前断开。在传统低电压保护装置中，必须通过适当补偿措施来考虑此特性。已发现，在断开过程期间，触点断开的初始阶段-也就是说，从旁路开关的电致动到触点的实际断开开始的时间的周期，即，当可移动触点的第一移动实际发生时-确切地说是旁路开关的整个切换过程的导致最大时间变化的阶段。触点断开的后续阶段(其中可移动触点已经在运动中，且仅必须行进穿过剩余断开路径)已经证明是相对恒定的。
利用当前措施，可检测到旁路开关处实际触点断开的时间点，且所述时间点可充当计时器的开始点，计时器可随后从此时间点开始对到触点完全断开的非常精确的已知时间跨度进行计数。此计时器可与时间相关性低得多的补偿措施一起工作。因此，短路电流可在技术上可能的时间切断，而不使网络和半导体电路布置暴露于短路电流的进一步负载。
以下项涉及本发明的进一步有利实施例：
优选地，其中，所述电压测量布置连接到所述电子控制单元。
优选地，其中，所述控制单元和/或所述电压测量布置被设计成检测在输出旁路开关断开信号之后发生的可指定的电压峰值。
优选地，其中，所述控制单元具有以所述电压峰值的检测启动的计时器，且所述控制单元被设计成在所述计时器到期之后将开关关断信号输出到所述第一半导体电路布置。
优选地，其中，第一旁路二极管连接于所述功率半导体的所述控制端子和供应电压端子之间。
优选地，其中，所述电压测量布置布置于与所述第一旁路二极管并联的电路中。
优选地，其中，两个反串联布置的齐纳二极管连接于所述功率半导体的所述控制端子和所述功率半导体的接地端子(83)之间。
优选地，其中，所述电压测量布置布置于与所述两个齐纳二极管并联的电路中。
优选地，其中，阻尼器并联连接到所述至少一个功率半导体。
附图说明
将参考附图更详细地描述本发明，附图中仅借助于实例示出优选实施例。在图式中：
图1示出根据现有技术的第一保护装置；
图2示出根据本发明的低电压保护装置的电路布置的第一实施例；以及
图3示出根据本发明的低电压保护装置的电路布置的第二实施例。
具体实施方式
图1示出低电压保护装置1的优选实施例，所述低电压保护装置具有从低电压保护装置1的外部导体电力端子3到低电压保护装置1的外部导体负载端子4的至少一个外部导体路径2，以及从低电压保护装置1的中性导体端子6到低电压保护装置1的中性导体负载端子7的中性导体路径5，其中机械旁路开关8布置于外部导体路径2中，其中低电压保护装置1的半导体电路布置11并联连接到旁路开关8，其中半导体电路布置11具有至少一个功率半导体21，确切地说IGBT，所述至少一个功率半导体具有控制端子，确切地说栅极端子，其中电流测量布置12布置于外部导体路径2中，连接到保护装置1的电子控制单元13，其中电子控制单元13被设计成在电流测量布置12检测到预先可指定的过电流，确切地说短路电流的情况下，激活旁路开关8和半导体电路布置11。
图2和3各自示出低电压保护装置1的电路布置的不同实施例，所述低电压保护装置具有至少一个电压测量布置80，用于检测密勒效应引起的电压尖峰-也就是说，归因于第一半导体电路布置11的所述至少一个功率半导体21中的所谓的密勒效应而产生的电压尖峰和/或电压增加。因此在功率半导体路径21和/或其(确切地说，寄生)电容中产生对应电压峰值，但所述对应电压峰值可在低电压保护装置1的可检测到其的任一点处被吸收。
因此，旁路开关8的触点实际开始断开的时间点可非常精确地检测到，并被用于控制半导体电路布置11。
当旁路开关8断开时，形成电弧。由于电弧处的电位差，存在电流流动。归因于所谓的密勒效应，当电流首先流动穿过功率半导体21(其确切地说为IGBT或MOSFET)时，存在显著且非常短的电压尖峰。因为电流首先经过功率半导体21的流动是由于旁路开关8的触点开始断开时的电弧而开始，所以所述电压峰值与旁路开关8的断开的实际开始一致。
旁路开关8为机械开关。此开关的机械触点的断开决不会恰好与相同旁路开关8或另一类似旁路开关8的先前断开相同。在传统低电压保护装置1中必须通过适当补偿措施来考虑此特性。已发现，在断开过程期间，触点断开的初始阶段-也就是说，从旁路开关8的电致动到触点的实际断开开始的时间的周期，即，当可移动触点的第一移动实际发生时-确切地说是旁路开关8的整个切换过程的导致最大时间变化的阶段。触点断开的后续阶段(其中可移动触点已经在运动中，且仅必须行进穿过剩余断开路径)已经证明是相对恒定的。
利用当前措施，可检测到旁路开关8处实际触点断开的时间点，且所述时间点可充当计时器的开始点，计时器可随后从此时间点开始对到触点完全断开的非常精确的已知时间跨度进行计数。此计时器可与时间相关性低得多的补偿措施一起工作。因此，短路电流可在技术上可能的时间切断，而不使网络和半导体电路布置11暴露于短路电流的进一步负载。
因为短路更快速地断电，所以可随后在半导体电路布置11中使用具有较低最大负载的功率半导体20、21。与可承受较高负载的功率半导体20、21相比，此类功率半导体20、21具有较低内阻和较小物理尺寸。归因于较小尺寸，确切地说功率半导体21内的较短路径，低电压保护装置1的相关回路电感减小，使得短路电流到半导体电路布置11的换向时间可直接进一步缩短。较低内阻进一步缩短换向时间。
通过使短路或过载电流快速断电，以泄漏电感和/或网络电感的形式存储比原本少的能量，借此保护电涌放电器19和阻尼器24。这些也可制造得更小。
当前低电压保护装置1以及根据WO 2015/028634 A1的保护装置是低电压保护装置。低电压被视为通常表示至多达1000V AC电压和/或1500VDC电压的范围。
图1示出举例来说根据如WO 2015/028634 A1中所描述的现有技术的保护装置。其具有外部导体路径2和中性导体路径5。外部导体路径2从外部导体电力端子3延伸穿过保护装置1到达外部导体负载端子4。中性导体路径5从中性导体端子6延伸穿过保护装置1到达中性导体负载端子7。相应端子3、4、6、7各自被设计为螺旋式端子和/或***式端子，且布置于保护装置1中从而允许从外部接达。
保护装置1优选地具有由绝缘材料制成的外壳。机械旁路开关8布置于外部导体路径2中。此外，电涌放电器19并联连接到旁路开关8。
在外部导体路径2中，第一机械隔离开关9进一步与旁路开关8串联布置。第二机械隔离开关10布置于中性导体路径5中。半导体电路布置11并联连接到旁路开关8。
保护装置1进一步包括电流测量布置12，其布置于外部导体路径2中且优选地设计成包括分流电阻器。
电流测量布置12连接到保护装置1的电子控制单元13，所述电子控制单元优选地设计成包括微控制器和/或微处理器。电子控制单元13被设计成控制旁路开关8和第一半导体电路布置11，以及第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10，且因此以预先可指定的方式对其进行致动和/或切换。出于此目的，电子控制单元13连接到半导体电路布置11，并且优选地在电路中还连接到机械开关的(尤其)电磁致动元件，即，旁路开关8、第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10。从电子控制单元13开始的对应连接未图示。
半导体电路布置11优选地具有整流器电路20，其优选地被设计为全桥，且在当前实施例中，两个功率半导体21，其在此情况下设计为IGBT，作为实际开关元件和/或控制元件。在此情况下，可提供单个较大功率半导体21。
在图1中，除实际保护装置1外还指示电气环境。供电网络由AC/DC电力网电压源16、网络内阻17和电网电感18表示。此外，示出电负载23和呈短路形式的电气故障22。
在根据图1的开关装置中，断电过程由旁路开关8和半导体电路布置11实行，且第一和第二隔离开关9、10仅用以确保断电之后负载电路的电流隔离。
根据本发明的低电压保护装置1优选地关于例如图2和3中示出的所有其它特征对应于根据图1的低电压保护装置。在根据本发明的低电压保护装置1的两极型式中，指定为中性导体路径5和/或穿过低电压保护装置1的电路连接的路径对应于上文描述的外部导体路径2而设计和/或必须对应于上文描述的外部导体路径2而设计。
低电压保护装置1具有至少一个电压测量布置80，用于检测第一半导体电路布置11的所述至少一个功率半导体21中的密勒效应引起的电压尖峰。
在此情况下，用于测量控制连接电压的电压测量布置80可构造于所述至少一个功率半导体21上和/或对应地布置在低电压保护装置1中。在作为IGBT的功率半导体21的优选实施例中，控制端子为所谓的栅极连接。在此情况下，测量栅极电压。如果功率半导体21被设计为MOSFET，则所谓的栅极电压还将测量为控制端子电压。
电压测量布置80优选地连接到电子控制单元13。
如已经陈述，电压测量布置80用以检测归因于密勒效应而产生的电压峰值。因此，控制单元13和/或电压测量布置80优选地相应地设计以检测旁路开关断开信号输出之后发生的可指定的电压峰值。在此上下文中，电压测量布置80优选地具有对应地高的时间分辨率以便检测峰值。在控制单元13和/或电压测量布置80的优选数字实施例中，模拟电压信号优选地以数字方式以至少20kHz(优选地40kHz)的取样速率检测到。
因为检测到的电压峰值仅在非常特定的时间点发生，和/或在非常特定的时间点预期和评估(即，在旁路开关8已激活以断开触点之后)，所以电压测量布置80可仅在此过程期间处于操作中，且控制单元13可相应地设计。这使得有可能保持低电压保护装置1的功率消耗和自热为低。
然而，电压测量布置80大体上恒定地监测对应的电压对于低电压保护装置1的总体操作来说已经被证明是有利的。以此方式，控制单元13可监测功率半导体21的功能以确定其是否接通或在运行。
控制单元13优选地具有计时器，其在检测到电压峰值后启动，且控制单元13优选地被设计成在计时器到期之后将开关关断信号输出到第一半导体电路布置11。以此方式，使短路电流断电的时间可缩短，如上文已经陈述。
控制单元13还可进一步包括比较和/或分析单元，其被设计成检查电压尖峰以确定其是否实际上为由于密勒效应而产生的可指定的和/或预期的电压尖峰。在此情况下，可使用和/或调适从电弧检测器的领域已知的方法。
图2示出根据本发明的低电压保护装置1的电路布置的第一实施例。第一旁路二极管82连接于功率半导体21的控制端子81和供应电压端子85之间，且第二旁路二极管84连接于功率半导体21的控制端子81和功率半导体21的接地端子83之间。旁路二极管82、84主要用于保护功率半导体21。第一旁路二极管82还实现还可检测到由于密勒效应而产生的对应电压峰值所针对的电压的减小，这就是为何电压测量布置80优选地与第一旁路二极管82并联布置于电路中。
根据图2和3的电路布置进一步具有两个电容器88以便任选地增加密勒效应，且因此产生更清楚地可检测的电压峰值。然而，两个电容器88还可为纯寄生电容。
图3示出根据本发明的低电压保护装置1的电路布置的第二实施例。在根据图3的实施例中，在半导体电路布置11的所述至少一个功率半导体21处测量控制端子电压(确切地说，栅极电压)。
在根据图3的实施例中，两个反串联布置的齐纳二极管86连接于功率半导体21的控制端子81和功率半导体21的接地端子83之间，同样主要用于保护功率半导体21。电压测量布置80与所述两个齐纳二极管86并联布置于电路中。

Claims (9)

1.一种低电压保护装置(1)，其具有从所述低电压保护装置(1)的外部导体电力端子(3)到所述低电压保护装置(1)的外部导体负载端子(4)的至少一个外部导体路径(2)，以及从所述低电压保护装置(1)的中性导体端子(6)到所述低电压保护装置(1)的中性导体负载端子(7)的中性导体路径(5)，其中机械旁路开关(8)布置于所述外部导体路径(2)中，其中所述低电压保护装置(1)的第一半导体电路布置(11)并联连接到所述旁路开关(8)，其中所述第一半导体电路布置(11)具有至少一个功率半导体(21)，所述至少一个功率半导体具有控制端子，其中电流测量布置(12)布置于外部导体路径(2)中，连接到所述低电压保护装置(1)的电子控制单元(13)，其中所述电子控制单元(13)被设计成在所述电流测量布置(12)检测到预先可指定的过电流，激活所述旁路开关(8)和所述第一半导体电路布置(11)，所述低电压保护装置的特征在于，所述低电压保护装置(1)具有至少一个电压测量布置(80)，用于检测所述第一半导体电路布置(11)的所述至少一个功率半导体(21)处的密勒效应引起的电压尖峰；
其中，所述电压测量布置(80)连接到所述电子控制单元(13)；
其中，所述电子控制单元(13)和/或所述电压测量布置(80)被设计成检测在输出旁路开关断开信号之后发生的可指定的电压峰值；以及
其中，所述电子控制单元(13)具有以所述电压峰值的检测启动的计时器，且所述电子控制单元(13)被设计成在所述计时器到期之后将开关关断信号输出到所述第一半导体电路布置(11)。
2.根据权利要求1所述的低电压保护装置(1)，其特征在于，第一旁路二极管(82)连接于所述功率半导体(21)的所述控制端子(81)和供应电压端子(85)之间。
3.根据权利要求2所述的低电压保护装置(1)，其特征在于，所述电压测量布置(80)布置于与所述第一旁路二极管(82)并联的电路中。
4.根据权利要求1所述的低电压保护装置(1)，其特征在于，两个反串联布置的齐纳二极管(86)连接于所述功率半导体(21)的所述控制端子(81)和所述功率半导体(21)的接地端子(83)之间。
5.根据权利要求4所述的低电压保护装置(1)，其特征在于，所述电压测量布置(80)布置于与所述两个齐纳二极管(86)并联的电路中。
6.根据权利要求1所述的低电压保护装置(1)，其特征在于，阻尼器(24)并联连接到所述至少一个功率半导体(21)。
7.根据权利要求1所述的低电压保护装置(1)，其特征在于，所述功率半导体(21)是IGBT。
8.根据权利要求1所述的低电压保护装置(1)，其特征在于，所述控制端子是栅极端子。
9.根据权利要求1所述的低电压保护装置(1)，其特征在于，所述预先可指定的过电流是短路电流。
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