CN110462956A - 用于能连接到低压直流电压电网上的负载的电子保险设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于能连接到低压直流电压电网上的负载(RL)的电子保险设备，所述电子保险设备由设置在输入端子与负载之间的组件构成，所述组件包括电压监控单元(TVS1，R1)、电流监控单元(Shunt，OPV)以及半导体开关单元(MOSFET)和与此相关联的控制装置(μC)。根据本发明，在输入端子上连接有由TVS二极管(TVS1)和电阻器(R1)构成的串联电路，其中，所述电阻器与微控制器(μC)的第一连接端(2)连接，并且在过电压引起而达到在TVS二极管上的击穿电压的情况下，在电阻器上造成的电压降为微控制器提供过电压识别信号。微控制器的第二连接端(2)与第一半导体开关单元(MOSFET)连接，其中，所述第一半导体开关单元作为纵向开关与所述负载(RL)串联，其中，在存在所述过电压识别信号时，微控制器禁用所述第一半导体开关单元。构成为电流监控单元的分流器与所述负载串联，其中，在分流器上的电压降由微控制器经由第三连接端(3)分析，并且在识别出过电流超过阈值时，借助于第一半导体开关单元关断所述负载。在所述输入端子之间还连接有MOS‑GATE晶闸管(MGT)，所述MOS‑GATE晶闸管的控制输入端与微控制器的第四连接端(4)连接，使得在存在过电压识别信号时，MOS‑GATE晶闸管能够被置于接通状态中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于能连接到低压直流电压电网上的负载的电子保险设备，所述电子保险设备由设置在输入端子与负载之间的组件构成，所述组件包括电压监控单元、电流监控单元以及半导体开关单元和根据权利要求1所述的与此相关联的控制装置。
背景技术
电子保险设备在不同的实施方式中属于现有技术。所述保险设备的典型的工作范围在位于12V与100V之间的直流电压的电压等级中位于直至200A的范围中。
为了保护直流电压电网和连接到所述直流电压电网上的耗电器，还已知基于变阻器、气体放电器、火花隙等的过电压保护装置。如果以不协调的方式使用已知类型的过电压保护装置和电子保险设备，那么会产生不可控的问题，所述问题会引起保险设备的不期望的触发或过电压保护设备的不经意的响应，并且因此引起不允许的长的失效时间。尤其对于工业应用，必须避免这样的失效时间。同样适用的是，应排除至今为止对保护装置的常见的手动重启。
关于这方面，US 5 875 087 A示出一种具有用于保护电气***的内部控制装置的保护装置，其中，在该处公开了一种用于交流电网的过电压和过电流保护与自动复位的组合。根据US 5 875 087 A，为了检测过电流而使用电流传感器，所述电流传感器对数字控制单元提供相关的电流数据。所述控制单元评估该数据并且驱动机械开关装置或能热激活的开关。然而，机械或热学开关装置的使用又引起不可接受的长的反应时间。
从DE 10 2015 105 426 A1中已知一种用于可再充电的电能储存器的安全装置。关于这方面，如果存在异常参数，则应能够实现快速禁止或中断电通流。在此，同时应降低对于安全装置的能量消耗。根据该处的教导，使用多个半导体开关单元，以根据对电流和/或电压的监控来初级可逆地禁止电通流。对于不可逆地禁止电通流，存在可烟火触发的开关单元。与技术耗费和这种可烟火驱动的开关单元的触发时间无关，不能或仅能够以很大的耗费才能将负载与供电装置或电网重新连接。
借助至今已知的电子保险设备不可行的是，保护所连接的耗电器免受具有8/20μs或10/350μs的脉冲形状的瞬态过电压并且同时免受所产生的短路电流。关于这方面，在纳秒范围中的反应时间是必要的。同样地，必须存在能实现低的响应电压的可能性。
发明内容
因此，根据上述内容，本发明的目的是，提出一种用于能连接到低压直流电压电网上的负载的进一步改进的电子保险设备，所述电子保险设备完全省去机械开关元件或开关装置，并且所述电子保险设备能够确保在纳秒范围中的响应时间。在此，要提供的电子保险设备应以组合的方式确保保护以免过电压和过电流。在过电压事件停止的情况下，所述电子保险设备应自动转入正常运行状态中，而无需手动干预。
本发明的目的的解决方案借助根据按照专利权利要求1的特征组合的电子保险设备来实现，其中，所述从属权利要求至少包括适宜的设计方案和进一步改进方案。
借助根据本发明的保险设备，在使用微控制器的情况下由集成的逻辑电路来评估相应的事件。因此，能够与过电压时间分开地评估负载短路。如果由于过电压事件而引起保险设备的响应，那么所述保险设备能够在过电压之后由微控制器再次复位，使得不会引起要保护的***或负载的失效。
因此，借助根据本发明的解决方案，不再需要的是，通过两个电路单元或设备来实现过电压保护和过电流保护。不再需要在触发保险设备之后进行外部的***评估。同样不需要再次从外部激活已响应的保险设备。
此外，借助根据本发明的组合能够实现，确保在例如24伏***的直流电压电网中所需的低的响应电压。关于这方面，使用快速切换的MOSFET或IGBT。
借助根据本发明的解决方案还能够实现，引起对负载的保护以免受所谓的功率交叉、意即较高的电压电势对额定电压的串扰。
电子保险设备由设置在输入端子与负载之间的组件构成。所述组件包括电压监控单元、电流监控单元、以及半导体开关单元和与此相关联的控制装置。
根据本发明，首先在输入端子上连接有由TVS二极管和电阻器构成的串联电路。微控制器的第一连接端连接在位于电阻器与TVS二极管之间的连接点上。
在过电压引起而达到TVS二极管的击穿电压的情况下，在电阻器R1上造成的电压降将信号提供给微控制器的第一连接端。所述信号用作为过电压识别信号。
微控制器的第二连接端与第一半导体开关单元连接。
第一半导体开关单元设置为与负载串联的纵向开关，其中，在存在过电压识别信号时，所述微控制器禁用第一开关单元。
与负载串联的还有分流器，所述分流器构成为电流监控单元。
在分流器上的电压降由微控制器经由第三连接端进行分析。在识别出过电流超过阈值时，借助于半导体开关单元、优选构成为MOSFET的半导体开关单元来关断所述负载。
此外，在输入端子之间存在MOS-GATE晶闸管，所述MOS-GATE晶闸管的控制输入端与微控制器的第四连接端连接。
在存在过电压信号时，MOS-GATE晶闸管经由第四连接端被置于接通状态中。
所阐述的保险设备的过电流功能如此地实现，使得如果在负载上出现短路或者电流值大于预设的阈值，那么所述微控制器经由在分流器上的电压降识别出这种情况并且关断所述负载。然后，可以自动地进行负载接入，但是也可以经由外部复位进行负载接入。
如果发生过电压事件，那么负载上的电压会增加直至达到二极管TVS的击穿电压。在电阻器上所造成的电压降对于微控制器用作为过电压识别信号，然后所述过电压识别信号操控所述MOS-GATE晶闸管，使得限制所述过电压。
与MOS-GATE晶闸管并联地，但是也代替这样的晶闸管地，可以使用半导体开关、例如构成为IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)的半导体开关。除了这样的IGBT以外，构成为MOSFET的第一半导体开关单元也根据下述关系式限制负载上的电压：
ULast＝Un+UG+CDS*du/dt。
在本发明的进一步改进方案中，在微控制器的第二连接端与第一半导体开关单元之间设有第一驱动器。
在所述微控制器的第二连接端与MOS-GATE晶闸管或IGBT的控制输入端之间设有第二驱动器，所述第二驱动器优选电流隔离地实现。
如果在负载上的电压上升到高于第一驱动器的栅极电压，那么没有正的栅极-源极电压存在在第一半导体开关单元上，这自动地引起所述第一半导体开关单元的关断。因此，仅经由在构成为MOSFET的第一半导体开关单元的电容器上的电压变化，还可以进一步升高在负载上的电压(电容CDS)。只要经由二极管TVS记录到过电压，那么微控制器就会关断所述MOSFET。只有在对识别到的过电压事件完整处理之后，所述微控制器才再次自动地接入负载，由此避免了不需要的设备停止运转。
如已经提及的那样，根据本发明，电子保险设备也可以用于保护以免功率交叉或其它持久的或临时的电压过高。在这种情况下，经由TVS二极管识别：是否存在过电压。然而，所述过电压不会像在瞬态事件中那样在100μs至2ms的时间内消退。因此，在IGBT在该时间之后关断的情况下，控制信号经由TVS二极管重新存在在微控制器上。如果IGBT在多次尝试关断之后、例如在5-10ms的时间之后仍无法处理过电压，那么推断出暂时的过电压。如果识别出这种暂时的过电压，那么所述微控制器持久地接通IGBT，并且因此触发上游的无源的保险设备元件F1。
在分析和确定过电压事件结束之后，自动再次接通保险设备。这例如通过如下方式实现：IGBT或MOS-GATE晶闸管在短时间内周期性地关断，并且在此经由具有TVS二极管的串联电路的电阻器来跟踪电压变化曲线的反应。
在本发明的进一步改进方案中，在输入端子、优选与MOS-GATE晶闸管反并联的输入端子之间还可以设有阻塞二极管，所述阻塞二极管导出负的过电压事件。正的过电压事件通过由TVS二极管和电阻器构成的串联电路检测。
为了驱动大的电容性负载，第一半导体开关单元的接通时间能够通过RC电路控制。
在这种情况下，能够调节RC电路的在第一半导体开关单元的栅极与微控制器的第二连接端之间的与此相关的电阻。
在电流监控单元的分流器上连接有运算放大器，所述运算放大器与微控制器的第三连接端连接。
在本发明的进一步改进方案中，为了限制短路电流，可以与负载串联连接有电感器。
用于触发第一半导体开关单元的反应时间可以通过设置在运算放大器上的R-C组合来预设。
附图说明
以下借助实施例以及借助于附图更详细地阐述本发明。
在此：
图1示出用于原理性阐述本发明的框图；和
图2示出一种根据本发明的进一步改进方案，其中示出一方面用于过电压保护以及另一方面用于保护以防过电流的单元(分别以虚线示出的框架)。
具体实施方式
在与此相关的直流电压电网的输入端子0V/24V之间，位于经典的熔断器F(图1)或F1(图2)下游的是由TVS二极管TVS和电阻器R1构成的串联电路。
电阻器R1与微控制器μC的第一连接端1连接。
在过电压引起的事件中(这超过TVS二极管TVS的击穿电压)，出现在电阻器R1上造成的电压降。所述电压降由微控制器μC经由输入端1检测并且作为过电压识别信号处理。
微控制器μC的第二连接端2与第一半导体开关单元MOSFET；M1连接，其中，所述第一半导体开关单元MOSFET；M1作为纵向开关与负载RL串联。
当如上所述存在过电压识别信号时，微控制器μC禁用第一半导体开关单元MOSFET；M1。
构成为电流监控单元的分流器Rshunt与负载RL串联，其中，在分流器上的电压降由微控制器μC经由第三连接端3分析，并且在识别到超过阈值的过电流时，借助于第一半导体开关单元MOSFET；M1关断所述负载RL。
此外，在输入端子0V/24V之间连接有MOS-GATE晶闸管MGT或IGBT(如图2)，其控制输入端与微控制器μC的第四连接端4连接，使得在存在过电压识别信号时，MOS-GATE晶闸管MGT或IGBT(图2中以虚线示出)能够被置于接通状态中。
在微控制器μC的第二连接端2与第一半导体开关单元MOSFET；M1之间设有第一驱动器T1(图1)或THS(图2)。
在微控制器μC的第四连接端4与MGT或IGBT的控制输入端之间设有第二驱动器T2，所述第二驱动器根据图2优选实现为电流隔离的驱动器Tgalv。
根据图2的实施方式，与MOS-GATE晶闸管MGT或IGBT反并联地还存在阻塞二极管D1，以用于导出负的过电压事件。正的过电压事件通过由TVS二极管TVS和电阻器R1构成的串联电路检测。
在将IGBT用作为第二半导体开关单元的实施方式中，IGBT的控制输入端连接在第二驱动器T2或者说Tgalv上。所述驱动器T2可以如在图1中象征性地示出那样仍与电流源连接。
为了驱动大的电容性负载，第一半导体开关单元M1(参见图2)的接通时间能够由RC电路RGvari；CGS控制。
RC电路的位于第一半导体开关单元M1的栅极与微控制器的第二连接端2之间的电阻器RGvari可以构成为可调节的电阻器。
运算放大器OPV的两个输入端可以与分流器(参见图1)直接连接或者但是也可以利用另一R-C组合来布线。
关于这方面，如在图2中示出，在运算放大器OPV上在运算放大器的输入连接端之间构成有电容器Cr，并且在运算放大器的输入端和分流器之间构成有电阻器Rr。经由适宜地选择与此相关的R-C组合，能够预设用于触发第一半导体开关单元M1的反应时间treaction。
借助所阐述的根据实施例实现的电子保险设备，可以在24V的额定电压下覆盖8至48V的输入电压范围。作为标称电流，例如设定10A的值，其中，最大电流是可调节的。电容性负载可以达到直至15mF的范围中。
除了分析在分流器上的电压降以外，还可以通过在MOSFET的漏极和源极之间的电压降来探测过电流事件。用于MOSFET M1的栅极电压通过电荷泵和所谓的高侧驱动器THS生成，其中，在接通期间能够实现高于输入电压12至15V的电压。
Claims (11)
1.一种用于能连接到低压直流电压电网上的负载(RL)的电子保险设备，所述电子保险设备由设置在输入端子(0V/24V)与负载(RL)之间的组件构成，所述组件包括电压监控单元、电流监控单元以及半导体开关单元和与此相关联的控制装置，
其特征在于，
在输入端子(0V/24V)上连接有由TVS二极管(TVS)和电阻器(R1)构成的串联电路，其中，所述电阻器(R1)与微控制器(μC)的第一连接端(1)连接，并且在过电压引起而达到TVS二极管(TVS)的击穿电压的情况下，在所述电阻器(R1)上造成的电压降为微控制器(μC)提供过电压识别信号，
所述微控制器(μC)的第二连接端(2)与第一半导体开关单元(M1；MOSFET)连接，其中，第一半导体开关单元(M1；MOSFET)作为纵向开关与负载(RL)串联，其中，在存在所述过电压识别信号时，微控制器(μC)禁用第一半导体开关单元(M1；MOSFET)，构成为电流监控单元的分流器(Rshunt)与负载(RL)串联，其中，在所述分流器(Rshunt)上的电压降由微控制器(μC)经由第三连接端(3)分析，并且在识别出过电流超过阈值时，借助于第一半导体开关单元(M1；MOSFET)关断所述负载(RL)，在所述输入端子(0V/24V)之间还连接有MOS-GATE晶闸管(MGT；IGBT)，所述MOS-GATE晶闸管的控制输入端与微控制器(μC)的第四连接端(4)连接，使得在存在过电压识别信号时，所述MOS-GATE晶闸管(MGT；IGBT)能够被置于接通状态中。
2.根据权利要求1所述的电子保险设备，其特征在于，在所述微控制器(μC)的第二连接端(2)与所述第一半导体开关单元(M1；MOSFET)之间设有第一驱动器(T1；THS)。
3.根据权利要求1或2所述的电子保险设备，其特征在于，在所述微控制器(μC)的第四连接端(4)与所述MOS-GATE晶闸管(MGT)的控制输入端之间设有第二驱动器(T2)、优选电流隔离的第二驱动器。
4.根据上述权利要求之一所述的电子保险设备，其特征在于，与所述MOS-GATE晶闸管(MGT；IGBT)反并联地还存在阻塞二极管(D1)，以用于导出负的过电压事件，其中，正的过电压事件通过由TVS二极管(TVS)和电阻器(R1)构成的串联电路检测。
5.根据上述权利要求之一所述的电子保险设备，其特征在于，与所述MOS-GATE晶闸管(MGT)并联连接有第二半导体开关单元，所述第二半导体开关单元构成为IGBT，其中，所述IGBT的控制输入端与微控制器(μC)的第四连接端(4)连接，或者所述IGBT代替所述MOS-GATE晶闸管(MGT)。
6.根据权利要求5和3所述的电子保险设备，其特征在于，所述IGBT的控制输入端连接在第二驱动器(T2；Tgalv)上。
7.根据上述权利要求之一所述的电子保险设备，其特征在于，为了驱动大的电容性负载，所述第一半导体开关单元(M1)的接通时间能够由RC电路(RGvari；CGS)控制。
8.根据权利要求7所述的电子保险设备，其特征在于，所述RC电路的位于第一半导体开关单元(M1)的栅极与微控制器(μC)的第二连接端(2)之间的电阻器(RGvari)是可调节的。
9.根据上述权利要求之一所述的电子保险设备，其特征在于，在所述分流器处连接有运算放大器(OPV)，所述运算放大器与微控制器的第三连接端(3)连接。
10.根据上述权利要求之一所述的电子保险设备，其特征在于，为了限制所述短路电流，与所述负载(RL)串联连接有电感器(Llimit)。
11.根据权利要求9所述的电子保险设备，其特征在于，用于触发所述第一半导体开关单元(M1)的反应时间能够通过设置在运算放大器(OPV)上的R-C组合(Rc；Cr)来预设。
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