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Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Hybridschalter und einen Hybridschalter. Der Hybridschalter weist einen Hauptstrompfad mit einem Trennelement und einen parallel zu dem Hauptstrompfad geschalteten Nebenstrompfad mit einem Halbleiterschalter auf.
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Aus der WO 2010 / 108 565 A1 ist ein Hybridschalter (hybrider Trennschalter) mit einem mechanischen Schalter oder Trennelement und einer diesem parallel geschalten Halbleiterelektronik bekannt, die einen Halbleiterschalter, vorzugsweise einen IGBT, umfasst. Die Halbleiterelektronik weist keine zusätzliche Energiequelle auf und ist bei geschlossenem mechanischem Schalter stromsperrend, d. h. praktisch strom- und spannungslos. Zur Stromunterbrechung über den Hybridschalter wird der mechanische Schalter geöffnet, wobei ein Lichtbogen entstehen kann. Die Energie des beim Öffnen des mechanischen Schalters entstehenden Lichtbogens wird von der die Halbleiterelektronik genutzt, wobei die Halbleiterelektronik derart mit dem mechanischen Schalter verschaltet ist, dass bei sich öffnendem mechanischem Schalter die Lichtbogenspannung über diesen (infolge des Lichtbogens) der Halbleiterschalter stromleitend schaltet.
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Sobald der Halbleiterschalter stromleitend geschaltet ist, beginnt der elektrische Strom von dem mechanischen Schalter auf den Halbleiterschalter zu kommutieren. Die entsprechende Lichtbogenspannung bzw. der Lichtbogenstrom lädt zudem einen Energiespeicher in Form eines Kondensators auf, mittels dessen Steuerspannung für die Halbleiterelektronik bereitgestellt wird. Sobald der elektrische Strom auf den Halbleiterschalter kommutiert ist, verlischt der Lichtbogen, und der Ladevorgang des Energiespeichers ist beendet. Dabei befindet sich zwischen den Schaltkontakten des mechanischen Schalters ein ionisiertes Gas, das aufgrund des Lichtbogens entstanden ist, und das über die Zeit abgebaut wird. Im Anschluss an den Ladevorgang startet ein Zeitglied, während dessen mittels des Energiespeichers der Halbleiterschalter noch weiterhin stromführend gehalten wird. Nach Ablauf der Zeitdauer des Zeitglieds wird der Halbleiterschalter erneut stromsperrend geschaltet. Anstatt der Verwendung des Zeitglieds wird beispielsweise die Zeitdauer anhand des Ladezustands des Energiespeichers vorgegeben.
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Falls die Zeitdauer zu gering gewählt wird, ist es möglich, dass aufgrund des zwischen den Schaltkontakte des mechanischen Schalters noch vorhandenen ionisiert Gases sowie der anliegenden elektrischen Spannung erneut ein Lichtbogen zündet, sodass über den mechanischen Schaltern wieder ein elektrischer Strom fließt. Daher wird die Zeitdauer üblicherweise vergleichsweise groß gewählt, unter der Annahme, dass nach dieser das ionisiert Gas ausreichend abgebaut wurde und/oder der Abstand der Schaltkontakte des mechanischen Schalters groß genug ist, sodass ein erneutes Zünden des Lichtbogens unterbleibt.
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Auch aus
EP 1 881 511 A1 ist ein derartiger Hybridschalter bekannt. Bei diesem wird jedoch im Wesentlichen gleichzeitig mit Beginn des Öffnens des mechanischen Schalters der Halbleiterschalter geschlossen, sodass, wenn sich die Kontakte des mechanischen Schalters mechanisch lösen, bereits ein Stromfluss über den Halbleiterschalter erfolgt. Somit wird ein Ausbilden eines Lichtbogens vermieden. Jedoch ist eine externe Spannungsquelle erforderlich, um den Halbleiterschalter zu betätigen.
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Da bei der Ausführungsform gemäß
EP 1 881 511 A1 mittels des Halbleiterschalters ein vergleichsweise großer elektrischer Strom getragen wird, ist es erforderlich, diesen vergleichsweise robust auszugestalten. Mit anderen Worten ist es nicht möglich, den in
WO 2010/108565 A1 dargestellten Hybridschalter, bei dem mittels des Halbleiterschalters lediglich ein vergleichsweise geringer elektrischer Strom getragen wird, entsprechend dem aus
EP 1 881 511 A1 bekannten Verfahren zu betreiben, auch wenn eine externe Spannungsquelle bereitstünde. Daher ist die Verschaltung der einzelnen Komponenten auf den jeweiligen Hybridschalter angepasst, und es ist nicht möglich, Gleichteile bei der Herstellung zu verwenden. Daher sind die Herstellungskosten jedes Hybridschalters vergleichsweise groß.
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In
DE 10 2018 100 974 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Beaufschlagen eines elektrischen Verbrauchers mit einem elektrischen Signal offenbart. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Signalanschluss, an welchen das elektrische Signal anlegbar ist, und einen ersten Signalzweig, in welchem ein Halbleiterschalter angeordnet ist, wobei der Halbleiterschalter ausgebildet ist, in einem geschlossenen Zustand den ersten Signalzweig elektrisch zu schließen, um den elektrischen Verbraucher über den ersten Signalzweig mit dem Signalanschluss elektrisch zu verbinden, und in einem geöffneten Zustand den ersten Signalzweig zu unterbrechen. Die Schaltungsanordnung umfasst ferner einen zweiten Signalzweig, in welchem ein Relais angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine besonders geeignete Ansteuerschaltung eines Hybridschalters und einen besonders geeigneten Hybridschalter anzugeben, wobei zweckmäßigerweise Herstellungskosten reduziert sind.
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Hinsichtlich der Ansteuerschaltung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Hybridschalters durch die Merkmale des Anspruchs 6 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Ansteuerschaltung ist im Montagezustand ein Bestandteil eines Hybridschalters. Mit anderen Worten ist die Ansteuerschaltung vorgesehen und eingerichtet, einen Bestandteil des Hybridschalters zu bilden. Folglich ist die Ansteuerschaltung vorgesehen und eingerichtet, an weiteren Bestandteilen des Hybridschalters montiert zu werden. Im Montagezustand erfolgt insbesondere eine Steuerung des Hybridschalters oder weitere Komponenten des Hybridschalters mittels der Ansteuerschaltung, und die Ansteuerschaltung ist vorgesehen und eingerichtet, den Hybridschalter oder zumindest weitere Komponenten des Hybridschalters zu betreiben.
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Der Hybridschalter ist eine Trennvorrichtung, also eine Schaltereinheit/Schalteinheit. Der Hybridschalter weist einen Hauptstrompfad auf, der insbesondere zwischen zwei Anschlüssen des Hybridschalters gebildet oder zumindest zwischen diese geschaltet ist. Die beiden Anschlüsse dienen hierbei insbesondere der Kontaktierung mit weiteren Bestandteilen eines Stromkreises, wie Leitungen oder Stromschienen, und sind beispielsweise mittels Klemmen oder Stecker gebildet. Der Hauptstrompfad weist ein Trennelement auf, das betätigt werden kann. Hierbei ist es möglich, dieses in einen geschlossenen Zustand zu versetzen, bei dem insbesondere der Hauptstrompfad niederohmig ist, sodass insbesondere ein Stromfluss zwischen den beiden Enden des Hauptstrompfads, zweckmäßigerweise zwischen den beiden Anschlüssen, möglich ist. In einem geöffneten Zustand hingegen ist das Trennelement hochohmig ausgestaltet, sodass ein Stromfluss über den Hauptstrompfad im Wesentlichen nicht möglich ist, oder sodass zumindest ein erhöhter ohmscher Widerstand vorherrscht. Zusammenfassend ist im geschlossenen Zustand das Trennelement insbesondere elektrisch leitend und im geöffneten Zustand elektrisch nichtleitend.
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Zweckmäßigerweise ist das Trennelement ein galvanisch trennendes Bauteil, sofern dieses geöffnet ist. Das Trennelement ist zweckmäßigerweise ein mechanischer Schalter, wie ein Relais, ein Schütz oder ein Stecker oder umfasst zumindest einen hiervon. Alternativ hierzu ist das Trennelement nach Art eines Überspannungsschutzes ausgestaltet. Der Überspannungsschutz weist dabei insbesondere eine Funkenstrecke auf, die auch als Gasableiter (engl. „gas Discharge Tube; GDT) bezeichnet ist oder zumindest umfasst. Das Trennelement ist insbesondere geeignet, vorzugsweise vorgesehen und eingerichtet, eine galvanische Auftrennung des Hauptstrompfads bei einem Öffnen, also dem Versetzen in den geöffneten/offenen Zustand, vorzunehmen.
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Der Hybridschalter weist ferner einen Nebenstrompfad auf, der einen Halbleiterschalter umfasst. Insbesondere ist der Halbleiterschalter parallel zu dem Trennelement geschaltet, sodass das Trennelement mittels des Halbleiterschalters überbrückt ist. Alternativ sind zum Beispiel noch weitere Bestandteile des Hauptstrompfads mittels des Halbleiterschalters überbrückt. Der Halbleiterschalter ist zweckmäßigerweise ein Leistungshalbleiterschalter und vorzugsweise ein Feldeffekttransistor, wie ein MOSFET, oder ein IGBT oder GTO. Insbesondere ist dabei in einem Normalbetrieb, also wenn ein Stromfluss über den Hybridschalter erfolgen soll, der Halbleiterschalter stromsperrend. Somit sind elektrische Verluste des Hybridschalters bei Betrieb vergleichsweise gering. In einem geöffneten Zustand des Halbleiterschalters ist dieser hochohmig ausgestaltet, sodass ein Stromfluss über diesen im Wesentlichen nicht möglich ist. Mit anderen Worten ist im geöffneten Zustand der Halbleiterschalter elektrisch nichtleitend. In einem geschlossenen Zustand des Halbleiterschalters ist der Halbleiterschalter niederohmig und somit elektrisch leitend.
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Die Ansteuerschaltung ist geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet, mit dem Trennelement und dem Halbleiterschalter elektrisch kontaktiert zu sein. Insbesondere erfolgt hierbei bei Betrieb eine Steuerung des Trennelements und des Halbleiterschalters mittels der Ansteuerschaltung, und diese ist hierfür geeignet sowie vorgesehen und eingerichtet. Insbesondere sind zudem das Trennelement und der Halbleiterschalter geeignet sowie vorgesehen und eingerichtet, mittels der Ansteuerschaltung betätigt zu werden und somit insbesondere jeweils elektrisch betätigbar.
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Die Ansteuerschaltung weist einen ersten Anschluss für das Trennelement und einen zweiten Anschluss für den Halbleiterschalter auf. Im Montagezustand ist dabei das Trennelement an den ersten Anschluss und der Halbleiterschalter an den zweiten Anschluss angeschlossen. Zur Betätigung des Halbleiterschalters/Trennelements wird dabei an den jeweils zugeordneten Anschluss eine entsprechende elektrische Spannung angelegt, sodass ein Zustand des Halbleiterschalters bzw. des Trennelements verändert wird, und dieses insbesondere jeweils elektrisch leitend oder elektrischen nichtleitend ist. Dabei ist die Ansteuerschaltung geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet, an die jeweiligen Anschlüsse jeweils eine unterschiedliche elektrische Spannung anzulegen, und das Anlegen der jeweiligen elektrischen Spannung an die Anschlüsse ist insbesondere unabhängig voneinander möglich. Zum Öffnen und Schließen des Trennelements/Halbleiterschalters wird dabei jeweils die entsprechende jeweilige elektrische Spannung an den jeweiligen Anschluss angelegt. Die jeweils angelegte elektrische Spannung ist hierbei zum Beispiel stets verschieden von 0 V. Vorzugsweise ist zumindest eine der angelegten elektrischen Spannungen gleich 0 V. Insbesondere ist die jeweilige angelegte elektrische Spannung an das jeweils verwendete Halbleiterschalter/Trennelement angepasst.
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Die Ansteuerschaltung ist vorgesehen und eingerichtet ein Verfahren durchzuführen. Mit anderen Worten wird bei Betrieb mittels der Ansteuerschaltung das Verfahren durchgeführt. Gemäß dem Verfahren wird eine Aufforderung zum Unterbrechen eines Stromflusses über den Hybridschalter erkannt. Beispielsweise wird hierbei die Aufforderung extern zur Verfügung gestellt und mittels der Ansteuerschaltung empfangen. Insbesondere weist die Ansteuerschaltung eine entsprechende Schnittstelle hierfür auf. Alternativ oder in Kombination hierzu wird die Aufforderung mittels der Ansteuerschaltung oder zumindest des Hybridschalters selbst erstellt, beispielsweise bei einer manuellen Betätigung eines Eingabegeräts wie eines Schalters oder aufgrund einer Fehlfunktion, beispielsweise bei einem Fehlerstrom, einem Überstroms und/oder einer Überspannung. In diesem Fall ist der Hybridschalter beispielsweise ein Bestandteil eines Schutzschalters oder bildet einen Schutzschalter.
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Das Verfahren dient somit insbesondere der Stromunterbrechung über den Hybridschalter, zweckmäßigerweise der Gleichstromunterbrechung. Mit anderen Worten erfolgt bei dem Verfahren eine Unterbrechung eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Gleichstromquelle und einer elektrischen Einrichtung, die mittels des Hybridschalters elektrisch verbunden sind. Insbesondere wird das Verfahren somit lediglich dann begonnen, wenn der mittels des Hybridschalters ein elektrischer Strom geführt wird. Der Hybridschalter ist beispielsweise unidirektional oder bidirektional ausgestaltet. Zum Beispiel sind die mittels des Hybridschalter schaltbaren elektrischen Spannungen, vorzugsweise die jeweilige Nennspannung, zwischen 200 V und 3 kV und insbesondere 220 V, 400 V, 650 V, 1000V oder 1500 V.
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Insbesondere weist die Ansteuerschaltung einen oder mehrere Sensoranschlüsse auf, über die aktuellen Daten bezüglich des über den Hybridschalters geführten elektrischen Stroms und/oder bezüglich der daran anliegenden elektrischen Spannung empfangen werden können. Insbesondere sind Montagezustand an dem oder den Sensoranschlüssen jeweils ein entsprechender Sensor des Hybridschalters angeschlossen, beispielsweise ein Stromsensor und/oder einen elektrischen Spannungssensor. Anhand der Messdaten wird insbesondere überprüft, ob die Fehlfunktion vorliegt, und wenn dies der Fall ist, wird die Aufforderung erstellt.
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Gemäß dem Verfahren wird ferner ein zeitlicher Ablauf einer an den beiden Anschlüssen jeweiligen angelegten elektrischen Spannung in Abhängigkeit des an dem ersten Anschluss angeschlossen Trennelements und in Abhängigkeit des an dem zweiten Anschluss angeschlossen Halbleiterschalters gewählt. Mit anderen Worten wird bei unterschiedlichen angeschlossenen Trennelementen und/oder Halbleiterschaltern, also insbesondere unterschiedlichen Arten oder Typen von Trennelementen/Halbleiterschaltern, die insbesondere unterschiedliche elektrische Leistungsdaten und/oder Eigenschaften aufweisen, der zeitliche Ablauf verändert. Beispielsweise wird nach Erkennen der Aufforderung zum Unterbrechen zunächst überprüft, welche Art von Trennelement an dem ersten Anschluss und welche Art von Halbleiterschalter an dem zweiten Anschluss angeschlossen ist. Alternativ hierzu ist dies beispielsweise in der Ansteuerschaltung hinterlegt, zum Beispiel in einem Speicher, und wird entsprechend ausgelesen. Alternativ ist einer oder mehre Schalter, wie Codierschalter, oder Jumperstecker in Abhängigkeit des verwendeten Trennelements/Halbleiterschalters eingestellt, und die Einstellung wird ausgelesen
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Hierbei ist es möglich, dass beispielsweise zunächst eine elektrische Spannung an den zweiten Anschluss angelegt wird, sodass der Halbleiterschalter geschlossen wird. Nachfolgend wird beispielsweise das Trennelement geöffnet, wofür eine entsprechende elektrische Spannung an den ersten Anschluss angelegt wird. Anschließend wird erneut der Halbleiterschalter geöffnet, wofür die an dem zweiten Anschluss anliegende elektrische Spannung angepasst wird. Somit kommutiert der von dem Hybridschalter geführte elektrische Strom zunächst auf den Nebenstrompfad, sodass bei Öffnen des Trennelements kein Lichtbogen entsteht. Mittels des nachfolgenden Öffnens des Halbleiterschalters wird dabei nachfolgend der Stromfluss sicher unterbrochen. Bei dieser Variante tritt kein Lichtbogen auf, weshalb bei einem derartigen Schaltvorgang des Hybridschalters im Wesentlichen keine Belastung des Trennelements erfolgt.
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Alternativ hierzu wird beispielsweise im Wesentlichen zeitgleich mit dem Öffnen des Trennelements der Halbleiterschalter geschlossen, sodass ebenfalls im Wesentlichen unverzüglich mit dem Öffnen des Trennelements die Kommutierung des elektrischen Stroms stattfindet. Zum Öffnen und Schließen des Trennelements/Halbleiterschalters wird dabei jeweils die entsprechende jeweilige elektrische Spannung an den jeweiligen Anschluss angelegt. Bei dieser Variante ist es möglich, dass kurzzeitig ein Lichtbogen auftritt, der jedoch aufgrund der Kommutierung des elektrischen Stroms auf den Nebenstrompfad im Wesentlichen unverzüglich erlischt. Nachfolgend wird insbesondere das Halbleiterschalter geöffnet, sodass der elektrische Stromfluss unterbrochen ist. Aufgrund dieses Verfahrens ist der Zeitraum verkürzt, bis der Hybridschalter sich in den elektrisch nichtleitenden Zustand befindet. Jedoch ist eine Belastung des Trennelements erhöht.
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Bei einem anderen verwendeten Halbleiterschalter und/oder Trennelement wird beispielsweise zunächst das Trennelement geöffnet, wobei der Halbleiterschalter ebenfalls geöffnet ist, weswegen sich aufgrund der nun anliegenden elektrischen Spannung ein Lichtbogen ausbilden kann, sodass über das Trennelement auch weiterhin ein elektrischer Strom fließt. Erst im Nachhinein wird der Halbleiterschalter geschlossen, sodass der elektrische Strom auf den Nebenstrompfad kommutiert und der Lichtbogen erlischt. Im Anschluss wird der Halbleiterschalter geöffnet, sodass der elektrische Stromfluss sicher unterbunden ist. In diesem Fall ist eine Belastung des Halbleiterschalters verringert.
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Dabei ist insbesondere eine nicht lediglich die zeitliche Reihenfolge des Anlegens der jeweiligen elektrischen Spannung, also des Öffnens und Schließens dieser, anhand des verwendeten Trennelements/Halbleiterschalters vorgegeben, sondern beispielsweise auch der zeitliche Abstand, in dem das jeweilige Öffnen/Schließen des Halbleiterschalters/Trennelements erfolgt, wofür die entsprechende elektrische Spannung angelegt wird. So wird zum Beispiel der Zeitpunkt zum Einschalten des Halbleiterschalters in Abhängigkeit des Vorhandenseins einer Löschkammer bei dem Trennelement gewählt. Falls diese vorhanden ist, wird zweckmäßigerweise der Halbleiterschalter geschlossen, wenn der Lichtbogen die Löschkammer erreicht hat. Dabei ist der Zeitraum, in dem der Halbleiterschalter nach dem Öffnen des Trennelements im geöffneten Zustand verbleibt verkürzt im Vergleich zu der Verwendung eines Trennelements, das keine Löschkammer aufweist. Aufgrund der Löschkammer ist nämlich eine zum Aufenthalt des Lichtbogens erforderlich elektrische Spannung erhöht. Somit ist beim nachfolgenden Öffnen des Halbleiterschalters, nachdem der elektrische Strom auf den Nebenstrompfad kommutiert ist, ein erneutes Zünden des Lichtbogens vermieden.
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In einer Weiterbildung wird alternativ oder in Kombination die jeweilige (elektrische) Spannung derart angepasst, dass ein elektrischer Stromfluss begrenzt ist. Mit anderen Worten führt beispielsweise die an den zweiten Anschluss angelegte Spannung nicht zum vollständigen Schließen des Halbleiterschalters, und dieser wird beispielsweise nicht voll durchgesteuert. Somit weist der Halbleiterschalter auch weiterhin einen elektrischen Widerstand auf.
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Da der zeitliche Ablauf zum Anlegen der jeweiligen elektrische Spannung in Abhängigkeit des jeweils verwendeten Halbleiterschalters/Trennelements durchgeführt wird, ist es möglich, die Ansteuerschaltung bei unterschiedlichsten Hybridschalter zu verwenden und mit unterschiedlichsten Halbleiterschaltern/Trennelementen zu kombinieren. Diese können auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden, was eine Flexibilität erhöht. Dabei wird auch der zeitliche Ablauf der Betätigung des Halbleiterschalters und des Trennelements, nach Bestehen der Aufforderung zum Unterbrechen des Stromflusses entsprechend angepasst. Hierbei ist keine Änderung oder Anpassung der Ansteuerschaltung erforderlich. Folglich kann die Ansteuerschaltung in vergleichsweise großer Stückzahl produziert werden, weswegen Herstellungskosten reduziert sind. Das Verfahren betrifft insbesondere auch das Verfahren zum Betrieb der Ansteuerschaltung oder des Hybridschalters, dem die oben genannten Arbeitsschritt durchgeführt werden.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Durchführung des Verfahrens aufgrund einer Verschaltung der einzelnen Komponenten der Ansteuerschaltung, beispielsweise von diskreten Bauteilen, wie elektrischen Bauteil, also zum Beispiel Widerständen, Kondensatoren, Dioden oder Induktivitäten. Vorzugsweise umfasst die Ansteuerschaltung einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) und ist zum Beispiel mittels dessen gebildet. Alternativ oder in Kombination hierzu weist die Ansteuerschaltung einen Computer auf, der geeigneterweise programmierbar ausgestaltet ist. Der Computer ist zum Beispiel ein programmierbarer Mikroprozessor oder umfasst diesen. Zweckmäßigerweise weist die Ansteuerschaltung ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogrammprodukt, das auch als Computerprogramm bezeichnet ist, gespeichert ist, wobei bei Ausführung dieses Computerprogrammprodukts, also des Programms, der Computer veranlasst wird, das Verfahren durchzuführen. Zusammenfassend ist die Ansteuerschaltung zweckmäßigerweise derart aufgebaut, und die einzelnen Komponenten/Bauteile der Ansteuerschaltung sind vorzugsweise derart verschaltet, dass bei Betrieb das Verfahren durchgeführt wird. Beispielsweise ist die Verschaltung mittels einer gemeinsamen Leiterplatte bereitgestellt, oder die Ansteuerschaltung weist mehrere entsprechende Leiterplatten auf.
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Zweckmäßigerweise ist das Verfahren, und somit auch die Ansteuerschaltung, derart ausgebildet, dass, wenn eine Stromtragfähigkeit des Halbleiterschalters geringer als ein Schwellwert ist, zunächst eine das Öffnen des Trennelements bewirkende elektrische Spannung an den ersten Anschluss angelegt wird. Beispielsweise ist hierbei die Stromtragfähigkeit des Halbleiterschalters in der Ansteuerschaltung hinterlegt oder intrinsisch aufgrund des verwendeten Halbleiterschalters, oder zumindest dessen Art, vorgegeben. Der Schwellwert ist zum Beispiel auf den jeweiligen Verwendungszweck des Hybridschalters angepasst, beispielsweise einen Nennstrom, der mit dem Hybridschalter geführt wird. Alternativ ist der Schwellwert insbesondere absolut vorgegeben. Nach einem sich an das Öffnen des Trennelements anschließenden Zeitfenster, während dessen insbesondere in dem Trennelement der Lichtbogen ausgebildet ist, wird für eine Zeitspanne eine das Schließen des Halbleiterschalters bewirkende elektrische Spannung an den zweiten Anschluss angelegt. Nach Ablauf der Zeitspanne wird das Anlegen dieser elektrischen Spannung beendet und der Halbleiterschalter vorzugsweise erneut in den geöffneten Zustand versetzt. Die Zeitspanne ist vergleichsweise kurz und insbesondere kürzer als 1 µs. Zweckmäßigerweise ist die Zeitspanne größer als 1 ms oder zumindest 1 ns. Das Zeitfenster hingegen ist größer als die Zeitspanne und insbesondere größer als 10 ms und vorzugsweise kleiner als 10 µs.
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Aufgrund dieser Ausgestaltung wird somit bei der Stromunterbrechung zunächst der Lichtbogen gebildet. Wenn das Zeitfenster vorbei ist, weist der Lichtbogen eine vergleichsweise große Länge auf bzw. die Lichtbogenspannung, also die elektrische Spannung, die zum Aufrechterhalten des Lichtbogens erforderlich ist, ist vergleichsweise groß. Wenn nun der Halbleiterschalter zumindest kurz, nämlich für die Zeitspanne, geschlossen wird, kommutiert der elektrische Strom von dem Hauptstrompfad auf den Nebenstrompfad. Nach Ablauf der Zeitspanne wird der Halbleiterschalter erneut geöffnet und somit der Fluss des elektrischen Stroms über den Nebenstrompfad unterbrochen. Die nun anliegende elektrische Spannung ist nicht ausreichen, um den Lichtbogen erneut zu zünden, sodass nach einem vergleichsweise kurzen Zeitraum der Hybridschalter elektrisch nichtleitend ist. Dabei wird mittels des Halbleiterschalters lediglich für die Zeitspanne der elektrische Strom geführt, weswegen eine Belastung des Halbleiterschalters verringert ist. Deswegen und aufgrund der verringerten Stromtragfähigkeit ist es möglich, einen vergleichsweise kostengünstigen Halbleiterschalter zu verwenden.
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Die Ansteuerschaltung weist einen dritten Anschluss zur Verbindung mit einer externen Spannungsquelle auf. Hierfür ist der dritte Anschluss geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Hierbei sind zumindest einige der weiteren Komponenten/Bauteile der Ansteuerschaltung zweckmäßigerweise derart mit dem dritten Anschluss verschaltet, dass anhand der externen Spannungsquelle bei Betrieb eine Versorgung dieser mit elektrischer Energie erfolgt, sofern die externe Spannungsquelle an den dritten Anschluss angeschlossen ist. Das Verfahren, und somit auch der Ansteuerschaltung, sind derart ausgebildet, dass, wenn an dem dritten Anschluss eine elektrische Versorgungsspannung anliegt, zunächst eine das Schließen des Halbleiterschalters bewirkende elektrische Spannung an den zweiten Anschluss angelegt wird. Anschließend oder höchstens zeitgleich wird eine das Öffnen des Trennelements bewirkende elektrische Spannung an den ersten Anschluss angelegt. Somit kommutiert der elektrische Strom von dem Hauptstrompfad auf den Nebenstrompfad, wenn oder bevor das Trennelement geöffnet wird, weswegen sich bei Öffnen des Trennelements kein Lichtbogen ausbildet. Somit ist eine Belastung des Trennelements verringert, und dieses kann vergleichsweise kostengünstig gewählt werden, insbesondere ohne eine etwaige Löschkammer. Zweckmäßigerweise erfolgt dieser zeitliche Ablauf der Ansteuerung des Halbleiterschalters und des Trennelements lediglich oder zumindest auch, wenn das Trennelement keine Löschkammer aufweist. Da bei Betrieb eine Versorgung über den dritten Anschluss der Ansteuerschaltung erfolgt, ist es möglich, den zeitlichen Abstand zwischen dem Schließen des Halbleiterschalters und dem Öffnen des Trennelements im Wesentlichen beliebig zu wählen, oder dies erfolgt insbesondere in Abhängigkeit des verwendeten/angeschlossenen Halbleiterschalters/Trennelements. So wird bei einem Halbleiterschalter, der eine vergleichsweise hohe Stromtragfähigkeit aufweist, der zeitliche Abstand insbesondere größer gewählt.
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Besonders bevorzugt ist das Verfahren, und somit auch die Ansteuerschaltung, derart ausgebildet, dass, wenn an dem dritten Anschluss keine elektrische Versorgungsspannung angelegt ist, zunächst eine das Öffnen des Trennelements bewirkende elektrische Spannung an den ersten Anschluss angelegt wird. Anschließend, also in einem zeitlichen Abstand nach, wird eine das Schließen des Halbleiterschalters bewirkende elektrische Spannung an den zweiten Anschluss angelegt. Insbesondere wird eine aufgrund des sich ausbildenden Lichtbogens über das Trennelement anfallende elektrische Spannung herangezogen, um die das Schließen des Halbleiterschalters bewirkende elektrische Spannung an den zweiten Anschluss anzulegen. Beispielsweise wird ein Energiespeicher anhand der über das Trennelement anfallenden elektrischen Spannung geladen, und mittels des Energiespeichers wird nachfolgend die entsprechende elektrische Spannung an den zweiten Anschluss angelegt. Insbesondere ist zwischen dem Öffnen des Trennelements und dem Schließen des Halbleiterschalters ein konstanter Zeitraum gebildet.
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Aufgrund dieser Vorgehensweise ist es möglich, den Hybridschalter entweder mit der externen Spannungsquelle zu versorgen, sodass ein Schalten ohne Ausbilden eines Lichtbogens ermöglicht ist. Jedoch ist es auch möglich, den Hybridschalter in einer Einbausituation zu verwenden, in der keine externe Spannungsquelle zur Verfügung steht. Auch erfolgt, falls beispielsweise eine Fehlfunktion vorliegt und insbesondere eine an den dritten Anschluss angeschlossene elektrische Leitung abreißt, mittels derer der Hybridschalter und die externen Spannungsquelle verbunden sind, dennoch ein sicheres Unterbrechen des elektrischen Stromflusses über den Hybridschalter.
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Vorzugsweise weist die Ansteuerschaltung einen vierten Anschluss zur Verbindung mit einem zweiten Halbleiterschalter auf. Hierfür ist der vierte Anschluss geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Im Montagezustand ist der zweite Halbleiterschalter elektrisch in Reihe mit dem Trennelement geschaltet und somit ein Bestandteil des Hauptstrompfads. Zweckmäßigerweise ist das Verfahren, und folglich auch die Ansteuerschaltung, derart ausgebildet, dass an den vierten Anschluss eine das Öffnen des zweiten Halbleiterschalters bewirkende elektrische Spannung angelegt wird, wenn erkannt wurde, dass an dem vierten Anschluss der zweiter Halbleiterschalter angeschlossen ist. Im Nachhinein wird eine das Öffnen des Trennelements bewirkende elektrische Spannung an den ersten Anschluss angelegt. Vorzugsweise wird vor dem Anlegen der das Öffnen des zweiten Halbleiterschalters bewirkenden elektrische Spannung eine das Schließen des Halbleiterschalters bewirkende elektrische Spannung an den zweiten Anschluss angelegt. Somit wird mittels des zweiten Halbleiterschalters ein Stromfluss über den Hauptstrompfad unterbrochen, sodass der elektrische Strom vollständig auf den Nebenstrompfad kommutiert. Dabei ist die nachfolgend über den zweiten Halbleiterschalter, also den Hauptstrompfad, anfallende elektrische Spannung aufgrund des geschlossenen Halbleiterschalters vergleichsweise gering, sodass in dem zweiten Halbleiterschalter lediglich vergleichsweise geringe Verluste entstehen und eine Belastung des zweiten Halbleiterschalters vergleichsweise gering ist. Nachfolgend wird insbesondere an den zweiten Anschluss eine derartige elektrische Spannung angelegt, dass der Halbleiterschalter geöffnet und somit der Stromfluss über den Hybridschalter unterbrochen wird. Das Öffnen des Trennelements erfolgt hierbei insbesondere beliebig oder zumindest unabhängig von dem Öffnen des Halbleiterschalters. Falls dahingegen erkannt wurde, dass an dem vierten Anschluss kein zweiter Halbleiterschalter angeschlossen ist, wird insbesondere an diesen keine elektrische Spannung angelegt, oder beispielsweise wird in diesem Fall der Halbleiterschalter erst nach dem Öffnen des Trennelements geschlossen.
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Zum Erkennen, ob an dem vierten Anschluss der zweite Halbleiterschalter angeschlossen ist, wird beispielsweise eine Abfrage eines an dem vierten Anschluss bereitgestellten Widerstands durchgeführt. Alternativ wird eine Konfiguration ausgelesen, die zum Beispiel mittels Software hinterlegt wurde, vorzugsweise in einem Speicher. Alternativ hierzu ist die Konfiguration mittels mechanischer Einstellung hinterlegt, beispielsweise mittels entsprechender Konfiguration eines Jumpersteckers oder dergleichen. In einer weiteren Alternative wird zum Erkennen zunächst die entsprechende, das Öffnen bewirkende elektrische Spannung angelegt, und wenn beispielsweise ein elektrischer Stromfluss erfolgt, wird das Anlegen aufrechterhalten, da dies nur bei angeschlossenem zweiten Halbleiterschalter erfolgt. Alternativ hierzu wird das Anlegen der entsprechenden elektrischen Spannung beibehalten, unabhängig davon ob ein elektrischer Stromfluss erfolgt. Somit ist es nicht erforderlich, einen entsprechenden Sensor vorzusehen, weswegen Herstellungskosten der Ansteuerschaltung verringert sind.
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Besonders bevorzugt ist das Verfahren, und somit die Ansteuerschaltung, derart ausgebildet, dass der zeitliche Ablauf zudem in Abhängigkeit eines aktuellen Zustands angepasst wird, insbesondere des aktuellen Zustands der Ansteuerschaltung und/oder des verwendeten Trennelements/Halbleiterschalters. Insbesondere wird zunächst der aktuelle Zustand ermittelt, beispielsweise anhand eines theoretischen Models. Alternativ hierzu wird beispielsweise anhand von über einen oder mehreren der etwaigen Sensoranschlüsse bereitgestellte Messdaten der Zustand ermittelt. So wird beispielsweise bei einer erhöhten Temperatur des Halbleiterschalters eine weitere Belastung vermieden und beispielsweise dieser stets im geschlossenen Zustand belassen. In diesem Fall wird lediglich das Trennelement geöffnet, weswegen eine Dauer, während derer noch der elektrische Strom fließt, vergleichsweise hoch ist.
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Der Hybridschalter weist einen Hauptstrompfad mit einem Trennelement und einen parallel zu dem Hauptstrompfad geschalteten Nebenstrompfad mit einem Halbleiterschalter auf. Das Trennelement ist beispielsweise ein mechanischer Schalter, wie ein Relais oder Schütz. Alternativ hierzu ist das Trennelement beispielsweise nach Art eines Steckers ausgebildet. Insbesondere ist das Trennelement derart ausgebildet, dass bei einem Öffnen, also bei einer Erhöhung des ohmschen Widerstands eine mechanische Trennung von zwei Kontakten erfolgt, über die in einem geschlossenen Zustand ein elektrischer Stromfluss erfolgt, wobei die beiden Kontakte mechanisch aneinander anliegen. Der Halbleiterschalter ist zweckmäßigerweise an Leistungshalbleiterschalter und beispielsweise ein IGBT oder MOSFET.
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Der Hybridschalter umfasst ferner eine Ansteuerschaltung mit einem ersten Anschluss, an den das Trennelement angeschlossen ist. Zudem weist die Ansteuerschaltung einen zweiten Anschluss auf, an den der Halbleiterschalter angeschlossen ist. Beispielsweise ist hierbei der Halbleiterschalter/das Trennelement mit dem jeweiligen Anschluss lösbar verbunden, die insbesondere nach Art eines Steckers ausgebildet sind. Alternativ hierzu ist der Halbleiterschalter und/oder das Trennelement mit dem jeweiligen Anschluss verlötet oder in anderer Art und Weise elektrisch kontaktiert. Die beiden Anschlüsse sind hierbei entsprechend der Trennelement/Halbleiterschalter ausgestaltet, und über dieses kann insbesondere eine jeweilige elektrische Spannung an das Trennelement und den Halbleiterschalter angelegt werden, sodass diese mittels der Ansteuerschaltung gesteuert werden. Somit ist es möglich, mittels der Ansteuerschaltung einen (Schalt-) Zustand des Halbleiterschalters/Trennelements zu verändern und diese insbesondere von einem geöffneten in einen geschlossenen Zustand und umgekehrt zu überführen.
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Die Ansteuerschaltung ist vorgesehen und eingerichtet, ein Verfahren durchzuführen, bei welchem eine Aufforderung zum Unterbrechen eines Stromflusses über den Hybridschalter erkannt wird. Mit anderen Worten ist mittels der Aufforderung spezifiziert, dass ein elektrischer Strom, der über den Hybridschalter geführt wird, unterbrochen werden soll. Ein zeitlicher Ablauf einer an den beiden Anschlüssen jeweiligen angelegten elektrische Spannung wird in Abhängigkeit des an dem ersten Anschluss angeschlossenen Trennelements und des an dem zweiten Anschluss angeschlossenen Halbleiterschalters gewählt wird.
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Insbesondere wird der Hybridschalter in einem Gleichstromkreis verwendet, und das Verfahren wird insbesondere zur Gleichstromunterbrechung durchgeführt. Beispielsweise ist der Hybridschalter im Montagezustand ein Bestandteil einer Industrieautomatisierung, Straßenbeleuchtung, eine Schiffsbordnetzes, der elektrifizierten Luftfahrt, einer Bahninfrastruktur oder Bahnantriebs eines Inselnetzes im privaten häuslichen Bereich, eines Energieerzeugers, eines Gewächshauses oder wird im Bereich von Elektromobilität eingesetzt, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug, in der Landwirtschaft oder in einem Baustellenfahrzeug. Insbesondere ist der Hybridschalter hierfür geeignet, zweckmäßigerweise vorgesehen und eingerichtet.
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Die im Zusammenhang mit der Ansteuerschaltung erläuterten Weiterbildungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf das Verfahren / den Hybridschalter / die Verwendung und untereinander zu übertragen und umgekehrt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch einen Hybridschalter mit einer Ansteuerschaltung, und
- 2 ein von der Ansteuerschaltung ausgeführtes Verfahren.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Hybridschalter 2 dargestellt, der in einem Gleichstromkreis 4 verwendet wird. Der Hybridschalter 2 weist zwei Anschlüsse 6 auf, die jeweils an eine Leitung 8 des Gleichstromkreises 4 angeschlossen sind.
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Der Gleichstromkreis 4 ist ein Bestandteil einer Bahninfrastruktur, und mittels dessen, also über die Leitungen 8, wird ein elektrischer Strom von über 50 A im Normalbetrieb geführt, wobei eine elektrische Spannung bezüglich einer nicht näher dargestellten Masse größer als 300 V ist.
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Der Hybridschalter 2 weist einen Hauptstrompfad 10 auf, der zwischen die beiden Anschlüsse 6 geschaltet ist, und der mit einem Nebenstrompfad 12 überbrückt ist. Zwischen einen der Anschlüsse 6 und den Hauptstrompfad 10 und folglich auch zwischen diesen Anschluss 6 und den Nebenstrompfad 12 ist ein Sensor 14 geschaltet oder zumindest dem dort befindlichen Teil einer Stromleitung zugeordnet, mittels derer der Hauptstrompfad 10 und den Nebenstrompfad 12 mit diesem Anschluss 6 elektrisch kontaktiert sind. Bei dem Sensor 14 handelt es sich um einen Stromsensor, mittels dessen somit der zwischen den Anschlüssen 6 fließende elektrische Strom gemessen werden kann. Zusammenfassend sind die beiden Anschlüsse 6 mittels des Hauptstrompfads 10 sowie mittels des Nebenstrompfad 12 elektrisch verbunden.
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Der Nebenstrompfad 12 weist einen Halbleiterschalter 16 auf. Dieser ist als IGBT oder MOSFET ausgestaltet und derart in den Nebenstrompfad 12 eingebracht, dass mittels dessen ein elektrischer Stromfluss über den Nebenstrompfad 12 erstellt oder unterbrochen werden kann. Hierfür ist es möglich, den Halbleiterschalter 16 in den geschlossenen Zustand zu verbringen, sodass der mittels des Halbleiterschalters 16 bereitgestellte elektrische Widerstand im Wesentlichen vernachlässigbar ist. Auch ist es möglich, den Halbleiterschalter 16 zu öffnen, also stromsperrend zu schalten, sodass dieser elektrisch nichtleitend ist. In diesem Fall ist der mittels des Halbleiterschalters 16 bereitgestellte elektrische Widerstand vergleichsweise groß. Auch ist es möglich, den Halbleiterschalter 16 in einen Zustand zu bringen, in dem dieser nicht voll durchgesteuert ist. Dabei wird mittels des Halbleiterschalters 16 ein elektrischer Widerstand bereitgestellt, der zwischen 5 Ohm und 200 Ohm beträgt, sodass der mittels des Halbleiterschalters 16 geführte elektrische Strom begrenzt wird.
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Die Einstellung des Zustands des Halbleiterschalters 16 erfolgt mittels Anlegens einer elektrischen Spannung an einem Steuereingang 18 des Halbleiterschalters 16, der mit einem zweiten Anschluss 20 einer Ansteuerschaltung 22 verbunden ist. Somit ist es möglich, mittels der Ansteuerschaltung 22 den Halbleiterschalter 16 zu steuern, und der Schaltzustand, also ob der Halbleiterschalter 16 elektrisch leitend oder elektrisch nichtleitend ist, wird mittels Anlegens einer jeweils korrespondierenden elektrischen Spannung an dem zweiten Anschluss 20 eingestellt. Folglich wird mittels der Ansteuerschaltung 22 eingestellt, ob ein elektrischer Stromfluss zwischen den beiden Anschlüssen 6 über den Nebenstrompfad 12 möglich ist.
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Der Hauptstrompfad 10 weist ein Trennelement 24 in Form eines mechanischen Schalters, nämlich eines Relais oder dergleichen auf. Das Trennelement 24 kann ebenfalls in einen geschlossenen oder einen geöffneten Zustand verbracht werden, wobei in dem geschlossenen Zustand ein elektrischer Stromfluss über das Trennelement 24 möglich ist. Hierfür weist das Trennelement 24 einen mechanischen Teil 26 auf, der mit den weiteren Bestandteilen des Hauptstrompfads 10 elektrisch kontaktiert ist. Der mechanische Teil 26 umfasst beispielsweise einen Bewegkontakt, der bezüglich eines Festkontakts bewegt werden kann. Sofern die beiden Kontakte aneinander anliegend ist ein elektrischer Stromfluss über den Hauptstrompfad 10 möglich. Falls die Kontakte hingegen beabstandet sind, ist ein elektrischer Stromfluss über den Hauptstrompfad 10 unterbunden. Zudem weist das Trennelement 24 einen elektrischen Teil 28 auf, mittels dessen eine Bewegung des mechanischen Teil 26 hervorgerufen wird, sodass sich dieser entweder in dem elektrisch leitenden oder in dem elektrisch nichtleitenden Zustand befindet. Der elektrische Teil 28 umfasst beispielsweise eine Spule zum Erstellen eines Magnetfelds bei Bedarf. Der elektrische Teil 28 ist mit einem ersten Anschluss 30 der Ansteuerschaltung 22 elektrisch kontaktiert. Falls an den ersten Anschluss 30 eine entsprechende elektrische Spannung angelegt wird, wird der elektrische Teil 28 entsprechend betrieben, sodass der mechanische Teil 26 betätigt wird. Folglich wird mittels Anlegens einer entsprechenden elektrischen Spannung an den ersten Anschluss 30 der Zustand des Trennelements 24 verändert.
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Elektrisch in Reihe zu dem Trennelement 24 ist ein zweiter Halbleiterschalter 32 geschaltet, der einen weiteren Steuereingang 34 aufweist. Dieser ist elektrisch mit einem vierten Anschluss 36 der Ansteuerschaltung 22 kontaktiert, sodass mittels Anlegens einer entsprechenden elektrischen Spannung an den vierten Anschluss 36 der Schaltzustand des zweiten Halbleiterschalters 32 eingestellt wird. Die Ansteuerschaltung 22 umfasst ferner einen Sensoranschluss 38, an den der Sensor 14 angeschlossen ist, sodass die mittels des Sensors 14 erstellten Messdaten, insbesondere eine elektrische Spannung, die zu dem zwischen den Anschlüssen 6 geführten elektrischen Strom korrespondiert, dort bereitgestellt sind.
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Auch umfasst die Ansteuerschaltung 22 einen dritten Anschluss 40, an den eine externe Spannungsquelle angeschlossen ist. Mittels der externe Spannungsquelle wird eine elektrische Versorgungsspannung bereitgestellt, nämlich eine Gleichspannung von 12 V, und die an dem dritten Anschluss 40 anliegende Versorgungsspannung wird zur Bestromung der weiteren Komponenten der Ansteuerschaltung 22 verwendet, also auch für eine schematisch vereinfacht dargestellte Verschaltung 42 der Ansteuerschaltung 22. Die Verschaltung 42 weist mehrere nicht einzelne dargestellte diskrete elektrische Bauteile, wie elektrische Spulen, Kondensatoren und Widerständen, auf. Auch umfasst die Ansteuerschaltung 22 einen Computer 44 in Form eines programmierbaren Mikroprozessors sowie ein Speichermedium in Form eines Speichers 46. Auf dem Speicher 46 ist ein Computerprogrammprodukt 48 abgespeichert.
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Hierbei ist Verschaltung 42 derart aufgebaut, dass mittels dieser zumindest teilweise ein in 2 dargestelltes Verfahren 50 durchgeführt wird. Auch umfasst das Computerprogrammprodukt 48 mehrere Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch den Computer 44 diesen veranlassen zumindest Teile des Verfahrens 50 durchzuführen. Mit anderen Worten wird ein Teil des Verfahrens 50 mittels der Verschaltung 42 sowie ein anderer Teil anhand des Computerprogrammprodukts 48 mittels des Computers 44 durchgeführt. Somit ist die Ansteuerschaltung 22 vorgesehen und eingerichtet das Verfahren 50 durchzuführen, und der Hybridschalter 2 ist zumindest teilweise gemäß dem Verfahren 50 betrieben.
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In einer nicht näher dargestellten Variante oder Einbausituation des Hybridschalters 2 ist an den dritten Anschluss 30 nicht in die externe Spannungsquelle angeschlossen und/oder der Sensor 14 ist nicht vorhanden. Auch ist es möglich, dass der zweite Halbleiterschalter 32 nicht vorhanden ist. Zudem ist es möglich, das Trennelement 24, das hier als Relais dargestellt ist, durch ein abweichendes mechanisches Schaltelement zu ersetzen. Auch ist es möglich, den Halbleiterschalter 16, nämlich dem MOSFET oder IGBT, durch einen anderen MOSFET oder IGBT oder beispielsweise durch einen GTO zu ersetzen. Bei diesen Varianten ist jedoch die Ansteuerschaltung 22 stets gleich aufgebaut.
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Der Verfahren 50 wird durchgeführt, wenn mittels des Hybridschalters 2 ein elektrischer Strom geleitet wird. In diesem Fall ist das Trennelement 24 im elektrisch leitenden Zustand, also geschlossen. Ebenfalls ist der zweite Halbleiterschalter 32 geschlossen, und der Halbleiterschalter 16 ist geöffnet.
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Bei dem Verfahren 50 wird in einem ersten Arbeitsschritt 52 eine Aufforderung 54 zum Unterbrechen eines Stromflusses über den Hybridschalter 2 erkannt. Die Aufforderung 54 wird dabei beispielsweise über einen nicht näher dargestellten Dateneingang der Ansteuerschaltung 22 empfangen, der mit einer Leitung verbunden ist. Die Leitung ist dabei mit einem nicht näher dargestellten Steuergerät des Gleichstromkreises 4 verbunden. Alternativ hierzu erfolgt die Erstellung der Aufforderung 54 mittels eines Handschalters, der in ein Gehäuse des Hybridschalters 2 eingebracht ist, und der elektrisch mit der Ansteuerschaltung 22 verbunden ist, beispielsweise mit dem nicht näher dargestellten Dateneingang. In einer weiteren Alternative wird die Aufforderung 54 mittels der Ansteuerschaltung 22 selbst erstellt, nämlich anhand der mittels des Sensors 14 bereitgestellten Messdaten. Hierbei wird die Aufforderung 54 erstellt, wenn der über den Hybridschalter 2 geführte elektrische Strom, also der zwischen den beiden Anschlüssen 6 fließende elektrische Strom, einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Somit wirkt der Hybridschalter 2 nach Art eines Schutzschalters.
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Zudem wird in dem ersten Arbeitsschritt 52 ein aktueller Zustand 56 des Hybridschalters 2 ermittelt. Hierbei wird überprüft, wie oft innerhalb eines vorhergehenden Zeitraums die beiden Halbleiterschalter 16, 32 betätigt wurden. Bei jedem Schaltvorgang des jeweiligen Halbleiterschalters 16, 32 entsteht Verlustwärme. Falls die Anzahl der Schaltvorgänge größer als ein bestimmter Wert ist, also der jeweilige Halbleiterschalter 16, 32 mehr als der bestimmter Wert innerhalb des Zeitraums betätigt wurden, wird angenommen, dass als Zustand 56 eine Überlastung des Hybridschalters 2 vorliegt. In diesem Fall wird nachfolgend lediglich das Trennelement 24 geöffnet, wofür an den ersten Anschluss 30 eine entsprechende elektrische Spannung angelegt wird. Aufgrund der angelegten elektrischen Spannung wird der mechanische Teil 26 betätigt und das Trennelement 24 in den elektrisch nichtleitenden Zustand überführt.
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Bei einer Ausgestaltungsform des Trennelements 24 umfasst der mechanische Teil 26 eine Feder mittels derer eine Kraft zwischen den beiden Kontakten, also der Festkontakt und der Bewegkontakt, ausgeübt wird, die zu einem Beabstanden der beiden Kontakte führt. Damit das Trennelement 24 elektrisch leitend ist, ist es erforderlich, dass mittels des elektrischen Teils 28 eine Kraft ausgeübt wird, mittels derer die von der Feder bereitgestellte Kraft kompensiert wird. Insbesondere ist hierbei das Trennelement 24 als monostabiles Schaltgerät ausgestaltet. Zum Öffnen des Trennelements 24 wird als elektrische Spannung an den ersten Anschluss 30 eine elektrische Spannung von 0 V angelegt. Bei einer anderen Ausgestaltungsform des Trennelements 24 hingegen wird eine angepasste elektrische Spannung angelegt, die ebenfalls zu einem Öffnen führt.
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Nach dem Öffnen des Trennelements 24 ist es aufgrund der anliegenden elektrischen Spannung sowie des geführten elektrischen Stroms möglich, dass sich in dem Trennelement 24 ein Lichtbogen ausgebildet, und der erst nach einem vergleichsweise langen Zeitraum erlischt, sodass der Stromfluss über den Hybridschalter 2 unterbrochen wird. Bei dieser Art der Betätigung des Hybridschalter 2 besteht somit noch für eine vergleichsweise langen Zeitraum der elektrische Stromfluss, jedoch tritt keine zusätzliche Belastung der Halbleiterschalter 16,32 auf.
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Falls bei der Ermittlung des Zustands 56 erkannt wurde, dass keine Überlastung der beiden Halbleiterschalter 16, 32 vorliegt, ist ein Normalbetrieb des Hybridschalters 2 möglich. In diesem Fall wird überprüft, ob an dem dritten Anschluss 40 eine elektrische Versorgungsspannung anliegt. Beispielsweise liegt an dem dritten Anschluss 40 keine elektrische Versorgungsspannung an, weil die externe Spannungsquelle nicht angeschlossen ist, oder weil eine zum Anschließen der externe Spannungsquelle verwendeten Leitungen beschädigt oder abgerissen ist.
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Falls an dem dritten Anschluss 40 keine elektrische Versorgungsspannung anliegt, wird ein zweiter Arbeitsschritt 58 durchgeführt. Da keine elektrische Versorgungsspannung vorhanden ist, erfolgt auch keine Versorgung des Computers 44, sodass der zweite Arbeitsschritt 48 im Wesentlichen aufgrund der Verschaltung 42 durchgeführt wird. In dem zweiten Arbeitsschritt 58 wird zunächst das Trennelement 24 geöffnet, sodass der Lichtbogen entsteht. Infolgedessen fällt über das Trennelement 24 oder den vollständigen Hauptstrompfad 10 eine elektrische Spannung an, die zur Versorgung der Verschaltung 42 verwendet wird. Ferner wird dabei wird ein Energiespeicher, wie ein Kondensator, geladen. In einer Weiterbildung wird die anfallende elektrische Spannung zudem zur Versorgung des Computers 44 herangezogen, sodass der zweite Arbeitsschritt 58 teilweise mittels des Computers 44 durchgeführt wird.
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Zum Öffnen des Trennelements 24 wird dabei die entsprechende elektrische Spannung an den ersten Anschluss 30 angelegt, beispielsweise 0 V, sodass insbesondere mittels des elektrischen Teils 28 keine mittels der Feder oder dergleichen aufgebrachte Kraft kompensiert wird. Folglich wird der mechanische Teil 26 in eine Position verbracht wird, bei dem die beiden Kontakte zueinander beabstandet sind.
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Nachdem der Energiespeicher ausreichend geladen wurde wird an den zweiten Anschluss 20 eine elektrische Spannung angelegt, die zu einem Schließen des Halbleiterschalters 16 führt. Infolgedessen kommutiert der elektrische Strom von dem Hauptstrompfad 10 auf den Nebenstrompfad 12, sodass der in dem Trennelement 24 gebildete Lichtbogen zusammenbricht und über den Hauptstrompfad 10 kein elektrischer Strom mehr geführt wird. Somit erfolgt eine keine weitere Versorgung der Ansteuerschaltung 22 aufgrund des Lichtbogens, sondern nur anhand des Energiespeichers. Nach einer Zeitspanne wird das Anlegen der elektrischen Spannung an den zweiten Anschluss 20 beendet und somit der Halbleiterschalter 16 erneut geöffnet. Daher wird der elektrische Stromfluss über den Nebenstrompfad 12 unterbrochen. Hierbei ist die zwischen den Anschlüssen 6 anliegende elektrische Spannung aufgrund des mittlerweile abgekühlten Gases in dem Trennelement 24 nicht ausreichend um den Lichtbogen erneut zünden, und der Stromfluss über den Hybridschalter 2 ist unterbunden. Nachfolgend ist das Verfahren 50 beendet.
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Die Zeitspanne, die der Halbleiterschalter 16 elektrisch leitfähig ist, ist auf das jeweils verwendete Trennelements 24 sowie den Halbleiterschalter 16 abgestimmt. So wird bei unterschiedlichen verwendeten Trennelement 24 sowie unterschiedlichen Halbleiterschaltern 16 eine andere Zeitspanne herangezogen, wobei diese jeweils derart ist, dass kein erneutes Zünden des Lichtbogens erfolgt. Dabei ist jeweils der Zeitraum minimal, zwischen dem Erkennen der Aufforderung 54 und dem Zeitpunkt, ab dem der Hybridschalter 2 keinen elektrischen Strom mehr führt.
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Falls hingegen an dem dritten Anschluss 40 die elektrische Versorgungsspannung anliegt, wird in einem dritten Arbeitsschritt 60 eine Stromtragfähigkeit des Halbleiterschalters 16 überprüft und mit einem Schwellwert verglichen. Der Schwellwert korrespondiert hierbei zu dem von dem Sensor 14 bereitgestellten Wert des aktuell fließenden elektrischen Stroms, und die Stromtragfähigkeit wird anhand des Anschlussschemas des Halbleiterschalters 16 an dem zweiten Anschluss 20 bestimmt. Alternativ hierzu ist die Stromtragfähigkeit in dem Speicher 46 bei Anschluss des Halbleiterschalters 16, also bei Montage, hinterlegt worden.
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Falls die Stromtragfähigkeit geringer als der Schwellwert ist, wird ein vierter Arbeitsschritt 62 durchgeführt. In diesem wird zunächst eine das Öffnen des Trennelements 24 bewirkende elektrische Spannung an den ersten Anschluss 30 angelegt, sodass dieses geöffnet wird, wobei sich der Lichtbogen in dem Trennelement 24 ausbildet. Nach einem sich anschließenden Zeitfenster, das 1 µs beträgt, wird für eine Zeitspanne, nämlich 500 ms, eine das Schließen des Halbleiterschalters 16 bewirkende elektrische Spannung an den zweiten Anschluss 20 angelegt. Aufgrund des elektrisch leitfähigen Nebenstrompfads 12 kommutiert der elektrische Strom von dem Hauptstrompfad 10 auf den Nebenstrompfad 12, weswegen der in dem Trennelement 24 gebildete Lichtbogen erlischt. Hierbei sind das Zeitfenster und die Zeitspanne derart gewählt, dass nach der Zeitspanne, die zwischen den Anschlüssen 6 anliegende elektrische Spannung nicht ausreicht um den Lichtbogen erneut zu zünden. Aufgrund der vergleichsweise kurzen Zeitspanne, die mittels des Halbleiterschalters 16 der elektrische Strom geführt wird, ist dessen Belastung vergleichsweise gering, sodass trotz der vergleichsweise geringen Stromtragfähigkeit keine Beschädigung des Halbleiterschalters 16 erfolgt.
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In dem vierten Arbeitsschritt 62 ist hierbei die Zeitspanne, die der Halbleiterschalter 16 geschlossen ist, im Vergleich zu der Zeitspanne, während derer der Halbleiterschalter 16 in dem zweiten Arbeitsschritt 58 leitfähig ist, verkürzt, wohingegen im zweiten Arbeitsschritt 58 im Vergleich zum vierten Arbeitsschritt 62 das Trennelement 28 kürzer elektrisch leitfähig ist und somit der Lichtbogen kürzer besteht.
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Falls die Stromtragfähigkeit des Halbleiterschalters 16 größer als der Schwellwert ist, wird ein fünfter Arbeitsschritt 64 durchgeführt. In diesem wird überprüft, ob an den vierten Anschluss 36 der zweite Halbleiterschalter 32 angeschlossen ist. Falls erkannt wurde, dass der zweite Halbleiterschalter 32 nicht angeschlossen ist, beispielsweise weil die Verbindung abgerissen ist, oder weil der zweite Halbleiterschalter 32 nicht vorhanden ist, wird ein sechster Arbeitsschritt 66 durchgeführt.
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In diesem wird an den zweiten Anschluss 20 eine elektrische Spannung angelegt, die zu einem Schließen des Halbleiterschalters 16 führt. Somit kommutiert zumindest teilweise der elektrische Strom auf den Nebenstrompfad 12. Im Anschluss hieran wird an den ersten Anschluss 30 eine elektrische Spannung angelegt, die zu einem Öffnen des Trennelements 24 führt. Somit wird der noch bestehende elektrische Strom über den Hauptstrompfad 10 unterbrochen, wobei der elektrische Stromfluss zwischen den Anschlüssen 6 über den Nebenstrompfad 12 noch weiter besteht. Dabei wird bei dem Öffnen des Trennelements 24 kein Lichtbogen ausgebildet, oder dieser erlischt im Wesentlichen unverzüglich. Der Halbleiterschalter 16 wird nach einer vorgewählten Zeitspanne erneut geöffnet, wofür eine entsprechende elektrische Spannung an den zweiten Anschluss 20 angelegt wird. Der Zeitraum zwischen dem Schließen des Halbleiterschalters 16 und dem Öffnen des Trennelements 24 und die Zeitspanne, die der Halbleiterschalter 16 im geschlossenen Zustand verbleibt, sind auf den jeweils verwendeten Halbleiterschalter 16 und das verwendete Trennelement 24 angepasst. Hierfür wird bei Montage beispielsweise in dem Speicher 46 das verwendete Trennelement 24 sowie der verwendete Halbleiterschalter 16 hinterlegt, oder die Konfiguration ist anhand einer Steckerkonfiguration und/oder eines Anschlussschemas an dem jeweiligen Anschluss 20, 30 abrufbar. Die Zeitspanne und der Zeitraum sind dabei stets derart gewählt, dass nach dem Öffnen des Halbleiterschalters 16 mit dem Hybridschalter 2 kein elektrischer Strom mehr geführt wird. Dabei ist der Zeitraum zwischen der Ausführung des ersten Arbeitsschritts 52 und dem Zeitpunkt, ab dem mit dem Hybridschalter 2 kein elektrischer Strom geführt, minimal.
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Falls erkannt wurde, dass an den vierten Anschluss 36 der zweite Halbleiterschalter 32 angeschlossen ist, wird ein siebter Arbeitsschritt 68 durchgeführt. In diesem wird ebenfalls an den zweiten Anschluss 20 eine das Schließen des Halbleiterschalters 16 bewirkende elektrische Spannung angelegt. Somit beginnt der elektrische Strom auf den Nebenstrompfad 12 zu kommutieren. Im Wesentlichen unverzüglich nach dem der Halbleiterschalter 16 geschlossen wurde, wird eine das Öffnen des zweiten Halbleiterschalters 32 bewirkende elektrische Spannung an den vierten Anschluss 36 angelegt, sodass der elektrische Stromfluss über den Hauptstrompfad 10 unterbrochen wird. Nachfolgend wird eine das Öffnen des Trennelements 24 bewirkende elektrische Spannung an den ersten Anschluss 30 angelegt. Da über den Hauptstrompfad 10 kein elektrischer Strom mehr fließt, bilden sich auch kein Lichtbogen aus. Ferner wird im Wesentlichen zeitgleich an zweiten Anschluss 20 eine elektrische Spannung angelegt, die das Öffnen des Halbleiterschalters 16 bewirkt. Bei diesem Vorgehen ist der Zeitraum, der zwischen dem Ausführen des ersten Arbeitsschritts 52 vergeht und dem Zeitpunkt, bis über den Hybridschalter 2 kein elektrischer Strom mehr fließt, vergleichsweise kurz. Der Zeitraum, der zwischen dem Öffnen des Halbleiterschalters 16 und dem Schließen des zweiten Halbleiterschalters 32 vergeht, ist auf die jeweils verwendeten Halbleiterschalter 16, 32 angepasst.
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Zusammenfassend wird bei dem Verfahren 50 der zeitliche Ablauf, in dem an die Anschlüsse 20, 30, 36 jeweils eine entsprechende elektrischen Spannung angelegt wird, in Abhängigkeit des jeweils verwendeten Trennelements 24 sowie der Halbleiterschalter 16, 32 und auch der anliegenden Versorgungsspannung gewählt. Auch wird hierbei der zeitliche Ablauf in Abhängigkeit des aktuellen Zustands 56 angepasst.
