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Die Erfindung betrifft einen elektronischer Schutzschalter mit mindestens einem ersten und zweiten Halbleiterschalter, der in parallele Strompfade zwischen einem Spannungseingang für eine Versorgungsspannung und einem Lastausgang für eine anzuschließende oder angeschlossene Last geschaltet ist.
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Bei einem elektronischen Schutzschalter soll der eingesetzte Halbleiterschalter (Leistungshalbleiter) bei einem beispielsweise durch einen Kurzschluss in einer angeschlossenen Lastleitung verursachten Überstrom schnell genug abgeschaltet und hierzu entsprechend angesteuert werden, um infolge des Überstroms nicht zerstört zu werden. Zudem soll der elektronische Schutzschalters im Falle eines nur temporären Überstroms, beispielsweise verursacht durch den Ladestrom eines lastseitigen Kondensators, den Überstrom für eine definierte Zeit führen können und nur dann abschalten (auslösen), wenn der Überstrom über die definierte Zeit oder Zeitspanne hinaus vorhanden ist. Hierbei ist es häufig gewünscht, dass der Überstrom auf einen definierten Wert begrenzt wird.
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Des Weiteren ist es wünschenswert, dass das Abschalten bei dauerhaftem Überstrom und das Führen eines temporären Überstroms sowohl beim Einschalten des elektronischen Schutzschalters als auch bei Zuschalten des Überstroms während des Normalbetriebs gewährleistet sind. Ferner ist häufig gefordert, dass sich die Abschaltbedingungen des elektronischen Schutzschalters an die Last- und Temperatureigenschaften des Halbleiterschalters anpassen (Save Operating Area).
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So weist ein beispielsweise aus der
DE 203 02 275 U1 bekannter elektronischer Schalter einen Halbleiterschalter in Form eines MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) auf, der zwischen einen Betriebsspannungsanschluss und einen Lastanschluss in einen Strompfad geschaltet ist. Um in einem Gleichspannungsnetz eine zuverlässige Strombegrenzung zu erreichen, wird ein von einem Stromsensor im Strompfad erfasster Messwert einem Komparatoreingang einer Regeleinrichtung zugeführt. Bei Vorliegen eines Einschaltsignals und bei einem einen Referenzwert unterschreitenden Messwert steuert die Regeleinrichtung den Halbleiterschalter auf, während bei einem den Referenzwert überschreitenden Messwert die Regeleinrichtung den Leistungstransistor zusteuert und den über diesen fließende Strom auf den Referenzwert begrenzt.
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Aus der
EP 1 150 410 A2 ist ein mittels eines Mikroprozessors über einen Auslösekreis angesteuerter elektronischer Schutzschalter bekannt, der die Energieversorgung zu einer Last mit einer Zeitverzögerung unterbricht. Zuvor oder zeitgleich erfolgt eine partielle Unterbrechung des Schutzschalters.
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Eine partielle Unterbrechung eines elektronischen Schutzschalters mit mehreren Schaltblöcken, die jeweils einen elektronischen Schalter in Form eines MOSFET und einen diesen über einen gemeinsamen Mikroprozessor steuernden Komparator aufweisen, ist auch aus der
EP 1 294 069 B1 bekannt. Im Falle eines Überstroms wird die Energieversorgung zur Last nach einer Zeitverzögerung unterbrochen, die auf eine partielle Untersagung des wenigstens einen Schalters folgt.
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Zum Schalten insbesondere kapazitiver Lasten und/oder zu deren Schutz gegen Überstrom und Kurzschluss wird der Halbleiterschalter des elektronischen Schutzschalters als Konstantstromquelle zum Laden der Kapazität genutzt. Der Halbleiterschalter und insbesondere ein hierbei eingesetzter MOSFET muss in der Lage sein, während des Schaltens beziehungsweise im Zuge des Ladens der Kapazität die Verlustleistung in Folge des Einschaltstroms tragen zu können. Aufgrund dieser Situation werden elektronische Schutzschalter, insbesondere solche mit konstanter Strombegrenzung, üblicherweise mit einem überdimensionierten Halbleiterschalter (MOSFET) ausgelegt, um dieser Verlustleistung ausreichend Rechnung zu tragen. Eine derartige Dimensionierung des eingesetzten Halbleiterschalters führt jedoch zu einem erhöhten Kostenaufwand und einem entsprechend großen Raumbedarf innerhalb der Schaltung des elektronischen Schutzschalters.
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Der Laststrom kann mit Hilfe eines Messwiderstandes (Shunt) oder mit einem anderen Stromsensor erfasst werden, der hierzu als zusätzliches Bauelement oder als zusätzlicher Funktionsblock (Schaltungsblock) bereitgestellt werden muss. Die Abschaltung im Kurzschluss- und/oder Überlastfall erfolgt mittels einer Hardwareschaltung oder mittels einer programmierbaren Steuerung in Form typischerweise eines Microcontrollers, die bzw. der zudem die temporäre Strombegrenzung steuert. Alternativ kann die temporäre Strombegrenzung durch die Überwachung der Temperatur des Halbleiterschalters, wie beispielsweise im Falle eines sogenannten TEMPFET, gesteuert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst effektiv arbeitenden elektronischen Schutzschalter anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Hierzu weist der elektronische Schutzschalter einen ersten Halbleiterschalter, der in einen Strompfad (Hauptstrompfad) zwischen einem Spannungseingang für eine Versorgungsspannung und einen Lastausgang für eine anzuschließende oder angeschlossene Last geschaltet ist, und einen zweiter Halbleiterschalter auf, der dem ersten Halbleiterschalter parallel geschaltet und zum Einschalten eines Strombegrenzungspfads vorgesehen ist. Die beiden Halbleiterschalter sind mittels eines Komparators angesteuert und diesem hierzu ansteuerseitig nachgeschaltet. Dem Komparator ist eingangsseitig ein aus der Drain-Source-Spannung der Halbleiterschalter abgeleitetes Überwachungssignal zugeführt.
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Geeigneterweise ist dem ersten und/oder dem zweiten Halbleiterschalter steuerseitig ein Treiber vorgeschaltet. Zudem ist in den Strombegrenzungspfad vorzugsweise ein Strombegrenzungsglied, beispielsweise ein ohmscher Widerstand, geschaltet. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung empfängt der Komparator zur Erzeugung eines Ansteuersignals für die Halbleiterschalter ein Einschaltsignal zeitverzögert.
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Zweckmäßigerweise ist dem Komparator eingangsseitig eine Messeinrichtung zugeordnet, welche die Drain-Source-Spannung der Halbleiterschalter erfasst. Zudem ist dem Komparator zu dessen Aktivierung vorzugsweise eine Stromquelle zugeordnet, die über ein Verzögerungsglied mit einem Steuereingang des elektronischen Schutzschalters zum Empfangen des Einschaltsignals verbunden ist. Dem Verzögerungsglied ist in einer geeigneten Weiterbildung ein als Einschaltsperre wirkender Funktionsblock zugeordnet, der im Falle einer Kurzschlussauslösung ein sofortiges Wiedereinschalten des ersten Halbleiterschalters blockiert bzw. verhindert. Dem Verzögerungsglied kann zudem ein Reset-Funktionsbaustein zugeordnet sein, der das Verzögerungsglied im Falle einer Überstromauslösung zurücksetzt.
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Dem in den Strombegrenzungspfad geschalteten zweiten Halbleiterschalter, insbesondere dessen Treiber, ist geeigneterweise ansteuerseitig ein die Schaltsteilheit des Ansteuerimpulses einstellender Funktionsblock vorgeschaltet.
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Dem Komparator des elektronischen Schutzschalters ist über einen Schwellwerteingang ein Referenzsignal als Ausschaltschwelle für die Halbleiterschalter zugeführt ist. Zudem ist es vorteilhaft, wenn dem Komparator eingangsseitig, insbesondere dessen Referenzeingang, ein Funktionsblock zur zeitbegrenzten Anhebung eines Ausschaltschwellwertes zugeordnet ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass aufgrund der Überwachung der Drain-Source-Spannung des oder jedes Halbleiterschalters des vorzugsweise selbstschützenden elektronischen Schutzschalters (Leistungsschutzschalter) im Strompfad kein zusätzlicher Spannungsabfall durch einen Mess-Shunt erfolgt und darüber hinaus ein zusätzlicher Stromsensor zur Erfassung des Laststroms nicht erforderlich ist. Die Bereitstellung des zusätzlichen strombegrenzenden Pfades mit dem zweiten Halbleiterschalter parallel zum ersten Halbleiterschalter im Hauptstrompfad ermöglicht eine temporäre Strombegrenzung bei Kurzschluss für beispielsweise 5ms sowie das Laden von lastseitigen Kondensatoren beim Einschalten des Schutzschalters beziehungsweise dessen Halbleiterschalter.
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Des Weiteren ist der elektronische Schutzschalter kurzschlussfest für praktisch beliebige Ströme bei kleinen Lastinduktivitäten (größer oder gleich 1µ H) und schnellem Stromanstieg (kleiner oder gleich 1000 A/µs). Zudem erfolgt eine automatische Anpassung der Abschaltschwelle an die Temperatur des oder jedes eingesetzten Halbleiterschalters. Geeignete Halbleiterschalter sind beispielsweise ein MOSSET oder ein IGBT. Ferner erfolgt ein zuverlässiges Abschalten des oder jedes Halbleiterschalters bei Erwärmung beziehungsweise bei Anstieg der Umgebungstemperatur oder im Falle eines Überstroms (TEMPFET-Verhalten). Besonders vorteilhaft ist die hohe Zuverlässigkeit des selbstschützenden elektronischen Schutzschalters aufgrund der reinen, prozessor- und softwarelosen Hardware-Schaltung mit einem Komparator.
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Die Reset-Funktionalität des strombegrenzenden Pfades zum Laden zugeschalteter Kondensatoren ermöglicht beziehungsweise gewährleistet eine üblicherweise gewünschte hot-swap-Funktionalität des elektronischen Schutzschalters. Die Stromquelle ermöglicht vorteilhafterweise eine schnelle Kurzschlussstromabschaltung, insbesondere innerhalb von 200ns. Die dem zweiten Halbleiterschalter innerhalb des Strombegrenzungspfades ansteuerseitig bevorzugt vorgeschaltete Schalteinheit, die geeigneterweise mit dem Steuereingang des elektronischen Schutzschalters verbunden ist, ermöglicht die Generierung schneller Schaltflanken am Halbleiterschalter, auch bei vergleichsweise langsamen Schaltsignalen. Hierbei kann geeigneterweise stets eine gleiche Einschaltsteilheit beim Einschalten des Halbleiterschalters erreicht werden. Die dem Komparator, beziehungsweise die dem diesem wiederum zugeordnete Stromquelle, eingangsseitig vorgeordnete Einschaltverzögerung, die beispielsweise durch ein RC-Glied realisiert ist, aktiviert die Messstromeinrichtung beispielsweise erst nach 2,5ms. Hierdurch werden hohe Spannungswerte an der Messstromeinrichtung bzw. am Komparator bei ausgeschalteten Halbleiterschaltern vermieden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch in einem Blockschaltbild den elektronischen Schutzschalter mit dessen wesentlichen Komponenten, und
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2 in einem Blockschaltbild gemäß 1 den elektronischen Schutzschalter mit zusätzlichen Funktionsbausteinen.
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Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 schematisch dargestellte elektronische Schutzschalter 1 weist einen ersten Halbleiterschalter 2a auf, der in einen Hauptstrompfad 3a zwischen einen Spannungseingang 4 und einen Lastausgang 5 geschaltet ist. An den Spannungseingang 4 ist der Pluspol einer Spannungsquelle 6 für eine Versorgungs-Gleichspannung UDC mit beispielsweise UDC = 500 V(DC) angeschlossen. Die Versorgungs-Gleichspannung UDC kann jedoch auch größer, beispielsweise 800V(DC), oder kleiner, beispielsweise 24V(DC), sein. Der Minuspol der Spannungsquelle 6 führt über eine Last 7 an den Lastausgang 5 des elektronischen Schutzschalters 1.
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Dem ersten Halbleiterschalter 2a ist ein zweiter Halbleiterschalter 2b in einem Strombegrenzungspfad 3b parallel geschaltet. Die Halbleiterschalter 2a, 2b können als MOSFET oder als IGBT ausgeführt sein. Den beiden Halbleiterschaltern 2a, 2b ist eine Mess- oder Überwachungseinrichtung 8 zur Erfassung beziehungsweise zur Überwachung der Drain-Source-Spannung der Halbleiterschalter 2a, 2b zugeordnet.
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Die Ansteuerung der beiden Halbleiterschalter 2a, 2b erfolgt mittels eines Komparators 9. Dieser ist ausgangsseitig – geeigneterweise über jeweils einen Treiber 10a, 10b – mit den Halbleiterschaltern 2a beziehungsweise 2b ansteuerseitig verbunden. Einem ersten Eingang E1 des Komparators 9 ist ein Überwachungssignal SDS der Mess-/Überwachungseinrichtung 8 zugeführt. Einem weiteren Eingang (Referenzeingang) E2 des Komparators 9 ist ein Referenzsignal RDS von einem Referenzwertgeber oder einer Referenzsignalschaltung 11 zugeführt. Der Referenzwertgeber 11 gibt eine Schwellwert (Spannungsschwellwert) UDS mit beispielsweise UDS = 1 V als Ein-/Ausschaltschwelle für den ersten und/oder zweiten Halbleiterschalter 2a beziehungsweise 2b vor.
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Ein Impulsgeber 12 als externe Steuerquelle, die einen Einschaltpuls SA zur Ansteuerung des ersten und/oder zweiten Halbleiterschalters 2a, 2b in Form insbesondere eines Spannungspulses mit (+) 15 V liefert, ist an einen Steuereingang 13 des elektronischen Schutzschalters 1 angeschlossen. Der Einschaltpuls SA wird dem Komparator 9 über ein Verzögerungsglied oder eine Verzögerungsschaltung 14 zeitverzögert zugeführt. Die zeitverzögerte Zuführung des Einschaltpulses SA zum Komparator 9 erfolgt vorzugsweise jedoch nicht direkt, sondern indirekt über eine Stromquelle 15, die den Komparator 9 vorzugsweise zeitverzögert aktiviert.
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Bei dem in 2 gezeigten erweiterten Blockschaltbild des elektronischen Schutzschalters 1 sind mit dem Blockschaltbild nach 1 übereinstimmende Funktions- und Schaltungsbausteine mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In den Strombegrenzungspfad 3b ist zusätzlich ein Strombegrenzungsglied 16, beispielsweise in Form eines ohmschen Widerstandes, insbesondere mit einem Widerstandwert R = 5Ω geschaltet. Der zur zusätzlichen Strombegrenzung im Strombegrenzungspfad 3b vorgesehenen Begrenzungsbaustein 16 kann entfallen, wenn der zweite Halbleiterschalter 2b selbst bereits den Strom begrenzen kann oder begrenzt.
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Ansteuerseitig ist dem zweiten Halbleiterschalter 2b im Strombegrenzungspfad 3b eine Schalteinheit 17 zugeordnet, die im Ausführungsbeispiel ausgangsseitig des Komparators 9 zwischen diesen und den Treiber 10b geschaltet ist. Die Schalteinheit 17 dient zur Beschleunigung des Einschaltpulses SA, insbesondere auch unter Umgehung des Komparators 9. Hierzu ist die Schalteinheit 17 sowohl mit den entsprechenden Ausgang A2 des Komparators 9 als auch direkt mit der Einschaltpuls-Quelle 12 über den Steuereingang 13 verbunden. Das entsprechende Ansteuersignal Sb wird dem Treiber 10b und über diesen dem in den Strombegrenzungspfad 3b geschalteten zweiten Halbleiterschalter 2b ansteuerseitig mit praktisch stets gleicher Schalt- oder Einschaltsteilheit zugeführt.
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Das am weiteren Ausgang A1 des Komparators 9 abgreifbare Ansteuersignal A1 für den in den Hauptstrompfad 3a geschalteten erste Halbleiterschalter 2a wird diesem ansteuerseitig lediglich über den Treiber 10a zugeführt. Ein Abgriff 18 an diesem Ausgang A1 des Komparators 9 führt an eine Reset-Schaltung 19 als Funktionsbaustein zum Rücksetzen des Verzögerungsgliedes zur Einschaltverzögerung. Hierbei wird nach einer Überstrom-Abschaltung mittels des Komparators 9 das Verzögerungsglied 14 entsprechend dem Einschalten durch den Einschaltpuls SA zurückgesetzt. Hierdurch können zugeschaltete Kondensatoren geladen werden (hot swap).
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Ein steuerseitig des in den Hauptstrompfad 3a geschalteten ersten Halbleiterschalters 2a hinter dem diesem zugeordneten Treiber 10a vorgesehener Abgriff 20 führt einerseits zu einer Kompensationsschaltung 21 und andererseits zu einem als Widereinschaltsperre dienenden Funktionsblock 22, der zur Reset-Schaltung 19 und über dieser zur Einschaltverzögerung 14 führt. Der Funktionsbaustein 21 zur Einschaltkompensation dient zur Kompensierung von Ladestromspitzen bei großen Kondensatoren. Hierzu wird die Referenzspannung beziehungsweise der Schwellwert UDS am entsprechenden Eingang E2 des Komparators 9 für kurze Zeit, beispielsweise für 1 ms, angehoben, wenn der erste Halbleiterschalter 2a eingeschaltet wird. Der Funktionsbaustein 22 verhindert ein wiederholtes, schnelles Widereinschalten des ersten Halbleiterschalters 2a, wenn beispielsweise eine Kurzschlussauslösung erfolgt ist. Die Widereinschaltsperre ist beispielsweise auf eine Zeit von 100ms eingestellt.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronischer Schutzschalter
- 2a
- erster Halbleiterschalter
- 2b
- zweiter Halbleiterschalter
- 3a
- Hauptstrompfad
- 3b
- Strombegrenzungspfad
- 4
- Spannungseingang
- 5
- Lastausgang
- 6
- Spannungsquelle
- 7
- Last
- 8
- Mess-/Überwachungseinrichtung
- 9
- Komparator
- 10a
- Treiber
- 10b
- Treiber
- 11
- Referenzwertgeber
- 12
- Impulsgeber
- 13
- Steuereingang
- 14
- Verzögerungsglied
- 15
- Stromquelle
- 16
- Strombegrenzungsglied
- 17
- Schalteinheit
- 18
- Abgriff
- 19
- Reset-Schaltung
- 20
- Abgriff
- 21
- Funktionsbaustein/Kompensationsschaltung
- 22
- Funktionsbaustein/Widereinschaltsperre
- A1,2
- Komparatorausgang
- E1,2
- Komparatoreingang
- RDS
- Referenzsignal/Schwellwert
- Sa
- Ansteuersignal
- Sb
- Ansteuersignal
- SA
- Einschaltpuls
- SDS
- Überwachungssignal
- UDS
- Schwellwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20302275 U1 [0004]
- EP 1150410 A2 [0005]
- EP 1294069 B1 [0006]
