KR20220004718A

KR20220004718A - 회로 차단기

Info

Publication number: KR20220004718A
Application number: KR1020217039247A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 랩스; 크리스티안 스트로블
Original assignee: 엘렌베르거 앤드 포엔스겐 게엠베하
Priority date: 2019-05-02
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2022-01-11
Also published as: WO2020221590A1; JP7326474B2; JP2022530684A; CN113767535A; EP3942663A1; US20220060012A1; CN113767535B; DE102019206267B3

Abstract

본 발명은 구동 회로(24)의 제어 가능한 제2 스위칭 엘리먼트(56)에 연결된 제1 제어 입력(22)을 갖는 제어 가능한 제1 스위칭 엘리먼트(18)를 갖는 메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14)에 관한 것이다. 구동 회로(24)는 메인 전류 경로(16)에 커플링되고 2개의 출력들(36)을 갖는 전류 센서(26)를 가지며, 출력들(36) 사이에 인가되는 전기 전압(38)은 메인 전류 경로(16)에 의해 전도되는 전기 전류에 의존한다. 출력들(36) 각각은 각각의 경우에 2개의 추가 출력들(44)을 갖는 마이크로제어기-프리 특성 곡선 회로(40)의 하나의 입력(42)에 연결되고, 제2 스위칭 엘리먼트(56)는 추가 출력들(44) 사이에 인가된 추가 전기 전압(58)에 의존하여 동작되고, 추가 전기 전압(58)과 전기 전압(38) 사이에 기능적 관계가 존재한다.

Description

회로 차단기

본 발명은 제1 제어 입력을 갖는 제어 가능한 제1 스위칭 엘리먼트를 갖는 메인 전류 경로를 갖는 회로 차단기에 관한 것이다. 제1 제어 입력은 구동 회로의 제어 가능한 제2 스위칭 엘리먼트에 연결되고 이에 따라 제어 가능한 제2 스위칭 엘리먼트에 의해 작동된다.

원격통신 시스템들 또는 데이터 센터 시스템들은 일반적으로 전기 공급 네트워크에 연결된다. 주파수가 50Hz 또는 60Hz인 AC 전압은 일반적으로 공급 네트워크에 의해 제공된다. 시스템의 기능 컴포넌트들은 일반적으로 DC 전압에 의해 작동되기 때문에, 시스템의 정류기가 전기 공급 네트워크에 연결된다. 정류기는 DC 회로에 공급되고 10V 내지 수백 V 사이일 수 있는 DC 전압으로 AC 전압을 변환하는 데 사용된다. DC 회로는 시스템의 추가 컴포넌트들을 전기적으로 접촉-연결하는 데 사용되며, 따라서 이러한 컴포넌트는 상기 DC 회로에 의해 가압된다(energized).

정류기 또는 컴포넌트들 중 하나가 고장나는 경우, 과도한 전기 전류가 발생하는 것이 가능하며, 이는 DC 회로에서 인프라스트럭처의 추가 컴포넌트들 또는 다른 구성 부분들을 파괴할 수 있다. 이를 방지하기 위해, DC 회로 및/또는 DC 회로에 대한 컴포넌트의 연결을 중단할 필요가 있다. 회로 차단기들은 통상적으로 이러한 목적을 위해 사용되며, 이들은 과도한 전기 전류와 같은 결함 거동의 존재에 의존하여 작동되는 스위칭 엘리먼트를 갖는다.

하나의 대안에서, 스위칭 엘리먼트는 바이메탈 스트립(bimetal strip)에 의해 형성되며, 예컨대, 이를 통해 전기 전류가 전도된다. 바이메탈 스트립을 통해 과도한 전기 전류가 흐르는 경우에, 스트립의 측들이 불균등하게 길어지고 결과적으로 상기 스트립이 구부러진다. 그 결과로서, 바이메탈 스트립의 일 단부가 회로 차단기의 (고정된) 접점으로부터 떨어지게 되고 전기 전류의 흐름이 중단된다. 따라서 전기 전류를 모니터링하기 위해 어떠한 부가적인 컴포넌트들도 필요하지 않으며, 그 결과 재료 비용들이 비교적 낮다. 그러나 바이메탈 스트립의 제조는 비교적 큰 공차들에 의해 영향을 받으며, 결과적으로, 바이메탈 스트립의 기계적 프리스트레스(mechanical prestress)가 정확히 세팅되어야 하고 상기 스트립의 조립 시에 개개의 회로 차단기에 대해 조정되어야 한다. 따라서 생산 시간 및 또한, 생산 비용들이 증가된다.

또한 바이메탈 스트립은 코일 어레인지먼트로 보완될 수 있다. 그 후, 이러한 열 자기 회로 차단기는 순수 열 원리에 비해 짧은 과전류 이벤트에 보다 빠르게 반응할 수 있다. 그러나 여기에서 큰 공차들이 또한 발생할 수 있으며, 이는 어쩌면 정격 동작 동안 매우 높고 짧은 전류 피크들 및 제한된 연속 단락 전력 및 결함의 경우 가장 빠른 가능한 요구된 연결해제와 관련하여 DC 회로(DC 네트워크)의 보호 요건들을 충족하는 것을 어렵게 한다.

이에 대한 대안은 스위칭 엘리먼트가 결함의 결정과 독립적으로 설계되도록 준비하는 것이다. 이 경우에, 스위칭 엘리먼트는 예컨대, 반도체 스위치 또는 릴레이이다. 이들은 일반적으로 마이크로프로세서 및 전류 센서를 갖는 구동 회로에 의해 작동된다. 이 경우에, 스위칭 엘리먼트에 의해 전도된 전기 전류는 전류 센서에 의해 검출된다. 전류 센서는 신호 기술 관점에서 마이크로프로세서에 커플링되며, 결과적으로 현재 흐르는 전기 전류의 값에 대한 지식이 마이크로프로세서에 존재한다. 그의 평가를 수행하는데 마이크로프로세서가 사용되며, 평가에 의존하여 마이크로프로세서를 통해 스위칭 엘리먼트가 작동된다. 따라서 프로그래밍 및/또는 마이크로프로세서의 선택에 의해 회로 차단기의 상이한 스위칭 특성들을 구현하는 것이 가능하다. 따라서 상이한 애플리케이션의 경우들에서 회로 차단기를 사용하는 것이 가능하며, 여기서 마이크로프로세서만이 상응하게 프로그래밍되어야 한다. 그러나 마이크로프로세서로 인해 생산 비용들 및 간섭에 대한 민감도가 증가된다.

본 발명은 특히 적합한 회로 차단기를 특정하는 목적에 기초하며, 여기서 생산 비용들은 유리하게 감소되고 상이한 애플리케이션들에 대한 조정이 편리하게 증가된다.

이 목적은 청구항 1의 특징들에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 유리한 개발들 및 구성들은 종속 청구항들의 주제이다.

회로 차단기는 라인 또는 다른 컴포넌트(예컨대, 부하 유닛 또는 부하)와 같은 컴포넌트 부분을 보호하는 데 사용된다. 이를 위해, 특정 전기 전류는 일반적으로 회로 차단기에 의해 전도된다. 결함 거동 예컨대, 과전류, 단락 전류 또는 결함 전류의 경우에, 회로 차단기가 트리거되어서, 전기 전류의 흐름(전류 흐름)이 중단된다. 일반적으로 회로 차단기에 의해 전도되는 전기 전류는 예컨대, 0.5A, 1A, 5A, 10A, 20A 또는 50A보다 크다. 특히, 일반적으로 전도되는 최대 전기 전류는 200A, 150A 또는 100A 미만이다. 직류 전류는 특히 바람직하게는 회로 차단기에 의해 전도된다. 이러한 목적을 위해, 회로 차단기가 적합하며, 특히 제공되고 구성된다. 전기 전류가 중단되는 경우, 특히 12V, 48V, 100V, 200V보다 큰 전기 전압이 회로 차단기에 인가된다. 예컨대, 전기 전압이 2000V, 1000V, 900V 또는 800V보다 낮다. 특히 회로 차단기는 고전압 회로 차단기이다.

예컨대, 회로 차단기는 자동차에서 사용되고, 이에 따라 자동차의 구성 부분이다. 자동차는 편리하게는, 전기 모터와 같은 드라이브에 전기적으로 연결된 고전압 에너지 저장소를 갖는다. 특히, 조립된 상태에서, 회로 차단기는 바람직하게는 고전압 온보드 전력 공급 시스템의 구성 부분인 드라이브와 고전압 에너지 저장소 사이의 라인에 도입된다. 이러한 목적을 위해, 회로 차단기가 적합하며, 특히 제공되고 구성된다. 이에 대한 대안으로, 회로 차단기는 예컨대, 전기 자동차에 대한 충전 컬럼(charging column)에서 사용된다.

특히 바람직한 대안에서, 회로 차단기는 원격통신 시스템 예컨대, 모바일 라디오 시스템 또는 데이터 센터 시스템을 보호하는 데 사용된다. 이 경우에, 회로 차단기는 개개의 시스템의 정류기에 의해 공급되는 DC 회로(DC 네트워크) 내로 도입된다. 정류기는 특히 전기 공급 네트워크에 의해 제공된 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는데 사용되며, 여기서 AC 전압은 특히 50Hz 또는 60Hz의 주파수를 갖는다. 10V에서 수백 V 사이의 DC 전압이 편의상 DC 회로에 인가된다. 예컨대, 인가된 전기(DC) 전압은 10V 내지 500V, 50V 내지 200V 또는 100V 내지 150V이다. 회로 차단기는 바람직하게는 DC 회로 또는 DC 회로에 의해 공급되는 개개의 시스템의 컴포넌트를 보호하는 데 사용된다.

회로 차단기는 제어 가능한 제1 스위칭 엘리먼트를 갖는 메인 전류 경로를 갖는다. 의도한 대로 동작하는 동안, 전기 전류는 메인 전류 경로에 의해 전도된다. 스위칭 엘리먼트는 메인 전류 경로를 통해 흐르는 전기 전류가 제1 스위칭 엘리먼트에 의해 중단될 수 있는 방식으로 메인 전류 경로 내에 배열된다. 따라서 제1 스위칭 엘리먼트가 작동될 때, 메인 전류 경로가 중단된다. 제1 스위칭 엘리먼트는 편의상 2개의 동작 접점들을 가지며, 이들은 메인 전류 경로의 구성 부분이다. 제1 스위칭 엘리먼트가 스위칭될 때, 2개의 동작 접점들 사이의 전기 저항이 편의상 증가한다.

제1 스위칭 엘리먼트는 제어 가능하도록 설계되고 제1 제어 입력을 갖는다. 제1 제어 입력은 메인 전류 경로의 구성 부분이 아니다. 제1 제어 엘리먼트는 제1 제어 입력에 인가된 (전기) 레벨에 의존하여 작동되고 이에 따라 메인 전류 경로는 중단된다. 이에 따라 제1 스위칭 엘리먼트는 상호연결된다.

예로서, 제1 스위칭 엘리먼트는 전력 반도체 스위치와 같은 반도체 스위치이다. 제1 스위칭 엘리먼트는 바람직하게는 MOSFET과 같은 전계 효과 트랜지스터이다. 따라서 이 경우에, 제1 스위칭 엘리먼트는 메인 전류 경로의 구성 부분인 동작 접점들로서 드레인 및 소스 입력을 갖는다. 게이트 입력은 제1 제어 입력을 형성하거나 그의 구성 부분이다. 그러나, 특히 바람직하게는, 제1 스위칭 엘리먼트는 릴레이에 의해 형성된다. 2개의 동작 접점들은 이 경우에, 전기자에 의해 기계적으로 서로 이격될 수 있고 그리고/또는 기계적으로 서로 직접 맞대어질 수 있다. 동작 접점들은 바람직하게는 예컨대, 스프링에 의해 기계적으로 사전 인장되며, 결과적으로 스프링력은 대응하는 움직임이 존재할 때 전기자에 의해 작동된다. 전기자는 특히 전기 코일을 갖는 릴레이 드라이브의 구성 부분이며, 이를 통해 대응하는 가압이 존재할 때 전기자 상에 대응하는 힘이 가해진다. 예컨대, 코일들의 연결들 중 하나는 제1 제어 입력이거나 또는 그에 적어도 전기적으로 접촉-연결된다.

예컨대, 제1 스위칭 엘리먼트는 릴레이 및 반도체 스위치로 구성된 상호연결(interconnection)을 갖는다. 특히, 반도체 스위치는 릴레이와 병렬로 연결된다. 릴레이가 개방될 때 전기 전류가 반도체 상으로 정류되고 결과적으로 릴레이에서 아크의 형성이 억제되도록 하는 상호연결이 바람직하다. 이에 이어, 특히 반도체 스위치가 작동되고 이에 따라 전기 전류가 중단된다.

회로 차단기는 또한 제어 가능한 제2 스위칭 엘리먼트를 가지며, 여기서 제1 스위칭 엘리먼트의 제1 제어 입력은 제2 스위칭 엘리먼트에 연결된다. 예로서, 제2 스위칭 엘리먼트는 릴레이, 반도체 스위치 또는 이들의 조합이다. 특히, 구동 전류는 제2 스위칭 엘리먼트에 의해 스위칭되고 이러한 방식으로 특정 전기 레벨이 제1 제어 입력에 인가된다. 이 경우에, 제2 스위칭 엘리먼트는 특히 마찬가지로 예로서 릴레이 또는 반도체 스위치 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 2개의 동작 접점들을 갖는다. 이 경우에, 특히, 제2 스위칭 엘리먼트의 동작 접점들 중 하나는 제1 스위칭 엘리먼트의 제1 제어 입력에 전기적으로 영구적으로 접촉-연결된다. 따라서, 제2 스위칭 엘리먼트에 의해 제1 제어 입력에 기준 전위를 인가하는 것이 가능하다.

이 경우에, 제2 스위칭 엘리먼트가 마찬가지로 제어 가능하게 설계되어서, 제2 스위칭 엘리먼트는 특정 조건들에 의존하여 작동된다. 이를 위해, 제2 스위칭 엘리먼트는 바람직하게는 제2 제어 입력을 갖는다. 따라서, 제1 스위칭 엘리먼트는 제2 스위칭 엘리먼트에 의해 작동되고, 특히 제1 스위칭 엘리먼트는 제2 스위칭 엘리먼트가 작동될 때 작동된다. 이 경우에, 제1 제어 입력에 비교적 낮은 레벨이 인가되는 경우에도 작동되는 방식으로 제1 스위칭 엘리먼트를 설계하는 것이 가능하다. 따라서, 제2 스위칭 엘리먼트에 의해 비교적 높은 전기 전류들 및/또는 전기 전압들을 스위칭할 필요가 없고, 결과적으로 비교적 비용 효율적인 컴포넌트들이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 예로서, 제2 스위칭 엘리먼트에 의해 스위칭되는 전기 전압은 30V 또는 20V보다 낮다. 대조적으로, 100V 내지 1000V의 전기 전압이 편의상 제1 스위칭 엘리먼트에 의해 스위칭된다.

제2 스위칭 엘리먼트는 메인 전류 경로에 커플링된 전류 센서를 또한 포함하는 구동 회로의 구성 부분이다. 예로서, 전류 센서는 이러한 목적을 위해 메인 전류 경로에 도입되거나 적어도 그에 동작 가능하게 연결된다. 따라서 전류 센서에 의해, 메인 전류 경로에 의해 전도된 전기 전류를 검출하는 것이 가능하다. 전류 센서 자체는 2개의 출력들을 가지며, 여기서 동작 동안 전류 센서의 출력들 사이에 인가된 전기 전압은 메인 전류 경로에 의해 전도되는 전기 전류에 의존한다. 전류 센서는 이러한 목적을 위해 적합하게 설계된다. 특히, 전기 전류와 전기 전압 사이에 기능적 관계가 존재하며, 여기서 기능은 바람직하게는 연속적이고 그리고/또는 차별 가능하다. 출력들 사이에 인가된 전기 전압은 특히 바람직하게는, 메인 전류 경로에 의해 전도된 전기 전류에 실질적으로 비례한다. 예컨대, 2V의 전기 전압은 10A 내지 100A의 전도된 전기 전류에 대응한다. 따라서 특히 1A, 0.5A, 0.1A 또는 0.01A 미만의 비교적 낮은 전기 전압들 및/또는 비교적 낮은 전기 전류들만이 구동 회로에 인가된다. 따라서 구동 회로에 대해 비교적 비용 효율적인 컴포넌트 부분들을 사용하는 것이 가능하며, 이는 회로 차단기의 생산 비용들을 추가로 감소시킨다.

구동 회로는 마이크로제어기-프리(microcontroller-free) 특성 곡선 회로를 포함한다. 즉, 특성 곡선 회로는 마이크로제어기 및/또는 마이크로프로세서를 갖지 않는다. 특성 곡선 회로는 바람직하게는 아날로그 설계이며 따라서 어떠한 디지털 컴포넌트 부분들, 특히 어떠한 전자 컴포넌트 부분들도 포함하지 않는다. 전체 구동 회로는 바람직하게는 마이크로제어기-프리이고 그리고/또는 아날로그 설계이다. 즉, 전체 구동 회로는 어떠한 디지털 컴포넌트 부분들 및/또는 전자 컴포넌트 부분들도 갖지 않는다. 그러나, 구동 회로는 적어도 마이크로프로세서/마이크로제어기를 포함하지 않고, 이에 따라 마이크로프로세서들/마이크로제어기들이 없다. 예컨대, 구동 회로는 비교기 및 슈미트 트리거를 포함한다. 전체 회로 차단기는 바람직하게는, 아날로그 설계이고 이에 따라, 어떠한 디지털/전자 컴포넌트 부분들도 갖지 않거나 적어도 마이크로프로세서/마이크로제어기를 갖지 않는다. 즉, 회로 차단기는 마이크로프로세서-프리/마이크로제어기-프리이다.

특성 곡선 회로는 2개의 입력들을 가지며, 여기서 전류 센서의 각각의 출력들은 특성 곡선 회로의 개개의 입력에 연결된다. 따라서 동작 동안, 전류 센서에 의해 제공되는 전기 전압이 특성 곡선 회로의 입력들에 인가된다. 결과적으로 특성 곡선 회로에 대한 전기 전압은 전류 센서에 의해 제공된다. 특성 곡선 회로는 2개의 추가 출력들을 가지며, 이들 사이에서 동작 동안 추가 전기 전압이 인가된다. 추가 전기 전압은 전기 전압과 기능적 관계를 갖는다. 바람직하게는, 추가 전기 전압과 전기 전압의 시간 프로파일 사이에 기능적 관계가 존재한다. 기능적 관계는 편의상 특정 특성 곡선과 상관되거나 적어도 그에 대응한다. 예로서, 추가 전기 전압이 특정 제한 값을 초과하거나 특정 시간 윈도우 내에서 추가 제한 값보다 많이 변하는 예컨대, 증가하는 경우에만 정격 전류와 상관된 정지 전압 레벨과 상이하다. 따라서 특정 특성 곡선 또는 적어도 스위칭 포인트는 특성 곡선 회로에 의해 규정되어서, 추가 출력들 사이에 인가되는 추가 전기 전압은 특정 특성 곡선에 의존한다.

특히, 특정 시간 윈도우들 내에서 전류 센서에 의해 제공되는 전기 전압의 단계적 변화들에 대응하는, 메인 전류 경로에 의해 전도된 전기 전류의 단계적 변화들의 경우에, 추가 전기 전압은 구체적으로 그것이 바람직하게는 특정 값을 초과하도록 변경된다. 이 경우에, 시간 윈도우에는 편의상 전기 전류의 각각의 단계 크기(변화)가 할당되며, 여기서 이러한 방식으로 형성된 쌍들은 각각 특히 회로 차단기의 스위칭 포인트를 정의한다. 복수의 그러한 스위칭 포인트들은 편의상 특성 곡선 회로, 즉 2개의 스위칭 포인트들, 3개의 스위칭 포인트들 또는 그 이상의 스위칭 포인트들에 의해 정의된다. 이 경우에, 전기 전류의 개개의 단계 크기는 전류 센서에 의해 전기 전압의 대응하는 변화에 매핑된다.

제2 스위칭 엘리먼트는 특성 곡선 회로의 추가 출력들 사이에 인가된 추가 전기 전압에 의존하여 작동된다. 따라서 제2 스위칭 엘리먼트는 특성 곡선 회로의 입력들에 인가된 전기 전압이 특정 조건을 만족할 때 작동된다. 그러나 이 전기 전압은 메인 전류 경로에 의해 전도된 전기 전류에 의존한다. 따라서 제2 스위칭 엘리먼트는 메인 전류 경로에 의해 전도된 전기 전류가 특정 조건을 만족할 때 작동된다. 제2 스위칭 엘리먼트는 바람직하게는 전기 전류의 변화로 인해 스위칭 포인트가 도달될 때, 즉 스위칭 포인트들 중 하나의 시간 윈도우 내의 전기 전류의 변화가 동일한 스위칭 포인트의 전기 전류의 단계 크기 이상일 때 또는 전기 전류의 변화가 스위칭 포인트들 중 하나의 전기 전류의 단계 크기와 동일할 때 작동되며, 여기서 변화는 동일한 스위칭 포인트에 의해 규정된 시간 윈도우 내에서 발생한다.

제2 스위칭 엘리먼트가 작동될 때, 제1 스위칭 엘리먼트가 작동되어서, 요약하면 후자는 메인 전류 경로에 의해 전도되는 전기 전류에 의존하여 작동된다. 특성 곡선 회로에 의해, 특히, 제2 스위칭 엘리먼트가 작동되도록 하기 위해 전기 전류의 시간 프로파일 및 이에 따른 전기 전압의 시간 프로파일이 가져야 하는 2개의 조건들 또는 그 이상의 조건들이 정의된다.

마이크로제어기-프리 특성 곡선 회로로 인해, 비교적 값비싼 컴포넌트 부분들이 요구되지 않으며, 이러한 이유로 생산 비용들이 감소된다. 동작 동안 구동 회로에 존재하는 전기 전류들/전기 전압들이 또한 비교적 낮아서, 이들을 위해 비교적 비용 효율적인 컴포넌트 부분들이 사용될 수 있다. 따라서 회로 차단기의 생산 비용들이 추가로 감소된다. 회로 차단기의 트리거링 특성은 특성 곡선 회로에 의해 세팅되기 때문에, 특성 곡선 회로를 상응하게 조정함으로써 매우 다양한 애플리케이션들에 대한 회로 차단기를 사용하는 것이 가능하다. 이 경우에, 전체 특성 곡선 회로 또는 특성 곡선 회로의 개별 컴포넌트들의 교환만이 요구되는 반면, 추가 컴포넌트들이 항상 변경되어야 하는 것은 아니다. 따라서 비교적 많은 양의 동일한 부분들이 사용될 수 있으며, 이는 추가로 생산 비용들을 감소시킨다.

회로 차단기의 재조정, 특히 회로 차단기의 재설계는 여기에서 또한 필요하지 않다. 특성 곡선 회로가 또한 마이크로제어기-프리로 설계되기 때문에, 이는 비교적 둔감하고 이에 따라 견고하다. 결과적으로 신뢰성 및 안전성이 증가된다. 트리거링 특성은 또한 특성 곡선 회로에 의해 세팅되며, 이는 비교적 정밀하게 제조될 수 있고 이에 따라 낮은 제조 공차들을 갖는다. 결과적으로, 제조된 후 또는 동작 동안 각각의 회로 차단기를 교정할 필요가 없으며, 이는 생산 및 동작 비용들을 감소시킨다.

예로서, 전류 센서의 출력들 중 하나 및/또는 특성 곡선 회로의 입력들 중 하나는 접지에 전기적으로 연결되고 따라서 접지의 전위에 있다. 대안으로서 또는 이와 조합하여, 예컨대, 특성 곡선 회로의 추가 출력들 중 하나는 접지에 전기적으로 연결되고 따라서 접지 전위에 있다. 그 결과, 회로 차단기의 상호연결이 단순화된다.

회로 차단기는 특히 바람직하게는, 특히 비교기를 포함하는 비교기 회로를 갖는다. 비교기 회로는 편의상, 마찬가지로 아날로그 설계이며 슈미트 트리거를 갖는다. 비교기 회로는 특성 곡선 회로의 추가 출력들에 연결된 2개의 입력들을 갖는다. 특히, 이들은 서로 전기적으로 직접 연결되어서, 동작 동안 비교기 회로의 입력들에 추가 전기 전압이 인가된다. 또한 비교기 회로는 편의상 전기 기준 전위에 연결되는 기준 입력을 갖는다. 특히, 추가 전위에 대한 특정한 일정 전기 전압은 기준 전위에 의해 제공되며, 여기서 상기 전위는 마찬가지로 예컨대, 비교기 회로에 인가된다. 특성 곡선 회로의 추가 출력들 중 하나의 전위는 특히 바람직하게는 추가 전기로서 여기서 사용된다. 따라서 상호연결이 단순화된다.

또한, 비교기 회로는 제2 스위칭 엘리먼트의 가능한 제2 제어 입력에 연결된 출력을 갖는다. 특히, 특성 곡선 회로의 추가 출력들 사이에 인가된 추가 전기 전압이 기준 전위에 대한 특정 조건을 충족하는 경우 비교기 회로의 출력에 전기적 레벨이 인가된다. 특히, 비교기 회로의 입력들 중 하나에 인가된 전위는 기준 입력에 인가된 전위, 즉 바람직하게는 기준 전위에 대해 비교된다. 특히, 이 경우에, 비교기 회로의 다른 입력은 접지에 전기적으로 연결된다. 예컨대, 입력들 중 하나에 인가된 전위가 기준 전위보다 큰 경우, 특정 전기적 레벨이 비교기 회로의 출력에 인가되며, 상기 특정 전기적 레벨은 정격 전류에 할당될 수 있는 정지 전압 레벨에 대응한다. 따라서, 제2 스위칭 엘리먼트는 그의 입력들 중 하나에서의 전위가 기준 전위보다 클 때 작동된다.

전류 센서의 출력들은 특히 바람직하게는 메인 전류 경로로부터 DC-격리된다. 전체 구동 회로는 바람직하게는 메인 전류 경로로부터 DC-격리되며, 이는 시스템 및/또는 사람의 안전 및 보호를 증가시킨다. 예로서, 전류 센서는 홀 센서를 포함하거나 그에 의해 형성된다. 동작 동안, 메인 전류 경로를 둘러싼 자기장은 홀 센서에 의해 검출되며, 상기 자기장은 상기 경로에 의해 전도된 전기 전류로 인해 발생한다. 하나의 대안에서, 예컨대, 전류 센서는 자기저항 센서이거나 이를 포함한다. 동작 동안, 메인 전류 경로를 둘러싼 자기장은 마찬가지로 자기 저항 센서에 의해 검출되며, 상기 자기장은 전기 전류로 인해 발생한다. 따라서 전류 센서는 메인 전류 경로로부터 이격되며, 이는 DC 격리를 용이하게 한다. 대안으로서, 전류 센서는 메인 전류 경로 내에 도입되는 션트(shunt), 즉 편의상 측정 저항기를 포함한다. 따라서 전류 센서는 또한 적어도 부분적으로는 메인 전류 경로의 구성 부분이다. 전류 센서는 바람직하게는 출력들에 대한 션트의 DC 격리를 포함하며, 결과적으로 DC 격리가 또한 이러한 방식으로 구현된다. 대안으로서, 상기 DC 격리가 존재하지 않으며, 이는 생산 비용들을 감소시킨다.

특성 곡선 회로 입력들 중 하나는 바람직하게는 트리거링 경로에 의해 특성 곡선 회로의 추가 출력들 중 하나에 연결된다. 다시 말해서, 트리거링 경로는 특성 곡선 회로의 상기 입력과 특성 곡선 회로의 추가 출력 사이에 존재하고, 특성 곡선 회로의 상기 입력은 트리거링 경로에 의해 특성 곡선 회로의 추가 출력에 연결된다. 예로서, 복수의 전기 컴포넌트들을 갖는 경로는 마찬가지로 특성 곡선 회로의 다른 입력(후속적으로 또한 특히 "다른 입력"으로서 지칭됨)과 특성 곡선의 다른 추가 출력(후속적으로 또한 특히 "다른 추가 출력"으로서 지칭됨) 사이에 존재한다. 그러나, 특성 곡선 회로의 다른 입력은 특히 바람직하게는 특성 곡선 회로의 다른 추가 출력에 직접 연결되고, 따라서 그에 직접 전기적으로 접촉-연결된다. 결과적으로, 특성 곡선 회로의 다른 입력에 인가된 전위는 특성 곡선 회로의 다른 추가 출력에 인가되는 전위와 동일하며, 이들은 바람직하게는 동일한 단자에 의해 기계적으로 제공된다. 특성 곡선 회로의 다른 입력 및 특성 곡선 회로의 다른 추가 출력이 바람직하게는 접지에 접촉-연결된다. 따라서 회로 차단기의 설계가 단순화된다. 특히, 2-포트 엘리먼트가 이에 따라 형성된다. 특성 곡선 기능성은 트리거링 경로에 의해 제공된다. 따라서 회로 차단기를 개개의 애플리케이션 경우에 적응시키기 위해 트리거링 경로에 대한 조정만이 필요하다.

트리거링 경로는 편의상 제1 저항기를 갖는다. 따라서 특성 곡선 회로의 입력은 제1 저항기에 의해 특성 곡선 회로의 추가 출력에 연결된다. 예로서, 부가적인 전기 컴포넌트 부분들은 여기에서 제1 저항기와 입력 또는 출력 사이에 배열된다. 제1 저항기는 다른 추가 출력에 연결되고 따라서 제1 커패시턴스에 의해 추가 출력의 측 상에서 특성 곡선 회로의 다른 입력에 또한 연결된다. 제1 커패시턴스는 특히 바람직하게는 커패시터이다.

전기 전압이 특성 곡선 회로의 양 입력들에 인가되는 경우, 전류의 흐름 - 이를 통해, 제1 커패시터가 충전됨 - 이 제1 저항기 양단에 발생한다. 이 경우에, 충전 지속기간은 제1 저항기에 의해 세팅된다. 제1 커패시터에 인가되는 전압 및 그의 시간적 프로파일은 특성 곡선 회로의 입력들에서 인가된 전기 전압과 제1 저항기의 선택에 의존하여 발생한다. 제1 커패시터에 인가된 전기 전압은 이 경우에 특히, 특성 곡선 회로의 추가 출력들에 인가되는 추가 전기 전압이다.

제1 커패시턴스 및 제1 저항기의 사용으로 인해, 특성 곡선 회로의 입력들에 인가된 전기 전압의 프로파일은 특성 곡선 회로의 추가 출력들에 인가된 추가 전기 전압의 프로파일과 상이하다. 따라서 추가 전기 전압은 제1 저항의 선택 및 제1 커패시턴스의 선택, 및 인가된 전기 전압에 의존한다. 상기 전압이 비교적 빠른 변동, 즉 특히 전압 피크를 나타내는 경우, 이는 제1 저항기 및 제1 커패시턴스에 의해 평활화된다. 즉, 제1 저항기 및 제1 커패시턴스가 저역 통과 필터로서 작용한다. 그 결과로서, 특히 제2 스위칭 엘리먼트가 작동되지 않고 이에 따라 회로 차단기가 트리거되지 않는다. 따라서 제1 저항 및 제1 커패시턴스의 적합한 선택에 의해 열 회로 차단기의 거동을 적어도 부분적으로 모방하는 것이 가능하다.

커패시턴스 및 저항기로 구성된 직렬 회로를 갖는 특성 브랜치는 바람직하게는 제1 커패시턴스와 병렬로 연결된다. 커패시턴스는 편의상 커패시터에 의해 형성된다. 예로서, 커패시턴스는 여기에서 제1 저항기의 측 또는 연관된 저항기에 대한 다른 추가 출력/입력의 측 상에 로케이팅된다. 특히, 특성 브랜치는 직렬 회로에 의해 형성된다. 따라서 제1 커패시턴스 외에도, 특성 브랜치에 의해 추가 전기 전압에 대한 추가 조건이 특정된다. 특히, 저역 통과 필터는 특성 브랜치에 의해 형성되고 그리고/또는 저역 통과 필터는 특성 브랜치를 형성한다. 저역 통과 필터는 바람직하게는 선형이다.

특성 브랜치에 의해, 추가 스위칭 포인트를 추가함으로써 이미 기존의 특성 곡선을 변경하는 것이 가능하며, 여기서 스위칭 포인트는 특히 인가된 전기 전압 및 이에 따라 특정 시간 윈도우 내에서 메인 전류 경로에 의해 전도된 전기 전류의 특정 시간적 증가를 정의한다. 스위칭 포인트들이 실현되거나 초과될 때, 제2 스위칭 엘리먼트가 적절히 구동된다. 다시 말해서, 이 경우에, 추가 전기 전압이 특정 조건을 만족시키며, 이는 제2 스위칭 엘리먼트의 스위칭으로 이어진다.

예컨대, 단 하나의 이러한 특성 브랜치만이 존재한다. 그러나, 회로 차단기, 즉 특성 곡선 회로는 특히 바람직하게는 적어도 하나의 그러한 추가 특성 브랜치, 바람직하게는 복수의 추가 특성 브랜치들을 포함한다. 특히, 이러한 특성 브랜치들 각각은 개개의 커패시턴스 및 개개의 저항기에 의해 형성된다. 특히, 특징적인 브랜치들은 서로 동일하고 개개의 컴포넌트 부분들의 디멘저닝(dimensioning)의 관점에서만 각각의 경우마다 기술적으로 상이하지만, 컴포넌트 부분들의 어레인지먼트 및/또는 유형의 관점에서는 그렇지 않다.

특성 브랜치들은 바람직하게는 개개의 저항의 선택으로 인해 특히 상이하며, 여기서 예컨대, 커패시턴스들은 항상 동일하다. 이에 대한 대안으로서, 예컨대, 커패시턴스들은 항상 동일하고 저항들은 상이하다. 저항들 및 커패시턴스들 둘 모두는 특히 바람직하게는 특성 브랜치들의 적어도 2개 사이에서 상이하다. 회로 차단기는 바람직하게는 4, 5, 6, 8, 10개 이상의 이러한 특성 브랜치들을 갖는다.

특히, 특성 곡선의 스위칭 포인트 또는 전체 특성 곡선은 특성 브랜치들 각각에 의해 결정되는데, 즉 조건이 정의된다. 이들은 여기에서 특정 시간 윈도우 내에서 메인 전류에 의해 안내된 전기 전류의 변화에 대응한다. 이러한 스위칭 포인트들 중 하나가 초과되는 경우, 개개의 조건이 충족되며, 이는 추가 전기 전압에 의해 표시된다. 예로서, 이 경우에, 즉 개개의 조건이 충족될 때, 추가 전기 전압은 특정 제한 값보다 크며, 특히 가능한 기준 전위보다 더 크다. 따라서 이 경우에, 제2 스위칭 엘리먼트가 작동된다.

제1 저항기는 특히 바람직하게 특성 곡선 회로의 입력 측 상에서 제2 저항기에 의해 특성 곡선 회로의 다른 추가 출력에 연결된다. 따라서 제2 저항기는 특성 곡선 회로의 다른 입력에 또한 연결된다. 제2 저항기는 바람직하게는 비교적 큰 값을 가져서, 상기 제2 저항기는 비교적 높은 임피던스를 갖는다. 제2 저항기의 저항값은 예컨대, 20kOhm, 50kOhm, 100kOhm보다 크다. 따라서 추가 전기 전압은 본질적으로 제2 저항기에 의해 영향을 받지 않는다.

특히, 회로 차단기가 트리거된 후, 즉 전기 전압이 전류 센서에 의해 더 이상 제공되지 않을 때, 제1 커패시턴스 및 가능한 추가 커패시턴스들이 제2 저항기에 의해 방전된다. 따라서 회로 차단기는 트리거링 후 안전한 상태로 전환되고 전기 전압이 개별 컴포넌트 부분들에 더 이상 인가되지 않는다.

하나의 대안에서, 트리거링 경로는 제1 커패시턴스와 병렬로 연결된 제3 저항기를 갖는다. 따라서 제3 저항기는 마찬가지로 특성 곡선 회로의 다른 두 출력들에 전기적으로 접촉-연결된다. 그 결과로서, 제1 커패시턴스는 항상 제3 저항기에 의해 방전되어서, 전기 전압의 임의의 전압 피크들이 이러한 방식으로 흡수되고, 이러한 이유로 회로 차단기의 열 거동이 모방될 수 있다. 제1 커패시턴스의 과도한 충전이 또한 방지되며, 이러한 이유로, 항상 그의 동작 모드가 나타난다. 따라서 트리거링 경로에 의해 제공되는 스위칭 포인트 또는 특성 곡선은 제3 저항기에 의해 추가로 조정된다.

트리거링 경로는 바람직하게는 제1 저항기와 특성 곡선 회로의 입력 사이에 배열되는 다이오드를 포함한다. 이 경우 특히, 특성 곡선 회로의 입력으로부터 제1 저항기로의 전류의 흐름은 가능하지만, 반대 방향은 그렇지 않다. 대안으로서 또는 바람직하게 조합하여, 다이오드는 특성 곡선 회로의 추가 출력과 제1 저항기 사이에 그리고 이에 따라 제1 커패시턴스와 특성 곡선 회로의 추가 출력 사이에 또한 연결된다. 제1 저항기로부터 특성 곡선 회로의 추가 출력으로의 전기 전류의 흐름은 바람직하게는 역방향으로 인해 가능하다. 2개의 다이오드들은 특히 바람직하게는 제1 저항기를 통한 전류의 흐름이 가능하도록 존재한다. 2개의 다이오드들로 인해, 트리거링 경로의 동작 모드가 개선되고 제1 커패시턴스가 특성 곡선 회로의 추가 출력들 측 상에서 항상 방전되는 것이 보장된다.

다른 대안에서, 부가적인 저항기가 특성 곡선 회로의 추가 출력과 제1 저항기 사이에 그리고 이에 따라 제1 커패시턴스와 특성 곡선 회로의 추가 출력 사이에 또한 연결된다. 이 경우에, 위에서 언급된 다이오드들 중 하나의 기능은 추가 저항기에 의해 적어도 부분적으로 인계된다.

예컨대, 단 하나의 트리거 경로만이 존재한다. 그러나, 특히 바람직하게는, 특성 곡선 회로는 적어도 하나의 추가 트리거링 경로 또는 그 이상의 추가 트리거링 경로, 예컨대, 2개, 3개, 4개, 5개 또는 10개의 추가 트리거링 경로를 포함한다. 추가 트리거링 경로들은 트리거링 경로와 병렬로 연결되고 이에 따라 특성 곡선 회로의 하나의 입력 및 특성 곡선 회로의 하나의 다른 출력에 연결된다. 모든 트리거링 경로들은 바람직하게는 서로 동일한 설계를 가지며 따라서 특히 동일한 수 및/또는 유형의 컴포넌트 부분들을 갖는다. 그의 개개의 상호연결이 또한 상이하지 않다. 그러나 트리거 경로들의 컴포넌트 부분들 중 적어도 하나는 디멘저닝/개개의 값으로 인해 편의상 상이하다. 특히, 제1, 제2 및/또는 제3 저항기는 적어도, 트리거링 경로들 중 2개 사이에서 상이하다. 따라서 특성 곡선 회로를 사용하여 비교적 복잡한 특성 곡선 - 이에 기초하여 회로 차단기가 트리거됨 - 을 제공하는 것이 가능하다.

제1 저항기, 제1 커패시턴스 및 추가 커패시턴스들/저항기들에 대한 값들은, 예컨대, 특히 여러 개의 이러한 트리거링 경로들/특성 브랜치들이 존재하는 경우 발견적 방법 및/또는 반복적 방법에 의해 결정된다.

컴포넌트가 제1, 제2, 제3, … 컴포넌트로서 지칭되는 경우, 특히 단 하나의 특정 컴포넌트만이 그것에 의해 이해되는 것으로 의도된다. 특히, 이것은 특정 수의 그러한 컴포넌트들이 존재한다는 것을 의미하는 것은 아니다. 특히, 제3 저항기가 존재하는 경우 제2 저항기가 존재한다는 것을 암시하지 않는다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.

도 1은 특성 곡선 회로를 갖는 회로 차단기의 개략도를 도시한다.
도 2는 특성 곡선 회로의 실시예의 회로도를 단순화한다.
도 3은 특성 곡선 회로에 의해 제공되는 특성 곡선을 도시한다.
도 4는 도 2에 따른 특성 곡선 회로의 추가 실시예를 도시한다.

서로 대응하는 부분들에는 모든 도면들에서 동일한 참조 부호들이 제공된다.

도 1은 DC 회로(6)에 의해 서로 연결된 2개의 변환기들(4)을 갖는 DC 시스템(2)을 개략적으로 단순화된 방식으로 도시한다. 부하(8)는 변환기들(4) 중 하나에 의해 가압된다(energized). 예로서, DC 시스템(2)은 부하(8)가 자동차 등을 표현하도록 전동 차량들의 사용을 위한 충전 컬럼의 구성 부분이다. 대안으로서, DC 시스템(2)은 예컨대, 원격통신 또는 데이터 센터 시스템의 구성 부분이고, 부하(8)는 모바일 라디오 시스템(스테이션) 또는 다른 컴포넌트에 의해 형성된다. 변환기들(4) 중 하나는 정류기로서 설계되고, 예컨대, DC(전기) 전압 또는 AC(전기) 전압을 전도하는 공급 네트워크(10)에 연결된다. 예컨대, 공급 네트워크(10)는 배터리 또는 다른 에너지 저장소에 의해 제공된다.

DC 회로(6)는 2개의 전류 경로들(12)을 가지며, 이를 통해 2개의 변환기들(4) 사이의 전기 에너지 송신이 동작 동안 가능해진다. 결함 시 보호를 위해, 회로 차단기(14)가 전류 경로들(12) 중 하나에 도입되고, 따라서 상기 회로 차단기는 전류 경로들(12) 중 하나를 적어도 부분적으로 형성한다. 회로 차단기(14)는 단자들(더 상세하게 예시되지 않음)에 의해 연관된 전류 경로(12)의 추가 구성 부분들에 연결되는 메인 전류 경로(16)를 갖는다. 즉, 메인 전류 경로(16)는 적어도 부분적으로 전류 경로(12)를 형성한다. 회로 차단기(14)는 2개의 동작 접점들(20)을 갖는 제1 스위칭 엘리먼트(18)를 가지며, 여기서 전기 저항은 상기 동작 접점들 사이에 세팅될 수 있다. 또한, 제1 스위칭 엘리먼트(18)는 제1 제어 입력(22)을 가지며, 이를 통해 2개의 동작 접점들(20) 사이의 전기 저항이 세팅된다. 따라서, 제1 스위칭 엘리먼트(18)는 제어 가능하도록 설계된다.

예로서, 제1 스위칭 엘리먼트(18)는 반도체 스위치, 예컨대, 전력 반도체 스위치에 의해 형성된다. 이 경우, 특히 "드레인" 및 "소스"에 의해 제공되는 2개의 동작 접점들(20) 사이의 전기 저항은 충전 존을 변경함으로써 세팅된다. 그러나, 제1 스위칭 엘리먼트(18)는 바람직하게는 릴레이에 의해 형성되고 동작 접점들(20)은 서로에 대해 이동 가능하도록 장착되며, 결과적으로 이들을 이격시킴으로써 전기 저항이 증가된다. 동작 접점들(20) 중 적어도 하나는 전기자(더 상세히 예시되지 않음)에 동작 가능하게 연결되며, 여기서 서로에 대한 2개의 동작 접점들(20)의 포지션은 전기자에 의해 세팅된다. 전기자는 예컨대, 자성 또는 강자성 재료로부터 생성되며 릴레이 드라이브(더 상세히 예시되지 않음)의 코일에 의해 구동된다. 특정 전기 전압이 제1 제어 입력(22)에 인가되는 경우, 코일이 가압되다.

회로 차단기(14)는 또한 구동 회로(24)를 포함하며, 이를 통해 제1 스위칭 엘리먼트(18)가 구동된다. 즉, 구동 회로(24)는 제1 스위칭 엘리먼트(18)의 제1 제어 입력(22)에 연결된다. 구동 회로(24)는 홀 센서(28)를 포함하는 전류 센서(26)를 갖는다. 이 경우에 홀 센서(28)는 원주 측 상에서 메인 전류 경로(16)를 둘러싸고, 결과적으로 상기 센서는 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류로 인해 야기되는 자기장을 검출하는 데 사용될 수 있으며, 상기 전류는 일반적으로 30A(정격 전류 "irated")이다.

홀 센서(28)는 메인 전류 경로(16)로부터 기계적으로 이격되고, 전류 센서(26)의 평가 회로(30)에 의해 동작, 즉 가압된다. 이를 위해, 평가 회로(30)는 DC 전압 소스(32)에 전기적으로 연결되고, 이를 통해 접지(34)에 대해 24V의 전기 DC 전압이 제공되며, 여기서 평가 회로(30)는 마찬가지로 접지(34)에 전기적으로 연결된다. 도시되지 않은 다른 대안들에서, 전기 DC 전압은 접지(34)에 대해 1V 내지 50V, 10V 내지 30V이고 예컨대, 12V이다. 또한, 전류 센서(26), 즉 평가 회로(30)는 2개의 출력들(36)을 가지며, 이들 중 하나는 마찬가지로 접지에 연결된다. 다시 말해서, 상기 출력(36)에 인가된 전위는 항상 접지(34)이다. 출력들(36)(도 2) 사이에 인가된 전기 전압(38)은 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류에 의존한다. 특히, 전기 전압(38)은 홀 센서(28)의 사용으로 인해 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전류에 정비례한다. 이 경우, 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 30A의 전기 전류는 출력들(36) 사이에 인가된, 고정 오프셋을 뺀 0.9V의 전기 전압(38)에 대응하고, 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 60A의 전기 전류는 출력들(36) 사이에 인가된, 고정 오프셋을 뺀 1.8V의 전기 전압(38)에 대응한다. 따라서 비례 팩터는 0.03V/A이다. 또한, 전류 센서(26)의 출력들(36)은 홀 센서(28)의 사용으로 인해 메인 전류 경로(16)로부터 DC-격리된다.

하나의 대안에서, 홀 센서(28) 대신 자기저항 센서가 사용된다. 이 경우에도, 전류 센서(26)의 출력들(36)은 설계로 인해 메인 전류 경로(16)로부터 DC-격리된다. 추가 대안에서, 메인 전류 경로(16)에 도입되는 션트가 홀 센서(28) 대신에 사용된다. 이 경우에, 출력들(36)은 평가 회로(30)의 적절한 조정에 의해 메인 전류 경로(16)로부터 DC-격리된다.

구동 회로(24)는 또한 2개의 입력들(42) 및 2개의 추가 출력들(44)을 포함하는 특성 곡선 회로(40)를 갖는다. 입력들(42) 중 하나 및 출력들(44) 중 하나는 동일한 물리적 단자에 의해 형성되고 접지(34)에 연결된다. 따라서 특성 곡선 회로(40)의 상기 입력(42)은 또한 전류 센서(26)의 출력들(36) 중 하나에 전기적으로 접촉-연결된다. 특성 곡선 회로(40)의 다른 입력(42)은 전류 센서(26)의 다른 출력(36)에 전기적으로 접촉-연결된다.

특성 곡선(40)의 다른 출력(44)은 비교기(더 상세히 예시되지 않음)를 포함하는 비교기 회로(48)의 총 2개의 입력들(46) 중 하나에 연결된다. 비교기 회로(48)의 다른 입력(46)은 접지(34)에 연결된다. 또한, 비교기 회로(48)는 DC 전압 소스(32)에 연결된 기준 입력(50)을 갖는다. 따라서 DC 전압 소스(32)에 의해 제공된 전기 전위는 접지(34)에 대한 기준 입력(50)에 기준 전위, 즉 24V로서 인가된다. 비교기 회로(48)는 또한 출력(52)을 포함하고, 여기서 레벨은 비교기 회로(48)의 입력들(46) 사이에 인가된 전기 전압이 기준 입력(50)과 접지(34) 사이의 전기 전압보다 클 때에만 출력에 인가된다. 하나의 개발에서, 기준 전위는 특히 비교기 회로(48)에 의해 조정된다.

비교기 회로(48)의 출력(52)은 제1 제어 입력(22)과 DC 전압 소스(32) 사이에 연결된 제어 가능한 제2 스위칭 엘리먼트(56)의 제2 제어 입력(54)에 연결된다. 제2 스위칭 엘리먼트(56)는 반도체 스위치, 즉 MOSFET에 의해 제공된다. 따라서, 제2 스위칭 엘리먼트(56)는 마찬가지로 2개의 동작 접점들(20)을 가지며, 그 중 하나는 "드레인"에 의해 형성되고 남은 하나는 "소스"에 의해 형성된다. 동작 접점들(20)에 의해, 제1 제어 입력(22)을 DC 전압 소스(32)에 의해 제공되는 전기 전위로 세팅하는 것이 가능하다. 제2 스위칭 엘리먼트(56)의 동작 접점들(20)은 여기에서 "게이트"에 의해 형성되는 제2 제어 입력(54)으로 세팅된다.

따라서, 제2 스위칭 엘리먼트(56)는 특성 곡선 회로(40)(도 2)의 추가 출력들(44) 사이에 인가되는 추가 전기 전압(58)에 의존하여 작동된다. 이를 위해, 즉 특성 곡선 회로(40)의 추가 출력들(44)은 비교기 회로(48)의 입력들(50)에 연결되고, 그의 출력(52)은 제2 제어 입력(54)에 연결된다. 이 경우에, 출력(52)은 추가 전기 전압(58)이 DC 전압 소스(32)에 의해 제공되는 전기 전압보다 클 때에만 레벨을 가지며, 이는 이에 따라 기준 전위를 형성한다. 특성 곡선 회로(40) 및 구동 회로(24)의 추가 구성 부분들은 아날로그 컴포넌트 부분들에 의해 생성되고, 마이크로제어기-프리 특성 곡선 회로(40)에 의해, 특성 곡선 회로(40)의 출력들(42)에 인가된 추가 전기 전압(58)과 특성 곡선 회로(40)의 입력들(42)에 그리고 이에 따라 전류 센서(26)의 출력들(36)에 또한 인가되는 전기 전압(38) 사이에 기능적 관계가 있다. 적어도 구동 회로(24)는 마이크로제어기-프리이다.

도 2는 2개의 입력들(42) - 이들 사이에 동작 동안 전기 전압(38)이 인가됨 - 을 갖는 특성 곡선 회로(40)의 제1 실시예를 예시한다. 동작 동안 특성 곡선 회로(40)의 추가 출력들(44) 사이에 추가 전기 전압(58)이 인가된다. 특성 곡선 회로(40)의 입력들(42) 중 하나는 트리거링 경로(60)에 의해 특성 곡선 회로(40)의 추가 출력들(44) 중 하나에 연결된다. 특성 곡선 회로(40)의 다른 입력(42) 및 다른 출력(44)은 접지(34)에 전기적으로 연결되고 이에 따라 서로 직접 전기적으로 접촉-연결된다.

트리거링 경로(60)는 특성 곡선 회로(40)의 입력(42)과 특성 곡선 회로(40)의 추가 출력(44) 사이에 연결되고 이에 따라 이들을 서로 연결하는 제1 저항기(62)를 갖는다. 제1 저항기(62)의 값은 1kOhm이다. 특성 곡선 회로(40)의 연관된 추가 출력(44)의 측 상에서, 제1 저항기(62)는 다른 추가 출력(44)에 그리고 이에 따라 제1 커패시턴스(64)에 의해 접지(34)에 연결된다. 제1 커패시턴스(64)는 커패시터에 의해 형성되고 3.16μF의 값을 갖는다. 입력(42)의 측 상에서, 제1 저항기(62)는 특성 곡선 회로(40)의 다른 추가 출력(44)에 연결되고, 따라서 제2 저항기(66)에 의해 접지(34)에도 연결된다. 이 경우에, 제2 저항기(66)의 값은 51kOhm이다.

여러 특성 브랜치들(68), 이 경우 4개의 특성 브랜치들(68)(여기에는 2개가 도시됨)이 제1 커패시턴스(64)와 병렬로 연결된다. 다시 말해서, 특성 곡선 회로(40)의 2개의 추가 출력들(44)은 특성 브랜치들(68)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 각각의 특성 브랜치(68)는 커패시턴스(70) 및 저항기(72)로 구성된 직렬 회로에 의해 형성되며, 여기서 이 예에서 커패시턴스(70)는 개개의 저항기(72)에 대해 제1 저항기(62) 측 상에 로케이팅된다. 따라서, 특성 브랜치들(68)은 동일한 설계이며, 여기서 특성 브랜치들(68) 중 하나에서의 커패시턴스(70) 값은 3.16μF와 동일하고, 동일한 특성 브랜치(68)의 저항기(72)의 값은 1.049kOhm이다. 특성 브랜치들(68) 중 추가 하나에서의 커패시턴스(70)의 값은 4.64μF와 동일하고 이 특성 브랜치(68)의 저항기(72)의 값은 4.319kOhm이다. 특성 브랜치들(68) 중 추가 하나에서의 커패시턴스(70)의 값은 8.25 μF와 동일하고 이 특성 브랜치(68)의 저항기(72)의 값은 475.4 Ohm이다.

동작 동안, 제1 커패시턴스(64)는 전기 전압(38)에 의해 충전되고, 추가 전기 전압(58)은 제1 커패시턴스(64)로 조정된다. 전기 전압(38)이 변동들을 나타내는 경우, 이들은 저역 통과 필터 및 특성 브랜치들(68)로서 작용하는 제1 저항기(72) 및 제1 커패시턴스(64)로 인해 부분적으로 평활화된다. 특정 시간 윈도우 내에서 전기 전압(38)의 비교적 큰 변화가 있는 경우, 제1 커패시턴스(64) 및 커패시턴스(70)의 비교적 빠른 충전이 가능하고, 결과적으로, 추가 전기 전압(58)이 또한 변한다. 다시 말해서, 트리거링 경로(60)는 n차의 저역 통과 필터로서 작용하며, 여기서 n은 특성 브랜치들(68)의 수에서 "1"을 뺀 값이다. 따라서 n은 트리거링 경로(60)의 커패시턴스들(64, 70)의 수와 동일하고 전달 함수는 이에 의해 형성된다.

그 결과로서, 비교기 회로(48)의 입력들(64)에 인가된 전기 전압이 변하고, 이에 따라 상기 전기 전압은 기준 입력(50)과 접지(34) 사이에 형성된 전기 전압보다 크다. 그 결과로서, 제2 스위칭 엘리먼트(56)가 작동되고 따라서 제1 스위칭 엘리먼트(18)가 개방되며, 결과적으로 메인 전류 경로(16)를 통한 전기 전류의 흐름이 차단된다.

특성 곡선 회로(40)의 전기 컴포넌트 부분들에 대한 개별 값들의 선택에 의해, 제1 스위칭 엘리먼트(18)는 또한 메인 전류 경로(16)를 통한 전기 전류의 변화들에 대응하는 전기 전압(38)의 특정 변화들을 고려하여 특정 시간 윈도우 내에서 트리거되는 것이 보장된다.

도 3은 특성 곡선 회로(40)에 의해 제공되는 특성 곡선(73)을 예시하며, 여기서 회로 차단기(14)의 트리거링 시간(밀리초)은 트리거링 전류, 즉 정격 전류의 배수로서 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류(이 경우 30A)에 대해 플로팅된다. 비교기 회로(48)에 의해, 트리거링이 정격 전류의 1.8배의 일정한 전류로부터만 영향을 받는 것이 보장된다. 기준 전위는 이 목적에 적합하게 적응된다.

제1 스위칭 포인트(73a), 제2 스위칭 포인트(73b), 제3 스위칭 포인트(73c) 및 제4 스위칭 포인트(73d), 즉 총 4개의 스위칭 포인트들은 제1 커패시턴스(64) 및 제1 저항기(62) 및 또한 3개의 특성 브랜치들(68)로 인한 결과이다. 제1 스위칭 포인트(73a)는 50ms에서 정격 전류의 2배 이상으로 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류의 증가에 대응하고, 제2 스위칭 포인트(73b)는 15ms에서 정격 전류의 3배 이상으로 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류의 증가에 대응하고, 제3 스위칭 포인트(73c)는 5ms에서 정격 전류의 5배 이상으로 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류의 증가에 대응하고, 제4 스위칭 포인트(73d)는 1ms에서 정격 전류의 10배 이상으로 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류의 증가에 대응한다. 스위칭 포인트들(73a, 73b, 73c, 73d) 중 하나 및 이에 따른 특성 곡선(73)이 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류의 변화로 인해 초과될 때, 제2 스위칭 엘리먼트(56)는 항상 작동되고 이에 따라 회로 차단기(14)가 항상 트리거된다.

도 4는 특성 곡선 회로(40)의 추가 실시예를 도시하며, 여기에서 트리거링 경로(60)는 여기서 입력들(42) 중 하나와 추가 출력들(44) 중 하나 사이에 또한 존재한다. 특성 곡선 회로(40)의 다른 입력(42) 및 특성 곡선 회로(40)의 다른 추가 출력(44)이 재차 접지(34)에 연결된다. 제1 저항기(62) 및 제1 커패시턴스(64)가 또한 존재한다. 그러나, 제1 커패시턴스(64)는 제3 저항기(74)에 의해 바이패스되며, 이는 따라서 제1 커패시턴스(64)와 병렬로 연결된다.

또한, 트리거링 경로(60)는 2개의 다이오드들(76)을 가지며, 여기서 제1 저항기(62)는 2개의 다이오드들(76) 사이에 로케이팅된다. 즉, 2개의 다이오드들(76) 및 제1 저항기(62)로 구성된 전기 병렬 회로가 특성 곡선 회로(40)의 입력(42)과 특성 곡선 회로(40)의 추가 출력(44) 사이에 형성된다. 따라서 다이오드들(76) 중 하나는 특성 곡선 회로(40)의 입력(42)과 제1 저항기(62) 사이에 연결되고, 따라서 다른 다이오드(76)는 특성 곡선 회로(40)의 추가 출력(44)과 제1 저항기(62) 및 제1 커패시턴스(64) 둘 모두 사이에 연결된다. 이 경우에, 특성 곡선 회로(40)의 입력(42)으로부터 특성 곡선 회로(40)의 추가 출력(44)으로의 전류의 흐름은 다이오드들(76)로 인해 가능하지만 반대 방향으로는 그렇지 않다.

트리거링 경로(60)와 동일하고 따라서 마찬가지로 다이오드들(76), 제1 저항기(62), 제1 커패시턴스(64) 및 제3 저항기(74)를 갖는 추가 트리거링 경로(78)가 트리거링 경로(60)와 병렬로 전기적으로 연결된다. 이들의 상호연결은 또한 동일하다. 그러나, 제1 저항기(62), 제3 저항기(74) 및 제1 커패시턴스(64)의 값들은 상이하다. 다이오드들(76)은 항상 동일하거나 상이하다. 다른 대안에서, 여러 개의 그러한 추가 트리거링 경로들(78)이 제공되며, 여기서 제1 및 제3 저항기(62, 74) 및 제1 커패시턴스(64)의 값들이 상이하다.

동작 동안, 인가된 전기 전압(38)이 변할 때, 피크들은 또한 제1 저항기(62) 및 제1 커패시턴스(64)에 의해 평활화된다. 제1 커패시턴스(64)는 제3 저항기(74)에 의해 방전되어서, 정상 동작에서 출력들(44)에 인가된 추가 전기 전압(58)이 특정 값 아래로 유지되게 한다. 다이오드들(76)에 의해, 제1 커패시턴스(64)는 특성 곡선 회로(40)의 출력들(44)의 측 상에서 항상 충전되는 것이 보장된다.

전기 전압(38)의 변화가 특정 조건을 만족하고 비교적 짧은 시간 윈도우 내에서 비교적 큰 값만큼 변할 때만, 추가 전기 전압(58)이 또한 변한다. 이 경우에, 트리거링 경로(60) 및 추가 트리거링 경로(78), 즉 전기 전압(38) 및 연관된 시간 윈도우의 변화의 값에 의해 상이한 조건들이 특정된다. 전기 전압(38)은 차례로 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류에 비례한다.

요약하면, 회로 차단기(14)는 예컨대, 영구 단락 전력이 제한된 고전압 DC 시스템인 DC 시스템(2) 또는 DC 링크를 보호하는 데 사용된다. 이는 특히 변환기들(4)로 인해 제공된다. DC 시스템(2)은 예컨대, 자동차, 특히 전기 차량, 충전 컬럼, 원격통신 또는 데이터 센터 인프라스트럭처의 구성 부분이다.

예로서, 제1 스위칭 엘리먼트(18)는 기계적 릴레이, 반도체 릴레이, 하이브리드 릴레이 또는 반도체 스위치와 같이 원격으로 트리거될 수 있는 스위칭 엘리먼트이다. 메인 전류 경로(16)에 의해 전도된 전기 전류는 DC 격리를 갖는 전류 센서(26)에 의해 검출되고, 이를 통해 메인 전류 경로(16)의 전기 전류는 전기 전압(38)에 대략 선형으로 매핑된다. 이 경우에, 센서(26)는 손상이 발생함 없이 수 밀리초 동안 특히 DC 시스템(2)의 정격 전류의 배수를 검출/측정할 수 있는 방식으로 설계된다. 임의의 전류 피크들을 측정하는 것이 또한 가능하다. 예로서, 가능한 오프셋은 전류 센서(26)의 평가 회로(30)에 의해 스케일링 및/또는 제거될 수 있다.

규정된 전류/시간 특성 곡선은 특성 곡선 회로(40)에 의해 순수 아날로그 컴포넌트에 의해 매핑될 수 있다. 즉, 특성 곡선 회로(40)는 아날로그 회로이며 수동 컴포넌트들에 의해서만 생성된다.

하나의 대안(도 2)에서, 직렬 RC 조합들의 병렬 어레인지먼트, 즉 특성 브랜치들(68)이 존재한다. 이 경우에, 직렬 저항기, 즉 제1 저항기(62) 및 방전 저항기, 즉 제2 저항기(76)가 존재한다. 특성 곡선 포인트, 즉 스위칭 포인트 - 이를 초과하면, 제1 스위칭 엘리먼트(18)가 작동됨 - 는 제1 저항기(62) 및 제1 커패시턴스(64)에 의해 제공된다. 추가 특성 곡선 포인트들은 특성 브랜치들(68)에 의해 세팅된다. 커패시턴스들(64, 70)은 제1 스위칭 엘리먼트(18)가 연결해제된 후에 고 임피던스를 갖는 제2 저항기(66)에 의해 방전된다.

다른 변형(도 3)에서, 제1 커패시턴스(64) 중 하나는 각각의 특성 곡선 포인트, 즉 각각의 스위칭 포인트에서 개개의 제1 저항기(62)에 의해 충전된다. 각각의 제1 커패시턴스(64)는 연관된 제3 저항기(74)를 통해 각각 방전된다. 따라서 이는 T-2 포트 어레인지먼트이다. 트리거링 경로들(60, 78)은 다이오드들(76)에 의해 디커플링된다.

추가 전기 전압(58)이 특정 값, 즉 특히 제한 값을 초과할 때, 제2 스위칭 엘리먼트(46)가 작동되는데, 즉 구동 회로(24)가 트리거된다. 이 경우에, 제2 스위칭 엘리먼트(56)는 반도체 스위치로서 설계되고 결과적으로, 반응 시간이 감소된다. 그 결과로서, 제1 스위칭 엘리먼트(18)가 작동되고, 여기서 비교적 낮은 시간 지연만이 우세하다.

예컨대, 회로 차단기(14)는 추가 센서 시스템을 포함하며, 이를 통해 DC 시스템(2)에서 다른 유형들의 결함, 예컨대, 결함 아크들이 검출될 수 있다. 추가 센서 시스템은 마찬가지로 특히 제1 제어 입력(22)에 연결되어서, 제1 스위칭 엘리먼트(18)가 마찬가지로 센서 시스템에 의해 트리거될 수 있다.

본 발명은 위에서 설명된 예시적인 실시예들로 제한되지 않는다. 대신에, 본 발명의 다른 변형들이 또한 본 발명의 청구 대상으로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 그로부터 유도될 수 있다. 개별 예시적인 실시예들과 관련하여 설명된 모든 개별적인 특징들은 또한 특히, 본 발명의 청구 대상을 벗어나지 않고 다른 방식들로 서로 결합될 수 있다.

2 DC 시스템
4 변환기
6 DC 회로
8 부하
10 공급 네트워크
12 전류 경로
14 회로 차단기
16 메인 전류 경로
18 제1 스위칭 엘리먼트
20 동작 접점
22 제1 제어 입력
24 구동 회로
26 전류 센서
28 홀 센서
30 평가 회로
32 DC 전압 소스
34 접지
36 출력
38 전기 전압
40 특성 곡선 회로
42 입력
44 추가 출력
46 입력
48 비교기 회로
50 기준 입력
52 출력
54 제2 제어 입력
56 제2 스위칭 엘리먼트
58 추가 전기 전압
60 트리거링 경로
62 제1 저항기
64 제1 커패시턴스
66 제2 저항기
68 특성 브랜치
70 커패시턴스
72 저항기
73 특성 곡선
74 제3 저항기
76 다이오드
78 추가 트리거링 경로

Claims

메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14)로서
상기 메인 전류 경로(14)는 구동 회로(24)의 제어 가능한 제2 스위칭 엘리먼트(56)에 연결된 제1 제어 입력(22)을 갖는 제어 가능한 제1 스위칭 엘리먼트(18)를 갖고, 상기 구동 회로(24)는, 상기 메인 전류 경로(16)에 커플링되고 2개의 출력들(36)을 갖는 전류 센서(26)를 갖고, 상기 출력들(36) 사이에 인가되는 전기 전압(38)은 상기 메인 전류 경로(16)에 의해 전도되는 전기 전류에 의존하고, 출력들(36) 각각은 각각의 경우에 2개의 추가 출력들(44)을 갖는 마이크로제어기-프리 특성 곡선 회로(microcontroller-free characteristic curve circuit)(40)의 하나의 입력(42)에 연결되고, 상기 제2 스위칭 엘리먼트(56)는 상기 추가 출력들(44) 사이에 인가된 추가 전기 전압(58)에 의존하여 작동되고, 상기 추가 전기 전압(58)과 상기 전기 전압(38) 사이에 기능적 관계가 존재하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제1 항에 있어서,
상기 추가 출력들(44)은 상기 제2 스위칭 엘리먼트(56)의 제2 제어 입력(54)에 연결되는 출력(52) 및 기준 입력(50)을 갖는 비교기 회로(48)의 대응하는 입력들(50)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 전류 센서(26)의 출력들(36)은 상기 메인 전류 경로(16)로부터 DC-격리되는 것을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 특성 곡선 회로(40)의 입력들(42) 중 하나는 트리거링 경로(60)에 의해 상기 특성 곡선 회로(40)의 추가 출력들(44) 중 하나에 연결되고, 상기 특성 곡선 회로(40)의 다른 입력(42)은 상기 특성 곡선 회로(40)의 다른 추가 출력(44)에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제4 항에 있어서,
상기 트리거링 경로(60)는 제1 커패시턴스(64)에 의해 상기 추가 출력(44)의 측 상에서 상기 다른 추가 출력(44)에 연결되는 제1 저항기(62)를 갖는 것을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제5 항에 있어서,
커패시턴스(70) 및 저항기(72)로 구성된 직렬 회로를 갖는 특성 브랜치(68)가 상기 제1 커패시턴스(64)와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제6 항에 있어서,
상기 제1 커패시턴스(64)와 병렬로 연결되는 추가 특성 브랜치들(68)을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제5 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 저항기(62)는 제2 저항기(66)에 의해 상기 입력(42)의 측 상에서 상기 다른 추가 출력(44)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제5 항에 있어서,
상기 트리거링 경로(60)는 상기 제1 커패시턴스(64)와 병렬로 연결되는 제3 저항기(74)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제9 항에 있어서,
상기 트리거링 경로(60)는 2개의 다이오드들(76)을 갖고, 상기 2개의 다이오드들(76) 중 하나의 다이오드는 상기 제1 저항기(62)와 상기 입력(42) 사이에 연결되고, 다른 다이오드(76)는 상기 추가 출력(44)과 상기 제1 저항기(62) 및 상기 제1 커패시턴스(64) 둘 모두 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).
제9 항 또는 제10 항에 있어서,
상기 트리거링 경로(60)와 병렬로 연결된 추가 트리거링 경로들(78)을 특징으로 하는,
메인 전류 경로(16)를 갖는 회로 차단기(14).