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CN113972709A - 用于保护负载免受过电流影响的方法和设备 - Google Patents

用于保护负载免受过电流影响的方法和设备 Download PDF

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CN113972709A CN202110341985.4A CN202110341985A CN113972709A CN 113972709 A CN113972709 A CN 113972709A CN 202110341985 A CN202110341985 A CN 202110341985A CN 113972709 A CN113972709 A CN 113972709A
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Abstract

一种混合负载保护设备(1)，包括：初级电源路径(1A)，该初级电源路径(1A)设置在混合负载保护设备(1)的输入端子(2)和输出端子(3)之间，并且具有可控机械开关(5A)，其中，电压UA被直接施加到与初级电源路径(1A)相关联的第一驱动器电路(6A)的低电压侧处的驱动器输入(IN)，以在第一关断时段(Δt1)内自动触发机械开关(5A)的关断，从而中断初级电源路径(1A)；并且混合负载保护设备(1)包括：次级电源路径(1B)，由另一线圈(4B)产生的电压降(ΔU4)和非线性电压降(ΔU5)作为总和电压(UB)直接施加到第二驱动器电路(6B)的高电压侧处的驱动器输入(DESAT)。

Description

用于保护负载免受过电流影响的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过使用初级电源路径中的机械开关和并联次级电源路径中的半导体电源开关两者来保护连接的电负载免受过电流影响的方法和设备。
背景技术
连接到电源网络PSN的电负载需要过流保护。过流可流过电导体或部件，导致产生过多的热量并损坏相应的电气设备或负载。产生过流有不同的原因，包括短路、不正确的电路设计或接地故障。存在多种常规过流保护装置，例如熔丝、机电断路器或固态电源开关。当过流发生时，保险丝会熔断，从而中断电流并保护负载。然而，熔丝仅在相对高的电流幅值下熔化，使得在相应的熔丝熔化之前，许多电能可以被转移到所连接的负载，从而增加了损坏所连接的电负载的部件的风险。此外，在消除过流的原因之后，有必要更换受影响的熔丝。
其他常规电气保护装置采用电流传感器来测量流到所连接的负载的电流以检测临界情形，并且在确实出现且检测到临界情形的情况下自动触发电子或机电开关以中断电流流动。电流测量元件，诸如霍尔传感器，可以测量流动电流并且将测量值提供给控制器或控制逻辑，该控制器或控制逻辑可以在所测量的电流超过预定义阈值的情况下关断开关部件。断路器和较新的保护装置使用半导体开关，如MOSFET，来保护连接的负载免受过电流的影响。随着流经接通的半导体开关的电流增加，沿着该半导体开关的电压降也会增加，从而在相应的半导体开关处出现更高的功率损耗。这种增加的功率损耗会导致半导体开关本身和/或连接的电气负载内的电子部件的损坏甚至破坏。因此，传统的保护电路评估沿着集成半导体开关的电压降，并且一旦沿着半导体开关的电压降超过预定义的阈值，就触发半导体开关的关断。然而，在该传统方法中，关断机制仅在电流已经达到相对高的幅度之后才发生，即，其涉及长的关断时段。所有这些保护电路工作相对较慢，并且需要高电流水平来触发开关部件执行电源路径的关断。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种保护设备和相应的方法，其更有效且可靠地保护所连接的负载免受过电流影响，并在正常操作期间减少功率损耗。
根据本发明的第一方面，该目的通过包括权利要求1的特征的混合负载保护设备来实现。
根据第一方面，本发明提供一种混合负载保护设备，其包括：
初级电源路径，该初级电源路径设置在所述混合负载保护设备的输入端子和输出端子之间，并且具有可控机械开关，该可控机械开关与感应地耦合到次级线圈的初级线圈串联连接，所述次级线圈提供与流过所述初级电源路径的电流的电流上升速度相对应的电压UA，其中，所提供的电压UA被直接施加到与所述初级电源路径相关联的第一驱动器电路的低电压侧处的驱动器输入，以在第一关断时段Δt1内自动触发所述机械开关的关断，从而中断所述初级电源路径，并且包括：
次级电源路径，该次级电源路径在所述混合负载保护设备的所述输入端子和所述输出端子之间与所述初级电源路径并联设置，并且具有与半导体电源开关串联连接的另一线圈，其中，设置与所述次级电源路径相关联的第二驱动器电路，以基于由所述另一线圈产生的电压降和沿所述半导体电源开关施加的非线性电压降来检测由所述初级电流路径的中断引起的流经所述次级电源路径的增加的电流，由所述另一线圈产生的电压降和所述非线性电压降作为总和电压UB直接施加到所述次级驱动器电路的高电压侧处的驱动器输入，以在第二关断时段Δt2内自动触发设置在所述次级电源路径中的所述半导体电源开关的关断，从而中断所述次级电源路径，使得抑制了在所述机械开关(5A)断开期间产生电弧，并且所述混合负载保护设备的所述输入端子和所述输出端子彼此分离。
利用根据本发明的第一方面的混合负载保护设备，所述次级电源路径适于抑制在所述初级电源路径的所述机械开关内的机械触点的电弧的产生，所述机械开关在与所述初级电源路径相关联的第一模拟驱动器电路的控制下被关断。
因此，根据本发明的所述混合负载保护设备的优点在于，在所述混合负载保护设备的操作期间，特别是在触发所述初级电源路径内的所述机械开关的关断时，提高了操作安全性。
在根据本发明的第一方面的所述混合负载保护设备的可能实施例中，设置在所述初级电源路径中的第一模拟驱动器电路和提供在所述次级电源路径中的第二模拟驱动器电路都适于在相应驱动器电路的高电压侧的驱动器输出OUT处自动生成触发信号。
如果施加在所述第一模拟驱动器电路的所述驱动器输入处的信号超过预定义的低电压电平，则所述第一模拟驱动器电路在其高电压侧在所述驱动器输出OUT处自动生成触发信号，以关断相关联的初级电源路径内的所述机械开关。
如果施加到所述第二模拟驱动器电路的驱动器输入DESAT的总和电压超过相关联的可配置阈值电压，则所述第二模拟驱动器电路适于在其高电压侧在所述驱动器输出OUT处自动生成触发信号，以关断相关联的次级电源路径内的所述半导体电源开关。
在可能的实施例中，用于关断设置在所述主电源路径中的所述机械开关的第一预定义关断时段Δt1小于1毫秒，特别是在10微秒和1毫秒之间的范围内。
在根据本发明的第一方面的所述混合负载保护设备的另一可能实施例中，设置在所述初级电源路径中的所述机械开关包括汤姆逊开关。
在根据本发明第一方面的所述混合负载保护设备的另一可能实施例中，设置在所述初级电源路径中的所述机械开关包括关断加速单元，该关断加速单元适于响应于从与所述初级电源路径相关联的所述第一模拟驱动器电路的高电压侧处的所述驱动器输出接收的触发信号来加速所述机械开关的机械触点的关断，以中断所述初级电源路径。
在根据本发明第一方面的所述混合负载保护设备的另一可能实施例中，设置在所述初级电源路径中的所述机械开关的所述关断加速单元包括烟火关断加速单元，该烟火关断加速单元具有响应于从所述第一模拟驱动器电路的所述高电压侧处的所述驱动器输出接收到的所述触发信号而发射的烟火装药，以产生加压气体，该加压气体加速所述机械开关的所述机械触点的关断以中断所述初级电源路径。
在根据本发明的第一方面的所述混合负载保护设备的另一可能实施例中，设置在所述初级电源路径中的所述机械开关的所述关断加速单元包括压电元件驱动单元。
在根据本发明的第一方面的混合负载保护设备的另一个可能的实施例中，其中，当设置在所述初级电源路径中的所述机械开关被关断以中断所述初级电源路径时，由所述次级电源路径中的线圈感测到的电流确实越来越多地流入所述次级电源路径中，并且磁输入能量通过设置在所述次级电源路径中的低阻抗电阻器被转换成热。
在根据本发明的第一方面的所述混合负载保护设备的另一个可能的实施例中，其中，至少一个能量存储单元，特别是电容器，被连接到所述输入端子以存储由所述机械开关的所述关断加速单元使用的电能，以加速设置在所述初级电源路径中的所述机械开关的所述机械触点的关断，或者被用作辅助电源。
在根据本发明的第一方面的所述混合负载保护设备的另一可能实施例中，用于关断所述初级电源路径中的所述机械开关的所述第一关断时段和用于随后关断所述次级电源路径中的所述半导体电源开关的所述第二关断时段是可调节的。
在根据本发明的第一方面的所述混合负载保护设备的另一可能实施例中，所述输入端子连接到电源网络以接收AC电源电压，或者连接到DC电源源以接收DC电源电压，其中，由所述混合负载保护设备保护的电气负载连接到所述混合负载保护设备的所述输出端子。
在根据本发明的第一方面的所述混合负载保护设备的另一可能实施例中，所述初级电源路径适于在正常操作期间承载具有比流过所述次级电源路径的电流更高的电流幅度的电流。
在根据本发明的第一方面的所述混合负载保护设备的另一可能的实施例中，两个驱动器电路都包括通过变压器彼此感应耦合的两个流电分离(galvanically separated)部件。
根据第二方面，本发明还提供一种包括权利要求14的特征的用于保护负载免受过流影响的方法。
根据第二方面，本发明提供一种用于保护负载免于过流影响的方法，其中所述方法包括以下步骤：
检测在初级电源路径中经由机械开关流到电气负载的过流，以通过与所述初级电源路径相关联的第一驱动器电路在第一关断时段内自动触发所述机械开关的关断，从而中断所述初级电源路径；以及
检测由所述初级电源路径的所述中断引起的并且经由半导体电源开关流到所述电气负载的电流的上升，其中，所述次级电源路径与所述初级电源路径并联连接，其中，在检测到所述次级电源路径中的上升电流时，自动触发所述半导体电源开关的关断，以在所述第二关断时段内中断所述次级电源路径并且抑制在所述初级电源路径中的所述机械开关的关断期间产生电弧。
在根据本发明第二方面的所述方法的可能实施例中，关断设置在所述初级电源路径中的所述机械开关的所述第一关断时段小于1毫秒并且由沿着包括所述第一驱动器电路的第一控制路径的信号传播延迟限定，并且其中，用于随后关断设置在所述次级电源路径中的所述半导体电源开关的所述第二关断时段小于1毫秒并且由沿着包括所述第二驱动电路的第二控制信号路径的信号传播延迟限定。
在根据本发明的第二方面的所述方法的可能实施例中，借助于用户接口来调整所述第一关断时段和所述第二关断时段。
在根据本发明的第二方面的所述方法的另一可能的实施例中，用于首先中断所述初级电源路径并且随后中断所述次级电源路径的总关断时段小于2毫秒。
在优选实施例中，用于首先中断所述初级电源路径并且随后中断所述次级电源路径以便将电气负载与电源网络分离的总关断时段在10微秒和2毫秒之间的范围内。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明不同方面的可能实施例。
图1示出了用于示出根据本发明的第一方面的混合负载保护设备的可能示例性实施例的框图；
图2示出了用于示出根据本发明的第二方面的用于保护负载免受过流影响的方法的可能示例性实施例的流程图；
图3示出了用于示出将驱动器电路连接到相关联的次级电源路径的电路的电路图；
图4示出了用于示出根据本发明的第一方面的混合负载保护设备中集成的驱动器电路的可能示范性实施方案的电路图；
图5A、图5B、图5C及图5D示出了用于示出混合负载保护设备1的正常操作的信号图；
图6A及图6B示出了由混合负载保护设备执行的过流保护。
具体实施方式
从图1的框图可以看出，在所示实施例中，根据本发明的第一方面的混合负载保护设备1包括用于连接到电源网络PSN的输入端子2和电气负载9可以连接到的输出端子3。
如图1的实施例中所示的混合负载保护设备1包括初级电源路径1A和并联次级电源路径1B。初级电源路径1A和次级电源路径1B都并联连接在混合负载保护设备1的输入端子2和输出端子3之间。
设置在混合负载保护设备1的输入端子2和输出端子3之间的初级电源路径1A包括与具有电感L的初级线圈4A-1串联连接的可控机械开关5A。初级线圈4A-1产生与流过初级电源路径1A的电流I的电流上升速度(dI/dt)成比例的电压降(U～L dI/dt)。初级线圈4A-1感应地耦合到次级线圈4A-2，该次级线圈4A-2提供电压降ΔUA，该电压降ΔUA直接施加到与初级电源路径1A相关联的驱动器电路6A的驱动器输入，以在第一关断时段内自动触发机械开关5A的关断，从而中断初级电源路径1A。电压UA对应于流过初级电源路径1A的电流I的电流上升速度dI/dt。
与初级电源路径1A并联设置的次级电源路径1B具有与半导体电源开关5B串联连接的另一线圈4B，如图1所示。设置与次级电源路径1B相关联的第二驱动器电路6B以用于基于由线圈4B产生的电压降ΔU4和沿半导体电源开关5B的非线性电压降ΔU5来检测由初级电流路径1A的中断引起的流经次级电源路径1B的增加的电流I。由线圈4B产生的电压降ΔU4和沿半导体电源开关5B的非线性电压降ΔU5作为总和电压UB直接施加到第二驱动器电路6B的驱动器输入端IN，以在第二关断时段Δt2内自动触发设置在第二供电路径1B中的半导体电源开关5B的关断，以中断次级电源径1B。在初级电源路径1A和随后的次级电源路径1B都被中断之后，混合负载保护设备1的输入端子2和输出端子3在总的关断时段(t∑＝Δt1+Δt2)内彼此完全分离，并且所连接的负载9与电源网络PSN隔离。
保护设备1是混合的，意味着其包括机械和电子切换。
两个电源路径1A、1B包括如图1所示的相关联的驱动器电路6A、6B。在优选实施例中，驱动器电路6A和驱动器电路6B包括相同的电路，并且可以由如图4所示的具有低电压侧和高电压侧的驱动器电路6来实现。驱动器电路6A、6B的内部电路在图4中示出。由次级线圈4A-2产生的电压信号被直接施加到第一模拟驱动器电路6A的低电压侧的驱动器输入IN。该信号也可以被电子放大。
相反，由线圈4B和半导体电源开关5B提供的总和电压UB(UB＝U2＝ΔU4+ΔU5)被施加到第二模拟驱动器电路6B的高电压侧的驱动器输入DESAT。穿过组件(特别是集成在驱动器电路6中的门和比较器)的控制信号的信号传播延迟小于200毫微秒，即0.195微秒。
设置在初级电源路径1A中的第一模拟驱动器电路6A和设置在次级电源路径1B中的第二模拟驱动器电路6B都适于在各个驱动器电路6A、6B的高电压侧的驱动器输出OUT处自动生成触发信号。根据由线圈4A-2产生并且施加到第一驱动器电路6A的低电压侧处的驱动器输入IN的电压信号，由驱动器电路6A产生关断触发控制信号，并且在可能的实施例中可将其施加到如图1所示的功率级10。功率级10可以包括能量存储器以及功率半导体开关，其响应于从位于第一驱动器电路6A的高电压侧处的驱动器输出OUT接收的控制信号CRTLA而立即触发非常高的电压。在可能的实施例中，机械开关5A可以包括所谓的汤姆逊开关。可以向汤姆逊开关的线圈施加结合有强电流脉冲的非常高的电压，以提供立即强制断开机械开关5A内的机械触点，从而中断初级电源路径1A。从驱动器电路6A的低电压侧处的驱动器输入IN到驱动器电路6A的高电压侧处的驱动器输出OUT的信号延迟小于200毫微秒。在优选实施例中，在线圈4A-2和机械开关5A的输入之间的第一控制信号路径中的信号延迟小于1毫秒，并且在优选实施例中在1微秒和1毫秒之间的范围内。这可以通过由驱动器电路6A引起的非常低的信号传播延迟和由初级电源路径1A的功率级10引起的快速断开来实现。
在次级电源路径1B中，线圈4B和半导体电源开关5B之间的总和电压UB不施加到驱动器电路6B的低电压侧，而是施加到其高电压侧。在可能的实施例中，总和电压UB被施加到驱动器电路6B的高电压侧处的DESAT驱动器输入，以在驱动器输出OUT处产生控制信号CRTLB，驱动器输出OUT也位于驱动器电路6B的高电压侧。在可能的实施例中，关断控制触发信号CRTLB可以直接施加到半导体电源开关5B的控制栅极，也如图1所示。用于关断功率开关5B的第一预定义关断时段Δt1小于1毫秒，并且在优选实施例中范围在1微秒和1毫秒之间。在一种可能的实现方式中，如果施加的总和电压UB超过可配置的阈值电压，则关断半导体电源开关5B的关断时段Δt2可以是1微秒-10微秒。
设置在初级电源路径1A中的机械开关5A可以连接到关断加速单元，例如图1所示的电源开关10。关断加速单元适于响应于从第一模拟驱动器电路6A的高电压侧处的驱动器输出OUT接收的触发信号CRTLA来加速机械开关5A内的机械触点的关断，以自动地中断初级电源路径1A。在可能实施例中，设置在初级电源路径1A中的机械开关5A的关断加速单元还可以包括加速单元的烟火开关，该烟火开关具有响应于接收到的触发信号CRTLA而发射的烟火装药，以产生膨胀的加压气体，并加速机械开关5A的机械触点的关断，从而中断初级电源路径1A。在另一可能的实施例中，机械开关5A处的关断加速单元也可以包括压电元件驱动单元。
当设置在初级电源路径1A中的机械开关5A被关断以中断初级电源路径1A时，由设置在次级电源路径1B中的电流上升速度传感器部件4B(即，线圈4B)感测的电流确实增加地流入次级电源路径1B中。在可能的实施例中，如图1所示，可通过电阻器11将磁输入能量转换成热。电阻器11可以包括小于0.5Ω(欧姆)的低阻抗电阻，以将磁输入能量转化为热。
根据本发明的混合负载保护设备1可以包括附加部件。在可能的实施例中，至少一个能量存储单元可以连接到输入端子2以存储电能，该电能可以由机械开关5A的关断加速单元用来加速设置在初级电源路径1A中的机械开关5A的机械触点的关断。存储在能量存储单元中的能量还可以用作混合负载保护设备1的壳体内的辅助电源或其他部件。能量存储单元可以包括具有例如大于5mF(毫法)的电容的电容器。
在可能的实施例中，诸如霍尔传感器的负载电流传感器部件7可以集成在混合负载保护设备1中，以连续地测量流到初级电源路径1A和次级电源路径1B到所连接的电气负载9的负载电流IL。在可能的实施例中，可以向混合负载保护设备1的控制单元8通知所测量的负载电流IL，以提供负载电流分布。可以通过控制单元8的微处理器来评估负载电流分布，以在可能的实施方式中检测所连接的负载9的过载状态。这可以在控制单元8的微处理器的控制下为小过载提供相对慢的关断。相反，由于第一控制路径和第二控制路径的非常小的信号传播延迟，由第一驱动器电路6A和第二驱动器电路6B执行的关断比由控制单元8触发的关断快得多。
在可能的实施方式中，控制单元8还可以经由用户接口或从系统的远程高级控制器接收控制命令CMD。在可能的实施例中，控制单元8可以响应于关断命令CMD分别经由第一驱动器电路6A和第二驱动器电路6B触发关断初级电源路径1A中的机械开关5A和次级电源路径1B中的半导体电源开关5B。
在图1所示的实施例中，输入端子2连接到接收AC电源电压UAC的电源网络PSN。在可能的实施例中，混合负载保护设备1包括用于从电源网络PSN接收的三个不同AC电源电压UAC(电源相L1、L2、L3)的三个输入端子2和三个输出端子3。对于不同的使用情况，AC电源电压UA的幅度可以不同。AC电源电压UAC的频率例如可以是50Hz或60Hz。
在正常操作期间，从输入端子2流到输出端子3的电流I的大部分流过初级电源路径1A。初级电源路径1A适于在正常操作期间承载具有比流过次级电源路径1B的电流更高的电流幅值的电流，也如图5A至图5D所示。在正常操作中，由初级电源路径1A承载的电流IL1的幅值与由次级电源路径1B承载的电流IL2的幅值之间的比率取决于电路并且例如可以是10:1。
图2示出了用于示出用于保护负载(例如，图1中所示的负载9)免受过流影响的方法的可能示例性实施例的流程图。
在图2所示的实施例中，该方法包括四个主要步骤。
在第一步骤S1中，检测初级电源路径1A中经由机械开关5A流到电气负载9的过流，以在第二步骤S2中在第一关断时间段Δt1内通过与初级电源路径1A相关联的第一驱动器电路6A自动触发关断机械开关5A，从而中断初级电源路径1A。这导致初级电源路径中的电流IL1的换向，从而导致次级电源路径1B中的电流IL的急剧上升，也如图6A、图6B所示。电流换向可花费例如约250微秒。
此外，在步骤S3中，检测由初级电源路径1A的中断引起的并且经由半导体电源开关5B流到电气负载9的电流的上升，其中，在步骤S4中，在检测到次级电源路径1B中的上升电流时，自动触发半导体电源开关5B的关断，以在第二关断时间段Δt2内也中断次级电源路径1B，从而将输入端子2和输出端子3完全分开，以将电气负载9与电源网络PSN隔离。
用于关断设置在初级电源路径1A中的机械开关5A的第一关断时段Δt1小于1毫秒并且由沿着包括第一驱动器电路6A的第一控制信号路径的信号传播延迟限定。驱动器电路6A的传播信号延迟小于0.2微秒，机械开关5A可以例如在250微秒之后打开。
用于关断设置在次级电源路径1B中的半导体电源开关5B的第二关断时段Δt2小于1毫秒并且由沿着包括第二驱动器电路6B的第二控制信号路径的信号传播延迟限定。
在优选实施例中，两个关断时段，即第一关断时段Δt1和第二关断时段Δt2都是可调节的。
在可能的实施例中，用于首先中断初级电源路径1A并且随后中断次级电源路径1B的总关断时段Δt∑小于2毫秒。在优选实施例中，总关断时段Δt∑的范围在1微秒和2毫秒之间(Δt∑＝Δt1+Δt2)。
图6A、图6B示出了在初级电源路径1A中检测到过流首先触发机械开关5A的关断和随后的电源开关5B的关断的情况下，分别随着时间流逝流过初级电源路径1A和次级电源路径1B的电流IL1、IL2。
图3示出了用于设置在次级电源路径1B中的连接电路的可能示例性实现的电路图。在所示实施例中，输入端子2适于从具有例如400伏或更高的AC电源电压UAC的电源网络PSN接收相电流(L)。在所示的实施方式中，次级电源路径1B包括与线圈4-1、4-2相关联的两对半导体电源开关5-1、5-2。图3所示的电路对于流过电源路径1B的电流的正电流半波和负电流半波是对称的。如图3所示，每个线圈4-1、4-2包括相关联的半导体电源开关5-1、5-2。在可能的实施方式中，线圈4-1、4-2都包括约2微亨的电感L。可以设置附加变阻器VAR以消除干扰。此外，二极管D可以并联连接到每个线圈4-1、4-2以减少自感。半导体电源开关5-1、5-2都连接到桥式整流器电路，该桥式整流器电路在所示实施方式中包括两对互补晶体管Q1至Q4。在桥式整流器电路的输出侧，可以设置至少一个电容器C以调节预定的最小延迟。图3所示的电阻器R1、R2都包括可以被配置为调整图3中所示的连接电路的灵敏度的电阻。如图3所示，第二驱动器电路6B连接到桥式整流器电路的输出端，以在第二驱动器电路6B的高电压侧的其驱动器输入DESAT处接收总和电压UB。驱动器电路6B产生施加到电源开关5-1、5-2的控制栅极的控制信号CRTL。根据线圈4-1、4-2直接产生的电压，如果施加的总和电压UB超过可配置阈值UTH，则驱动器电路6B产生触发关断控制信号CRTL。
图4示出了用于示出在根据本发明的混合负载保护设备1中实现的驱动器电路6A、6B的可能示例性实施例的框图。在示出的实施例中，驱动器电路6可以包括由英飞凌科技制造的单个IGBT驱动器IC1ED020/12-B2。驱动器电路6包括由变压器T1、T2电流分隔的两个单独的半电路。图4中示出的驱动器电路6的低电压左侧还可以连接到混合负载保护设备1的控制单元8，特别是响应于控制命令CMD或取决于测量的电流分布。
在替代实施例中，特定设计的ASIC可以用作驱动器电路6。
由耦合到初级电源路径1A中的线圈4A-1的线圈4A-2输出的低电压信号UA在可能的实施方式中被提供到驱动器电路6的低电压侧的非反相驱动器输入IN+，如图4所示。
相反，包括沿着线圈4B和沿着半导体电源开关5B的电压降ΔU4的总和电压UB在可能的实施方式中被施加到驱动器电路6的高电压侧上的DESAT驱动器输入。总和电压UB(UB＝U∑＝ΔU4+ΔU5)由比较器K3与例如9伏的可配置阈值电压UTH进行比较，并且沿着OR门OR1、AND门AND1和AND门AND2行进到达驱动器电路6的高电压侧处的驱动器输出OUT的输出级处的运算放大器。沿几个门和比较器行进的该控制回路具有小于200毫微秒的非常低的传播延迟。
在可能的实施方式中，由耦合到初级电源路径1A中的线圈4A-1的线圈4A-2产生的低电压信号UA被施加到驱动器电路6的低电压侧的非反相输入IN+，并且经由如图4所示的AND门3传播。该信号由变压器T1耦合到高电压侧，并行进通过AND门AND2和驱动器电路6的高电压侧处的驱动器输出OUT的输出级。此外，驱动器输入IN+和驱动器输出OUT之间的信号传播延迟小于200毫微秒。
从图1的框图可以看出，在检测到过流的情况下，驱动器电路6可以独立于控制单元8操作，以在短暂的反应时间内关断相关联的开关。在信号控制路径中不包括控制单元8的微处理器，从而可以实现非常短的关断时段。
在过流的情况下，机械开关5A可以快速关断。为了抑制由机械开关5A的机械开关触点的快速关断引起的电弧，当机械开关5A断开时，次级电源路径1B可以接管电负载电流IL。
此外，当控制单元8的微处理器响应于关断命令CMD而断开机械开关5A时，次级电源路径1B可以通过将流过初级电源路径1A的电流重定向到次级电源路径1B来提供对断开机械开关5A处的电弧的抑制。电弧抑制提高了系统的整体安全性。此外，通过次级电源路径1B提供的有效电弧抑制，可以增加机械开关5A的操作寿命。在检测到过电流并且通过驱动器电路6A断开机械开关5A的情况下，电流可以从初级电源路径1A换向到次级电源路径1B，其中，磁能可以通过图1的电路图中所示的电阻器11转换成电热。电阻器11的电阻R相对较低，并且可以在0.5欧姆与10欧姆之间的范围内。
可以为AC电源网络PSN的每个电源相(L1、L2、L3)提供混合负载保护设备1。这提供了额外的优点，即电源网络PSN的每个电相可以独立于其他电源相被监测。
如图1的框图中所示的混合负载保护设备1可以集成在设备的壳体中。该设备可以在每个输入端子2处包括突出的电触头，该电触头适于插入混合电源母线的相应槽中。因此，混合负载保护设备1可以作为设备连接到母线系统。混合负载保护设备1还可以连接到母线系统适配器或传统的大型母线或棚架轨道。混合负载保护设备1还可以集成在熔丝壳体中并且适于替换传统的熔丝(例如NH熔丝)。
设置在次级电源路径1B内的半导体电源开关5B可以包括IGBT或功率MOSFET，特别是SiC MOSFET、GaN MOSFET或ScAlN MOSFET。
沿着半导体电源开关5B的电压降ΔU5可以包括所使用的半导体功率MOSFET的源极端子和漏极端子之间的漏源电压UDS。因此，当流过次级电源路径1B的电流I浪涌时，沿着半导体开关5B的电压降ΔU5可以非线性地增加。因此，施加到驱动器电路6B的DESAT驱动器输入的总和电压UB响应于电流I的瞬时值和电流变化率dI/dt的瞬时值而流动。因此，在次级电源路径1B中提供的过流检测是非常鲁棒的，并且需要很少的电子部件来提供对浪涌电流I的可靠检测。为了可靠的检测，不需要任何计算资源。过流的检测通过硬接线部件完全独立于控制单元8地来执行，而不涉及任何耗时的计算或处理步骤。以这种方式，可以实现非常短的关断时段。此外，硬接线过流检测对于环境影响是非常可靠和鲁棒的。
在根据本发明的混合负载保护设备1的可能实施方式中，机械开关5A包括提供超快致动器功能的汤姆逊开关。在汤姆逊开关中实现的汤姆逊线圈可以包含两个电流方向相反的同心线圈。每个线圈可以包括多匝导线，通常由具有隔离涂层的铜制成。线圈产生的磁场产生电磁力，迫使线圈彼此分开。在混合负载保护设备1已经由过流触发并且机械开关5A以及半导体电源开关5B已经断开之后，可以通过施加到控制单元8的接通命令来重新激活混合负载保护设备1。因此，能够再次利用混合负载保护设备1。混合负载保护设备1在正常操作期间产生的耗散功率较低。施加到输入端子2的电源电压UAC可以根据使用情况而变化。所施加的AC电源电压UAC可以大于400伏，例如具有50Hz频率的690伏SAc。混合负载保护设备1可以提供针对高达500kAmp的短路电流的保护。在已经检测到短路过流并且已经断开开关5A、5B之后，可以响应于施加到控制单元8的控制信号CMD在等待时段之后重新激活混合负载保护设备1。因此，混合负载保护设备1不会被短路过流破坏，并且可以被重新激活以用于进一步使用。混合负载保护设备1被设计为保护电气负载9免受由过载或短路的过电流造成的损坏。与操作一次且必须更换的熔丝不同，根据本发明的混合负载保护设备1可以手动或自动复位以恢复正常操作。由于机械触点的使用寿命受到在中断电流时由于电弧引起的触点材料的腐蚀的限制，混合负载保护设备1的正常工作寿命通过提供用于在机械开关5A关断期间抑制电弧产生的次级电源路径1B而显著增加。
在可能的实施例中，驱动器电路6A、6B可以经由信号线向控制单元8通知机械开关5A和半导体电源开关5B的瞬时开关状态。
一旦故障状态被清除，半导体开关5B的机械触点可以再次自动闭合，以恢复对电气负载9的供电。混合负载保护设备1可用于针对不同使用情况的各种不同负载。混合负载保护设备1适于保护电阻性、电容性以及电感性负载免受过流影响。根据本发明的混合负载保护设备1可以有效地保护甚至消耗非常高的电力量的负载。

Claims (15)

1.一种混合负载保护设备(1)，其包括：
-初级电源路径(1A)，该初级电源路径(1A)设置在所述混合负载保护设备(1)的输入端子(2)和输出端子(3)之间，并且具有可控机械开关(5A)，该可控机械开关(5A)与感应地耦合到次级线圈(4A-2)的初级线圈(4A-1)串联连接，所述次级线圈(4A-2)提供与流过所述初级电源路径(1A)的电流的电流上升速度相对应的电压UA，其中，所提供的电压UA被直接施加到与所述初级电源路径(1A)相关联的第一驱动器电路(6A)的低电压侧处的驱动器输入(IN)，以在第一关断时段(Δt1)内自动触发所述机械开关(5A)的关断，从而中断所述初级电源路径(1A)；并且包括：
-次级电源路径(1B)，该次级电源路径(1B)在所述混合负载保护设备(1)的所述输入端子(2)和所述输出端子(3)之间与所述初级电源路径(1A)并联设置，并且具有与半导体电源开关(5B)串联连接的另一线圈(4B)，其中，设置与所述次级电源路径(1B)相关联的第二驱动器电路(6B)，以基于由所述另一线圈(4B)产生的电压降(ΔU4)和沿所述半导体电源开关(5B)施加的非线性电压降(ΔU5)来检测由所述初级电流路径(1A)的中断引起的流经所述次级电源路径(1B)的增加的电流I，由所述另一线圈(4B)产生的电压降(ΔU4)和所述非线性电压降(ΔU5)作为总和电压(UB)直接施加到所述第二驱动器电路(6B)的高电压侧处的驱动器输入(DESAT)，以在第二关断时段(Δt2)内自动触发设置在所述次级电源路径(1B)中的所述半导体电源开关(5B)的关断，从而中断所述次级电源路径(1B)，使得抑制了在所述机械开关(5A)断开期间产生电弧，并且所述混合负载保护设备(1)的所述输入端子(2)和所述输出端子(3)彼此分离。
2.根据权利要求1所述的混合负载保护设备(1)，其中，设置在所述初级电源路径(1A)中的第一模拟驱动器电路(6A)和设置在所述次级电源路径(1B)中的所述第二模拟驱动器电路(6B)都适于在各个驱动器电路(6A、6B)的高电压侧的驱动器输出(OUT)处自动生成触发信号。
3.根据权利要求1或2所述的混合负载保护设备(1)，其中，用于关断设置在所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)的第一预定义关断时段(Δt1)小于1毫秒，特别是在1微秒和1毫秒之间的范围内。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的混合负载保护设备(1)，其中，设置在所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)包括汤姆逊开关。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的混合负载保护设备(1)，其中，设置在所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)包括关断加速单元，该关断加速单元适于响应于从与所述初级电源路径(1A)相关联的所述第一模拟驱动器电路(6A)的高电压侧处的所述驱动器输出(OUT)接收的触发信号(CRTL)来加速所述机械开关(5A)的机械触点的关断，以中断所述初级电源路径(1A)。
6.根据权利要求5所述的混合负载保护设备(1)，其中，设置在所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)的所述关断加速单元包括烟火关断加速单元，该烟火关断加速单元具有响应于从所述第一模拟驱动器电路(6A)的所述高电压侧处的所述驱动器输出(OUT)接收到的所述触发信号(CRTL)而发射的烟火装药，以产生加压气体，该加压气体加速所述机械开关(5A)的所述机械触点的关断以中断所述初级电源路径(1A)。
7.根据权利要求5所述的混合负载保护设备(1)，其中，设置在所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)包括汤姆逊开关。
8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的混合负载保护设备(1)，其中，当设置在所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)被关断以中断所述初级电源路径(1A)时，由所述次级电源路径(1B)中的线圈(4B)感测到的电流确实越来越多地流入所述次级电源路径(1B)中，并且磁输入能量通过设置在所述次级电源路径(1B)中的低阻抗电阻器(11)被转换成热。
9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的混合负载保护设备(1)，其中，至少一个能量存储单元，特别是电容器，被连接到所述输入端子(2)以存储由所述机械开关(5A)的所述关断加速单元使用的电能，以加速设置在所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)的所述机械触点的关断，或者被用作辅助电源。
10.根据前述权利要求中任一项所述的混合负载保护设备(1)，其中，用于关断所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)的所述第一关断时段(Δt1)和用于随后关断所述次级电源路径(1B)中的所述半导体电源开关(5B)的所述第二关断时段(Δt2)是可调节的。
11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的混合负载保护设备(1)，其中，所述输入端子(2)连接到电源网络(PSN)以接收AC电源电压UAC，或者连接到DC电源源以接收DC电源电压UDC，其中，由所述混合负载保护设备(1)保护的电气负载(9)连接到所述混合负载保护设备(1)的所述输出端子(3)。
12.根据前述权利要求1至11中任一项所述的混合负载保护设备(1)，其中，所述初级电源路径(1A)适于在正常操作期间承载具有比流过所述次级电源路径(1B)的电流更高的电流幅度的电流。
13.根据前述权利要求1至12中任一项所述的混合负载保护设备(1)，其中，两个驱动器电路(6A、6B)都包括通过变压器(T1、T2)彼此感应耦合的两个流电分离部件。
14.一种用于保护负载免受过电流影响的方法，该方法包括以下步骤：
-检测(S1)在初级电源路径(1A)中经由机械开关(5A)流到电气负载(9)的过流，以通过与所述初级电源路径(1A)相关联的第一驱动器电路(6A)在第一关断时段(Δt1)内自动触发所述机械开关(5A)的关断，从而中断所述初级电源路径(1A)；以及
-检测(S3)由所述初级电源路径(1A)的所述中断引起的并且经由半导体电源开关(5B)流到所述电气负载(9)的电流的上升，其中，所述次级电源路径(1B)与所述初级电源路径(1A)并联连接，其中，在检测到所述次级电源路径(1B)中的上升电流时，自动触发所述半导体电源开关(5B)的关断，以在第二关断时段(Δt2)内中断所述次级电源路径(1B)并且抑制在所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)的关断期间产生电弧。
15.根据权利要求14所述的用于保护负载免受过流影响的方法，其中，用于关断设置在所述初级电源路径(1A)中的所述机械开关(5A)的所述第一关断时段(Δt1)小于1毫秒并且由沿着包括所述第一驱动器电路(6A)的第一控制信号路径的信号传播延迟所限定，并且其中，用于关断设置在所述次级电源路径(1B)中的所述半导体电源开关(5B)的所述第二关断时段(Δt2)小于1毫秒并且由沿着包括所述第二驱动器电路(6B)的第二控制信号路径的信号传播延迟所限定，其中，用于首先中断所述初级电源路径(1A)并且随后中断所述次级电源路径(1B)的总关断时段小于2毫秒，特别是在1微秒和2毫秒之间的范围内。
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