DE9218519U1

DE9218519U1 - Leistungsschalter

Info

Publication number: DE9218519U1
Application number: DE9218519U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1992-11-20
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2002-11-21
Also published as: AU2944292A; WO1993011608A1

Description

GR 91 G 3587 DE

Siemens Aktiengesellschaft

Leistungsschalter
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsschalter, insbesondere Leitungsschutzschalter, der mit einem Halbleiterelement arbeitet.

Leistungsschalter in der Ausführung als Leitungsschutzschalter, wie sie heute auf dem Markt sind, lassen bei Kurzschluß eines nachgeordneten Gerätes einen Kurzschlußstrom von 1000 bis etwa 6000 A für einige Millisekunden fließen. Deshalb werden diese Geräte heute so ausgelegt, daß sie diese Hochstromimpulse, wie sie insbesondere bei Inbetriebnahme auftreten, ohne Schaden aushalten. Dadurch verteuern sich Leitungsschutzschalter zum einen und zum anderen ist das erforderliche Bauvolumen größer.

Andererseits hat man versucht, Halbleiterelemente für Schutzschaltgeräte heranzuziehen. Hierbei tritt das Problem auf, daß die Halbleiterelemente ihrerseits stark überdimensioniert und teuer sein müssen oder daß sie selbst geschützt werden müssen. Es sind daher Bypaßschaltungen bekannt, wonach durch besonders schnelle Auslöser oder besondere elektronische Steuerungsmaßnahmen der Halbleiter überbrückt wird, bevor er Schaden nehmen kann. Die Halbleiter werden hierbei üblicherweise eingesetzt, um eine Fernsteuerung zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsschalter, insbesondere in der Ausprägung als Leitungsschutzschalter, zu entwickeln, der mit einfachen Mitteln und einem Halbleiterelement ohne Überdimensionierung auskommt.

Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt durch einen Leistungsschalter nach Anspruch 1. Dieser arbeitet mit einem Halbleiterelement, jedoch anders als bisher. Das Halbleiter-

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element ist so gewählt, daß sein Innenwiderstand bei einer bestimmten Steuerspannung an einer Steuerelektrode und einer Arbeit s spannung an in Durchgangs richtung in einem Leitungszug liegenden Arbeitselektroden einen niedrigen Wert aufweist. Sein Innenwiderstand steigt mit steigender Spannung an den Arbeitselektroden sprunghaft an. An einem parallel zum Halbleiterelement angeordneten Auslöseglied eines Relais liegt dann sprunghaft Spannung an, so daß das Relais dann einen im Leitungszug angeordneten Unterbrecherkontakt öffnen kann. Insbesondere kann der Unterbrecherkontakt bleibend öffnen, also speichernd ausgeführt sein. Er kann beispielsweise ein bistabiles Relais sein. Eine derartige Anordnung wirkt als strombegrenzende Halbleiteranordnung, wobei der Halbleiter gewissermaßen selbsttätig durch das zu ihm parallel angeordnete Auslöseglied vorübergehend geschützt wird und durch die Öffnung des seriell zu ihm angeordneten Unterbrecherkontaktes ebenso wie der nachgeordnete Verbraucher dauerhaft geschützt wird.

Als Halbleiterelement eignet sich die antiserielle Anordnung von zwei FET's deren Gates an gemeinsame Steuerspannung gelegt werden kann. Trotz der bei FET's nicht zu vermeidenden Wirkung einer inneren Body-Diode kann so die Anordnung der beiden FET's gegen Wechselspannung sperren. Eine derartige Anordnung kann im Kurzschlußfall bis zum Abschalten statt der sonst bei Leitungsschutzschaltern üblichen 6 KA auf Stromstärken kleiner als 50 bis 60 A begrenzen. Als Relais sind nicht besonders schnelle Sonderausführungen erforderlich, sondern es genügen marktübliche schnellauslösende Relais.

Bei zwei gleichdotierten FET's, z.B. zwei n-Kanal-FET's, ist es günstig, die Source-Elektroden zu verbinden und an einen Pol einer Steuerspannung zu legen, deren positiver Pol mit den Gate-Elektroden in Verbindung steht.

Der Leistungsschalter kann mit einfachen Mitteln fernsteuerbar ausgeführt werden. Hierzu ist lediglich erforderlich,

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die Steuerspannung von einer Fernsteuereinrichtung im Sinne einer fallweisen Erhöhung bzw. Erniedrigung des Innenwiderstands des Halbleiterelementes verstellbar auszuführen. Ein derartiger fernsteuerbarer Schalter weist jedoch alle Vorteile des erfindungsgemäßen Prinzips auf.

Es kann vorteilhaft sein, den Leistungsschalter so auszuführen, daß parallel zu den FET's jeweils Zenerdioden zwischen Drain und Gate angeschlossen sind. Dadurch kann man während eines Abschaltvorgangs infolge von Kreisinduktivitäten auftretende Oberspannungsspitzen für die Halbleiteranordnung unschädlich machen. Andernfalls bestünde bei bestimmten Leitungskreisen die Gefahr, daß die FET's durch Spannungsspitzen zerstört werden könnten.

Bei einem Leistungsschalter nach Anspruch 6 ist im Leitungszug ein Stromsensor angeordnet, durch den geprüft werden kann, wann ein zulässiger Kurzschlußstrom erreicht bzw. überschritten wird, worauf die Steuerspannung so eingestellt wird, daß der zulässige Kurzschlußstrom nicht überschritten wird. Bei einem derartigen Leistungsschalter wird also eine zusätzliche Überwachung mittels einer vom Stromsensor beaufschlagten Steuereinrichtung genutzt.

Wenn beim Leistungsschalter im Leitungszug ein einziger Unterbrecherkontakt angeordnet wird, ist es bei einer Netzspannung von 230 V vorteilhaft, den Unterbrecherkontakt mit einer Öffnungsweite von mindestens 3 mm auszuführen. Bei zwei in Serie zur Parallelschaltung aus Halbleiteranordnung und Auslöseeinrichtung angeordneten Unterbrecherkontakten genügt bei einer Netzspannung von 230 V jeweils eine Öffnungsweite von 1,5 mm. Eine derartige symmetrische Anordnung der Unterbrecherkontakte ist vorteilhaft.

Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnung grob schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

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In FIG 1 ist der Leistungsschalter im Prinzip und unter
Verwendung von zwei antiseriellen FET's wiedergegeben .

In FIG 2 ist ein Leistungsschalter mit zwei Unterbrecherkontakten und bei zusätzlichem Schutz durch zwei
Zenerdioden, jeweils zwischen Drain und Gate eines FET's, dargestellt.

In FIG 3 ist ein Leistungsschalter mit einer Steuereinrichtung für die Elektrodenspannung zweier FET's veranschaulicht .

In FIG 4 ist der Leistungsschalter im Leitungszug eines
Netzes zu einem Verbraucher wiedergegeben.

Der Leistungsschalter nach FIG 1 arbeitet mit einem Halbleiterelement 1, dessen Innenwiderstand bei einer bestimmten Steuerspannung 2 an einer Steuerelektrode 3 und einer Arbeit sspannung 4 an in Durchgangsrichtung in einem Leitungszug liegenden Arbeitselektroden 5 einen niedrigen Wert aufweist. Bei der Verwendung von zwei antiseriellen FET's 6 kann die Arbeitsspannung am Halbleiterelement 1 lediglich einige 100 mV betragen. Das Halbleiterelement ist so gewählt bzw. aufgebaut, daß sein Innenwiderstand mit steigender Spannung an den Arbeitselektroden 5 sprunghaft ansteigt. Elektrisch parallel zum Halbleiterelement 1 ist ein Auslöseglied 7 eines als Relais wirkenden Elements angeordnet. Dies kann die Erregerwicklung eines Relais sein. Das Relais arbeitet auf zumindest einen Unterbrecherkontakt 8, der im Leitungszug angeordnet ist. Wenn das Relais anspricht, wird also die Leitung unterbrochen. Der Unterbrecherkontakt 8 ist im Ausführungsbeispiel, anhand von FIG 1 orientiert, oben angeordnet. Der Unterbrecherkontakt kann auch in die Leitungsführung unten eingefügt werden, was durch die gestrichelte Wiedergabe veranschaulicht werden soll.

Das Halbleiterelement 1 wird im Ausführungsbeispiel nach FIG 1 durch zwei antiseriell geschaltete FET's 6 gebildet, deren Gates 9 an gemeinsame Steuerspannung 2 gelegt sind. Bei gleichdotierten FET's, z.B. zwei n-Kanal-FET¹s ist es gün-

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stig, die Source-Elektroden 10 zu verbinden und an einen Pol der Steuerspannung zu legen. Wenn man die Drain-Elektroden 11 verbinden würde, wäre für jeden FET jeweils eine eigene Steuerspannung erforderlich.

Im Ausführungsbeispiel nach FIG 2 sind zwei Unterbrecherkontakte 8 vorgesehen und die FET's 6 des Halbleiterelements 1 sind durch Zenerdioden 12 zusätzlich geschützt. Die Zenerdioden 12 sind zwischen Drain 11 und Gate 9 jedes FET's angeordnet. Sie liegen zueinander antiseriell und schützen die FET's in Schaltungskreisen mit größerer Induktivität gegen Überspannungsspitzen, wie sie während eines Abschaltvorgangs auftreten können.

Die Steuerspannung 2 kann von einer Steuereinrichtung 13, man vgl. beispielsweise FIG 3, die insbesondere als Fernsteuereinrichtung ausgeführt sein kann, im Sinne einer fallweisen Erhöhung bzw. Erniedrigung des Innenwiderstand des Halbleiterelements 1 verstellbar ausgeführt sein. Die Steuereinrichtung ist vorteilhaft so auszuführen, daß geprüft wird, wann ein zulässiger Kurzschlußstrom erreicht bzw. überschritten, wird, um dann die Steuerspannung schlagartig so einzustellen, daß der zulässige Kurzschlußstrom nicht überschritten wird. Marktübliche FET's reagieren im Nanosekundenbereich, um beispielsweise die Spannung von 15 auf 2 V zu verändern. Im Ausführungsbeispiel nach FIG 3 ist im Leitungszug ein Stromsensor 14 angeordnet und die Steuereinrichtung 13 ist dafür ausgelegt, zu prüfen, wann ein zulässiger Kurzschlußstrom erreicht bzw. überschritten wird, um die Steuerspannung 2 so einzustellen, daß der zulässige Kurzschlußstrom nicht überschritten wird.

In FIG 4 ist der Leistungsschalter in der Ausführung als Doppelunterbrecher, also mit zwei Unterbrecherkontakten 8, in einem Versorgungsnetz 15 zu einem Verbraucher 16 angeordnet wiedergegeben.

Der Leistungsschalter wirkt als strombegrenzende Halbleiter-

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schaltung. Wenn der Leistungsschalter in der beschriebenen Weise oder in einer anderen steuerbar ausführt wird, kann man für spezielle Aufgaben vorteilhafte Zusatzfunktionen erfüllen:

So ist es leicht möglich, hiernach

- Übertemperaturabschaltung,

- Softstart,

- Falt-back-Kennlinie,

- Einschaltverzögerung und/oder

- Ausschaltverzögerung zu realisieren.

Claims

1. Leistungsschalter für Wechselspannung bzw. für Wechselstrom, nach dem Wirkungprinzip eines Halbleiterschalters, bei dem zwei antiseriell geschaltete Halbleiter als Halbleiterelement elektrisch parallel zu einem Auslöseglied eines als Relais wirkenden Bauelementes angeordnet sind, das zumindest mit einem Unterbrecherkontakt im Leitungszug in öffnender Wirkverbindung steht, und wobei der Innenwiderstand des Halbleiterelementes bei einer bestimmten Steuerspannung an einer Steuerelektrode und einer Arbeitsspannung an in Durchgangsrichtung in einem Leitungszug liegenden Arbeitselektroden einen niedrigen Wert aufweist und dessen Innenwiderstand mit steigender Spannung an den Arbeitselektroden sprunghaft ansteigt, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement aus zwei antiseriell geschalteten FET's besteht, deren Gates gemeinsam an die Steuerspannung gelegt sind, wobei die FET's 0 mit zwei Arbeitselektroden direkt miteinander verbunden sind.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei gleichdotierten FET's, z.B. zwei &eegr;-Kanal FET's die Source-Elektroden (10) verbunden sind und an einen Pol der Steuerspannung (2) gelegt sind, deren positiver Pol mit den Gate-Elektroden (9) in Verbindung steht.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerspannung (2) von einer Steuereinrichtung (13), insbesondere einer Fernsteuereinrichtung, im Sinne einer fallweisen Erhöhung bzw. Erniedrigung des Innenwiderstands des Halbleiterelements (1) verstellbar ist.

4. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß parallel zu den FET's (6) jeweils Zenerdioden (12) zwischen Drain (11) und Gate (9) angeschlossen sind.

5. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerspannung (2) von einer Steuereinrichtung (13) im Sinne der schlagartigen Erhöhung des Innenwiderstands des Halbleiterelements (1) sprungartig verstellbar ist, wobei die Steuereinrichtung (13) mit einem im Leitungszug angeordneten Stromsensor (14) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (13) dafür ausgelegt ist, zu prüfen, wann ein zulässiger Kurzschlußstrom erreicht bzw. überschritten wird, und die Steuerspannung so einzustellen, daß der zulässige Kurzschlußstrom nicht überschritten wird.

6. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Leitungszug ein Unterbrecherkontakt (8) mit einer Öffnungsweite von mindestens 3 mm angeordnet ist.

7. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Leitungszug zwei Unterbrecherkontakte mit einer Öffnungsweite von mindestens 1,5 mm so angeordnet sind, daß das Halbleiterelement (1) und das Aus- . löseglied (7) eines Relais eingeschlossen werden.

No/Wal/08.06.94