EP4659352A1 - Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum unterbrechen eines stromflusses, und gleichspannungssystem - Google Patents

Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum unterbrechen eines stromflusses, und gleichspannungssystem

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Publication number
EP4659352A1
EP4659352A1 EP24702163.7A EP24702163A EP4659352A1 EP 4659352 A1 EP4659352 A1 EP 4659352A1 EP 24702163 A EP24702163 A EP 24702163A EP 4659352 A1 EP4659352 A1 EP 4659352A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
switch
terminal
circuit
connection
Prior art date
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Pending
Application number
EP24702163.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elmar Schaper
Tobias Grote
Lutz Heuer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP4659352A1 publication Critical patent/EP4659352A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0814—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
    • H03K17/08148—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/6871—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor
    • H03K17/6874—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor in a symmetrical configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0009—AC switches, i.e. delivering AC power to a load

Definitions

  • the invention relates to a DC switching device which can in particular interrupt an electrical current flow between the input side and the output side of the DC switching device or between two DC devices.
  • the invention further relates to a DC system which has such a DC device.
  • a DC voltage switching device is usually used.
  • An external DC voltage source e.g. a DC supply network or a DC voltage bus
  • the DC voltage switching device comprises at least one switching element to electrically switch the DC voltage load on and off.
  • a controllable semiconductor switching element is often used for this purpose, which is arranged in the positive conductor running between the first input connection and the first output connection or in the negative conductor running between the second input connection and the second output connection.
  • An electromechanical switch can also be provided. If the semiconductor switching element is switched on, a current flows between the DC voltage source and the DC voltage load. This current flow can, however, be prevented or interrupted by switching off or opening the semiconductor switching element.
  • an electronic switch for interrupting a current flow is known from EP 3 891 890 B1.
  • a load capable of regenerating energy can be connected to a second and fourth connection on the electronic switch, while an energy source can be connected to a first and third connection.
  • the electronic switch also has two anti-serially connected semiconductor switches to enable current to flow in both directions through the electronic switch.
  • Two fuses are connected in series with the two semiconductor switches, with the two semiconductor switches being arranged between the two fuses. The two fuses serve to protect the load, the energy source or the switching device itself if a short-circuit current occurs.
  • two short-circuiters which can be designed as thyristors, are connected to the fuses in such a way that a series connection of a fuse and a short-circuiter is located between the first and third connection and between the second and fourth connection.
  • the present invention is based on the object of creating a DC switching device, in particular for interrupting a current flow, and a DC voltage system which can be constructed with fewer components and thus more cost-effectively than the known electronic switch while providing reliable short-circuit resistance.
  • a core idea of the invention can be seen in the provision of a DC switching device which requires only one fuse, even if the DC switching device can be operated in both current directions.
  • a DC switching device in particular for interrupting a current flow, which can have the following features:
  • an anti-serial circuit comprising a first controllable semiconductor switch and a second controllable semiconductor switch (62) connected anti-serially to the first semiconductor switch, wherein a first diode is connected anti-parallel to the first semiconductor switch and a second diode is connected anti-parallel to the second semiconductor switch, wherein the electrical fuse is arranged in the second current path and the first and second semiconductor switches are arranged in the first current path,
  • a current detection device designed to determine the direction and current intensity of a current flowing through the first or second current path
  • first controllable short-circuit switch having a first terminal and a second terminal, wherein the first terminal is electrically connected to the first current path and arranged between the second device terminal and the anti-serial circuit, and the second terminal is electrically connected to the second current path and arranged between the third device terminal and the electrical fuse,
  • a second controllable short-circuit switch having a first terminal and a second terminal, wherein the first terminal is electrically connected to the first current path and arranged between the first device terminal and the anti-serial circuit, and the second terminal is electrically connected to the second current path and arranged between the fourth device terminal and the electrical fuse,
  • control and evaluation device connected to the current detection device, wherein the control and evaluation device is designed to switch on the first or second short-circuit switch depending on the direction and current intensity detected by the current detection device, provided that the detected current intensity reaches or exceeds a predetermined threshold value.
  • a DC switching device in particular for interrupting a direct current flow, which can have the following features:
  • an anti-serial circuit having a first controllable semiconductor switch and a second controllable semiconductor switch, wherein a first diode is connected anti-parallel to the first semiconductor switch and a second diode is connected anti-parallel to the second semiconductor switch, wherein the electrical fuse is arranged in the first current path and the first and second semiconductor switches are arranged in the second current path,
  • a current detection device designed to determine the direction and current intensity of a current flowing through the first or second current path
  • a first controllable short-circuit switch having a first terminal and a second terminal, wherein the first terminal is electrically connected to the first current path and arranged between the second device terminal and the electrical fuse, and the second terminal is electrically connected to the second current path and arranged between the third device terminal and the anti-serial circuit
  • a second controllable short-circuit switch having a first terminal and a second terminal, wherein the first terminal is electrically connected to the first current path and arranged between the first device terminal and the electrical fuse, and the second terminal is electrically connected to the second current path and arranged between the fourth device terminal and the anti-serial circuit
  • control and evaluation device which is connected to the current detection device, wherein the control and evaluation device is designed to switch on the first or second short-circuit switch depending on the direction and current intensity detected by the current detection device, provided that the detected current intensity reaches or exceeds a predetermined threshold value.
  • the first and second short-circuit switches can, for example, each be designed as a thyristor or triac with a bidirectional current flow.
  • a mechanical switching contact of an electromechanical switch can be provided, the mechanical switching contact being connected in parallel to the first and second semiconductor switches, the control and evaluation device being designed to control the electromechanical switch.
  • the control and evaluation device ensures that during a switch-on process the corresponding semiconductor switch is first switched on and then the mechanical switching contact is closed.
  • the short-circuit measure of the invention is particularly effective when using the mechanical switch. If a short-circuit current occurs when the mechanical switch contact is closed, the reaction time of the electromechanical switch or the mechanical switch contact to open it is so slow, particularly due to its geometry, mass and inertia, that a connected load and/or the DC device can be damaged or even destroyed.
  • the two short-circuit switches in conjunction with the single fuse help here. Because as soon as the control and evaluation device detects a Once the system has detected the short-circuit current and its direction of flow, the corresponding short-circuit switch is switched on and the short-circuit current is diverted via the only fuse, which then quickly trips. Thanks to the special connection of the two short-circuit switches with the only fuse, the thermal load on the cables up to the location of the short circuit can be minimized if a short circuit occurs.
  • a DC voltage supply device can be connected to the first and third device connection and an electrical device can be connected to the second and fourth device connection, or vice versa.
  • the electrical device can be a non-regenerative electrical device, such as an ohmic resistor, a regenerative electrical device or another DC voltage supply device.
  • the DC voltage supply device can be, for example, a DC supply network.
  • the current detection device can, for example, have a current sensor or magnetic field sensor. Furthermore, the current detection device can be connected directly into the respective current path. Alternatively, the current detection device can have a shunt resistor and be designed to detect a voltage at the shunt resistor and its polarity in order to determine the current flowing through the respective current path and its direction.
  • the current detection device can, for example, be connected in series with the fuse or the anti-serial circuit.
  • a DC voltage system which can comprise the DC voltage device described above.
  • a DC voltage supply device and an electrical load which for example, can be designed as a regenerative electrical device.
  • the DC voltage supply device can be, for example, a grounded DC voltage source with a positive pole and a ground connection, a DC supply network or a DC voltage bus. It should be noted that two DC voltage supply devices, such as two DC supply networks, can also be connected to the DC voltage device
  • the first and second device connections each serve as a positive pole and the third and fourth device connections each serve as a negative pole or ground connection
  • the control and evaluation device of the DC switching device is designed, for example, to first control the first semiconductor switch to be conductive, particularly during a switch-on process, and at the same time to keep the second semiconductor switch blocked and then to close the mechanical switching contact when a current is to flow from the first device connection to the third device connection, and, when the current intensity measured by the current measuring device reaches or exceeds the predetermined threshold value, to close the first short-circuit switch.
  • This is preferably the case when a DC voltage supply device is connected to the first and third device connections and an electrical load that is not capable of regenerative power is connected to the second and fourth device connections.
  • the control and evaluation device can also be designed to first control the second semiconductor switch to be conductive and at the same time to keep the first semiconductor switch blocked and then to close the mechanical switching contact when a current is to flow from the second device connection to the fourth device connection and, when the current intensity measured by the current measuring device reaches or exceeds the predetermined threshold value, to close the second short-circuit switch. This is preferably the case when an electrical load that is not capable of regenerative power is connected to the first and third device connection and a DC voltage supply device is connected to the second and fourth device connection.
  • the control and evaluation device must ensure that both the first and the second semiconductor switch are switched to conducting, since the current direction is not fixed.
  • Fig. 1 is a circuit diagram of an exemplary DC switching device
  • Fig. 2 is an alternative circuit diagram of an exemplary DC switching device.
  • Fig. 1 shows the circuit diagram of an exemplary DC voltage system 5, which has an exemplary DC voltage switching device 10.
  • the DC voltage switching device 10 has a first and a third device connection 11, 12, to which, for example, a DC voltage supply device 100 can be connected.
  • the DC voltage device 10 also has a second and a fourth device connection 13, 14, to which an electrical device 90 can be connected.
  • the electrical device 90 can also be connected to the device connections 11 and 12 and the DC voltage supply device 100 to the device connections 13 and 14.
  • the DC voltage supply device 100 can be, for example, a grounded DC voltage source with a positive pole and a ground connection, a DC supply network or a DC voltage bus.
  • the electrical device 90 can be designed, for example, as a regenerative or non-regenerative DC voltage load 90 or another DC voltage supply device.
  • a first current path 1 runs between the first device connection 11 and the second device connection 13.
  • An anti-serial circuit 60 is connected in the current path 1, which has a first controllable semiconductor switch 61 and a second controllable semiconductor switch 62, which is connected anti-serially to the first semiconductor switch 61.
  • a first diode 70 is connected anti-parallel to the first semiconductor switch 61 and a second diode 71 is connected anti-parallel to the second semiconductor switch 62.
  • the two semiconductor switches 61, 62 can be designed, for example, as field-effect transistors or as bipolar transistors with an insulated gate electrode (IGBT). In the present example, the two semiconductor switches are
  • the collector electrode of the semiconductor switch 61 is connected to the device connection 11, while the collector electrode of the semiconductor switch 62 is connected to the device connection 13.
  • the emitter electrodes of the two semiconductor switches 61 and 62 form a common connection point.
  • the cathode of the diode 70 is connected to the collector electrode of the semiconductor switch 61, while the anode of the diode 70 is connected to the emitter electrode of the semiconductor switch 61.
  • the cathode of the diode 10 is connected to the collector electrode of the semiconductor switch 62, while the anode of the diode 71 is connected to the emitter electrode of the semiconductor switch 62.
  • control and evaluation device 40 which can be designed as a microcontroller, for example.
  • the control and evaluation device 40 is also connected on the input side to the current detection device 30.
  • a second current path 2 runs between the third device connection 12 and the fourth device connection 13, into which an electrical fuse 20 is connected.
  • the DC voltage switching device 10 only has this one fuse 20.
  • a current detection device 30 can be connected in series with the fuse 20 in the second current path 2.
  • the current detection device 30 can be connected at any point in the first or second current path 1, 2.
  • the current detection device 30 can also have a shunt resistor connected in the first or second current path (not shown).
  • the current detection device is designed to measure a voltage at the Shunt resistance and their polarity in order to determine the current flowing through the respective current path and its direction. It is only important that the current detection device 30, however it is implemented, is designed to determine the current strength and direction of a direct current flowing through the current paths 1 and 2 in order to detect a short-circuit current and its flow direction.
  • the exemplary interconnection of the two semiconductor switches 61 and 62 and the two diodes 70 and 71 ensures that a) when the first semiconductor switch 61 is electrically conductive and the second semiconductor switch 62 is simultaneously controlled to be electrically blocking, a current can flow from the device connection 11 via the first semiconductor switch 61, the diode 71, the load 90, the fuse 20 and the current detection device 30 to the device connection 12, or that b) when the second semiconductor switch 62 is electrically conductive and the first semiconductor switch 61 is simultaneously controlled to be electrically blocking, a current can flow from the device connection 13 via the second semiconductor switch 62, the diode 70, the device connections 11 and 12, the fuse 20 and the current detection device 30 to the device connection 14.
  • the exemplary DC voltage device 10 has two crossing short-circuit switches 50 and 51, which are each designed as thyristors, for example.
  • the short-circuit switches 50 and 51 are each connected to an output of the control and evaluation device 40, which is designed, for example, to either switch on the short-circuit switch 50 and leave the short-circuit switch 51 switched off, or vice versa, depending on a detected short-circuit current and its direction.
  • the first controllable short-circuit switch 50 has a first connection 50a, which can be designed as an anode connection, and a second connection 50b, which can be designed as a cathode connection.
  • the first connection 50a is electrically connected to the first current path 1 and is arranged between the second device connection 13 and the anti-serial circuit 60 or the collector electrode of the semiconductor switch 62.
  • the second connection 50b is electrically connected to the second current path 2 and is arranged between the third device connection 12 and a connection of the electrical fuse 20.
  • the short-circuit switch 50 also has a control connection which is connected to an output of the control and evaluation device 40.
  • the second controllable short-circuit switch 51 has a first connection 51a, which can be designed as an anode connection, and a second connection 51b, which can be designed as a cathode connection.
  • the first connection 51a is electrically connected to the first current path 1 and is arranged between the first device connection 11 and the anti-serial circuit 60 or the collector connection of the semiconductor switch 61.
  • the second connection 51b is electrically connected to the second current path 2 and is arranged between the fourth device connection 14 and a further connection of the electrical fuse 20.
  • the short-circuit switch 51 also has a control connection which is connected to an output of the control and evaluation device 40.
  • a mechanical switching contact 81 of an electromechanical switch 80 can be connected in parallel to the first and second semiconductor switches 61, 62.
  • the electromechanical switch 80 can be designed as a relay.
  • the electromechanical switch 80 has an excitation coil 82, which can be connected to the control and evaluation device 40, as shown in Fig. 1.
  • the excitation coil 82 is located in a control circuit which is controlled by the control and evaluation device 40 can be controlled accordingly to open and close in order to be able to open or close the mechanical switching contact 81.
  • the switching contact 81 is designed, for example, as a normally open contact.
  • Fig. 2 shows the circuit diagram of another exemplary DC voltage system 5', which has an exemplary DC voltage switching device 10'.
  • the DC voltage switching device 10' has a first and a third device connection 11, 12 to which a DC voltage supply device 100 can be connected.
  • the DC voltage device 10 also has a second and a fourth device connection 13, 14 to which an electrical DC voltage load 90 can be connected.
  • the load 90 can also be connected to the device connections 11 and 12 and the DC voltage supply device 100 to the device connections 13 and 14, as shown in Fig. 2.
  • the DC voltage switching device 10' differs from the DC voltage switching device 10 in particular only in that an electrical fuse 20 is arranged in the first current path 1 and an anti-serial circuit 60 in the second current path 2. Therefore, in Fig. 1 and Fig. 2, the same components are provided with the same reference numerals.
  • a current path 2 runs between the device connection 12 and the second device connection 14.
  • the anti-serial circuit 60 is connected in the current path 2 and has a first controllable semiconductor switch 61 and a second controllable semiconductor switch 62, which is connected anti-serially to the first semiconductor switch 61.
  • a first diode 70 is connected anti-parallel to the first semiconductor switch 61 and a second diode 71 is connected anti-parallel to the second semiconductor switch 62.
  • the two semiconductor switches 61, 62 can be designed, for example, as field-effect transistors or as bipolar transistors with an insulated gate electrode (IGBT). In the present example, the two semiconductor switches 61 and 62 are each implemented as n-channel IGBT transistors.
  • the collector electrode of the semiconductor switch 61 is connected to the device connection 14, while the collector electrode of the semiconductor switch 62 is connected to the device connection 12.
  • the emitter electrodes of the two semiconductor switches 61 and 62 form a common connection point.
  • the cathode of the diode 70 is connected to the collector Electrode of the semiconductor switch 61, while the anode of the diode 70 is connected to the emitter electrode of the semiconductor switch 61.
  • the cathode of the diode 10 is connected to the collector electrode of the semiconductor switch 62, while the anode of the diode 71 is connected to the emitter electrode of the semiconductor switch 62.
  • the gate electrodes of the semiconductor switches 61 and 62 are each connected to an input of a control and evaluation device 40, which can be designed as a microcontroller, for example.
  • the control and evaluation device 40 is also connected to a current measuring device 30 on the input side.
  • Another current path 1 runs between the device connection 11 and the device connection 12, into which the electrical fuse 20 is connected.
  • the DC switching device 10 only has this one fuse 20.
  • the current measuring device 30 can be connected in series with the fuse 20 in the current path 1.
  • the current detection device 30 can be connected at any point in the first or second current path 1, 2.
  • the current detection device 30 can also have a shunt resistor that is connected in parallel to one of the two current paths 1, 2.
  • the current detection device 30 can be designed to detect a voltage at the shunt resistor (not shown) and its polarity in order to determine the current flowing through the respective current path and its direction. It is only important that the current detection device 30, however it is implemented, is designed to determine the current intensity and direction of a direct current flowing through the current paths 1 and 2 in order to detect a short-circuit current and its flow direction.
  • the exemplary connection of the two semiconductor switches 61 and 62 and the two diodes 70 and 71 ensures that a) when the first semiconductor switch 61 is electrically conductive and the second semiconductor switch 62 is simultaneously electrically blocked, a current flows from the device connection 11 via the first semiconductor switch 61, the diode 71, the load 90, the fuse 20 and the current detection device 30 to the device connection 12 can, or that, b) when the second semiconductor switch 62 is electrically conductive and the first semiconductor switch 61 is simultaneously controlled to be electrically blocking, a current can flow from the device connection 13 via the second semiconductor switch 62, the diode 70, the device connections 11 and 12, the fuse 20 and the current detection device 30 to the device connection 14.
  • the exemplary DC voltage device 10 has two crossing short-circuit switches 50 and 51, which can each be designed as a thyristor or triac with a bidirectional current flow, for example. Such components are characterized by their speed, current-carrying capacity and cost structure.
  • the short-circuit switches 50 and 51 are each connected to an output of the control and evaluation device 40, which is designed, for example, to either switch on the short-circuit switch 50 and simultaneously switch off the short-circuit switch 51, or vice versa, depending on a detected short-circuit current and its direction.
  • the first controllable short-circuit switch 50 has a first connection 50a, which can be designed as an anode connection, and a second connection 50b, which can be designed as a cathode connection.
  • the first connection 50a is electrically connected to the first current path 1 and is arranged between the second device connection 13 and a connection of the fuse 20.
  • the second connection 50b is electrically connected to the second current path 2 and is arranged between the third device connection 12 and the collector electrode of the semiconductor switch 62.
  • the short-circuit switch 50 also has a control connection which is connected to an output of the control and evaluation device 40.
  • the second controllable short-circuit switch 51 has a first connection 51a, which can be designed as an anode connection, and a second connection 51b, which can be designed as a cathode connection.
  • the first connection 51a is electrically connected to the current path 1 and between the first device connection 11 and a second connection of the fuse 20.
  • the second connection 51b is electrically connected to the current path 2 and is arranged between the fourth device connection 14 and the collector electrode of the semiconductor switch 61.
  • the short-circuit switch 51 also has a control connection which is connected to an output of the control and evaluation device 40.
  • a mechanical switching contact 81 of an electromechanical switch 80 can be connected in parallel to the first and second semiconductor switches 61, 62.
  • the electromechanical switch 80 can be designed as a relay.
  • the electromechanical switch 80 has an excitation coil 82 which can be connected to the control and evaluation device 40, as shown in Fig. 2.
  • the excitation coil 82 is located in a control circuit which can be controlled by the control and evaluation device 40 to open and close accordingly in order to open or close the mechanical switching contact 81.
  • the switching contact 81 is designed as a normally open contact, for example.
  • a predetermined threshold value that defines a short-circuit current is stored in each of the DC voltage devices 10 and 10'.
  • the control and evaluation device 40 preferably has a memory in which the predetermined threshold value is stored.
  • the predetermined threshold value can also be stored in a separate memory that the control and evaluation device 40 can access.
  • the device connections 11 and 13 can function as positive poles, in which case current path 1 functions as the positive conductor.
  • the device connections 12 and 14 can function as negative poles or ground connections, in which case current path 2 functions as the negative conductor or ground line.
  • the mode of operation of the DC voltage devices 10 and 10' in connection with the DC voltage system 5 shown in Fig. 1 is explained below. It is assumed that the electrical device 90 is, for example, an electrical, non-regenerative DC voltage load.
  • the control and evaluation device 40 is therefore designed to control a switch-on process by first switching the semiconductor switch 61 electrically conductive and the semiconductor switch 62 electrically blocking. At this moment, a direct current flows from the direct voltage supply device 100 via the device connection 11, the semiconductor transistor 61, the diode 71, through the load 90 and via the device connection 12 back to the direct voltage supply device 100. If the electromechanical switch 80 is implemented, the control and evaluation device 40 causes the direct voltage switching device 10 to close the mechanical switching contact 81, for example after a definable period of time after the semiconductor switch 61 has been switched conductive. Alternatively or additionally, the control and evaluation device 40 can cause the direct voltage switching device 10 to close the mechanical switching contact 81, for example after a predetermined current threshold has been reached.
  • a threshold value can be stored in the DC switching device 10, which the control and evaluation device 40 can access.
  • the control and evaluation device 40 compares this threshold value with the current value supplied by the current determination device 30. If the measured current value exceeds the threshold value, the control and evaluation device ensures that the mechanical switching contact 81 is closed.
  • the direction and the current strength of the direct current are preferably continuously determined by the current determination device 30 and transmitted to the control and evaluation device 40. If a short circuit now occurs, both the semiconductor switch 61 would have to be switched to blocking and the mechanical switching contact 81 would have to be opened. However, due to the mechanical construction and the arcing that occurs, the reaction time of the electromechanical switch 80 to open the mechanical switching contact 81 is too long to ensure reliable short-circuit resistance. However, thanks to the inventive measure, short-circuit resistance can now be ensured, particularly when using an electromechanical switch.
  • the control and evaluation device 40 detects the occurrence of a short circuit when the direct current measured by the current detection device 30 reaches or exceeds the predetermined threshold value. In response to this and to the detected direction of the current flowing from the device connection 11 to the device connection 13, the control and evaluation device 40 causes the direct current switching device 10 to switch on the short-circuit switch 51. From this moment on, the short-circuit current flows via the short-circuit switch 51 and the fuse 20 to the device connection 12, which triggers the fuse 20. Thanks to the special connection of the short-circuit switches 51 and 50 with the fuse 20, the load on the current paths 1 and 2 and possible connecting cables can be reduced when a short circuit occurs.
  • control and evaluation device 40 can also be designed, for example, to switch on the short-circuit switch 50 after the short-circuit switch 51 is switched on in order to enable a stepped short-circuit diversion with the aim of conducting a current via two paths to the current path 2, which is connected to ground. In this way, for example, line capacitances to the load 90 can be short-circuited by means of the second short-circuit switch 50.
  • a switch-on process of the DC voltage switching device 10 takes place as follows:
  • the control and evaluation device 40 is now designed to control a switch-on process by first switching the semiconductor switch 62 electrically conductive and the semiconductor switch 61 electrically blocking. At this moment, a direct current flows via the device connection 13, the semiconductor transistor 62, the diode 70 and via the device connections 11 and 12 back to the device connection 14.
  • a switch-on process can take place in a similar way if the direct voltage supply device 100 is connected to the device connections 11 and 12 and the load 90 connected to the device connections 13 and 14 is designed to feed energy back to the direct voltage supply device 100.
  • control and evaluation device 40 causes the DC switching device 10 to close the mechanical switching contact 81 after a definable period of time after the semiconductor switch 61 has been switched to conduct.
  • the direction and the current intensity of the direct current are preferably continuously determined by the current determination device 30 and transmitted to the control and evaluation device 40.
  • the control and evaluation device 40 detects the occurrence of a short circuit when the direct current measured by the current detection device 30 reaches or exceeds the predetermined threshold value. In response to this and to the determined direction of the current flowing from the device connection 13 to the device connection 14, the control and evaluation device 40 causes the direct current switching device 10 to switch on the short-circuit switch 50. From this moment on, the short-circuit current flows via the short-circuit switch 50 and the fuse 20 to the device connection 14, which triggers the fuse 20. Thanks to the special connection of the short-circuit switches 51 and 50 with the fuse 20, the load on the current paths 1 and 2 and possible connecting cables can be reduced when a short circuit occurs.
  • control and evaluation device 40 can also be designed, for example, to also to switch on the short-circuit switch 51 in order to enable a stepped short-circuit diversion with the aim of conducting a current via two paths to the current path 2, which is connected to ground. In this way, for example, line capacitances to the load 90 can be short-circuited by means of the second short-circuit switch 51.
  • the nominal current and overload current of the short-circuit switches 50 and 51, the semiconductor switches 61, 62 and the diodes 70, 71 as well as the electromechanical switch 80 are advantageously to be matched to the nominal current (i.e. the tripping characteristic) of the fuse 20.
  • the dielectric strength of the semiconductor switches 61 and 62 is greater than the operating voltage.
  • the functionality of the DC switching device 10' essentially corresponds to the functionality of the DC switching device 10, so that in order to avoid repetition, reference is made to the explanations regarding the DC switching device 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft u.a. ein Gleichspannungsschaltgerät (10), mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Geräteanschluss (11-14), einen ersten Strompfad (1) und einen zweiten Strompfad (2) und eine einzige elektrische Sicherung (20). Eine antiserielle Schaltung (60), die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (61) und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (62) aufweist, ist in einem der beiden Strompfade (1, 2) angeordnet, während die Sicherung (20) in dem anderen Strompfad (1, 2) angeordnet ist. Ferner ist ein erster und zweiter ansteuerbarer Kurzschlussschalter (50, 51) sowie eine Stromermittlungseinrichtung (30) vorgesehen. Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (40) ist dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der durch die Stromermittlungseinrichtung (30) erfassten Richtung und Stromstärke, sofern die erfasste Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den ersten oder zweiten Kurzschlussschalter (50, 51) einzuschalten, der einen Kurzschlussstrom über die Sicherung (20) umleitet.

Description

Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, und Gleichspannungssystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Gleichspannungsschaltgerät, welches insbesondere einen elektrischen Stromfluss zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Gleichspannungsschaltgeräts bzw. zwischen zwei Gleichspannungsvorrichtungen unterbrechen kann. Die Erfindung betrifft ferner ein Gleichspannungssystem, welches ein solches Gleichspannungsgerät aufweist.
Um beispielsweise eine Gleichspannungslast an eine Gleichspannungsquelle elektrisch anschalten oder von dieser trennen zu können, wird üblicherweise ein Gleichspannungsschaltgerät verwendet. An die Eingangsanschlüsse des Gleichspannungsschaltgeräts kann eine externe Gleichspannungsquelle, z.B. ein DC- Versorgungsnetz oder ein Gleichspannungsbus angeschlossen werden, während an die Ausgangsanschlüsse des Gleichspannungsschaltgeräts eine Gleichspannungslast anschaltbar ist. Zum elektrischen An- und Abschalten der Gleichspannungslast umfasst das Gleichspannungsschaltgerät zumindest ein Schaltelement. Häufig kommt hierfür ein steuerbares Halbleiterschaltelement zum Einsatz, welches in dem zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss verlaufenden Plusleiter oder in dem zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss verlaufenden Minusleiter angeordnet ist. Ferner kann zusätzlich ein elektromechanischer Schalter vorgesehen sein. Ist das Halbleiterschaltelement leitend geschaltet, so erfolgt ein Stromfluss zwischen der Gleichspannungsquelle und der Gleichspannungslast. Dieser Stromfluss kann durch ein Ausschalten bzw. Öffnen des Halbleiterschaltelements hingegen unterbunden bzw. unterbrochen werden.
Um insbesondere das Gleichspannungsgerät und/oder eine daran angeschlossene elektrische Last vor einer Beschädigung oder Zerstörung infolge eines Kurzschlusses zu schützen, sind besondere Maßnahmen zu ergreifen. So ist beispielsweise aus der EP 3 891 890 Bl ein elektronischer Schalter zum Trennen eines Stromflusses bekannt. An den elektronischen Schalter kann eine rückspeisefähige Last an einen zweiten und vierten Anschluss angeschlossen werden, während eine Energiequelle an einen ersten und dritten Anschluss angeschlossen werden kann. Ferner weist der elektronische Schalter zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter auf, um einen Stromfluss in beiden Richtungen durch den elektronischen Schalter zu ermöglichen. In Reihe mit den beiden Halbleiterschaltem sind zwei Sicherungen geschaltet, wobei die beiden Halbleiterschalter zwischen den beiden Sicherungen angeordnet sind. Die beiden Sicherungen dienen dazu, die Last, die Energiequelle oder das Schaltgerät selbst bei Auftreten eines Kurzschlussstroms zu schützen. Um insbesondere die beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschalter vor einem Kurzschlussstrom zu schützen, sind zwei Kurzschließer, die als Thyristoren ausgebildet sein können, derart mit den Sicherungen verschaltet, dass jeweils eine Reihenschaltung aus einer Sicherung und einem Kurzschließer zwischen dem ersten und dritten Anschluss und zwischen dem zweiten und vierten Anschluss liegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, und ein Gleichspannungssystem zu schaffen, welches bei einer zuverlässigen Kurzschlussfestigkeit mit weniger Bauteilen und somit kostengünstiger als der bekannte elektronische Schalter aufgebaut werden kann.
Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Gleichspannungsschaltgerät zur Verfügung zu stellen, welches mit einer einzigen Sicherung auskommt, auch wenn das Gleichspannungsschaltgerät in beide Stromrichtungen betrieben werden kann.
Das oben genannte technische Problem wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist ein Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, vorgesehen, welches folgende Merkmale aufweisen kann:
- einen ersten und einen zweiten Geräteanschluss,
- einen ersten Strompfad, der elektrisch mit dem ersten und zweiten Geräteanschluss verbunden ist,
- einen dritten und einen vierten Geräteanschluss,
- einen zweiten Strompfad, der elektrisch mit dem dritten und vierten Geräteanschluss verbunden ist,
- eine einzige elektrische Sicherung,
- eine antiserielle Schaltung, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (62), der antiseriell zum ersten Halbleiterschalter geschaltet ist, aufweist, wobei eine erste Diode antiparallel zum ersten Halbleiterschalter und eine zweite Diode antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter geschaltete sind, wobei die elektrische Sicherung im zweiten Strompfad angeordnet ist und der erste und zweite Halbleiterschalter in dem ersten Strompfad angeordnet sind,
- eine Stromermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Richtung und Stromstärke eines durch den ersten oder zweiten Strompfad fließenden Stroms zu ermitteln,
- einen ersten ansteuerbaren Kurzschlussschalter, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss elektrisch mit dem ersten Strompfad verbunden und zwischen dem zweiten Geräteanschluss und der antiseriellen Schaltung angeordnet ist, und der zweite Anschluss elektrisch mit dem zweiten Strompfad verbunden und zwischen dem dritten Geräteanschluss und der elektrischen Sicherung angeordnet ist,
- einen zweiten ansteuerbaren Kurzschlussschalter der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss elektrisch mit dem ersten Strompfad verbunden und zwischen dem ersten Geräteanschluss und der antiseriellen Schaltung angeordnet ist, und der zweite Anschluss elektrisch mit dem zweiten Strompfad verbunden und zwischen dem vierten Geräteanschluss und der elektrischen Sicherung angeordnet ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die mit der Stromermittlungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der durch die Stromermittlungseinrichtung erfassten Richtung und Stromstärke, sofern die erfasste Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den ersten oder zweiten Kurzschlussschalter einzuschalten.
Das oben genannte technische Problem wird ebenfalls mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
Demnach ist ein Gleichspannungsschaltgerät, insbesondere zum Unterbrechen eines Gleichstromflusses, vorgesehen, welches folgende Merkmale aufweisen kann:
- einen ersten und einen zweiten Geräteanschluss,
- einen ersten Strompfad, der elektrisch mit dem ersten und zweiten Geräteanschluss verbunden ist,
- einen dritten und einen vierten Geräteanschluss,
- einen zweiten Strompfad, der elektrisch mit dem dritten und vierten Geräteanschluss verbunden ist,
- eine einzige elektrische Sicherung,
- eine antiserielle Schaltung, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter aufweist, wobei eine erste Diode antiparallel zum ersten Halbleiterschalter und eine zweite Diode antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter geschaltete sind, wobei die elektrische Sicherung im ersten Strompfad angeordnet ist und der erste und zweite Halbleiterschalter in dem zweiten Strompfad angeordnet sind,
- eine Stromermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Richtung und Stromstärke eines durch den ersten oder zweiten Strompfad fließenden Stroms zu ermitteln,
- einen ersten ansteuerbaren Kurzschlussschalter, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss elektrisch mit dem ersten Strompfad verbunden und zwischen dem zweiten Geräteanschluss und der elektrischen Sicherung angeordnet ist, und der zweite Anschluss elektrisch mit dem zweiten Strompfad verbunden und zwischen dem dritten Geräteanschluss und der antiseriellen Schaltung angeordnet ist, - einen zweiten ansteuerbaren Kurzschlussschalter, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss elektrisch mit dem ersten Strompfad verbunden und zwischen dem ersten Geräteanschluss und der elektrischen Sicherung angeordnet ist, und der zweite Anschluss elektrisch mit dem zweiten Strompfad verbunden und zwischen dem vierten Geräteanschluss und antiseriellen Schaltung angeordnet ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die mit der Stromermittlungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der durch die Stromermittlungseinrichtung erfassten Richtung und Stromstärke, sofern die erfasste Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den ersten oder zweiten Kurzschlussschalter einzuschalten.
Der erste und zweite Kurzschlussschalter können beispielsweise jeweils als Thyristor oder Triac mit einer bidirektionalen Stromführung ausgebildet sein.
Um das Gleichspannungsschaltgerät energiesparend betreiben zu können, kann ein mechanischer Schaltkontakt eines elektromechanischen Schalters vorgesehen sein, wobei der mechanische Schaltkontakt parallel zum ersten und zweiten Halbleiterschalter geschaltet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Ansteuem des elektromechanischen Schalters ausgebildet ist. Insbesondere sorgt die Steuer- und Auswerteeinrichtung dafür, dass während eines Einschaltvorgangs zuerst der entsprechende Halbleiterschalter leitend geschaltet und anschließend der mechanische Schaltkontakt geschlossen wird.
Insbesondere bei Verwendung des mechanischen Schalters kommt die Kurzschlussmaßnahme der Erfindung zum Tragen. Tritt nämlich bei geschlossenem mechanischen Schaltkontakt ein Kurzschlussstrom auf, ist die Reaktionszeit des elektromechanischen Schalters bzw. des mechanischen Schaltkontakts, diesen zu öffnen, insbesondere aufgrund dessen Geometrie, Masse und Trägheit so langsam, dass eine angeschlossene Last und/oder das Gleichspannungsgerät beschädigt oder sogar zerstört werden kann. Hier helfen die beiden Kurzschlussschalter in Verbindung mit der einzigen Sicherung. Denn sobald die Steuer- und Auswerteeinrichtung einen Kurzschlussstrom und dessen Flussrichtung erkannt hat, wird der entsprechende Kurzschlussschalter eingeschaltet und der Kurzschlussstrom über die einzige Sicherung umgeleitet, die daraufhin schnell auslöst. Dank der speziellen Verschaltung der beiden Kurzschlussschalter mit der einzigen Sicherung kann bei Auftritt eines Kurzschlusses die thermische Belastung der Leitungen bis zum Ort des Kurzschlusses minimiert werden.
Vorzugsweise kann an den ersten und dritten Geräteanschluss eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung und an den zweiten und vierten Geräteanschluss eine elektrische Einrichtung oder umgekehrt angeschlossen werden. Bei der elektrischen Einrichtung kann es sich um eine nicht rückspeisefähige elektrische Einrichtung, wie zum Beispiel einen ohmschen Widerstand, um eine rückspeisfähige elektrische Einrichtung oder um eine weitere Gleichspannungsversorgungseinrichtung handeln. Die Gleichspannungsversorgungseinrichtung kann zum Beispiel ein DC- Versorgungsnetz sein.
Die Stromermittlungseinrichtung kann zum Beispiel einen Stromsensor oder Magnetfeldsensor aufweisen. Ferner kann die Stromermittlungseinrichtung direkt in den jeweiligen Strompfad geschaltet sein. Alternativ kann die Strom ermittlungseinrichtung einen Shuntwiderstand aufweisen und dazu ausgebildet sein, eine Spannung an dem Shuntwiderstand und deren Polarität zu erfassen, um daraus den durch den jeweiligen Strompfad fließenden Strom und dessen Richtung zu ermitteln.
Die Stromermittlungseinrichtung kann zum Beispiel in Reihe mit der Sicherung oder der antiseriellen Schaltung geschaltet sein.
Das oben genannte technische Problem wird ebenfalls durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
Demnach ist ein Gleichspannungssystem vorgesehen, welches das zuvor beschriebene Gleichspannungsgerät umfassen kann. An das Gleichspannungsgerät kann zum Beispiel eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung und eine elektrische Last, die beispielsweise als rückspeisefähige elektrische Einrichtung ausgebildet sein kann, angeschlossen sein. Die Gleichspannungsversorgungseinrichtung kann zum Beispiel eine geerdete Gleichspannungsquelle mit einem Pluspol und einem Masseanschluss, ein DC- Versorgungsnetz oder ein Gleichspannungsbus sein. Angemerkt sei, dass an das Gleichspannungsgerät auch zwei Gleichspannungsversorgungseinrichtungen, wie zum Beispiel zwei DC- Versorgungsnetze, angeschlossen werden können
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dienen der erste und zweite Geräteanschluss jeweils als Pluspol und der dritte und vierte Geräteanschluss jeweils als Minuspol oder Masseanschluss, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung des Gleichspannungsschaltgeräts beispielsweise dazu ausgebildet ist, insbesondere während eine Einschaltvorgangs zuerst den ersten Halbleiterschalter leitend zu steuern und gleichzeitig den zweiten Halbleiterschalter sperrend zu halten und anschließend den mechanischen Schaltkontakt zu schließen, wenn ein Strom vom ersten Geräteanschluss zum dritten Geräteanschluss fließen soll, und, wenn die von der Strommesseinrichtung gemessene Stromstärke den vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den ersten Kurzschlussschalter zu schließen. Dies ist vorzugsweise der Fall, wenn am ersten und dritten Geräteanschluss eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung und am zweiten und vierten Geräteanschluss eine elektrische Last, die nicht rückspeisefähig ist, angeschlossen ist.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann ferner dazu ausgebildet sein, zuerst den zweiten Halbleiterschalter leitend zu steuern und gleichzeitig den ersten Halbleiteschalter sperrend zu halten und anschließend den mechanischen Schaltkontakt zu schließen, wenn ein Strom vom zweiten Geräteanschluss zum vierten Geräteanschluss fließen soll, und, wenn die von der Strommesseinrichtung gemessene Stromstärke den vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den zweiten Kurzschlussschalter zu schließen. Dies ist vorzugsweise der Fall, wenn am ersten und dritten Geräteanschluss eine elektrische Last, die nicht rückspeisefähig ist, und am zweiten und vierten Geräteanschluss eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung, angeschlossen ist. Wenn hingegen zum Beispiel am ersten und dritten Geräteanschluss eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung und am zweiten und vierten Geräteanschluss eine rückspeisefähige elektrische Last oder eine zweite Gleichspannungsversorgungseinrichtung angeschlossen ist, muss die Steuer- und Auswerteeinrichtung dafür sorgen, dass sowohl der erste als auch der zweite Halbleiterschalter leitend geschaltet werden, da die Stromrichtung nicht festgelegt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Der einfachen Darstellung wegen sind in den Zeichnungen gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines bespielhaften Gleichspannungsschaltgeräts, und Fig. 2 ein alternatives Schaltbild eines beispielhaften Gleichspannungsschaltgeräts.
Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines beispielhaften Gleichspannungssystems 5, welches ein beispielhaftes Gleichspannungsschaltgerät 10 aufweist. Das Gleichspannungsschaltgerät 10 weist einen ersten und einen dritten Geräteanschluss 11, 12 auf, an die zum Beispiel eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 anschließbar ist. Ferner weist das Gleichspannungsgerät 10 einen zweiten und vierten Geräteanschluss 13, 14 auf, an die eine elektrische Einrichtung 90 anschließbar ist. Angemerkt sei, dass die elektrische Einrichtung 90 auch an die Geräteanschlüsse 11 und 12 und die Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 an die Geräteanschlüsse 13 und 14 angeschlossen werden können. Die Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 kann zum Beispiel eine geerdete Gleichspannungsquelle mit einem Pluspol und einem Masseanschluss, ein DC- Versorgungsnetz oder ein Gleichspannungsbus sein. Die elektrische Einrichtung 90 kann beispielsweise als rückspeisefähige oder nicht rückspeisefähige Gleichspannungs-Last 90 oder eine weitere Gleichspannungsversorgungseinrichtung ausgebildet sein.
Zwischen dem ersten Geräteanschluss 11 und dem zweiten Geräteanschluss 13 verläuft ein erster Strompfad 1. In den Strompfad 1 ist eine antiserielle Schaltung 60 geschaltet, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter 61 und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter 62 aufweist, der antiseriell zum ersten Halbleiterschalter 61 geschaltet ist. Eine erste Diode 70 ist antiparallel zum ersten Halbleiterschalter 61 und eine zweite Diode 71 ist antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter 62 geschaltet. Die beiden Halbleiterschalter 61, 62 können zum Beispiel als Feldeffekttransistoren oder als Bipolartransistor mit isolierterer Gate-Elektrode (IGBT von insulated-gate bipolar transistor) ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel sind die beiden Halbleiterschalter
61 und 62 jeweils als n-Kanal-IGBT-Transistor realisiert. Hierbei ist die Kollektor- Elektrode des Halbleiterschalters 61 mit dem Geräteanschluss 11 verbunden, während die Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 62 mit dem Geräteanschluss 13 verbunden ist. Die Emitter-Elektroden der beiden Halbleiterschalter 61 und 62 bilden einen gemeinsamen Verbindungspunkt. Die Kathode der Diode 70 ist mit der Kollektor- Elektrode des Halbleiterschalters 61 verbunden, während die Anode der Diode 70 mit der Emitter-Elektrode des Halbleiterschalters 61 verbunden ist. In ähnlicher Weise ist die Kathode der Diode 10 mit der Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 62 verbunden, während die Anode der Diode 71 mit der Emitter-Elektrode des Halbleiterschalters 62 verbunden ist. Die Gate-Elektroden der Halbleiterschalter 61 und
62 sind jeweils mit einem Eingang einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein kann. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 ist eingangsseitig ebenfalls mit der Stromermittlungseinrichtung 30.
Zwischen dem dritten Geräteanschluss 12 und dem vierten Geräteanschluss 13 verläuft ein zweiter Strompfad 2, in den eine elektrische Sicherung 20 geschaltet ist. Angemerkt sei, dass das Gleichspannungsschaltgerät 10 nur diese eine Sicherung 20 aufweist. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine Stromermittlungseinrichtung 30 in Reihe mit der Sicherung 20 in den zweiten Strompfad 2 geschaltet sein. Allerdings kann die Stromermittlungseinrichtung 30 an jeder beliebigen Stelle in den ersten oder zweiten Strompfad 1, 2 geschaltet sein. Beispielsweise kann die Stromermittlungseinrichtung 30 auch einen in den ersten oder zweiten Strompfad geschalteten Shuntwiderstand aufweisen (nicht dargestellt). In diesem Fall ist die Stromermittlungseinrichtung dazu ausgebildet sein, eine Spannung an dem Shuntwiderstand und deren Polarität zu erfassen, um daraus den durch den jeweiligen Strompfad fließenden Strom und dessen Richtung zu ermitteln. Wichtig ist nur, dass die Stromermittlungseinrichtung 30, wie immer sie auch implementiert wird, dazu ausgebildet ist, die Stromstärke und Richtung eines durch die Strompfade 1 und 2 fließenden Gleichstroms zu ermitteln, um einen Kurzschlussstrom und dessen Flussrichtung zu erkennen.
Die beispielhafte Verschaltung der beiden Halbleiterschalter 61 und 62 sowie der beiden Dioden 70 und 71 sorgt dafür, dass a) wenn der erste Halbleiterschalter 61 elektrisch leitend und der zweite Halbleiterschalter 62 gleichzeitig elektrisch sperrend gesteuert sind, ein Strom vom Geräteanschluss 11 über den ersten Halbleiterschalter 61, die Diode 71, die Last 90, die Sicherung 20 und die Stromermittlungseinrichtung 30 zum Geräteanschluss 12 fließen kann, oder dass, b) wenn der zweite Halbleiterschalter 62 elektrisch leitend und der erste Halbleiterschalter 61 gleichzeitig elektrisch sperrend gesteuert sind, ein Strom vom Geräteanschluss 13 über den zweiten Halbleiterschalter 62, die Diode 70, die Geräteanschlüsse 11 und 12, die Sicherung 20 und die Stromermittlungseinrichtung 30 zum Geräteanschluss 14 fließen kann.
Damit im Betrieb nicht unabsichtlich an den Halbleiterschaltern 61 und 62 eine zu hohe Sperrspannung anliegt, ist es vorteilhaft, beide Halbleiterschalter 61 und 62 gleichzeitig durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 anzusteuern.
Ferner weist das beispielhafte Gleichspannungsgerät 10 zwei sich überkreuzende Kurzschlussschalter 50 und 51 auf, die beispielsweise jeweils als Thyristoren ausgebildet sind. Die Kurzschlussschalter 50 und 51 sind jeweils mit einem Ausgang der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden, die beispielsweise dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines erkannten Kurzschlussstroms und dessen Richtung entweder den Kurzschlussschalter 50 einzuschalten und den Kurzschlussschalter 51 abgeschaltet zu lassen oder umgekehrt. Wie in Fig. 1 zu sehen, weist der erste ansteuerbare Kurzschlussschalter 50 einen ersten Anschluss 50a, der als Anoden- Anschluss ausgebildet sein kann, und einen zweiten Anschluss 50b, der als Kathoden-Anschluss ausgebildet sein kann, auf. Der erste Anschluss 50a ist elektrisch mit dem ersten Strompfad 1 verbunden und zwischen dem zweiten Geräteanschluss 13 und der antiseriellen Schaltung 60 bzw. der Kollektor- Elektrode des Halbleiterschalters 62 angeordnet. Der zweite Anschluss 50b ist elektrisch mit dem zweiten Strompfad 2 verbunden und zwischen dem dritten Geräteanschluss 12 und einem Anschluss der elektrischen Sicherung 20 angeordnet. Der Kurzschlussschalter 50 weist ferner einen Steueranschluss auf, der mit einem Ausgang der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden ist.
Der zweite ansteuerbare Kurzschlussschalter 51, weist einen ersten Anschluss 51a, der als Anoden- Anschluss ausgebildet sein kann, und einen zweiten Anschluss 51b, der als Kathoden-Anschluss ausgebildet sein kann, auf. Der erste Anschluss 51a ist elektrisch mit dem ersten Strompfad 1 verbunden und zwischen dem ersten Geräteanschluss 11 und der antiseriellen Schaltung 60 bzw. dem Kollektor-Anschluss des Halbleiterschalters 61 angeordnet. Der zweite Anschluss 51b ist elektrisch mit dem zweiten Strompfad 2 verbunden und zwischen dem vierten Geräteanschluss 14 und einem weiteren Anschluss der elektrischen Sicherung 20 angeordnet. Der Kurzschlussschalter 51 weist ferner einen Steueranschluss auf, der mit einem Ausgang der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden ist.
Um das Gleichspannungsgerät 10 während des Betriebs, d.h. die Last 90 ist eingeschaltet und es fließt ein elektrischer Strom zum Beispiel von der Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 über den Halbleiterschalter 61 zur Last 90, in einen Energiesparmodus schalten zu können, kann ein mechanischen Schaltkontakt 81 eines elektromechanischen Schalters 80 parallel zum ersten und zweiten Halbleiterschalter 61, 62 geschaltet sein. Der elektromechanische Schalter 80 kann als Relais ausgebildet sein. Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung weist der elektromechanische Schalter 80 eine Erregerspule 82 auf, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden sein kann, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Erregerspule 82 liegt in einem Steuerkreis, der von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 zum Öffnen und Schließen entsprechend angesteuert werden kann, um den mechanischen Schaltkontakt 81 öffnen bzw. Schließen zu können. Der Schaltkontakt 81 ist beispielsweise als Schließer ausgebildet.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines weiteren beispielhaften Gleichspannungssystems 5‘, welches ein beispielhaftes Gleichspannungsschaltgerät 10‘ aufweist. Das Gleichspannungsschaltgerät 10‘ weist einen ersten und einen dritten Geräteanschluss 11, 12 auf, an die eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 anschließbar ist. Ferner weist das Gleichspannungsgerät 10 einen zweiten und vierten Geräteanschluss 13, 14 auf, an die eine elektrische Gleichspannungs-Last 90 anschließbar ist. Angemerkt sei, dass die Last 90 auch an die Geräteanschlüsse 11 und 12 und die Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 an die Geräteanschlüsse 13 und 14 angeschlossen werden können, wie dies Fig. 2 zeigt. Das Gleichspannungsschaltgerät 10‘ unterscheidet sich vom Gleichspannungsschaltgerät 10 insbesondere nur darin, dass eine elektrische Sicherung 20 im ersten Strompfad 1 und eine antiserielle Schaltung 60 im zweiten Strompfad 2 angeordnet ist. Deshalb sind in Fig. 1 und Fig. 2 gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Zwischen dem Geräteanschluss 12 und dem zweiten Geräteanschluss 14 verläuft ein Strompfad 2. In den Strompfad 2 ist die antiserielle Schaltung 60 geschaltet, die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter 61 und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter 62 aufweist, der antiseriell zum ersten Halbleiterschalter 61 geschaltet ist. Eine erste Diode 70 ist antiparallel zum ersten Halbleiterschalter 61 und eine zweite Diode 71 ist antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter 62 geschaltet. Die beiden Halbleiterschalter 61, 62 können zum Beispiel als Feldeffekttransistoren oder als Bipolartransistor mit isoliterer Gate-Elektrode (IGBT von insulated-gate bipolar transistor) ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel sind die beiden Halbleiterschalter 61 und 62 jeweils als n-Kanal-IGBT-Transistor realisiert. Hierbei ist die Kollektor- Elektrode des Halbleiterschalters 61 mit dem Geräteanschluss 14 verbunden, während die Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 62 mit dem Geräteanschluss 12 verbunden ist. Die Emitter-Elektroden der beiden Halbleiterschalter 61 und 62 bilden einen gemeinsamen Verbindungspunkt. Die Kathode der Diode 70 ist mit der Kollektor- Elektrode des Halbleiterschalters 61 verbunden, während die Anode der Diode 70 mit der Emitter-Elektrode des Halbleiterschalters 61 verbunden ist. In ähnlicher Weise ist die Kathode der Diode 10 mit der Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 62 verbunden, während die Anode der Diode 71 mit der Emitter-Elektrode des Halbleiterschalters 62 verbunden ist. Die Gate-Elektroden der Halbleiterschalter 61 und 62 sind jeweils mit einem Eingang einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein kann. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 ist eingangsseitig ebenfalls mit einer Strommesseinrichtung 30.
Zwischen dem Geräteanschluss 11 und dem Geräteanschluss 12 verläuft ein weiterer Strompfad 1, in den die elektrische Sicherung 20 geschaltet ist. Angemerkt sei, dass das Gleichspannungsschaltgerät 10 nur diese eine Sicherung 20 aufweist. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Strommesseinrichtung 30 in Reihe mit der Sicherung 20 in den Strompfad 1 geschaltet sein. Allerdings kann die Stromermittlungseinrichtung 30 an jeder beliebigen Stelle in den ersten oder zweiten Strompfad 1, 2 geschaltet sein. Alternativ kann die Strom ermittlungseinrichtung 30 auch einen Shuntwiderstand aufweisen, der parallel zu einem der beiden Strompfade 1, 2 geschaltet sein. In diesem Fall kann die Strom ermittlungseinrichtung 30 dazu ausgebildet sein, eine Spannung an dem Shuntwiderstand (nicht dargestellt) und deren Polarität zu erfassen, um daraus den durch den jeweiligen Strompfad fließenden Strom und dessen Richtung zu ermitteln. Wichtig ist nur, dass die Stromermittlungseinrichtung 30, wie immer sie auch implementiert wird, dazu ausgebildet ist, die Stromstärke und Richtung eines durch die Strompfade 1 und 2 fließenden Gleichstroms zu ermitteln, um einen Kurzschlussstrom und dessen Flussrichtung zu erkennen.
Die beispielhafte Verschaltung der beiden Halbleiterschalter 61 und 62 sowie der beiden Dioden 70 und 71 sorgt dafür, dass a) wenn der erste Halbleiterschalter 61 elektrisch leitend und der zweite Halbleiterschalter 62 gleichzeitig elektrisch sperrend gesteuert sind, ein Strom vom Geräteanschluss 11 über den ersten Halbleiterschalter 61, die Diode 71, die Last 90, die Sicherung 20 und die Stromermittlungseinrichtung 30 zum Geräteanschluss 12 fließen kann, oder dass, b) wenn der zweite Halbleiterschalter 62 elektrisch leitend und der erste Halbleiterschalter 61 gleichzeitig elektrisch sperrend gesteuert sind, ein Strom vom Geräteanschluss 13 über den zweiten Halbleiterschalter 62, die Diode 70, die Geräteanschlüsse 11 und 12, die Sicherung 20 und die Stromermittlungseinrichtung 30 zum Geräteanschluss 14 fließen kann.
Ferner weist das beispielhafte Gleichspannungsgerät 10 zwei sich überkreuzende Kurzschlussschalter 50 und 51 auf, die beispielsweise jeweils als Thyristor oder Triac mit einer bidirektionalen Stromführung ausgebildet sein können. Derartige Bauelemente zeichnen sich durch ihre Schnelligkeit, Stromtragfähigkeit und Kostenstruktur aus Die Kurzschlussschalter 50 und 51 sind jeweils mit einem Ausgang der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden, die beispielsweise dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines erkannten Kurzschlussstroms und dessen Richtung entweder den Kurzschlussschalter 50 einzuschalten und gleichzeitig den Kurzschlussschalter 51 auszuschalten oder umgekehrt.
Wie in Fig. 2 zu sehen, weist der erste ansteuerbare Kurzschlussschalter 50 einen ersten Anschluss 50a, der als Anoden- Anschluss ausgebildet sein kann, und einen zweiten Anschluss 50b, der als Kathoden-Anschluss ausgebildet sein kann, auf. Der erste Anschluss 50a ist elektrisch mit dem ersten Strompfad 1 verbunden und zwischen dem zweiten Geräteanschluss 13 und einem Anschluss der Sicherung 20 angeordnet. Der zweite Anschluss 50b ist elektrisch mit dem zweiten Strompfad 2 verbunden und zwischen dem dritten Geräteanschluss 12 und der Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 62 angeordnet. Der Kurzschlussschalter 50 weist ferner einen Steueranschluss auf, der mit einem Ausgang der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden ist.
Der zweite ansteuerbare Kurzschlussschalter 51, weist einen ersten Anschluss 51a, der als Anoden- Anschluss ausgebildet sein kann, und einen zweiten Anschluss 51b, der als Kathoden-Anschluss ausgebildet sein kann, auf. Der erste Anschluss 51a ist elektrisch mit dem Strompfad 1 verbunden und zwischen dem ersten Geräteanschluss 11 und einem zweiten Anschluss der Sicherung 20 angeordnet. Der zweite Anschluss 51b ist elektrisch mit dem Strompfad 2 verbunden und zwischen dem vierten Geräteanschluss 14 und der Kollektor-Elektrode des Halbleiterschalters 61 angeordnet. Der Kurzschlussschalter 51 weist ferner einen Steueranschluss auf, der mit einem Ausgang der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden ist.
Um das Gleichspannungsgerät 10 während des Betriebs, d.h. es fließt ein elektrischer Strom zum Beispiel von der Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 über den Halbleiterschalter 61 zur Last 90, in einen Energiesparmodus schalten zu können, kann ein mechanischen Schaltkontakt 81 eines elektromechanischen Schalters 80 parallel zum ersten und zweiten Halbleiterschalter 61, 62 geschaltet sein. Der elektromechanische Schalter 80 kann als Relais ausgebildet sein. Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung weist der elektromechanische Schalter 80 eine Erregerspule 82 auf, die mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 verbunden sein kann, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Erregerspule 82 liegt in einem Steuerkreis, der von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 zum Öffnen und Schließen entsprechend angesteuert werden kann, um den mechanischen Schaltkontakt 81 öffnen bzw.
Schließen zu können. Der Schaltkontakt 81 ist beispielsweise als Schließer ausgebildet.
In den Gleichspannungsgeräte 10 und 10‘ ist jeweils ein vorbestimmter Schwellenwert gespeichert, der einen Kurzschlussstrom definiert. Vorzugsweise weist hierzu die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 einen Speicher auf, in dem der vorbestimmte Schwellenwert gespeichert ist. Der vorbestimmte Schwellenwert kann auch in einem separaten Speicher abgelegt werden, auf den die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 zugreifen kann.
Anzumerken ist ferner, dass die Geräteanschlüsse 11 und 13 als Pluspole füngieren können, wobei in diesem Fall der Strompfad 1 als Plusleiter füngiert. Die Geräteanschlüsse 12 und 14 können als Minuspole oder Masseanschlüsse fungieren, wobei dann der Strompfad 2 als Minusleiter bzw. Masseleitung fungiert. Nachfolgend wird die Funktionsweise der Gleichspannungsgeräte 10 und 10‘ in Verbindung mit dem in Fig. 1 gezeigten Gleichspannungssystem 5 erläutert. Angenommen sei, dass es sich bei der elektrischen Einrichtung 90 beispielsweise um eine elektrische, nicht rückspeisefähige Gleichspannungs-Last handelt.
Angenommen sei nunmehr, dass das Gleichspannungssystem 5 bzw. das Gleichspannungsgerät 10 aktiviert werden soll, um die elektrische Last 90 mit der Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 elektrisch zu koppeln.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 ist deshalb dazu ausgebildet, einen Einschaltvorgang zu steuern, indem sie zuerst den Halbleiterschalter 61 elektrisch leitend und den Halbleiterschalter 62 elektrisch sperrend schaltet. In diesem Moment fließt ein Gleichstrom von der Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 über den Geräteanschluss 11, den Halbleitertransistor 61, die Diode 71, durch die Last 90 und über den Geräteanschluss 12 zurück zur Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100. Sofern der elektromechanische Schalter 80 implementiert ist, veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 das Gleichspannungsschaltgerät 10, beispielsweise nach einer definierbaren Zeitdauer, nachdem der Halbleiterschalter 61 leitend geschaltet worden ist, den mechanischen Schaltkontakt 81 zu schließen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 das Gleichspannungsschaltgerät 10 veranlassen, beispielsweise nach Erreichen einer vorbestimmten Stromschwelle den mechanischen Schaltkontakt 81 zu schließen. Hierzu kann ein Schwellenwert im Gleichspannungsschaltgerät 10 gespeichert sein, auf den die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 zugreifen kann. Diesen Schwellenwert vergleicht die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 dann mit dem von der Stromermittlungseinrichtung 30 gelieferten Stromwert. Überschreitet der gemessene Stromwert den Schwellenwert, sorgt die Steuer- und Auswerteeinrichtung dafür, dass der mechanische Schaltkontakt 81 geschlossen wird. Die Richtung und die Stromstärke des Gleichstroms wird vorzugsweise kontinuierlich von der Stromermittlungseinrichtung 30 ermittelt und zur Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 übertragen. Tritt nunmehr ein Kurzschluss auf, müssten sowohl der Halbleiterschalter 61 sperrend geschaltet als auch der mechanische Schaltkontakt 81 geöffnet werden. Allerdings ist bedingt durch die mechanische Konstruktion und auftretende Lichtbögen die Reaktionszeit des elektromechanischen Schalters 80, den mechanischen Schaltkontakt 81 zu öffnen, zu groß, um eine sichere Kurzschlussfestigkeit zu gewährleisten. Dank der erfinderischen Maßnahme kann aber nunmehr insbesondere bei Verwendung eines elektromechanischen Schalters eine Kurzschlussfestigkeit sichergestellt werden.
Das Auftreten eines Kurzschlusses erkennt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 daran, dass der von der Stromermittlungseinrichtung 30 gemessene Gleichstrom den vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Unter Ansprechen hierauf und auf die ermittelte Richtung des Stroms, der vom Geräteanschluss 11 zum Geräteanschluss 13 fließt, veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 das Gleichspannungsschaltgerät 10, den Kurzschlussschalter 51 einzuschalten. Ab diesem Moment fließt der Kurzschlussstrom über den Kurzschlussschalter 51 und die Sicherung 20 zum Geräteanschluss 12, wodurch die Sicherung 20 ausgelöst wird. Dank der speziellen Verschaltung der Kurzschlussschalter 51 und 50 mit der Sicherung 20 kann bei Auftritt eines Kurzschlusses die Belastung der Strompfade 1 und 2 und möglicher Anschlussleitungen reduziert werden.
Anzumerken ist noch, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 beispielsweise auch dazu ausgebildet sein kann, zeitlich nach dem Einschalten des Kurzschalters 51 auch den Kurzschlussschalter 50 einzuschalten, um eine gestufte Kurzschlussumleitung zu ermöglichen, mit dem Ziel, einen Strom über zwei Wege zum Strompfad 2, der auf Masse liegt, zu leiten. Auf diese Weise können zum Beispiel mittels des zweiten Kurzschlussschalters 50 Leitungskapazitäten zur Last 90 kurzgeschlossen werden.
Für den Fall, dass die Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 an den Geräteanschlüssen 13 und 14 und die Last an den Geräteanschlüssen 11 und 12 angeschlossen ist, läuft ein Einschaltvorgang des Gleichspannungsschaltgeräts 10 wie folgt ab: Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 ist nunmehr ausgebildet, einen Einschaltvorgang zu steuern, indem sie zuerst den Halbleiterschalter 62 elektrisch leitend und den Halbleiterschalter 61 elektrisch sperrend schaltet. In diesem Moment fließt ein Gleichstrom über den Geräteanschluss 13, den Halbleitertransistor 62, die Diode 70 und über die Geräteanschlüsse 11 und 12 zurück zum Geräteanschluss 14. In ähnlicher Weise kann ein Einschaltvorgang erfolgen, wenn die Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 an den Geräteanschlüssen 11 und 12 angeschlossen ist, und die an den Geräteanschlüssen 13 und 14 angeschlossene Last 90 dazu ausgebildet ist, Energie zurück zur Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100 zu speisen.
Sofern der elektromechanische Schalter 80 implementiert ist, veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 das Gleichspannungsschaltgerät 10, nach einer definierbaren Zeitdauer, nachdem der Halbleiterschalter 61 leitend geschaltet worden ist, den mechanischen Schaltkontakt 81 zu schließen. Die Richtung und die Stromstärke des Gleichstroms wird vorzugsweise kontinuierlich von der Stromermittlungseinrichtung 30 ermittelt und zur Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 übertragen.
Das Auftreten eines Kurzschlusses erkennt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 daran, dass der von der Stromermittlungseinrichtung 30 gemessene Gleichstrom den vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Unter Ansprechen hierauf und auf die ermittelte Richtung des Stroms, der vom Geräteanschluss 13 zum Geräteanschluss 14 fließt, veranlasst die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 das Gleichspannungsschaltgerät 10, den Kurzschlussschalter 50 einzuschalten. Ab diesem Moment fließt der Kurzschlussstrom über den Kurzschlussschalter 50 und die Sicherung 20 zum Geräteanschluss 14, wodurch die Sicherung 20 ausgelöst wird. Dank der speziellen Verschaltung der Kurzschlussschalter 51 und 50 mit der Sicherung 20 kann bei Auftritt eines Kurzschlusses die Belastung der Strompfade 1 und 2 und möglicher Anschlussleitungen reduziert werden.
Anzumerken ist noch, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung 40 beispielsweise auch dazu ausgebildet sein kann, zeitlich nach dem Einschalten des Kurzschalters 50 auch den Kurzschlussschalter 51 einzuschalten, um eine gestufte Kurzschlussumleitung zu ermöglichen, mit dem Ziel, einen Strom über zwei Wege zum Strompfad 2, der auf Masse liegt, zu leiten. Auf diese Weise können zum Beispiel mittels des zweiten Kurzschlussschalters 51 Leitungskapazitäten zur Last 90 kurzgeschlossen werden.
Ferner sei angemerkt, dass vorteilhafterweise der Nennstrom und Überlaststrom der Kurzschlussschalter 50 und 51, der Halbleiterschalter 61, 62 und der Dioden 70, 71 sowie der elektromechanische Schalter 80 auf den Nennstrom (d.h. die Auslösekennlinie) der Sicherung 20 abzustimmen ist. Vorzugsweise ist die Spannungsfestigkeit der Halbleiterschalter 61 und 62 größer als die Betriebsspannung.
Die Funktionsweise des Gleichspannungsschaltgeräts 10‘ entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise des Gleichspannungsschaltgeräts 10, so dass, um Wiederholungen zu vermeiden, insoweit auf die Erläuterungen hinsichtlich des Gleichspannungsschaltgeräts 10 verwiesen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Gleichspannungsschaltgerät (10), insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, aufweisend:
- einen ersten und einen zweiten Geräteanschluss (11, 13),
- einen ersten Strompfad (1), der elektrisch mit dem ersten und zweiten Geräteanschluss (11, 13) verbunden ist,
- einen dritten und einen vierten Geräteanschluss (12, 14),
- einen zweiten Strompfad (2), der elektrisch mit dem dritten und vierten Geräteanschluss (12, 14) verbunden ist,
- eine einzige elektrische Sicherung (20),
- eine antiserielle Schaltung (60), die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (61) und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (62) aufweist, wobei eine erste Diode (70) antiparallel zum ersten Halbleiterschalter (61) und eine zweite Diode (71) antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter (62) geschaltete sind, wobei die elektrische Sicherung (20) im zweiten Strompfad (2) angeordnet ist und der erste und zweite Halbleiterschalter (61, 62) in dem ersten Strompfad (1) angeordnet sind,
- eine Stromermittlungseinrichtung (30), die dazu ausgebildet ist, die Richtung und Stromstärke eines durch den ersten oder zweiten Strompfad (1, 2) fließenden Stroms zu ermitteln,
- einen ersten ansteuerbaren Kurzschlussschalter (50), der einen ersten Anschluss (50a) und einen zweiten Anschluss (50b) aufweist, wobei der erste Anschluss (50a) elektrisch mit dem ersten Strompfad (1) verbunden und zwischen dem zweiten Geräteanschluss (13) und der antiseriellen Schaltung (60) angeordnet ist, und der zweite Anschluss (50b) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (2) verbunden und zwischen dem dritten Geräteanschluss (12) und der elektrischen Sicherung (20) angeordnet ist,
- einen zweiten ansteuerbaren Kurzschlussschalter (51), der einen ersten Anschluss (51a) und einen zweiten Anschluss (51b) aufweist, wobei der erste Anschluss (51a) elektrisch mit dem ersten Strompfad (1) verbunden und zwischen dem ersten Geräteanschluss (11) und der antiseriellen Schaltung (60) angeordnet ist, und der zweite Anschluss (51b) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (2) verbunden und zwischen dem vierten Geräteanschluss (14) und der elektrischen Sicherung (20) angeordnet ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (40), die mit der Stromermittlungseinrichtung (30) verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (40) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der durch die Stromermittlungseinrichtung (30) erfassten Richtung und Stromstärke, sofern die erfasste Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den ersten oder zweiten Kurzschlussschalter (50, 51) einzuschalten.
2. Gleichspannungsschaltgerät (10‘), insbesondere zum Unterbrechen eines Stromflusses, aufweisend:
- einen ersten und einen zweiten Geräteanschluss (11, 13),
- einen ersten Strompfad (1), der elektrisch mit dem ersten und zweiten Geräteanschluss (11, 13) verbunden ist,
- einen dritten und einen vierten Geräteanschluss (12, 14),
- einen zweiten Strompfad (2), der elektrisch mit dem dritten und vierten Geräteanschluss (12, 14) verbunden ist,
- eine einzige elektrische Sicherung (20),
- eine antiserielle Schaltung (60), die einen ersten ansteuerbaren Halbleiterschalter (61) und einen zweiten ansteuerbaren Halbleiterschalter (62) aufweist, wobei eine erste Diode (70) antiparallel zum ersten Halbleiterschalter (61) und eine zweite Diode (71) antiparallel zum zweiten Halbleiterschalter (62) geschaltete sind, wobei die elektrische Sicherung (20) im ersten Strompfad (1) angeordnet ist und der erste und zweite Halbleiterschalter (61, 62) in dem zweiten Strompfad (2) angeordnet sind,
- eine Stromermittlungseinrichtung (30), die dazu ausgebildet ist, die Richtung und Stromstärke eines durch den ersten oder zweiten Strompfad (1, 2) fließenden Stroms zu ermitteln, - einen ersten ansteuerbaren Kurzschlussschalter (50), der einen ersten Anschluss (50a) und einen zweiten Anschluss (50b) aufweist, wobei der erste Anschluss (50a) elektrisch mit dem ersten Strompfad (1) verbunden und zwischen dem zweiten Geräteanschluss (13) und der elektrischen Sicherung (20) angeordnet ist, und der zweite Anschluss (50b) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (2) verbunden und zwischen dem dritten Geräteanschluss (12) und der antiseriellen Schaltung (60) angeordnet ist,
- einen zweiten ansteuerbaren Kurzschlussschalter (51), der einen ersten Anschluss (51a) und einen zweiten Anschluss (51b) aufweist, wobei der erste Anschluss (51a) elektrisch mit dem ersten Strompfad (1) verbunden und zwischen dem ersten Geräteanschluss (11) und der elektrischen Sicherung (20) angeordnet ist, und der zweite Anschluss (51b) elektrisch mit dem zweiten Strompfad (2) verbunden und zwischen dem vierten Geräteanschluss (14) und antiseriellen Schaltung (60) angeordnet ist,
- eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (40), die mit der Stromermittlungseinrichtung (30) verbunden ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (40) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der durch die Stromermittlungseinrichtung (30) erfassten Richtung und Stromstärke, sofern die erfasste Stromstärke einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den ersten oder zweiten Kurzschlussschalter (50, 51) einzuschalten.
3. Gleichspannungsschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisen einen mechanischen Schaltkontakt (81) eines elektromechanischen Schalters (80), wobei der mechanische Schaltkontakt parallel zum ersten und zweiten Halbleiterschalter (61, 62) geschaltet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Ansteuem des elektromechanischen Schalters (80) ausgebildet ist.
4. Gleichspannungsschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an den ersten und dritten Geräteanschluss (11, 12) eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung 100) und an den zweiten und vierten Geräteanschluss (13, 14) eine elektrische Einrichtung (90) oder umgekehrt anschließbar sind.
5. Gleichspannungsschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stromermittlungseinrichtung (30) einen Stromsensor aufweist.
6. Gleichspannungsschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stromermittlungseinrichtung (30) in Reihe mit der Sicherung (20) oder der antiseriellen Schaltung (60) geschaltet ist.
7. Gleichspannungsschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Kurzschlussschalter (50, 51) jeweils als Thyristor ausgebildet sind.
8. Gleichspannungssystem (5; 5‘) umfassend ein Gleichspannungsgerät (10; 10‘) nach einem der vorstehenden Ansprüche, eine an das Gleichspannungsgerät (10; 10‘) angeschlossene Gleichspannungsversorgungseinrichtung (90) und eine an das Gleichspannungsgerät (10; 10‘) angeschlossene elektrische Einrichtung (100).
9. Gleichspannungssystem (5, ;5‘) nach Anspruch 8, wobei der erste und zweite Geräteanschluss (11, 13) jeweils als Pluspol und der dritte und vierte Geräteanschluss (12, 14) jeweils als Minuspol festgelegt sind, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (40) des Gleichspannungsschaltgeräts (10; 10‘) dazu ausgebildet ist, zuerst den ersten Halbleiterschalter (61) leitend zu steuern und anschließend den mechanischen Schaltkontakt (81) zu schließen, wenn ein Strom vom ersten Geräteanschluss (11) zum dritten Geräteanschluss (12) fließen soll, und, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung (30) gemessene Stromstärke den vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den ersten Kurzschlussschalter (50) zu schließen, oder zuerst den zweiten Halbleiterschalter (62) leitend zu steuern und anschließend den mechanischen Schaltkontakt (81) zu schließen, wenn ein Strom vom zweiten Geräteanschluss (13) zum vierten Geräteanschluss (14) fließen soll, und, wenn die von der Stromermittlungseinrichtung (30) gemessene Stromstärke den vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, den zweiten Kurzschlussschalter (51) zu schließen.
10. Gleichspannungssystem (5; 5‘) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Gleichspannungsversorgungseinrichtung (90) ein DC- Versorgungsnetz ist.
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