DE102023112667A1

DE102023112667A1 - Protection device and protection method for a direct current network

Info

Publication number: DE102023112667A1
Application number: DE102023112667.9A
Authority: DE
Inventors: Niklas Volk
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2023-05-12
Filing date: 2023-05-12
Publication date: 2024-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung (1, 10, 20) sowie ein Schutzverfahren (100) für ein Gleichstromnetz (2), aufweisend einen Gleichspannungsanschluss (V+, V-) zum Anschluss einer Gleichspannungsquelle (V1), einen Lastanschluss (L+, L-) zum Anschluss einer aus der Gleichspannungsquelle (V1) zu speisenden elektrischen Last (L), und einen zum Lastanschluss (L+, L-) führenden Lastpfad, in welchem ein erster und zweiter, einander antiseriell verschaltete Halbleiterschalter (T1, T2) mit jeweils einem Steueranschluss (G1, G2) angeordnet sind, wobei die Steueranschlüsse (G1, G2) an einem Netzwerk (N) elektrischer Bauelemente (C1, D2, D3, D4, D5, R1, R2, R3, T3) angeschlossen sind, die die Steueranschlüsse (G1, G2) mit einem elektrischen Potenzial beaufschlagen, um den ersten und zweiten Halbleiterschalter (T1, T2) bei einer Aktivierung der Last (L) temporär linear zu aktivieren und bei Auftreten einer Überspannung am Gleichspannungs- und/oder Lastanschluss (L+, L-) und bei Verpolung der Gleichspannungsquelle (V1) am Gleichspannungsanschluss (V+, V-) zu öffnen.The invention relates to a protection device (1, 10, 20) and a protection method (100) for a direct current network (2), having a direct current connection (V+, V-) for connecting a direct current source (V1), a load connection (L+, L-) for connecting an electrical load (L) to be fed from the direct current source (V1), and a load path leading to the load connection (L+, L-), in which a first and second semiconductor switch (T1, T2) connected anti-serially to one another, each with a control connection (G1, G2) are arranged, wherein the control connections (G1, G2) are connected to a network (N) of electrical components (C1, D2, D3, D4, D5, R1, R2, R3, T3) which apply an electrical potential to the control connections (G1, G2) in order to temporarily switch the first and second semiconductor switch (T1, T2) on when the load (L) is activated. to be activated linearly and to open when an overvoltage occurs at the DC voltage and/or load connection (L+, L-) and when the polarity of the DC voltage source (V1) is reversed at the DC voltage connection (V+, V-).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung und ein Schutzverfahren für ein Gleichstromnetz und insbesondere eine Schutzvorrichtung sowie ein Schutzverfahren zum Schutz einer aus einer Gleichspannungsquelle zu speisenden elektrischen Last.The invention relates to a protection device and a protection method for a direct current network and in particular to a protection device and a protection method for protecting an electrical load to be fed from a direct current source.

In Gleichspannungsübertragungssystemen müssen Leitungen und elektrische Bauelemente adäquat abgesichert werden. Ein Fehlerfall wie beispielsweise eine Überspannung oder eine Verpolung muss erkannt und bidirektional abgeschaltet werden, um auch eine Rückspeisung aus dem elektrischen System zu verhindern.In DC transmission systems, cables and electrical components must be adequately protected. A fault such as an overvoltage or reverse polarity must be detected and switched off bidirectionally in order to prevent feedback from the electrical system.

Es ist allgemein bekannt, zur Absicherung von Gleichspannungsübertragungssystemen Schmelzsicherungen oder Pyrosicherungen mit harter Überstromauslösung einzusetzen, die ab einem definierten Stromschwellenwert hart trennen und keine Sicherungscharakteristik aufweisen.It is generally known that fuses or pyrofuses with hard overcurrent release are used to protect DC voltage transmission systems. These fuses provide hard disconnection above a defined current threshold and do not have any fuse characteristics.

Schmelzsicherungen haben den Nachteil, dass die Trennung nicht reversibel ist. Sie müssen stets durch einen physischen Eingriff in das elektrische System getauscht werden. Ferner weisen sie einen vergleichsweise hohen Widerstand auf, was in erheblicher Verlustleistung resultiert. Eine Kühlung von Schmelzsicherungen ist nicht oder bestenfalls über eine Stromscheine (d. h. Stromzuleitung selbst) realisierbar.Fuses have the disadvantage that the separation is not reversible. They always have to be replaced by physically intervening in the electrical system. Furthermore, they have a relatively high resistance, which results in considerable power loss. Cooling of fuses is not possible or at best only possible via a power supply (i.e. the power supply itself).

Außerdem ist es bekannt, Gleichströme in Gleichspannungsübertragungssystemen mittels Halbleiterschaltern, z. B. sogenannte High-Side-Schalter, zu schalten. Jedoch muss ein solcher Schalter stets so skaliert werden, dass er die Zeit bis zum Auslösen bzw. Durchschmelzen einer nachgeschalteten Schmelzsicherung unbeschadet überlebt. Zudem erfordert die Kombination aus einer Schmelzsicherung und einem High-Side-Schalter einen großen Bauraum und erhöht die Kosten.It is also known to switch direct currents in direct voltage transmission systems using semiconductor switches, e.g. so-called high-side switches. However, such a switch must always be scaled in such a way that it survives the time until a downstream fuse is triggered or blown without damage. In addition, the combination of a fuse and a high-side switch requires a large installation space and increases costs.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schutzvorrichtung sowie ein Schutzverfahren für ein Gleichstromnetz bereitzustellen, die einerseits eine Versorgung eines Verbrauchers bzw. einer Last mit einem hohen Wirkungsgrad (d. h. geringer Verlustleistung) bereitstellen und diese/n zugleich wirksam gegen Überströme, Überspannung und Verpolung schützen. Die Vorrichtung soll zudem kompakt bauen, wartungsfrei und kostengünstig sein. Außerdem soll die Vorrichtung ohne großen Aufwand flexibel an unterschiedliche Anwendungsfälle, die insbesondere erheblich unterschiedliche Anforderungen aufweisen können, angepasst, d. h. skaliert werden können.Against this background, the invention is based on the object of providing an improved protective device and a protective method for a direct current network, which on the one hand provide a supply to a consumer or a load with a high degree of efficiency (i.e. low power loss) and at the same time effectively protect it against overcurrents, overvoltage and reverse polarity. The device should also be compact, maintenance-free and cost-effective. In addition, the device should be able to be flexibly adapted, i.e. scaled, to different applications, which in particular can have significantly different requirements, without great effort.

Diese Aufgabe wird durch eine Schutzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Schutzverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.This object is achieved by a protective device having the features of claim 1 and by a protective method having the features of claim 14. Further, particularly advantageous embodiments of the invention are disclosed in the respective subclaims.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically reasonable manner (including across category boundaries, for example between methods and devices) and show further embodiments of the invention. The description further characterizes and specifies the invention, particularly in connection with the figures.

Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.It should also be noted that a conjunction “and/or” used herein, standing between two features and linking them together, is always to be interpreted in such a way that in a first embodiment of the subject matter according to the invention only the first feature can be present, in a second embodiment only the second feature can be present, and in a third embodiment both the first and the second feature can be present.

Weiterhin sollen hierin verwendete Ordnungszahlen wie „erster“, „zweiter“, „dritter“ usw. lediglich der Unterscheidung mehrerer gleicher Merkmale dienen, wobei die durch die Ordnungszahl angegebene Zahl nicht zwingend die Gesamtzahl des entsprechenden Merkmals in einer Ausführungsform angibt. So kann beispielsweise ein „drittes“ Merkmal A einer Ausführungsform der Erfindung zur Unterscheidung von einer beliebigen Anzahl bereits vorhandener Merkmale A derselben Ausführungsform angegeben sein, auch dann, wenn die Gesamtzahl der Merkmale A dieser Ausführungsform kleiner ist als insgesamt drei. Dementsprechend kann das „dritte“ Merkmal A auch das einzige vorkommende Merkmal A der Ausführungsform sein.Furthermore, ordinal numbers used herein such as "first", "second", "third", etc. are intended only to distinguish between several identical features, whereby the number indicated by the ordinal number does not necessarily indicate the total number of the corresponding feature in an embodiment. For example, a "third" feature A of an embodiment of the invention can be indicated to distinguish it from any number of already existing features A of the same embodiment, even if the total number of features A of this embodiment is less than three in total. Accordingly, the "third" feature A can also be the only feature A occurring in the embodiment.

Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa“ einen Toleranzbereich angeben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa“ ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.In addition, the term "approximately" used herein is intended to indicate a tolerance range that a person skilled in the art in this field considers to be usual. In particular, the term "approximately" is to be understood as a tolerance range of the reference size of up to a maximum of +/-20%, preferably up to a maximum of +/-10%.

Relative Begriffe bezüglich eines Merkmals, wie zum Beispiel „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ und dergleichen, sind im Rahmen der Erfindung so auszulegen, dass herstellungs- und/oder durchführungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für die jeweilige Fertigung bzw. Durchführung des betreffenden Merkmals definierten Fertigungs-/Durchführungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff erfasst sind. Mit anderen Worten ist eine Größe eines Merkmals erst dann als z. B. „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ u. dgl. anzusehen als eine Größe eines Vergleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so deutlich voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht in den fertigungs-/durchführungsbedingten Toleranzbereich des betreffenden Merkmals fällt, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.Relative terms relating to a feature, such as “larger”, “smaller”, “higher”, “lower” and the like, are to be interpreted within the scope of the invention in such a way that size deviations of the feature in question due to manufacturing and/or implementation, which are within the manufacturing/implementation tolerances defined for the respective manufacturing or implementation of the feature in question, zen are not covered by the respective relative term. In other words, a size of a characteristic can only be regarded as, for example, "larger", "smaller", "higher", "lower" etc. than a size of a comparison characteristic if the two compared sizes differ so significantly in their value that this difference in size certainly does not fall within the manufacturing/implementation-related tolerance range of the characteristic in question, but is the result of targeted action.

Erfindungsgemäß weist eine Schutzvorrichtung für ein Gleichstromnetz einen Gleichspannungsanschluss zum Anschluss einer Gleichspannungsquelle, einen Lastanschluss zum Anschluss einer aus der Gleichspannungsquelle zu speisenden elektrischen Last (d. h. elektrischer Verbraucher) sowie einen zum Lastanschluss führenden Lastpfad auf. Im Lastpfad sind ein erster und zweiter, einander antiseriell verschaltete Halbleiterschalter (auch als Back-to-Back-Verschaltung bezeichnet) mit jeweils einem Steueranschluss angeordnet, wobei die Steueranschlüsse an einem Netzwerk elektrischer Bauelemente angeschlossen sind. Das Netzwerk bzw. die Bauelemente beaufschlagen die Steueranschlüsse mit einem elektrischen Potenzial, um den ersten und zweiten Halbleiterschalter bei einer Aktivierung der Last temporär linear zu aktivieren und bei Auftreten einer Überspannung am Gleichspannungs- und/oder Lastanschluss und bei Verpolung der Gleichspannungsquelle am Gleichspannungsanschluss zu öffnen, d. h. zu deaktivieren. Andernfalls befinden sich die Halbleiterschalter in einem geschlossenen, aktivierten Schaltzustand, in welchem sie einen im Lastpfad geführten Laststrom durchleiten. Im geschlossenen, linearen Betrieb verhalten sich die Halbleiterschalter im Wesentlichen wie steuerbare Widerstände, mit denen sich die Stromstärke des Laststroms gezielt in einem gewünschten Bereich steuern lässt. Vollständig geschlossen leiten die Halbleiterschalter den Laststrom niederohmig durch. In ihrem geöffneten Zustand nehmen die Halbleiterschalter einen hochohmigen Zustand ein, der einen Stromfluss im Wesentlichen unterbindet.According to the invention, a protective device for a direct current network has a direct voltage connection for connecting a direct voltage source, a load connection for connecting an electrical load to be fed from the direct voltage source (i.e. electrical consumer) and a load path leading to the load connection. A first and second semiconductor switch connected anti-serially to one another (also referred to as back-to-back connection), each with a control connection, are arranged in the load path, wherein the control connections are connected to a network of electrical components. The network or the components apply an electrical potential to the control connections in order to temporarily activate the first and second semiconductor switches linearly when the load is activated and to open them, i.e. to deactivate them, when an overvoltage occurs at the direct voltage and/or load connection and when the polarity of the direct voltage source is reversed at the direct voltage connection. Otherwise, the semiconductor switches are in a closed, activated switching state in which they pass a load current carried in the load path. In closed, linear operation, the semiconductor switches essentially behave like controllable resistors, with which the current intensity of the load current can be controlled in a specific range. When completely closed, the semiconductor switches pass the load current through with a low resistance. When open, the semiconductor switches assume a high resistance state, which essentially prevents current flow.

Mit anderen Worten wird der im Lastpfad fließende Laststrom im Sinne der Erfindung bei der linearen Aktivierung des ersten und zweiten Halbleiterschalters temporär begrenzt und bei Auftreten der Überspannung bzw. Verpolung sicher unterbrochen.In other words, the load current flowing in the load path in the sense of the invention is temporarily limited during the linear activation of the first and second semiconductor switches and is safely interrupted when the overvoltage or polarity reversal occurs.

Als elektrisches Bauelement ist ein wesentlicher Bestandteil einer elektrischen Schaltung zu verstehen, der physisch nicht weiter unterteilt werden kann, ohne seine Funktion zu verlieren.An electrical component is an essential part of an electrical circuit that cannot be physically divided further without losing its function.

Als Netzwerk solcher Bauelemente ist ein Zusammenschluss von elektrischen bzw. elektromechanischen Einzelelementen (z. B. Batterie, Schalter, Relais, Widerstand, Spule, Kondensator, Diode) zu einer funktionsgerechten Anordnung, d. h. einer elektrischen Schaltung, zu verstehen. Unter diese Definition fällt keine integrierte Steuereinheit wie beispielsweise Mikrocontroller, Mikroprozessor, DSP und dergleichen zur Steuerung des ersten und zweiten Halbleiterschalters. Auf derartige integrierte Steuereinheiten verzichtet die Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung.A network of such components is to be understood as a combination of individual electrical or electromechanical elements (e.g. battery, switch, relay, resistor, coil, capacitor, diode) to form a functional arrangement, i.e. an electrical circuit. This definition does not include an integrated control unit such as a microcontroller, microprocessor, DSP and the like for controlling the first and second semiconductor switches. The protective device according to the invention does not have such integrated control units.

Die an der Schutzvorrichtung anschließbare Last ist bevorzugt eine leistungselektronische Last mit einer Leistungsaufnahme von bevorzugt einigen wenigen Kilowatt bis mehreren zehn Kilowatt, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein.The load that can be connected to the protective device is preferably a power electronic load with a power consumption of preferably a few kilowatts to several tens of kilowatts, but is not necessarily limited to this.

Die erfindungsgemäße antiserielle Verschaltung der beiden ersten und zweiten Halbleiterschalter schafft einen bidirektionalen Halbleiterschalter, der beliebig mit den konkreten elektrischen Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls skalierbar ist. Die reversiblen Schaltvorgänge der ersten und zweiten Halbleiterschalter stellen eine wartungsfreie Vorrichtung bereit, da keine physischen Wartungseingriffe im Gleichspannungssystem, wie zum Beispiel beim Durchschmelzen einer Schmelzsicherung, erforderlich sind. Auf eine Schmelzsicherung kann bei der vorliegenden Erfindung verzichtet werden. Die gesamte bidirektionale Absicherung des Systems kann zudem bauraumsparend auf einer einzigen Platine erfolgen. Eine Kühlung der Vorrichtung kann entweder entfallen oder mit geringem Aufwand, zum Beispiel durch direkte Kühlung der ersten und zweiten Halbleiterschalter, realisiert werden.The anti-serial connection of the two first and second semiconductor switches according to the invention creates a bidirectional semiconductor switch that can be scaled as required to the specific electrical requirements of the respective application. The reversible switching operations of the first and second semiconductor switches provide a maintenance-free device, since no physical maintenance interventions in the DC voltage system are required, such as when a fuse blows. A fuse can be dispensed with in the present invention. The entire bidirectional protection of the system can also be implemented on a single circuit board to save space. Cooling of the device can either be omitted or implemented with little effort, for example by directly cooling the first and second semiconductor switches.

Die ersten und zweiten Halbleiterschalter können jeweils als MOSFET ausgebildet sein. Die Möglichkeit der Nutzung von beispielsweise so genannten „Top Side Cooling MOSFETs“ erleichtert die Kühlanbindung zusätzlich, sofern eine Kühlung erforderlich ist. Zudem erzeugen MOSFETs deutlich geringere Durchlassverluste als beispielsweise eine Schmelzsicherung, was die Kühlanforderungen nochmals verringert.The first and second semiconductor switches can each be designed as MOSFETs. The possibility of using so-called "top side cooling MOSFETs", for example, makes the cooling connection even easier if cooling is required. In addition, MOSFETs generate significantly lower conduction losses than, for example, a fuse, which further reduces the cooling requirements.

Mittels des Netzwerks ermöglicht die Erfindung eine Kombination aus einem aktiven und verlustoptimierten Verpolschutz nebst einem skalierbaren Überspannungsschutz. Die Skalierung erfolgt hierbei über die elektrischen Eigenschaften der im Netzwerk verwendeten Bauelemente. Auf diese Weise kann einerseits eine Versorgung der Last mit einem hohen Wirkungsgrad, d. h. mit geringer Verlustleistung, bereitgestellt und die Last zugleich wirksam gegen Überströme, Überspannungen und Verpolung geschützt werden. Die Schutzvorrichtung kann durch die Wahl entsprechender Bauelemente ohne großen Aufwand flexibel an unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden, baut kompakt, ist wartungsfrei sowie kostengünstig in ihrer Herstellung.By means of the network, the invention enables a combination of active and loss-optimized reverse polarity protection and scalable overvoltage protection. Scaling is carried out via the electrical properties of the components used in the network. In this way, the load can be supplied with a high level of efficiency, i.e. with low power loss, and the load can be effectively protected against overcurrents, overvoltages and reverse polarity at the same time. The protective device can be flexibly adapted to different applications without great effort by selecting the appropriate components, is compact, is maintenance-free and cost-effective to produce.

Das Netzwerk weist bevorzugt ausschließlich wenigstens einen ohmschen Widerstand und/oder wenigstens einen Kondensator und/oder wenigstens einen Halbleiterschalter und/oder wenigstens eine Diode auf. Dementsprechend ist das Netzwerk als zeitinvariantes Netzwerk ausgebildet, das unabhängig vom Startzeitpunkt der Anregung auf gleiche Eingangssignale mit gleichen Ausgangssignalen reagiert. Auf diese Weise wird eine langfristig zuverlässige Schutzfunktion der Schutzvorrichtung sichergestellt. Zudem kann die Schutzfunktion vollständig mit wenigen Bauelementen bereitgestellt werden, so dass die Schutzvorrichtung kompakt baut und kostengünstig herzustellen ist.The network preferably has exclusively at least one ohmic resistor and/or at least one capacitor and/or at least one semiconductor switch and/or at least one diode. Accordingly, the network is designed as a time-invariant network that reacts to the same input signals with the same output signals regardless of the start time of the excitation. In this way, a long-term reliable protective function of the protective device is ensured. In addition, the protective function can be provided entirely with just a few components, so that the protective device is compact and can be manufactured inexpensively.

Weiterhin nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands sind die Steueranschlüsse ausschließlich am Netzwerk angeschlossen. Das heißt, lediglich die zum Netzwerk gehörenden elektrischen Bauelemente bestimmen das Schaltverhalten der durch die Steueranschlüsse gesteuerten ersten und zweiten Halbleiterschalter, da nur sie elektrisch auf die Steueranschlüsse einwirken. Auf eine integrierte Steuereinheit wie beispielsweise Mikrocontroller, Mikroprozessor, DSP und dergleichen zur Steuerung der ersten und zweiten Halbleiterschalter verzichtet die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung vollständig. Die Komplexität der Schutzvorrichtung und damit einhergehende Fehlerquellen können auf diese Weise deutlich reduziert werden und die Schutzvorrichtung kann kompakt bauend bereitgestellt werden.Furthermore, according to a preferred embodiment of the subject matter of the invention, the control connections are connected exclusively to the network. This means that only the electrical components belonging to the network determine the switching behavior of the first and second semiconductor switches controlled by the control connections, since only they act electrically on the control connections. The protective device according to the invention completely dispenses with an integrated control unit such as a microcontroller, microprocessor, DSP and the like for controlling the first and second semiconductor switches. The complexity of the protective device and the associated sources of error can be significantly reduced in this way and the protective device can be provided in a compact design.

Gemäß einer anderen Weiterbildung des Erfindungsgegenstands ist das Netzwerk elektrisch über wenigstens einen ersten Netzwerkanschluss mit den Steueranschlüssen verbunden, über einen zweiten Netzwerkanschluss mit einem Pol des Gleichspannungsanschlusses verbunden und über einen dritten Netzwerkanschluss mit jeweils einem geschalteten Anschluss der ersten und zweiten Halbleiterschalter verbunden. Damit verbindet der dritte Netzwerkanschluss den einen geschalteten Anschluss des ersten Halbleiterschalters mit dem einen geschalteten Anschluss des zweiten Halbleiterschalters. Als geschaltete Anschlüsse der Halbleiterschalter sind beispielsweise der Source- oder Drain-Anschluss eines MOSFET-Transistors bzw. der Emitter- oder Kollektor-Anschluss eines Bipolartransistors zu verstehen, jedenfalls nicht der Steueranschluss des entsprechenden Halbleiterschalters.According to another development of the subject matter of the invention, the network is electrically connected to the control connections via at least one first network connection, connected to a pole of the direct voltage connection via a second network connection and connected to a switched connection of the first and second semiconductor switches via a third network connection. The third network connection thus connects the one switched connection of the first semiconductor switch to the one switched connection of the second semiconductor switch. The switched connections of the semiconductor switches are to be understood as, for example, the source or drain connection of a MOSFET transistor or the emitter or collector connection of a bipolar transistor, and in any case not the control connection of the corresponding semiconductor switch.

Bevorzugt weist das Netzwerk zum temporären linearen Aktivieren der ersten und zweiten Halbleiterschalter, d. h. zum Begrenzen des im Lastpfad fließenden Laststroms, bei der Aktivierung der Last (d. h. Einschaltstrombegrenzung), eine Reihenschaltung aus einem ersten und zweiten ohmschen Widerstand und einem Kondensator auf, wobei ein freies Ende des ersten Widerstands der Reihenschaltung am zweiten Netzwerkanschluss angeschlossen ist und ein freies Ende des Kondensators der Reihenschaltung am dritten Netzwerkanschluss angeschlossen ist und der erste Netzwerkanschluss an einem den ersten mit dem zweiten Widerstand verbindenden Verbindungszweig angeschlossen ist. Mittels der gewählten Bauelementeigenschaften, d. h. Widerstands- und Kapazitätswert, kann das Zeitglied der RC-Reihenschaltung vorgegeben werden, so dass eine konfigurierbare Einschaltstrombegrenzung möglich ist. Nach der Verzögerung durch das eingestellte Zeitglied dient der erste Widerstand als Pull-Up- oder Pull-Down-Widerstand (je nach bereitgestellter Polarität der ersten und zweiten Halbleiterschalter), der sicherstellt, dass die beiden ersten und zweiten Halbleiterschalter geschlossen sind.Preferably, the network for temporarily linearly activating the first and second semiconductor switches, i.e. for limiting the load current flowing in the load path when the load is activated (i.e. inrush current limitation), has a series circuit comprising a first and second ohmic resistor and a capacitor, wherein a free end of the first resistor of the series circuit is connected to the second network connection and a free end of the capacitor of the series circuit is connected to the third network connection and the first network connection is connected to a connection branch connecting the first to the second resistor. The timing element of the RC series circuit can be specified by means of the selected component properties, i.e. resistance and capacitance value, so that a configurable inrush current limitation is possible. After the delay by the set timing element, the first resistor serves as a pull-up or pull-down resistor (depending on the polarity provided for the first and second semiconductor switches), which ensures that the two first and second semiconductor switches are closed.

Weiterhin bevorzugt weist das Netzwerk zum Öffnen der ersten und zweiten Halbleiterschalter, d. h. zum Unterbrechen des Laststroms, beim Auftreten der Überspannung am Gleichspannungs- und/oder Lastanschluss eine Reihenschaltung aus einer (ersten) Diode und einem dritten ohmschen Widerstand sowie einen dritten Halbleiterschalter auf, wobei ein geschalteter Anschluss des dritten Halbleiterschalters am ersten Netzwerkanschluss angeschlossen ist und ein anderer geschalteter Anschluss des dritten Halbleiterschalters am dritten Netzwerkanschluss angeschlossen ist und ein freies Ende der Diode der Reihenschaltung am ersten Netzwerkanschluss angeschlossen ist und ein freies Ende des dritten Widerstands der Reihenschaltung am dritten Netzwerkanschluss angeschlossen ist, wobei ein Steueranschluss des dritten Halbleiterschalters an einem die Diode mit dem dritten Widerstand verbindenden Verbindungszweig angeschlossen ist. Auf diese Weise kann ein konfigurierbarer Überspannungsschutz durch entsprechende Wahl der Bauelemente bzw. ihrer elektrischen Eigenschaften bereitgestellt werden. Die Überspannungsschutzfunktion kann skaliert werden und die Abschaltspannung kann gezielt an die Anforderungen des konkreten Anwendungsfalls angepasst werden.Furthermore, the network for opening the first and second semiconductor switches, i.e. for interrupting the load current, when the overvoltage occurs at the DC voltage and/or load connection, preferably has a series connection of a (first) diode and a third ohmic resistor and a third semiconductor switch, wherein a switched connection of the third semiconductor switch is connected to the first network connection and another switched connection of the third semiconductor switch is connected to the third network connection and a free end of the diode of the series connection is connected to the first network connection and a free end of the third resistor of the series connection is connected to the third network connection, wherein a control connection of the third semiconductor switch is connected to a connection branch connecting the diode to the third resistor. In this way, configurable overvoltage protection can be provided by appropriate selection of the components or their electrical properties. The overvoltage protection function can be scaled and the shutdown voltage can be specifically adapted to the requirements of the specific application.

Nach einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Diode eine Z-Diode, deren Anode mit dem dritten Widerstand verbunden ist und deren Kathode am ersten Netzwerkanschluss angeschlossen ist.According to a further preferred embodiment, the first diode is a Z-diode whose anode is connected to the third resistor and whose cathode is connected to the first network connection.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht eine zweite Diode im Netzwerk vor, deren Anode am ersten Netzwerkanschluss angeschlossen ist und deren Kathode am zweiten Netzwerkanschluss angeschlossen ist, wobei die zweite Diode als Z-Diode ausgebildet ist.Another advantageous development provides a second diode in the network, the anode of which is connected to the first network connection and the cathode of which is connected to the second network connection, wherein the second diode is designed as a Z-diode.

Zum Öffnen der ersten und zweiten Halbleiterschalter, d. h. zum Unterbrechen des Laststroms, bei der Verpolung der Gleichspannungsquelle am Gleichspannungsanschluss kann gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung im Netzwerk eine dritte Diode vorgesehen sein, deren Anode am ersten Netzwerkanschluss angeschlossen ist und deren Kathode am zweiten Netzwerkanschluss angeschlossen ist. Diese Diode bewirkt eine umgehende Sperrung des ersten und zweiten Halbleiterschalters, da bei der Verpolung der Steueranschluss des dritten Halbleiterschalters mit dem Bezugspotenzial beaufschlagt wird, wodurch die ersten und zweiten Halbleiterschalter geöffnet werden. Bei korrekter Polung, d. h. im Normalbetrieb der Schutzvorrichtung, befindet sich die dritte Diode im Sperrzustand und verursacht somit im Wesentlichen keine elektrischen Verluste.In order to open the first and second semiconductor switches, i.e. to interrupt the load current, in the event of reverse polarity of the DC voltage source at the DC voltage connection, according to a further embodiment of the invention, a third diode can be provided in the network, the anode of which is connected to the first network connection and the cathode of which is connected to the second network connection. This diode causes an immediate blocking of the first and second semiconductor switches, since in the event of reverse polarity the control connection of the third semiconductor switch is subjected to the reference potential, whereby the first and second semiconductor switches are opened. With correct polarity, i.e. during normal operation of the protective device, the third diode is in the blocking state and thus causes essentially no electrical losses.

Bevorzugt weist das Netzwerk zum Schutz der ersten und zweiten Halbleiterschalter vor einer Überlastung in einer noch weiteren Ausführung eine vierte Diode auf, deren Anode am dritten Netzwerkanschluss angeschlossen ist und deren Kathode am ersten Netzwerkanschluss angeschlossen ist, wobei die vierte Diode als Z-Diode ausgebildet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass der erste und zweite Halbleiterschalter bei Überschreiten einer vorbestimmten Spannung an ihren Steueranschlüssen öffnen, d. h. den im Lastpfad fließenden Laststrom unterbrechen.In yet another embodiment, the network for protecting the first and second semiconductor switches from overloading preferably has a fourth diode, the anode of which is connected to the third network connection and the cathode of which is connected to the first network connection, the fourth diode being designed as a Z-diode. This ensures that the first and second semiconductor switches open when a predetermined voltage is exceeded at their control connections, i.e. interrupt the load current flowing in the load path.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Netzwerk zum Schutz vor der Überspannung am Gleichspannungs- und/oder Lastanschluss eine fünfte Diode auf, die jeweils mit einem ihrer Anschlüsse am zweiten und dritten Netzwerkanschluss angeschlossen ist und als Suppressor-Diode ausgebildet ist. Suppressordioden, auch Transient Voltage Suppressor (TVS) genannt, sind Dioden zum Schutz elektronischer Schaltungen vor kurzzeitigen Spannungsimpulsen. Die dabei kurzzeitig erreichte Spannung kann ausreichen, um Halbleiterbauelemente in der Schaltung zu zerstören. Suppressordioden werden leitend, wenn eine bauelementspezifische Spannungsschwelle überschritten wird. Die TVS-Diode verhält sich im normalen Betriebsfall, abgesehen von einem geringen Leckstrom und einer zusätzlichen Kapazität, neutral.According to a further advantageous embodiment, the network has a fifth diode to protect against overvoltage at the DC voltage and/or load connection, which is connected with one of its connections to the second and third network connection and is designed as a suppressor diode. Suppressor diodes, also called transient voltage suppressors (TVS), are diodes for protecting electronic circuits from short-term voltage pulses. The voltage reached for a short time can be sufficient to destroy semiconductor components in the circuit. Suppressor diodes become conductive when a component-specific voltage threshold is exceeded. The TVS diode behaves neutrally in normal operation, apart from a small leakage current and additional capacitance.

Besonders bevorzugt ist das Netzwerk ausschließlich aus diskreten Bauelementen gebildet ist, zum Beispiel ohmschen Widerständen, Kondensatoren, Dioden, Halbleiterschaltern. Ein elektrisches Bauelement, welches nur aus einer einzigen Funktionseinheit besteht, wird als diskret bezeichnet. Demgegenüber sind in integrierten Schaltkreisen mehrere gleichartige oder unterschiedliche Funktionseinheiten zu einem komplexen Bauelement zusammengefasst, auf welche die vorliegende Ausführungsform vollständig verzichtet.It is particularly preferred if the network is formed exclusively from discrete components, for example ohmic resistors, capacitors, diodes, semiconductor switches. An electrical component which consists of only a single functional unit is referred to as discrete. In contrast, in integrated circuits, several similar or different functional units are combined to form a complex component, which the present embodiment completely dispenses with.

Die Steueranschlüsse des ersten und zweiten Halbleiterschalters können einander parallelgeschaltet sein.The control terminals of the first and second semiconductor switches can be connected in parallel.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Schutzverfahren für ein Gleichstromnetz die Schritte auf:

- Anschließen einer Gleichspannungsquelle an einen Gleichspannungsanschluss,
- Anschließen einer aus der Gleichspannungsquelle zu speisenden elektrischen Last an einen Lastanschluss,
- Bereitstellen eines ersten und zweiten, einander antiseriell verschalteten Halbleiterschalters mit jeweils einem Steueranschluss in einem zum Lastanschluss führenden Lastpfad und
- Beaufschlagen der an einem Netzwerk elektrischer Bauelemente angeschlossenen Steueranschlüsse mit einem elektrischen Potenzial mittels der Bauelemente, um den ersten und zweiten Halbleiterschalter bei einer Aktivierung der Last temporär linear zu aktivieren und bei Auftreten einer Überspannung am Gleichspannungs- und/oder Lastanschluss und bei Verpolung der Gleichspannungsquelle am Gleichspannungsanschluss zu öffnen.

According to a further aspect of the invention, a protection method for a direct current network comprises the steps:

- Connecting a DC voltage source to a DC voltage connection,
- Connecting an electrical load to be fed from the DC voltage source to a load terminal,
- providing a first and a second semiconductor switch connected anti-serially to each other, each having a control connection in a load path leading to the load connection and
- Applying an electrical potential to the control terminals connected to a network of electrical components by means of the components in order to temporarily activate the first and second semiconductor switches in a linear manner when the load is activated and to open them when an overvoltage occurs at the DC voltage and/or load terminal and when the polarity of the DC voltage source is reversed at the DC voltage terminal.

Es sei darauf hingewiesen, dass bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung zurückgegriffen werden kann und umgekehrt. Insofern wird auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für den jeweiligen Erfindungsgegenstand auszulegen wären.It should be noted that with regard to process-related definitions of terms and the effects and advantages of process-related features, full recourse can be had to the disclosure of analogous definitions, effects and advantages of the protective device according to the invention and vice versa. In this respect, a repetition of explanations of analogous features, their effects and advantages is dispensed with in favor of a more compact description, without such omissions being interpreted as a restriction for the respective subject matter of the invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung,
2 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung,
3 ein Schaltbild eines noch weiteren Ausführungsbeispiels einer Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung und
4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Schutzverfahrens gemäß der Erfindung.

Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of non-limiting embodiments of the invention, which are explained in more detail below with reference to the drawing. In this drawing, schematically show:

1 a circuit diagram of an embodiment of a protective device according to the invention,
2 a circuit diagram of another embodiment of a protective device according to the invention,
3 a circuit diagram of yet another embodiment of a protective device according to the invention and
4 a flow chart of an embodiment of a protection method according to the invention.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.In the different figures, parts that are equivalent in terms of their function are always provided with the same reference symbols, so that they are usually only described once.

1 stellt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schutzvorrichtung 1 für ein Gleichstromnetz 2 dar. Die Schutzvorrichtung 1 weist einen Gleichspannungsanschluss V+, V- zum Anschluss einer Gleichspannungsquelle V1, einen Lastanschluss L+, L- zum Anschluss einer aus der Gleichspannungsquelle V1 zu speisenden elektrischen Last L, und einen zum Lastanschluss L+, L- führenden Lastpfad auf, in welchem ein erster und zweiter, einander antiseriell verschaltete Halbleiterschalter T1, T2 mit jeweils einem Steueranschluss G1, G2 angeordnet sind. Die Steueranschlüsse G1, G2 sind an einem Netzwerk N elektrischer Bauelemente (in 1 nicht explizit dargestellt) angeschlossen. 1 shows a circuit diagram of an embodiment of a protection device 1 for a direct current network 2. The protection device 1 has a direct voltage connection V+, V- for connecting a direct voltage source V1, a load connection L+, L- for connecting an electrical load L to be fed from the direct voltage source V1, and a load path leading to the load connection L+, L-, in which a first and second semiconductor switch T1, T2, which are connected anti-serially to one another and each have a control connection G1, G2, are arranged. The control connections G1, G2 are connected to a network N of electrical components (in 1 not explicitly shown).

Bevorzugt weist das Netzwerk N ausschließlich wenigstens einen ohmschen Widerstand und/oder wenigstens einen Kondensator und/oder wenigstens einen Halbleiterschalter und/oder wenigstens eine Diode auf, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein.Preferably, the network N exclusively comprises at least one ohmic resistor and/or at least one capacitor and/or at least one semiconductor switch and/or at least one diode, but is not necessarily limited thereto.

Bevorzugt ist das Netzwerk N ausschließlich aus diskreten Bauelementen gebildet.Preferably, the network N is formed exclusively from discrete components.

Das Netzwerk N bzw. die elektrischen Bauelemente beaufschlagen die Steueranschlüsse G1, G2 mit einem elektrischen Potenzial, um den ersten und zweiten Halbleiterschalter T1, T2 bei einer Aktivierung der Last L temporär linear zu aktivieren und bei Auftreten einer Überspannung am Gleichspannungs- und/oder Lastanschluss V+, V1 bzw. L+, L- und bei Verpolung der Gleichspannungsquelle V1 am Gleichspannungsanschluss V+, V- zu öffnen.The network N or the electrical components apply an electrical potential to the control terminals G1, G2 in order to temporarily activate the first and second semiconductor switches T1, T2 in a linear manner when the load L is activated and to open them when an overvoltage occurs at the DC voltage and/or load terminal V+, V1 or L+, L- and when the polarity of the DC voltage source V1 is reversed at the DC voltage terminal V+, V-.

1 ist weiter zu entnehmen, dass die Steueranschlüsse G1, G2 vorliegend ausschließlich am Netzwerk N angeschlossen sind, so dass ausschließlich dieses auf die Steueranschlüsse G1, G2 einwirkt. 1 It can also be seen that the control connections G1, G2 are connected exclusively to network N, so that only this network has an effect on the control connections G1, G2.

Des Weiteren ist in 1 zu erkennen, dass das Netzwerk N elektrisch über wenigstens einen ersten Netzwerkanschluss 3 mit den Steueranschlüssen G1, G2 verbunden ist, über einen zweiten Netzwerkanschluss 4 mit einem Pol des Gleichspannungsanschlusses V+, V- verbunden ist und über einen dritten Netzwerkanschluss 5 mit jeweils einem geschalteten Anschluss des ersten und zweiten Halbleiterschalters T1, T2 verbunden ist. Es ist zu verstehen, dass die in 1 dargestellten zwei ersten Netzwerkanschlüsse 3 nicht notwendigerweise in zweifacher Ausführung vorhanden sein müssen. Insbesondere wenn die Steueranschlüsse G1 und G2 einander parallelgeschaltet sind, kann lediglich ein einziger erster Netzwerkanschluss 3 vom Netzwerk N bereitgestellt sein. Es können auch zwei erste Netzwerkanschlüsse 3 bereitgestellt sein, die vom Netzwerk intern beispielsweise parallelgeschaltet sind. Falls keine Parallelschaltung der Steueranschlüsse G1, G2 vorgesehen ist, kann das Netzwerk N für jeden Steueranschluss G1, G2 einen entsprechenden ersten Netzwerkanschluss 3 aufweisen.Furthermore, in 1 It can be seen that the network N is electrically connected to the control terminals G1, G2 via at least one first network connection 3, is connected to a pole of the DC voltage connection V+, V- via a second network connection 4 and is connected to a switched connection of the first and second semiconductor switches T1, T2 via a third network connection 5. It is to be understood that the 1 The two first network connections 3 shown do not necessarily have to be present in duplicate. In particular, if the control connections G1 and G2 are connected in parallel, only a single first network connection 3 can be provided by the network N. Two first network connections 3 can also be provided, which are connected in parallel internally by the network, for example. If no parallel connection of the control connections G1, G2 is provided, the network N can have a corresponding first network connection 3 for each control connection G1, G2.

2 stellt ein detailliertes Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schutzvorrichtung 10 für ein Gleichstromnetz 2 gemäß der Erfindung dar. Die Schutzvorrichtung 10 ist im Wesentlichen wie die Schutzvorrichtung 1 aus 1 aufgebaut. Im Unterschied zur Schutzvorrichtung 1 ist in 2 eine konkrete Ausgestaltung des Netzwerks N der Schutzvorrichtung 10 dargestellt. 2 shows a detailed circuit diagram of another embodiment of a protection device 10 for a direct current network 2 according to the invention. The protection device 10 is essentially like the protection device 1 from 1 In contrast to protective device 1, in 2 a concrete design of the network N of the protective device 10 is shown.

Das Netzwerk N der Schutzvorrichtung 10 weist ausschließlich ohmsche Widerstände R1, R2, R3 und einen Kondensator C1 und einen Halbleiterschalter T3 und wenigstens vier Dioden D2, D3, D4, D5 auf. Die Diode D1 kann optional vorgesehen sein, was in 2 durch gestrichelt gezeichnete Verbindungsleitungen angedeutet ist.The network N of the protection device 10 comprises exclusively ohmic resistors R1, R2, R3 and a capacitor C1 and a semiconductor switch T3 and at least four diodes D2, D3, D4, D5. The diode D1 can be provided optionally, which in 2 indicated by dashed connecting lines.

Wie 2 zu entnehmen ist, weist das Netzwerk N der vorliegenden Schutzvorrichtung 10 zum temporären linearen Aktivieren der ersten und zweiten Halbleiterschalter T1, T2 bei der Aktivierung der Last L eine Reihenschaltung aus dem ersten und zweiten ohmschen Widerstand R1, R2 und dem Kondensator C1 auf. Ein freies Ende des ersten Widerstands R1 der Reihenschaltung ist am zweiten Netzwerkanschluss 4 angeschlossen und ein freies Ende des Kondensators C1 der Reihenschaltung ist am dritten Netzwerkanschluss 5 angeschlossen. Der erste Netzwerkanschluss 3 ist an einem den ersten mit dem zweiten Widerstand R1, R2 verbindenden Verbindungszweig angeschlossen.How 2 As can be seen, the network N of the present protection device 10 for temporarily linearly activating the first and second semiconductor switches T1, T2 when activating the load L has a series connection of the first and second ohmic resistors R1, R2 and the capacitor C1. A free end of the first resistor R1 of the series connection is connected to the second network connection 4 and a free end of the capacitor C1 of the series connection is connected to the third network connection 5. The first network connection 3 is connected to a connection branch connecting the first to the second resistor R1, R2.

Des Weiteren ist 2 zu entnehmen, dass das Netzwerk N zum Öffnen der ersten und zweiten Halbleiterschalter T1, T2 beim Auftreten der Überspannung am Gleichspannungs- und/oder Lastanschluss V+, V- bzw. L+, L- eine Reihenschaltung aus der Diode D4 und dem dritten ohmschen Widerstand R3 sowie den dritten Halbleiterschalter T3 aufweist, von dem ein geschalteter Anschluss am ersten Netzwerkanschluss 3 angeschlossen ist und sein anderer geschalteter Anschluss am dritten Netzwerkanschluss 5 angeschlossen ist. Ein freies Ende (vorliegend die Anode) der Diode D4 der Reihenschaltung ist am ersten Netzwerkanschluss 3 angeschlossen und ein freies Ende des dritten Widerstands R3 der Reihenschaltung ist am dritten Netzwerkanschluss 5 angeschlossen, wobei ein Steueranschluss des dritten Halbleiterschalters T3 an einem die Diode D4 (vorliegend die Kathode) mit dem dritten Widerstand R3 elektrisch verbindenden Verbindungszweig angeschlossen ist.Furthermore, 2 It can be seen that the network N for opening the first and second semiconductor switches T1, T2 when the overvoltage occurs at the DC voltage and/or load connection V+, V- or L+, L- has a series connection of the diode D4 and the third ohmic resistor R3 as well as the third semiconductor switch T3, of which one switched connection is connected to the first network connection 3 and its other switched connection to the third network network connection 5. A free end (in this case the anode) of the diode D4 of the series circuit is connected to the first network connection 3 and a free end of the third resistor R3 of the series circuit is connected to the third network connection 5, wherein a control connection of the third semiconductor switch T3 is connected to a connection branch electrically connecting the diode D4 (in this case the cathode) to the third resistor R3.

Ferner weist das Netzwerk N der in 2 gezeigten beispielhaften Schutzvorrichtung 10 die zweite Diode D3 auf, deren Anode am ersten Netzwerkanschluss 3 angeschlossen ist und deren Kathode am zweiten Netzwerkanschluss 4 angeschlossen ist. Die zweite Diode D3 ist als Z-Diode ausgebildet.Furthermore, the network N of the 2 The exemplary protection device 10 shown has the second diode D3, the anode of which is connected to the first network connection 3 and the cathode of which is connected to the second network connection 4. The second diode D3 is designed as a Z-diode.

Weiter weist das Netzwerk N der Schutzvorrichtung 10 zum Öffnen der ersten und zweiten Halbleiterschalter T1, T2 bei der Verpolung der Gleichspannungsquelle V1 am Gleichspannungsanschluss V+, V- die dritte Diode D5 auf, deren Anode am ersten Netzwerkanschluss 3 angeschlossen ist und deren Kathode am zweiten Netzwerkanschluss 4 angeschlossen ist.Furthermore, the network N of the protective device 10 for opening the first and second semiconductor switches T1, T2 in the event of reverse polarity of the direct voltage source V1 at the direct voltage terminal V+, V- has the third diode D5, the anode of which is connected to the first network terminal 3 and the cathode of which is connected to the second network terminal 4.

Zum Schutz der ersten und zweiten Halbleiterschalter T1, T2 vor einer Überlastung weist das Netzwerk N der beispielhaften Schutzvorrichtung 10 ferner die vierte Diode D2 auf, deren Anode am dritten Netzwerkanschluss 5 angeschlossen ist und deren Kathode am ersten Netzwerkanschluss 3 angeschlossen ist, wobei die vierte Diode D2 als Z-Diode ausgebildet ist.To protect the first and second semiconductor switches T1, T2 from overload, the network N of the exemplary protection device 10 further comprises the fourth diode D2, the anode of which is connected to the third network connection 5 and the cathode of which is connected to the first network connection 3, wherein the fourth diode D2 is designed as a Z-diode.

Die bereits oben genannte fünfte Diode D1 kann zum Schutz vor der Überspannung am Gleichspannungs- und/oder Lastanschluss V+, V- bzw. L+, L- im Netzwerk N vorgesehen sein, die jeweils mit einem ihrer beiden Anschlüsse am zweiten und dritten Netzwerkanschluss 4, 5 angeschlossen und als Suppressor-Diode ausgebildet ist. Diese stellt einen nachgeordneten Überspannungsschutz bereit und ist für die Erfindung nicht zwingend erforderlich.The fifth diode D1 mentioned above can be provided to protect against overvoltage at the DC voltage and/or load connection V+, V- or L+, L- in the network N, which is connected with one of its two connections to the second and third network connection 4, 5 and is designed as a suppressor diode. This provides downstream overvoltage protection and is not absolutely necessary for the invention.

Vorliegend ist das Netzwerk ausschließlich aus den diskreten Bauelementen C1, D1-D5, R1-R3 und T3 gebildet.In this case, the network is formed exclusively from the discrete components C1, D1-D5, R1-R3 and T3.

Wie 2 zu entnehmen ist, sind die Steueranschlüsse G1 und G2 vorliegend netzwerkintern parallelgeschaltet.How 2 As can be seen, the control connections G1 and G2 are connected in parallel within the network.

3 stellt ein Schaltbild eines noch weiteren Ausführungsbeispiels einer Schutzvorrichtung 20 für ein Gleichstromnetz 2 gemäß der Erfindung dar. Die Schutzvorrichtung 20 ist im Wesentlichen wie die Schutzvorrichtung 1 aus 1 aufgebaut. 3 shows a circuit diagram of yet another embodiment of a protection device 20 for a direct current network 2 according to the invention. The protection device 20 is essentially like the protection device 1 from 1 built.

Im Unterschied zur Schutzvorrichtung 10 aus 2 weist das Netzwerk N der Schutzvorrichtung 20 vorliegend keine zweite Diode D3 auf und die Diode D4 ist als Z-Diode ausgebildet, deren Anode nun mit dem Widerstand R3 verbunden ist und deren Kathode am ersten Netzwerkanschluss 3 angeschlossen ist. Dementsprechend schaltet die Z-Diode D4 den Halbleiterschalter T3 bei Auftreten einer Überspannung, deren Wert durch die Diode D4 konfigurierbar ist, durch, so dass die Halbleiterschalter T1 und T2 sicher öffnen. Ansonsten ist die Schutzvorrichtung 20 in 3 im Wesentlichen gleich ausgebildet wie die Schutzvorrichtung 10 aus 1. Das heißt beispielsweise, dass das Netzwerk N der Schutzvorrichtung 20 vorliegend ebenfalls ausschließlich aus den in 3 dargestellten diskreten Bauelementen ausgebildet ist.In contrast to the protective device 10 from 2 the network N of the protective device 20 does not have a second diode D3 and the diode D4 is designed as a Z-diode, the anode of which is now connected to the resistor R3 and the cathode of which is connected to the first network connection 3. Accordingly, the Z-diode D4 switches the semiconductor switch T3 on when an overvoltage occurs, the value of which can be configured by the diode D4, so that the semiconductor switches T1 and T2 open safely. Otherwise, the protective device 20 is in 3 essentially the same design as the protective device 10 from 1 This means, for example, that the network N of the protective device 20 in this case also consists exclusively of the 3 shown discrete components.

4 stellt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Schutzverfahrens 100 für ein Gleichstromnetz (z. B. Gleichstromnetz 2) gemäß der Erfindung dar. 4 illustrates a flowchart of an embodiment of a protection method 100 for a direct current network (e.g. direct current network 2) according to the invention.

In Schritt 110 wird eine Gleichspannungsquelle (z. B. Quelle V1) an einen Gleichspannungsanschluss (z. B. Anschluss V+, V-) angeschlossen.In step 110, a DC voltage source (e.g., source V1) is connected to a DC voltage terminal (e.g., terminal V+, V-).

In Schritt 120 wird eine aus der Gleichspannungsquelle zu speisende elektrischen Last (z. B. Last L) an einen Lastanschluss (z. B. Anschluss L+, L-) angeschlossen.In step 120, an electrical load (e.g. load L) to be supplied from the DC voltage source is connected to a load terminal (e.g. terminal L+, L-).

In Schritt 130 werden ein erster und zweiter, einander antiseriell verschaltete Halbleiterschalter (z. B. Schalter T1, T2) mit jeweils einem Steueranschluss (z. B. Anschlüsse G1, G2) in einem zum Lastanschluss führenden Lastpfad bereitgestellt.In step 130, a first and a second semiconductor switch (e.g. switches T1, T2) connected anti-serially to one another, each with a control terminal (e.g. terminals G1, G2) are provided in a load path leading to the load terminal.

In Schritt 140 werden die an einem Netzwerk (z. B. Netzwerk N), das aus elektrischen Bauelementen (z. B. Bauelemente C1, D2, D3, D4, D5, R1, R2, R3, T3) gebildet ist, angeschlossenen Steueranschlüsse mit einem elektrischen Potenzial mittels der Bauelemente beaufschlagt, um den ersten und zweiten Halbleiterschalter bei einer Aktivierung der Last temporär linear zu aktivieren und bei Auftreten einer Überspannung am Gleichspannungs- und/oder Lastanschluss und bei Verpolung der Gleichspannungsquelle am Gleichspannungsanschluss zu öffnen.In step 140, the control terminals connected to a network (e.g. network N) formed from electrical components (e.g. components C1, D2, D3, D4, D5, R1, R2, R3, T3) are subjected to an electrical potential by means of the components in order to temporarily activate the first and second semiconductor switches linearly when the load is activated and to open them when an overvoltage occurs at the DC voltage and/or load terminal and when the polarity of the DC voltage source is reversed at the DC voltage terminal.

Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Schutzvorrichtung sowie das Schutzverfahren für ein Gleichstromnetz sind nicht auf die jeweils beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale aller Erfindungsgegenstände ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The protective device according to the invention and the protective method for a direct current network disclosed herein are not limited to the specific embodiments described in each case, but also include other embodiments with the same effect, which result from technically reasonable combinations of the features of all the subject matters of the invention described herein. In particular, the features described above in the general The features and combinations of features mentioned in the description and the figure description and/or shown in the figures alone can be used not only in the combinations explicitly stated herein, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für ein Gleichstromnetz in einem Kraftfahrzeug verwendet, wobei die Gleichspannungsquelle eine Batterie des Kraftfahrzeugs ist und die Last ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs ist.In a particularly preferred embodiment, the protective device according to the invention is used for a direct current network in a motor vehicle, wherein the direct current source is a battery of the motor vehicle and the load is an on-board network of the motor vehicle.

Die Gleichspannungsquelle kann beispielsweise eine Niedervolt-Batterie des Kraftfahrzeugs sein. In diesem Fall kann der Verbraucher beispielsweise ein Niedervolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs sein.The direct current source can be, for example, a low-voltage battery in the motor vehicle. In this case, the consumer can be, for example, a low-voltage electrical system in the motor vehicle.

Die Gleichspannungsquelle kann beispielsweise eine Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs sein (z. B. Traktionsbatterie). In diesem Fall kann der Verbraucher ein Hochvolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs sein und/oder ein Niedervolt-Bordnetz bei entsprechender Spannungswandlung zwischen Hochvolt-Batterie und Niedervolt-Bordnetz.The direct voltage source can be, for example, a high-voltage battery of the motor vehicle (e.g. traction battery). In this case, the consumer can be a high-voltage electrical system of the motor vehicle and/or a low-voltage electrical system with appropriate voltage conversion between the high-voltage battery and the low-voltage electrical system.

Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb, also solche mit ausschließlich elektrischem Antrieb (sogenannte Batterie-Elektrofahrzeuge, abgekürzt BEV) als auch solche mit gemischtem Antrieb, sogenannte Hybridfahrzeuge (HEV), weisen einen Akkumulator als elektrischen Energiespeicher auf. Derartige Akkumulatoren sind in der Regel als Hochvolt-Energiespeicher ausgelegt.Motor vehicles with electric drive, i.e. those with exclusively electric drive (so-called battery electric vehicles, abbreviated BEV) as well as those with mixed drive, so-called hybrid vehicles (HEV), have an accumulator as an electrical energy storage device. Such accumulators are usually designed as high-voltage energy storage devices.

Als Hochvoltspannung wird hierin eine elektrische Gleichspannung von größer als 60 V, insbesondere größer als 200 V, verstanden, z. B. 400 V oder 800 V bis etwa 1500 V. Als Niedervoltspannung wird eine elektrische Spannung kleiner oder gleich 60 V verstanden, z. B. 6 V, 12 V, 24 V, 48 V oder 60 V.A high voltage is understood here to mean an electrical direct voltage of greater than 60 V, in particular greater than 200 V, e.g. 400 V or 800 V to about 1500 V. A low voltage is understood to mean an electrical voltage less than or equal to 60 V, e.g. 6 V, 12 V, 24 V, 48 V or 60 V.

Die Gleichspannungsquelle kann als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgebildet sein. Andere Implementierungen der Gleichspannungsquelle, beispielsweise als Lithium-Ionen-Akku oder Blei-Säure-Batterie, sind von der Erfindung jedoch nicht ausgeschlossen, auch wenn die Ausführung als Lithium-Polymer-Akku als besonders bevorzugt angesehen wird, da diese zusätzliche Sicherheitsanforderungen für einen ordnungsgemäßen Betrieb stellen, die durch die Erfindung erfüllt werden.The direct voltage source can be designed as a lithium polymer battery. However, other implementations of the direct voltage source, for example as a lithium-ion battery or lead-acid battery, are not excluded from the invention, even if the design as a lithium polymer battery is considered particularly preferred, since these impose additional safety requirements for proper operation, which are met by the invention.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11: Schutzvorrichtungprotective device
22: Gleichstromnetzdirect current network
33: Erster NetzwerkanschlussFirst network connection
44: Zeiter Netzwerkanschlusstimer network connection
55: Dritter Netzwerkanschlussthird network connection
1010: Schutzvorrichtungprotective device
2020: Schutzvorrichtungprotective device
100100: Schutzverfahrenprotection proceedings
C1C1: Kondensatorcapacitor
D1-5D1-5: Diodediode
G1, G2G1, G2: Steueranschlusscontrol connection
ILIL: Lasstromload current
LL: Lastload
L+L+: Lastanschluss Pluspolload connection positive pole
L-L-: Lastanschluss Minuspolload connection negative pole
NN: Netzwerknetwork
R1-3R1-3: WiderstandResistance
T1-3T1-3: Halbleiterschaltersemiconductor switches
V1V1: GleichspannungsquelleDC voltage source
V+V+: Gleichspannungsanschluss PluspolDC voltage connection positive pole
V-V-: Gleichspannungsanschluss MinuspolDC voltage connection negative pole

Claims

Protection device (1, 10, 20) for a direct current network (2), having a direct voltage connection (V+, V-) for connecting a direct voltage source (V1), a load connection (L+, L-) for connecting an electrical load (L) to be fed from the direct voltage source (V1), and a load path leading to the load connection (L+, L-), in which a first and second semiconductor switch (T1, T2) connected anti-serially to one another, each with a control connection (G1, G2) are arranged, wherein the control connections (G1, G2) are connected to a network (N) of electrical components (C1, D2, D3, D4, D5, R1, R2, R3, T3) which apply an electrical potential to the control connections (G1, G2) in order to temporarily activate the first and second semiconductor switch (T1, T2) linearly when the load (L) is activated and to switch the load (L) off when an overvoltage occurs at the load connection (L+, L-). DC voltage and/or load connection (L+, L-) and in case of reverse polarity of the DC voltage source (V1) at the DC voltage connection (V+, V-).

protective device according to claim 1 , characterized in that the control connections (G1, G2) are exclusively connected to the network (N).

protective device according to claim 1 or 2 , characterized in that the network (N) exclusively comprises at least one ohmic resistor (R1, R2, R3) and/or at least one capacitor (C1) and/or at least one semiconductor switch (T3) and/or at least one diode (D2, D3, D4, D5).

Protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the network (N) is electrically connected to the control terminals (G1, G2) via at least a first network connection (3), is connected to a pole of the direct voltage connection (V+, V-) via a second network connection (4) and is connected to a switched connection of the first and second semiconductor switches (T1, T2) via a third network connection (5).

Protection device according to the preceding claim, characterized in that the network (N) for temporarily linearly activating the first and second semiconductor switches (T1, T2) when the load (L) is activated has a series connection of a first and second ohmic resistor (R1, R2) and a capacitor (C1), wherein a free end of the first resistor (R1) of the series connection is connected to the second network connection (4) and a free end of the capacitor (C1) of the series connection is connected to the third network connection (5) and the first network connection (3) is connected to a connection branch connecting the first to the second resistor (R1, R2).

Protection device according to one of the three preceding claims, characterized in that the network (N) for opening the first and second semiconductor switches (T1, T2) when the overvoltage occurs at the direct voltage (V+, V-) and/or load connection (L+, L-) has a series connection of a diode (D4) and a third ohmic resistor (R3) and a third semiconductor switch (T3), wherein a switched connection of the third semiconductor switch (T3) is connected to the first network connection (3) and another switched connection of the third semiconductor switch (T3) is connected to the third network connection (5) and a free end of the diode (D4) of the series connection is connected to the first network connection (3) and a free end of the third resistor (R3) of the series connection is connected to the third network connection (5), wherein a control connection of the third semiconductor switch (T3) is connected to a connection branch connecting the diode (D4) to the third resistor (R3).

Protection device according to the preceding claim, characterized in that the diode (D4) is a Z-diode whose anode is connected to the third resistor (R3) and whose cathode is connected to the first network connection (3).

Protection device according to one of the two preceding claims, characterized in that the network (N) has a second diode (D3), the anode of which is connected to the first network connection (3) and the cathode of which is connected to the second network connection (4), the second diode (D3) being designed as a Z-diode.

Protection device according to one of the four preceding claims, characterized in that the network (N) for opening the first and second semiconductor switches (T1, T2) in the event of reverse polarity of the direct voltage source (V1) at the direct voltage connection (V+, V-) has a third diode (D5), the anode of which is connected to the first network connection (3) and the cathode of which is connected to the second network connection (4).

Protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the network (N) for protecting the first and second semiconductor switches (T1, T2) against overload has a fourth diode (D2), the anode of which is connected to the third network connection (5) and the cathode of which is connected to the first network connection (3), the fourth diode (D2) being designed as a Z-diode.

Protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the network (N) for protection against the overvoltage at the direct voltage (V+, V-) and/or load connection (L+, L-) has a fifth diode (D1), which is connected with a connection to the second and third network connection (4, 5) and is designed as a suppressor diode.

Protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the network (N) is formed exclusively from discrete components (C1, D2, D3, D4, D5, R1, R2, R3, T3).

Protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the control terminals (G1, G2) are connected in parallel.

Protection method (100) for a direct current network (2), comprising the steps: - connecting a direct current source (V1) to a direct voltage connection (V+, V-), - connecting an electrical load (L) to be fed from the direct voltage source (V1) to a load connection (L+, L-), - providing a first and second semiconductor switch (T1, T2) connected anti-serially to one another, each with a control connection (G1, G2) in a load path leading to the load connection (L+, L-), and - applying an electrical potential to the control connections (G1, G2) connected to a network (N) of electrical components (C1, D2, D3, D4, D5, R1, R2, R3, T3) by means of the components (C1, D2, D3, D4, D5, R1, R2, R3, T3) in order to temporarily activate the first and second semiconductor switch (T1, T2) linearly when the load (L) is activated and when an overvoltage occurs at the direct voltage (V+, V-) and/or load connection (L+, L-) and in case of reverse polarity of the DC voltage source (V1) at the DC voltage connection (V+, V-).

Use of a protective device (1) according to one of the Claims 1 until 13 in a motor vehicle, wherein the direct voltage source (V1) is a battery of the motor vehicle and the load (L) is an on-board network of the motor vehicle.