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1. WO2020099103 - ELECTRONIC SWITCH WITH SURGE PROTECTOR

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

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Beschreibung

Elektronischer Schalter mit Überspannungsschutz

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter mit min destens einem abschaltbaren Halbleiterschalter, wobei der elektronische Schalter einen Kondensator und einen Varistor aufweist, wobei der Kondensator und der Varistor in einer ersten Reihenschaltung angeordnet sind, wobei die erste Rei henschaltung aus dem Kondensator und dem Varistor parallel zum abschaltbaren Halbleiterschalter angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines der artigen elektronischen Schalters.

Die Versorgung mit elektrischer Energie findet heutzutage in erster Linie über Wechselspannungsnetze statt. Diese haben den Vorteil, dass sich unterschiedliche Spannungsebenen mit Hilfe von Transformatoren hersteilen lassen. Durch Halblei ter, die immer kostengünstiger am Markt verfügbar sind, las sen sich auch für DC Netze auf einfache Weise unterschiedli che Spannungsebenen erzeugen, so dass gerade auch die Ener gieversorgung über DC Netze, insbesondere innerhalb von In dustrienetzen, besonders wirtschaftlich wird.

DC-Netze sollen dabei in zukünftigen Industrieanlagen Verlus te reduzieren, den direkten Energieaustausch zwischen Umrich tern, Speichern und Motoren gewährleisten und eine erhöhte Robustheit erzielen. Dabei können beispielsweise kleine DC Netze mit unterschiedlichen Kabellängen zwischen den ver schiedenen Lastabgängen und Einspeisungen betrieben werden. Die geringen Kabellängen führen zu sehr kleinen Längsindukti vitäten in den Zuleitungen, so dass Fehlerströme sehr steile Stromanstiege aufweisen können. Dies macht eine sehr schnelle Fehlererkennung und Abschaltung für den Fehlerfall erforder lich. Diese Forderungen können mechanische Schalter oftmals nicht erfüllen. Deshalb werden sogenannte elektronische

Schalter mit Halbleiterschaltern eingeführt. Diese werden auch als Solid State Breaker bezeichnet. Diese Schalter zeichnen sich durch ein im Gegensatz zu mechanischen Schal tern besonders schnelle Schalten, typischerweise in der Grö ßenordnung von 100ns, aus.

Aus der DE 37 18 941 Al ist eine Vorrichtung zur Einleitung von Hochspannungsströmen in eine chemische Lösung bekannt. Diese besteht aus einer Speichereinrichtung, einer Aufnahme einrichtung, einer Erfassungsvorrichtung und einer Leitvor richtung, die einen Hochj ouleschalter umfasst.

Aus der EP 3 367 567 Al ist eine Schaltvorrichtung zum Auf trennen eines Strompfads bekannt. Dieses Dokument betrifft eine Schaltvorrichtung zum Auftrennen einer quell- und last seitigen Induktivität umfassenden Strompfads eines Gleich spannungsnetzes. Die Schaltvorrichtung umfasst zumindest zwei in Serie verschaltete Schaltmodule, wobei jedes der Schaltmo-dule zumindest ein steuerbares Halbleiterschaltelement um fasst, dem eine Serienschaltung aus einem Widerstand und ei nem Kondensator parallelgeschaltet ist.

In der nach dem Prioritätstag veröffentlichten WO

2018/172134 Al wird ein Verfahren zur Steuerung eines Gleich stromschalters vorgeschlagen. Der Gleichstromschalter weist dabei einen ersten abschaltbaren Halbleiterschalter und einen zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter auf, wobei der erste und der zweite abschaltbare Halbleiterschalter derart zwi schen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss an geordnet sind, dass ein Strom mit einer ersten Polarität durch den ersten ab- schaltbaren Halbleiterschalter führbar ist und der Strom mit einer gegenüber der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität durch den zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter führbar ist, wobei in Abhängigkeit eines Strommesswertes einer der abschaltbaren Halbleiterschalter abgeschaltet wird.

In der nach dem Prioritätstag veröffentlichten

WO 2019/011642 Al wird ein elektronischer Schalter mit min destens einem abschaltbaren Halbleiterschalter, einem Varis- tor und einem Kondensator vorgeschlagen. Dabei weist der elektronische Schalter einen ersten Anschluss und einen zwei ten Anschluss auf, zwischen denen eine elektrisch leitende Verbindung mittels des mindestens einen abschaltbaren Halb leiterschalters je nach Schaltzustand des abschaltbaren Halb leiterschalters herstellbar oder unterbrechbar ist. Dabei wird vorgeschlagen, dass eine Reihenschaltung aus dem Varis tor und dem Kondensator jeweils mit einer ersten Diode mit dem ersten Anschluss und mit einer zweiten Diode mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen elektronischen Schalter, insbesondere hinsichtlich seines Schaltverhaltens, zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch einen elektronischen Schalter mit mindestens einem abschaltbaren Halbleiterschalter, einem Kon densator und einem Varistor gelöst, wobei der Kondensator und der Varistor in einer ersten Reihenschaltung angeordnet sind, wobei die erste Reihenschaltung aus dem Kondensator und dem Varistor parallel zum abschaltbaren Halbleiterschalter ange ordnet ist, wobei der elektronische Schalter einen Schalter und einen Widerstand aufweist, wobei der Schalter und der Wi derstand in einer zweiten Reihenschaltung angeordnet sind, wobei die zweite Reihenschaltung aus dem Schalter und dem Wi derstand zum abschaltbaren Halbleiterschalter und zur ersten Reihenschaltung parallel angeordnet ist. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen elektronischen Schalters gelöst, wobei vor dem Einschalten des abschaltbaren Halbleiterschalters der Schalter einge schaltet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich das Schaltverhalten des elektronischen Schalters verbessern lässt, wenn parallel zum abschaltbaren Halbleiterschalter ei- ne Reihenschaltung aus Varistor und Kondensator angeordnet ist. Diese Reihenschaltung kann den abschaltbaren Halbleiter schalter vor Spannungsspitzen, die beim Schalten entstehen, schützen und somit einen störungsfreien Betrieb gewährleisten und gleichzeitig seine Lebensdauer erhöhen.

Bei dem abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter kann es sich um einen Schalter handeln, der einen Strom nur in eine Richtung abschalten kann. Dieser ist insbesondere für Lasten geeignet, die nicht rückspeisefähig sind und damit auch nur Strom in eine Richtung führen. Ebenso kann es sich um einen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter handeln, der einen Strom in beide Richtungen abschalten kann.

Der abschaltbare Halbleiterschalter ist empfindlich gegenüber Spannungsspitzen, die beim Schalten, insbesondere beim Ab schalten, des Stroms auftreten. Durch die vorhandenen Induk tivitäten im DC Netz, beispielswese aufgrund von parasitären Induktivitäten der Kabel, führen Stromänderungen, im Besonde ren Stromunterbrechungen zu hohen Spannungen, die dann teil weise über den abschaltbaren Halbleiterschalter abfallen und diesen beschädigen oder seine Lebensdauer herabsetzen können. Durch die parallel angeordnete erste Reihenschaltung aus Va ristor und Kondensator kann der abschaltbare Halbleiterschal ter zuverlässig vor entstehenden Überspannungen und Span nungsspitzen geschützt werden.

Dabei wird ein Übergang vom sperrenden in den leitenden Zu stand eines Schalters als Einschalten und ein Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand eines Schalters als Aus schalten oder Abschalten bezeichnet.

In Abhängigkeit seiner Strom-Spannungskennlinie fällt ein Teil der beim Abschalten des abschaltbaren Halbleiterschal ters entstehenden Spannung über dem Varistor ab, der andere Teil über dem Kondensator. Hier kommt positiv zum Tragen, dass nunmehr die Auslegung des Varistors einfacher wird, da er nun nicht mehr die volle Sperrspannung übernehmen muss.

Die Energie aus den Induktivitäten, sowohl in der Last als auch in den betreffenden Zweigen des DC Netzes wird nun auch von dem Kondensator aufgenommen. Dadurch baut sich im Konden sator eine Spannung auf, welche sich zu der Spannung des Va ristors addiert. Besonders hilfreich ist dabei, dass bei sin kendem Laststrom die Kondensatorspannung steigt und die ge ringere Gegenspannung des Varistors kompensiert. Der Last strom sinkt durch die aufgebrachte Gegenspannung des Konden sators nach der Gleichung u(t)= L*di/dt und wegen des Verhal tens des Kondensators mit i(t)=C*du/dt baut sich mehr und mehr eine Gegenspannung über dem Kondensator auf. Auf Jeden Fall wird dadurch eine Gegenspannung erzeugt, die größer ist als die treibende DC Spannung, da durch den Stromfluss durch den Kondensator eine Gegenspannung aufgebaut wird, die zwangsläufig und zuverlässig nach einer gewissen Zeit den Stromfluss unterbindet.

Mit anderen Worten wird eine Energie der Induktivität oder Induktivitäten, die sich im abzuschaltenden bzw. abgeschalte ten Zweig befindet, von der oder den Induktivitäten auf den Kondensator übertragen, dessen Spannung dadurch ansteigt.

Beim Ausschalten des abschaltbaren Halbleiterschalters ent stehen aufgrund der hohen Stromänderung Spannungsspitzen. Diese führen dazu, dass der Varistor durchbricht und in den leitenden Zustand übergeht und einen Stromfluss von den In duktivitäten zum Kondensator ermöglicht. Die am Kondensator vorhandene und sich nur über das Integral des durch diesen fließenden Stroms aufbauende Spannung sowie die geringe Span nung am Varistor, der in den leitenden Zustand übergangen ist, liegt damit auch am abschaltbaren Halbleiterschalter an, der parallel zu der ersten Reihenschaltung aus Varistor und Kondensator angeordnet ist. Damit ist auch die Spannung am abschaltbaren Halbleiterschalter gering und schützt diesen zuverlässig vor Spannungsspitzen. Dies sichert seine Funkti onsfähigkeit auch beim Abschalten von hohen Strömen oder ho hen Induktivitäten im betreffenden abgeschalteten Zweig. Dar über hinaus erhöhen die moderaten Spannungen beim Abschalten des abschaltbaren Halbleiterschalters seine Lebensdauer.

Tritt nun ein Kurzschluss auf bei einer Last im Gleichspan nungsnetz auf, kann die DC Quelle durch Abschalten des elekt ronischen Schalters von der Fehlerstelle abgetrennt werden. Der Strom durch die Lastinduktivitäten hat keinen Freilauf pfad, wodurch sich über dem abschaltbaren Halbleiterschalter eine Spannung aufbauen würde, welche diesen belastet oder diesen sogar zerstören kann. Das Spannungsbegrenzungsnetzwerk in Forma der ersten Reihenschaltung aus Varistor und Konden sator ist dabei nicht nur anwendbar bei dem hier schematisch dargestellten elektronischen Schalter mit abschaltbaren Halb leiterschaltern, sondern kann bei beliebig ausgeführten

Gleichstromschaltern in DC Netzen eingesetzt werden.

Dabei weist der elektronische Schalter einen Schalter und ei nen Widerstand auf, wobei der Schalter und der Widerstand in einer zweiten Reihenschaltung angeordnet sind, wobei die zweite Reihenschaltung aus dem Schalter und dem Widerstand zum abschaltbaren Halbleiterschalter und zur ersten Reihen schaltung parallel angeordnet ist. Durch die Erweiterung des elektronischen Schalters um einen Schalter und einen Wider stand kann das Wiedereinschalten nach einem abschalten Vor gang besonders verlustarm ausgeführt werden. Die vom Konden sator bei einem Abschaltvorgang aufgenommene Energie aus den Induktivitäten stellt bei einem erneuten Einschalten des Schalters eine Belastung dar, da sich diese Energie beim Ein schalten des elektronischen Schalters schlagartig über die abschaltbaren Halbleiterschalter entlädt. Der Entladestrom wird durch die Strom-/Spannungskennlinie des Varistors vorge geben und kann durchaus beträchtliche Werte annehmen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn zwischen dem Ausschalten und dem erneuten Einschalten nur eine kurze Zeitspanne liegt. In dieser kurzen Zeitspanne kann sich der Kondensator nur we nig entladen und die gespeicherte Energie führen zu einer Be lastung der abschaltbaren Halbleiterschalter. Um diese Belas tung durch die Entladeströme zu verringern dient der Wider stand. Durch Einschalten des Schalters wird der Widerstand entladen. Dies geschieht dann, wenn die Spannung des Konden sators einen Wert oberhalb der Auslösespannung des Varistors erreicht. Unterhalb dieser Auslösespannung braucht der Kon densator auch nicht entladen zu werden, da ein Zuschalten über die abschaltbaren Halbleiterschalter ebenfalls keine Entladeströme verursacht.

Darüber hinaus kann der Widerstand genutzt werden, um eine Last, die einen hohen Einschaltstrom verursacht, mit gemäßig ten Strömen vorzuladen. Als Beispiel einer derartigen Last ist ein Stromrichter zu nennen, dessen Zwischenkreiskapazität einen hohen Ladestrom verursacht. Solche Lasten werden daher zumeist über einen Vorladewiderstand aufgeladen. Bei der Ver wendung des elektronischen Schalters mit einem Schalter und einem Widerstand kann diese Strombegrenzung mit Hilfe des elektronischen Schalters durch den Widerstand vorgenommen werden. Damit kann auf eine separate Vorladeschaltung ver zichtet werden. Es entsteht eine Synergie, da mit dem Wider stand zum einen das Einaschalten des Schalters besonders be lastungsarm geschieht und gleichzeitig der Last die Möglich keit bietet, strombegrenzt mit dem Gleichspannungsnetz ver bunden zu werden. Dies spart Komponenten und erhöht damit die Zuverlässigkeit und die Wirtschaftlichkeit der DC Energiever sorgung, da sich eine solche Anordnung besonders kostengüns tig hersteilen lässt.

Der Schalter kann dabei kostengünstig als ein mechanischer Schalter realisiert werden, da die Anforderungen an die

Schaltgeschwindigkeit gering ist. Ebenso ist es möglich, da eine Ansteuereinheit zum Ansteuern von Halbleiterschaltern bereits vorhanden ist, auch diesen mit Hilfe von Halbleitern auszuführen. Auch diese können dann antiparallel oder antise riell, je nach Ausführungsform des Halbleiters, ausgeführt sein, so dass diese ein Entladen des Kondensators unabhängig von der Polarität der Spannung sicherstellen. Falls der elektronische Schalter nur zum Abschalten eines Stroms mit einer Polarität vorgesehen ist, so reicht auch bei dem Schal ter, diesen nur für eine Polarität vorzusehen, da der Konden sator nur Spannung einer Polarität annehmen kann.

Bei den Halbleitern kann es sich um abschaltbare Halbleiter wie beispielsweise IGBTs oder MOSFETs handeln oder auch um nicht abschaltbare Halbleiter, wie beispielsweise einen Thy ristor. Da mit dem Einschalten der abschaltbaren Halbleiter schalter des elektronischen Schalters der Strom durch den Schalter und den Widerstand zum Erliegen kommt, ist die Fä higkeit, einen Strom abschalten zu können, für diese Anwen dung nicht erforderlich. Die Verwendung eines Thyristors ist dabei besonders vorteilhaft, da es sich bei den Entladeströ men bzw. Vorladeströme von der Last um kurzzeitig hohe Ströme handelt und der Thyristor ein besonders große Überlastfähig-keit aufweist. Unter Überlastfähigkeit versteht man die kurz zeitige Belastung eines Stroms, die zwar kurzfristig, aber nicht dauerhaft zulässig ist. Somit kann dieser elektronische Schalter, insbesondere bei der Realisierung des Schalters durch Halbleiter bzw. Thyristoren, besonders kostengünstig hergestellt werden.

Das Einschalten des Schalters erfolgt dann vorteilhafterweise vor dem erneuten Zuschalten des abschaltbaren Halbleiter schalters bzw. der abschaltbaren Halbleiterschalter des elektronischen Schalters, so dass zum Zeitpunkt des Einschal tens des abschaltbaren Halbleiterschalters bzw. der abschalt baren Halbleiterschalter die Spannung am Kondensator hinrei chend klein oder sogar null ist. Damit stellen dann die Ent ladeströme durch den abschaltbaren Halbleiterschalters bzw. die abschaltbaren Halbleiterschalter keine hohe Belastung mehr da, so dass sich für den elektronischen eine höhere Le bensdauer ergibt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der elektronische Schalter mindestens zwei abschaltbare Halb leiterschalter auf, wobei ein erster der zwei abschaltbaren Halbleiterschalter derart angeordnet ist, einen Strom von ei nem ersten Anschluss des elektronischen Schalters zu einem zweiten Anschluss des elektronischen Schalters abschalten zu können und ein zweiter der zwei abschaltbaren Halbleiter schalter derart angeordnet ist, einen Strom von dem zweiten Anschluss des elektronischen Schalters zu dem ersten An schluss des elektronischen Schalters abschalten zu können, wobei der Kondensator als bipolarer Kondensator ausgebildet ist. Auf dem Markt befindliche abschaltbare Halbleiterschal ter können meistens nur einen Strom in eine Richtung abschal ten. Typische Vertreter für solche abschaltbaren Halbleiter schalter sind IGBTs oder MOSFETS. Will man bei der Verwendung solcher abschaltbaren Halbleiterschalter Ströme in beide Richtungen durch den Schalter abschalten können, so verwendet man zwei dieser abschaltbaren Halbleiterschalter. Damit las sen sich beide Polaritäten des Stroms durch den elektroni schen Schalter abschalten. Die Schalter werden dabei so ange ordnet, dass ein Strom von einem ersten Anschluss des elekt ronischen Schalters zu einem zweiten Anschluss des elektroni schen Schalters durch einen ersten der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter geführt und abgeschaltet werden kann und ein Strom von dem zweiten Anschluss des elektronischen Schal ters zu dem ersten Anschluss des elektronischen Schalters durch einen zweiten der beiden abschaltbaren Halbleiterschal ter geführt und abgeschaltet werden kann. Für den Fall, dass parallel zum schaltenden Element des Halbleiterschalters eine Diode angeordnet ist, die den abschaltbaren Halbleiterschal ter rückwärts Leitfähigkeit, werden die beiden Halbleiter schalter in einer Reihenschaltung angeordnet. Da die schal tenden Elemente der beiden Halbleiterschalter jeweils einen Strom mit unterschiedlicher Polarität führen und abschalten können wird diese Reihenschaltung auch als antiseriell be zeichnet. Dabei sind die beiden Halbleiterschalter bezüglich Kollektor und Emitter bzw. Drain und Source Anschlüsse gegen über gedreht. Für den Fall, dass die abschaltbaren Halb leiterschalter rückwärts nicht leitfähig sind, werden der erste und der zweite abschaltbare Halbleiterschalter in einer Parallelschaltung angeordnet, bei dem der erste abschaltbaren Halbleiterschalter ein Strom mit einer ersten Polarität füh ren und abschalten und der zweite abschaltbaren Halbleiter schalter ein Strom mit unterschiedlicher Polarität führen und abschalten kann. Eine derartige Parallelschaltung wird auch als Antiparallelschaltung oder eine derartige Anordnung als antiparallel bezeichnet.

Durch die Verwendung dieser zwei abschaltbaren Halbleiter schalter kann auf einfache Weise durch die Verwendung von Standardkomponenten ein Schalter realisiert werden, der Strö me mit unterschiedlichen Polaritäten abschalten kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist parallel zum Kondensator ein Entladewiderstand angeord net. Der Entladewiderstand stellt sicher, dass sich eine Spannung über den Kondensator kontinuierlich entlädt. Damit kann die entstehende Spannung am Kondensator bei einem Ab-schaltvorgang des elektronischen Schalters reduziert werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer deterministi schen Entladung des Kondensators. Falls zwischen Abschaltvor gang und erneutem Einschaltvorgang eine hinreichende Zeit spanne liegt, die von der Wahl des Widerstandswertes des Ent ladewiderstands abhängt, kann auf die Verwendung des Schal ters mit Widerstand verzichtet werden. Alternativ ist es mög lich, die Schaltung mit Schalter und Widerstand um diesen Entladewiderstand zu erweitern, so dass auch für kurze Zeit spannen zwischen Abschalten und erneutem Einschalten die Funktion des elektronischen Schalters uneingeschränkt zur Verfügung steht. Durch den Entladewiderstand werden somit die Belastungen der abschaltbaren Halbleiterschalter und eines vorhandenen Schalters weiter reduziert, so dass sich die Le bensdauer des Schalters auf einfache Weise weiter erhöht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist parallel zum Varistor ein weiterer Kondensator angeord net. Durch den weiteren Kondensator, dessen Kapazitätswert vorteilhafterweise um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die Kapazität des Kondensators, wird das induktive Ansprechverhalten des Varistors kompensiert und somit eine Überspannung bei der Kommutierung des Stromes von dem ab schaltbaren Halbleiterschalter oder den abschaltbaren Halb leiterschaltern auf die erste Reihenschaltung aus Varistor und Kondensator weiter reduziert. Auch dies verringert noch einmal die am abschaltbaren Halbleiterschalter oder den ab schaltbaren Halbleiterschaltern entstehende Belastung, die durch dort anliegende Spannung entsteht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist parallel zum Varistor ein weiterer Entladewiderstand an geordnet. Wird nun als weitere vorteilhafte Ausgestaltung pa rallel zum Varistor ein weiterer Entladewiderstand angeord net, der einen deutlich geringeren Widerstandswert als der Entladewiderstand aufweist, wird somit der Spannungsabfall über dem Varistor im Normalbetrieb, also im Zustand elektro nischer Schalter geöffnet, als auch im Zustand elektronischer Schalter geschlossen, weiter deutlich reduziert. Dadurch wird die Lebensdauer des Varistors erhöht, da seine Belastung im Betrieb deutlich abnimmt. Dabei ist vorteilhafterweise der Widerstandswert des Weiteren Entladewiderstandes um mindes tens eine Größenordnung kleiner als die des Entladewiderstan des .

Im Zustand elektronischer Schalter geöffnet wird nun der Spannungsabfall über dem Varistor durch den Spannungsteiler von Entladewiderstand und weiterem Entladewiderstand be stimmt, so dass die Wahl des oben genannten Widerstandswertes besonders vorteilhaft ist. Im Zustand elektronischer Schalter geschlossen wird der Kondensator über den Varistor und dem weiteren Entladewiderstand entladen. Dies bietet die Möglich keit, auf die erste Reihenschaltung zu verzichten und trotz dem ein schnelles erneutes Zuschalten nach einem Abschaltvor gang zu ermöglichen ohne die abschaltbaren Halbleiterschalter unzulässig hoch zu belasten. Ebenso ist es möglich, den elektronischen Schalter mit einer Ordnung aus erster Reihen schaltung um den weiteren Entladewiderstand zu ergänzen, um damit die Belastungen im Betrieb, insbesondere beim erneuten Einschalten des elektronischen Schalters weiter zu verrin-gern .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Unterschreiten eines Spannungsschwellwertes einer Spannung am Kondensator der Schalter ausgeschaltet. Wenn si chergestellt ist, dass sich die für den abschaltbaren Halb leiterschalters bzw. die abschaltbaren Halbleiterschalter er gebende Belastung durch Entladeströme des Kondensators hin reichend gering ist, kann die Entladung des Kondensators be endet werden. Dies ist dann der Fall, wenn die Spannung am Kondensator einen vorgebbaren Spannungsschwellwert unter schreitet. Damit kann auch wenn der Kondensator noch nicht vollständig entladen ist ein zügiges erneutes Einschalten des Kondensators erreicht werden. Darüber hinaus wird die Zeit, in der die Last noch über den Widerstand mit der DC Quelle verbunden ist, weiter reduziert. Selbst wenn sich hierüber nur Ströme mit geringem Wert ausbilden können, da diese über den Widerstand begrenzt sind, kann es insbesondere bei Vor liegen eines lastseitigen Kurschluss von Vorteil sein, den Stromfluss zwischen DC Quelle und Last möglichst schnell zu unterbinden und damit mögliche Beschädigungen zu vermeiden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:

FIG 1 ein DC Netz mit einem elektronischen Schal ter und

FIG 2 bis FIG 4 Ausführungsbeispiele eines elektronischen

Schalters mit Überspannungsschutz.

Die FIG 1 zeigt ein DC-Netz 33, das auch als Gleichspannungs netz bezeichnet wird. Dieses versorgt aus einer DC-Quelle 30, auch als Gleichspannungsquelle bezeichnet, eine Last 31. Bei dieser Last kann es sich beispielsweise um einen Antrieb mit einem Stromrichter handeln, wobei der Stromrichter mit seinem Zwischenkreis mit über einen elektronischen Schalter 1 mit der DC- Quelle 30 verbunden ist. Die Leitungen zwischen DC-Quelle 30 und Last 31 können ganz unterschiedliche Eigen schaften bezüglich ihres induktiven Verhaltens annehmen. Die- ses induktive Verhalten ist in der Darstellung mit Hilfe von Induktivitäten 32 dargestellt. Diese können sehr kleine Werte annehmen, da kein Transformator vorhanden ist, der mit seiner Induktivität strombegrenzend wirkt. Auf der anderen Seite können die Induktivitäten auch sehr große Werte aufgrund gro ßer Kabellängen annehmen, die aufgrund der Energieübertragung mit Gleichstrom zulässig sind. Für den elektronischen Schal ter ergeben sich daraus die Anforderungen, dass er aufgrund der geringen Induktivität und der damit einhergehenden großen Stromänderungen, insbesondere bei einem Kurzschluss, ein sehr schnelles Schaltverhalten aufweisen sollte, damit unzulässig hohe Ströme, wie sie beispielsweise bei einem Kurzschluss entstehen sicher beherrscht werden können. Darüber hinaus muss der Schalter auch in der Lage sein, bei hohen Induktivi täten sicher zu funktionieren. Dann gibt es zwar kein Problem mit zu großen Stromanstiegen, jedoch verursacht die Indukti vität hohe Spannungen, die sich aus der Stromänderung beim Abschalten ergeben. Auch diese müssen sicher beherrscht wer den und dürfen den elektronischen Schalter 1 und seine darin befindlichen Komponenten nicht schädigen.

Die FIG 1 zeigt dabei den prinzipiellen Aufbau eines elektro nischen Schalters 1. In seinem Leistungspfad zwischen seinem ersten Anschluss 12 und seinem zweiten Anschluss 13 ist min destens ein abschaltbarer Halbleiterschalter 2 angeordnet der einen Strom durch den Schalter abschalten kann. Je nach Art des abschaltbaren Halbleiterschalters 2 kann dieser einen Strom in nur eine Richtung oder in beiden Richtungen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 12, 13 abschalten. Vor teilhaft ist die Verwendung zweier abschaltbarer Halbleiter schalter 2, die jeweils den Strom für eine Richtung ausschal ten können. Wenn diese rückwärts sperrend sind, werden sie in einer Antiparallelschaltung angeordnet. Für den Fall, dass die abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter rückwärts leit fähig sind, erkennbar an der Diode parallel zum schaltenden Element des abschaltbaren Halbleiterschalters 2, 21, 22, er folgt die Anordnung, wie in FIG 1 dargestellt, in einer Rei henschaltung, bei der der erste abschaltbare Halbleiterschal- ter 21 und der zweite abschaltbare Halbleiterschalter 22 der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter antiseriell miteinan der verbunden sind.

Die FIG 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines elektronischen Schalters 1 mit einer Überspannungsbegrenzung. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zur FIG 1 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Parallel zu dem ersten und zweiten abschaltbaren Halbleiterschalter 21, 22 ist eine erste Reihenschaltung 10 angeordnet. Diese erste Reihenschaltung 10 weist einen Kondensator 3 und einen Varistor 4 auf, die in einer Reihenschaltung angeordnet sind. Schaltet einer der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 21, 22 den Strom zwischen den Anschlüssen 12, 13 des elektro nischen Schalters 1 ab, so wird der durch die Induktivitäten getriebene Strom auf die erste Reihenschaltung 10 kommutiert. Aufgrund der entstehenden Spannungen wird der Varistor lei tend, auch als Durchbrechen des Varistors bezeichnet, und der Kondensator 3 nimmt die Energie aus den Induktivitäten auf. Dadurch werden die entstehenden Spannungen am Schalter, die sich aus der großen Stromabnahme durch das Abschalten ergeben reduziert und eine Beschädigung des Schalters vermieden.

Gleichzeitig erhöht sich die Lebensdauer des Schalters, da die abschaltbaren Halbleiterschalter nicht mit zu hoher Span nung belastet werden.

Ein erneutes Einschalten des elektronische Schalters 1 führt zu einem Entladen des Kondensators 3 über die abschaltbaren Halbleiterschalter 2, 21, 22. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Zeitspanne zwischen Abschalten und erneutem Zuschalten des elektronischen Schalters derart gering ist, dass eine Selbstentladung des Kondensators noch nicht oder nicht hinreichend stattfinden konnte. Um dieses zu vermeiden ist im Ausführungsbeispiel des elektronischen Schalters 1 in FIG 3 eine zweite Reihenschaltung 11 aus Schalter 5 und Wi derstand 6 eingefügt, die parallel zur ersten Reihenschaltung angeordnet ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Mit dieser zweiten Rei henschaltung 11 kann der Kondensator 3 durch Schließen des Schalters 5 entladen werden bevor die abschaltbaren Halb leiterschalter 2, 21, 22 erneut eingeschaltet werden. Gleich zeitig kann dieser Widerstand 6 als Vorladewiderstand für ei ne Last 31 verwendet, die aufgrund von hohen Einschaltströmen üblicherweise über einen Vorladewiderstand mit der DC Quelle verbunden wird. Als Beispiel einer derartigen Last ist ein Stromrichter zu nennen, dessen Zwischenkreiskondensator übli cherweise über einen Vorladewiderstand aufgeladen wird.

Der Schalter kann dabei als mechanischer Schalter oder mit Hilfe eines Halbleiters realisiert werden. Dabei können so wohl abschaltbare Halbleiter oder auch nichtabschaltbare Halbleiter wie Thyristoren zum Einsatz kommen.

Im Ausführungsbeispiel der FIG 4 sind weitere Maßnahmen zur Spannungsbegrenzung aufgezeigt, die sowohl einzeln oder auch in Ihrer Gesamtheit zum Einsatz kommen können. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 bis 3 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwie sen. Als erste Maßnahme kann dabei parallel zum Kondensator 3 ein Entladewiderstand 7 angeordnet werden. Dieser stellt si cher, dass nach Abschalten des elektronischen Schalters 1 der Kondensator 3, der die Energie aus den Induktivitäten 32 auf genommen hat, zügig wieder entladen wird und ein erneutes Zu schalten auch ohne vorheriges Zuschalten des Widerstandes 6 erfolgen kann.

Als zweite Maßnahme ist die Anordnung eines weiteren Konden sators 8 parallel zum Varistor 4. Dieser verbessert das in duktive Ansprechverhalten des Varistors 4 bei der Kommutie rung des Stroms von den abschaltbaren Halbleiterschaltern auf den Strompfad durch den Kondensator 3. Somit können auch kurzfristige Spannungsspitzen an den abschaltbaren Halb leiterschaltern vermieden werden. Auch dies wirkt sich posi tiv auf die Lebensdauer des elektronischen Schalters 1 aus.

Als dritte Maßnahme kann ein weiterer Entladewiderstand 9 pa rallel zum Varistor 4 angeordnet werden. Durch den sich erge benen Spannungsteiler aus Entladewiderstand 7 und weiterem Entladewiderstand 9 verringert sich der Spannungsabfall über den Varistor 4. Dies geschieht sowohl bei eingeschaltetem wie auch bei ausgeschaltetem elektronischen Schalter 1 und erhöht die Lebensdauer des Varistors 4 und damit auch des elektroni schen Schalters 1. Gleichzeitig ermöglicht der weitere Entla dewiderstand 9 die gemäßigte Entladung des Kondensators 3 bei erneutem Einschalten des elektronischen Schalters 1. Dadurch kann auch die zweite Reihenschaltung 11 verzichtet werden.

Bei Verwendung mit der zweiten Reihenschaltung 11 kann die Spannungsbelastung des elektronischen Schalters 1 beim Schal ten weiter verringert und dadurch seine Lebensdauer weiter erhöht werden.

Diese drei Maßnahmen können dabei separat oder auch in belie biger Kombination vorgenommen werden, um das Schaltverhalten des elektronischen Schalters 1 zu verbessern.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen elektronischen Schalter mit mindestens einem abschaltbaren Halbleiterschal ter, wobei der elektronische Schalter einen Kondensator und einen Varistor aufweist, wobei der Kondensator und der Varis tor in einer ersten Reihenschaltung angeordnet sind, wobei die erste Reihenschaltung aus dem Kondensator und dem Varis tor parallel zum abschaltbaren Halbleiterschalter angeordnet ist. Zur Verbesserung des elektronischen Schalters, insbeson dere bezüglich seines Schaltverhaltens, wird vorgeschlagen, dass der elektronische Schalter einen Schalter und einen Wi derstand aufweist, wobei der Schalter und der Widerstand in einer zweiten Reihenschaltung angeordnet sind, wobei die zweite Reihenschaltung aus dem Schalter und dem Widerstand zum abschaltbaren Halbleiterschalter und zur ersten Reihen schaltung parallel angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfin dung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen elektroni schen Schalters, wobei vor dem Einschalten des abschaltbaren Halbleiterschalters der Schalter eingeschaltet wird.