用于运行电流分配装置的方法和电流分配装置与流程

本发明公开了一种用于运行将多个负载连接到共同的直流电压源上的电流分配装置的方法。本发明还公开了能根据这样的方法运行的电流分配装置。

背景技术：

电流分配装置在电气设施中常常用于连接多个电负载或耗电器到共同的供电网上。这样的电流分配装置常常被实施为电流网或电流路径的特殊形式，该电流路径在拓扑结构中通过多个节点和网目(maschen)确定。

在此，这样的电流分配装置的典型的实施方案是作为电流路径的所谓的辐射网，其通常具有共同的或中心的供电点并且将供电网的电流经由多个连接线路(子路径)分配给各个耗电器或者负载。

在此，辐射网典型地具有多个在供电网和负载之间级联的层次级或层次级别。从供电网侧出发，通过层次级形成的电流路径利用每个附加的层次级分流到多个并联的子路径中，从而使层次级在负载侧上具有对应负载的数量的多个用于连接负载的子路径。在此，第一层次级、即供电网侧的层次级具有子路径，其一方面耦连在供电点并且另一方面耦连在分流到第二层次级的多个子路径的节点。在此，层次级相互串联，其中，相应的层次级的子路径分别相互并联。由此形成用于供给负载的类似树状分流的电流路径。

层次级的子路径通常具有用于保护连接的负载的保护开关。对于这样的电流分配装置的有效运行来说在保护开关断开或故障情况下所谓的选择性(selektivitaet)是重要的。选择性的概念在接下来特别理解为这样的情况，即在有层次级的串联的保护开关的电流回路中发生(负载侧)故障时，仅断开子路径的直接位于故障的负载前或者故障位置前的保护开关。

因此，这样的选择性在辐射网状建立的电流分配装置中确保，尽管有故障但仍使尽可能多的电气设施的负载保持运行，并且仅断开直接在故障位置或者有故障的负载前的保护开关。

在供给直流电压或者直流电流的供电网(直流电压源)的情况下用于保护负载的保护开关实施为电子保护开关，因为故障电流借助于机械的保护开关不能毫无问题地可靠地进行控制。电子保护开关例如实施为半导体开关、特别是igbts(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)。然而，由此不利地影响了辐射网状建立的电流分配装置的运行中的所期望的选择性。

为了运行电流分配装置，能为了将多个负载连接到共同的直流电压源中而想到的是，检测igbts的上的电压(正向电压、集电极发射极电压)并且将检测的电压(检测的电压值)与存储的阈值比较，其中，当达到阈值的时候断开相应的igbt。在此特别地使用igbts的电流限制的特性(去饱和特性)。由半导体开关引导的、正向电压达到阈值的电流在此取决于开关的标称电流以及其驱控电压(栅极电压)。

如果例如根据相应的标称电流测量保护开关的断开标准，那么通常在故障时供电侧的层次级的保护开关晚于负载侧的层次级的保护开关地断开，因为供电侧的层次级的保护开关的标称电流较高，因为其引导所有接下来的层次级的分流的子路径。然而如果各个(第一)负载的标称电流基本上大于直接相邻的(第二)负载的标称电流，那么在第一负载的保护开关的标称电流和上级的层次级的供给两个负载的保护开关的标称电流之间仅存在较小的差别，从而无法提供选择性。由此在应用直流电压源时不利地妨碍了这样的电流分配装置中的相同的保护开关的使用，由此必须为不同的层次级例如采用不同的保护开关。

技术实现要素：

本发明的目的在于，给出一种用于运行电流分配装置的特别合适的方法，该电流分配装置用于将多个负载连接到直流电压源上。特别地，应当在故障时实现尽可能高的选择性。本发明的目的还在于，给出一种根据这样的方法能运行或运行的电流分配装置。

根据本发明，该目的在有关该方法方面利用根据权利要求1所述的特征实现，并且在有关电流分配装置方面利用根据权利要求11所述的特征实现。有利的设计方案和改进方案是相应的从属权利要求的内容。

根据本发明的方法适用于并且设计用于运行将多个负载连接到直流电压源上的电流分配装置。在直流电压源和负载(耗电器)之间连接多个级联地依次连接的层次级。在此特别地，层次级相互串联地连接在直流电压源(供电侧)的中心或共同的供电点与负载(负载侧)之间。

在连接状态中，层次级形成辐射网状的电流路径以用于将直流电压源的(直流)电流分配到各个负载上。在此，电流路径利用每个附加的层次级分流到多个并联的子路径中。树状的分流在此如下地进行，即在负载侧的下一个层次级具有对应负载数量的用于连接负载的多个子路径(分流、电流支路)。换句话说，层次级的子路径相互并联。

合适地，在电流路径的子路径中的每个中都连接有相应的保护开关。利用特别地实施为电子保护开关、优选为(功率)半导体开关的保护开关能尤其受控地控制在子路径中引导的(部分)电流。保护开关用于在接下来也被称为故障电流的过载电流的情况下保护连接的负载，该过载电流是具有在持续的负荷的情况下损坏一个或每个负载的高电流值的电流。

在此，当所引导的电流导致达到或超过相应的阈值的正向电压(集电极发射极电压)的时候，断开保护开关或者打开相应的子路径。导致超过该阈值的电流接下来也被称为断开电流。断开电流或者阈值优选针对不同的层次级区别测量。根据本方法在此提出，相应的保护开关的断开电流的值从负载侧开始朝供电侧的方向上随每个层次级逐渐地提高。

由此实现了一种用于运行电流分配装置的特别合适的方法。因此特别地，以简单的方式和方法实现了在故障时尽可能高的选择性。因此特别地，负载侧的层次级或子路径的保护开关在断开电流比供电侧的相应的保护开关的更小时断开。由此实现特别合适的电流选择性，从而确保，特别是仅断开在电流路径中直接在故障位置或有故障的负载前的保护开关。由此确保，尽管存在故障但仍使尽可能多的负载保持运行，这特别是用于电气设施或机器中的情况下有利地转用在其运行上。

在一个合适的改进方案中，根据对应的保护开关的相应的驱控电压设定断开电流的值。在此优选地，不同的层次级的保护开关实施为相同类型的igbts，其能分别借助于作为驱控电压的栅极电压来控制。由此能够由于这样的igbts的去饱和(entsaettigung)特性以技术简单的类型和方式实现相应的断开电流的合适的设定。

这意味着，因此在保护开关的运行中不仅保护电路中的相应的额定电流确定相应的驱控电压的高度。因此，与现有技术相比附加地考虑层次级、即电流路径中的相应的层次级的位置以用于设定断开电流。

在一个可行的改进方案中，在每层次级、即随每个附加的层次级或电流路径的分流，将驱控电压提高一个确定的电压值。如果例如连续的层次级的两个串联的子路径的第二保护开关的标称电流相同，则利用较低的驱控电压、例如15v(伏)来驱控负载侧的子路径中的保护开关，并且利用相对较高的驱控电压、例如15.5v来驱控供电侧的子路径中的保护开关。因此，负载侧的保护开关在故障时比供电侧的保护开关更早地去饱和。由此，供电侧的保护开关不断开，由此进一步运行相应的层次级的与负载侧的子路径并联的子路径。

优选地，每个保护开关实施为两个半导体开关的反向串联的电路，例如以两个具有分别反向并联的续流二极管的igbts的形式，其中，半导体开关在朝向负载的方向上引导电流并且第二半导体开关在朝向供电网的方向上引导电流。在一个合适的改进方式中，根据本发明将在朝向负载方向上引导电流的保护开关的半导体开关上的驱控电压(例如14.5v)设定为低于在朝向供电网的方向上引导电流的保护开关的第二半导体开关上的驱控电压(例如15v)。由此实现的是，在例如非故障的相邻的电容负载、如中间电路电容器也造成故障电流的故障中仅断开直接在故障位置之前的保护开关，并且不断开电容负载处的在此相邻的保护开关。

在一个有利的设计方案中，根据由相应的保护开关引导的实际电流来设定一个或每个驱控电压。换句话说，在故障时如下地实现选择性，即使得保护开关上的驱控电压的设定取决于在相应的时间点相应的保护开关中的根据正常运行时所引导的电流(实际电流)的大小。

在一个合适的设计方式中，调节保护开关的驱控电压，以使得相应的正向电压、即集电极发射极电压在igbts的情况下作为保护开关取固定的额定值。在此优选地，该调节以比短路电流的上升速度更慢的时间标度来进行，这例如意味着以多于10μs、特别是多于100μs的设定时间。

在一个可替选的设计方式中，根据对于相应的保护开关来说所期望的正向电压额定值来设定一个或每个驱控电压。由此，能够在故障情况下实现电流分配装置的合适的选择性。

在此在一个能想到的设计方式中，当相应的正向电压超过额定值的时候提高驱控电压。此外，当正向电压低于额定值的时候减小驱控电压。

在一个合适的设计方式中，当正向电压低于或未达到额定值的时候，将一个或每个驱控电压设定到或限制在相应的最小值。由此也在子路径无电流的状态下保障电流分配装置的安全运行。

此外，当正向电压达到或超过额定值的时候，将一个或每个驱控电压附加或可替选地限制在相应的最大值。换句话说，给出了在正向电压超过额定值时也不被超过的最大值。由此实现了将故障电流限制在限定的值上。

在一个可能的设计方案中，将一个或每个正向电压与存储的阈值进行比较。在此，阈值例如是在最大允许的(运行)电流的情况中在驱控电压最大时所期望的电压值。

在一个能想到的改进方案中，当正向电压到或超过阈值的时候，根据存储的特性曲线来减小一个或每个驱控电压。在此特别地，在一个合适的设计方案中，针对不同的层次级改变一个或每个特性曲线的走势。优选地，用于负载侧的层次级的特征曲线具有比用于供电侧的层次级的特征曲线更快的电压降。

换句话说，与供电侧的层次级相比在负载侧的层次级的特征曲线具有更强烈地下降的曲线。在此，在最大正向电压的情况中特征曲线的终点根据层次级优选在相应的保护开关或igbts的阈值电压(例如6v)之上、例如之上2v。由此，根据层次级在相应的断开电流和短路电流方面实现了合适的关断特性。

该方法的一个附加或可替选的方面在于，每个层次级都具有不同的阈值，其中，相应的阈值的值在朝向负载的方向上随着每个后续层次级提高。特别在一个有利的实施方式中提出，将每个层次级的额定值与实际值之间的差预设为基本上相同的。换句话说，供电侧的层次级的阈值具有与负载侧的层次级的阈值相比更低的值。

可替选地同样能想到的是，电流路径的每个层次级的阈值被确定为相同大小。

在一个能想到的实施方案中，根据相应的驱控电压来确定保护开关的一个或每个断开时间的长短。由此，除了电流选择性实现电流分配装置的时间选择性。断开时间是用于独立的关断、即在故障或短路电流时保护开关的断开的时间段。

对此以对于每个保护开关来说合适的方式例如在表格中存储时间值，其确定了，保护开关能够在哪段时间根据其相应的驱控电压引导故障或短路电流。在此，保护开关的断开时间以合适的方式在该相应的时间段来测定。例如，保护开关的关断在该时间段的确定的百分比、例如80％之后进行。由此实现的是，短路持续或者断开时间通常比现有技术中普遍更长。

通过因此延长的断开时间例如为在保护开关上级的控制器(控制装置)提供了足够的时间，以便在由所有的保护开关提供的反馈信号的基础上测定故障部位的去饱和状态或者故障位置并且有针对性仅断开直接位于其前的保护开关。因此，有针对性地仅打开对于管理故障来说必须打开的保护开关。

根据本发明的电流分配装置适用于并且设置用于执行前述方法。对此，电流分配装置在辐射网状的电流路径的子路径中包括多个可控的保护开关。

优选地，电流分配装置具有控制器(即控制装置)，借助于其驱控各个保护开关。附加地或可替选地，每个保护开关都实施为具有集成的控制器。

在此，控制器一般在编程和/或电路技术上设置用于执行前述根据本发明的方法。因此特别地，控制器设置用于，根据相应的层次级来设定保护开关的断开电流。

控制器至少基本上通过各个具有处理器和数据存储器的微控制器组成，在其中以操作软件(固件)的方式在编程技术上实现用于执行根据本发明的方法的功能，从而(在可能的情况下与使用者交互地)在运行操作软件时，该方法在微控制器中自动执行。

在一个可行的实施方式中，控制器在本发明的范畴中可替选地也通过可编程的电子器件、例如应用型专用集成的电路(asic)够成，在其中利用电路技术上的构件来实现用于执行根据本发明的方法的功能。

附图说明

接下来根据附图详细阐述本发明的实施例。在其中简化和示意性地示出：

图1是电流分配装置的局部框图；

图2是igbts的输出特性曲线族；

图3是具有两个用于在电流分配装置故障时减少驱控电压的特征曲线的正向电压-驱控电压图。

相互对应的部分和参量在所有的附图中始终以相同的标号标注。

具体实施方式

图1示出了用于将多个负载4a和4b连接到共同的直流电压网或者直流电压源6上的电流分配装置2。借助于电流分配装置2将直流电压源6的(直流)电流i分配到两个连接的负载4a和4b上。

在图1所示的实施例中，连接的负载4a和4b分别具有电容器件例如相应的中间电路电容器。

电流分配装置2具有电流路径8，其连接在直流电压源6的共同或中心供电点10和负载4a和4b之间。在此，树状分流的电流路径8具有两个层次级h1和h2，其级联地依次串联。层次级h1布置在供电侧并且因此连接在供电点10和节点12之间。在供电侧相对置布置的负载侧的层次级h2一方面与节点12连接并且另一方面与负载4a和4b连接。

在图1所示的电流分配装置2的连接状态中，层次级h1和h2形成用于将直流电压源6的电流i分配到各个负载4a和4b上的辐射网状的电流路径8。在此，层次级h1具有作为电流路径8的一部分或者部段的子路径14。在节点12处，电流路径8在第二层次级h2被分流到两个并联的引导至负载4a或者4b的子路径16a和16b中。因此，在节点12处，(整体)电流i分为引导至负载4a的(子)电流ia和引导至负载4b的(子)电流ib。

电流分配装置2具有三个电子保护开关18a、18b和18c，它们连接在层次级h1和h2中，以在故障电流时保护负载4a和4b。在层次级h1的子路径14中连接有保护开关18c。在此，子路径16a具有保护开关18a并且子路径16b相应地具有保护开关18b。在此优选地，保护开关18a、18b、18c实施为结构相同的并且分别具有两个相互反向串联的半导体开关t1和t2，特别是两个结构相同的igbts的形式的半导体开关。例如在图1中仅以标号标注保护开关18b的半导体开关t1、t2。

电子保护开关18a、18b和18c的半导体开关t1、t2经由其相应的栅极端口(控制输入端)借助于相应的栅极电压或者驱控电压ug1或者ug2来进行控制。

保护开关18a、18b、18c的半导体开关t1、t2的驱控电压ug1、ug2在电流分配装置2运行时被设定为，使得能够在故障时实现保护开关18a、18b、18c的选择性的关断或断开。特别优选地，在一个可行的实施方式中，各个保护开关18a、18b、18c的igbtst1、t2分别具有驱控电压ug1的基本上相等的电压值。对此使用在图2中示意性示出的igbtst1、t2的去饱和性能。

图2示出了igbtst1、t2的示例性的输出端特征曲线族、即相应的三极管特征曲线族的第一象限。沿着水平的横坐标轴(x轴)的是集电极-发射极电压或者正向电压uce。沿着垂直的纵坐标(y轴)的是由igbtst1、t2引导的负载电流或者集电极电流ic。集电极电流ic基本上对应于相应的保护开关18a、18b、18c的实际电流。在此，在保护开关18c的情况中，集电极电流ic对应电流i并且在保护开关18a和18b的情况中对应电流ia或者ib。

igbtst1或者t2的标称电流in表现为平行于横坐标轴的线。在运行中期望的额定电压usoll作为垂直取向的线示出。对此平行的线表现为正向电压或者(电压)阈值uschwelle。

如在图2中比较清楚地看到的那样，使得正向电压uce达到阈值uschwelle的电流取决于保护开关18a、18b、18c的标称电流in以及igbtst1和t2的驱控电压ug。

为了在故障时保障尽可能高的选择性，电流分配装置2以根据本发明的方法运行。在此根据本方法提出，相应的保护开关18a、18b、18c的断开电流的值、即断开保护开关18a、18b、18c或者打开igbtst1、t2所引导的电流的值从负载侧出发在朝向供电侧的方向上逐渐地随每个层次级而提高。这意味着，供电侧的层次级h1的保护开关18c具有比负载侧的层次级h2更高的断开电流。对此特别地，区别设置用于运行保护开关18c和保护开关18s和18b的igbtst1、t2的驱控电压ug，使得在比保护开关18c更小的合适的电流值的情况下断开保护开关18a和18b。

为了该目的，根据相应的标称电流in以及层次级h1和h2来设定相应的驱控电压。

在该方法的一个可行的实施例中，保护开关18c和18a的标称电流in基本上相同。在此，保护开关18a和18b的igbtst1、t2利用15v的驱控电压ug进行驱控。保护开关18c的igbtst1、t2的驱控电压ug具有相对于其提高的、例如15.5v的电压值。如果在该实施方式中例如在负载4a上出现故障，那么保护开关18a的igbtst1、t2由于较低的驱控电压ug而比保护开关18c的igbtst1、t2更早地去饱和。由此在这样的故障时断开保护开关18a，由此继续运行通过保护开关18b保护的负载4b。

在该方法的一个可替选的实施例中，选择性实现为，保护开关18a、18b、18c的驱控电压ug取决于相应的在正常运行中所引导的实际电流ic来进行设定。在此特别地，驱控电压ug设定为，将相应的正向电压uce调节到额定电压usoll。在此，该调节以合适的方式以比短路电流的上升速度更慢的时间标度上来进行。在此，在一个有利的设计方式中，为负载侧的保护开关18a和18b选择比供电侧的保护开关18c更高的额定电压usoll。

在第二实施方式中，将相应的保护开关18a、18b、18c的igbtst2的驱控电压ug2设定到比所属的igbtst1的驱控电压u1更高的电压值上。其影响的是，在故障时例如在供给故障位置上的负载4b的中间电路电容器的负载4a中比保护开关18b更早地断开保护开关18a。

根据图3，接下来详细阐述用于在电流分配装置2的运行中保障尽可能高的选择性的另一个实施例。

图3示出了正向电压-驱控电压图(uce-ug图)的示意性简化图。在此，水平的横坐标轴(x轴)表示igbtst1、t2的正向电压uce。沿着垂直的纵坐标轴(y轴)的是igbtst1、t2的驱控电压ug。在运行中在最大电流imax时出现的标称电压umax表现为垂直取向的线。在此，接下来也被称为最大电压的标称电压umax具有比额定电压usoll更大的电压值，并且基本上对应于在最大允许的驱控电压和最大允许的运行电流imax的情况中出现的正向电压。

在该方法的该实施例中，选择性如下地实现，即，保护开关18a、18b、18c的驱控电压ug根据相应的正向电压uce来设定，只要正向电压具有比最大电压umax小的电压值。当正向电压uce大于在最大的运行电流时期望的电压值(umax)的时候，根据存储的特征曲线减小相关的igbtst1、t2的相应的驱控电压ug。因此，最大电压umax描述了阈值。在此优选地，为层次级h1和h2设置不同的特征曲线k1和k2。

在此，负载侧的层次级h2的igbtst1和t2的驱控电压ug根据特征曲线k2来设定并且供电侧的层次级h1的igbtst1和t2的驱控电压ug借助于特征曲线k1来设定。在此，特征曲线k2具有与特征曲线k1相比更快的下降走势。在此，特征曲线k1和k2的终点在最大正向电压uce时优选在igbtst1、t2的例如6v的正向电压uth之上例如2v。

在该方法的一个实施例中，层次级h1的保护开关18c和层次级h2的保护开关18a和18b例如具有不同的额定电压usoll。在此优选地，供电侧的层次级h1的保护开关18c的额定电压usoll的值小于负载侧的层次级h2的保护开关18a和18b的额定电压usoll。

在该方法的一个可选实施例中，当正向电压uce未达到额定电压usoll的时候，igbtst1、t2的驱控电压ug设定为相应的最小值。由此，也在子路径14、16a、16b的无电流的状态中保障了电流分配装置2的安全的运行。

此外，当正向电压uce超过额定电压usoll的时候，igbtst1、t2的驱控电压ug限制为相应的最大值。换句话说，为驱控电压预先给定最大值，其也在正向电压uce超过额定电压usoll时不被超过。由此在负载4a、4b出现故障时实现将故障电流限制在限定的值上。

在该方法的另一个实施例中，根据相应的驱控电压ug来确定保护开关18a、18b、18c的断开时间长度。对此，在未详细示出的作为igbtst1、t2的控制装置或驱控装置的控制器中存储有在哪个时间段igbtst1、t2能够根据驱控电压ug引导故障电流。在一个能想到的实施方式中，在驱控电压ug较低时提高该时间段。在此，相应的保护开关18a、18b、18c的断开或者其igbtst1、t2的关断只有在正向电压uce达到或超过阈值uschwelle之后在该时间段的确定的百分比、例如80％后实现。

通过该实施例实现的是，在典型的保护开关中实现保护开关18a、18b、18c的短路持续长于大约10μs(微秒)。由此为控制器提供足够的时间，以便根据igbtst1、t2的反馈信号借助于其去饱和状态测定电流路径8中的故障位置，并且合适地仅打开对于安全地管理故障来说必要的保护开关18a、18b、18c。

本发明不局限于前述实施例。而是也能够由专业人员推导出本发明的其它的变体，这并不脱离本发明的保护范围。此外特别地，所有结合实施例描述的单个特征也能以其它的方式相互组合，这并不脱离本发明的保护范围。

特别地能够实现的是，实施具有多个分级或级联的层次级的电流分配装置2，其中，分流或者相应的多个并联的子路径能够是不同的。