过电压保护装置和用于多级过电压保护装置的诊断方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于多级过电压保护装置的诊断方法，所述多级过电压保护装置包括：作为第一级在输入与参考电位之间的至少一个气体放电距离；作为第二级在输出与所述参考电位之间的至少一个二极管路径；以及插在所述输入与所述输出之间的至少一个去耦电感。所述诊断方法其特征在于，施加到次级电感的次级电压着眼于所述过电压保护装置中的过电压事件而被测量和评估，所述次级电感被有效地电感连接到所述去耦电感。本发明还涉及一种两级过电压保护装置。
【专利说明】过电压保护装置和用于多级过电压保护装置的诊断方法
【技术领域】
[0001] 在第一方面，本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于多级过电压保护装置 的诊断方法，以及在第二方面，本发明涉及根据权利要求10的前序部分的过电压保护装 置，借助于该过电压保护装置，特别地，能够执行所述诊断方法。
【背景技术】
[0002] 在权利要求10的前序部分中所描述的这种过电压保护装置例如在 DE102009004673A1中被公开，并且包括以下构件：输入和输出、作为第一级在输入与参考 电位之间的至少一个气体放电距离、作为第二级在输出与参考电位之间的至少一个二极管 路径、以及插在输入与输出之间的至少一个去耦电感。这样的过电压保护装置用于阻拦在 输入与参考电位之间出现的过电压事件到达插在输出与参考电位之间的电气设备的目的。 气体放电距离还被称为第一级并且二极管路径被称为第二级。由于这个原因，此类的过电 压保护装置被称为两级过电压保护装置。
[0003] 要在这样的过电压保护装置的情况下解决的一般问题存在于如下事实中：在一个 或多个过电压事件之后有必要判定过电压保护装置是否仍然处于正常运作状态或已经损 坏，在这种情况下必须完全替换过电压保护装置或仅过电压保护装置的各个部分。出于这 种目的，需要关于在过电压保护装置中使用的构件的情况的准确信息。
[0004] 在此上下文中，已经在现有技术中提出了一些解决方案，其中的每一个都需要改 进。首先，外壳的温度和/或形成二极管路径的一个或多个二极管上的温度能够通过利用 一个或多个温度控制熔丝来监控。然后能够验证二极管路径的响应，因为跨二极管的电压 降能够使用一个或多个光耦合器来检测。此外，以闪光的形式看到的一个或多个气体放电 器的响应能够通过利用光电二极管来检测。最后，能够测量提取电流的总量的峰值。
[0005] 这些解决方案它们本身使得有可能对所用构件的条件得出结论。然而，这样的结 论至于其无歧义性不是令人满意的。此外，所提到的监控方法中的一些不在过电压事件的 所有情况下都提供有用信息。例如，仅当由于保护性元件上的负载或可能保护性元件的破 坏导致足够大量的功率在设备中被调换以使得温度控制熔丝的阈值温度被到达时（如果 真会发生的话），能够借助于温度控制熔丝获得有关信息。在使用仪器和控制工程中发生许 多事件情况下，特别是在4mA至20mA电路或热电偶情况下，情况不是这样的。
[0006] 当在二极管路径中使用光耦合器时，不可以查明所检测到的突发是否已损坏或破 坏了二极管。凡关于气体放电距离的条件没有信息可用。
[0007] 最后，提取电流的总量的峰值的查明不提供关于二极管路径的构件的状态的任何 数据。
【发明内容】
[0008] 提供用于两级过电压保护装置的诊断方法和上面所指示的这种两级过电压保护 装置因此可以被认为是本发明的目的，借助于该过电压保护装置及其诊断方法，为两级过 电压保护装置提供了维护和错误显示，并且其中使得比在现有技术中关于在过电压保护装 置中使用的构件的明显更多的信息可用。
[0009] 这个目的由具有权利要求1中所限定的特征的方法来实现。
[0010] 装置方面，任务由具有权利要求10中所限定的特征的过电压保护装置来实现。
[0011] 特别地参考从属权利要求和图，在下面描述根据本发明的过电压保护装置的优选 示例性实施例和本发明的诊断方法的有利的变体。
[0012] 根据本发明，上面所提到的这种诊断方法被开发，使得连接到被有效地电感连接 到去耦电感的次级电感的次级电压着眼于过电压事件而被测量和评估。
[0013] 根据本发明，上面所描述的这种过电压保护装置被开发，使得存在次级电感，其被 有效地电感连接到去耦电感，以及存在评估单元，其被连接到次级电感并且适配成评估连 接到次级电感的次级电压。
[0014] 借助于适当地定位的次级电感来补充去耦电感以形成电感换能器可以被认为是 本发明的中心构思。以这种方式，使得对电流和电压的直接诊断访问在过电压保护装置内 成为可能。布置被认为是适合的，其中，次级电感被有效地电感连接到去耦电感。
[0015] 特别地，关于过电压保护装置是否情况良好、是否已被频繁地使用或是否损坏的， 能够借助于本发明的过电压保护装置和本发明的方法来获得精确信息。
[0016] 基本上，齐纳二极管能够被用于二极管路径。然而，因为它们较陡的特性和较高的 放电容量，优选抑制二极管，其还被称为TVS二极管。二极管路径能够视需要具有多个二极 管，所述多个二极管能够被串联和/或并联连接。
[0017] 气体放电距离具有至少一个气体保护装置，并且能够视需要包括多个气体保护装 置，所述多个气体保护装置能够被串联和/或并联连接。
[0018] 牵涉多个二极管和/或多个气体保护装置的布置分别能够被称为多级二极管路 径或多级气体放电距离。
[0019] 去耦电感和次级电感每个都能够具有多个独立的线圈。
[0020] 参考电位基本上可以是任何电位。所用参考电位优选地是零电位。
[0021] 在本发明的方法的第一优选变体的情况下，点火事件被计数，并且紧跟许多能指 定的多个点火事件之后，服务请求被发出。在本发明的过电压保护装置的评估单元中，能够 出于这种目的形成双沿检测器，借助于其执行关于上升沿和下降沿是否已在固定时间段中 出现的检查，该事件然后被认为并且计数为点火事件。期间已发生气体放电的过电压事件 被称为点火事件。
[0022] 因为连同这样的点火事件跨越二极管路径的电阻是可忽略的，所以连接到次级电 感的次级电压大体上等于跨越气体放电距离的电压。当使用本发明的过电压保护装置时， 双沿检测器因此能够简单地评估次级电压相对于时间的过程。
[0023] 气体放电距离中的点火事件数量上不同，因为电压跨越气体放电距离增加越高则 上升沿越陡。点火事件的一个重要参数因此能够通过为次级电压设置最大值来确定。
[0024] 在这方面的另一重要参数是次级电压相对于时间的导数的最大值，因为这个最大 值（其还可以被称为边沿陡度）同样地是某个点火事件的特性。此外，能够借助于本发明 的过电压保护装置来查明次级电压相对于时间的导数的最大值。本发明的方法的一个重要 发展因此在于查明次级电压相对于时间的导数，以便然后查明次级电压相对于时间的这个 导数的最大值。
[0025] 此外，有用的参数是所谓的动态响应电压。这是次级电压相对于时间的导数的最 大值和该次级电压的最大值的商。因此，在本发明的方法的进一步特别优选的变体中，次级 电压相对于时间的导数的最大值和该次级电压它本身的最大值的商被形成，这个商被与如 在气体保护装置的规格中所指定的动态响应电压相比较，并且当商不符合所述规格时，信 号被生成。如果发生这个，则必须替换过电压保护装置。
[0026] 先前解释的本发明的诊断方法的变体提供关于气体放电距离的信息。另外，评估 也是可能的，借助于所述评估能够获得关于二极管路径的精确信息。
[0027] 例如，为了获得与尤其在过电压事件或点火事件期间输入到二极管路径中的能量 成比例的值，能够有利地改进本发明的诊断方法，使得：在第一级中，在次级电压上形成了 时间积分，在第二步骤中，形成了这个时间积分的量，以及在第三步骤中形成了这个量的时 间积分。能够简单地在由本发明提供的评估单元中实现这种评估。本发明的这种发展是基 于下列的：次级电压的积分提供与通过初级线圈的电流成比例并且还与通过二极管路径的 电流成比例的电压，因为通过要被保护的已连接装置的电流与通过二极管路径的电流相比 是可忽略的。该电压的积分然后被形成，并且积分被重复以产生与尤其在过电压事件或点 火事件过程中输入到二极管路径中的能量成比例的电压。
[0028] 借助于本发明的方法的进一步有利的变体，可以查明形成二极管路径的抑制二极 管的真正感兴趣的实际温度，因为二极管路径中的温度上升由如下事实来揭示：在二极管 路径中到环境的能量释放例如由高通来建模，并且二极管路径的温度通过加上环境温度而 被查明。
[0029] 如此获得的温度能够按照数据表格与二极管（即，例如抑制二极管）的破坏温度 相比较。一旦已超过了破坏温度，就几乎假定了二极管或整件设备是损坏的，这被有利地在 外部指示。
[0030] 本文中所描述的方法，以及特别是用次级电感来补充去耦活动以给出电感换能器 的、以及测量和评估在次级电感处的降低的次级电压降的中心构思，还能够被扩展到对于 多个传导路径或可区别的电线对需要保护的过电压保护装置。然后将需要数个换能器，并 且必须以本身已知的方式来查明现有支路电流和节点电压同时考虑基尔霍夫（Kirchhoff) 规则。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 参考附图1至5在下面描述根据本发明的装置的另外的优点和特征，其中：
[0032] 图1是本发明的过电压保护装置的示例性实施例的图；
[0033] 图2示出在过电压的各种事件下跨越气体放电距离的电压的典型时间曲线；
[0034] 图3示出与如图2中所示出的跨越气体放电距离的电压的时间曲线相对应的、通 过二极管路径的电流的时间曲线；
[0035] 图4示出对于如图2中所示出的跨越气体放电距离的电压的时间曲线的、通过气 体放电距离的电流的时间曲线；以及
[0036] 图5是图示使用评估单元的次级电压的评估可能性的图。
[0037] 同样的或类似地有效的构件通常在图中由相同的附图标记来标记。
【具体实施方式】
[0038] 图1示出了根据本发明的两级过电压保护装置10的示例性实施例，其具有作为基 本构件的气体放电距离20和二极管路径22。在所示出的示例中，气体放电距离20由单个 气体放电器13形成并且被连接在输入15与用于参考电位Μ的输入口 12之间。对气体放 电器13供电的电压用双箭头UGE来标记。在所示出的示例中，二极管路径22由单个抑制 二极管17形成，所述单个抑制二极管17被插在过电压保护装置10的输出16与用于参考 电位Μ的输出口 14之间。正如气体放电距离20能够具有多个气体放电器13,所以二极管 路径22能够包括多个二极管，尤其是抑制二极管或TVS二极管。图1用箭头ID示出通过 二极管路径22的电流。
[0039] 输入15和输出16利用去耦电感18互连。通过这个去耦电感的电流由箭头IP来 标明。
[0040] 上面描述的构件的布置和互连是从现有技术例如从DE102009004673A1知道的。
[0041] 如图1中所示，本发明的重要中心构思是，与去耦电感18直接接近地定位次级电 感24,使得在去耦电感18与次级电感24之间存在电感有效（active)连接，并且由于这两 个构件的存在，形成了电感换能器，其在图1中由波形括号26来指示。还被称为次级线圈 的次级电感24能够借助于中间抽头来形成，所述中间抽头被连接到参考电位。对次级电压 进行整流然后是较简单的。跨越次级电感24的次级电压降在图1中借助于双箭头US来指 示。这个次级电压（即，跨越次级电感24的两个端子的次级电压）然后被传递到根据本发 明所呈现的评估单元30,其中次级电压US被着眼于过电压保护装置中的过电压事件进行 评估。
[0042] 在图1中所示出的类型的过电压保护装置的情况下，过电压事件能够被基本上划 分成两个组。一方面，存在气体放电器13在其期间点火的过电压事件。在这样的事件（其 还能够被称为点火事件）的情况下，大多数电流浪涌被气体放电器13吸收。并且存在气体 放电器13在其期间不点火的其它过电压事件。在这些事件期间，浪涌电流完全通过去耦电 感18和二极管路径（例如仅一个抑制二极管或仅一个ZVS二极管）耗散。参考图2和4 对这个进行更详细的描述。
[0043] 图2示出连接到气体放电器13的电压UGE。如从图2显然的，曲线b、c以及d示 出在不同的时间点bl、cl以及dl的急剧下降梯度。这些是气体放电开始即当气体放电器 13击穿时所在的那些时间点。在这个上下文中，应注意的是，电压曲线在时间点bl、cl以 及dl之前具有不同的形式，并且看到了跨越气体放电距离20的电压增加越多，它上升越 快。换句话说，对于像例如在曲线d中那样陡峭地上升的沿，比不太陡峭地上升（例如曲线 b)的情况到达了电压UGE的较高最大值。在这方面，曲线c的过程位于在b与d之间。另 夕卜，应当观察到，在曲线"a"中没有急剧下降的沿，这导致在曲线"a"没有气体放电的结论。
[0044] 图3分别示出了分别和图2中的电压特性a、b、c以及d有关、跨越二极管路径通 过的电流的时间曲线A、B、C以及D。首先，应当注意的是，在图2中的电压曲线"a"的情况 下，由图3中的曲线"A"所示出的通过二极管路径50的电流的时间曲线在约18 μ s期间上 升，直到它到达正好在70安培下面的最大值为止，在这之后它再次下降。由曲线"Α"所说 明的电流的时间曲线图示气体放电距离20在其期间不击穿的过电压事件。曲线"Α"示出 无骤变点，并且在在这方面从根本上不同于通过二极管路径50的电流B、C以及D的其它时 间曲线，如图3中所示。在曲线B、C以及D中，值得注意的是，跨越二极管路径60的电流以 之增加的向上梯度越陡，则在气体放电器13处所呈现的电压UGE的上升越快。然后必须注 意的是，跨越气体放电器13的电压急剧下降所在的时间点bl、cl以及dl (见图2)分别对 应于跨越二极管路径50通过的电流的时间曲线B、C以及D分别突然地弯折至较低电流值 所在的时间点B1、C1以及D1。跟在这个弯折之后，曲线B、C以及D以近似相同的负梯度下 降。最后，从图3显然的是，通过二极管路径50的最大电流越大，气体放电器13击穿花费 时间越多。
[0045] 图4示出和图2中所示出的电压曲线"a"至d有关的对应电流曲线的图。因为对 于图2中的曲线"a"不存在气体放电，所以没有电流通过气体放电距离20。和图2中的曲 线"a"有关的图4中曲线α与零线相重合。然后在图4中，示出了电流曲线β、γ以及 S，其分别对应于图2中的电压曲线b、c以及d。应该注意的是，电流曲线中的各个都以平 滑曲线上升到最大值并且然后随着曲线继续而再次下降，但以比其增加更慢的速率。在与 图2中所示出的电压曲线一致的情况下，同样看到，在各种情况下在曲线β、γ以及δ中 所达到的电流的最大值越大，跨越气体放电距离20的电压的最大值越大。最后，在各种情 况下的电流上升在图2中可见的时间点处开始。
[0046] 产生曲线b/B/i3、c/C/Y以及d/D/δ的过电压事件因此是气体放电器13在其期 间点火的过电压事件。因此，它们涉及点火事件。
[0047] 仅产生了曲线a/A/ α的那个事件属于第二组过电压事件，即气体放电器13在其 期间不点火的那些。随着这些事件浪涌电流在如图1中所示出的情形下经由去耦线圈18 和二极管路径22(即经由抑制二极管17)完全耗散。然而，根据本发明的保护装置也在a/ Α/α的事件期间可靠地工作，在这期间浪涌电流经由去耦电感或去耦线圈18并且通过二 极管路径50被放电。
[0048] 像所解释的那样，关于气体放电器13点火与否的问题取决于幅度（即电压的最大 值）、以及过电压突发的边沿陡度（即，次级电压相对于时间的导数的最大值）。
[0049] 在图5的上下文中，现将描述三个不同的评估方法，其能够在每种情况下借助于 由本发明所提供的评估单元30来执行。根据本发明的评估单元可以是例如微控制器或可 比较的智能构件。应该一般地注意，特别是在以下描述中，诸如电压、电流、温度等的物理参 数的值在评估电路中由电压来表示，所述电压与相应的物理参数成比例。
[0050] 首先，本发明的过电压保护装置10在包括本文中所示出的换能器26的图5中被 用图解法示出。同样地，用图解法示出了导体，借助于所述导体，次级电压US被过电压保护 装置10传导到上面提到的三个评估支路。第一评估支路生成到输出91和92的评估信号。 第二评估支路生成到输出93和94的信号。第三评估支路将评估信号发送到输出95和96。
[0051] 术语"输出"在这个上下文中仅仅表示它是本文中所描述的评估支路的输出。然 而，这未必暗示这些输出将被连接到外部实体，例如接口。这的确是可能的，但对于在输出 91至96处递送的信号来说同样可以被传递到进一步的内部处理。
[0052] 第一评估支路被适配成检测气体放电器13在其期间已被点火的过电压事件。这 借助于双沿检测器71而发生，所述双沿检测器71监控在特定时间帧中是否能够在次级电 感24中查明次级电压US的两个电压沿，其中，一个沿具有正梯度并且另一个沿具有负梯 度。如对于曲线b、c以及d从图2显然的那样，这样的双沿在气体放电器13由于过电压突 发的足够大的最大电压导致点火时发生。如此检测到的点火事件的数量借助于计数器72 被计数并且在查询级73中与指定的限制值相比较。如果点火事件的数量高于所指定的限 制值，则能够用信号发送或者显示服务请求。例如，能够在输出91处给出信号"气体放电器 报废"，在输出92处给出信号"气体放电器未耗尽"。
[0053] 在第二评估支路中，还被称为次级电压US的峰值的、换能器26的次级电压US的 最大值MUS被检测。这借助于第一峰值检测器79来完成，所述第一峰值检测器79在其输出 显示所述最大次级电压MUS。此外，在单元78中形成次级电压US相对于时间的导数DUS， 使得其在单元78的输出处可用。使用第二峰值检测器74,这个相对于时间的导数DUS的峰 值或最大值MDUS被形成并且然后呈现在第二峰值检测器74的输出。这个峰值MDUS (我们 记得其是电压）与第一下降沿的最大边沿陡度成比例。根据这两个参数，即，最大次级电压 MUS和次级电压相对于时间的最大导数MDUS，商Q在单元75中被确定。这是所谓的动态响 应电压。电压MUS是气体放电器13在它已点火时的响应电压。次级电压相对于时间的导 数的最大值MDUS对应于过电压突发的最大边沿陡度。动态响应电压因此是关于最大边沿 陡度的响应电压。
[0054] 商Q即动态响应电压，然后被传递到单元76,所述单元76仅在已发生点火事件时 即在气体放电器13已点火时中继值Q。这个信息经由双沿检测器71的输出使得对于单元 76可用。如果已发生点火事件，则商Q然后与规格数据相比较，并且在级77中做出关于气 体放电器13的动态响应电压Q是否符合规格的判定。例如，信号"气体放电器损坏"被显 不在输出93处，而信号"气体放电器完整"被显不在输出94处。
[0055] 使用第三评估支路，能够获得关于二极管链路尤其是关于抑制二极管17的耗尽 层的特别重要的温度的信息。首先，在单元81中形成了换能器26的次级电压US相对于时 间的积分IUS。这个相对于时间的积分IUS与通过去耦电感18的电流IP成比例，以及因 此与通过抑制二极管17的电流成比例，见图1。相对于时间的积分IUS然后被传递到单元 82,所述单元82形成积分IUS的绝对值B。如能够从图5所看到的，这个量然后被馈送到 级83,其从该量查明相对于时间的积分IB。这个相对于时间的积分IB与在瞬态过电压事 件期间输入到抑制二极管17中的能量成比例。
[0056] IB的值然后被馈送到高通HP，借助于所述高通HP抑制二极管17的热能耗散（即， 抑制二极管17的温度减少）相对于时间的导数被建模或者模拟。在这种情况下，有关机制 是由于辐射而导致的热损失和由于对流而导致的热损失。因此，能够在高通HP输出处获得 电压，该电压与抑制二极管17的耗尽层相对于环境的温度增加成比例。
[0057] 通过连接85,供应环境温度然后在级86中将其加到耗尽层的温度增加。因此在 级86的输出处获得了抑制二极管17的耗尽层的温度值。这个值然后在比较器单元88中 与从数据表格中知道的破坏温度相比较，所述破坏温度经由连接87被馈送到比较器88。比 较器88然后在其输出提供关于是否超过抑制二极管17的破坏温度的信息。如果发现了破 坏温度已被超过一次，则有利的是，假定抑制二极管17或甚至整个过电压保护装置10被破 坏了。因此，例如，能够在输出95处给出信号"气体放电器损坏"并且在输出96处给出信 号"气体放电器完整"。
[0058] 本发明提供了不像现有技术独立于要被保护的任何电子电路的特性来对过电压 保护装置的条件提供清楚陈述的新颖的两级过电压保护装置。使用本发明的方法和本发明 的过电压保护装置，可以监控真实的构件参数。该方法与要被保护的电气设备的参数无关。 能够看到的是，气体放电器的点火电压是否对于规格仍然成立。最后，能够看出抑制二极管 或其它使用的二极管是否已在它们的规格外被操作，并且因此，其破坏将被假定。
【权利要求】
1. 一种用于多级过电压保护装置尤其是权利要求10中所限定的那些的诊断方法，其 包括 作为第一级在输入与参考电位之间的至少一个气体放电距离， 作为第二级在输出与所述参考电位之间的至少一个二极管路径，以及 插在所述输入与所述输出之间的至少一个去耦电感， 其中 着眼于所述过电压保护装置中的过电压事件，测量和评估施加到被有效地电感连接到 所述去耦电感的次级电感的次级电压。
2. 如权利要求1中所限定的诊断方法， 其中 做出关于所述次级电压的上升沿和下降沿是否发生在固定时间段中的检查，这样的事 件被评估为点火事件。
3. 如权利要求2中所限定的诊断方法， 其中 点火事件的数量被查明。
4. 如权利要求1中所限定的诊断方法， 其中 所述次级电压的最大值被确定。
5. 如权利要求1中所限定的诊断方法， 其中 所述次级电压相对于时间的导数被确定。
6. 如权利要求5中所限定的诊断方法， 其中 所述次级电压相对于时间的所述导数的最大值被确定。
7. 如权利要求5中所限定的诊断方法， 其中 所述次级电压的相对于时间的所述导数的最大值和所述次级电压的最大值的商被形 成， 这个商被与规格的值相比较，以及 当所述商不符合规格时，信号被产生。
8. 如权利要求1中所限定的诊断方法， 其中 与尤其是在过电压事件期间输入到所述二极管路径中的能量成比例的参数被查明，使 得 在第一级中，在所述次级电压上形成相对于时间的积分， 在第二级中，形成相对于时间的该第一积分的量，以及 在第三级中，形成该量相对于时间的积分，以便获得与尤其是在所述过电压事件过程 中输入到所述二极管路径中的能量成比例的量。
9. 如权利要求1中所限定的诊断方法， 其中 所述二极管路径中的温度的增加被查明，使得所述二极管路径到环境的能量释放被建 模并且， 通过环境温度的加法，所述二极管路径的温度被查明。
10. -种过电压保护装置，尤其用于执行如权利要求1中所限定的方法， 包括输入和输出，其中电气设备能够被连接在所述输出与参考电位之间，并且被保护 免于在所述输入与所述参考电位之间发生的过电压事件， 包括在所述输入与所述参考电位之间的至少一个气体放电距离， 包括在所述输出与所述参考电位之间的至少一个二极管路径，以及 包括插在所述输入与所述输出之间的至少一个去耦电感， 其中 存在次级电感，其被有效地电感连接到所述去耦电感，以及 存在评估单元，其被连接到所述次级电感并且被适配成评估施加到所述次级电感的次 级电压。
【文档编号】H02H9/04GK104124675SQ201410175710
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2013年4月26日
【发明者】米夏·博伊特尔 申请人:倍加福有限责任公司