电负载的保护设备、电压转换器和用于保护电负载的方法与流程

本发明涉及用于电负载的保护设备和用于保护电负载的方法、以及电路装置、尤其具有保护设备的电压转换器。

背景技术：

德国专利申请DE 10 2012 200 067 A1涉及变换器、尤其用于在机动车中使用的直流电压变换器。变换器包括被布置在输入连接端子和转换器电路之间的第一分离元件以及被布置在输出连接端子和转换器电路之间的第二分离元件。此外，变换器包括监视电路以便探测转换器电路中的电流流动。

直流电压转换器（DC/DC转换器）例如在机动车中被采用，以便在不同的电压水平之间转换电能。为此例如可以采用全桥转换器（Vollbrückenflusswandler）形式的推挽转换器（英文：push-pull-converter）。为了保护器件，这种直流电压转换器例如可以在初级侧具有过流安全装置。这种过流安全装置可以在超出预给定的电流值的情况下中断能量源和直流电压转换器之间的电连接。

在此，在通过过流安全装置中断的时间点，电能必要时可以被存储在直流电压转换器的变压器和/或另外的电感中。

因此存在对用于电负载的保护设备的需求，所述保护设备可以在过流故障情况下有针对性地切断感性负载，而为此不发生显著的电压过高。尤其存在对如下保护电路的需求，所述保护电路可以在故障情况下以被控制的方式消除在负载中所存储的电能。

技术实现要素：

为此，本发明提供具有独立专利权利要求1的特征的用于电负载的保护设备。

因此设置有一种用于电负载的保护设备，所述保护设备包括过流保护装置和保护电路。过流保护装置具有第一连接点和第二连接点。第一连接点在此可以与电能源连接。第二连接点可以与电负载连接。过流保护装置可以被设计用于提供第一连接点和第二连接点之间的电连接。此外，过流保护装置可以被设计用于当第一连接点和第二连接点之间的电流超出所预先确定的极限值时中断第一连接点和第二连接点之间的电连接。保护设备的保护电路包括由二极管和电阻构成的串联电路。在这种情况下，保护电路被布置在过流保护装置的第二连接点和参考电位之间。在此，保护电路的二极管在正常的操作运行期间在截止方向上被布置在过流保护装置和参考电位之间。

根据另一方面，本发明提供具有并列的专利权利要求10的特征的用于保护电负载的方法。

因此，本发明提供一种用于保护电负载的方法，所述方法具有下列步骤：提供具有第一连接点和第二连接点的过流保护装置，其中过流保护装置被设计用于提供第一连接点和第二连接点之间的电连接。此外，过流保护装置被设计用于当第一连接点和第二连接点之间的电流超出所预先确定的极限值时中断第一连接点和第二连接点之间的电连接。此外，所述方法包括用于将保护电路连接在过流保护装置的第二连接点和参考电位之间的步骤。保护电路包括由二极管和电阻构成的串联电路。此外，所述方法包括用于将第二连接点与电负载耦合的步骤。此外，可以包括将第一连接点与电能源、尤其直流电压源、诸如电能存储器连接。

本发明的优点

本发明所基于的认识是：在突然切断电负载、尤其感性电负载的情况下电能还可能被存储在该负载中。在切断电负载之后，所述所存储的电能必要时可能导致电压过高。

因此，本发明所基于的构思是：通过有针对性地消除负载中的电能来减少可能出现的电压过高。为此，过流保护装置被扩展了另外的保护电路。该另外的保护电路在过流保护装置响应之后提供由二极管和欧姆电阻构成的空转路径。因此，电流可以在过流保护装置响应之后流过由二极管和欧姆电阻构成的空转路径。在这种情况下，在电负载中所存储的电能可以在欧姆电阻中以被控制的方式被转换成热能。以这种方式可以安全地以及以被控制的方式消除来自电负载的能量，而在这种情况下不会发生电压过高和/或其它的危险的运行状态。

在此，通过在由二极管和电阻构成的空转路径中消除电能，尤其过流保护装置上的电压也下降。由此可以保证：过流保护装置在故障情况下也实现过流保护装置的连接端子之间的电连接的可靠的中断。由于电压过高引起的飞弧或者击穿因此可以被避免。以这种方式可以保证电压供应通过过流保护装置的可靠的以及尤其也非常快速的中断。

根据一种实施方式，保护电路的二极管包括齐纳二极管或抑制二极管。除此之外，如下另外的器件也是可能的，所述器件在所定义的电压阈值之上实现双向的电流流动，而在电压极限之下仅仅一个方向上的电流流动是可能的。通过这种器件也可以在正常的运行期间减少电压过高。这实现电负载的附加的保护。

根据另一种实施方式，二极管在截止方向上的击穿电压在此大于电负载的运行电压。在此，电负载的运行电压可以被视为如下电压，电负载可以以所述电压在没有损害的情况下最大限度地被运行。在此，二极管在截止方向上的击穿电压尤其可以大于给电负载馈电的电压源的额定电压。

根据另一种实施方式，保护电路此外包括冷却装置。在此，冷却装置可以与保护电路的电阻和/或二极管热耦合。在此，通过冷却装置可以可靠地以及快速地排出由电阻所产生的热能。以这种方式可以在短时间之内通过电阻来消除在电负载中所存储的能量。

根据另一种实施方式，过流保护装置包括熔断器或者功率开关。过流保护装置的功率开关尤其可以包括用于中断第一连接点和第二连接点之间的电连接的半导体开关。此外，过流保护装置可以包括电流传感器，所述电流传感器检测通过过流保护装置的电流并且在超出针对电流所预先确定的极限值的情况下断开过流保护装置中的开关元件，以便中断第一连接点和第二连接点之间的电连接。

根据另一方面，本发明提供一种具有直流电压源、电负载和根据本发明的保护设备的电路装置。过流保护装置的第一连接点在此可以与直流电压源电耦合。过流保护装置的第二连接点可以与电负载耦合。

根据另一种实施方式，电负载包括电感。电感例如可以是扼流线圈和/或变压器。

根据另一方面，本发明提供一种具有根据本发明的保护设备的电压转换器。该电压转换器尤其可以包括直流电压转换器和/或逆变器。该电压转换器例如可以包括全桥转换器。

附图说明

本发明的另外的实施方式和优点从随后的参考所附的附图的描述中得出。

在此：

图1示出根据一种实施方式的具有保护设备的电负载的电路装置的示意图；以及

图2示出根据一种实施方式的用于保护电负载的方法所基于的流程图的示意图。

具体实施方式

图1示出根据一种实施方式的具有保护设备1的电负载2的示意图。在此，保护设备1被布置在电能源3和电负载2之间。电能源2可以是任意的直流电压源。例如，电能存储器、诸如电池或诸如此类作为电能源3是可能的。然而，除此之外，其它直流电压源、诸如光伏设备或诸如此类也是可能的。

电能源3的一个连接端子与保护设备1的第一连接点A1连接。电能源3的其它连接端子与参考电位连接。在这里所示出的实施例中，电能源3的正连接端子与第一连接点A1连接并且电能源3的负连接端子与参考电位连接。然而替代地同样可能的是，电能源3的负连接端子与保护设备1的第一连接点A1连接并且电能源3的正连接端子与参考电位连接。

此外，保护设备1的第二连接点A2与电负载2的一个连接端子连接。电负载2的另一连接端子与参考电位连接。在此，电负载2的两个之前所列举的连接端子是用于将电能馈入到电负载2中的连接端子。因此，保护设备1被布置在能量源3和负载2之间。

电负载2原则上可以是任意的电负载。电负载2尤其可以包括至少一个感性器件。电负载2例如可以是电压转换器。这种电压转换器将施加在电负载2的两个之前所描述的连接端子处的直流电压转换成另外的直流或交流电压并且在输出端处提供该直流或交流电压。在图1中所示出的实施例中，电负载2例如是直流电压转换器。然而，本发明不限于这种直流电压转换器。更确切地说，电负载2也可以是逆变器或所组合的逆变器-直流电压转换器形式的电负载。

在此，根据这里所示出的实施方式的直流电压转换器首先在具有两个输入连接端子的输入侧处包括输入扼流圈L1。在输入扼流圈L1之后，第一电容器C1被布置在输入扼流圈的两个连接端子之间。另外，输入电压被输送给全桥转换器。该全桥转换器包括4个开关元件S1、S2、S3和S4、以及变压器Tr和两个二极管D1和D2。此外，全桥转换器也可以在输出侧包括另一电感L2以及平滑电容器C2。全桥转换器的开关元件S1至S4在此由控制设备（这里未示出）、诸如微控制器或诸如此类来操控。

能量源3和负载2之间的保护设备1在第一连接点A1和第二连接点A2之间包括过流保护装置10。该过流保护装置首先在第一连接点A1和第二连接点A2之间提供导电连接。如果第一连接点A1和第二连接点A2之间的电流超出预给定的极限值，则过流保护装置10中断第一连接点A1和第二连接点A2之间的电连接。该过流保护装置例如可以是熔断器或诸如此类。除此之外，可逆的过流保护装置10也是可能的。过流保护装置10尤其也可以是电开关元件，所述电开关元件在运行期间首先是闭合的。如果在第一连接点A1和第二连接点A2之间例如通过电流传感器或诸如此类探测到超出预给定的极限值的电流，则该开关元件可以通过合适的操控被断开。继电器或者半导体开关元件作为过流保护装置10的开关元件尤其是可能的。

此外，保护设备1包括具有二极管12和电阻13的保护电路11。保护电路11在此被布置在第二连接点A2和参考电位之间。二极管12和电阻13相互串联。二极管2在此被布置，使得在正常的运行中、即在第一连接点A1和第二连接点A2之间的过流保护装置10中电连接的情况下以及因此在通过能量源3施加的电压的情况下二极管2在截止方向上被运行。

电阻13可以是足够大地被确定尺寸的欧姆电阻。下面还进一步解释电阻13的几何尺寸。因为在电流流过电阻13时电能被转换成热能，所以该热能必须可以被排出。保护设备1为此可以包括合适的冷却设备（这里未示出）。冷却装置尤其可以与电阻13以及必要时也与二极管12热耦合。冷却装置例如可以是被动冷却体。然而，借助于液态的或气态的冷却介质的主动冷却原则上也是可能的。尤其对于主动冷却能力来说例如通风器或诸如此类是可能的。

如果在电负载2中出现故障，则在电负载2中电感、诸如变压器Tr可能进入饱和。当在这里所示出的全桥转换器中相应的开关元件S1至S4未正确地被钟控以及于是出现通过变压器Tr的初级侧的高电流时例如可能出现这种状态。在这种故障情况下，过流保护装置10可以基于通过过流保护装置10的高电流来中断第一连接点A1和第二连接点A2之间的电连接。为此例如可以断开过流保护装置10中的开关元件或者熔断器可以熔断。因此，能量源3和负载2之间的电连接被中断。

由于在过流保护装置10响应（Ansprechen）的时间点通过负载2的感性器件的高电流，于是可能在没有保护电路11的情况下在第二连接点A2处以及因此也在第一连接点A1和第二连接点A2之间出现高电压。该电压于是可能导致过流保护装置10的失灵，由此第一连接点A1和第二连接点A2之间的电连接将不被中断或至少不完全被中断。这种过压可以通过保护电路11来抵抗。如果在过流保护装置10响应之后由于电负载2中的电感而感生电压，则该电压可以流过保护电路11的二极管12和电阻13。第二连接点A2处的电压由此首先被降低。因此，在过流保护装置10响应期间第一连接点A1和第二连接点A2之间的电压也下降并且过流保护装置10可以将第一连接点A1和第二连接点A2之间的电连接可靠地分离。此外，在电感、诸如扼流圈L1和变压器Tr中所存储的电能在保护电路11中以及这里尤其经由电阻13被消除并且被转换成热能。

为了将来自负载2的电能在电阻13处尽可能迅速地转换成电能，电阻13应当被选择得尽可能大。另一方面，大的电阻13在触发过流保护装置10时导致高的电压峰值。此外，保护电路11在此也必须被设计，使得由电阻13所产生的热能也可以充分地被排出。为此，在电阻13处必须存在足够的冷却能力。由电阻13所产生的热能P_wärme在此由在故障情况下的电流I_Fehler以及电阻13的欧姆电阻R得出为：

P_wärme = I²_Fehler·R。

在此，在过流保护装置10响应时的最大的过流例如可以被假定为过流保护装置10的五倍的额定电流。在此，通过保护电路11以及因此也通过电阻13的电流在过流保护装置10响应之后指数地衰减，其中通过保护电路11的电流在开始时对应于在过流保护装置响应时的电流。电阻13的几何尺寸因此可以由电阻13的最大冷却能力以及在过流保护装置响应时能够预期的电流来测定。

在此，对于通过之前所描述的保护设备1的可靠保护来说，保护电路11应当尽可能地被布置在过流保护装置10的第二连接点A2附近。以这种方式尤其也可以排除或者减弱由于线路中的寄生电感所引起的效应。为了尽可能迅速地消除在电负载3中所存储的电能，保护电路11的电阻13可以尽可能大地被确定尺寸。另一方面可以通过电阻13的更小的几何尺寸来减小在过流保护装置10响应时在第二连接点A2和参考电位之间的电压。因此也可以通过保护电路11中的电阻13的减小来选择具有更低的最大电压耐压强度的过流保护装置11，因为在此情况下在过流保护装置10断开时在第一连接点A1和第二连接点A2之间的电压也变得更低。

在此，对于在过流保护装置10响应时来自负载2的电能的之前所描述的消除来说，常规的二极管、尤其半导体二极管足够了。除此之外，在使用特别的二极管、诸如齐纳二极管或抑制二极管的情况下还得出在正常的操作运行期间的附加的过流保护。因为二极管12在正常的运行期间在截止方向上被布置在第二连接点A2和参考电位之间，所以在此情况下将没有电流流过保护装置10。通过使用齐纳二极管或在所定义的电压之上也在截止方向上导通电流的其它器件可以减弱能量源3的可能出现的过压。在此，二极管2的截止方向上的击穿电压应当位于电负载2的运行电压或者由能量源3所提供的电压之上。必要时也可以通过多个（齐纳）二极管的串联电路来达到所需要的击穿电压或者耐压强度。

图2示出根据一种实施方式的用于保护电负载的方法所基于的流程图的示意图。在步骤S1中首先提供过流保护装置，所述过流保护装置具有第一连接点A1和第二连接点A2。过流保护装置10在这种情况下被设计用于当第一连接点A1和第二连接点A2之间的电流超出所预先确定的极限值时中断第一连接点A1和第二连接点A2之间的电连接。在步骤S2中提供具有由二极管12和电阻13构成的串联电路的保护电路11。该保护电路在一侧与过流保护装置的第二连接点A2连接并且在另一侧与参考电位连接。此外，在步骤S3中将第二连接点A2与电负载3耦合。

总之，本发明涉及电负载、尤其具有电感的电负载的保护。为此，本发明提供具有过流保护装置和保护电路的保护设备。保护电路在过流保护装置响应时实现过流保护装置上的电压的降低以及电能的消除，所述电能必要时在过流保护装置响应时被存储在电负载3的电感中。