保护电路的制作方法

1.本发明涉及一种dc电网和经由这种dc电网的dc电压总线供电的dc运行的设备。特别地，本发明涉及一种用于dc运行的设备的保护电路，该设备可以简单地与dc电压总线电连接和断开。


背景技术：

2.由于dc运行的电网可能比交流(ac)运行的电网具有许多优势，dc电网正获得更多的关注。一个优点是与dc发电相关的效率，特别是与可持续能源(例如太阳能或风能)相关的效率。其他优点包括与将dc电压转换为更高或更低的电压以及将dc能量存储在例如电容器和电池中相关联的效率，并且因此消耗更少的能量。
3.与ac电网相比，在dc电网的情况下，在断开dc运行的设备时存在电弧放电的风险。电弧放电可能导致发热问题、火灾、产生emc问题以及磨损触头。这阻碍了dc电网在家庭应用中的采用。此外，它应当提供与ac电网的众所周知的ac壁装电源插座相关联的类似的易用性。
4.旨在减少电弧放电的dc开关和壁装电源插座是已知的，例如从ep2251941a1中可知，其中电插头需要被插入并随后被旋转。然而，与ac相比，在建立电气连接之前，需要额外的手动操作。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的是在将dc运行的设备从dc电压总线断开时减轻电弧放电的风险。
6.根据本发明，该目的通过提供一种用于将dc运行的应用设备与dc电源连接和断开的保护电路来实现。该保护电路包括用于从dc电源接收电力的第一输入端子(2)和第二输入端子(3)，用于向dc运行的设备提供电力的第一输出端子(4)和第二输出端子(5)。还包括具有联接在第一和第二输入端子(2、3)之间的电压测量电路的第一级(6)，以及在第一级(6)之后包括预充电控制电路(9)的第二级(7)，其中第二级在第一和第二输入端子(2、3)之间与第一级并联。该保护电路还包括数字控制器(10)，其被布置用于控制本地psu(12)的激活和去激活，以向dc运行的设备(22)的电子器件供电。其中，数字控制器(10)被布置用于测量指示第一输入端子(2)的电压电平的电压测量电路的电压电平(25)；并且用于当检测到第一输入端子(2)的电压降超过预定的阈值下降和/或阈值斜率时，对本地psu(12)去激活。
7.根据一个方面，提供了一种dc运行的设备，包括如所公开的用于连接和断开dc电源的保护电路。
8.根据另一方面，提供了一种用于将dc运行的设备从dc电源断开的方法，其中dc运行的设备设置有所公开的保护电路。
9.参考附图，在以下对多个示例性实施例的详细描述中描述了本发明的特定实施例的其他目的、方面、效果和细节。
附图说明
10.仅作为示例，将参照附图描述本公开的实施例，在附图中：
11.图1示意性地示出了根据本发明的保护电路的示例；
12.图2-4示出了dc运行的电网中可能出现的电压降曲线示例图；
13.图5示出了根据本发明的保护电路的另一个示例；和
14.图6示出了根据本发明的用于操作保护电路的方法的示例。
具体实施方式
15.图1示出了dc保护电路1，其用于从主dc电源断开和连接dc运行的应用设备22。如图1所示，保护电路可以被包含以作为dc运行的设备的一部分，或者如图5所示，它可以被分开设置。仅示出了两个连接端子的主dc电源可以提供任何水平的功率或电流水平。主要要求是所提供的信号的质量受到严格规制。在dc运行的电网中，标称运行范围必须明确定义。例如，当在dc系统中标称运行被认为是320v-380v之间的范围时，250v-320v之间的电压范围的下降可以被定义为紧急模式。这可能是由于例如可用电力不足，在这种情况下，连接到电网的dc应用可以停止汲取电力。当它进一步下降到250v以下时，应用将完全停止汲取电力，在这种情况下，任何监视应用运行的保护性电子器件也不再被供电。
16.应用设备可以是在dc电压下运行的任何类型的有源设备，例如led驱动器、电池充电器、具有usb-c连接的设备。就功率而言，应用设备可以在例如100w、1kw或10kw内运行，以及以例如350v至700v的电压电平运行，或者根据usb pd标准，例如以5v/3a至20v/5a运行。
17.保护电路1具有第一输入端子2和第二输入端子3，用于从主dc电源接收电力。这些输入端子2、3一起形成保护电路1的输入侧。保护电路1还具有第一输出端子4和第二输出端子5，用于在dc运行的应用设备22内进行配电，或者更一般地，用于向这种应用22供电。这些输出端子4、5一起形成保护电路1的输出侧。
18.dc运行的应用设备22连接到输出端子4、5。在运行中，输出端子4传送存在于dc链路20上的dc电压，而输出端子5传送到地线21的连接。在说明书中，dc链路指的是正电压线或总线、pcb上的条或迹线。
19.dc运行的设备可以具有本地电源单元psu 12，用于给dc运行的设备22的vcc线35供电。vcc线35为应用设备22的任何有源元件供电，例如执行任何控制程序的电子器件、开关和/或设备22的其他部件。本地psu 12可以包括本地psu控制器，用于控制vcc线35的通电。
20.保护电路1还具有第一级6，其包括联接在第一和第二输入端子2、3之间的电压测量电路15、16。在图1的示例中，电压测量电路包括具有至少两个串联连接的阻抗15、16的分压器电路。至少两个阻抗15、16之间的连接提供了电压电平25，该电压电平25由至少两个阻抗15、16的相应尺寸确定。阻抗优选为无源电阻器。第一级6还可以包括电流定向元件，在这个示例中是二极管17。该电流定向元件可以防止电流回流到第一级6中。
21.保护电路1还具有在第一级6之后的第二级7，其包括与预充电控制电路9串联的预充电电容器8。第二级7与第一级6并联连接在第一和第二输入端子2、3之间。
22.保护电路1还包括数字控制器10。数字控制器10是由辅助电源14供电的有源元件。辅助电源14可以是普通电池，它可以是由连接到第一输入端子的dc链路馈电的有效电源，
例如由dc链路20馈电的从属电流源，或者它可以是用于给数字控制器10供电的任何其他合适的有效电源。作为可以提供的功率的指示，例如大约3ma。
23.任何dc运行的设备22或dc应用将包括需要被供电以运行的电子器件。此外，这种设备将具有本地电源单元psu 12，以帮助所需电力的输送。为了控制要输送给应用电子器件的电力，保护电路1还设置有数字控制器10。数字控制器10被布置用于控制本地psu 12的激活和去激活，以向dc运行的设备22的电子器件供电。数字控制器10可以通过操作电源开关11来控制本地psu 12的激活和去激活，该电源开关11用于将辅助电源14连接到本地psu 12的电源输入端23。附加地，或者替代地，数字控制器10可以操作接地开关13，用于将地线(例如地线21)连接到本地psu 12的软启动输入端24。在仅接地的情况下，电源14和本地psu 12之间不需要连接。
24.在替代实施例中，不是数字控制器10激活本地psu控制器，而是它可以在没有中间本地控制器的情况下直接控制应用设备的psu。当保护电路形成应用设备的组成部分时，这尤其有利。
25.再次参考图1，数字控制器10还被布置用于测量电压测量电路的电压。在图1的示例中，两个阻抗15、16之间的测量点25连接到数字控制器10的输入端。所测量的电压将被评估，以确定dc运行的设备22断电的情况是否正在发生。
26.因此，数字控制器10还被布置成当检测到第一输入端子2上的电压降超过预定的阈值下降和/或阈值斜率时，对本地psu 12去激活。
27.图2-4示出了在dc运行的电网中可能出现的电压降曲线的示例的曲线图。由主dc电源提供的电压电平30将在例如360v的数量级。该电压电平30被认为是非常可靠和恒定的。因此，当保护电路1的端子2、3处出现电压下降时，这是可以指示dc运行的设备22正在被断开或者存在不良连接的事件。
28.参考图2，示出了当dc运行的设备22从主dc电源的端子断开时(例如如图1所示)的典型电压降曲线。由主dc电源提供的电压电平30将在例如360v的数量级。当在保护电路1的端子2、3处将出现电压在1微秒的范围内从7-20v或10-40v的数量级立即下降到更低的电压电平31时，这可以指示它正在被断开。在初始的立即下降之后，电压下降曲线可以显示进一步下降到更低的电压电平33的斜坡。该斜坡可以在1毫秒范围内的时间段内出现。在这种电压降曲线的情况下，存在电弧放电的风险。因此，dc运行的设备或应用22应当被断电。
29.在没有预防措施的情况下，从dc电源断开在电流作用下的dc运行的应用设备会导致电弧放电。当断开材料或插头被拉动时，跨越间隙两端将出现快速电压降u电弧，其取决于例如空气湿度和压力，大约为10-40v。电压降的出现是一个快速过程，在间隙之后不到1微秒，因此电弧保持延伸，并且跨越间隙的电弧电压也随之延伸，这也延长了电弧。电弧电压随着电弧长度增加，大约每1mm增加1v。由于这种延长，输入端子的电压将沿着斜率缓慢下降。
30.除了电弧放电的风险之外，其他类型的事件也可以发生，从而保证受控响应，例如以受控方式关闭。
31.参考图3，示出了当主dc电源和dc运行的设备22之间的连接将被中断时的典型电压降曲线。当例如360v的电压电平将在1微秒内下降例如大约20-30v到达较低的电压电平33时，出现这种中断，并且在初始下降之后，在10毫秒范围内的中断时段之后，电压可以再
次上升回到原始电压电平30。在这种电压降曲线(即下降时间t)的情况下，事件可能会再次发生，作为预防措施，应调查这种中断的原因。因此，dc运行的设备或应用22应当被断电。这种中断可能表示连接不可靠，也可能表示该设备所属的系统不再按规定工作。例如，在多个负载的情况下，例如一串多个led灯，每个都配备有dc led驱动器，当一个led驱动器或led灯发生故障时，比如短路的情况，故障负载不再汲取电力，电力将被分配并由剩余的负载消耗，这意味着每个负载将消耗更多的电力。这可能会导致电流振荡，而二极管将防止电流振荡，并将要求系统被断电。
32.参考图4，示出了当由主dc电源提供的电压电平随着时间而恶化时的典型电压降曲线。在这种情况下，电压电平34不会立即下降，而是逐渐降低到某个较低的阈值电压电平35，例如在大约10ms的时间段内。该较低的阈值将指示欠压，在该欠压下，dc运行的设备或应用22将不能正常工作或将不正确地工作。不管任何进一步下降或上升的曲线(如附加虚线所示)，当达到这种欠压35时，dc运行的设备或应用22应当被断电。虽然在这种情况下，电弧放电的风险可以受到限制，但可能会发生其他需要验证的情况。
33.预充电
34.当应用设备最初被连接并由主dc电源供电时，如上所述，设备的电子器件需要在主电源被输送到应用设备之前被供电。并且，在例如经由本地电源控制器的这种对电子器件的激活之前，需要对dc链路电容器进行充电。这种dc链路电容器是任何应用设备的一部分，并且连接在dc链路(21)和地线(20)之间。在运行中，当例如设备中的mosfet快速切换时，dc链路电容器旨在提供设备所要求的快速电流。在电网电压下降的情况下，它还为设备提供了保持时间。在激活期间，需要确保该dc链路电容器随时间逐渐充电，因此不会出现突然的电压或电流尖峰。这被称为应用的预充电。这种预充电可以以各种方式实现，其中一些将在下面进一步解释。
35.再次参考图1，在该实施例中，保护电路1的预充电电容器8还用作应用设备22的dc链路电容器。在这种情况下，预充电电容器8与预充电控制电路9串联连接。这允许保护电路1被实现为应用设备的组成部分。替代地，如图5所示，应用设备可以具有dc链路电容器27，在这种情况下，不一定需要预充电电容器8。如果应用设备确实具有dc链路电容器27，并且保护电路1的第二级7确实包括预充电电容器8，如图1所示，则预充电电容器8首先被预充电，随后激活设备的电子器件，并且随后对本地dc链路电容器27预充电。
36.在图1的实施例中，预充电控制电路9包括与旁路开关19并联的电流源18。替代地，电源18也可以是电压源或无源耗散部件，例如可变电阻器，用于帮助应用设备的预充电。预充电的目的是将电容器8的dc链路侧的电压电平逐渐升高到dc电源的电压电平。
37.旁路开关19将根据预充电情况运行，即指示预充电完成。此外，数字控制器10还被设置成通过测量第二级7中的电压电平31来确定预充电情况。并且，数字控制器10还被布置成基于预充电情况来操作旁路开关19。当预充电完成时，旁路开关19闭合以将dc链路电容器8与地线21连接。基本上，预充电情况由电容器8两端的与输入端子2、3上的输入电压相匹配的电压确定，或者当没有电流流过预充电电路9时确定。
38.在图1的实施例中，电源18的功能类似于漏极，从dc链路电容器的一侧汲取电流，直到该侧等于接地参考电压，即零。如果接地侧等于地或零，则dc链路电容器另一侧因此等于dc链路的电压电平，这意味着应用的预充电完成。
39.参考图5，示出了保护电路的另一个示例。在这个示例中，对于相同或相似的部件，使用了与图1中相同的附图标记。在图5的示例中，保护电路与具有dc链路电容器27的应用设备22分离，并且第二级7或预充电级具有预充电二极管28，而不是预充电电容器8。预充电控制电路9包括电源38，在这种情况下是电流源38。替代地，电源38也可以是电压源，如电池，或者帮助应用设备预充电的其他电源。在该实施例中，数字控制器10被布置成直接可操作地控制电源38，例如mosfet控制的电池或其他类型的晶体管与电源结合。
40.在图5的实施例中，电源38经由二极管28将电流传送到dc链路，在dc链路中，由于二极管28限制了电容器汲取的电流，dc链路电容器28的电压电平逐渐上升。由于dc链路电容器的一侧连接到地参考电压，即零，所以dc链路电容器的另一侧因此升高。当期望的电压电平等于要连接的dc电源的电压电平时，应用的预充电完成。随着预充电完成，电源38被关闭，并且链路开关26可以被闭合以完全给应用22供电。
41.在电源38与由该电源驱动的电路相结合的情况下，例如像具有dc电池的反激式转换器，或者固有地防止电流回流的其他电路，二极管28不是必需的并且是可选的。
42.为了让数字控制器10评估预充电是否完成，它需要测量输入。在图1的实施例中，这可从电压点31获得。在图5的实施例中，保护电路与应用设备分离，提供了另一个电压测量电路。在图5的示例中，第二级(7)包括包含两个阻抗32、33的电压测量电路，该电压测量电路在两个阻抗32、33之间提供电压电平34。阻抗优选为无源电阻器。监控、即测量电压电平34作为预充电状态指示允许数字控制器评估预充电何时完成。该测量优选地由电隔离传感器或检测器来执行，例如光耦合器或隔离放大器。
43.过载
44.保护电路1还可以适于通过分流电阻器30来解决过载情况，无论是由于过量电流还是过量电压造成的。在图1或图5的任一示例中，保护电路1包括与地线21串联连接的分流电阻器30。在这种配置中，数字控制器10可以进一步被布置用于监控应用设备22的运行情况，例如过载情况。过载情况可能与过量电流有关，该过量电流可能在例如设备中存在短路时出现。例如，如果应用汲取的电流超过预定极限，如对于100w的应用为0.29a，对1kw的应用为2.86a，对10kw的应用为28.6a。
45.保护电路1还可以包括与dc链路20串联的过载开关26。如图5所示，链路开关26和过载开关26可以实现为分开的开关或单个开关。开关26可以是固态部件，例如mosfet、jfet、双极晶体管、igbt或其他类型的开关元件。然后，数字控制器10还被布置成通过分流电阻器30来检测dc运行的设备的过载情况，并且操作过载开关26来将dc链路20从第二级7断开。过载开关可以响应于检测到的过载情况而被操作。
46.在图1的实施例中，数字控制器10可以通过关闭应用的本地psu或本地psu控制器来响应对过载情况的检测，而在图5中，数字控制器10可以断开且断连过载开关26。
47.参考图6，示出了用于操作如上所述的保护电路的方法的示例。该方法类似地应用于将dc运行的应用设备从dc电源断开，其中dc运行的设备设置有如上所述的保护电路。该方法包括监控601输入端子的电压电平。并且当检测602到输入端子两端的电压降时，对应用设备的本地psu去激活603。并且，如果dc链路开关26存在，则断开604dc链路开关26。在存在dc链路开关26的情况下，可以执行dc链路开关26的断开604，而不是对本地psu去激活603。
48.尽管上面已经参照具体实施例描述了本发明，但是本发明并不旨在局限于本文阐述的具体形式。相反，本发明仅受所附权利要求的限制，并且在这些所附权利要求的范围内，除上述具体实施例之外的其他实施例同样是可能的。
49.此外，尽管上面已经在部件和/或功能的一些示例性组合中描述了示例性实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以通过部件和/或功能的不同组合来提供替代实施例。例如，保护电路可以是与dc运行的设备连接的独立部分，或者它可以形成其组成部分。根据电路和设备中存在的控制器数量以及这些控制器的能力，各种级别的集成是可能的。它也可以使用单个控制器用于本文描述的所有需要的操作。此外，特别预期的是，单独描述的或者作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或者其他实施例的部分相结合。