DE102017106770B4

DE102017106770B4 - Circuit arrangement for protection against network overvoltages for power converters in vehicles, in particular in vehicles connected to overhead lines

Info

Publication number: DE102017106770B4
Application number: DE102017106770.1A
Authority: DE
Inventors: Udo Seidl; Jurij Schneider
Original assignee: KIEPE ELECTRIC GmbH
Current assignee: Kiepe Electric GmbH Germany
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: DE102017106770A1

Abstract

Schaltungsanordnung zum Schutz vor Netzüberspannungen (UF) für Stromrichter (5) von Fahrzeugen mit einer Filterschaltung (2) mit mindestens einer ersten Filterinduktivität (6), mindestens einer Filterkapazität (7), welche aus einer Parallelschaltung aus mindestens einem ersten (7.1) und einem zweiten Kondensator (7.2) unterschiedlicher Kapazität gebildet wird, und mindestens einem ersten (8.1) und einem zweiten elektrischen Schaltelement (8.2), dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftreten einer Netzüberspannung (UF) die Kondensatoren (7.1, 7.2) durch das erste elektrische Schaltelement (8.1) von der Filterinduktivität (6) und durch das zweite elektrische Schaltelement (8.2) voneinander trennbar sind, wobei über dem ersten Kondensator (7.1) mit der größeren Kapazität eine geringere Überspannung (UCG) abfällt als über dem zweiten Kondensator (7.2) mit der geringeren Kapazität.Circuit arrangement for protection against mains overvoltages (UF) for power converters (5) of vehicles with a filter circuit (2) with at least a first filter inductance (6), at least one filter capacitance (7), which consists of a parallel connection of at least a first (7.1) and a second capacitor (7.2) of different capacity is formed, and at least a first (8.1) and a second electrical switching element (8.2), characterized in that when a network overvoltage (UF) occurs, the capacitors (7.1, 7.2) are replaced by the first electrical switching element ( 8.1) can be separated from each other by the filter inductance (6) and by the second electrical switching element (8.2), with a lower overvoltage (UCG) falling across the first capacitor (7.1) with the larger capacity than across the second capacitor (7.2) with the lower capacity.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz vor Netzüberspannungen für Stromrichter von Fahrzeugen, insbesondere von fahrleitungsgebundenen Fahrzeugen, mit einer Filterschaltung mit mindestens einer ersten Filterinduktivität, mindestens einer Filterkapazität, welche aus einer Parallelschaltung aus mindestens einem ersten und einem zweiten Kondensator unterschiedlicher Kapazität gebildet wird, und mindestens einem ersten und einem zweiten elektrischen Schaltelement. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zur Netztrennung eines Stromrichters von Fahrzeugen, insbesondere von fahrleitungsgebundenen Fahrzeugen, mit einer Schaltungsanordnung zum Schutz vor Netzüberspannungen.The present invention relates to a circuit arrangement for protecting against network overvoltages for power converters of vehicles, in particular of vehicles connected to overhead lines, with a filter circuit with at least a first filter inductance, at least one filter capacitance, which is formed from a parallel connection of at least a first and a second capacitor of different capacity, and at least a first and a second electrical switching element. The invention further relates to a corresponding method for disconnecting a power converter from vehicles, in particular from vehicles connected to overhead lines, with a circuit arrangement for protecting against network overvoltages.

Derartige Schaltungsanordnungen finden insbesondere im Bereich von oberleitungsgebundenen Fahrzeugen, wie beispielsweise Trolleybussen oder Bahnen im Nahverkehr Einsatz. Bei entsprechenden Fahrzeugen wird der Stromrichter, beispielsweise ein Bordnetzumrichter und/oder ein Antriebsumrichter, an die Fahrdrahtnetze üblicherweise über Filterschaltungen mit einer Filterinduktivität und einer Filterkapazität bestehend aus einem Filterkondensator angebunden. Bei derartigen Filterschaltungen wird der Kondensator zunächst typischerweise über einen Ladewiderstand aufgeladen, der dann zum Betrieb des Stromrichters mittels eines Schaltelements gebrückt wird. Eine solche Filterschaltung dient dabei im Normalbetrieb im Wesentlichen der Filterung der Netzspannung sowie der Reduzierung von Netzrückwirkungen vom Stromrichter.Such circuit arrangements are used in particular in the area of overhead line vehicles, such as trolleybuses or local trains. In corresponding vehicles, the power converter, for example an on-board power converter and/or a drive converter, is connected to the contact wire networks usually via filter circuits with a filter inductance and a filter capacitance consisting of a filter capacitor. In such filter circuits, the capacitor is initially typically charged via a charging resistor, which is then bridged to operate the power converter by means of a switching element. In normal operation, such a filter circuit essentially serves to filter the mains voltage and reduce network interference from the power converter.

Im Falle einer Netzüberspannung sollte sichergestellt werden, dass der Stromrichter nicht aufgrund der hohen Spannungen beschädigt wird. Hierzu sind verschiedene Arten von Schaltungsanordnungen zum Schutz vor Netzüberspannungen bekannt. So sind beispielsweise Anordnungen bekannt, bei welchen der Schutz vor Netzüberspannungen direkt durch die Filterschaltung selbst realisiert wird. Bei derartigen Schaltungsanordnungen sind jedoch sehr große Induktivitäts- und Kapazitätswerte erforderlich, was wiederum zu sehr voluminösen und schweren Bauteilen führt und daher bei Fahrzeugen besonders nachteilig ist. Des Weiteren sind Schutzschaltungen bekannt, bei welchen die auftretende Netzüberspannung durch das Einschalten eines großen, jedoch in der Regel ohnehin vorhandenen Bremswiderstands abgebaut werden kann. Derartige Schaltungsanordnungen finden beispielsweise bei Antriebsumrichtern Anwendung. Ein Beispiel für eine besondere Schutzschaltung für Antriebsumrichter offenbart die US 5 127 085 A. Schließlich sind Schutzschaltungen bekannt, bei welchen eine Trennung vom Netz mittels mechanischer Schalter erfolgt. Diese Schutzschaltungen weisen jedoch sehr langeIn the event of a mains overvoltage, it should be ensured that the power converter is not damaged due to the high voltages. Various types of circuit arrangements for protection against network overvoltages are known for this purpose. For example, arrangements are known in which protection against network overvoltages is implemented directly by the filter circuit itself. However, such circuit arrangements require very large inductance and capacitance values, which in turn leads to very voluminous and heavy components and is therefore particularly disadvantageous in vehicles. Furthermore, protective circuits are known in which the network overvoltage that occurs can be reduced by switching on a large braking resistor, which is usually present anyway. Such circuit arrangements are used, for example, in drive converters. An example of a special protection circuit for drive inverters is revealed in: US 5,127,085 A. Finally, protective circuits are known in which the mains is disconnected using mechanical switches. However, these protection circuits last for a very long time

Schaltzeiten auf, so dass Nachteile insbesondere bei schnellen, transienten Überspannungen auftreten. Darüber hinaus ist eine entsprechende Anwendung bekannter Schutzschaltungen in Verbindung mit Bordnetzumrichtern nicht möglich.Switching times, so that disadvantages occur particularly with fast, transient overvoltages. In addition, it is not possible to use known protective circuits in conjunction with on-board power converters.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zum Schutz vor Netzüberspannungen anzugeben, mit welcher bei kurzen Abschaltzeiten eine Reduzierung des Bauvolumens erreicht werden kann.Against this background, the invention sets itself the task of specifying a circuit arrangement for protection against network overvoltages, with which a reduction in the construction volume can be achieved with short switch-off times.

Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass beim Auftreten einer Netzüberspannung die Kondensatoren durch das erste elektrische Schaltelement von der Filterinduktivität und durch das zweite elektrische Schaltelement voneinander trennbar sind, wobei über dem ersten Kondensator mit der größeren Kapazität eine geringe Überspannung abfällt als über dem zweiten Kondensator mit der geringeren Kapazität.In a circuit arrangement of the type mentioned at the beginning, the object is achieved in that when a network overvoltage occurs, the capacitors can be separated from each other by the first electrical switching element from the filter inductance and by the second electrical switching element, with a small overvoltage across the first capacitor with the larger capacity drops than over the second capacitor with the lower capacity.

Durch eine derartige Schaltungsanordnung kann der Stromrichter beim Auftreten einer Netzüberspannung innerhalb kürzester Zeit vom Netz getrennt werden. Darüber hinaus können durch das Schaltverhalten der Schaltelemente die Kondensatoren elektrisch voneinander getrennt werden, insbesondere derart, dass über dem zweiten Kondensator eine größere Spannung anliegt. Dabei ist es durch die entsprechende Wahl der Kapazitäten der Kondensatoren und deren entsprechender Verschaltung möglich, die Baugröße der zu verwendenden Bauelemente bei gleichzeitiger Handhabung längerer und/oder größerer Spannungen gegenüber bekannten Schutzschaltungen zu vermindern. Die Dimensionierung der Bauteile kann dabei derart ausgeführt werden, dass die am Stromrichter anliegende Spannung einen zulässigen Grenzwert nicht überschreitet, die Summe der über den Bauteilen der Schaltungsanordnung anliegenden Spannungen jedoch ausreichend groß ist, um eine Netztrennung des Stromrichters zu bewirken.With such a circuit arrangement, the power converter can be disconnected from the network within a very short time if a network overvoltage occurs. In addition, the switching behavior of the switching elements allows the capacitors to be electrically separated from one another, in particular in such a way that a larger voltage is present across the second capacitor. By appropriately selecting the capacitances of the capacitors and their corresponding wiring, it is possible to reduce the size of the components to be used while at the same time handling longer and/or higher voltages compared to known protective circuits. The components can be dimensioned in such a way that the voltage applied to the converter does not exceed a permissible limit, but the sum of the voltages applied across the components of the circuit arrangement is sufficiently large to cause the converter to be disconnected from the network.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zweite Kondensator eine höhere Spannungsfestigkeit als der erste Kondensator aufweist. Aufgrund der Verschaltung der einzelnen Bauelemente kann erreicht werden, dass lediglich über dem zweiten Kondensator eine hohe Überspannung anliegt. Der erste Kondensator hingegen kann aufgrund der elektrischen Trennung der Kondensatoren geschützt werden und die über dem Kondensator abfallende Spannung begrenzt werden. Es ist daher nicht erforderlich, beide Kondensatoren in der gleichen Weise spannungsfest auszubilden. Vielmehr ist es ausreichend, nur den zweiten Kondensator besonders spannungsfest auszubilden. Da dieser jedoch eine kleinere Kapazität als der erste Kondensator aufweist, kann die Baugröße dennoch gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen verkleinert werden.According to a preferred embodiment, it is provided that the second capacitor has a higher dielectric strength than the first capacitor. Due to the interconnection of the individual components, it can be achieved that a high overvoltage is only present across the second capacitor. The first capacitor, on the other hand, can be protected due to the electrical separation of the capacitors and the voltage dropping across the capacitor can be limited. It is therefore not necessary to design both capacitors to be voltage-resistant in the same way. Rather, it is sufficient to design only the second capacitor to be particularly voltage-resistant. However, since this has a smaller capacity than the first capacitor, the size can still be reduced compared to known circuit arrangements.

Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Kondensatoren kann die Baugröße der Kondensatoren weiter verkleinert werden. Die Kondensatoren, welche die Filterkapazität der Filterschaltung bilden, können bevorzugt als Elektrolyt- oder Folienkondensatoren ausgebildet sein.By appropriately designing the capacitors, the size of the capacitors can be further reduced. The capacitors that form the filter capacity of the filter circuit can preferably be designed as electrolytic or film capacitors.

Der erste Kondensator kann derart ausgestaltet sein, so dass er im Wesentlichen die Funktion des Filterkondensators übernimmt. Hierzu weist der Kondensator eine große Kapazität bei gleichzeitig geringer Spannungsfestigkeit auf. So kann der Kondensator bevorzugt eine Kapazität größer als 1 mF, insbesondere im Bereich zwischen 1 mF und 10 mF, aufweisen. Die Spannungsfestigkeit kann dabei bei Höchstwerten der Netzspannung von 1 kV kleiner als 1,2 kV sein und bevorzugt im Bereich zwischen 1 kV und 1,2 kV liegen.The first capacitor can be designed in such a way that it essentially takes on the function of the filter capacitor. For this purpose, the capacitor has a large capacity and at the same time a low dielectric strength. The capacitor can preferably have a capacity greater than 1 mF, in particular in the range between 1 mF and 10 mF. At maximum network voltage values of 1 kV, the dielectric strength can be less than 1.2 kV and preferably in the range between 1 kV and 1.2 kV.

Der zweite Kondensator kann besonders bevorzugt als Kommutierungskondensator für den Stromrichter dienen. Aufgrund dessen ist es bevorzugt, wenn der Kondensator niederinduktiv, d. h. über kurze Leitungen an den Stromrichter angebunden ist. Der Kondensator kann bevorzugt eine Kapazität kleiner als 100 µF, insbesondere im Bereich zwischen 10 µF und 100 µF, aufweisen, bei gleichzeitiger hoher Spannungsfestigkeit, welche bevorzugt größer 1,6 kV beträgt und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 1,6 kV und 2,5 kV liegt.The second capacitor can particularly preferably serve as a commutation capacitor for the power converter. Because of this, it is preferred if the capacitor has low inductance, i.e. H. is connected to the power converter via short cables. The capacitor can preferably have a capacity of less than 100 µF, in particular in the range between 10 µF and 100 µF, while at the same time having a high dielectric strength, which is preferably greater than 1.6 kV and particularly preferably in the range between 1.6 kV and 2.5 kV is.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht ein erstes und ein zweites Bauelement, insbesondere einen ersten und einen zweiten Varistor, zur Spannungsbegrenzung vor, welche zueinander in Reihe geschaltet sind. Mit Hilfe derartiger Bauelemente, bei welchen es sich bevorzugt um spannungsabhängige Bauelemente handelt, können die an diesen anliegenden Spannungen auf einen zulässigen Gesamtwert begrenzt werden. Als vorteilhafte Bauelemente haben sich dabei insbesondere Varistoren erwiesen. Derartige spannungsabhängige Widerstände werden oberhalb einer bestimmten Schwellenspannung rasch niederohmig, so dass im Normalbetrieb der Widerstand sehr groß ist, während beim Auftreten einer Überspannung der Widerstand fast verzögerungsfrei sehr klein wird und so Ladung abgeleitet werden kann. Aufgrund der kurzen Ansprechzeiten können so auch kurzzeitig auftretende Überspannungen begrenzt werden, ohne dass die Bauteile zerstört werden. Alternativ können als spannungsbegrenzende Bauteile jedoch auch andere Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Halbleiterbauelemente, wie Dioden oder dergleichen oder eine Kombination entsprechender Bauelemente verwendet werden.An advantageous embodiment provides a first and a second component, in particular a first and a second varistor, for voltage limitation, which are connected in series with one another. With the help of such components, which are preferably voltage-dependent components, the voltages applied to them can be limited to a permissible total value. Varistors in particular have proven to be advantageous components. Such voltage-dependent resistors quickly become low-resistance above a certain threshold voltage, so that in normal operation the resistance is very large, while when an overvoltage occurs, the resistance becomes very small almost immediately and charge can be dissipated. Due to the short response times, even short-term overvoltages can be limited without destroying the components. Alternatively, other components such as resistors, capacitors, semiconductor components such as diodes or the like or a combination of corresponding components can also be used as voltage-limiting components.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn das erste Bauelement dem ersten Schaltelement und/oder das zweite Bauelement dem zweiten Schaltelement parallel geschaltet ist. Auf diese Weise kann die beim Abschalten der Schaltelemente auftretende Abschaltüberspannung mit Hilfe der spannungsbegrenzenden Bauelemente zuverlässig begrenzt werden. Durch eine entsprechende Anordnung der Bauelemente kann ein mechanischer Schalter nachgebildet werden. Die Schaltelemente können bevorzugt als Halbleiterschalter, besonders bevorzugt als Transistoren und besonders bevorzugt als IGBTs, ausgebildet sein. Durch das Vorsehen derartiger elektrischer Schaltelemente lassen sich die Schaltzeiten gegenüber mechanischen Schaltern deutlich verkürzen.In this context, it is particularly advantageous if the first component is connected in parallel with the first switching element and/or the second component is connected in parallel with the second switching element. In this way, the shutdown overvoltage that occurs when the switching elements are switched off can be reliably limited with the help of the voltage-limiting components. A mechanical switch can be simulated by arranging the components accordingly. The switching elements can preferably be designed as semiconductor switches, particularly preferably as transistors and particularly preferably as IGBTs. By providing such electrical switching elements, the switching times can be significantly shortened compared to mechanical switches.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das erste und das zweite elektrische Schaltelement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Ein derartiges Schaltelement ist als Zweigpaarmodul bekannt, welches in vielen Bereichen der Leistungselektronik Einsatz findet. Es weist eine kleine Bauform auf, wodurch sich die Baugröße der Schaltungsanordnung insgesamt weiter verkleinern lässt. In diesem Fall fließt so in vorteilhafter Weise durch das erste Schaltelement lediglich ein Gleichstromanteil und durch das zweite Schaltelement nur ein wenige Verluste verursachender Wechselanteil, so dass insgesamt geringere Verluste auftreten.It has proven to be particularly advantageous if the first and second electrical switching elements are arranged in a common housing. Such a switching element is known as a branch pair module, which is used in many areas of power electronics. It has a small design, which allows the overall size of the circuit arrangement to be further reduced. In this case, only a direct current component flows advantageously through the first switching element and only an alternating current component that causes a few losses flows through the second switching element, so that overall lower losses occur.

Vorzugsweise ist der zweite Kondensator an einem Punkt zwischen der ersten Parallelschaltung und der zweiten Parallelschaltung angeschlossen. Aufgrund dieser Verschaltung kann eine auftretende Netzüberspannung im Wesentlichen nur über dem ersten Bauelement und dem zweiten Kondensator anliegen, so dass auch die elektrischen Eigenschaften als auch die Bauform der Bauelemente entsprechend gewählt werden können. So kann beispielsweise die Kapazität des zweiten Kondensators kleiner gewählt werden als die des ersten Kondensators und/oder die Spannungsfestigkeit des zweiten Kondensators höher als die des ersten Kondensators.Preferably, the second capacitor is connected at a point between the first parallel circuit and the second parallel circuit. Due to this connection, any network overvoltage that occurs can essentially only be present across the first component and the second capacitor, so that the electrical properties as well as the design of the components can be selected accordingly. For example, the capacity of the second capacitor can be chosen to be smaller than that of the first capacitor and/or the dielectric strength of the second capacitor to be higher than that of the first capacitor.

Besonders bevorzugt ist, wenn eine aufgrund des Abschaltvorgangs über dem ersten Schaltelement anliegende Überspannung mittels des ersten Bauelements und eine über dem zweiten Schaltelement anliegende Überspannung mittels des zweiten Bauelements begrenzbar ist. Auf diese Weise können die jeweils anliegenden Spannungen auf einen Wert eingestellt werden, um so erreichen zu können, dass die Bauteile nicht beschädigt werden, eine Netztrennung jedoch rasch erfolgt. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn zur Netztrennung eine Gegenspannung aufgebaut wird, welche der Netzüberspannung, insbesondere stromvermindernd, entgegenwirkt. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn sich die Gegenspannung im Wesentlichen aus der über dem ersten Schaltelement abfallenden Überspannung und der über dem zweiten Kondensator abfallenden Überspannung zusammensetzt. Die über dem zweiten Kondensator abfallende Überspannung kann dabei bevorzugt einen höheren Wert annehmen als die am ersten Schaltelement anliegende Überspannung.It is particularly preferred if an overvoltage present across the first switching element due to the switch-off process can be limited by means of the first component and an overvoltage present across the second switching element can be limited by means of the second component. In this way, the voltages applied can be set to a value in order to achieve that the components are not damaged, but that the network is disconnected quickly. In this context, it is particularly advantageous if a countervoltage is built up to disconnect the network, which counteracts the network overvoltage, in particular by reducing the current. It is particularly preferred if the countervoltage is essentially composed of the overvoltage dropping across the first switching element and the overvoltage dropping across the second capacitor. The overvoltage dropping across the second capacitor can preferably assume a higher value than the overvoltage present at the first switching element.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass während der Netztrennung der zweite Kondensator und eine Reihenschaltung des ersten Kondensators und des zweiten Bauelements einander parallel geschaltet sind, wobei die Parallelschaltung in Reihe mit dem ersten Bauelement geschaltet ist. Über entsprechende Anordnungen kann die Baugröße der Bauteile der Schaltungsanordnung weiter reduziert werden, da die Eigenschaften an die Verschaltung und die damit über dem jeweiligen Bauelement abfallende Spannung angepasst werden können. Es ist daher nicht mehr erforderlich, große und schwere Bauteile im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung zu verwenden.In a further development of the invention, it is proposed that during the mains isolation the second capacitor and a series connection of the first capacitor and the second component are connected in parallel with one another, the parallel connection being connected in series with the first component. The size of the components of the circuit arrangement can be further reduced using appropriate arrangements, since the properties can be adapted to the circuitry and the resulting voltage drop across the respective component. It is therefore no longer necessary to use large and heavy components in connection with the circuit arrangement.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltungsanordnung einen Filterladewiderstand zum Laden der Filterkapazität und/oder einen Dämpfungswiderstand zur Dämpfung von Resonanzen auf. Mit Hilfe des Ladewiderstandes können die Kondensatoren beim Anliegen einer Netzspannung aufgeladen werden. Der Ladewiderstand kann im Normalbetrieb bevorzugt mittels des ersten und des zweiten Schaltelementes überbrückt werden.In a further embodiment of the invention, the circuit arrangement has a filter charging resistor for charging the filter capacitance and/or a damping resistor for damping resonances. With the help of the charging resistor, the capacitors can be charged when a mains voltage is applied. During normal operation, the charging resistor can preferably be bridged by means of the first and second switching elements.

Mit Hilfe des Dämpfungswiderstands können Resonanzen mit dem einspeisenden Netz vermindert werden. Der Dämpfungswiderstand kann dabei bevorzugt in Reihe mit dem ersten Kondensator geschaltet werden.With the help of the damping resistor, resonances with the feeding network can be reduced. The damping resistor can preferably be connected in series with the first capacitor.

Es können ferner Entladewiderstände vorgesehen sein, welche insbesondere der Entladung der Kondensatoren nach dem Auftreten einer Überspannung dienen können. Dadurch, dass der zweite Kondensator, welcher eine hohe Überspannung erfährt, eine geringe Kapazität besitzt, können die Entladewiderstände hochohmig und/oder verlustarm gewählt werden und es können sich immer noch kurze Entladezeiten ergeben. Aufgrund dessen ist der Übergang in den Normalbetrieb des Stromrichters schnell möglich.Discharge resistors can also be provided, which can be used in particular to discharge the capacitors after an overvoltage occurs. Because the second capacitor, which experiences a high overvoltage, has a low capacity, the discharge resistors can be selected to be high-resistance and/or low-loss and short discharge times can still result. Because of this, the transition to normal operation of the power converter is possible quickly.

Weiter vorteilhaft ist, wenn die Filterschaltung als eine zweistufige Filterschaltung mit mindestens zwei Filterinduktivitäten und mindestens drei Kondensatoren ausgebildet ist. Der Vorteil einer solchen zweistufigen Filterschaltung liegt dabei darin, dass bei höheren Frequenzen eine stärkere Filterwirkung erzielt werden kann. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Filterschaltung insbesondere um ein Dämpfungsglied mit mindestens einem Widerstand und/oder einem Kondensator ergänzt wird, welches Resonanzen zusätzlich vermindernd entgegenwirken kann. Zweistufige Filterschaltungen können dabei insbesondere bei schnell schaltenden Stromrichtern Einsatz finden, welche im Bereich mehrerer Kilohertz takten. In diesem Fall können für die einzelnen Komponenten der Filterschaltung vergleichsweise kleine Werte gewählt werden. Lediglich der erste Kondensator benötigt in diesem Fall eine größere Kapazität.It is further advantageous if the filter circuit is designed as a two-stage filter circuit with at least two filter inductors and at least three capacitors. The advantage of such a two-stage filter circuit is that a stronger filter effect can be achieved at higher frequencies. It is particularly preferred if the filter circuit is supplemented in particular by an attenuator with at least one resistor and/or a capacitor, which can additionally counteract resonances by reducing them. Two-stage filter circuits can be used in particular in fast-switching power converters, which clock in the range of several kilohertz. In this case, comparatively small values can be selected for the individual components of the filter circuit. In this case, only the first capacitor requires a larger capacity.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn eine erste Stufe der Filterschaltung einer Schaltungsanordnung nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist und eine zweite Stufe der Filterschaltung von einer zweiten Filterinduktivität und einem dritten Kondensator gebildet wird. Auf diese Weise lässt sich die Größe der Filterinduktivitäten insgesamt auf eine kleinere Baugröße verringern. Auch die Kondensatoren können klein gewählt werden, da sie aufgrund der kleineren Kapazität zwar eine hohe Spannungsfestigkeit benötigen, aber dennoch kleiner ausgebildet werden können.In this context, it is particularly advantageous if a first stage of the filter circuit of a circuit arrangement is designed according to one of the previously described embodiments and a second stage of the filter circuit is formed by a second filter inductance and a third capacitor. In this way, the overall size of the filter inductors can be reduced to a smaller size. The capacitors can also be chosen to be small because, although they require a high dielectric strength due to the smaller capacity, they can still be made smaller.

Ferner können auch die spannungsbegrenzenden Bauelemente klein gewählt werden, wenn der Strom, welcher in den Stromrichter fließt, überwacht wird. Durch das Vorsehen einer Stromüberwachung am Stromrichter im Gegensatz zu einer Spannungsüberwachung können Überspannungen frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen frühzeitig eingeleitet werden, so dass die spannungsbegrenzenden Bauelemente insgesamt weniger Energie aufnehmen müssen und entsprechend kleiner dimensioniert werden können.Furthermore, the voltage-limiting components can also be chosen to be small if the current that flows into the power converter is monitored. By providing current monitoring on the power converter in contrast to voltage monitoring, overvoltages can be detected at an early stage and appropriate countermeasures can be initiated at an early stage, so that the voltage-limiting components have to absorb less energy overall and can be dimensioned correspondingly smaller.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe ferner dadurch gelöst, dass beim Auftreten einer Netzüberspannung die Kondensatoren durch das erste elektrische Schaltelement von der Filterinduktivität und durch das zweite elektrische Schaltelement voneinander getrennt werden, derart, dass über dem ersten Kondensator mit der größeren Kapazität eine geringere Überspannung abfällt als über dem zweiten Kondensator mit der geringeren Kapazität. Es ergeben sich die gleichen Vorteile, welche bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben wurden.In a method of the type mentioned at the beginning, the object is further solved in that when a network overvoltage occurs, the capacitors are separated from each other by the first electrical switching element from the filter inductance and by the second electrical switching element, such that above the first capacitor with the larger capacity a lower overvoltage drops than across the second capacitor with the lower capacity. The same advantages arise which have already been described in connection with the circuit arrangement according to the invention.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht dabei vor, dass die Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der zuvor im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung beschriebenen Merkmale ausgebildet ist. Dabei können sämtliche Merkmale allein oder in Kombination Anwendung finden.An advantageous embodiment of the method provides that the circuit arrangement is designed according to one or more of the features previously described in connection with the circuit arrangement. All features can be used alone or in combination.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein über die Zuleitung zum Stromrichter fließender Strom gemessen und beim Überschreiten eines maximalen Stroms und/oder beim Überschreiten einer maximalen Spannung am Stromrichter der Stromrichter mittels der Schaltungsanordnung vom Netz getrennt. Da sich eine Netzüberspannung in erster Linie zunächst im Stromanteil bemerkbar macht, können durch die Strommessung Überspannungen frühzeitig detektiert und Maßnahmen ergriffen werden, welche diesen entgegenwirken. Dabei kann insbesondere der Effekt genutzt werden, dass obwohl die Schaltung einen Überspannungsschutz realisiert, keine Spannungen gemessen werden, sondern lediglich der Strom, der durch transiente Überspannungen erzeugt wird. Auf diese Weise lassen sich Fehlerfälle frühzeitig detektieren und behandeln.According to a preferred embodiment of the method, a current flowing via the supply line to the power converter is measured and, when a maximum current is exceeded and/or when a maximum voltage at the power converter is exceeded, the power converter is separated from the network by means of the circuit arrangement. Since a network overvoltage is primarily noticeable in the current share, current measurement can be used to detect overvoltages at an early stage and take measures to counteract them. In particular, the effect can be used that although the circuit implements overvoltage protection, no voltages are measured, but only the current that is generated by transient overvoltages. In this way, error cases can be detected and treated at an early stage.

Weiter vorteilhaft ist, wenn die Schaltelemente beim Auftreten einer Netzüberspannung gleichzeitig abgeschaltet werden. Auf diese Weise kann der Stromrichter zuverlässig und schnell vom Netz getrennt werden. Durch das gleichzeitige Abschalten der Schaltelemente kann erreicht werden, dass die jeweils gewünschten Spannungen über den dafür vorgesehenen Bauelementen anliegen. So kann sichergestellt werden, dass keine zu hohen Spannungen an Bauteilen anliegen, welche nicht dafür ausgelegt sind.It is also advantageous if the switching elements are switched off at the same time when a network overvoltage occurs. In this way, the power converter can be reliably and quickly disconnected from the network. By simultaneously switching off the switching elements, it can be achieved that the desired voltages are present across the components provided for this purpose. This ensures that there are no excessive voltages on components that are not designed for this.

Ferner bevorzugt ist, wenn das zweite Bauelement in einer ersten Phase der Netztrennung wie offene Klemmen wirkt, derart, dass im Wesentlichen das erste Bauelement und der zweiten Kondensator wirken. Auf diese Weise kann beim Auftreten einer Netzüberspannung mit Hilfe der Schaltungsanordnung eine Gegenspannung aufgebaut werden. Dabei können im Wesentlichen das erste Bauelement und der zweite Kondensator der Netzüberspannung entgegenwirken, so dass die weiteren Bauelemente vor Überspannungen geschützt werden können.It is further preferred if the second component acts like open terminals in a first phase of network isolation, such that essentially the first component and the second capacitor act. In this way, when a network overvoltage occurs, a countervoltage can be built up using the circuit arrangement. Essentially, the first component and the second capacitor can counteract the network overvoltage, so that the other components can be protected from overvoltages.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in einer zweiten Phase der Netztrennung die Kondensatoren durch das elektrische Verhalten des zweiten Bauelements wieder miteinander verbunden werden, wobei im Wesentlichen die Bauelemente und die Kondensatoren wirken können. Ein Teil der der Netzüberspannung entgegenwirkenden Gegenspannung kann dann über der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator und dem zweiten Bauelement abfallen.According to an advantageous embodiment, it is provided that in a second phase of the network separation, the capacitors are reconnected to one another by the electrical behavior of the second component, wherein essentially the components and the capacitors can act. A portion of the countervoltage counteracting the network overvoltage can then drop across the series connection of the first capacitor and the second component.

In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn zur Netztrennung eine Gegenspannung aufgebaut wird, welche der Netzüberspannung, insbesondere stromvermindernd, entgegenwirkt. Auf diese Weise kann der durch die Induktivität getriebene Strom vermindert werden. Der Stromfluss kann so unterbunden und der Stromrichter vom Netz getrennt werden.In this context, it is preferred if a countervoltage is built up to disconnect the network, which counteracts the network overvoltage, in particular by reducing the current. In this way, the current driven by the inductance can be reduced. The current flow can be stopped and the power converter can be disconnected from the network.

Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn sich die Gegenspannung im Wesentlichen aus der über dem ersten Schaltelement abfallenden Überspannung und der über dem zweiten Kondensator abfallenden Überspannung zusammensetzt. Die über dem zweiten Kondensator abfallende Überspannung kann dabei bevorzugt einen höheren Wert annehmen als die am ersten Schaltelement anliegende Überspannung. Die Spannungen können dabei jedoch annähernd in einem Verhältnis von 1:1, bevorzugt in einem Verhältnis von 1:2, stehen. Auf diese Weise lässt sich eine Gegenspannung erzeugen, welche die Netzüberspannung übersteigt, so dass der Stromfluss unterbunden werden kann.It is particularly preferred if the countervoltage is essentially composed of the overvoltage dropping across the first switching element and the overvoltage dropping across the second capacitor. The overvoltage dropping across the second capacitor can preferably assume a higher value than the overvoltage present at the first switching element. However, the voltages can be approximately in a ratio of 1:1, preferably in a ratio of 1:2. In this way, a counter voltage can be generated that exceeds the network overvoltage so that the flow of current can be stopped.

Weiter vorteilhaft ist, wenn nach dem Auftreten einer Netzüberspannung durch das Schließen der Schaltelemente der Stromrichter wieder in den Normalbetrieb überführt wird. So kann die Schaltungsanordnung innerhalb kurzer Zeit wieder den Normalbetrieb aufnehmen und der Stromrichter an das Netz angeschlossen werden. Lange Pausenphasen sind nicht erforderlich.It is further advantageous if, after a network overvoltage occurs, the converter is returned to normal operation by closing the switching elements. This means that the circuit arrangement can resume normal operation within a short period of time and the power converter can be connected to the network. Long breaks are not necessary.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können auch die anhand des Verfahrens erläuterten Merkmale und Ausgestaltungen allein und in Kombination verwendet werden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Hierin zeigt:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
2 Ersatzschaltbilder eines ersten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung gemäß 1; und
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

In the circuit arrangement according to the invention, the features and configurations explained using the method can also be used alone and in combination. Further details and advantages of the invention will be explained in more detail below using the exemplary embodiments shown in the drawings. This shows:

1 a first exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention;
2 Equivalent circuit diagrams of a first exemplary embodiment of a circuit arrangement according to 1 ; and
3 a second embodiment of a circuit arrangement according to the invention.

In der 1 ist eine Schaltungsanordnung 1 zum Schutz vor Netzüberspannungen für Stromrichter 5 von Fahrzeugen, insbesondere von fahrleitungsgebundenen Fahrzeugen, dargestellt. Der Stromrichter 5 ist insbesondere ein Bordnetzumrichter zur Bereitstellung der Energie für elektrische Verbraucher des Fahrzeugbordnetzes, wie Fahrzeugelektronik, Türantriebe, Beleuchtung, Klimatisierung und dergleichen.In the 1 is a circuit arrangement 1 for protection against network overvoltages for power converters 5 of vehicles, in particular catenary-bound vehicles, shown. The power converter 5 is in particular an on-board power supply converter for providing energy for electrical consumers of the vehicle on-board power system, such as a vehicle electronics, door drives, lighting, air conditioning and the like.

Die Schutzschaltung 1 ist zwischen dem Fahrdraht 3 zur Versorgung des Fahrzeugs mit Energie sowie im Falle eines Schienenfahrzeugs erdseitig mit der Schiene 4 verbunden.The protective circuit 1 is connected between the contact wire 3 to supply the vehicle with energy and, in the case of a rail vehicle, on the ground side to the rail 4.

Derartige Schaltungsanordnungen 1 zum Schutz vor Netzüberspannungen finden dort Anwendung, wo der Stromrichter 5 eines Fahrzeugs vor gegebenenfalls auftretenden Netzüberspannungen U_F geschützt werden soll. Derartige Überspannungen U_F können beispielsweise Blitzeinschläge oder aber kurzzeitig andauernde Überspannungspulse darstellen. Bei einem Blitzschlag wirken Spannungen von bis zu 6 kV innerhalb eines Zeitraums von ca. 50 µs. Länger andauernde Spannungspulse weisen in der Regel zwar eine geringere Spannung auf, beispielsweise im Bereich von 2,8 kV. Diese liegt dann jedoch über einen längeren Zeitraum, wie beispielsweise von zumeist 2 ms oder länger an. Dementsprechend machen es die Anforderungen der Netzbetreiber aber auch die der Verkehrsbetriebe daher erforderlich, in solchen Fehlerfällen den am Fahrzeug angeordneten Stromrichter 5 entsprechend zu schützen und diesen schnellstmöglich vom Netz 3 zu trennen.Such circuit arrangements 1 for protection against network overvoltages are used where the power converter 5 of a vehicle is to be protected against network overvoltages U _F that may occur. Such overvoltages U _F can represent, for example, lightning strikes or short-term overvoltage pulses. When a lightning strike occurs, voltages of up to 6 kV occur within a period of approximately 50 µs. Longer-lasting voltage pulses generally have a lower voltage, for example in the range of 2.8 kV. However, this is then present over a longer period of time, for example usually 2 ms or longer. Accordingly, the requirements of the network operators but also those of the transport companies make it necessary to protect the power converter 5 arranged on the vehicle accordingly in such fault cases and to disconnect it from the network 3 as quickly as possible.

Bekannte Schaltungsanordnungen 1 beruhen dabei auf verschiedenen Prinzipien. So sind etwa Schaltungsanordnungen 1 bekannt, bei welchen eine Filterschaltung 2 als solche wirkt, was jedoch große Induktivitäts- und Kapazitätswerte und damit große und schwere Bauteile erfordert. Alternativ kann Energie durch Vernichtung abgeleitet werden. Hierzu können beispielsweise bereits am Fahrzeug vorhandene Bremswiderstände eingeschaltet werden. Eine derartige Vernichtung von Energie ist jedoch im Zusammenhang etwa mit Bordnetzumrichtern 5 nicht möglich. Schließlich besteht die Möglichkeit der Verwendung von Leistungsschaltern, beispielsweise mechanischer oder Halbleiterschalter unter Berücksichtigung des abzuschaltenden Stromes I. Derartige Leistungsschalter weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Abschaltzeiten so hoch sind, dass nur kurzzeitig auftretende Überspannungen U_F nicht vorteilhaft gehandhabt werden können.Known circuit arrangements 1 are based on various principles. For example, circuit arrangements 1 are known in which a filter circuit 2 acts as such, but this requires large inductance and capacitance values and thus large and heavy components. Alternatively, energy can be derived through annihilation. For this purpose, for example, braking resistors already present on the vehicle can be switched on. However, such destruction of energy is not possible in connection with on-board power converters 5, for example. Finally, there is the possibility of using power switches, for example mechanical or semiconductor switches, taking into account the current I to be switched off. However, such power switches have the disadvantage that the switch-off times are so long that overvoltages U _F that only occur for a short time cannot be handled advantageously.

Diese Nachteile werden mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 behoben. Die Schaltungsanordnung 1 weist hierzu eine Filterschaltung 2 auf, wie diese in 1 dargestellt ist. Diese Filterschaltung 2 setzt sich dabei zumindest aus einer ersten Filterinduktivität 6, mindestens einer Filterkapazität 7 sowie mindestens einem ersten elektrischen Schaltelement 8.1 und einem zweiten elektrischen Schaltelement 8.2 zusammen. Darüber hinaus weist die Schaltungsanordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zusätzlich noch zwei spannungsbegrenzende Bauelemente 9.1, 9.2 sowie einen Ladewiderstand 10 auf.These disadvantages are eliminated with the circuit arrangement 1 according to the invention. For this purpose, the circuit arrangement 1 has a filter circuit 2, as shown in 1 is shown. This filter circuit 2 is composed of at least a first filter inductance 6, at least one filter capacitance 7 and at least a first electrical switching element 8.1 and a second electrical switching element 8.2. In addition, the circuit arrangement 1 according to the first exemplary embodiment additionally has two voltage-limiting components 9.1, 9.2 and a charging resistor 10.

Die Filterkapazität 7 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel von zwei Kondensatoren 7.1, 7.2 gebildet, welche im Normalbetrieb einander parallel geschaltet sind. Dieser Fall ist beispielhaft in dem Ersatzschaltbild in der 2a dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt sind die beiden Schaltelemente 8.1, 8.2 eingeschaltet. Um diesen Zustand zu erlangen, werden die Kondensatoren 7.1, 7.2 beim Zuschalten der Netzspannung über den Ladewiderstand 10 aufgeladen. Danach wird der Ladewiderstand 10 durch das Einschalten der Schaltelemente 8.1, 8.2 überbrückt. Im Normalbetrieb dienen die Filterinduktivität 6 und die Parallelschaltung der Kondensatoren 7.1, 7.2 als gemeinsame Filterkapazität 7, welche der Filterung der Netzspannung sowie der Reduzierung von Netzrückwirkungen vom Stromrichter dient.In the present exemplary embodiment, the filter capacitance 7 is formed by two capacitors 7.1, 7.2, which are connected in parallel to one another during normal operation. This case is exemplified in the equivalent circuit diagram in the 2a shown. At this point in time, the two switching elements 8.1, 8.2 are switched on. In order to achieve this state, the capacitors 7.1, 7.2 are charged via the charging resistor 10 when the mains voltage is switched on. The charging resistor 10 is then bridged by switching on the switching elements 8.1, 8.2. In normal operation, the filter inductance 6 and the parallel connection of the capacitors 7.1, 7.2 serve as a common filter capacitance 7, which is used to filter the mains voltage and reduce network interference from the power converter.

Tritt nun eine Überspannung U_F auf, ist es erforderlich, dieser möglichst schnell entgegenzuwirken und den Stromrichter 5 vom Netz 3 zu trennen. Hier greift nunmehr die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1. Denn im Fehlerfall wird mit Hilfe der Schaltungsanordnung 1 eine Gegenspannung U_G erzeugt, welche der Netzüberspannung U_F insbesondere stromvermindernd entgegenwirkt. Hierzu ist vorgesehen, dass beim Auftreten der Netzüberspannung U_F die Kondensatoren 7.1, 7.2 durch das erste elektrische Schaltelement 8.1 von der Filterinduktivität 6 und durch das zweite elektrische Schaltelement 8.2 die Kondensatoren 7.1, 7.2 selbst voneinander getrennt werden. Dabei fällt über dem ersten Kondensator 7.1 eine geringere Überspannung U_CG ab als über dem zweiten Kondensator 7.2.If an overvoltage U _F now occurs, it is necessary to counteract this as quickly as possible and to disconnect the power converter 5 from the network 3. The circuit arrangement 1 according to the invention now comes into play here. In the event of a fault, a countervoltage U _G is generated with the aid of the circuit arrangement 1, which counteracts the network overvoltage U _F , in particular by reducing the current. For this purpose, it is provided that when the mains overvoltage U _F occurs, the capacitors 7.1, 7.2 are separated from the filter inductance 6 by the first electrical switching element 8.1 and the capacitors 7.1, 7.2 themselves are separated from each other by the second electrical switching element 8.2. A lower overvoltage U _CG drops across the first capacitor 7.1 than across the second capacitor 7.2.

Um dies zu erreichen, sind die Kondensatoren 7.1, 7.2 unterschiedlich ausgebildet. Der erste Kondensator 7.1 weist eine, insbesondere um mindestens den Faktor 10, bevorzugt um mindestens den Faktor 50, höhere Kapazität als der zweite Kondensator 7.2 auf. Allerdings ist der erste Kondensator 7.1 weniger spannungsfest ausgebildet als der zweite Kondensator 7.2, insbesondere um mindestens den Faktor 1,2, bevorzugt mindestens den Faktor 1,5, besonders bevorzugt mindestens den Faktor 2. Aufgrund dieser Ausgestaltung der Bauteile 7.1, 7.2 dient der erste Kondensator 7.1 dabei in erster Linie als Filterkondensator, wohingegen der zweite Kondensator 7.2 in erster Linie als Kommutierungskondensator für den Stromrichter 5 dienen kann.In order to achieve this, the capacitors 7.1, 7.2 are designed differently. The first capacitor 7.1 has a higher capacity than the second capacitor 7.2, in particular by at least a factor of 10, preferably by at least a factor of 50. However, the first capacitor 7.1 is designed to be less voltage-resistant than the second capacitor 7.2, in particular by at least a factor of 1.2, preferably at least a factor of 1.5, particularly preferably at least a factor of 2. Due to this configuration of the components 7.1, 7.2, the first is used Capacitor 7.1 primarily serves as a filter capacitor, whereas the second capacitor 7.2 can serve primarily as a commutation capacitor for the power converter 5.

Die Schaltelemente 8.1, 8.2 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als elektrische Schaltelemente 8.1, 8.2 und insbesondere als Halbleiterschalter und besonders bevorzugt als IGBTs ausgebildet. Derartige Schalter 8.1, 8.2 bieten den Vorteil, dass sie deutlich schneller schalten als mechanische Schalter. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwei elektrische Schaltelemente 8.1, 8.2 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Derartige Schaltelemente 8.1, 8.2 sind beispielsweise als Zweigpaarmodule erhältlich. Auf diese Weise kann eine kleine Bauform der Schaltelemente 8.1, 8.2 realisiert werden. Im normalen Betrieb wird nur das erste elektrische Schaltelement 8.1 mit einem Gleichstromanteil des Stroms I durchflossen. Durch das zweite Schaltelement 8.2 fließt hingegen ein nur wenige Verluste erzeugender Wechselanteil. Werden IGBTs als Schaltelemente 8.1, 8.2 verwendet, so können diesen integrierte Freilaufdioden parallel geschaltet sein. Diese weisen jedoch bezüglich des Überspannungsschutzes 1 keine Funktion auf. Sie können jedoch zur Ladung der Filterschaltung 2 vor Aufnahme des Betriebs genutzt werden.In the present exemplary embodiment, the switching elements 8.1, 8.2 are designed as electrical switching elements 8.1, 8.2 and in particular as semiconductor switches and particularly preferably as IGBTs. Such switches 8.1, 8.2 offer the advantage that they switch significantly faster than mechanical switches. It has proven to be advantageous if two electrical switching elements 8.1, 8.2 are arranged in a common housing. Such switching elements 8.1, 8.2 are available, for example, as branch pair modules. In this way, a small design of the switching elements 8.1, 8.2 can be realized. During normal operation, only the first electrical switching element 8.1 has a direct current component of the current I flowing through it. However, an alternating component that generates only a few losses flows through the second switching element 8.2. If IGBTs are used as switching elements 8.1, 8.2, integrated freewheeling diodes can be connected in parallel. However, these have no function with regard to the overvoltage protection 1. However, they can be used to charge the filter circuit 2 before starting operation.

Den Schaltelementen 8.1, 8.2 sind jeweils ein erstes 9.1 und ein zweites Bauelement 9.2 parallel geschaltet, um die über den Schaltelementen 8.1, 8.2 anliegende Spannung U_V1, U_V2 zu begrenzen. Bei diesen Bauelementen 9.1, 9.2 handelt es sich um spannungsabhängige Bauelemente und insbesondere um Varistoren. Alternativ können als spannungsbegrenzende Bauteile 9.1, 9.2 jedoch auch andere Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Halbleiterbauelemente, wie Dioden oder dergleichen oder eine Kombination entsprechender Bauelemente, verwendet werden.A first 9.1 and a second component 9.2 are each connected in parallel to the switching elements 8.1, 8.2 in order to limit the voltage U _V1 , U _V2 present across the switching elements 8.1, 8.2. These components 9.1, 9.2 are voltage-dependent components and in particular varistors. Alternatively, other components such as resistors, capacitors, semiconductor components such as diodes or the like or a combination of corresponding components can also be used as voltage-limiting components 9.1, 9.2.

Das Prinzip der Schaltungsanordnung 1 soll nachfolgend näher anhand der in den 2b und 2c dargestellten Ersatzschaltbilder erläutert werden. Wie dies exemplarisch in den 2b und 2c dargestellt ist, erfolgt die Netztrennung in zwei Phasen. Die erste Phase ist in der 2b näher dargestellt.The principle of the circuit arrangement 1 will be explained in more detail below using the information in the 2 B and 2c The equivalent circuit diagrams shown are explained. Like this exemplarily in the 2 B and 2c is shown, the network separation takes place in two phases. The first phase is in the 2 B shown in more detail.

In der ersten Phase werden die beiden Schaltelemente 8.1, 8.2 zunächst abgeschaltet. Die Abschaltung ist dabei abhängig von dem Strom I, welcher in die Schaltung 2 fließt. Beim Überschreiten eines maximalen Stroms I und/oder beim Überschreiten einer maximalen Spannung am Stromrichter 5 wird der Stromrichter 5 mittels der Schaltungsanordnung 1 vom Netz 3 getrennt. Beim Auftreten einer Netzüberspannung U_F werden dann zunächst gleichzeitig die beiden Schaltelemente 8.1, 8.2 abgeschaltet. Auf diese Weise kann der Stromrichter 5 zuverlässig und schnell vom Netz 3 getrennt werden. Das zweite Bauelement 9.2 wirkt dabei in einer ersten Phase der Netztrennung wie offene Klemmen, so dass im Wesentlichen das erste Bauelement 9.1 und der zweiten Kondensator 7.2 als solche der Netzüberspannung entgegenwirken. Auf diese Weise kann beim Auftreten einer Netzüberspannung mit Hilfe der Schaltungsanordnung 1 eine Gegenspannung U_G aufgebaut werden, welche sich im Wesentlichen aus der über dem ersten Schaltelement 8.1 abfallenden Überspannung U_V1 und der über dem zweiten Kondensator 7.2 abfallenden Überspannung U_CK zusammensetzt.In the first phase, the two switching elements 8.1, 8.2 are initially switched off. The shutdown depends on the current I, which flows into the circuit 2. When a maximum current I is exceeded and/or when a maximum voltage at the power converter 5 is exceeded, the power converter 5 is separated from the network 3 by means of the circuit arrangement 1. When a mains overvoltage U _F occurs, the two switching elements 8.1, 8.2 are then switched off simultaneously. In this way, the power converter 5 can be reliably and quickly disconnected from the network 3. The second component 9.2 acts like open terminals in a first phase of network isolation, so that essentially the first component 9.1 and the second capacitor 7.2 as such counteract the network overvoltage. In this way, when a network overvoltage occurs, a countervoltage U _G can be built up with the aid of the circuit arrangement 1, which essentially consists of the overvoltage U _V1 dropping across the first switching element 8.1 and the overvoltage U _CK dropping across the second capacitor 7.2.

In der zweiten Phase der Netztrennung werden die Kondensatoren 7.1, 7.2 durch das elektrische Verhalten des zweiten Bauelements 9.2 wieder elektrisch verbunden. Ein Teil der der Netzüberspannung entgegenwirkenden Gegenspannung U_G fällt dann über der Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator 7.1 und dem zweiten Bauelement 9.2 ab. Die über dem zweiten Kondensator abfallende Überspannung U_CK ist dabei höher als die am ersten Schaltelement 8.1 anliegende Überspannung U_V1. Die Spannungen U_V1, U_CK können dabei jedoch annähernd in einem Verhältnis von 1:1, bevorzugt in einem Verhältnis von 1:2, stehen. Auf diese Weise wird zur Netztrennung eine Gegenspannung U_G aufgebaut, welche der Netzüberspannung U_F stromvermindernd entgegenwirkt. Auf diese Weise kann der durch die Induktivität getriebene Stromfluss I unterbunden und der Stromrichter 5 vom Netz 3 getrennt werden.In the second phase of network isolation, the capacitors 7.1, 7.2 are electrically connected again due to the electrical behavior of the second component 9.2. Part of the countervoltage U _G that counteracts the network overvoltage then drops across the series connection of the first capacitor 7.1 and the second component 9.2. The overvoltage U _CK falling across the second capacitor is higher than the overvoltage U _V1 present at the first switching element 8.1. However, the voltages U _V1 , U _CK can be approximately in a ratio of 1:1, preferably in a ratio of 1:2. In this way, a countervoltage U _G is built up to disconnect the network, which counteracts the network overvoltage U _F by reducing the current. In this way, the current flow I driven by the inductance can be prevented and the power converter 5 can be separated from the network 3.

Der Grundgedanke der Schaltungsanordnung 1 der Erfindung liegt dabei darin, dass der Kondensator 7.1 und der Kondensator 7.2 die Funktionalität eines einzelnen Kondensators durch Teilung übernehmen. Hierdurch kann der Kondensator 7.1 als größerer Filterkondensator und der Kondensator 7.2 als kleinerer Kommutierungskondensator ausgebildet werden. Denn auf diese Weise lädt der durch den Varistor 9.1 induktiv getriebene Strom I den Kondensator 7.2 mit kleinerer Kapazität schnell auf, bis dann auch der zweite Varistor 9.2 begrenzend wirkt. Die Dimensionierung der Bauteile kann dabei so ausgeführt werden, dass die Spannungsfestigkeit des Stromrichters 5 nicht überschritten wird, dabei jedoch gleichzeitig die Summe U_G der Spannungen U_V1 und U_CK ausreichen, um eine Netztrennung des Stromrichters 5 zu bewirken. Der Strom durch den Ladewiderstand 10 kann dabei für die Zeit der Überspannung U_F vernachlässigt werden. Nach der Überspannung U_F, wenn sich die Spannungen U_CG und U_CK wieder angeglichen haben, können beide Schaltelemente 8.1, 8.2 wieder eingeschaltet werden und der Stromrichter 5 kann seinen Betrieb wieder aufnehmen.The basic idea of the circuit arrangement 1 of the invention is that the capacitor 7.1 and the capacitor 7.2 take over the functionality of a single capacitor by division. As a result, the capacitor 7.1 can be designed as a larger filter capacitor and the capacitor 7.2 as a smaller commutation capacitor. In this way, the current I inductively driven by the varistor 9.1 quickly charges the capacitor 7.2 with a smaller capacity until the second varistor 9.2 also has a limiting effect. The dimensions of the components can be carried out in such a way that the dielectric strength of the power converter 5 is not exceeded, but at the same time the sum U _G of the voltages U _V1 and U _CK is sufficient to cause the power converter 5 to be disconnected from the network. The current through the charging resistor 10 can be neglected for the time of the overvoltage U _F. After the overvoltage U _F , when the voltages U _CG and U _CK have equalized again, both switching elements 8.1, 8.2 can be switched on again and the power converter 5 can resume operation.

Um eine Netzüberspannung U_F detektieren zu können, wird ein über die Zuleitung zum Stromrichter 5 fließender Strom I gemessen, da dieser sich bei einer netzseitigen Überspannung U_F zuerst eine Änderung erfährt und die Spannung erst später folgt. Durch das Abschalten bei Überstrom I können die Filterinduktivitäten 6, 12 klein gewählt werden, da eine Sättigung der Induktivtäten 6,12 durch zu große Ströme I vermieden wird.In order to be able to detect a network overvoltage U _F , a current I flowing via the supply line to the power converter 5 is measured, since this changes first in the event of a network-side overvoltage U _F and the voltage only follows later. By switching off in the event of overcurrent I, the filter inductances 6, 12 can be selected to be small, since saturation of the inductances 6, 12 due to currents I that are too high is avoided.

Die Kondensatoren 7.1, 7.2, welche die Filterkapazität 7 der Filterschaltung 2 bilden, können bevorzugt als Elektrolyt- oder Folienkondensatoren ausgebildet sein. Der erste Kondensator 7.1 kann dabei derart ausgestaltet sein, so dass er im Wesentlichen die Funktion eines Filterkondensators übernimmt. Hierzu weist der Kondensator 7.1 eine große Kapazität bei gleichzeitig eher geringer Spannungsfestigkeit auf. So kann der Kondensator 7.1 beispielsweise bevorzugt eine Kapazität im Bereich zwischen 1 und 10 mF aufweisen. Die Spannungsfestigkeit kann dabei im Bereich zwischen 1 und 1,2 kV liegen. Der dem Filterkondensator 7.1 parallel geschaltete zweite Kondensator 7.2 kann hingegen als Kommutierungskondensator 7.2 für den Stromrichter 5 dienen. Aufgrund dessen ist es bevorzugt, wenn der Kondensator 7.2 niederinduktiv, d. h. über kurze Leitungen an den Stromrichter 5 angebunden ist. Der Kondensator 7.2 weist eine kleinere Kapazität im Bereich zwischen 10 und 100 µF auf, bei gleichzeitiger hoher Spannungsfestigkeit zwischen 1,6 und 2,5 kV.The capacitors 7.1, 7.2, which form the filter capacitance 7 of the filter circuit 2, can preferably be designed as electrolytic or film capacitors. The first capacitor 7.1 can be designed in such a way that it essentially takes on the function of a filter capacitor. For this purpose, the capacitor 7.1 has a large capacity and at the same time a rather low dielectric strength. For example, the capacitor 7.1 can preferably have a capacity in the range between 1 and 10 mF. The dielectric strength can be in the range between 1 and 1.2 kV. The second capacitor 7.2, which is connected in parallel with the filter capacitor 7.1, can, however, serve as a commutation capacitor 7.2 for the power converter 5. Because of this, it is preferred if the capacitor 7.2 is connected to the power converter 5 with low inductance, ie via short lines. The capacitor 7.2 has a smaller capacity in the range between 10 and 100 µF, while at the same time having a high dielectric strength between 1.6 and 2.5 kV.

Neben der Verwendung der Schaltungsanordnung 1 als sogenanntes „einstufiges Filter“ kann eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 auch als „zweistufiges Filter“ verwendet werden. Eine solche zweistufige Filterschaltung 2 ist in der 3 dargestellt. Diese Filterschaltung 2 weist neben der aus der 1 bekannten Filterschaltung 2 zusätzlich noch eine zweite Stufe, bestehend aus einer weiteren Filterinduktivität 12 sowie aus einem dritten Kondensator 7.3, auf. Der zusätzliche Kondensator 7.3 ist ähnlich wie der zweite Kondensator 7.2 ausgebildet. Auch dieser besitzt eine kleine Kapazität bei gleichzeitig hoher Spannungsfestigkeit. Das zweistufige Filter 2 besitzt bei höheren Frequenzen gegenüber dem einstufigen Filter 2 den Vorteil einer stärkeren Filterwirkung. Neben Resonanzen mit dem einspeisenden Netz 3 kann es nämlich bei einer zweistufigen Filterschaltung 2 auch zu Resonanzen innerhalb der Filterschaltung 2 selbst kommen. Aufgrund dessen ist es von Vorteil, ein zusätzliches Dämpfungsglied, bestehend aus einem Dämpfungswiderstand 11 und einem Kondensator 7.1, vorzusehen. Derartige zweistufige Filterschaltungen 2 können insbesondere bei schnell schaltenden Stromrichtern 5, welche im Bereich mehrere Kilohertz takten, für die Trennung des Stromrichters 5 bei Netzüberspannungen U_F verwendet werden. Die Funktionsweise der zweistufigen Filterschaltung 2 ist dabei im Wesentlichen identisch mit der der einstufigen Filterschaltung 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei ergeben sich insbesondere die Vorteile, dass die Filterinduktivitäten 6, 12 und der zusätzliche Dämpfungswiderstand 11 in Summe eine kleinere Baugröße aufweisen, dass die Kondensatoren 7.2, 7.3 aufgrund der kleineren Kapazität trotz hoher Spannungsfestigkeit klein sind und dass der Kondensator 7.1 ebenfalls aufgrund der geringeren Spannungsfestigkeit klein ist und trotzdem eine größere Kapazität aufweist. Darüber hinaus können auch die Bauelemente 9.1, 9.2 und die Schaltelemente 8.1, 8.2 klein gewählt werden.In addition to using the circuit arrangement 1 as a so-called “single-stage filter”, a circuit arrangement 1 according to the invention can also be used as a “two-stage filter”. Such a two-stage filter circuit 2 is in the 3 shown. This filter circuit 2 has in addition to the 1 known filter circuit 2 also has a second stage, consisting of a further filter inductance 12 and a third capacitor 7.3. The additional capacitor 7.3 is designed similarly to the second capacitor 7.2. This also has a small capacity and a high dielectric strength at the same time. The two-stage filter 2 has the advantage of a stronger filter effect at higher frequencies compared to the single-stage filter 2. In addition to resonances with the feeding network 3, with a two-stage filter circuit 2, resonances can also occur within the filter circuit 2 itself. Because of this, it is advantageous to provide an additional attenuation element, consisting of a damping resistor 11 and a capacitor 7.1. Such two-stage filter circuits 2 can be used, in particular in fast-switching power converters 5, which clock in the range of several kilohertz, to isolate the power converter 5 in the event of network overvoltages U _F. The functionality of the two-stage filter circuit 2 is essentially identical to that of the single-stage filter circuit 2 according to the first exemplary embodiment. This results in particular advantages that the filter inductors 6, 12 and the additional damping resistor 11 have a smaller overall size, that the capacitors 7.2, 7.3 are small due to the smaller capacity despite high dielectric strength and that the capacitor 7.1 is also due to the lower dielectric strength is small and still has a larger capacity. In addition, the components 9.1, 9.2 and the switching elements 8.1, 8.2 can also be chosen to be small.

Obschon die 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer zweistufigen Filterschaltung 2 zeigt, können die einzelnen Elemente der Schaltung 2 jedoch auch auf unterschiedliche Weise verschaltet werden, ohne dass der Grundgedanke der Schaltung 2 verändert wird. So kann beispielsweise der untere Anschluss des zweiten Bauelements 9.2 alternativ mit dem oberen Anschluss des Widerstands 11 verbunden werden. Auch die Verbindung der unteren Anschlüsse des Ladewiderstands 10 oder des Kondensators 7.2 mit dem unteren Anschluss des Dämpfungswiederstands 11 stellt eine mögliche Schaltungsvariante dar.Although the 3 shows a first exemplary embodiment of a two-stage filter circuit 2, the individual elements of the circuit 2 can also be connected in different ways without changing the basic idea of the circuit 2. For example, the lower connection of the second component 9.2 can alternatively be connected to the upper connection of the resistor 11. The connection of the lower connections of the charging resistor 10 or the capacitor 7.2 to the lower connection of the damping resistor 11 also represents a possible circuit variant.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowie dem entsprechenden Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaltungsanordnung 1 können auftretende Netzüberspannungen U_F zuverlässig und schnell gehandhabt werden. Dadurch, dass in einer ersten Phase der Netztrennung die beiden Kondensatoren 7.1, 7.2 voneinander getrennt werden, ist es ausreichend, den ersten Kondensator 7.1 mit einer höheren Kapazität auszustatten, bei gleichzeitiger niedriger Spannungsfestigkeit. Der zweite Kondensator 7.2 kann hingegen eine eher kleine Kapazität bei großer Spannungsfestigkeit aufweisen. Auf diese Weise lässt sich eine Gegenspannung U_G erzeugen, welche sich aus der im Wesentlichen über dem ersten Varistor 9.1 abfallenden Spannung U_V1 und der über dem zweiten Kondensator 7.2 abfallenden Spannung U_CK ergibt. Auf diese Weise kann eine Schaltungsanordnung 1 geschaffen werden, bei welcher die Größe der Bauelemente verkleinert werden kann. Hierdurch lassen sich sowohl eine geringere Baugröße als auch Kostenersparnisse erzielen.With the circuit arrangement according to the invention and the corresponding method for operating such a circuit arrangement 1, occurring network overvoltages U _F can be handled reliably and quickly. Because the two capacitors 7.1, 7.2 are separated from each other in a first phase of network isolation, it is sufficient to equip the first capacitor 7.1 with a higher capacity, while at the same time having a low voltage strength. The second capacitor 7.2, on the other hand, can have a rather small capacity with a high dielectric strength. In this way, a counter voltage U _G can be generated, which results from the voltage U _V1 dropping essentially across the first varistor 9.1 and the voltage U _CK dropping across the second capacitor 7.2. In this way, a circuit arrangement 1 can be created in which the size of the components can be reduced. This allows both a smaller size and cost savings to be achieved.

Bezugszeichen:Reference symbol:

11: SchaltungsanordnungCircuit arrangement
22: LC-FilterschaltungLC filter circuit
33: Fahrdrahtcontact wire
44: Schienerail
55: StromrichterPower converter
66: Erste FilterinduktivitätFirst filter inductance
77: FilterkapazitätFilter capacity
7.17.1: Erster KondensatorFirst capacitor
7.27.2: Zweiter KondensatorSecond capacitor
7.37.3: Dritter KondensatorThird capacitor
8.18.1: Erstes SchaltelementFirst switching element
8.28.2: Zweites SchaltelementSecond switching element
9.19.1: Erster VaristorFirst varistor
9.29.2: Zweiter VaristorSecond varistor
1010: Ladewiderstandcharging resistance
1111: DämpfungswiderstandDamping resistance
1212: Zweite Filterinduktivität Second filter inductance
UFUF: FehlerspannungError voltage
UGUG: GegenspannungCounter tension
UCGUCG: Spannung am ersten KondensatorVoltage on the first capacitor
UCKUCK: Spannung am zweiten KondensatorVoltage on the second capacitor
UV1UV1: Spannung am ersten VaristorVoltage at the first varistor
UV2UV2: Spannung am zweiten VaristorVoltage at the second varistor
II: StromElectricity

Claims

Circuit arrangement for protection against mains overvoltages ( _UF ) for power converters (5) of vehicles with a filter circuit (2) with at least a first filter inductance (6), at least one filter capacitance (7), which consists of a parallel connection of at least a first (7.1) and a second capacitor (7.2) of different capacity is formed, and at least a first (8.1) and a second electrical switching element (8.2), characterized in that when a network overvoltage ( _UF ) occurs, the capacitors (7.1, 7.2) are replaced by the first electrical Switching element (8.1) from the filter inductance (6) and from each other by the second electrical switching element (8.2) can be separated from each other, with a lower overvoltage (U _CG ) falling across the first capacitor (7.1) with the larger capacity than across the second capacitor (7.2 ) with the lower capacity.

Circuit arrangement according to Claim 1 , characterized in that the second capacitor (7.2) has a higher dielectric strength than the first capacitor (7.1).

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized by at least a first (9.1) and a second component (9.2) for voltage limitation, which are in series with one another.

Circuit arrangement according to Claim 3 , characterized in that the first component (9.1) is connected in parallel with the first switching element (8.1) and/or the second component (9.2) with the second switching element (8.2).

Circuit arrangement according to Claim 4 , characterized in that the second capacitor (7.2) is connected at a point between the first parallel circuit and the second parallel circuit.

Circuit arrangement according to one of the Claims 3 until 5 , characterized in that an overvoltage (U _V1 ) present across the first switching element (8.1) due to the switch-off process is caused by means of the first component (9.1) and an overvoltage (U _V2 ) present across the second switching element (8.2) is caused by means of the second component (9.2 ) can be limited.

Circuit arrangement according to one of the Claims 3 until 6 , characterized in that during the network isolation, the second capacitor (7.2) and a series connection of the first capacitor (7.1) and the second component (9.2) are connected in parallel with one another, the parallel connection being connected in series with the first component (9.1).

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized by a filter charging resistor (10) for charging the filter capacitance (7) and/or a damping resistor (11) for damping resonances.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the filter circuit (2) is designed as a two-stage filter circuit (2) with at least two filter inductors (6, 12) and at least three capacitors (7.1, 7.2, 7.3).

Circuit arrangement according to Claim 9 , characterized in that a first stage of the filter circuit (2) of a circuit arrangement (1) according to one of Claims 1 until 8th corresponds and a second stage of the filter circuit (2) is formed by a second filter inductance (12) and a third capacitor (7.3).

Method for mains isolation of a power converter of vehicles with a circuit arrangement for protection against mains overvoltages ( _UF ) with a filter circuit (2) with at least one first filter inductance (6), at least one filter capacitance (7), which consists of a parallel connection of at least one first (7.1 ) and a second capacitor (7.2) of different capacity, and at least a first (8.1) and a second electrical switching element (8.2), characterized in that when a network overvoltage ( _UF ) occurs, the capacitors (7.1, 7.2) are connected by the The first electrical switching element (8.1) is separated from the filter inductance (6) and by the second electrical switching element (8.2), such that the first capacitor (7.1) has the larger capacity a lower overvoltage (U _CG ) drops than across the second capacitor (7.2) with the lower capacity.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that the circuit arrangement (1) according to one of the Claims 1 until 10 is trained.

Procedure according to one of the Claims 11 or 12 , characterized in that a current (I) flowing via the supply line to the power converter (5) is measured and that when a maximum current (I) is exceeded or when a maximum voltage at the power converter (5) is exceeded, the power converter (5) is activated by means of the circuit arrangement (1) is separated from the network (3).

Procedure according to one of the Claims 11 until 13 , characterized in that the switching elements (8.1, 8.2) are switched off at the same time when a network overvoltage ( _UF ) occurs.

Procedure according to one of the Claims 11 until 14 , characterized in that the second component (9.2) acts like open terminals in a first phase of network isolation, such that essentially the first component (9.1) and the second capacitor (7.2) act.

Procedure according to one of the Claims 11 until 15 , characterized in that in a second phase of network separation, the capacitors (7.1, 7.2) are reconnected to one another by the electrical behavior of the second component (9.2), essentially the components (9.1, 9.2) and the capacitors (7.1, 7.2 ) works.

Procedure according to one of the Claims 11 until 16 , characterized in that a countervoltage (U _G ) is built up to disconnect the network, which counteracts the network overvoltage (U _F ).

Procedure according to Claim 17 , characterized in that the counter voltage (U _G ) is essentially composed of the overvoltage (U _V1 ) dropping across the first switching element (8.1) and the overvoltage (U _CK ) dropping across the second capacitor (7.2).

Procedure according to one of the Claims 11 until 18 , characterized in that after the occurrence of a network overvoltage ( _UF ), the converter (5) is returned to normal operation by closing the switching elements (8.1, 8.2).