Gleichstrom-Forschung

Auf der Suche nach dem schnellen DC Circuit Breaker

| Redakteur: Gerd Kucera

Funktion des elektronischen Schutzschalters

Der elektronische Schutzschalter soll möglichst wenig Verlustleistung erzeugen. Deshalb wird als Leistungshalbleiter eine Parallelschaltung von MOSFET-Transistoren verwendet. Es gilt, dabei zusätzliche Verluste durch einen üblichen Strommesswiderstand zu vermeiden. Deshalb nutzt das Gerät zur Strommessung den Spannungsfall über die durchgeschaltete Drain-Source-Strecke des Leistungshalbleiters. Ziel ist es, die Schaltung durch eine Transistorschaltung und ohne Mikroprozessor zu realisieren.

Die Reaktionszeit des Schutzschalters im Kurzschlussfall soll so schnell sein, um bei einem Stromanstieg von 1000 A/µs den Strom auf maximal den 10-fachen Nennstrom (1000 A) zu begrenzen. Da die Drain-Source Spannung mit der Sperrschichttemperatur steigt, schaltet sich der Schutzschalter bei Erwärmung durch Überstrom selbstständig ab.

Nach Zuschalten des Kurzschlusses wird der niederohmige Pfad sofort abgeschaltet. Der Kurzschlussstrom (prospektiv 2500 A) wird auf etwa 410 A begrenzt. Nach Ablauf der Strombegrenzungszeit wird auch der strombegrenzte Pfad abgeschaltet (Bild 3).

Nach Zuschalten des Kurzschlusses bei 500,000 ms steigt der Strom mit einer durch die Netzimpedanz bestimmten Geschwindigkeit von ca. 500 A/µs linear an. Bei Erreichung der Abschaltschwelle von ca. 640 A schaltet das Gerät beide Pfade sofort ab. Die Gate-Spannung am MOS1 hat eine Abschaltverzögerung von ca. 100 ns. Die Abschaltverzögerung der MOS2-Gate-Spannung beträgt ca. 500 ns. Durch die schnelle Reaktionszeit von ca. 400 ns steigt der Strom nur auf maximal 800 A an. Der Strom sinkt in ca. 3,5 µs auf 0. Der strombegrenzte Pfad wird nach ca. 5 µs wieder eingeschaltet. Der Strom steigt dann auf den Begrenzungswert von 410 A (Bild 4).

Weitere Details zum Projekt NEST-DC

NEST-DC steht für „Neuartige elektronische Leistungs-Schutzschalter für Gleichspannung im Bereich der erneuerbaren Energien und Bordnetze“. Während der Projektlaufzeit investierten die fünf genannten Forschungspartner zusammen etwa 4,5 Millionen €. Der Projektstart war im Oktober 2013; die Laufzeit betrug insgesamt drei Jahre. Die Bundesregierung hat das Ziel, Strom mit Hilfe innovativer Leistungselektronik in Zukunft effizienter zu nutzen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert auf der Grundlage des Rahmenprogramms IKT 2020 multidisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsprojekte zum Thema „Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung“ (abgekürzt LES). NEST-DC wurde mit rund 2,1 Millionen € unterstützt.

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Literaturhinweise zu den Forschungsarbeiten

[1] Infineon: Datenblatt 650V CoolMOS C7, Infineon GmbH, 2013[2] Infineon: IFX CoolMOS C7 simulation model, Infineon GmbH, 2014[3] Linear Technology: LTspice IV simulation, Linear Technology Corporation, 2014

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