專利名稱：電壓浪涌保護設備和包括該設備的電子電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電壓浪涌保護設備，包括至少一個輸入端，被設計為連接 到供電系統；至少一個輸出端，被設計為連接到受保護的電路；以及，電壓 浪涌限制裝置，連接在輸入端與輸出端之間，使所述電路不受能夠作用在輸 入端上的電壓浪涌影響。
本發明還涉及包括一個這種保護設備的電子電路。
背景技術：
已知的電壓浪涌保護設備一般包括并聯連接到受保護的線路上的元件， 用于通過吸收干擾電流，限制電壓脈沖。例如，這樣的元件為變阻器，或者 能夠吸收大量電能的充氣式火花隙。
元件也必須受限流保護，以便能夠在不損壞的情況下通過有效性測試。 因此，按照已知方式，變阻器中的限流電阻器串聯連接在電子電路的電源線
上D
圖l示出了電子電路l，包括在專利申請FR2795567中描述的現有技術 的保護設備。在該圖中，第一保護設備10具有被設計為連接到配電系統的輸 入端11和被i殳計為連4妻到下行線路電子電^各(down-line electronic circuit)的輸 出端12。在這種情況下，這些電路為整流器13、電壓調節器14和變換器15。 在這個具體圖中，抗電壓浪涌的第二保護設備17安裝在整流器的下行線路 上，以加強電壓保護。按照已知的方式，設備10和17包括串聯連接在線路 上的串聯電阻器以及并聯連接在電阻器18的下行線路上的變阻器。電阻器 18通過限制吸收的功率來保護變阻器。
現有技術的設備在電阻器和變阻器中吸收干擾功率，以保護電子電路。 與它們保護的電路相比，它們當然是笨重和非常昂貴的。此外，串聯電阻器 具有可以相對高的值，并且，迫使正常運行中的電壓降也會非常高。因此， 在正常運行中，串聯電阻器中流動的電流產生功耗，使保護電阻器受熱。如 果減小電阻值，則對變阻器的保護不再有效。
發明內容
本發明的目的是提供一種保護設備，使得現有技術的設備的缺點能夠被 克服，提出有效保護并且減少功耗，并且本發明還提供了一種包括這種保護 設備的電子電路。
在按照本發明的設備中，電壓浪涌限制裝置包括
-雙向串聯限電裝置，包括至少兩個輸入端/輸出端，與至少一個所述輸 入端串聯連接，并且，在環流低于電流限制值時，當出現低電壓降時，雙向 串聯限電裝置導通，通過使所述輸入端/輸出端之間的電壓降增加，限制所述 環流，以及
-并聯限電裝置，連接所述串聯限電裝置的下行線路，用于限制保護電壓 中的至少一個輸出，使得干擾電流的流動能夠被所述串聯限電裝置限制，所 述并聯限電裝置通過將干擾電流分流，保護所述電子電路。
最好是，串聯限電裝置包括兩個串聯連接的場效應晶體管，該場效應晶 體管的參考極連接到中心部分，輸出極連接在所述輸入端/輸出端之間，和控 制極連接到所述中心部分，所述電流限制值由控制極與各個參考極之間的控 制電壓的限制值以及晶體管的內阻決定。
有益的是，串聯限電裝置包括限制調節電阻器，在它們的中心部分與所 述參考極串聯連接，所述電流限制值也用所述調節電阻器的值決定。
有益的是，串聯限電裝置包括保護二極管，用于保護并聯到所述限制調 節電阻器的、所述串聯連接的限制場效應晶體管的結。
最好是，串聯限電裝置具有由所述串聯限制晶體管的輸出極與各個參考 極之間的雪崩電壓或擊穿電壓決定的串聯限制電壓。
有益的是，串聯限電裝置包括第一雪崩二極管，連接在每個晶體管的參 考極與輸出極之間，使得環流能夠沿著一個方向直接流過，并且在相反方向 上，將晶體管上的電壓限制為雪崩電壓，所述第一雪崩二極管的所述雪崩電 壓低于所述晶體管的擊穿電壓，所述串聯限制電壓由所述第一雪崩二極管的 雪崩電壓決定。
為了增加保護電壓，電壓浪涌限制裝置包括至少兩個串聯連接的串聯限 電裝置。
最好是，電壓浪涌限制裝置至少包括與每個輸入端串聯連接的串聯限電 裝置。
有益的是，串聯限電裝置限制大于1000伏的限制電壓。
有益的是，串聯限電裝置包括承受大于或等于IOOO伏以上的限制電壓的
電壓的晶體管。
有益的是，串聯限電裝置包括導通狀態下的串聯電阻小于IO歐姆的場效 應晶體管。
有益的是，串聯限電裝置包括由碳化硅制成的場效應晶體管。 有益的是，并聯限電裝置包括至少一個雪崩效應二極管，與串聯限電裝 置的輸出連接。
按照本發明的、包括連接到到配電系統的連接輸入端以及受保護電^^的 電路，包括至少一個如以上定義的電壓浪涌保護設備，其中，電壓浪涌保護 設備包括連接到所述到配電系統的連接輸入端與所述電路之間的電壓浪涌限 制裝置，用于防止后者受能夠作用在輸入端上的電壓浪涌影響。
在優選實施例中，受保護電路為電子電源電路，包括整流器、濾波電容 器和變換器，其中，變換器連接在串聯限電裝置的下行線路，并且與保護設 備的并聯限電裝置并聯。
根據以下對僅作為非限制性例子給出的、并且在附圖中表示的本發明的
特定實施例的描述，其他優點和特性將變得更加清楚，其中 圖1表示電子電路中的現有技術的保護設備的示意圖3表示按照本發明第一實施例的保護設備的工作曲線；
圖4表示具有按照本發明的第二實施例的保護設備的電子電路的示意
圖5表示按照圖4的實施例的電子電路的另一個實施例；
圖6和7表示按照本發明的實施例的具有三相保護設備的電路示意圖13和14示出了按照本發明的實施例的設備的工作曲線。
具體實施例方式
圖2示出了防電壓浪涌的保護設備20。它包括輸入端21，被設計為連 接到供電系統；輸出端22，被設計為連接到受保護的電路23;承受電壓浪涌 的限流器25,連接在輸入端21與輸出端22之間，防止所述電路受能夠作用 在輸入端上的電壓浪涌影響。
限流器25包括雙向串聯電流電壓限制電路26,電路26包括至少兩個輸 入端/輸出端27，與輸入端21串聯連接，并且，當環流低于電流限制值Ilim 時，當出現電壓降很低時，電路26接通，通過增加所述輸入端/輸出端之間 的電壓降，限制所述環流。
在本實施例中，雙向串聯限電電路(electronic limiting circuit) 26包括兩 個串聯連接的場效應晶體管30和31,它們的參考極或源極連接到中心部分 33，它們的輸出極或漏極連接在所述輸入端/輸出端27之間，它們的控制極 或柵極連接到所述中心部分，由控制極與各個參考極之間的控制電壓的限制 值以及晶體管的內阻來決定所述電流限制值Ilim。
有益的是，電子電路26包括在中心部分33的限制調節電阻器34，該電 阻器與所述參考極串聯，還用所述調節電阻器34的阻值來決定所述電流限制 值Ilim。最好是，保護所述串聯限制場效應晶體管30和31的結的保護二極 管35并聯連接到所述電流限制調節電阻器34。電阻器34的阻值很低，約為 幾歐姆。晶體管的參考電壓對應于直流結電壓(junction DC voltage),約為 0.5伏，與電源電壓相比，直流結電壓很低。
在圖2中，電子電路26包括在中心部分33中的第一雪崩二極管36,這 些二極管連接在每個晶體管30和31的參考極和輸出極之間，使得環流能夠 沿一個方向直接流過，并且，沿相反方向，將晶體管上的串聯限制電壓Vlim 限制為雪崩電壓。最好是，所述第一雪崩二極管的所述雪崩電壓低于所述晶 體管30和31的擊穿電壓，并且所述串聯限制電壓Vlim由所述第一雪崩二極 管的雪崩電壓決定。
在圖2中，電子電路23包括整流器、連接到整流器的下行線路的濾波電 容器38和變換器15。因此，這樣的受保護電路23可以是一個供電電路，包 括整流器13、濾波電容器38以及連接到串聯限電裝置(electronic limiting means)的下行線路并且與保護設備的并聯限電裝置并聯的變換器15。
圖3示出了雙向串聯限電電路26的工作曲線。如同電壓限制值Vlim — 樣，電流限制值Ilim有正有負。正常工作電壓VN很低，同時電流低于限制
值。
按照本發明實施例的保護設備，正常運行時的電壓降VN很低。因此，
不干擾電子電路的運行，并且功耗也很低。當出現電壓浪涌干擾時，電路26 迅速工作在電流限制模式，并且電路的輸入端/輸出端之間的電壓增加，以阻 止干擾電流流過。例如，電路26作為動態陷波器(trap)工作，防止干擾通 過。它本身吸收少許電干擾能量。此外，利用電流限制設計布局，電路26不 需要并聯電阻器或其他極化元件(polarization component)。
圖4示出了具有保護設備20的電子電路，保護設備20具有限制器25, 限制器25包括串聯在每條電源線上的雙向串聯限電電路26。在該圖中，保 護設備還包括連接在兩個雙向串聯限電電路26的下行線路的并聯限電電路 40。電路40按照保護電壓來限制輸出，允許受串聯限電電路限制的干擾環流 流過。因此，即使下行電子電路損耗很小或沒有，電路40也因此能夠建立電 流。在圖5中，電路40連接到整流器13的下行線路。因此，所述并聯限電 裝置40、 41通過直接對額外的干擾電流進行分流，保護所述電子電路。
在圖4和圖5中，雙向串聯限電電路26串聯在電源系統的相線和中線上。 兩個電路26承受該線路對中線的電源電壓的電壓浪涌。兩個雙向串聯限電電 路26的晶體管的靜態特性方面的差異意味著每個電路26的電流限制值Ilim 可能不同。因此，根據限制器的靜態性能，在電壓浪涌的情況下，該線路對 中線的電源系統電壓的電壓增加會逐漸作用在整個部件上，或者，分級(in cascade on)作用在每個限制器上。這意味著承受電源系統電壓浪涌的回路中的 電流也總受兩個電路26中的一個限制。因此，當初始時必須承受電源系統電 壓浪涌的全部的第一限制電路產生雪崩時，在電流減小的情況下，另一個限 制電路接著承受剩余的電源系統電壓浪涌。
圖6和圖7示出了在三相電流供電電路。因此，限制器25包括三個串聯 限電電路26。在圖6中，并聯限制電路40連接到限制器25的輸出端，并且 包括三個第二雪崩二極管41，對電流和電壓雙向起作用。在圖7中，在限制 器25的下行線路，在橋式整流器之前，安裝了傳導模式的抗高頻干擾的濾波 器42。在這種配置中，限制器25對濾波器的部件，尤其是與該線路并聯的 電容器，進行電壓保護。
在圖6和圖7中，雙向串聯限電電路26串聯在每條電源線上。然后，兩 個電路26承受三相電源線組成的電壓浪涌。按照限制器的靜態性能，在電壓 浪涌的情況下，組合的電源系統電壓的電壓增加，會逐漸作用在整個部件上， 或者分級作用在每個限制器上。這意味著承受電源系統電壓浪涌的回路中的
電流也總受兩個電路26中的一個限制。
圖8到圖12示出了按照本發明實施例的設備的不同限制器25。有益的 是，在圖8中，所述電流限制值Ilim由控制極與各個參考極之間的控制電壓 的限制值以及晶體管的內阻決定，并且串聯限制電壓Vlim由所述串聯限制晶 體管的輸出極與各個參考極之間的雪崩電壓決定。
在圖9中，與圖8中相同，決定所述電流限制值Ilim,并且由第一雪崩 二極管36的雪崩電壓決定串聯限制電壓Vlim。這些二極管還防止串聯限制 晶體管在它們的輸出極與它們的參考極之間出現電壓擊穿。
在圖10中，所述電流限制值Ilim由控制極與各個參考極之間的控制電 壓的限制值、晶體管的內阻的限制值以及與所述參考極串聯連接的限制調節 電阻器34的限制值決定，并且，與圖8的電路相同，決定串聯限制電壓Vlim。
在圖11中，由控制極與各個參考極之間的控制電壓的限制值、晶體管的
述電流限制值mm,并且，由第一雪崩二極管36的雪崩電壓決定串聯限制電 壓Vlim。
在圖12中，兩個雙向串聯限電電路26串聯在每條電源線上。兩條電源 線用四個電路26。如果每個電路26的電流限制值Ilim不同，則在電壓浪涌 的情況下，按照晶體管的特性，電壓會逐漸作用在整個部件上，或者，分級 作用在每個限制器上。
圖13和圖14示出了當施加千擾脈沖時，由按照本發明的實施例的設備 進行的電壓限制。由于電壓降很低，電源系統電壓VI和限制器25的下行線 路上的受保護電壓V2約為相同的值。那么，當出現干擾電壓浪涌V1P時， 輸出電壓V2被限制，并且，限制器25的電路26限制并吸納電壓差。
最好是，雙向串聯限電電路26限制到1000伏以上的限制電壓。有益的 是，這個限制電壓大于2500伏，或者最好大于3000伏。電路26的晶體管的 串聯連接，使得限制電壓增加。因此，電路26中使用的晶體管承受等于或大 于限制電壓Vlim的電壓，其中，限制電壓Vlim分別大于1000、 2500或3000 伏。
有益的是，串聯限電裝置26包括在導通狀態下串聯電阻小于IO歐姆的
場效應晶體管。最好是，這些場效應晶體管是碳化硅型(silicon carbide type ) 的，使得能夠減小元件尺寸，從而在導通過狀態具有較高的工作電壓和較低 的電阻。
有益的是，并聯限電裝置包括至少一個連接在串聯限電裝置的輸出上的 雪崩效應二極管41。這些雪崩二極管使得能夠直接從被保護的電路的上游對 干才尤電5充進4亍分流。
最好是，晶體管30或31為柵結(gate如nction)型場效應晶體管，使得能 夠在轉為導通(turn on)時有負的控制電壓，而導通狀態(on state )時相反。 但是，通過使線路圖適合于其他類型的功率晶體管或半導體的功能特性，也 可以使用其他類型的功率晶體管或半導體。
權利要求
1.一種電壓浪涌保護設備，包括至少一個輸入端(21)，被設計為連接到供電系統；至少一個輸出端(22)，被設計為連接到受保護的電路；以及，電壓浪涌限制裝置(10，25)，連接在所述輸入端與所述輸出端之間，以防止所述電路受能夠作用在所述輸入端上的電壓浪涌的影響，其特征在于，所述電壓浪涌限制裝置包括-雙向串聯限電裝置(26)，其包括至少兩個輸入端/輸出端(27)，與至少一個所述輸入端(21)串聯連接，并且，當環流低于電流限制值(Ilim)時，當出現低電壓降(VN)時，所述雙向串聯限電裝置(26)導通，并且通過使所述輸入端/輸出端(27)之間的電壓降增加限制所述環流，以及-并聯限電裝置(40，41)，連接所述串聯限電裝置(26)的下行線路，用于限制保護電壓中的至少一個輸出，使得干擾電流的流動能夠被所述串聯限電裝置限制，所述并聯限電裝置(40，41)通過將干擾電流分流來保護所述電子電路。
2. 如權利要求l所述的設備，其特征在于，所述串聯限電裝置包括兩個 串聯連接的場效應晶體管(30， 31)，所述場效應晶體管的參考極連接到中心部 分(33),它們的輸出極連接在所述輸入端/輸出端(27)之間，和控制極連接到所 述中心部分(33),所述電流限制值(Ilim)由所述控制極與各個參考極之間的控 制電壓的限制值以及所述晶體管的內阻決定。
3. 如權利要求2所述的設備，其特征在于，所述串聯限電裝置包括限制 調節電阻器(34)，在它們的中心部分與所述參考極串聯連接，所述電流限制值 (Ilim)也用所述調節電阻器的值決定。
4. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，所述串聯限電裝置包括保護 二極管(35),用于保護并聯到所述限制調節電阻器的所述串聯連接的限制場效 應晶體管(30， 31)的各個結。
5. 如權利要求2到4中的任何一個權利要求所述的設備，其特征在于， 所述串聯限電裝置具有由所述串聯限制晶體管(30，31)的輸出極與各個參考極 之間的雪崩電壓或擊穿電壓決定的串聯限制電壓(Vlim)。
6. 如權利要求2到4中的任何一個權利要求所述的設備，其特征在于， 所述串聯限電裝置包括第一雪崩二極管(35, 36),連接在每個晶體管(30, 31)的參考極與輸出極之間，使得所述環流能夠沿著一個方向直接流過，并且在 相反方向上，將所述晶體管上的電壓限制為雪崩電壓，所述第一雪崩二極管的所述雪崩電壓低于所述晶體管的擊穿電壓，所述串聯限制電壓(Vlim)由所 述第一雪崩二極管的雪崩電壓決定。
7. 如權利要求1到6中的任何一個所述的設備，其特征在于，所述電壓 浪涌限制裝置包括至少兩個串聯連接的串聯限電裝置(26)。
8. 如權利要求1到7中的任何一個權利要求所述的設備，其特征在于， 所述電壓浪涌限制裝置至少包括與每個所述輸入端(21)串聯連接的串聯限電 裝置(26)。
9. 如權利要求1到8中的任何一個權利要求所述的設備，其特征在于， 所述串聯限電裝置限制到1000伏的限制電壓(Vlim)。
10. 如權利要求1到9中的任何一個所述的設備，其特征在于，所述串 聯限電裝置包括承受大于或等于1000伏以上的限制電壓(Vlim)的電壓的晶體官。
11. 如權利要求1到10中的任何一個權利要求所述的設備，其特征在于， 所述串聯限電裝置包括導通狀態下的串聯電阻小于10歐姆的場效應晶體管。
12. 如權利要求1到11中的任何一個權利要求所述的設備，其特征在于， 所述串聯限電裝置包括由碳化硅制成的場效應晶體管。
13. 如權利要求1到12中的任何一個權利要求所述的設備，其特征在于， 所述并聯限電裝置包括至少一個雪崩效應二極管(41),連接在所述串聯限電裝 置的輸出端上。
14. 一種電子電路，包括連接到到配電系統的連接輸入端；以及受保 護的電路(23),其特征在于，它包括至少一個如權利要求1到13中的任何一 個權利要求所述的電壓浪涌保護設備(20),其中，所述電壓浪涌保護設備(20) 包括連接在所述到配電系統的連接輸入端與所述電路之間的電壓浪涌限制裝 置(25),用于防止后者受能夠作用在所述輸入端上的電壓浪涌(V1P)的影響。
15. 如權利要求14所述的電子電路，其特征在于，所述受保護電路(23) 為供電電路，包括整流器(13)、濾波電容器(38)和變換器(15)，其中，所述變 換器(15)連接到所述串聯限電裝置的下行線路，并且與所述保護設備的并聯限 電裝置并聯。
全文摘要
本發明涉及過電壓保護設備，包括至少一個輸入端(21)，連接到供電網絡；至少一個輸出端(22)，連接到受保護電路；過電壓限制裝置(10，25)，位于輸入端與輸出端之間，用于保護所述電子電路不受可以作用到輸入端上的過電壓的影響。過電壓限制裝置包括雙向串聯限電裝置(26)，雙向串聯限電裝置(26)包括至少兩個輸入端/輸出端(27)，串聯連接到至少一個所述輸入端(21)，并且，當環流小于限制電流值(Ilm)時，對較低的電壓降(VN)進行控制，并且限制所述環流，并且使所述輸入端/輸出端(27)之間的電壓降增加。
文檔編號H02H9/04GK101189778SQ200680019733
公開日2008年5月28日 申請日期2006年5月30日 優先權日2005年6月3日
發明者塞巴斯蒂安·卡庫特, 菲利普·鮑德森, 迪迪爾·倫納德 申請人:施耐德電器工業公司