CN102097776A

CN102097776A - 全自动固态断路器

Info

Publication number: CN102097776A
Application number: CN2010105934442A
Authority: CN
Inventors: 盛况
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明涉及一种半导体器件，公开了一种带有过流敏感器件的电路系统的全自动固态断路器。它包括晶体管和电阻，所述晶体管包括至少一个耗尽型晶体管和至少两个增强型晶体管，耗尽型晶体管、增强型晶体管和电阻之间电连接。本发明全部由固态元器件组成，利用半导体功率器件的可控性和快速的门极响应来实现对电路的高速保护作用。

Description

全自动固态断路器

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种带有过流敏感器件的电路系统的固态断路器。

背景技术

长期以来，电路系统在电流保护方面多习惯用保险丝、空气开关等断路。在普通电器方面，这些断路器可以起到很不错的保护电路的效果，然而在一些比较精密、电流保护响应时间很短的电路里面往往起不到保护作用。因为这些传统的断路器，从过流到产生保护的响应过程的时间一般要ms级别以上，在这个级别的响应时间内，很多精密电路的器件都已经因过流产生而损坏甚至完全毁坏，此时传统的断路器就基本失去了应有的保护作用。

鉴于此，迫切需要发明一种新的断路器，可以极短的响应时间内保护对过流敏感的电路或元件。

发明内容

本发明针对传统断路器结构在应用中的不足，提供一种全自动固态断路器。本发明全部由固态元器件组成，利用半导体功率器件的可控性和快速的门极响应来实现高速保护作用。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

全自动固态断路器，包括晶体管和电阻，所述晶体管包括至少一个耗尽型晶体管和至少两个增强型晶体管，耗尽型晶体管、增强型晶体管和电阻之间电连接。本技术方案利用半导体功率器件的可控性和快速的门极响应来实现高速保护作用。

作为优选，所述的耗尽型晶体管为耗尽型结型场效应晶体管JFET或耗尽型金属场效应晶体管MOSFET。

作为优选，所述的增强型晶体管为增强型结型场效应晶体管JFET或增强型金属场效应晶体管MOSFET或双极性晶体管。

作为优选，所述的耗尽型晶体管有一个，增强型晶体管有两个，电阻有两个。

作为优选，所述的耗尽型晶体管有两个，增强型晶体管有四个，电阻有四个。

作为优选，还连接有电容和二极管，所述的耗尽型晶体管有一个，电阻有三个，增强型晶体管有两个，每个增强型晶体管的栅源极之间并联有一个二极管，其中一个增强型晶体管的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有一个电容，耗尽型晶体管串联有一个电阻。

作为优选，还连接有电容和二极管，所述的耗尽型晶体管有两个，电阻有六个，增强型晶体管有四个，每个增强型晶体管的栅源极之间并联有一个二极管，其中两个增强型晶体管中任意一个的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有一个电容，两个耗尽型晶体管中任意一个均串联有一个电阻。

本发明由于采用了以上技术方案，具有以下显著的技术效果：

（1）全部是固态元器件组成，不存在机械响应机制，响应时间极短，一般在μs级别；

（2）可以用来保护对过流敏感的电路或元件；

（3）断路器仅仅由晶体管、二极管、电阻和电容等组成，不包括任何控制芯片和电源，可以实现全自动、鲁棒的保护功能，使用简单、安全；

（4）电流适用范围非常广，固态断路器根据不同容量的设计，可以对几mA到几kA范围内的电流都起到很好的保护作用；

（5）可以选择仅对单向电流进行保护或者对双向电流进行保护。

附图说明

图1为本发明实施例1的电路原理图。

图2为本发明实施例2的电路原理图。

图3为本发明实施例3的电路原理图。

图4为本发明实施例4的电路原理图。

图5为本发明实施例5的电路原理图。

图6为本发明实施例6的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例1

图1所示为单向电流保护电路，全自动固态断路器，包括耗尽型晶体管1（可以是耗尽型结型场效应晶体管JFET或耗尽型金属场效应晶体管MOSFET）、增强型晶体管21和增强型晶体管22（可以是增强型结型场效应晶体管JFET或增强型金属场效应晶体管MOSFET或双极性晶体管）、电阻31和电阻32，箭头表示被保护的电流及其方向。耗尽型晶体管1是高压阻断器件，主要用来过流保护情况下的高压阻断；增强型晶体管21阻断电压较低，其门极阈值电压较低；增强型晶体管22栅极阈值电压比较高。

本发明实施例1的工作原理是，电路在电流额定（小于临界电流）情况下，耗尽型晶体管1和增强型晶体管21导通，维持电路的正常工作；当电流超过临界点，由于导通电阻的作用，使得增强型晶体管22栅极电压升高到其门极阈值电压以上，导致增强型晶体管22开通，于是增强型晶体管21的栅极电压被拉低，增强型晶体管21关断，其阻断电压偏置在耗尽型晶体管1的源极和栅极之间，使其栅源电压变成负值，增强型晶体管21也随之关断，断路器进入过流保护状态。

实施例2

图2所示为双向电流保护电路，全自动固态断路器，包括耗尽型晶体管11和耗尽型晶体管12（可以是耗尽型结型场效应晶体管JFET或耗尽型金属场效应晶体管MOSFET），增强型晶体管21、增强型晶体管22、增强型晶体管23和增强型晶体管24（可以是增强型结型场效应晶体管JFET或增强型金属场效应晶体管MOSFET或双极性晶体管），电阻31、电阻32、电阻33和电阻34，箭头表示被保护的电流及其方向。

利用耗尽型晶体管11和增强型晶体管21以及耗尽型晶体管12和增强型晶体管23的单向阻断特性，可以实现单向或者双向保护。当电流为向下方向，下半部分的断路器起限流保护作用，上半部分相当于串联的小电阻（由于导通电阻非常小，对电路整体性能影响非常小）；而当电流为向上方向，上半部分的断路器起限流保护作用，下半部分相当于串联的小电阻。

实施例3

图3所示为双向电流保护电路的另一种接法，全自动固态断路器，包括耗尽型晶体管11和耗尽型晶体管12（可以是耗尽型结型场效应晶体管JFET或耗尽型金属场效应晶体管MOSFET），增强型晶体管21、增强型晶体管22、增强型晶体管23和增强型晶体管24（可以是增强型结型场效应晶体管JFET或增强型金属场效应晶体管MOSFET或双极性晶体管），电阻31、电阻32、电阻33和电阻34，箭头表示被保护的电流及其方向。

实施例4

图4所示为单向电流保护电路的另一种接法，本实施例在实施例1的基础上，增加了一些无源器件。全自动固态断路器，包括耗尽型晶体管1（可以是耗尽型结型场效应晶体管JFET或耗尽型金属场效应晶体管MOSFET），强型晶体管21和增强型晶体管22（可以是增强型结型场效应晶体管JFET或增强型金属场效应晶体管MOSFET或双极性晶体管），电阻31和电阻32，增强型晶体管21的栅源极之间并联有二极管51，增强型晶体管22的栅源极之间并联有二极管52，增强型晶体管22的栅源极之间并联的二极管，增强型晶体管21的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有电容61和电容62，耗尽型晶体管1串联有电阻7，箭头表示被保护的电流及其方向。

实施例5

图5所示为双向电流保护电路的另一种接法，本实施例在实施例2的基础上，增加了一些无源器件。全自动固态断路器，包括耗尽型晶体管11和耗尽型晶体管12（可以是耗尽型结型场效应晶体管JFET或耗尽型金属场效应晶体管MOSFET），增强型晶体管21、增强型晶体管22、增强型晶体管23和增强型晶体管24（可以是增强型结型场效应晶体管JFET或增强型金属场效应晶体管MOSFET或双极性晶体管），电阻31、电阻32、电阻33和电阻34，增强型晶体管21的栅源极之间并联有二极管51，增强型晶体管22的栅源极之间并联有二极管52，增强型晶体管23的栅源极之间并联有二极管53，增强型晶体管24的栅源极之间并联有二极管54，增强型晶体管21的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有电容61和电容62，增强型晶体管23的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有电容63和电容64，耗尽型晶体管11串联有电阻71，耗尽型晶体管12串联有电阻72，箭头表示被保护的电流及其方向。

实施例6

图6所示为双向电流保护电路的另一种接法，本实施例在实施例3的基础上，增加了一些无源器件。全自动固态断路器，包括耗尽型晶体管11和耗尽型晶体管12（可以是耗尽型结型场效应晶体管JFET或耗尽型金属场效应晶体管MOSFET），增强型晶体管21、增强型晶体管22、增强型晶体管23和增强型晶体管24（可以是增强型结型场效应晶体管JFET或增强型金属场效应晶体管MOSFET或双极性晶体管），电阻31、电阻32、电阻33和电阻34，增强型晶体管21的栅源极之间并联有二极管51，增强型晶体管22的栅源极之间并联有二极管52，增强型晶体管23的栅源极之间并联有二极管53，增强型晶体管24的栅源极之间并联有二极管54，增强型晶体管21的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有电容61和电容62，增强型晶体管23的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有电容63和电容64，耗尽型晶体管11串联有电阻71，耗尽型晶体管12串联有电阻72，箭头表示被保护的电流及其方向。

在上述所有实施例电路中，耗尽型晶体管11和耗尽型晶体管22一般考虑采用高压耗尽型碳化硅结型场效应晶体管（SiC JFET），因为此类器件适合做高阻断电压、低导通电阻的耗尽型结构。但是，此器件也可以用另外的元件用以下方式来代替。

本发明的单向电流保护电路，如图1和图4所示，由耗尽型晶体管1和耗尽型晶体管21构成的组合可以用单个高阻断电压的增强型晶体管来代替。

本发明的双向电流保护电路，如图2、图3、图5及图6所示，由耗尽型晶体管11和耗尽型晶体管21构成的组合以及耗尽型晶体管12和耗尽型晶体管23构成的组合可以分别用单个高阻断电压的增强型晶体管来代替。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims

1.全自动固态断路器，包括晶体管和电阻，其特征在于：所述晶体管包括至少一个耗尽型晶体管和至少两个增强型晶体管，耗尽型晶体管、增强型晶体管和电阻之间电连接。

2.根据权利要求1所述的全自动固态断路器，其特征在于：所述的耗尽型晶体管为耗尽型结型场效应晶体管JFET或耗尽型金属场效应晶体管MOSFET。

3.根据权利要求1所述的全自动固态断路器，其特征在于：所述的增强型晶体管为增强型结型场效应晶体管JFET或增强型金属场效应晶体管MOSFET或双极性晶体管。

4.根据权利要求1所述的全自动固态断路器，其特征在于：所述的耗尽型晶体管有一个，增强型晶体管有两个，电阻有两个。

5.根据权利要求1所述的全自动固态断路器，其特征在于：所述的耗尽型晶体管有两个，增强型晶体管有四个，电阻有四个。

6.根据权利要求1所述的全自动固态断路器，其特征在于：还连接有电容和二极管，所述的耗尽型晶体管有一个，电阻有三个，增强型晶体管有两个，每个增强型晶体管的栅源极之间并联有一个二极管，其中一个增强型晶体管的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有一个电容，耗尽型晶体管串联有一个电阻。

7.根据权利要求1所述的全自动固态断路器，其特征在于：还连接有电容和二极管，所述的耗尽型晶体管有两个，电阻有六个，增强型晶体管有四个，每个增强型晶体管的栅源极之间并联有一个二极管，其中两个增强型晶体管中任意一个的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有一个电容，两个耗尽型晶体管中任意一个均串联有一个电阻。

8.根据权利要求1所述的全自动固态断路器，其特征在于：还连接有电容和二极管，所述的耗尽型晶体管有两个，电阻有六个，增强型晶体管有四个，每个增强型晶体管的栅源极之间并联有一个二极管，其中两个增强型晶体管中任意一个的漏源极之间和漏栅极之间分别并联有一个电容，两个耗尽型晶体管中任意一个均串联有一个电阻。