CN102386606A - 电路及防止过电流条件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电路及防止过电流条件的方法，所述方法包含：响应于过电流条件超过预定义阈值，控制固态开关使之关断，来防止沿第一电流路径的电流流动；响应于所述固态开关的关断来沿着并联到所述第一电流路径的第二电流路径选择性地传输电流；以及使用所述第一电流路径和所述第二电流路径上游的过电流检测装置来至少部分通过所述第二电流路径检测所述过电流条件是否对应于所述电流路径下游的预定义故障条件。

Description

电路及防止过电流条件的方法
技术领域
本发明涉及对分支电路的保护，且更具体来说涉及对具有内联式固态开关的分支电路的过电流保护，尤其是一种电路及防止过电流条件的方法。
背景技术
现代建筑规范(例如《2008年国家电气法规》)要求在一个家庭中的众多分支电路上使用电弧故障断路器(AFCI)装置。AFCI装置可经操作以响应预示发弧和点火的检测到的电流特征而断开分支电路的电源。然而，AFCI装置的响应时间很慢，足以使得在AFCI装置能够断开其相关分支电路的电源前，下游固态控制装置遭到破坏。
发明内容
本发明提供一种电路，所述电路包含：至少一个第一电流路径，其包括负载和开关，所述开关可操作以控制到该负载的电流流动；第二电流路径，其并联到所述至少一个第一电流路径，所述第二电流路径包括瞬态电压抑制TVS装置；以及过电流检测装置，其位于所述电流路径的上游，其中所述开关可操作以响应超过预定义阈值的过电流条件而关断，来防止电流流过所述第一电流路径，以使得所述过电流检测装置可操作以至少部分通过所述第二电流路径来检测所述过电流条件是否对应于预定义故障条件。
本发明提供又一种电路，所述电路包含：过电流检测装置；固态开关，其位于所述过电流检测装置的下游，形成第一电流路径；机电开关，其形成并联到所述第一电流路径的第二电流路径；以及负载，其位于所述电流路径的下游，其中如果到所述负载的电流流动超过预定义阈值，那么所述固态开关关断并且所述机电开关开启以保护所述固态开关免受过电流条件，从而启用所述过电流检测装置以通过所述第二电流路径来检测到所述负载的所述电流流动是否对应于预定义故障条件。
本发明还提供一种预防过电流条件的方法：响应于过电流条件超过预定义阈值，控制固态开关使之关断，来防止沿第一电流路径的电流流动；响应于所述固态开关的关断来沿着并联到所述第一电流路径的第二电流路径选择性地传输电流；以及使用所述第一电流路径和所述第二电流路径上游的过电流检测装置来至少部分通过所述第二电流路径检测所述过电流条件是否对应于所述电流路径下游的预定义故障条件。
利用本发明提供的技术方案，能够克服现有技术的缺陷，实现了对内联式固态开关的分支电路的过电流保护。
附图说明
图1以图解形式说明了具有过电流保护的实例分支电路。
图2以图解形式说明了具有过电流保护的另一实例分支电路。
图3以图解形式说明了图1和图2的分支电路的实例无线开关应用。
具体实施方式
本发明的这些特征和其它特征可根据以下说明书和附图得到最好的理解，附图在下文进行了简要描述。
图1以图解形式说明了实例分支电路10。分支电路10包括第一电流路径12和并联连接到第一电流路径12的第二电流路径14。第一电流路径12包括固态开关16，其可操作以控制沿着第一电流路径12到负载18的电流流动。在一项实例中，开关16包括一个或一个以上的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一项实例中，负载18包括照明负载，并且开关16可操作以对照明负载执行调光功能。当然，也可使用其他开关16和负载18。
电流和能量感应模块20可操作来确定通过电流路径12的电流流动是否超过预定义电流阈值和预定义能量阈值(如超过，则表明出现过电流条件)。如果通过电流路径12的电流流动超过预定义电流阈值和预定义能量阈值(例如，电流超过预定义电流阈值达一定时间，以致电流流动超过预定义能量阈值)，则电流和能量感应模块20将命令开关控制器22关断开关16，以使得沿着路径12的电流流动中断。通过关断开关16，开关16得到保护以免受过电流条件的潜在损害。
第二电流路径14包括瞬态电压抑制(TVS)装置24。在一项实例中，TVS装置为齐纳二极管或金属氧化物变阻器(MOV)。当然，也可使用其他TVS装置24。在正常的无故障条件下，TVS不导电，以使得没有电流沿着第二电流路径14流动，并且电流只可通过电流路径12(取决于开关16的状态)。分支电路也包括过电流检测装置26和电感器28，这两者都位于电流路径12、14的上游。在一项实例中，过电流检测装置26包括电弧故障断路器(AFCI)装置，其可操作以检测过电流条件是否对应于电弧故障条件。在一项实例中，过电流检测装置26包括接地故障断路器(GFCI)装置，其可操作以检测过电流条件是否对应于接地故障条件。在一项实例中，过电流检测装置26包括标准断路器，其可操作以检测过电流条件是否对应于电流超过特定的最大允许电流阈值。当然，也可使用其他过电流保护装置。
在路径12、14下游(如节点30处)发生过电流条件的情况下，开关16关断，以停止通过第一电流路径12的电流流动。如下文所论述，此电流流动突变将导致电感器28以电压尖峰的形式释放能量。如果该电压尖峰大小足够，那么TVS装置24将开始导电，而过电流检测装置26可至少部分通过第二电流路径14检测过电流条件是否对应于预定义故障条件。在检测到预定义故障条件(如电弧故障条件)时，过电流检测装置26(如AFCI装置)关断以避免电流流动通过电流路径12或14。现在对此流程进行更加详细的描述。
如上所述，如果电流和能量感应模块20检测到超过预定义电流和能量阈值的电流尖峰，则命令开关16关断。在一项实例中，电流阈值可在50-75安培的范围内。在一项实例中，能量阈值可在100-300毫焦的范围内。当然，也可以使用其他电流和能量阈值。从检测到过电流条件到开关16关断的时间可大概为若干微秒，以使得开关16迅速关断而受到保护。然而，过电流检测装置26可需要更多时间(如若干毫秒)才能检测到预定义故障条件。因此，开关16的快速关断时间阻碍过电流检测装置26通过第一电流路径12检测故障条件。
一旦开关16关断以中断沿着电流路径12电流流动，电感器28就以电流的形式释放其储存的能量。由于在开关16关断后的时间段(ΔI)内的电流突变(Δt)，TVS装置24上以电压尖峰的形式产生电压。电感器28产生的电压的大小可使用下文等式#1表示，而电感器28中存储的能量的大小可使用下文等式#2表示。
V = L * ΔI Δt 等式#1
E = 1 2 * L * I 2 等式#2
其中：V为电感器28产生的电压；
I为开关16开始关断之前通过电感器28的电流流动；
L为电感器28的电感系数；且
E为电感器28中存储的能量。
如果产生的电压V大于TVS的断电电压，则电感器28中存储的能量会通过TVS装置24释放。可对电感器28的电感系数和TVS装置24的断电电压进行选择，以使得此能量释放足够引起TVS装置24开始沿着第二电流路径14导电。在一项实例中，为TVS装置24选择了比固态开关16额定值低10-20伏特的导电阈值。然而这些仅为实例值，应理解，可使用其他导电阈值。
当TVS装置24导电时，电感器28会通过TVS装置24释放能量。由于释放的电流与引起开关16打开的下游故障条件类似，所以通过分析释放的电流，过电流检测装置26能确定过电流条件是否对应于预定义故障条件(如节点30处)。如上所述，预定义故障条件可包括(举例而言)电弧故障断路器或接地故障断路器。如果导致开关16关断的过电流条件对应于电弧故障条件，则过电流检测装置26将能够跳闸以保护电路10，而不管可能造成的沿着第一电流路径12的电流流动过早终止。在一项实例中，过电流检测装置26会专门通过第二电流路径14分析下游过电流条件。然而，过电流检测装置26可能部分通过第一电流路径12(在开关16关断之前)并部分通过第二电流路径14分析下游过电流条件。
在一项实例中，开关16将在延迟后自动再次开启(例如，在后续的半个AC循环后的零值交叉电压时)，这时电路10已准备应对下一个可能的下游过电流条件。因此，电路10可有效保护开关16并遵循要求使用AFCI的电气规范，以使得开关16能够足够快地打开从而保护自身，且电流路径14能够提供代表下游电弧和电弧模式的电流，以使过电流检测装置26跳闸。
图2以图解方式说明了具有电弧故障保护的另一实例分支电路40。电路40包括第一电流路径42和并联连接到第一电流路径42的第二电流路径44。第一电流路径42包括固态开关46，其可经操作以控制沿着第一电流路径42到负载48的电流流动。如同电路10，开关46可包括一个或一个以上的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，且负载48可包括照明负载，以使得开关46可操作以对照明负载执行调光功能。当然，也可使用其他开关46和负载48。
电流和能感应模块50可操作以确定通过电流路径42的电流流动是否超过预定义电流阈值和预定义能量阀值。如果通过电流路径42的电流流动超过预定义阈值和预定义能量阀值(例如，电流超过预定义电流阈值一定时间，以致电流流动超过预定义量阀值)，那么电流和能感应模块50将命令开关控制器52关断开关46，以使得沿着路径42的电流流动中断并且电流流动通过第二电流路径44。和电路10一样，通过关断开关46，开关46受到保护以免受过电流条件的潜在损害。
第二电流路径44包括机电开关54。在正常的无故障操作条件下，开关54关断，以使得电流仅能通过电流路径42传输(取决于开关46的状态)。响应固态开关46关断，机电开关54开启以允许沿着电流路径44的电流流动。如果过电流条件对应于预定义故障条件(例如，节点60处)，那么沿着电流路径44的电流流动使过电流检测装置56跳闸，并保护电路40和负载48。如上文关于分支电路10所述，过电流检测装置56可包括电弧故障断路器、接地故障断路器或标准断路器中的至少一个，并且预定义故障条件可包括具有预定义大小的电弧故障条件、接地故障条件或过电流条件中的至少一个。
在一项实例中，过电流检测装置56专门通过第二电流路径44对下游过电流条件进行分析。然而，过电流检测装置56可部分通过第一电流路径42(开关46关断前)且部分通过第二电流路径44对下游过电流条件进行分析。
因此，像电路10一样，电路40可有效保护开关46并遵循要求使用AFCI的电气规范，以使得开关46能够足够快地打开从而保护其自身，且电流路径44能提供对下游过电流条件的近接，以使过电流检测装置56能够检测下游故障条件。
在不使用电流路径14、44的情况下，由于固态开关16、46可在过电流检测装置26、56能够检测预定义故障条件前过早打开，因此过电流检测装置26、56可能无法跳闸。这可能导致电路10、40由于与通过过电流检测装置26、56进行的电弧故障检测缺乏兼容性而无法进行建筑检查。通过沿着并联到第一电流路径12、42的第二电流路径14、44选择性地传输电流，尽管过电流检测装置26、56位于电流路径12至14、42至44的上游，也能够检测电流路径12至14下游的电弧故障条件。因此，固态开关16、46的操作不会中断过电流检测装置26、56的操作。
图3以图解方式说明了图1和图2的分支电路10、40的实例无线开关应用70。自激开关72可操作以与多通道控制器74无线连通。开关部分72a或72b的启动促使开关72收集能量以发送一个或一个以上的无线信号75。控制器74可操作以通过命令照明负载76a至76b响应一个或一个以上的无线信号75而开启或关断来选择性地将照明负载76a至76b连接到交流电源77。照明负载76a至76b中的每一个对应于多通道控制器74的通道。尽管仅对两个通道进行说明，但应理解，控制器74可包括其它数量的通道。
控制器74可包括具有过电流保护的分支电路10、14之一，以使得过电流保护(例如，AFCI保护)可包括到无线开关应用70中。在一项实例中，控制器74并入具有电弧故障保护的分支电路10，以使得控制器74包括第二电流路径14以及多个第一电流路径12，其中所述多个第一电流路径中的每一个对应于多通道控制器74的通道。在此实例中，控制器74仅可包括单个电感器28和单个TVS装置24，从而与通过过电流检测装置26进行的故障条件检测兼容。
在一项实例中，控制器74并入分支电路40，以使得控制器74在其每一通道中包括电流路径42、44，且每一通道包括开关46和开关54二者。
尽管已揭示实施例，但所述领域的技术人员还会认识到，某些修改将落入本发明的范围内。鉴于此，应研究随附权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (25)

1.一种电路，其特征在于，所述电路包含：
至少一个第一电流路径，其包括负载和开关，所述开关可操作以控制到该负载的电流流动；
第二电流路径，其并联到所述至少一个第一电流路径，所述第二电流路径包括瞬态电压抑制TVS装置；以及
过电流检测装置，其位于所述电流路径的上游，其中所述开关可操作以响应超过预定义阈值的过电流条件而关断，来防止电流流过所述第一电流路径，以使得所述过电流检测装置可操作以至少部分通过所述第二电流路径来检测所述过电流条件是否对应于预定义故障条件。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述负载包括照明负载，并且其中所述开关可操作以对所述照明负载执行调光功能。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路包括感应模块，所述感应模块可操作以检测所述第一电流路径中的所述电流何时超过所述预定义阈值，且可操作以命令开关控制器来开启或关断所述开关。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路包括：
电感绕组，其连接在所述过电流检测装置与所述两个电流路径之间，所述电感绕组响应于所述开关关断而释放存储的能量，所述能量是作为电流释放到所述TVS装置中，以使得如果所述电感绕组中存储的所述能量超过TVS导电阈值，那么所述TVS装置开始导电。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述TVS装置包括齐纳二极管或金属氧化物变阻器中的至少一个，并且其中所述开关为固态开关。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述至少一个电流路径包括多个第一电流路径，所述多个第一电流路径中的每一个对应于多通道控制器的通道，每一通道自身具有可单独控制的负载，以使得所述多通道控制器仅需要单个第二电流路径。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述过电流检测装置包括电弧故障断路器、接地故障断路器或标准断路器中的至少一个，并且其中所述预定义故障条件包括具有预定义大小的电弧故障条件、接地故障条件或过电流条件中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述预定义阈值至少为电流阈值。
9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述预定义阈值至少为能量阈值。
10.一种电路，其特征在于，所述电路包含：
过电流检测装置；
固态开关，其位于所述过电流检测装置的下游，形成第一电流路径；
机电开关，其形成并联到所述第一电流路径的第二电流路径；以及
负载，其位于所述电流路径的下游，其中如果到所述负载的电流流动超过预定义阈值，那么所述固态开关关断并且所述机电开关开启以保护所述固态开关免受过电流条件，从而启用所述过电流检测装置以通过所述第二电流路径来检测到所述负载的所述电流流动是否对应于预定义故障条件。
11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，所述负载包括照明负载，并且其中所述固态开关可操作以对所述照明负载执行调光功能。
12.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，如果所述固态开关开启，那么所述机电开关关断。
13.根据权利要求11所述的电路，其特征在于，所述过电流检测装置包括电弧故障断路器、接地故障断路器或标准断路器中的至少一个，并且其中所述预定义故障条件包括具有预定义大小的电弧故障条件、接地故障条件或过电流条件中的至少一个。
14.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，所述预定义阈值至少为电流阈值。
15.根据权利要求14所述的电路，其特征在于，所述预定义阈值为电流阈值和能量阈值。
16.一种防止过电流条件的方法，其特征在于，所述防止过电流条件的方法包含：
响应于过电流条件超过预定义阈值，控制固态开关使之关断，来防止沿第一电流路径的电流流动；
响应于所述固态开关的关断来沿着并联到所述第一电流路径的第二电流路径选择性地传输电流；以及
使用所述第一电流路径和所述第二电流路径上游的过电流检测装置来至少部分通过所述第二电流路径检测所述过电流条件是否对应于所述电流路径下游的预定义故障条件。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
响应所述固态开关的开启来防止电流流动通过所述第二电流路径。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述响应所述固态开关关断来沿着并联到所述第一电流路径的第二电流路径选择性地传输电流包括：
将能量存储到所述两个电流路径上游的电感绕组中；以及
响应所述固态开关的关断来将所述存储的能量释放到所述第二电流路径中的瞬态电压抑制TVS装置中，以使得如果所述电感绕组中存储的所述能量超过TVS导电阈值，那么所述TVS装置可开始导电。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一电流路径包括照明负载，并且其中所述固态开关可操作以对所述照明负载执行调光功能。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述TVS装置包括齐纳二极管或金属氧化物变阻器中的至少一个。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述响应所述固态开关关断来沿着并联到所述第一电流路径的第二电流路径选择性地传输电流包括：
响应所述固态开关关断而开启机电开关以允许沿着所述第二电流路径的电流流动。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，照明负载位于所述第一电流路径和所述第二电流路径的下游，并且其中所述固态开关可操作以在所述机电开关关断时对所述照明负载执行调光功能。
23.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述过电流检测装置包括电弧故障断路器、接地故障断路器或标准断路器中的至少一个，并且其中所述预定义故障条件包括具有预定义大小的电弧故障条件、接地故障条件或过电流条件中的至少一个。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述预定义阈值至少为电流阈值。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述预定义阈值为电流阈值和能量阈值。
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