CN105990825A - 过电压保护装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及过电压保护装置。该装置可以用于供电线路中的过电压保护。该装置可以包括导通二极管、与所述导通二极管串联耦合的雪崩二极管以及与所述导通二极管和所述雪崩二极管并联耦合的开关。该装置还可以包括被跨所述雪崩二极管而耦合并被配置为控制所述开关的电路。

Description

过电压保护装置

相关申请的交叉引用

本申请基于先前提交的2015年3月19日提交的共同未决的法国申请No.1552260，其完整主题在此通过参考全文引入。

技术领域

本公开内容涉及一种用于过电压保护的装置，更具体地，涉及一种用于供电线路中的过电压保护的装置。

背景技术

过电压保护部件是当横跨它的电压超过给定阈值时接通的部件，给定阈值即击穿电压并且通常表示为VBR。第一类型的保护部件是雪崩二极管类型，其具有图1所示的电流-电压特性。当横跨此部件的电压超过击穿电压VBR时，部件变得导通。理想地，当电流增长时横跨部件的电压保持等于VBR。实际上，如图1所示，当过电压被吸收时，该特性不是垂直的，而且横跨部件的电压超过值VBR，即强值电流I穿过该部件。

这种类型的部件的缺点在于，在过电压吸收阶段期间，横跨部件的电压保持为大于或等于击穿电压VBR，即在此阶段期间，部件必须吸收大于VBR x I的功率。这造成必须形成足够大尺寸的部件，一方面是为了最小化其内电阻，从而最小化过电压移除阶段期间横跨那里的电压，另一方面，它可以吸收与过电压有关的功率，而不被损坏。当前，对于大于100伏特的电压VBR，例如，在300伏特的量级上，这造成部件尺寸大于若干cm²，例如，在10cm²的量级上。然而这样的部件是以二极管芯片的堆叠的形式制成的，例如，十四个基本部件的堆叠，每一个基本部件都具有8.6x8.6mm²的表面面积，以达到430V的击穿电压。这样的部件可能是昂贵且庞大的。

第二类型的保护部件是导通(breakover)类型，即肖特基二极管类型，或无栅晶闸管类型。导通部件的电流-电压特性示于图2中。当横跨部件的电压超过击穿电压VBR时，此电压快速地下降并且然后遵循基本垂直的特性1。

此第二类型的部件的优点是，假设横跨部件的电压在过电流流动期间是非常低的，与雪崩二极管类型的装置中耗散的功率相比，由部件中的过电压耗散的功率是较低的。此第二类型的部件的缺点是，只要存在横跨部件的显著电压，该部件就保持接通，保护部件仅在电压横跨使得此部件中的电流变得比保持电流Ih更小的情况下返回至断开。对于具有范围从50伏特到1,000伏特的击穿电压VBR的保护部件，根据部件的击穿电压，此保持电流当前具有从100mA到1A的范围的值。

因此，导通类型保护部件可以被保留用于电路，在电路中这些部件旨在保护具有横跨零值的工作电压的线路，这特别地适用于数据传输线。如图3所示，如果形成连接到供电装置输出的供电线路的线路L1需要被保护，例如供电装置是连接到逆变器12的太阳能发电站10，则导通保护部件不能正常地使用，因为在例如由于闪电击中线路L1引起的过电压出现后，线路L1上的电势保持为正，而且保护部件保持导通。

如图4A所示，在施加过电压之后，在电源10的输出处的电压VDC被短路，而且短路电流Isc从其流过。电源在它的端子之间具有保护二极管的通态电阻RD和内电阻Ri。然后横跨保护二极管存在电压VD＝VDC(RD/(Ri+RD))。

图4B示出了对应于这种特定情况的二极管的特性曲线的一部分。在最实际的配置中，对应于短路电流Isc的电势VD远大于对应于导通部件的保持电流Ih的电势Vh。例如，对于150mA保持电流Ih，电压Vh可以在2V的量级上。因此，原则上，不可能使用导通部件来保护直流(DC)供电线路。因而必须形成雪崩二极管类型的保护装置，该保护装置应当具有相当大的表面面积并因而具有高成本。

图5示出了保护装置的例子。此装置在法国专利申请No.1352864号(以及在相应的美国专利申请公开No.2014/0293493)中描述，其整体通过引用并入本文。装置在两个端子A和B之间包含：导通类型保护二极管D、开关SW以及用于控制开关SW的电路CONTROL的并联组件。

图5的保护装置按下述方式操作。在空闲状态中，开关SW断开。端子A和B跨接直流电源线路，所以保护连接例如类似于图3的二极管D。只要端子AB间的电压保持低于导通二极管D的击穿电压，则保护装置是非导通的。当过电压出现时，保护二极管变得导通，其导致图4A的配置，也就是说，连接在端子AB之间的电源被短路。一旦过电压已经超过，二极管D导通短路电流Isc，例如在图4A中定义的。此时，开关SW被开启，所以端子A和B之间的电流被开关SW分流。如果开关SW的通态电阻Ron足够低，并且特别是如果满足条件Ron×Isc＜Vh，则端子AB间的电压变得比电压Vh低，而且导通二极管D阻断。然后开关SW可以返回至断开。

根据第一种方法，控制电路包括过电压检测器，并且在确定的时段自动地接通开关SW，该时段是在过电压将被检测到之后的某个时间，然后在确定的时间之后断开开关SW。根据另一种方法，控制电路包括用于检测跨二极管D的电压的电路。只要该电压低于VBR并且高于VD，控制电路就将保持非激活。然后，在第一电压降低之后，控制电路将确定跨二极管D的电压是否在给定范围之内，其与值VDC(RD/(Ri+RD))相对应。然后控制电路确定开关SW的接通和断开。

图5的电路的操作是基于如下事实：当开关SW处于导通状态时，两端的电压下降到足以变得低于预定值Vh。这暗示了，当装置被短路时，开关SW的通态电阻Ron应当远低于二极管D的表观电阻RD。应该理解，这使得必须使用具有非常低的Ron的开关，其并非总是符合使用低成本开关的期望，例如，小MOS晶体管。

图6示出了图5的装置的替换方法，其可以克服此缺点。在图6中，保护进一步包括，与端子A和B之间的导通二极管D串联，雪崩二极管d具有击穿电压Vbr，该击穿电压Vbr比导通二极管D的击穿电压VBR小得多。导通二极管D和雪崩二极管d的串联组件的操作在过电压吸收方面与二极管D单独的操作几乎相同。这次，当过电压已经超过而且线路被短路时，仅条件Rom×Isc＜Vh+Vbr必须被满足，其能够使用具有比图5组件情况下更高的Ron的开关。

发明内容

一种装置可以用于供电线路中的过电压保护。装置可包括导通二极管、与导通二极管串联耦合的雪崩二极管、以及与导通二极管和雪崩二极管并联耦合的开关。装置还可包括跨雪崩二极管耦合并且配置为控制开关的电路。

附图说明

图1示出了根据现有技术的雪崩二极管类型的保护装置的电流-电压特性。

图2示出了根据现有技术的导通类型的保护装置的电流-电压特性。

图3示出了根据现有技术的连接到DC供电线路的导通类型的保护二极管。

图4A示出了根据现有技术的处于短路状态的图3的组件的等效图。

图4B示出了图4情况下的导通装置的特性。

图5示出了根据现有技术的过电压保护装置的例子。

图6示出了图5的保护装置的变化。

图7示出了根据本公开内容的过电压保护装置的实施例。

图8示出了根据本公开内容的图7的装置的例子。

图9示出了根据本公开内容的图7的装置的另一实施例。

图10示出了根据本公开内容的图7的装置的另一实施例。

具体实施方式

相同元件在不同的附图中用相同附图标记表示。此外，在本说明书中，术语“连接”用于表示直接电连接，没有中间电子部件，例如通过一个或多个导电迹线，并且术语“耦合”或术语“联接”用于表示直接电连接(然后表示“连接”)或通过一个或多个中间部件(电阻器、电容器等等)的连接。前述和其它特征和优点将在下文结合附图的具体实施例的非限制性说明中进行详细讨论。

总体上，实施例提供了一种能够保护供电线路的过电压保护的方法，包括第一分支、与第一分支并联控制的开关、以及用于控制跨雪崩二极管而连接的开关的电路，第一分支包括与雪崩二极管串联的导通二极管。雪崩二极管的击穿电压比导通二极管的击穿电压小至少10倍。

此外，导通二极管的击穿电压可以在从20V到1500V的范围内。开关可以是MOS晶体管或绝缘栅双极晶体管。控制电路可包括与雪崩二极管并联连接的第一电阻器，连接到第一分支的中点的第一电阻器的末端进一步连接到开关的控制节点。

此外，第一电阻器的末端可连接到第一分支的中点，从而连接到开关的控制节点。连接到第一分支的中点的第一电阻器的末端可通过第二电阻器连接到开关的控制节点。此外，开关的控制节点可通过电容器连接到第一电阻器的另一末端。二极管可以与第二电阻器并联连接。

在图5和图6的装置中，一方面，开关SW的控制电路CONTROL连接到包括导通二极管D的分支的端子A和B，另一方面，连接到开关SW的控制节点或端子。控制电路根据节点A和B之间的电压控制开关SW。控制电路可包括处理器或另一逻辑电路或编程器。因而，控制电路应当包括高电压接口，以承受线路电源电压。此外，控制电路应当包括功率存储电容器，以为逻辑电路提供DC电源电压，该DC电源电压具有比线路电源电压更低的电平。在某些应用中，例如，在太阳能发电站中，线路电源电压可以是特别高的，通常在几百伏特的量级上。因此，用于控制开关SW的电路CONTROL是相对昂贵且庞大的。

图7示出了过电压保护装置的实施例。如图6的例子中那样，该装置包含在两个端子A和B之间的第一分支的并联组件，该并联组件包括与雪崩二极管d串联的导通类型保护二极管D以及开关SW。雪崩二极管d具有击穿电压Vbr，该击穿电压Vbr小于导通二极管D的击穿电压VBR。优选地，雪崩二极管d的击穿电压Vbr比导通二极管的击穿电压VBR低得多，例如，至少低十倍。在所示的实例中，导通二极管D具有连接到端子A的阳极和连接到第一分支的节点或端子C的阴极。雪崩二极管d具有连接到节点C的阴极和连接到端子B的阳极。例如，导通二极管D具有从20V到1500V的范围内的击穿电压。

开关SW例如是金属氧化物半导体(MOS)晶体管或绝缘栅双极晶体管"(IGBT)。例如，开关SW是PNP类型IGBT，其具有连接到端子A的集电极并具有连接到端子B的发射极。

图7的保护装置与图6的装置的不同在于图6的装置的控制电路CONTROL被替换成电路70，在图6的例子中图6的装置的控制电路CONTROL连接在端子A和B之间，电路70一方面跨雪崩二极管d连接(也就是说，在本例中连接到节点C和B)，另一方面连接到开关SW的端子或控制节点。因而，在图7的实施例中，开关SW的控制电路70不连接到端子A和B，端子A和B将保护装置连接到电源线路。

图7的保护装置的操作类似于图6的装置的操作，不同之处在于，不是根据端子A和B之间的电压来控制开关SW，而是控制电路70根据跨雪崩二极管d的电压来控制开关SW。图7的实施例的优点是，与图5和图6的装置的控制电路相比，该控制电路可以大大简化。

图8示出了图7的保护装置的控制电路70的实施例。在图8的例子中，电路70简化为连接在节点C和B之间的电阻器R1，该电阻器R1与雪崩二极管d并联。电阻器R1的末端连接到第一分支中的节点C，并且连接到开关SW的控制栅。因而，在本例中，跨雪崩二极管d的电压被直接用于控制开关SW。电阻器R1优选为远大于雪崩二极管d的通态电阻。例如，电阻器R1的值在从1kΩ到100kΩ的范围内。

图8的保护装置按下述方式操作。只要端子A和B之间的电压保持为小于导通二极管D的击穿电压，保护装置就是非导通的。电阻器R1能够使节点C的电势基本上等于节点B(例如，接地)的电势，因此开关SW断开。当过电压出现时，导通二极管D和雪崩二极管d变为导通，并且连接在端子A和B之间的电源被短路。然后跨雪崩二极管d的电压从零值切换为基本上等于Vbr的值，这使得开关SW接通。因而，开关SW与二极管D和d同时或几乎同时地接通。与过电压相关的电流在开关SW和包括二极管D和d的分支之间共享。开关SW吸收它可以吸收的电流，直到它饱和，其余(事实上，大部分电流)被二极管D和d吸收。一旦过电压结束，流过保护装置的电流减少并变为等于电源的短路电流ISC。开关SW的尺寸被设计成能吸收该电流的所有或大部分，以便导通二极管D阻断。然后，通过电阻器R1使节点C的电势基本等于节点B的电势，并且开关SW断开。在实践中，由于控制栅和端子B之间的杂散电容，开关SW可以稍微在导通二极管D之后断开，杂散电容与电阻器R1并联形成了电路RC。

图9示出了图7的保护装置的控制电路70的另一实施例。在图9的例子中，电路70包括与图8的例子中相同的电阻器R1，并且进一步包括电路RC，该电路RC包括电阻器R2和电容器C1，电阻器R2将连接到节点C的电阻器R1的末端连接到开关SW的控制栅，电容器C1将开关SW的控制栅连接到端子B。

图9的装置的操作类似于图8的装置，但是与参照图8描述的操作不同的是，当过电压出现的时候，开关的导通相对于二极管D和d的导通具有一延迟，该延迟是由电阻器R2和电容器C1形成的RC电路设置的。因而，在开关SW被接通之前，至少一部分过电压可由二极管D和d移除。一旦过电压已经过去而且二极管D被阻断，开关SW就以由电路RC设置的延迟而断开。

因而，图9的电路能够将期望的延迟设置在二极管D和d的触发与开关SW的接通之间，并且在二极管D和d的阻断与开关SW的断开之间。例如，电容器C1和电阻器R2的值被选择为获得一时间常数，因此获得在5μs到100μs范围内的在保护的触发与开关SW的接通之间的延迟，例如大约20ms。电容器C1的电容例如在从20nF到2μF的范围内，并且电阻R2例如具有在从10Ω到1kΩ的范围内的值。

作为变体，电容器C1可以被省略。然后，在保护的触发与开关SW的接通之间的延迟由电路RC设置，电路RC由控制节点和端子B之间的开关SW的本征电容和电阻器R2形成(例如，在MOS晶体管的情况下是栅极-源极电容，或在IGBT的情况下是栅极-发射极电容)。

图10示出了图7的保护装置的控制电路70的另一实施例。在图10的例子中，电路70包括与图9的例子中相同的元件，并进一步包括与电阻器R2并联的二极管D1，二极管D1的阳极连接到节点C，其阴极连接到开关SW的控制栅。

图10的装置的操作类似于图9的装置的操作，但是事实是，由于二极管D1的存在，当过电压发生时，开关在与二极管D和d基本相同的时间接通。因而，电路RC在过电压结束时延迟开关SW的断开，但是在过电压开始时不延迟它的接通。

参照图7到图10描述的类型的保护装置具有与图5和图6的装置相似的优点。特别地，它们能够使用具有相对较小表面面积的导通二极管，例如50mm²，同时，如前面所指出的，对于大于约50伏特到1000伏特的保护电压，保护雪崩二极管应当具有大约从1cm²到10cm²的表面面积。开关装置SW的组件，例如MOS或IGBT晶体管，以及控制电路的组件例如将仅具有在从10mm²到15mm²范围内的表面面积。因而，保护装置的总表面面积小于65mm²，同时实现雪崩保护部件的功能，雪崩保护部件具有从1cm²到10cm²范围内的表面面积。

参照图7到图10描述的实施例的另外优点是，由于控制电路70跨雪崩二极管d而连接，控制电路的架构相比于图5和图6的例子可以是相当简化的。特别地，可以形成没有逻辑电路、没有编程器或处理器并且没有电源储能电容器的控制电路。此外，所描述的实施例不要求精确测量包括二极管D和d的分支中的电压或电流。

具体实施例已经被描述。各种改变、修改以及改进对于本领域技术人员来说是很容易想到的。特别地，所描述的实施例不限于参照图8、图9和图10描述的控制电路70的实施例。所属领域的技术人员能够根据目标应用适配所描述的例子，特别是根据开关SW、导通二极管D和雪崩二极管d的尺寸作出权衡。特别地，虽然已经描述了电路70的例子仅由无源部件形成，但例如晶体管的有源部件可以被添加至开关SW的控制电路，特别是更准确地控制开关SW的接通和断开。此外，附图中仅描述和示出了单向保护二极管。当然，也可以提供双向保护二极管(它们的特性在图1和图2中示出，虽然它们没有被描述)。

此外，已经描述了与仅被偏置到DC电压的线路相关联的保护部件的使用。此部件还可以用于其中该线路是交流(AC)供电线路的情况，例如，在50Hz或60Hz。实际上，如果过电压发生在半波开始时，可以期望保护二极管在发生过电压后快速停止导通，而不用等待半波结束，在50Hz电源的情况下，半波的持续时间是10ms。

这样的改变、修改以及改进意在作为本公开内容的一部分，并意在落入本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅作为示例，而不旨在进行限制。本发明仅受如以下权利要求和等同方案中限定的那样限制。

Claims (20)

1.一种用于供电线路中的过电压保护的装置，所述装置包括：

分支，所述分支包括导通二极管以及与所述导通二极管串联耦合的雪崩二极管；

开关，所述开关与所述分支并联耦合；以及

电路，跨所述雪崩二极管而耦合并被配置为控制所述开关。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述雪崩二极管具有比所述导通二极管的击穿电压小至少十倍的击穿电压。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述导通二极管的击穿电压处于20V和1500V之间。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关包括晶体管和绝缘栅双极晶体管中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路包括与所述雪崩二极管并联耦合的第一电阻器；并且其中所述第一电阻器的第一端耦合到所述分支的中点和所述开关的控制节点。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述电路包括被耦合在所述第一电阻器的所述第一端与所述开关的所述控制节点之间的第二电阻器。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述电路包括被耦合在所述开关的所述控制节点与所述第一电阻器的第二端之间的电容器。

8.根据权利要求6所述的装置，其中所述电路包括与所述第二电阻器并联耦合的二极管。

9.一种用于供电线路中的过电压保护的装置，所述装置包括：

导通二极管；

雪崩二极管，与所述导通二极管串联耦合；

开关，与所述导通二极管和所述雪崩二极管并联耦合；以及

电路，跨所述雪崩二极管而耦合并被配置为控制所述开关。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述雪崩二极管具有比所述导通二极管的击穿电压小至少十倍的击穿电压。

11.根据权利要求9所述的装置，其中所述开关包括晶体管和绝缘栅双极晶体管中的至少一个。

12.根据权利要求9所述的装置，其中所述电路包括与所述雪崩二极管并联耦合的第一电阻器；并且其中所述第一电阻器的第一端耦合到在所述导通二极管和所述雪崩二极管之间的节点以及所述开关的控制节点。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述电路包括被耦合在所述第一电阻器的所述第一端与所述开关的所述控制节点之间的第二电阻器。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述电路包括被耦合在所述开关的所述控制节点与所述第一电阻器的第二端之间的电容器。

15.一种用于制造用于供电线路中的过电压保护的装置的方法，所述方法包括：

将雪崩二极管与导通二极管串联耦合；

将开关与所述导通二极管和所述雪崩二极管并联耦合；以及

将电路跨所述雪崩二极管而耦合并用于控制所述开关。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述雪崩二极管具有比所述导通二极管的击穿电压小至少十倍的击穿电压。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述开关包括晶体管和绝缘栅双极晶体管中的至少一个。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述电路包括与所述雪崩二极管并联耦合的第一电阻器；并且其中所述第一电阻器的第一端耦合到在所述导通二极管和所述雪崩二极管之间的节点以及所述开关的控制节点。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述电路包括被耦合在所述第一电阻器的所述第一端与所述开关的所述控制节点之间的第二电阻器。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述电路包括被耦合在所述开关的所述控制节点与所述第一电阻器的第二端之间的电容器。