CN108493913A - 一种交流电源浪涌保护装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种交流电源浪涌保护装置及电子设备。其中，该交流电源浪涌保护装置包括半导体放电管、过压防护器件和限流模块；其中，半导体放电管与限流模块串联，过压防护器件和限流模块并联连接，限流模块和过压防护器件用于限制半导体放电管上的电流。本发明实施例的技术方案在实现过电压保护的同时，可以限制流过半导体放电管的电流，避免过电流保护元件动作，导致后级设备掉电。
Description
技术领域
本发明涉及过压保护技术领域，尤其涉及一种交流电源浪涌保护装置及电子设备。
背景技术
雷击过压经常以线缆传导或者电磁感应的方式由低压供电线缆侵入设备的电源端口，对电源部分的元器件造成过压过流冲击，因此几乎所有用电设备的电源端口都采取了一定程度的防雷措施，抵御这种雷击过压的威胁。
除自然界的雷击外，变电所等场合的开关动作也会引进浪涌干扰，如：主电源系统切换时的干扰；同一电网，在靠近受电设备附近的一些小开关跳动时形成的干扰；切换伴有谐振线路的晶闸管设备；各种系统性的故障，如设备接地网络或者接地系统间的短路和飞弧故障。
现有技术中，将半导体放电管并联在待保护电路的两端，待保护电路的两端分别与交流电源的两端口电连接。由于雷击等影响产生浪涌电压时，使得待保护电路的两端的电压过高，高于半导体放电管的转折电压时，半导体放电管导通，以实现过电压保护，在浪涌电压消失后，半导体放电管在交流电源过零点时截止。由于半导体放电管的通态电阻和通态压降较小，导致流过半导体放电管的浪涌电流和工频续流较大，容易造成过电流保护元件(可监测交流电源的端口流出的电流)动作，存在掉电风险。
发明内容
本发明实施例提供一种交流电源浪涌保护装置及电子设备，以实现过电压保护的同时，限制流过半导体放电管的电流，避免过电流保护元件动作，导致后级设备掉电。
第一方面，本发明实施例提供了一种交流电源浪涌保护装置，包括半导体放电管、过压防护器件和限流模块；
其中，半导体放电管与限流模块串联，过压防护器件和限流模块并联连接，限流模块和过压防护器件用于限制半导体放电管上的电流。
进一步地，半导体放电管为双向半导体放电管。
进一步地，过压防护器件用于在浪涌电压发生时导通呈低阻抗，以限制流过半导体放电管的电流和限流模块的电压；在浪涌电压消失后，且半导体放电管关断前，呈高阻抗；
限流模块用于在浪涌电压消失后，且半导体放电管关断前，限制流过半导体放电管的续电流。
进一步地，过压防护器件包括气体放电管、压敏电阻或双向瞬态抑制二极管。
进一步地，当过压防护器件包括气体放电管时，气体放电管为开路失效气体放电管。
进一步地，限流模块包括下述至少一种：电阻和电感。
进一步地，限流模块包括第一电阻，其中，第一电阻与过压防护器件并联。
进一步地，限流模块包括第一电感，其中，第一电感与过压防护器件并联。
进一步地，限流模块包括串联连接的第二电阻和第二电感，其中，第二电阻和第二电感串联连接后的两端，与过压防护器件并联。
第二方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：本发明任意实施例提供的交流电源浪涌保护装置和待保护电路，其中，待保护电路的两端分别与半导体放电管与限流模块串联连接后的两端电连接。
进一步地，还包括过电流保护元件，其中，待保护电路的至少一端通过过电流保护元件与交流电源的对应端口电连接，过电流保护元件用于监测到交流电源的端口流出的电流超过预设电流值时，使待保护电路与交流电源之间形成断路。
进一步地，过电流保护元件为断路器。
本发明实施例的技术方案通过将半导体放电管与限流模块串联，过压防护器件和限流模块并联连接，限流模块和过压防护器件用于在不同的阶段，限制半导体放电管上的电流，以解决过压保护时，由于半导体放电管导通时的阻抗较小，流过半导体放电管的电流较大，容易造成过电流保护元件(可监测交流电源的端口流出的电流)动作，存在掉电风险的问题，从而提高浪涌保护装置的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种双向半导体放电管的伏安特性曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种气体放电管的伏安特性曲线示意图；
图8为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的又一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供一种交流电源浪涌保护装置。图1为本发明实施例提供的一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图。该交流电源浪涌保护装置可用于实现过压保护。图2为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。图2示例性的画出该交流电源浪涌保护装置的一种应用场景。结合图1和图2所示，该交流电源浪涌保护装置包括半导体放电管110、过压防护器件120和限流模块130。
其中，半导体放电管110与限流模块130串联，过压防护器件120和限流模块130并联连接，限流模块130和过压防护器件120用于限制半导体放电管110上的电流。
其中，半导体放电管110和限流模块130串联连接后的两端，用于分别与待保护电路200的两端电连接。待保护电路200的两端分别与交流电源的两端口电连接。
其中，当半导体放电管110两端的电压小于转折电压时，半导体放电管110截止，呈高阻态；当半导体放电管110两端的电压增大到大于或等于转折电压时，半导体放电管110将由截止变为导通，呈低阻态；当导通后的半导体放电管110上的电流低于维持电流时，半导体放电管110将由导通变为截止，恢复呈高阻态。该过压防护器件120可以为开关型过压防护器件或钳位型过压防护器件。其中，开关型过压防护器件导通后的阻抗值随其电流的减小而增大。钳位型过压防护器件的钳位电压大于待保护电路的正常工作时的交流电压的幅值，小于待保护电路200的耐受电压。若过压防护器件120为开关型过压防护器件，当开关型过压防护器件两端的电压小于开启电压时，开关型过压防护器件截止，呈高阻态；当开关型过压防护器件两端的电压增大到大于或等于开启电压时，开关型过压防护器件将由截止变为导通，呈低阻态。若过压防护器件120为钳位型过压防护器件，当钳位型过压防护器件两端的电压小于钳位电压时，钳位型过压防护器件截止，呈高阻态；当钳位型过压防护器件两端的电压增大到大于或等于钳位电压时，钳位型过压防护器件将由截止变为导通，呈低阻态，且钳位型过压防护器件两端的电压将被钳位在钳位电压附近。待保护电路200的工作电压小于半导体放电管110的转折电压，半导体放电管110的转折电压小于待保护电路200的耐受电压。根据待保护电路200的正常工作电压和耐受电压，确定半导体放电管110的转折电压，进而选取所需的半导体放电管110的型号。限流模块130可以是恒定阻抗模块，限流模块130的阻抗值远小于半导体放电管110截止时的阻抗值，限流模块130的阻抗值远小于过压防护器件120截止时的阻抗值。可选的，限流模块130包括下述至少一种：电阻和电感。正常工作时，半导体放电管110与限流模块130串联后的第一端N1和第二端N2之间的电压为交流电压，呈正弦变化。该交流电源可以是相电压(即火线和零线之间的电压)、线电压(即两火线之间的电压)或其他交流电源模块输出的交流电压，本发明实施例对交流电源的电压幅值和频率不做限定，图2示例性画出交流电源取自市电的火线L和零线N的情况。
其中，以过压防护器件120为开关型过压防护器件为例进行说明，未发生过电压时，即正常工作时，半导体放电管110与限流模块130串联后的第一端N1和第二端N2之间的电压小于半导体放电管110的转折电压，此时，半导体放电管110为截止，呈高阻态，远大于限流模块130的阻值，且过压防护器件120为截止，呈高阻态，远大于限流模块130的阻值，故此时半导体放电管110两端的电压近似为第一端N1和第二端N2之间的电压。
当发生过电压(电路受雷击或电磁干扰等原因产生的浪涌电压)时，半导体放电管110与限流模块130串联后的第一端N1和第二端N2之间的电压大于半导体放电管110的转折电压，此时，半导体放电管110由截止变为导通，迅速由高阻态变为低阻态，远小于限流模块130的阻值，故流过半导体放电管110和限流模块130上的电流迅速增大，限流模块130两端的电压迅速增大，当限流模块130两端的电压增大到大于或等于过压防护器件120的开启电压时，过压防护器件120由截止变为导通，迅速由高阻态变为低阻态，小于限流模块130的阻值，且大于半导体放电管110的阻值，以限制限流模块130两端的电压，避免超过待保护电路200的耐受电压，此时过压防护器件120起主要限流作用，此时的阻抗值的大小关系为Z1<Z2<Z3，其中，Z1为半导体放电管110的阻值，Z2为过压防护器件120的阻值；Z3为限流模块130的阻抗值。
当过电压消失后，第一端N1和第二端N2之间的电压恢复正常，电压呈正弦变化，此时，第一端N1和第二端N2之间的电压远小于浪涌电压，使得流过过压防护器件120的电流减小，过压防护器件120的阻抗增大，大于限流模块130的阻值，此时限流模块130起主要限流作用，此时的阻抗值的大小关系为Z1<Z3<Z2；随着正弦电压的减小，流过半导体放电管110的电流将减小，在呈正弦变化的电压接近过零点时，流过半导体放电管110的电流将低于维持电流，半导体放电管110自然恢复，回到断开状态，半导体放电管110相当于一无穷大的电阻，此时流过过压防护器件120的电流将减小为零，过压防护器件120将截止，进而恢复交流电源向待保护电路200正常供电。
需要说明的是，若过压防护器件120为钳位型过压防护器件，工作过程与开关型过压防护器件类似，区别在于当发生过电压时，钳位型过压防护器件由截止变为导通时，会迅速由高阻态变为低阻态，小于限流模块130的阻值，且大于半导体放电管110的阻值，且限制限流模块130两端的电压为钳位电压，避免超过待保护电路200的耐受电压。当过电压消失后，正常工作电压的幅值低于钳位电压，钳位型过压防护器件由导通变为截止，会迅速由低阻态变为高阻态，大于限流模块130的阻值。
需要说明的是，图3为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图，如图3所示，若仅通过限流模块130限制流过半导体放电管110的电流，在浪涌电压发生时，限流模块130的阻抗值较大，限流模块130的电压较高，无法实现过电压保护功能。图4为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图，如图4所示，若仅通过开关型过压防护器件140限制流过半导体放电管110的电流，在浪涌电压消失后的续流期间(呈正弦变化的电压接近过零点之前)，流过开关型过压防护器件140的电流较大，容易造成过电流保护元件动作。若图1中的过压防护器件120为开关型过压防护器件，图1中的浪涌保护装置在浪涌电压发生时，可实现过电压保护功能；在浪涌电压消失后的续流期间，由于正常电压远小于浪涌电压，故流过开关型过压防护器件的电流减小，开关型过压防护器件的阻抗值和电压将增大，限流模块130分得的电流增大，导致开关型过压防护器件的电流进一步减小，开关型过压防护器件的阻抗值和电压将进一步增大，可进一步限制半导体放电管的电流，防止过电流保护元件动作。
本实施例的技术方案通过将半导体放电管与限流模块串联，过压防护器件和限流模块并联连接，限流模块和阻抗呈动态变化的过压防护器件用于在不同的阶段，限制半导体放电管上的电流，以解决过压保护时，由于半导体放电管导通时的阻抗较小，流过半导体放电管的电流较大，容易造成过电流保护元件(可监测交流电源的端口流出的电流)动作，存在掉电风险的问题，从而提高浪涌保护装置的可靠性。
可选的，在上述实施例的基础上，半导体放电管110为双向半导体放电管。图5为本发明实施例提供的一种双向半导体放电管的伏安特性曲线示意图。其中，横轴表示双向半导体放电管两端的电压V1，纵轴表示流过双向半导体放电管的电流I1，如图5所示，双向半导体放电管的伏安特性曲线位于第一象限和第三象限，且关于原点对称。根据第一象限的伏安特性曲线可知，即双向半导体放电管两端的外加电压为正向电压，当双向半导体放电管两端的外加正向电压低于断态电压VDRM时，漏电流很小，处于断开状态。当双向半导体放电管两端的外加正向电压大于转折电压VS时，双向半导体放电管很快进入导通状态，双向半导体放电管两端的压降很小。当双向半导体放电管两端的外加正向电压去掉后，或外加正向电压减小至0，电流很快就降到低于维持电流IH，双向半导体放电管自然恢复，回到断开状态。根据第三象限的伏安特性曲线可知，即双向半导体放电管两端的外加电压为负向电压，当双向半导体放电管两端的外加负向电压的绝对值低于断态电压VDRM时，漏电流很小，处于断开状态。当双向半导体放电管两端的外加负向电压的绝对值高于转折电压VS时，双向半导体放电管很快进入导通状态，双向半导体放电管两端的压降很小。当双向半导体放电管两端的外加负向电压去掉后，或外加负向电压的绝对值减小至0，电流的绝对值很快就降到低于维持电流IH，双向半导体放电管自然恢复，回到断开状态。
可选的，在上述实施例的基础上，过压防护器件120用于在浪涌电压发生时导通呈低阻抗，以限制流过半导体放电管110的电流和限流模块130的电压；在浪涌电压消失后，且半导体放电管110关断前，呈高阻抗，即过压防护器件120导通后(在低阻态期间)的阻抗是呈动态变化的；限流模块130用于在浪涌电压消失后，且半导体放电管110关断前，限制流过半导体放电管110的续电流。
本发明实施例提供又一种交流电源浪涌保护装置。图6为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图。在上述实施例的基础上，如图6所示，过压防护器件为开关型过压防护器件，开关型过压防护器件包括气体放电管121。
其中，图7为本发明实施例提供的一种气体放电管的伏安特性曲线示意图。其中，横轴表示气体放电管两端的电压V2，纵轴表示流过气体放电管的电流I2，如图7所示，气体放电管的伏安特性曲线位于第一象限和第三象限，且关于原点对称。其中，VBR为气体放电管的开启电压，VGlow为气体放电管的辉光电压，VA为气体放电管的弧光电压。气体放电管的放电过程需经过汤逊放电区A(对应气体放电管的两端的电压逐渐增大到开启电压的过程)、辉光放电区B(即辉光放电状态)，可进入弧光放电区C(达到辉光电压时进入弧光放电状态)。在辉光放电区时，气体放电管的电流较小，在弧光放电区时，气体放电管的电流较大。维持弧光放电的续流所需要的电压值比维持辉光放电的电压值要小。在弧光放电区时，气体放电管的阻抗值随电流的减小而增大。在浪涌电压消失后，随着电压的降低，通过气体放电管的电流也相应减少，当电流降到维持弧光状态所需的最小电流值以下时，弧光放电停止，气体放电管的辉光熄灭。
可选的，在上述实施例的基础上，图8为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图，过压防护器件为钳位型过压防护器件，钳位型过压防护器件包括压敏电阻122。
可选的，在上述实施例的基础上，图9为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图，过压防护器件为钳位型过压防护器件，钳位型过压防护器件包括双向瞬态抑制二极管123。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图6、图8和图9，限流模块包括第一电阻R1，其中，第一电阻R1与过压防护器件并联。在浪涌电压消失后的续流期间，第一电阻R1可起到抑制流过半导体放电管的工频续流的作用。
可选的，在上述实施例的基础上，图10为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图，如图10所示，限流模块包括第一电感L1，其中，第一电感L1与过压防护器件并联。第一电感L1可起到抑制浪涌电流尖峰的作用。其中，该过压防护器件可以是开关型过压防护器件或钳位型过压防护器件。图10中示例性的画出过压防护器件为气体放电管的情况。
可选的，在上述实施例的基础上，图11为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图，如图11所示，限流模块包括串联连接的第二电阻R2和第二电感L2，其中，第二电阻R2和第二电感L2串联连接后的两端，与过压防护器件并联。第二电阻R2和第二电感L2可起到抑制流过半导体放电管的工频续流和抑制浪涌电流尖峰的作用。其中，该过压防护器件可以是开关型过压防护器件或钳位型过压防护器件。图11中示例性的画出过压防护器件为气体放电管的情况。
需要说明的是，可选的，限流模块包括第一电容，其中，第一电容与过压防护器件并联，为使第一电容可以抑制流过半导体放电管的工频续流，第一电容的容值较大，体积较大，成本较高。故本发明实施例的限流模块通常采用阻抗值较小且体积较小的电阻或电感及其组合的形式，来达到抑制流过半导体放电管的工频续流的作用。
可选的，在上述实施例的基础上，图12为本发明实施例提供的又一种交流电源浪涌保护装置的结构示意图，如图12所示，气体放电管为开路失效气体放电管124。该开路失效气体放电管124的结构与专利申请CN105826149A(申请号：201610190179.0)中记载的气体放电管的结构相同或类似。当开路失效气体放电管124的温度因持续放电，达到使低温密封黏合物熔化的温度时开路，避免当交流电源长时间异常(例如电网电压异常，幅值增大)时，导致半导体放电管长时间频繁连续导通(即在半个工频周期内导通一次)，且流过大电流，导致热量积累，造成普通气体放电管的短路失效或炸裂，进而导致半导体放电管短路失效。
本发明实施例提供一种电子设备。继续参见图2，该电子设备包括：本发明任意实施例提供的交流电源浪涌保护装置100和待保护电路200，其中，待保护电路200的两端分别与半导体放电管110与限流模块130串联连接后的两端电连接。
其中，该电子设备可以是电视机、笔记本电脑、空调、通信电源、摄像机、网络交换机等。本发明实施例提供的电子设备包括上述实施例中的交流电源浪涌保护装置，因此本发明实施例提供的电子设备也具备上述实施例中所描述的有益效果，此处不再赘述。
可选的，在上述实施例的基础上，图13为本发明实施例提供的又一种电子设备的结构示意图。该电子设备还包括过电流保护元件300，其中，待保护电路200的至少一端通过过电流保护元件300与交流电源的对应端口电连接，过电流保护元件300用于监测到交流电源的端口流出的电流超过预设电流值时，使待保护电路200与交流电源之间形成断路。
其中，过电流保护元件300可以为保险丝。可选的，过电流保护元件300还可以为断路器。该断路器可以为空气断路器。若断路器的过电流检测电路检测到交流电源的端口流出的电流超过额定电流时，将自动断开断路器的主触点。该过电流检测电路可以是过电流脱扣器。待保护电路的至少一端通过断路器的主触点与交流电源的对应端口电连接。
需要说明的是，雷击的持续时间通常是短暂的，在微秒级别。浪涌电压消失后的续流期间的持续时间为毫秒级别，小于半个工频周期，故在浪涌电压消失后的续流期间，对流过半导体放电管的续电流的限制作用很重要，以解决过电流保护元件(可监测交流电源的端口流出的电流)动作，存在掉电风险的问题。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (12)
1.一种交流电源浪涌保护装置，其特征在于，包括半导体放电管、过压防护器件和限流模块；
其中，所述半导体放电管与所述限流模块串联，所述过压防护器件和所述限流模块并联连接，所述限流模块和所述过压防护器件用于限制所述半导体放电管上的电流。
2.根据权利要求1所述的交流电源浪涌保护装置，其特征在于，所述半导体放电管为双向半导体放电管。
3.根据权利要求1或2所述的交流电源浪涌保护装置，其特征在于，
所述过压防护器件用于在浪涌电压发生时导通呈低阻抗，以限制流过所述半导体放电管的电流和所述限流模块的电压；在浪涌电压消失后，且所述半导体放电管关断前，呈高阻抗；
所述限流模块用于在浪涌电压消失后，且所述半导体放电管关断前，限制流过所述半导体放电管的续电流。
4.根据权利要求1所述的交流电源浪涌保护装置，其特征在于，所述过压防护器件包括气体放电管、压敏电阻或双向瞬态抑制二极管。
5.根据权利要求4所述的交流电源浪涌保护装置，其特征在于，当所述过压防护器件包括气体放电管时，所述气体放电管为开路失效气体放电管。
6.根据权利要求1所述的交流电源浪涌保护装置，其特征在于，所述限流模块包括下述至少一种：电阻和电感。
7.根据权利要求6所述的交流电源浪涌保护装置，其特征在于，所述限流模块包括第一电阻，其中，所述第一电阻与所述过压防护器件并联。
8.根据权利要求6所述的交流电源浪涌保护装置，其特征在于，所述限流模块包括第一电感，其中，所述第一电感与所述过压防护器件并联。
9.根据权利要求6所述的交流电源浪涌保护装置，其特征在于，所述限流模块包括串联连接的第二电阻和第二电感，其中，所述第二电阻和所述第二电感串联连接后的两端，与所述过压防护器件并联。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：权利要求1-9任一所述的交流电源浪涌保护装置和待保护电路，其中，所述待保护电路的两端分别与半导体放电管与限流模块串联连接后的两端电连接。
11.根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，还包括过电流保护元件，其中，所述待保护电路的至少一端通过所述过电流保护元件与交流电源的对应端口电连接，所述过电流保护元件用于监测到所述交流电源的端口流出的电流超过预设电流值时，使所述待保护电路与所述交流电源之间形成断路。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，所述过电流保护元件为断路器。
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