CN109327011B - 过压保护设备 - Google Patents

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Abstract

一种过压保护设备，能够保护电源线，并且包括并联的穿通二极管、受控开关以及用于控制开关的电路。

Description

过压保护设备
本申请是申请日为2014年3月28日、申请号为201410127548.2、发明名称为“过压保护设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及一种过压保护设备，并且更具体地涉及一种能够保护电源线的过压保护设备。
背景技术
过压保护设备是当其两端的电压超过给定阈值时接通的部件或电路，给定阈值称作击穿电压并且通常标记为VBR。
第一类型保护部件是雪崩二极管类型，具有如图1所示的电流-电压特性曲线。当跨该部件的电压超过击穿电压VBR时，部件接通。理想地，跨部件的电压保持等于VBR而电流增大。实际上，如图1所示，特性曲线并非是垂直的，并且跨部件的电压超过值VBR而过压被吸收，也即大值的电流I流过部件。
该类型部件的缺点在于，在过压吸收阶段期间，跨部件的电压保持大于或等于击穿电压VBR，也即在该阶段期间，部件必需吸收大于VBR×I的电能。这导致必需形成具有足够大尺寸以能够吸收该电能而不会受损的部件。当前，对于大于100伏的电压VBR而言，例如在300伏的量级，这导致部件尺寸大于若干cm2，例如在10cm2的量级。然而该部件制作为二极管芯片堆叠的形式，例如每一个具有8.6×8.6mm2表面面积的十四个基本部件的堆叠以达到430V击穿电压。这些部件因此是昂贵和大型的。
第二类型的保护部件是穿通(break-over)类型、肖特基二极管类型、或无栅极晶闸管类型。穿通部件的电流-电压特性曲线示出在图2中。当跨部件的电压超过击穿电压VBR时，该电压急速下降并且随后跟随基本垂直的特性曲线I。
该第二类型部件的优点在于部件中过压所耗散的能量与雪崩二极管类型设备中耗散的能量相比较低，假设跨部件的电压在过强流动期间非常低。该第二类型部件的缺点在于，只要部件两端存在电压，所述部件就保持接通，仅在其两端的电压使得该部件中电流变得小于保持电流Ih时，保护部件返回至断开。对于具有近似范围从50至1000伏的击穿电压VBR的保护部件而言，根据部件的击穿电压，该保持电流当前具有近似范围从100mA至1A的值。
因此，穿通类型保护部件用于其中这些部件意在保护具有越过零值操作电压的线路的电路－这对于数据传输线而言特别适用。
如图3所示，如图需要保护形成了连接至诸如太阳能发电设施10之类的电源设备的输出的电源线(例如连接至逆变器12)的线路L1，可以通常不使用穿通保护部件，这是因为在过压发生之后，例如对应于对线路L1的雷电电涌，线路L1上的电压保持为正并且保护部件保持导电。
如图4A所示，在施加了过压之后，电源10的输出处的电压VDC被短路，并且短路电流ISC流过其中。电源看到跨其端子的内部电阻Ri和保护二极管的接通状态电阻RD。电压VD＝VDC(RD/(Ri+RD))继而存在于保护二极管两端。
图4B示出了对应于该具体情形的二极管的特性曲线的一部分。在大多数实际配置中，对应于短路电流ISC的电势VD远大于对应于穿通部件的保持电流Ih的电压Vh。作为示例，对于150mA保持电流Ih，电压Vh可以是2V的量级。因此现有技术无法使用穿通部件以保护DC电源线。因此使用雪崩二极管类型的保护设备，其具有巨大表面积以及因此具有高成本。
此处需要克服该缺点。
发明内容
因此，一个实施例提供了一种过压保护设备，其能够保护包括并联的穿通二极管、受控开关、和用于控制开关的电路的电源线。
根据一个实施例，穿通二极管与雪崩二极管串联，雪崩二极管具有的击穿电压至少十倍低于穿通二极管的穿通电压。
根据一个实施例，保护设备具有范围在50至1000伏的击穿电压。
根据一个实施例，控制电路包括过压检测器并且能够在已经检测到过压一段时间之后使得开关接通确定的时间段，并且随后能够在确定的时间之后断开开关。
根据一个实施例，控制电路包括对于二极管两端的电压检测的检测器，并且当跨二极管的电压在给定范围内时能够接通开关，并且在确定时间之后断开开关，给定范围对应于当所述二极管短路时跨二极管的电压的值。
结合附图在以下具体实施例的非限定性说明中将详细讨论前述和其他特征和优点。
附图说明
如前所述，图1示出了雪崩二极管类型的保护设备的电流-电压特性；
如前所述，图2示出了穿通类型的保护设备的电流-电压特性；
如前所述，图3示出了连接至DC电源线的穿通类型的保护二极管；
如前所述，图4A示出了处于短路的图3的组件的等效示意图；
如前所述，图4B示出了在图4A的情形下穿通设备的特性；
图5示出了保护设备的第一实施例；
图5A示出了第一实施例的实施方式；
图5B示出了第一实施例的另一实施方式；
图6示出了保护设备的第二实施例；以及
图7示出了用于控制图5和图6中类型的保护设备的电路的示例。
具体实施方式
图5示出了保护设备的第一实施例。该保护设备在两个端子A和B之间包括并联的如下组件：
－穿通类型保护二极管D，
－开关SW，以及
－用于控制开关SW的电路(CONTROL)。
如下操作图5的保护设备。
在理想状态下，开关SW断开。跨DC电源线连接端子A和B，从而例如如图3的二极管D那样连接保护设备。只要端子AB之间的电压保持低于穿通二极管D的击穿电压，保护设备就是非接通的。当出现过压时，保护二极管变得接通，这导致图4A的配置，也即连接在端子AB之间的电源线短路。一旦过压已经过去，二极管D传导了短路电流IDC，诸如参照图4A所限定。此时，开关SW接通，从而端子A和B之间的电流由开关SW分流。如果开关SW的接通状态电阻Ron足够低，则端子AB之间的电压变得低于参照图4B所限定的电压Vh。
可以使用多种类型控制电路(CONTROL)以控制对开关SW的接通和断开。这些控制电路可以包括处理器或其他定时器。
根据图5A所示的实施例，控制电路CONTROL由控制电路20A实现，其包括配置用于检测端子A处过压的过压检测器22。控制电路20A在过压检测器22检测到过压一段时间之后自动地使得开关SW接通确定的时间段，并且随后在时间段的结束处断开开关SW。
根据图5B所示的实施例，控制电路CONTROL由控制电路20B实现，其包括用于检测跨二极管D的电压的电压检测器24。只要该电压低于VBR并且高于VD，则控制电路20B将保持无效。随后，在第一电压降之后，控制电路将确定跨二极管D的电压是否在给定范围内，对应于值VDC(RD/(Ri+RD))。控制电路随后确定开关SW的接通和断开。
图5、图5A、图5B的电路的操作是基于如下事实：当开关SW处于接通状态时，跨开关SW的电压大大降低至变得低于之前限定的值Vh。这意味着开关SW的接通状态电阻Ron必需远低于当设备短路时二极管D的表观电阻RD。应该理解，这建议使用具有非常低Ron的开关，这与使用例如小型MOS晶体管的低成本开关的期望并非总是相兼容。如果条件Ron×ISC<Vh太难以实现，可以提供诸如图6中所示的备选实施例。
图6的变形例包括与图5的实施例相同的元件，但是进一步包括击穿电压Vbr的雪崩二极管d，从而与穿通二极管D的击穿电压VBR相比具有较低的击穿电压Vbr。例如，Vbr低于VBR/10。穿通二极管D和雪崩二极管d的串联组装的操作将稍微不同于来自单个二极管D的操作的过压吸收。此时，当过压已经过去并且线路短路时，条件Ron×ISC<Vh+Vbr将满足，这使得能够使用比在图5的组件的情形中具有更高Ron的开关。
图7示出了控制电路CONTROL的实施例。第一比较器COMP1将二极管D的阳极上的电压与接地作比较并且当电压为正时输送逻辑1。第二比较器COMP2将二极管阳极上的电压与基本上对应于短路的二极管两端的电压的阈值电压VD作比较，并且当二极管上电压变得低于稍大于该短路电压的值时输送逻辑1。两个比较器的输出发送至AND门，AND门输出经由缓冲放大器AMP控制了开关SW。放大器AMP例如由串联的反相器链形成。
因此，当第一比较器COMP1已经验证了跨保护二极管D的电压为正时以及当该电压变得接近预定值VD时，开关SW接通短的时间。应该注意，比较器COMP2在紧随过压到达的短的时间期间并未启动，在该时间期间在过压的吸收期间在增大之前电压短暂地降低低于VD。这导致了这样的事实：比较器不够快速以检测该短暂转变，或者由与分流了快速转变的电容器并联的参考二极管而递送接近于VD的参考电压。
因此，参照图5和图6所述类型的保护设备具有穿通保护设备的优点，这是它们能够使用具有相对小的表面积(例如50mm2)的穿通二极管，而同时如前所述对于大于从基本上50至1000伏的保护电压而言，保护雪崩二极管应该具有基本上范围从1至10cm2的表面积。例如MOS晶体管的开关设备SW以及控制电路的组件可以例如具有基本上范围仅在10和15mm2之间的表面积。因此，保护设备的总表面积小于65mm2，并且可以实现由具有范围从1至10cm2表面积的雪崩二极管部件所确保的功能。设备例如包括两个芯片，一个对应于保护二极管，另一个对应于开关及其控制电路。这两个芯片可以组装在单个支撑上并且形成简单偶极子。
已经描述了具体实施例。各种改变、修改和改进对于本领域技术人员是易于想到的。例如，在此仅已经描述了单向保护二极管。自然，也可以提供双向保护二极管(具有图1和图2所示的特性，尽管它们并未描述)。
此外，仅已经描述了与偏置至DC电压的线路所关联的保护部件的用途。该部件也可以用于其中线路是例如50或60Hz的AC电源线的情形。实际上，如果过压发生在半波的开始处，其可以期望保护二极管在过压发生之后快速停止接通，而不等待半波的结束，在50Hz的电源的情形中半波的持续时间是10ms。
这些改变、修改和改进意在作为本公开的一部分，并且意在落入本公开的精神和范围内。因此，前述说明书仅是作为示例并且并非意在限定。
如上所述的各个实施例可以组合以提供其他实施例。在以上详述说明书的教导下可以对实施例做出这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应构造为将权利要求限定至说明书和权利要求书中所述的具体实施例，而是应该构造为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所赋予的等价方式的所有范围。因此，权利要求不由公开所限定。

Claims (20)

1.一种过压保护设备，能够保护电源线，所述过压保护设备包括：
二极管部件，包括穿通二极管，所述穿通二极管被连接在所述电源线的第一端子和第二端子之间，所述二极管部件被配置成响应于跨所述第一端子和所述第二端子的电压超过所述穿通二极管的穿通电压，来导通穿过所述穿通二极管的短路电流，
电子开关，与所述二极管部件并联电连接在所述第一端子和所述第二端子之间，以及
控制电路，被耦合至所述穿通二极管，并且被配置成控制所述开关，其中所述控制电路包括：
第一比较器，被配置成将所述二极管部件的阳极上的电压与参考电压作比较；
第二比较器，被配置成将所述阳极上的电压与基本上对应于当所述二极管部件导通时跨所述二极管部件的电压的阈值进行比较；
AND门，具有分别耦合至所述第一比较器和所述第二比较器的输出的第一输入和第二输入；以及
缓冲放大器，耦合在所述AND门的输出与所述开关的控制端子之间。
2.根据权利要求1所述的过压保护设备，其中，所述二极管部件包括雪崩二极管，所述雪崩二极管与所述穿通二极管串联，并且具有比所述穿通二极管的穿通电压低至少十倍的击穿电压。
3.一种过压保护设备，能够保护电源线，所述过压保护设备包括：
二极管部件，包括穿通二极管，所述穿通二极管被连接在所述电源线的第一端子和第二端子之间，所述二极管部件被配置成响应于跨所述第一端子和所述第二端子的电压超过所述穿通二极管的穿通电压而导通；
晶体管，与所述二极管部件并联；以及
控制电路，被耦合至所述穿通二极管，并且被配置成在跨所述第一端子和所述第二端子不再有过压之后关断所述晶体管，其中所述晶体管被配置成响应于所述关断而使得所述穿通二极管不导通。
4.根据权利要求3所述的过压保护设备，其中，所述二极管部件包括雪崩二极管，所述雪崩二极管与所述穿通二极管串联，并且具有比所述穿通二极管的穿通电压低至少十倍的击穿电压。
5.根据权利要求3所述的过压保护设备，其中，所述晶体管为MOS晶体管。
6.根据权利要求3所述的过压保护设备，其中，所述控制电路包括被配置成检测过压的过压检测器，并且所述控制电路被配置成响应于所述过压检测器检测到所述过压而将所述晶体管接通一时间段，并且在所述时间段逝去时断开所述晶体管。
7.根据权利要求3所述的过压保护设备，其中，所述控制电路包括被配置成检测跨所述二极管部件的电压的电压检测器，并且所述控制电路被配置成响应于所述电压检测器检测到跨所述二极管部件的电压在给定范围内而接通所述晶体管，并且在预定时间后断开所述晶体管，所述给定范围对应于当所述二极管部件被短路时跨所述二极管部件的电压的值。
8.根据权利要求3所述的过压保护设备，其中，所述控制电路包括：
第一比较器，被配置成将所述二极管部件的阳极上的电压与参考电压作比较；
第二比较器，被配置成将所述阳极上的电压与基本上对应于当所述二极管部件被短路时跨所述二极管部件的电压的阈值进行比较；
AND门，具有分别耦合至所述第一比较器和所述第二比较器的输出的第一输入和第二输入；以及
缓冲放大器，耦合在所述AND门的输出与所述晶体管的控制端子之间。
9.一种电子装置，包括：
电源线；以及
过压保护设备，被配置成保护所述电源线，所述过压保护设备包括：
二极管部件，包括穿通二极管，所述穿通二极管耦合到所述电源线，并且被连接在所述电源线的第一端子和第二端子之间，所述二极管部件被配置成响应于跨所述第一端子和所述第二端子的过压超过所述穿通二极管的穿通电压而导通，
晶体管，与所述二极管部件并联，以及
控制电路，耦合至所述穿通二极管，并且被配置成在跨所述第一端子和所述第二端子不再有所述过压后关断所述晶体管，其中所述晶体管被配置成响应于所述晶体管被关断而使得所述穿通二极管不导通。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述二极管部件包括雪崩二极管，所述雪崩二极管与所述穿通二极管串联，并且具有比所述穿通二极管的穿通电压低至少十倍的击穿电压。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述晶体管为MOS晶体管。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述控制电路包括被配置成检测过压的过压检测器，并且所述控制电路被配置成响应于所述过压检测器检测到所述过压而将所述晶体管接通一时间段，并且当所述时间段逝去时断开所述晶体管。
13.根据权利要求9所述的装置，其中所述控制电路包括被配置成检测跨所述二极管部件的电压的电压检测器，并且所述控制电路被配置成响应于所述电压检测器检测到跨所述二极管部件的电压在给定范围内而接通所述晶体管，以及在预定时间之后断开所述晶体管，所述给定范围对应于当所述二极管部件被短路时跨所述二极管部件的电压的值。
14.根据权利要求9所述的装置，其中，所述控制电路包括：
第一比较器，被配置成将所述二极管部件的阳极上的电压与参考电压进行比较；
第二比较器，被配置成将所述阳极上的电压与基本上对应于当所述二极管部件被短路时跨所述二极管部件的电压的阈值进行比较；
AND门，具有分别耦合至所述第一比较器和所述第二比较器的输出的第一输入和第二输入；以及
缓冲放大器，耦合在所述AND门的输出与所述晶体管的控制端子之间。
15.一种电子装置，包括：
电子部件，被配置成耦合至电源线；以及
过压保护设备，被配置成保护所述电子部件以免于来自所述电源线的过压的损害，所述过压保护设备包括：
二极管部件，包括穿通二极管，所述穿通二极管被连接在所述电源线的第一端子和第二端子之间，所述二极管部件被配置成响应于跨所述第一端子和所述第二端子的过压超过所述穿通二极管的穿通电压而导通，
晶体管，与所述二极管部件并联，以及
控制电路，耦合至所述穿通二极管，并且被配置成在跨所述第一端子和所述第二端子不再有所述过压后关断所述晶体管，其中所述晶体管被配置成响应于所述晶体管被关断而使得所述穿通二极管不导通。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述二极管部件包括雪崩二极管，所述雪崩二极管与所述穿通二极管串联，并且具有比所述穿通二极管的穿通电压低至少十倍的击穿电压。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述晶体管为MOS晶体管。
18.根据权利要求15所述的装置，其中，所述控制电路包括被配置成检测过压的过压检测器，并且所述控制电路被配置成响应于所述过压检测器检测到过压而将所述晶体管接通一时间段，并且当所述时间段逝去时断开所述晶体管。
19.根据权利要求15所述的装置，其中，所述控制电路包括被配置成检测跨所述二极管部件的电压的电压检测器，并且所述控制电路被配置成响应于所述电压检测器检测到跨所述二极管部件的电压在给定范围内而接通所述晶体管，并且在预定时间之后断开所述晶体管，所述给定范围对应于当所述二极管部件被短路时跨所述二极管部件的电压的值。
20.根据权利要求15所述的装置，其中，所述控制电路包括：
第一比较器，被配置成将所述二极管部件的阳极上的电压与参考电压进行比较；
第二比较器，被配置成将所述阳极上的电压与基本上对应于当所述二极管部件被短路时跨所述二极管部件的电压的阈值进行比较；
AND门，具有分别耦合至所述第一比较器和所述第二比较器的输出的第一输入和第二输入；以及
缓冲放大器，耦合在所述AND门的输出与所述晶体管的控制端子之间。
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