CN110445359A - 一种单相主动灭弧式短路保护装置的功率电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单向主动灭弧式短路保护装置的功率电路，涉及断路器技术领域，在IGBT电路关断时，由于输入电网端Lin与输出负载端Lout之间由于短路产生的寄生电感及输出负载端Lout的感性负载的原因，IGBT电路两端没有泄流回路，导致IGBT电路两端的电压持续升高，直到把IGBT电路过压击穿，导致电路损坏，其技术方案要点是包括功率模块：功率模块，电连接于输入电网端Lin与输出负载端Lout的之间，且用于控制输入电网端Lin与输出负载端Lout的之间电网通断的IGBT电路；所述IGBT电路上设有电压瞬态抑制管。达到了防止IGBT电路因寄生电感而过压击穿的技术效果。

Description

一种单相主动灭弧式短路保护装置的功率电路

技术领域

本发明涉及断路器技术领域，更具体地说，它涉及一种单相主动灭弧式短路保护装置的功率电路。

背景技术

断路器在配电系统中不但可以接通和分断正常负荷电流，还可以断开短路故障电流，能够及时有效的切除短路故障，保障电力系统安全稳定运行。

传统的断路器在短路时由机械开关自动跳闸将电源供电系统断开，由于其内部机械开关的固有特性，其切断电源供电系统的时间较长，通常在几十毫秒至数百毫秒之间，因短路处接触电阻小，易导致供电回路的电流急剧增大、供电回路导体的温度急剧上升、短路点产生很强的危险电弧火花，其产生的高温和电弧极易引起火灾或触电等安全事故。

目前有主动灭弧式短路保护装置采用的电流传感器采集电路中的电流，然后把数据提供给数字控制器，通过运算判断是否短路的方法来实现，但这种方案弊端是电流传感器存在转换时间，程序运行需要时间，从短路到切断供电需要几十甚至上百微秒的时间。

正常工作情况下，电流由Lin流出经过单向主动灭弧式短路保护装置和负载流回电网。

如果在正半周时，在输入电网端Lout与输出负载端Nout之间由于短路出现长线路配电系统中的寄生电感，会使电感中的电流能量没有泄放回路，将以电压的形式加到单向主动灭弧式短路保护装置的两端，IGBT电路两端的电压将持续升高，直到把IGBT电路过电压击穿后，能量回馈到电网，故而如何防止IGBT电路击穿是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种主动灭弧式短路保护装置的功率电路，具有防止IGBT电路因寄生电感而过压击穿的目的。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种单向主动灭弧式短路保护装置的功率电路，包括功率模块，电连接于输入电网端Lin与输出负载端Lout的之间，且用于控制输入电网端Lin与输出负载端Lout之间电网通断的IGBT电路；所述IGBT电路包括第八二极管、第二绝缘栅双极型晶体管、第九二极管、第四绝缘栅双极型晶体管、第十二双向TVS管和第十一双向TVS管；所述第八二极管的负极与输入电网端Lin相连且正极接地；所述第九二极管的负极与输出负载端Lout相连且正极接地；所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极与第八二极管的负极耦接，其发射极接地；所述第四绝缘栅双极型晶体管的集电极与第九二极管的负极耦接，其发射极接地；所述IGBT电路上设有电压瞬态抑制管；所述电压瞬态抑制管包括第七双向TVS管，所述第七双向TVS管的一端与输入电网端Lin电连接，另一端与输出负载端Lout相连。

通过采用上述方案，在正常工作时，电流由输入电网端Lin发出经过第二绝缘栅双极型晶体管、第九二极管和负载流回电网，在电流反向时，电流经过负载、第四绝缘栅双极型晶体管和第八二极管流回电网，结构简单精巧。

通过在IGBT电路两端并联电压瞬态抑制管，用于IGBT电路在关断时，为感性负载提供泄流回路，钳位IGBT电路两端的电压，防止其过压击穿；电压瞬态抑制管也是带感性负载时，关断时，提供泄流回路，保护IGBT电路不会过压击穿，提高可靠性。

较佳的，所述电压瞬态抑制管还包括与第七双向TVS管串联耦接的第四双向TVS管和与第四双向TVS管串联耦接的第十双向TVS管，所述第十双向二极管的另一端与输出负载端Lout电连接。

通过采用上述方案，通过三个双向TVS管串联，增加了三个双向TVS管的反向承受值。

较佳的，所述IGBT电路上设有第一快恢复电路，所述第一快恢复电路包括第三快恢复二极管和与第三快恢复二极管串联的第五二极管，所述第三快恢复二极管的负极与输入电网端Lin电连接，所述第五二极管的负极与第二绝缘栅双极型晶体管的门极耦接。

通过采用上述方案，通过加在IGBT电路两端的电压由正向变反向时，响应时间一般很短，而相反的由反向变正向时，其时间相对较长。通过在IGBT电路上串联第一快恢复电路，由于快恢复二极管的基区很薄，反向恢复电荷很小，所述快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压较高，第五二极管能够防止控制IGBT电路的电路中的电流进入到第一快恢复电路内。

较佳的，所述第一快恢复电路还包括正极与第三快恢复二极管的负极耦接的第二快恢复二极管和负极与第二快恢复二极管的正极耦接的第一快恢复二极管，所述第一快恢复二极管的正极与第五二极管的正极耦接。

通过采用上述方案，通过串联三个快恢复二极管，增大了快恢复二极管的反向承受值，保证反向电压恢复时间的同时确保电路的安全性能。

较佳的，所述IGBT电路上还设有第二快恢复电路，所述第二快恢复电路的一端靠近输出负载端Lout，其另一端与第四绝缘栅双极型晶体管耦接，所述第二快恢复电路包括负极与输出负载端Lout耦接的第十六快恢复二极管、负极与第十六快恢复二极管的正极耦接的第十五快恢复二极管、负极与第十五快恢复二极管耦接的第十四快恢复二极管和正极与第十四快恢复二极管耦接的第十八二极管，所述第十八二极管的负极与第四绝缘栅双极型晶体管的门极耦接。

通过采用上述方案，通过在输入电网端Lin与输出负载端Lout分别串联第一快恢复电路和第二快恢复电路，在输入交流电时能够分别对输入电网端Lin和输出负载端Lout进行反向电压的快速恢复。

较佳的，第二绝缘栅双极型晶体管的门极耦接有第十二双向TVS管，所述第十二双向TVS管的另一端接地设置，所述第四绝缘栅双极型晶体管的门极耦接有第十一双向TVS管，所述第十一双向TVS管的另一端接地设置。

通过采用上述方案，第十二双向TVS管和第十一双向TVS管配合电压瞬态抑制管分别对第二绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管起到双重保护作用，第二绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管两端因为IGBT电路关断而产生的电压进一步的分流。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过设置电压瞬态抑制管来为IGBT电路因关断产生的电压泄流，防止IGBT电路过压击穿；

2.本发明IGBT电路通过设置快恢复二极管来保证IGBT电路两端的电压反向快速恢复；

3.本发明通过在输入电网端Lin与输出负载端Lout分别设置快恢复电路来保证输入交流电时输入电网端Lin与输出负载端Lout均能够进行反向的快速恢复。

附图说明

图1是实施例中整体结构的电路图。

图中，1、IGBT电路；D8、第八二极管；D9、第九二极管；Q2、第二绝缘栅双极型晶体管；Q4、第四绝缘栅双极型晶体管；D11、第十一双向TVS管；D12、第十二双向TVS管；2、电压瞬态抑制管；D4、第四双向TVS管；D7、第七双向TVS管；D10、第十双向TVS管；3、第一快恢复电路；D1、第一快恢复二极管；D2、第二快恢复二极管；D3、第三快回复二极管；D5、第五二极管；4、第二快恢复电路；D14、第十四快恢复二极管；D15、第十五快恢复二极管；D16、第十六快恢复二极管；D18、第十八二极管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例：一种单向主动灭弧式短路保护装置的功率电路，包括IGBT电路1、电压瞬态抑制管2、第一快恢复电路3和第二快恢复电路4，电压瞬态抑制管2与IGBT电路1并联。

IGBT电路1包括第八二极管D8、第九二极管D9、第二绝缘栅双极型晶体管Q2、第四绝缘栅双极型晶体管Q4、第十二双向TVS管D12和第十一双向TVS管D11。第八二极管D8的负极与输入电网端Lin耦接，其正极接地，第九二极管D9的负极与输出负载端Lout耦接，其正极接地。第八二极管D8与第九二极管D9相互串联。

第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第四绝缘栅双极型晶体管Q4分别与第八二极管D8和第九二极管D9相互并联，第二绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极与输入电网端Lin耦接，其发射极接地，第四绝缘栅双极型晶体管Q4的集电极与输出负载端Lout耦接，其发射极接地。

第十二双向TVS管D12和第十一双向TVS管D11分别与第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第四绝缘栅双极型晶体管Q4相互并联，第十二双向TVS管D12的一端与第二绝缘栅双极型晶体管Q2电连接，其另一端接地，第十一双向TVS管D11的一端与第二绝缘栅双极型晶体管Q2耦接，其另一端接地。

当电路正常工作时，电流从输入电网端Lin发出，此时第二绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极与门极之间为正向电压，故而导通；第四绝缘栅双极型晶体管Q4的集电极与门极之间为反向电压，故而关断。这样电流流经第二绝缘栅双极型晶体管Q2，而后通过第九二极管D9从输出负载端Lout流出，最后流到负载，然后流回电网，当电流反向通入时，电流先从负载流入，然后通过输出负载端Lout，此时第四绝缘栅双极型晶体管Q4的集电极与门极之间为正向电压，故而导通；第二绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极与门极之间为反向电压，故而关断。这样电流经过第四绝缘栅双极型晶体管Q4流入到第八二极管D8，最后从输入电网端Lin流出并返回电网。如果IGBT电路1关断时，电压会持续积累在第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第四绝缘栅双极型晶体管Q4两端，与此同时第十二双向TVS管D12和第十一双向TVS管D11能够起到一定保护的作用，防止第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第四绝缘栅双极型晶体管Q4过压击穿。

电压瞬态抑制管2包括第七双向TVS管D7、第四双向TVS管D4和第十双向TVS管D10。第七双向TVS管D7的一端与输入电网端Lin耦接，另一端与第四双向TVS管D4的一端耦接，第四双向TVS管D4的另一端与第十双向TVS管D10的一端耦接，第十双向TVS管D10的另一端与输出负载端Lout耦接。

而当双向TVS管承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降低到一个很低的导通值，并能够允许大电流通过，这样在IGBT电路1关断时，第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第四绝缘栅双极型晶体管Q4之间会突然受到一个瞬变的电压值，如果电压很大，那么第七双向TVS管D7、第四双向TVS管D4和第十双向TVS管D10就会阻抗立即降低，并使大电流通过，这样第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第四绝缘栅双极型晶体管Q4之间就不会因为两者之间的电压过大而导致击穿，致使功率电路损坏。并且第七双向TVS管D7、第四双向TVS管D4和第十双向TVS管D10串联时，三者的反向承受值增大。

并且相比于有相似作用的压敏电阻，双向TVS管的反向导通时间要远远快于压敏电阻，并且其反向的漏电流要小很多，允许的工作温度也要更高。

第一快恢复电路3包括第三快恢复二极管D3、第二快恢复二极管D2、第一快恢复二极管D1和第五二极管D5。第三快恢复二极管D3的负极与输入电网端Lin耦接，其正极与第二快恢复二极管D2的负极耦接，第二快恢复二极管D2的正极与快恢复二极管的D1的负极耦接，第一快恢复二极管D1的正极与第五二极管D5的正极耦接，第五二极管D5的负极与第二绝缘栅双极型晶体管Q2的门极耦接。

这样如果加在IGBT电路1两端的电压由正向变为反向时，响应时间一般很短，但是如果是由反向变为正向，其时间相对较长，而通过在IGBT电路1上串联第一快恢复电路3，由于快恢复二极管的基区很薄，反向恢复电荷很小，故而快恢复二极管的反向恢复时间较短。并且在整体压降较低时，快恢复二极管的反向击穿电压较高，保证了IGBT电路1在稳定时能够正常运行。第三快恢复二极管D3、第二快恢复二极管D2和第一快恢复二极管D1三者相互串联，增大了三者的反向承受值。

第二快恢复电路4的两端分别与输出负载端Lout和第四绝缘栅双极型晶体管Q4耦接，第二快恢复电路4包括第十六快恢复二极管D16、第十五快恢复二极管D15、第十四快恢复二极管D14和第十八二极管D18。第十六快恢复二极管D16的负极与输出负载端Lout电连接，第十五快恢复二极管D15的负极与第十六快恢复二极管D16的正极耦接，第十四快恢复二极管D14的负极与第十五快恢复二极管D15的正极耦接，第十八二极管D18的正极与第十四快恢复二极管D14的正极耦接，第十八二极管D18的负极与第四绝缘栅双极型晶体管Q4的门极耦接。通过分别在输入电网端Lin和输出负载端Lout上分别串联第一快恢复电路3和第二快恢复电路4，保证在输入电网端Lin和输出负载端Lout上通入交流电时仍能够保证两者的反向快速恢复。

第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第四绝缘栅双极型晶体管Q4的发射极分别连接输出端DESAT-U和输出端DESAT-D。并且输出端DESAT-U和输出端DESAT-D上分别设有第六二极管D6和第十三二极管D13。第六二极管D6的负极与第二绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极耦接，第六二极管D6的正极与输出端DESAT-U耦接，第十三二极管D13的负极与第四绝缘栅双极型晶体管Q4的集电极耦接，第十三二极管D13的正极与输出端DESAT-D耦接，第六二极管D6和第十三二极管D13能够对IGBT电路两端的电压值进行采样，以能够将该电压值传输到控制该IGBT电路关断的电路中。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种单向主动灭弧式短路保护装置的功率电路，其特征在于，包括：

功率模块，电连接于输入电网端Lin与输出负载端Lout的之间，且用于控制输入电网端Lin与输出负载端Lout之间电网通断的IGBT电路(1)；

所述IGBT电路(1)包括第八二极管(D8)、第二绝缘栅双极型晶体管(Q2)、第九二极管(D9)、第四绝缘栅双极型晶体管(Q4)、第十二双向TVS管(D12)和第十一双向TVS管(D11)；

所述第八二极管(D8)的负极与输入电网端Lin相连且正极接地；

所述第九二极管(D9)的负极与输出负载端Lout相连且正极接地；

所述第二绝缘栅双极型晶体管(Q2)的集电极与第八二极管(D8)的负极耦接，其发射极接地；

所述第四绝缘栅双极型晶体管(Q4)的集电极与第九二极管(D9)的负极耦接，其发射极接地；

所述IGBT电路(1)上设有电压瞬态抑制管(2)；

所述电压瞬态抑制管(2)包括第七双向TVS管(D7)，所述第七双向TVS管(D7)的一端与输入电网端Lin电连接，另一端与输出负载端Lout相连。

2.根据权利要求1所述的单向主动灭弧式短路保护装置的功率电路，其特征在于：所述电压瞬态抑制管(2)还包括与第七双向TVS管(D7)串联耦接的第四双向TVS管(D4)和与第四双向TVS管(D4)串联耦接的第十双向TVS管(D10)，所述第十双向二极管(D10)的另一端与输出负载端Lout电连接。

3.根据权利要求1所述的单向主动灭弧式短路保护装置的功率电路，其特征在于：所述IGBT电路(1)上设有第一快恢复电路(3)，所述第一快恢复电路(3)包括第三快恢复二极管(D3)和与第三快恢复二极管(D3)串联的第五二极管(D5)，所述第三快恢复二极管(D3)的负极与输入电网端Lin电连接，所述第五二极管(D5)的负极与第二绝缘栅双极型晶体管(Q2)的门极耦接。

4.根据权利要求3所述的单向主动灭弧式短路保护装置的功率电路，其特征在于：所述第一快恢复电路(3)还包括正极与第三快恢复二极管(D3)的负极耦接的第二快恢复二极管(D2)和负极与第二快恢复二极管(D2)的正极耦接的第一快恢复二极管(D1)，所述第一快恢复二极管(D1)的正极与第五二极管(D5)的正极耦接。

5.根据权利要求4所述的单向主动灭弧式短路保护装置的功率电路，其特征在于：所述IGBT电路(1)上还设有第二快恢复电路(4)，所述第二快恢复电路(4)的一端靠近输出负载端Lout，其另一端与第四绝缘栅双极型晶体管(Q4)耦接，所述第二快恢复电路(4)包括负极与输出负载端Lout耦接的第十六快恢复二极管(D16)、负极与第十六快恢复二极管(D16)的正极耦接的第十五快恢复二极管(D15)、负极与第十五快恢复二极管(D15)耦接的第十四快恢复二极管(D14)和正极与第十四快恢复二极管(D14)耦接的第十八二极管(D18)，所述第十八二极管(D18)的负极与第四绝缘栅双极型晶体管(Q4)的门极耦接。

6.根据权利要求1所述的单向主动灭弧式短路保护装置的功率电路，其特征在于：第二绝缘栅双极型晶体管(Q2)的门极耦接有第十二双向TVS管(D12)，所述第十二双向TVS管(D12)的另一端接地设置，所述第四绝缘栅双极型晶体管(Q4)的门极耦接有第十一双向TVS管(D11)，所述第十一双向TVS管(D11)的另一端接地设置。