CN111033991B - 用于衰减振荡的电路、系统以及方法 - Google Patents

用于衰减振荡的电路、系统以及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电路，所述电路包括直流变压器和位于直流变压器上游的输入回路，所述输入回路具有用于连接到电压源上的第一接头和第二接头并且具有用于连接到直流变压器上的第三接头和第四接头。输入回路在第一接头和第三接头之间具有半导体元件，其中半导体元件的第一结构元件接头至少通过第一电容和第二电容连接到半导体元件的第二结构元件接头上，其中通过在第一结构元件接头和第二结构元件接头之间的电压能够控制半导体元件的电阻。

Description

用于衰减振荡的电路、系统以及方法
技术领域
本发明涉及在浪涌电压稳健性检测期间用于在直流变压器的输入回路中衰减/避免由电源电压感应的振荡的电路和方法。
背景技术
DIN EN 61000-4-5要求检测和验证电的仪器针对来自供电网的浪涌电压(冲击)的稳健性。对此在图1中展示出用于浪涌电压检测的示例性的检测结构(根据现有技术)的电路图。产生的浪涌电压幅值典型地位于0.5KV和6KV之间。
应用于检测的浪涌发生器具有内部的去耦电感，所述去耦电感用于保护检测机构并且确保，使浪涌电压能源集中到试件(DUT，“处于测试下的设备”)的方向。与负差分的输入电阻和直流变压器的输入电容结合，借此能够激励振荡，所述振荡使检测变困难或在检测期间损害试件。
发明内容
对此，本发明丰富了现有技术，因为根据本发明的电路包含输入回路，所述输入回路在检测时充分地衰减振荡，这通过在出现电压波动时使布置在输入回路中的半导体元件的电阻暂时地提高实现。
通过在起振阶段期间暂时地提高MOSFET的接触电阻，使得衰减振荡回路(由浪涌发生器的去耦电感、输入电容和直流变压器的负的输入电阻组成)，来例如能够应用反极性保护金属样化物半导体场效应晶体管(反极性保护MOSFET)的与电压相关的夹断特性。此外衰减的尺度可以通过使电阻和电容添加到被希望的振幅上和添加到被希望的频率上来调节。
因此不显著改变测试构造和不进行干扰或改变产品并且尤其是不必须忍受鉴于运行条件的局限性而根据DIN EN61000-4-5的检测是可行的。
根据本发明的电路包含直流变压器和位于直流变压器上游的输入回路，所述输入回路具有用于连接到电压源上的第一接头和第二接头并且具有用于连接到直流变压器上的第三接头和第四接头。
输入回路在第一和第三接头之间具有半导体元件，其中半导体元件的第一结构元件接头至少通过第一电容和第二电容连接到半导体元件的第二结构元件接头上并且通过在第一结构元件接头和第二结构元件接头之间的电压能够控制半导体元件的电阻。
在此，在说明书中和权利要求书中使用的概念“半导体元件”尤其要理解为电子的结构元件，所述结构元件至少部分地由半导体材料制造。此外在说明书中和权利要求书中使用的概念“直流变压器”尤其要理解为电路，所述电路将输入的直流电压转换为具有高的、低的或倒置的电压电平的直流电压。
半导体元件优选地构造为场效应晶体管、即FET，并且优选地构造为反极性保护半导体开关。
在此，在说明书中和权利要求书中使用的概念“反极性保护半导体开关”尤其要理解为半导体元件，所述半导体元件在使错误的极性的电的电压施加到电路上时中断电路。
FET的栅极接头优选地连接到第一电容的第一结构元件接头上并且通过与第一电容并联的分压器电路的电阻与FET的源极接头连接，第一电容的第二结构元件接头和第二电容的第二结构元件接头连接在第二接头上并且FET的源极接头连接到第二电容的第一结构元件接头上。
FET优选地构造为金属氧化物半导体场效应晶体管，即MOSFET。
第一接头优选地连接在浪涌电压发生器的第一极上并且第二接头连接在浪涌电压发生器的第二极上，所述浪涌电压发生器具有去耦电感。
第一和第二电容优选地构造成使得通过将电压施加到直流变压器上而产生的振荡在包含去耦电感的振荡回路中通过与电压波动相关地提高半导体元件的电阻来衰减，其中所述衰减设计成，避免直流变压器的欠压关断和/或在输入保护二极管上的过载。
用于检测电路针对浪涌电压的稳健性的根据本发明的方法包括将电压加载到电路的输入回路上，其中输入回路具有半导体元件，和衰减通过在输入回路中加载电压而产生的振荡，所述振荡在输入回路中导致电压波动，其中衰减包括受电压波动控制地提高半导体元件的电阻。
半导体元件优选地构造为场效应晶体管、即FET，并且尤其优选地构造为反极性保护半导体开关。
受电压波动控制地提高电阻优选地包括电压波动相关地降低施加在FET上的栅极源极电压，所述降低施加在FET上的栅极源极电压导致时间上减慢栅极电位的下降。
FET的漏极接头优选地连接到电压源的第一极上并且FET的栅极接头通过电容与电压源的第二极连接，其中通过经由电阻给电容充电/放电导致时间上减慢栅极电位的下降。
附图说明
接下来在详细的说明书中根据实施例解释本发明，其中参照附图，在所述附图中：
图1示出用于浪涌电压检测的示例性的检测结构(根据现有技术)的电路图；
图2示出具有反极性保护和具有用于与导线连接的干扰发送(根据现有技术)的滤波器的位于直流变压器上游的输入回路的电路图；
图3示出在浪涌电压检测期间在图2的输入回路中出现的振荡；
图4示出用于衰减/避免振荡的位于直流变压器上游的输入回路；
图5示出在稳健性测试期间在图4的输入回路中和在位于输入回路下游的直流变压器的输出端上出现的电压；
图6示出与在图4中示出的输入回路比较经改变的输入回路；
图7示出用于稳健性检测电路的方法的流程图，所述电路具有直流变压器。
在此，相同的或功能上相似的元件在附图中通过相同的参照标记来标注。
具体实施方式
图2示意地示出直流变压器(未示出)的输入回路12的可行的构造方案。输入回路12包括用于连接到电压源(例如24V)上的第一接头14和第二接头16。此外输入回路12包括用于连接到直流变压器上的第三接头18和第四接头20。第一接头14通过半导体元件22的漏极接头22b和源极接头22a(FET或反极性保护MOSFET)与第三接头18连接。
如同在图2中示出的，栅极接头22c通过分压器电路24连接到第一接头14和第二接头16上，从而使栅极电位(在准稳态的运行中)位于在第一接头14上的电位与第二接头16上的电位之间(并且因此位于源极电位与接地电位之间)。如果在第一接头14与第二接头16之间的电压差足够的高，那么在源极接头22a与漏极接头22b之间的信道是传导的。反之，在第一接头14与第二接头16的错误的极中，禁止电流通过信道和二极管26。此外为限制输入电压在第一接头14与第二接头16之间布置有输入保护二极管电路，所述输入保护二极管电路例如如同在图2中示出的，能够包括两个非串行连接的齐纳二极管。
图3示出在执行浪涌电压检测时与图2中示出的输入回路12与连接到输入回路12上的直流变压器(未示出)相适配的起动特性。在接入供电的检测电压28(输入回路10的输入电压)之后，直流变压器从18V的输入电压30开始将输出电压32从0V有节奏地升高到5V。
由于浪涌电压发生器10中的去耦电感、输入回路12中的电容和直流变压器的负的输入电阻，要观测输入电压30的起振。在振幅的负的半波中，输入电压30下降至12V以下并且因此下降至直流变压器的欠压关断波以下。由此直流变压器的输出电压32崩塌并且不能够继续检测。
在图4中示出用于衰减/避免这样的振荡的经改变的输入回路34。如同图2中示出的输入回路12，输入回路34具有用于连接到电压源上的第一接头14和第二接头16并且具有用于连接到直流变压器(未示出)上的第三接头18和第四接头20。
如同在图2中，第一接头14通过反极性保护MOSFET 22的漏极接头22b和源极接头22a与第三接头18连接。栅极接头22c同样通过分压器电路24连接到第一接头14和第二接头16上，从而使栅极电位42(在准稳态的运行中)位于在第一接头14上的电位与第二接头16上的电位之间(并且因此位于源极电位40与接地电位之间)。
然而与图2中示出的输入回路12比较，经改变的输入回路34被扩建了两个电容，即在栅极接头22c与第二接头16之间的第一电容36和在源极接头22a与第二接头16之间的第二电容38。如同在图4中示出的，反极性保护MOSFET 22的栅极接头22c因此通过第一电容36和第二电容38与反极性保护MOSFET 22的源极接头22a连接。由此通过电容36、38在源极接头22a与栅极接头22c之间创建了额外的“放电路径”。
如同图5中示出的，在振幅从正的半波到负的半波过渡时源极电位40下降。然而同样下降的栅极电位42被要放电的第一电容36支撑，借此栅极电位42与在图2中示出的输入回路12比较更缓慢地下降。
换言之，在分压器电路24的电阻R2上的电压降通过时间常数R1*C1减慢，借此加速在R1上的电压降。如果例如输入电压30在一微秒内下降了5V，那么在同样的时间内R2“看到”1.8V电压降。在R1上的电压降则计为：R1＝5V-1.8V＝3.2V。
如果源极栅极电压原始计为5V，那么所述源极栅极电压通过降低输入电压30只计为5V-3.2V＝1.8V。由此漏极源极路径变成显著更高电阻的。因此在振幅从正的半波到负的半波过渡时反极性保护MOSFET 22的源极栅极电压44如同在图5中示出的近似以与输入电压30相同的斜率下降。
借此降低源极栅极电压并且提高在源极接头22a与漏极接头22b之间的反极性保护MOSFET 22的接触电阻。通过提高反极性保护MOSFET 22的接触电阻减缓源极电位下降，由此源极栅极电压44再度稳定。
这导致，接触电阻再度降低并且源极电位重新下降。在图5中这种特性从输入电压30和源极栅极电压44的波浪形的部段识别出，所述部段示出，反极性保护MOSFET 22的夹断特性从何时开始(或结束)。
反极性保护MOSFET 22的接触电阻在所述区域中作为衰减电阻在LC振荡回路中起作用。在此，在图5中示出的例子中衰减足以使输入电压30的负的半波保持在20V之上。借此，直流变压器的输入电压30保持在计为12V的欠压关断波之上，并且直流变压器的输出电压32一直计为5V。
因此能够避免直流变压器的欠压关断并且继续检测。只要振荡再度转向到正的半波，则源极栅极电压44重新充电并且反极性保护MOSFET 22的接触电阻下降。因此衰减的强度通过适当地设计分压器电路24的电阻和电容36、38来调节到被希望的振荡频率和幅值上。
如同被希望地，在正常运行中(没有具有去耦电感的检测机构)不影响输入接线。
此外如同图6中示出的，要理解的是，反极性保护MOSFET 22除了在第一接头14与第三接头18之间布置之外也能够布置在第二接头16与第四接头20之间。此外要理解的是，除了反极性保护MOSFET 22之外也能够应用其他的半导体元件，所述半导体元件的接触电阻通过两个结构元件接头之间的电压是能够控制的，其中应用FET仅仅是根据本发明的教导的可行的构造方案。
图7示出用于检测电路针对浪涌电压的稳健性的方法的流程图。所述方法以步骤46开始，该步骤是将电压加载到电路的输入回路34上。如同在图5中示出的，加载电压例如包括将在第一接头14与第二接头16之间的电压从0V提高到预定的额定值(例如24V)。
所述方法以如下步骤48继续，即衰减通过在输入回路34中加载电压而产生的振荡，所述振荡在输入回路34中导致电压波动。如同与图3和图5关联实施的，所述衰减用于避免输入电压30下降到位于输入回路34下游的仪器的欠压关断波之下(仪器例如是直流变压器)以及避免达到输入保护二极管电压。
衰减尤其包括，当输入电压30下降时，布置在输入回路34中的半导体元件的接触电阻暂时地被提高，例如办法是：确保栅极源极电压的下降与在图2中示出的电路12相比被加速，从而使源极漏极路径在源极电位40下降时变为高欧姆的。
所述方法以如下步骤50结束，即通过将浪涌电压加载到输入回路34上执行浪涌电压稳健性检测。
附图标记列表
10 浪涌电压发生器
12 输入回路
14 接头
16 接头
18 接头
20 接头
22 半导体元件、FET、反极性保护MOSFET
24 分压器电路
26 二极管
28 输入回路的输入电压
30 输入回路的输出电压
32 直流变压器的输出电压
34 经改变的输入回路
36 电容
38 电容
40 源极电位
42 栅极电位
44 源极栅极电压
46 过程步骤
48 过程步骤
50过程步骤

Claims (6)

1.一种电路，所述电路包括：
直流变压器；和
位于所述直流变压器上游的输入回路（34），所述输入回路具有用于连接到电压源上的第一接头（14）和第二接头（16）并且具有用于连接到所述直流变压器上的第三接头（18）和第四接头（20）；
其中所述输入回路（34）在所述第一接头（14）和所述第三接头（18）之间具有半导体元件（22），其中所述半导体元件（22）的第一结构元件接头（22c）至少通过第一电容（36）和第二电容（38）连接到所述半导体元件（22）的第二结构元件接头（22a）上，其中通过在所述第一结构元件接头（22c）和所述第二结构元件接头（22a）之间的电压能够控制所述半导体元件（22）的接触电阻，其中所述输入回路配置成，当输入电压下降时，所述半导体元件的接触电阻暂时地被提高，
其中所述半导体元件（22）构造为场效应晶体管，即FET，
其中，所述FET的栅极接头连接到所述第一电容（36）的第一结构元件接头上并且通过与所述第一电容（36）并联的分压器电路（24）的电阻（R1）与所述FET的源极接头连接；
所述第一电容（36）的第二结构元件接头和所述第二电容（38）的第二结构元件接头连接在所述第二接头上；并且
所述FET的源极接头连接到所述第二电容（38）的第一结构元件接头上，
所述FET的漏极接头连接到所述第一接头（14）上。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述半导体元件（22）构造为反极性保护半导体开关。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述FET构造为金属氧化物半导体场效应晶体管，即MOSFET。
4.一种系统，所述系统包括：
根据权利要求1至3中任一项所述的电路；和
浪涌电压发生器（10），所述浪涌电压发生器具有去耦电感；其中
所述第一接头（14）连接在所述浪涌电压发生器（10）的第一极上并且所述第二接头（16）连接在所述浪涌电压发生器（10）的第二极上。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一电容（36）和所述第二电容（38）构造成使得通过将电压施加到所述直流变压器上而产生的振荡在包含所述去耦电感的振荡回路中通过与电压波动相关地提高所述半导体元件（22）的接触电阻衰减，其中所述衰减设计成，避免所述直流变压器的欠压关断和/或在输入保护二极管上的过载。
6.一种用于检测根据权利要求1至3之一所述的电路针对浪涌电压的稳健性的方法，所述方法包括：
将电压（28）加载到电路的输入回路（34）上，其中所述输入回路（34）具有半导体元件（22）；并且
衰减通过在所述输入回路（34）中加载所述电压（28）而产生的振荡，所述振荡在所述输入回路（34）中导致电压波动；
其中所述衰减包括受电压波动控制地提高所述半导体元件（22）的接触电阻，其中电压波动的衰减通过在所述振荡的负的半波期间多次暂时提高半导体元件的接触电阻来实现，
其中受电压波动控制地提高接触电阻包括与电压波动有关地降低施加在FET上的栅极源极电压。
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