CN113497435A - 过电流保护系统 - Google Patents

Abstract

本文的发明提供了一种过电流保护系统。所述过电流保护系统包括感测设备、比较器、第一晶体管和第二晶体管。所述感测设备适于感测流向电气设备的电流。比较器适于比较从感测设备接收的信号和参考信号以生成高信号和低信号中的任意一个，其中比较器的输出连接至控制设备。所述第一晶体管连接至比较器的输出信号以控制第一晶体管，其中当比较器的输出信号为高信号时，第一晶体管处于导通状态。所述第二晶体管连接至第一晶体管并由其控制，其中当第一晶体管处于导通状态时，第二晶体管处于导通状态。

Description

过电流保护系统

技术领域

本发明总体上涉及一种用于在电路中连接的电气设备的过电流保护系统，更具体地，涉及一种在电路中的任何异常情况期间将电气设备与电路连接和断开连接的过电流保护系统。

背景技术

一般地，电气设备通过开关设备连接至电源以具有受控的电路环境。有时，电路可能会经历由于短路或任何其他故障引起的过电流，这可能损坏电气设备和开关设备。为了避免这种情景，将过电流保护设备引入电路。过电流保护设备可以在电路经历过电流情况时，将电气设备与电路断开连接，以避免电气设备的损坏。过电流保护设备可以包括诸如晶体管的开关设备，以将电气设备与经历过电流的电路断开连接。然而，这样的过电流保护设备可能效率不高，这是由于设备中的开关设备可能不稳定。开关设备可能由于开关设备中的接地电磁干扰而不稳定，这可能影响过电流保护设备的性能。因此，这样的过电流保护设备可能无法有效地将电气设备从电路上断开连接，因此可能会损坏电气设备。

进一步地，这种过电流保护设备并不提供复位功能，一旦恢复了过电流情形，该复位功能将电气设备重新连接至电路而无需任何外部干预。例如，当由于任何故障或短路而在电路中流过任何过电流时，常规的过电流保护设备可以将电气设备与电路断开连接，然而，当流入电路的电流又恢复正常时，这样的设备并不将电气设备重新连接至电路。尽管电路中流动的电流减小至阈值以下，过电流保护设备并不将电气设备重新连接至电路。常规的过电流保护设备需要外部干预以将电气设备重新连接至电路，因此其对于最佳地操作电路并不高效。

由此，仍然需要一种过电流保护设备，其在正常和故障情况下有效地将任何电气设备连接至电路或者从电路断开连接。进一步地，仍然需要一种能够承受任何电磁干扰的设备。进一步地，仍然需要一种无需任何外部干预即可复位电路的保护系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种连接在电路中的设备，以在电路不稳定时具有受控的电路环境。

本发明的另一目的是提供一种过电流保护设备，其在电路中流动的电流大于阈值时将电气设备从电路断开连接，并且在电路中流动的电流小于阈值时将电气设备重新连接至电路。

本发明的又一目的是提供一种过电流保护系统，其在电路中发生任何异常时保护连接在电路中的电气设备。

鉴于前述内容，本文中的发明的实施例提供了一种过电流保护系统。过电流保护系统包括感测设备、至少一个比较器、至少一个第一晶体管和至少一个第二晶体管。感测设备适于感测流向电气设备的电流。至少一个比较器适于比较从感测设备接收的信号和参考信号以生成高信号和低信号中的任意一个，其中至少一个比较器的输出通过控制设备连接。至少一个第一晶体管连接至至少一个比较器的输出信号以控制至少一个第一晶体管，其中当至少一个比较器的输出信号为高信号时，至少一个第一晶体管处于导通状态。至少一个第二晶体管连接至至少一个第一晶体管并由其控制，其中当至少一个第一晶体管处于导通状态时，至少一个第二晶体管处于导通状态。进一步地，当至少一个第二晶体管处于导通状态时，比较器的输出通过至少一个第二晶体管接地。在一个实施例中，至少一个比较器的输出通过第一电阻器连接至控制设备，以减小流向控制设备的电流/电压，以便保护控制设备免受高于工作电压/电流的高电压/电流。比较器的接地输出能够是低信号。

进一步地，过电流保护系统包括第三晶体管，其连接至至少一个第一晶体管并且适于在至少一个比较器的输出信号为低信号时控制至少一个第一晶体管。

在一个实施例中，至少一个第一晶体管的基极端子通过第二电阻器连接至该至少一个比较器的输出并且连接至第三晶体管的集电极端子，以控制至少一个第一晶体管。

在另一实施例中，至少一个第二晶体管的基极端子连接至至少一个第一晶体管的集电极端子，以控制至少一个第二晶体管。

在一个示例中，第一晶体管和第三晶体管是PNP型晶体管，第二晶体管是NPN型晶体管。

在一个实施例中，当检测到的信号小于参考信号时，至少一个比较器生成高信号，并且当检测到的信号大于参考信号时，至少一个比较器生成低信号。

进一步地，过电流保护系统包括连接至第三晶体管的电压调节器，以控制第三晶体管。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于操作过电流保护系统的方法。该方法按以下步骤进行。首先，检测流向电气设备的电流，并将信号提供给至少一个比较器。通过比较器来比较检测到的信号和参考信号。进一步地，基于检测到的信号和参考信号之间的比较来生成高信号和低信号中的任意一个，其中当检测到的信号大于参考信号时，比较器生成低信号。其后，当第一晶体管从至少一个比较器接收低信号时，将第一晶体管和第二晶体管调节至导通状态。进一步地，通过第二晶体管将至少一个比较器的输出接地，其限制输出信号流向控制设备并将控制设备调节至非导通状态。进一步地，电气设备从电源断开连接。

在一个实施例中，当至少一个比较器生成高信号时，第三晶体管将第一晶体管及第二晶体管调节至非导通状态。进一步地，将至少一个比较器的高信号提供给控制设备，以将控制设备调节至导通状态，由此将电气设备连接至电源。在一个实施例中，通过电压调节器控制第三晶体管。

附图说明

能从以下发明描述中推断出本发明的其他特性、细节和优势。当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，随着对本发明的进一步理解，将会容易地获得对于本发明的更全面地理解以及及其许多伴随的优势，其中：

图1A图示了根据本发明实施例的电气连接在电路中的过电流保护系统的框图；

图1B是图1A的过电流保护系统的电路图；以及

图2和图3是图示根据本发明实施例的操作过电流保护系统的方法的流程图。

具体实施方式

必须注意的是，附图以足够详细实施本发明的方式公开本发明，如果需要，这些附图有助于更好地定义本发明。然而，本发明不应限于说明书中公开的实施例。

本发明涉及一种设置在电路中的过电流保护系统，以控制连接在电路中的电气设备。例如，电路可以连接至电气加热器，并且过电流保护系统连接至电路以控制电气加热器。接下来在本文中将针对电气加热器对过电流保护系统进行说明，然而，这种过电流保护系统能用来控制电路中连接的任何其他电气设备。过电流保护系统可以用作开关，以在电路经历高于阈值的电流值时将电气加热器与电路断开连接，并且在电路中流动的电流恢复至低于阈值的值时将电气加热器重新连接回电路。由此，当过电流在电路中流动时，过电流保护系统为电气加热器提供保护并增加电路的安全性。进一步地，过电流保护系统在电路经历诸如过电流或短路的不稳定情况期间，提供电气加热器的轻松控制(hassle-freecontrolling)。进一步地，过电流保护系统的构造简单且稳定。

图1A和1B图示了根据本发明实施例的过电流保护系统100的不同示意图。过电流保护系统100也可以表示为保护设备。过电流保护系统100连接在电气加热器102连接至其上的电路中。过电流保护系统100可以用作控制器，该控制器有效地控制该控制设备以将电气加热器102连接至电路/从电路断开连接。在一个示例中，图1A图示了电气连接在具有电气加热器102的电路100A中的过电流保护系统100的框图，并且图1B是该过电流保护系统100的电路图。过电流保护系统100可以包括至少一个比较器104、感测设备106、多个第一开关108A、多个第二开关108B以及多个第三开关108C。在一个示例中，电路100A可以包括过电流保护系统100、电气加热器102和控制设备110。在另一示例中，控制设备110可以是过电流保护系统100的一部分。进一步地，电气加热器102由电源112供电。理想地，电源112能是电池组，然而，这并不限制电气电路100A使用任何其他电源。

一般地，电源112通过控制设备110连接至电气加热器102。控制设备110用于对电气加热器102通电和断电。在一个实施例中，控制设备110能是任何控制设备，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成栅双极晶体管(IGBT)等等，在电气电路100A中发生任何异常期间，能通过过电流保护系统100控制该控制设备110。在一个实施例中，控制设备110的栅极信号是由过电流保护系统100生成的，从而有效地控制该控制设备110。进一步地，感测设备106能是分流器或者任何其他能够感测在电路100A中流动的电流的感测设备。感测设备106设置在电源112和电气加热器102之间，并且适用于测量在电路100A中流动的电流。进一步地，感测设备106将对应于电路100A中测量的电流的信号提供给比较器104。信号能指示在电路100A中流动的电流水平。比较器104适用于将来自感测设备106的接收的信号与参考信号进行比较，并相应地生成高或低信号。在一个示例中，当从感测设备106接收的信号小于参考阈值时，比较器104生成高输出信号。换句话说，当来自感测设备106的接收的信号小于参考值时，电路100A中流动的电流在阈值内。

如上所述，过电流保护系统100，在下文中表示为保护系统，包括至少三组开关，诸如多个第一开关108A、多个第二开关108B和多个第三开关108C。为了简洁和清楚起见，利用一个第一开关、一个第二开关和一个第三开关来解释此文件中的以下描述，然而，这并不限制本发明使用多于一个的开关。在一个实施例中，第一开关108A、第二开关108B和第三开关108C能够是晶体管。在另一个实施例中，第一晶体管108A和第三晶体管108C是PNP型晶体管，第二晶体管108B是NPN型晶体管。进一步地，在下文中将第一开关108A表示为第一晶体管108A，在下文中将第二开关108B表示为第二晶体管108B，并且在下文中将第三开关108C表示为第三晶体管108C。比较器104的输出连接至第一晶体管108A和第二晶体管108B两者。另外，比较器104的输出可以通过第一电阻器202连接至控制设备110的栅极端子，以控制该控制设备110。一般地，比较器104的输出将栅极信号提供给控制设备110，并且促使控制设备110处于导通状态，由此通过电源112为电气加热器102供电。进一步地，当比较器104生成高信号(即在电路100A中流动的电流在阈值内)时，控制设备110接收栅极信号；否则，比较器104的输出信号通过第一晶体管108A和第二晶体管108B接地。在电路100A中流动的电流大于阈值的情形下，比较器104生成低输出信号，并且第二晶体管108B将低输出信号接地，由此以锁定的方式断开连接栅极信号向控制设备110的流动。因此，电气加热器102保持与电路100A断开连接，由此避免损坏电气加热器102。一般地，低信号是具有零电压/电流的信号，高信号是具有与供应电压/电流相同的电压/电流的信号。

进一步地，第一晶体管108A连接至第三晶体管108C和比较器104两者，以这种方式，比较器104或第三晶体管108C能控制第一晶体管108A。在一个实施例中，第一晶体管108A的基极端子通过第二电阻器204连接至比较器104的输出并且连接至第三晶体管108C的集电极端子。因此，能够由比较器104的输出或者第三晶体管108C中的任何一个控制第一晶体管108A。在一个示例中，当比较器104的输出信号为低信号并且第三晶体管108C处于非导通状态时，第一晶体管108A处于导通状态。在另一个示例中，当比较器104的输出信号为高信号时，第一晶体管108A处于非导通状态。进一步地，以能够由第一晶体管108A控制第二晶体管108B的方式将第一晶体管108A连接至第二晶体管108B。在一个实施例中，第二晶体管108B的基极端子连接至第一晶体管108A的集电极端子，使得第一晶体管108A控制第二晶体管108B。在一个实施例中，由于第二晶体管108B的基极端子连接至第一晶体管108A的集电极端子，当第一晶体管108A处于导通状态时第二晶体管108B导通。进一步地，第三晶体管108C连接至复位模块114以控制第三晶体管108C。在一个实施例中，复位模块114是低电压控制器，其连接至第三晶体管108C的基极端子，由此控制第三晶体管108C。保护系统100还包括一对电容器116A、116B，每个电容器耦合至第一晶体管108A和第二晶体管108B，以改善与地面的电磁兼容性。在一个实施例中，电容器116A并联连接至第一晶体管108A的发射极和基极端子，并且电容器116B并联连接至第二晶体管108B的发射极和基极端子。

参考图1B，当电路100A中流动的电流在阈值内时，比较器104从感测设备接收低信号，通过将其与参考信号进行比较来生成高输出信号。由于第一晶体管108A是PNP型晶体管，第一晶体管108A处于非导通状态，并且第二晶体管108B接收低或者零基极信号(low ornil base signal)。由于第二晶体管108B是NPN型晶体管，第二晶体管108B由于低基极信号而不导通，由此比较器104的输出信号通过第二电阻器204提供给控制设备110。因此，电路100A正常地操作，并且电气加热器102由电源112供电。

在电路100A中流动的电流大于阈值电压的情形下，比较器104从感测设备106接收高信号。比较器104在将从感测设备106接收的高信号与参考阈值信号进行比较之后生成低信号。比较器104的低信号通过电阻器202、206提供至第一晶体管108A的基极端子以及第二晶体管108B的集电极端子两者。由于第一晶体管108A是PNP型晶体管，在第一晶体管108A的基极端子处接收到的低信号使能第一晶体管108A处于导通状态，因此参考信号通过第一晶体管108A流向第二晶体管108B。进一步地，第三电阻器210连接在第一电阻器108A的集电极和基极端子之间，并且具有比第二电阻器204更大的电阻值。因此，来自比较器104的低信号流过第二电阻器204并到达第一晶体管108A的基极端子。由此第一晶体管108A的基极为低，并且处于导通状态。进一步地，通过第四电阻器208将参考信号提供给第二晶体管108B的基极端子，以使能第二晶体管108B。由于第二晶体管108B处于导通状态，提供在第二晶体管108B的集电极端子处的比较器104的输出信号通过第二晶体管108B接地。比较器104的接地的输出信号能够是低信号。进一步地，第五电阻器212连接在第二晶体管108B的基极端子与地面之间。第五晶体管212具有多于第四电阻器208的电阻值，因此，第二晶体管108B的基极端子接收从第一晶体管108A流动的高参考信号。高基极信号使能第二晶体管108B处于导通状态，由此将在第二晶体管108A的集电极端子处接收到的比较器104的输出信号接地。在一个实施例中，第二晶体管108B处于导通模式并且具有比第一电阻器202更低的电阻路径。因此，比较器104的输出信号并未到达控制设备110的栅极端子，由此促使控制设备110处于非导通状态。因此，电气加热器102与电源112断开连接，并且避免了由于过电流而对电路100A和电气加热器102造成的任何损坏。

一旦在电路100A中流动的电流恢复至阈值内的水平，保护系统100无需任何外部物理干预而将电气加热器102重新连接回电路100A。为了恢复电路100A，在保护系统100中提供了第三晶体管108C。尽管电路中流动的电流小于阈值，比较器104有时仍然具有低输出信号，由此保持第一晶体管108A和第二晶体管108B处于导通状态。为了调节第一晶体管108A和第二晶体管108B，通过复位模块114将第三晶体管108C调节至导通状态。在一个实施例中，复位模块114包括电压调节器。电压调节器114向第三晶体管108C的基极端子提供低基极信号，并且将第三晶体管108C保持在导通状态。第三电阻器210被短路，因此参考信号通过第三晶体管108C流向第一晶体管108A的基极端子。进一步地，第一晶体管108A的基极端子为高，这将第一晶体管108A调节为非导通状态。由于第一晶体管108A处于非导通状态，流向第二晶体管108B的基极信号被断开连接，由此将第二晶体管108B调节为非导通状态。因此，比较器104的输出不再接地。同时地，比较器104的输出从低信号改变为高信号，并将高信号提供至控制设备110。控制设备110将电气加热器102重新连接回电源112，由此电路110A正常运作。在一个实施例中，第三晶体管108C能够是NPN型晶体管。在这种情形下，电压调节器114生成高信号以将第三晶体管108C调节至导通状态。

图2和图3图示了根据本发明实施例的操作过电流保护系统100的方法300。进一步地，方法300能应用在任何合适的硬件、开关设备、感测设备或其任何组合中。例如，方法300可以执行以下步骤以在过电流流向电气设备时保护任何电气设备。将参考结合图1A和图1B描述的细节来理解方法300。

方法在方框302处开始。在方框302处，检测到流向电气设备的电流并且将对应的信号提供至比较器104。感测设备106能确定在电路100A中流动的电流。在方框304处，通过比较器104将从感测设备106接收的信号与参考信号进行比较。在方框306处，通过比较器104基于检测到的信号与参考信号的比较来生成高或低信号中的任意一个，参考信号是阈值。当流向电气设备102的电流大于阈值时，比较器104生成低信号。如上所述，阈值是与参考信号相同的值。在方框308处，当第一晶体管108A从比较器104接收低信号时，将第一晶体管108A和第二晶体管108B调节至导通状态。由于低信号被提供至第一晶体管108A，第一晶体管108A调节至导通状态，由此使能第二晶体管108B进入导通状态。在方框310处，通过第二晶体管108B将比较器104的输出低信号接地，这限制输出信号向控制设备110的流动并且将控制设备110调节至非导通状态。在方框312处，由于控制设备110处于非导通状态，将电气设备102与电源112断开连接，由此当过电流流向电气设备102时保护电气设备102以免受损坏。

参考图3，过电流保护系统100将电气设备102重新连接或重置回电源112。以下方框解释了用于将电气设备102重新连接至电源112的方法。在方框314，通过电压调节器来将第三晶体管108C调节至导通状态，以将第一晶体管108A和第二晶体管108B调节至非导通状态。进一步地，当比较器104的输出为高信号时，第三晶体管108C处于导通状态。在方框316处，对于控制设备110的比较器104的高信号将控制设备110调节至导通状态，由此，在方框218处，将电气设备重新连接至电源112。

因此，当电路100A经历过电流情况时，过电流保护系统100保护连接在电路100A中的电气设备102，并且当电路100A恢复至稳定电流时，过电流保护系统100无需任何外部干预而重置电路100A。

在任何情形下，由于可能存在其他实施例，本发明不能也不应该限于此文件中具体描述的实施例。本发明应扩展到任何等同的手段以及手段的任何技术操作组合。

Claims (10)

1.一种过电流保护系统(100)，包括：

感测设备(106)，适于感测流向电气设备(102)的电流；

至少一个比较器(104)，适于比较从感测设备(106)接收的信号和参考信号，以生成高信号和低信号中的任意一个，其中所述至少一个比较器(104)的输出连接至控制设备(110)，以将电气设备与电源(112)连接和断开连接；

至少一个第一晶体管(108A)，连接至所述至少一个比较器(104)的输出信号，以控制所述至少一个第一晶体管(108A)，其中当所述至少一个比较器(104)的输出信号为高信号时，所述至少一个第一晶体管(108A)处于导通状态；

至少一个第二晶体管(108B)，连接至所述至少一个第一晶体管(108A)并由所述至少一个第一晶体管(108A)控制，其中当所述至少一个第一晶体管(108A)处于导通状态时，所述至少一个第二晶体管(108B)处于导通状态，其中所述过电流保护系统被配置为使得当所述至少一个第二晶体管(108B)处于导通状态时，所述比较器(104)的输出通过所述至少一个第二晶体管(108B)接地；以及

第三晶体管(108C)，连接至所述至少一个第一晶体管(108A)，并适用于当所述至少一个比较器(104)的输出信号为低信号时，控制所述至少一个第一晶体管(108A)。

2.根据权利要求1所述的过电流保护系统(100)，其中，所述至少一个第一晶体管(108A)的基极端子通过第二电阻器(204)连接至所述至少一个比较器(104)的输出并连接至所述第三晶体管(108C)的集电极端子，以控制所述至少一个第一晶体管(108A)。

3.根据权利要求1所述的过电流保护系统(100)，其中，所述至少一个第二晶体管(108B)的基极端子连接至所述至少一个第一晶体管(108A)的集电极端子，以控制所述至少一个第二晶体管(108B)。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的过电流保护系统(100)，其中，所述第一晶体管(108A)和所述第三晶体管(108C)是PNP型晶体管，并且所述第二晶体管(108B)是NPN型晶体管。

5.根据权利要求2至3中任一项所述的过电流保护系统(100)，其中，当检测到的信号小于所述参考信号时，所述至少一个比较器(104)生成高信号，并且当检测到的信号大于所述参考信号时，所述至少一个比较器(104)生成低信号。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的过电流保护系统(100)，还包括复位模块(114)，所述复位模块(114)具有连接至所述第三晶体管(108C)的电压调节器，以控制所述第三晶体管(108C)。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的过电流保护系统(100)，还包括至少一个电容器(116A、116B)，所述至少一个电容器并联连接至所述第一晶体管(108A)以及所述第二晶体管(108B)两者的发射极端子和基极端子。

8.一种电气加热器(102)，包括根据前述权利要求中任一项所述的过电流保护系统(100)，其中，控制设备(110)控制所述电气加热器的加热负载。

9.一种操作根据前述权利要求中任一项所述的过电流保护系统(100)的方法，包括：

检测流向电气设备的电流，并将对应于电流检测的信号提供给至少一个比较器(104)；

将所述信号与参考信号进行比较；

基于检测到的信号与参考信号之间的比较，生成高信号和低信号中的任意一个，其中当所述信号大于所述参考信号时，比较器(104)生成低信号；

当第一晶体管(108A)从所述至少一个比较器(104)接收所述低信号时，将第一晶体管(108A)和第二晶体管(108B)调节至导通状态；

通过所述第二晶体管(108B)将所述至少一个比较器(104)的输出信号接地，所述第二晶体管(108B)限制输出信号流向控制设备(110)并将控制设备(110)调节至非导通状态；从而

将电气设备与电源(112)断开连接。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

当所述至少一个比较器(104)生成高信号时，将第三晶体管(108C)、第一晶体管(108A)和第二晶体管(108B)调节至非导通状态；以及

将所述至少一个比较器(104)的高信号提供至控制设备(110)，以将控制设备(110)调节至导通状态；以及

将所述电气设备连接至所述电源。

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