CN1153988A - 应用米勒效应用于保护电触点免于燃弧的混合电路 - Google Patents

Abstract

一个绝缘栅双极结晶体管(IGBT)半导体器件连接在拟保护免于燃弧的开关触点之间。当触点为常断开布置时，IGBT的栅极部分通过触点连接到发射极部分，而当触点为闭合布置时，IGBT的集电极部分通过触点连接连接到发射极部分。一个电容器与栅极-集电极结并联连接。在触点从它们的闭合布置移向它们的断开布置时，寄生集电极栅极电容和附加电容器的组合足以维持IGBT器件导通，由此防止触点之间免于燃弧。

Description

应用米勒效应用于保护电触点 免于燃弧的混合电路

本发明涉及用于电触点(电流流过其中的触点)的消弧和/或灭弧电路，更具体地说，涉及这样一种电路，其包括一个绝缘栅双极结晶体管(IGBT)。

对电触点来说，无论是在强电流电路中，或取常规继电器输出触点形式，或在其它类似电路中，通常的问题是当它们从闭合位置开始断开时，可能在触点之间产生电弧。如果使断开的触点之间的电压升高到足够水平，则在触点之间形成电弧。即使在触点断开之后，电压甚至可能足以使电弧持续，并且在极端情况下，电弧甚至可能持续到最大触点分开距离。燃弧是不希望有的，因为它对触点产生耗损，以及在电路应该断开之后由于电弧电流所可能引起的电路效应。

典型地，例如继电器触点的装置制造商估计那些触点即使不是成百万次也是成千上万次可靠地接通与断开一定的电压和电流。为了保证这种性能额定值，制造厂典型依靠特定触点布置的固有消弧和/或灭弧特性。影响触点消弧或灭弧能力的特性包括触点的平滑度、尺寸和形状，分开速率，最终最大的分开距离，以及在其断开位置隔开触点的介质的特性。

这些固有消弧和/或灭弧特性能通过在触点之间安置外部元件/电路得到增强，这些外部元件/电路使触点之间的峰值电压或电压上升速率抑制到与触点的分开速率或最终最大的分开距离相适应的值。这样的外部元件的例子是电容器。这项技术在属于Woodworth的美国专利No.4,438,472中展示。Woodworth利用双极结晶体管来增加并联电容器的效应。

然而，这种技术在包括变电站中的保护继电器的许多应用中不合适。电容甚至在触点断开时可能表现为短路。此外，对比电路设计负载小得多的负载来说，切断负载电流所要求的时间大大延长。

另一种方法涉及控制触点之间的峰值电压，而不考虑它们的分开速率。按照触点的额定值和期望的负载电流来限制电压值。这项技术允许电弧形成，但是限制触点之间的峰值电压，以便电弧由特定触点布置的自然特性来熄灭。然而，这项技术把触点的操作限制在额定性能，这在许多情况下是不实际的，要么是不能接受的。

因此，本发明是一种能够使开关触点之间的燃弧消除或熄灭的电路，其中该电路包括：一个绝缘栅双极结晶体管(IGBT)，其包括一个场效应晶体管和一个双极结晶体管的达灵顿组合，连接在触点之间；以及一个电容器，其连接在IGBT的集电极部分与栅极部分之间，附加在IGBT的寄生电容上，以便组合电容为这样，即响应流过其中的电流，使组合电容两端之间的合成电压在IGBT的栅极部分产生足够强的电荷，以接通IGBT，这样又把该电容两端之间的电压限制在刚好足以维持IGBT导通的值，并且其中IGBT两端之间的电压得到充分限制，以便防止触点之间免于燃弧。

图1是相当于所保护的特定触点，表示本发明的消弧和灭弧电路的电路图。

图2是更详细地表示图1部分电路的电路图。

本发明的消弧和灭弧系统(下文简单称作消弧系统)设计为与传送中等范围电流，即最高大约10安左右电流的电触点和/或电动机械触点一起操作。

在本发明的一个特定应用中，待保护的电触点存在于基于微处理器的继电器的后盘上，并且构成该基于微处理器的继电器的输出触点，该基于微处理器的继电器用来保护输电/配电系统。在这个特定应用中，通过操作继电器来闭合继电器后盘上的电输出触点，结果引起包括一个跳闸线圈的电路闭合，该跳闸线圈用于连接到输电线的断路器。断路器通常传送非常大的电流，相当于1000安数量级。当继电器的输出触点闭合时，引起电池功率流到跳闸线圈电路，跳闸线圈电路操作断开断路器。

然而应该理解，本发明的消弧电路能用来保护其它应用中涉及中等电流水平的电触点。

现在具体参考图1，以上称作电触点的应用电路(即基于微处理器的保护继电器的输出触点电路)用10一般地表示。在一个实施例中，电触点电路10是已知的电动机械电路，并且市场上以Omron G6R-1可买到，它具有适合于基于微处理器的保护继电器的操作特性。电路10断开并且闭合一个电力系统电路，该电力系统电路包括一个图1中以负载12表示的断路器跳闸线圈，以及一个对该负载供电的变电站电池14。在所示实施例中，电池14标称125伏直流；然而，由于电池充电电流引起，电池电压实际上可能高达140伏直流。

在所示实施例中，OmronG6R-1电路10包括一个接帚臂16，它在电输出触点18与20之间移动。接帚臂16的移动由通过线圈21的电流控制，线圈21示于图2中的Omron电路中。

图1所示接帚臂16处在对电路10来说称作“断开”的位置，安排靠在触点20上。在本实施例中，接帚臂16通常在该断开位置。在接帚臂的这个位置下，电路中将无电流流通，因为电池14由触点电路10的断开位置，金属氧化物变阻器(MOV)22，以及绝缘栅双极结晶体管(IGBT)36的组合所隔开。对所示电路，MOV22额定为130伏有效值，这意味着在180伏直流以内它将一定不导通，即MOV22将阻断电流，直到它两端之间的电压超过大约为180伏直流为止。在操作中，对中等电流水平，电压由MOV22箝制在250-300伏。

正如下文更详细叙述那样，IGBT36是本发明中的关键元件。IGBT是一个绝缘栅双极结晶体管(IGBT)，它是能够操纵高水平功率的场效应晶体管(FET)和双极结晶体管(BJT)的达灵顿式组合。

在操作中，装置的FET部分对BJT部分提供基极驱动，这样装置整个由FET的栅极控制。IGBT的栅极驱动要求因此与FET的栅极驱动要求类似，而IGBT的功率开关能力要比类似尺寸的FET高得多，因为当适当驱动时IGBT器件两端之间的电压降箝制在大约1伏。虽然IGBT泄漏电流实际上比所示消弧电路所允许的电流小得多，但是IGBT器件比其FET部分典型具有更高的泄漏电流。在本实例中，适当的IGBT是由International Rectifier制造的IRGPC40S，它能够处理60安和600伏。

在上述特定保护继电器布置中，当电力系统中的断路器为闭合，并且输电线中的电流为正常水平时，接臂16处在“断开”位置。

当基于微处理器的保护继电器探测到一个事件，例如输电线上的电流超过预选阈值时，通过电阻器27和齐纳二极管28对Omron输出触点电路中的晶体管26的基极施加一个信号。这样引起电流流过线圈21，线圈21使接帚臂16从触点20开始移向触点18，实际上是从“断开”位置移向“闭合”位置。这样引起电池14通过包括接帚臂16的电输出触点电路10产生电流，并且然后返回到跳闸线圈负载12，因此使线圈带电，并且引起传送超过允许电流范围的输电线的断路器断开。

现在更具体地参考图1，电容器30，二极管32，以及IGBT36的固有栅极-发射极电容形成一个电压斜坡式消弧电路，它适合于轻负载和/或小触点分开距离。这个能力用在当接帚臂16已经从触点20移开，与触点18接触之时，在这个点负载电流开始从电池14流过触点18，接帚臂16，负载12，并且返回到电池。预先已经完全充电的电容器30通过触点18，接帚臂16和二极管32放电。

二极管32在所示电路中起两个作用。它保护IGBT 36的栅极-发射极部分免于破坏性反向偏置，并且它还使电容器30可以非常快速地放电。如果在初始接触触点18之后接帚臂16反跳，负载电流将继续从电池14流出，但是通过电容器30，电阻器34，以及半导体器件36的栅极-发射极部分的固有电容。电阻器34选择得足够小，以便对轻负载它两端之间的电压降约为1伏。在负载电流流过电容器30和IGBT 36的栅极-发射极电容时，触点18至20之间的电压得到限制，并且因此无电弧产生。

再参考图1，电容器30，二极管32，电阻器34，以及IGBT36形成一个消弧电路，适合于重负载和/或大触点分开距离，例如当图2中线圈21断电，并且接帚臂16从触点18向触点20移回时，图1电路中所出现的情况。这样，当接帚臂16从其靠在触点20的正常位置移向触点18时，以及当接帚臂16其后移回触点20时，图1电路都能够保护触点18与20之间免于燃弧。

在所示特定实施例中，例如当输电线的断路器已经断开，并且流过输电线的超过允许范围的电流已被切断，因此用于断路器的跳闸线圈(图1中负载12)不再需要带电之时，可能起动接帚臂16向触点20返回移动，这个动作由保护继电器之内产生的一个信号所起动，该信号实际上隔除晶体管26(图2)，这样晶体管26截止，由此阻断电流流入OmronG6R-1电路的线圈21。当线圈电流被切断时，回扫二极管25开始导通，防止晶体管26被高电压破坏。

输出触点电路中与线圈21并联的齐纳二极管38加速了线圈21中循环电流的衰减，它在晶体管26开始导通时起动。这样提供了接帚臂16的更快动作，即接帚臂16以更短时间从触点18分开，并且返回触点20。这一点很重要，因为当接帚臂16在触点18与20之间时IGBT 36导通并且耗散功率。

在接帚臂16从触点18分开时，电流从电池14流出，流过电容器30，电阻器34和IGBT栅极-发射极结，到达负载。电流持续流动，直到IGBT的栅极部分40积聚了足够的电荷，IGBT开始导通为止。一旦达到该阈值栅极电荷，IGBT就保持为“接通”状态，而无需继续驱动栅极。一旦IGBT接通，通过IGBT的电流通路将通过集电极-发射极结到达负载12。这样沿这个电流通路保持一个特定的电压降，等于电容器30两端之间的电压降加上IGBT36栅极-发射极部分之间的电压降，因此触点18与接帚臂16之间初始可能产生的任何电弧将由触点的固有灭弧特性所熄灭。

电容器30对本发明的消弧电路的操作很重要。通常在半导体器件中有集电极-栅极寄生电容，称作米勒电容，在所示实施例中，通过该电容，一个小的偏移电流能从电池14流向IGBT36的栅极部分。IGBT的米勒电容和IGBT的栅极-发射极电容在图1电路中形成一个电容分压器。电容30附加在IGBT集电极-栅极结之间，与米勒电容有效地并联，以便减小IGBT 36的集电极所需要的电压升高，以便在IGBT的栅极40提供足以接通IGBT的电荷。一个2毫微法的电容器引起足够的电荷传送到栅极40，以便用大约为5伏的集电极-栅极电压升高来接通IGBT。

因此通过这种回扫布置，IGBT维持在刚好导通的合适状态，以使末勒电容两端之间的电压保持在要求的水平，以便维持IGBT导通。电路基本上进入平衡。

设置IGBT为适当导通状态，以使预期负载电流为最大所需要的栅极电压可以根据IGBT数据表来确定。该栅极电压于是加到电容器30两端之间的电压上，以便确定触点的额定要求。

例如，对上述IGBT，如果触点用来切断10安，则IGBT数据表指示在IGBT的栅极-发射极结上需要大约6伏，以便使该器件置于导通。并且根据相同的IGBT数据表，技术人员可以确定必须对IGBT的栅极40传送大约10nC的电荷，以便使之达到6V。这个10nC必须传过电容器30，结果使电容器30充电到大约5V。把电容器30两端之间的电压加到IGBT栅极40的电压上，可见要求额定为在11V下接通与断开10安的电路。上述的Omron电路额定为在24V下接通与断开10安，并且因此令人满意。

电阻器34连接在电容器30与IGBT的栅极40之间，以便即使不消除因在器件的米勒电容两端之间附加电容器30所引起的器件振荡，也要使其最小。这在一定程度上具有变慢IGBT的断开/接通响应度的效应。

当接帚臂16到达触点20时，不再对消弧电路有任何需要，因为触点再次到达最大分开距离。当接帚臂16与触点20接触时，IGBT栅极40上的电荷通过电阻器34，接帚臂16非常快速地传走，并且返回IGBT36的发射极。这样截止IGBT36。因此，IGBT36仅当接帚臂16在触点18与20之间时导通，从而充分减小了IGBT的耗散功率。

当接帚臂16与触点20接触时，电容器30再次非常快速地充电，以便其后接帚臂16在触点20上的反跳不导致IGBT 36接通。

在接帚臂16在触点20上时，IGBT36的栅极-发射极结被有效地短路，防止了因为断开触点之间的电压暂态而使IGBT36接通。

在IGBT36截止之后，如果其是电感性，负载12就开始像是一个电流源。金属氧化物变阻器22使其两端之间的电压可以达到大约为250-300伏，在该点其开始导通。操作中的MOV22强制电感性负载中的电流斜坡下降到零。当负载电流返回到零时，在接帚臂16靠在触点20时，电路返回到其初始状态。由于IGBT36在接帚臂16到达其靠在触点20上的完全断开位置时为截止，所以电路中的能量大体上耗散在MOV22中，有些能量在接帚臂16从触点18移向触点20期间耗散在IGBT中。当使用电感性负载时，这是对类似的消弧电路装置的显著改进。

在接帚臂16靠在触点20时，不存在IGBT36对电容器30的增强效应。这样当触点断开时对负载所呈现的总电容被限制在电容器30的值加上与其它器件有关的任何寄生电容。这是对其它类似消弧装置的显著改进。

以上参考图1和图2的说明对应接帚臂16处在“常断开”位置，即靠在触点20的电路布置。然而，当接帚臂16处在“常闭合”的位置，即靠在触点18上时，图1和图2的电路同样有效。在常闭合布置下，当无电流流过继电器线圈21时(图2)，接帚臂16安排靠在触点18上。当电流开始在继电器线圈21中流动时，例如在以上讨论的当输电线上有超过允许范围的电流水平的状态下，接帚臂16从触点18移开，并且最终与触点20接触。

接帚臂16从触点18移向触点20的时间在这个布置中亦很重要，因为正是在这个时间期间IGBT36导通。然而，在这种情况下，当继电器线圈21带电时，接帚臂16从触点18移向触点20。目标是在晶体管26接通之后减少接帚臂16移动的时间。这是通过电容器44得到实现(图2)，电容器44对继电器线圈21提供瞬时过电压，使线圈21比其它可能方法更快地建立电流和磁通。在电容器44充电时，过电压减小，防止了因连续高水平的过电压而使继电器损坏。

电阻器42消除了电容器44的直流阻断性能，由此使继电器线圈可以在相对长时段内带电。

因此，对本发明的电路，无论被保护的触点是构成为常断开或常闭合位置都无关紧要。此外，控制晶体管26操作的装置，例如一个微处理器，无需知道电路是怎样构成的。当特定的预定输电线状态发生时，晶体管26接通，并且当该状态得到校正时，晶体管26截止。

因此，已经叙述了一种消弧和灭弧电路，其利用了特定的半导体器件(一个IGBT)及与该器件的固有米勒电容并联的附加电容，以便从断开触点快速分流，防止了对轻负载和/或小触点分开距离形成电弧，并且使触点的固有特性可以对重负载和/或大触点分开距离熄灭电弧。另外，该电路安排为使半导体器件自身中的耗散能量最小，以使断开触点所呈现的电容最小，并且使负载变化对触点的切断时间的影响最小。

虽然这里为了说明已经公开本发明的一个优选实施例，但是应该理解，在不违反以下权利要求所限定的本发明的精神下，可以在这样的实施例中引入各种各样的变化、变更和替换。

Claims (7)

1.一种能够消除电开关触点之间燃弧的电路，该电路包括：

一个绝缘栅双极结晶体管(IGBT)，包括一个场效应晶体管和一个双极结晶体管的达灵顿组合，连接在触点之间；以及

一个电容器，连接在IGBT的集电极部分与栅极部分之间，附加在IGBT的寄生电容上，以便组合电容为这样，即响应通过其中的电流，组合电容两端之间的合成电压在IGBT的栅极部分产生足够强的电荷，以便接通IGBT，这样又把电容之间的电压限制在刚好足够维持IGBT导通的值，其中IGBT两端之间的电压得到充分限制，以便防止触点之间免于燃弧。

2.权利要求1的一种装置，其中当电路触点为第一布置时，IGBT的集电极-发射极结在触点之间，并且其中当触点从第二布置进入该位置时，IGBT开始导通，随后在IGBT的栅极部分建立足够的电荷。

3.权利要求1的一种装置，包括一个连接在所述电容器和IGBT栅极部分之间的电阻器。

4.权利要求3的一种装置，包括一个从电阻器与电容器之间的一个连接点连接到IGBT的发射极部分的二极管。

5.权利要求1的一种装置，包括连接在触点之间的装置，以用于防止电流通过所述防止装置，直到所述防止装置两端之间达到特定电压为止，这种情况在触点已经处在所述第一位置之后，在触点从其第一位置移开之后不久出现。

6.权利要求5的一种装置，其中所述防止装置是金属氧化物变阻器，并且特定电压至少大约为300伏。

7.权利要求2的装置，其中当所述触点为第二布置时，所述IGBT不导通，并且其中装置包括一个电路元件，当触点为所述第二布置时，它使IGBT的栅极部分对其发射极部分短路。

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