CN1158673A - 电源切断装置 - Google Patents

Abstract

一种电源切断装置，包括第一和第二电子开关器件(FET T2和T1)，它们以这样的方式被交叉耦合，使得当一个开关器件导通时，另一个截止，反之亦然，并且被保护的负载11和第一开关器件(FETT2)串联。如果例如由于负载的短路而引起通过第一开关器件(FETT2)的电流超过某个值，则第二开关器件(FETT1)导通，从而使第一开关器件截止。

Description

电源切断装置

技术领域

本发明涉及一种电源切断装置。

发明公开

按照本发明，提供一种电源切断装置，包括第一和第二电子开关器件，它们被这样交叉耦合，使得当一个开关器件导通时，另一个截止，反之亦然，其中要被保护的负载和第一开关器件可串联连接，并且如果当第一开关器件导通，流过的电流超过一个定值时，第二开关器件就导通，从而使第一开关器件截止。

附图简述

图1是按照本发明第一实施例的直流电源切断装置的电路图；

图2是按照本发明第二实施例的交流电源切断装置的电路图；

图3是按照本发明第三实施例的直流电源切断装置的电路图；

图4是按照本发明第四实施例的直流电源切断装置的电路图。

优选实施例的描述

现在参照附图以举例的方式说明本发明的实施例。

按照图1的装置，包括一对场效应晶体管(FET)T1和T2，它们被这样交叉耦合，使得每个晶体管的漏极和另一个晶体管的栅极相连。FET T1和FET T2应当具有尽量相同的电特性。FET T1和电阻R1串联在直流电压源和地之间，FET T2和要被保护的电阻负载11也串联在直流电压源10和地之间。

电容C1跨接在FET T2的源极和漏极之间(此时忽略电容C2和C3)，并且熔丝12和负载11串联。发光二极管LED1和与其串联的电阻R2与电阻R1并联。

在本实施例中，直流电压源10为12伏，其它元件值如下：

R1：420欧姆

R2：400欧姆

C1：100nf

FET T1和FET T2：β＝0.42

当电源接通时，FET T2通过由电阻R1加到其栅极的直流电压而导通。和FET T2的栅极串联的电容C4加速这一器件的工作，并保证FET T2导通时FET T1保持截止。因此，一个小电流通过包括电容C1和电阻负载R1的RC网络，其速率由负载11的电阻和电容C1的值决定。这使得A点的电压降低，从而使B点电压(FET T1的栅极)保持为低。这样，FET T1就保持截止，而C点(FET T2的栅极)的电位为高，从而使FET T2保持导通，因此，电源加到负载11上。这是该装置的正常工作状态，其中A点电位保持为低，借以使FET T1保持截止，而使FET T2保持导通。

当使电阻负载11的两端短路以模拟故障状态时，点A以由电容C1的充电时间决定的速率上升到基本上等于直流电压源10的电压，因而基本上整个10伏的电压跨接在FET T2的源极和漏极之间。相应地，流过FET T2的电流将增加。然而，跨接在FET T2上的10伏电压把它驱动到进入饱和状态，因而通过FET T2的电流被限制为恒定的饱和电流。饱和电流取决于FET T2的额定功率(基本上取决于其物理尺寸)和β值。在本情况下，假定饱和电流为5安培。

虽然在故障情况下把流过FET T2的最大电流限制为饱和电流，但这种状态不允许持续。然而，当A点电位升高时，B点电位也将升高。这使FET T1导通，从而使C点电位降低，这又使FET T2截止，从而切断负载11的电源。

现在，一个刚好能使FET T1保持导通的小电流从直流电源10通过FET T1流到地，这电流的一部分通过电阻R2和LED1，刚好足够使LED1发光，从而提供已发生短路的指示。电阻R1的值应该这样选择，使得它能以尽量小的功率消耗有效地使FET T1导通。

当故障已经发生时，电源被切断并检查和排除故障，此后，再把电源接通，以重新开始上述的正常工作状态。如果不需要提供故障的可见指示则可以省略LED1和相连的电阻R2。

电容C1用于延迟器件的截止，并应当这样选择，使得它能滤去开关的瞬变电流以允许电动机、电灯、加热器等的启动冲击电流。

如上所述，FET T2的饱和电流部分地与FET T2的β值有关。FET T2的β值必须仔细地选择。如果太高，则在正常工作期间在导通状态下FET T2的电阻将引起过多的热损耗，时间一长，便会损坏器件，并且在任何情况下，将使效率降低。在另一方面，如果β值太低，则饱和电流太高，可能使器件烧穿。我们发现在这两个极端之间的折衷是使β处于0.42到0.48的范围内，这时将提供满意的性能。我们还发现，低于0.37或高于0.55的β值是不满意的。虽然器件的开关时间可通过选择电容器C1的值进行调整，但速度毕竟受场效应晶体管FET T1和FETT2的工作速度的限制，它一般为15ns。不过，通过在每个FET的漏-栅通路上分别跨接附加的电容器C2和C3可以使速度进一步提高。此外，通过选择不同值的C2和C3，可以使器件有不同的导通和截止速度。

和负载11串联的熔丝12起故障保险的作用。如果在装置中发生故障，则负载依旧受熔丝的保护。熔丝12被设计成在略高于装置的切断电流时熔断。

现在参见图2，交流电源切断装置主要包括类似于上述的对于直流情况下的电路的两个子电路(除了负载11是和两个晶体管FET T1、FET T2串联而不是仅和FET T2串联之外)，并且图2中和图1相同的元件用相同的标号表示。一个子电路包括交叉耦合的FET T1和FETT2，并响应交流电压的正半周，而另一个子电路包括交叉耦合的FETT1′和FET T2′，并响应负半周，这由二极管D1和D2决定。

在正半周期间，包括FET T1和T2的子电路基本上按上述对于直流的情况而工作，在正常工作期间FET T2导通，而FET T1截止。当有故障时，FET T2截止而FET T1导通。在负半周期间，FET T1和T2都截止。在本实施例中，电阻R1的阻值较大，以便在FET T1导通时限制流过它的电流。

类似地，在包括FET T1′和T2′的子电路中，在正常工作期间，在负半周时FET T2′导通而FET T1′截止，当发生故障时，FET T2′截止，FET T1′导通。在正半周期间内，FET T1′和T2′都截止。在本实施例中，需要FET T1和T2相对于FET T1′和T2′是互补型的。因而，在这种情况下，FET T1和T2是P沟道器件，而FET T1′和T2′是n沟道器件。

如同在直流实施例中一样，在图2的两个子电路的每一个中，可以在每个FET的漏栅通路上跨接相当于图1中由C2和C3表示的电容来修改电路的特性。此外，和图1类似，相应的电阻R2和LED1可以和电阻R1和R1′分别并联，以便提供可见的故障指示。

图3表示直流电源切断装置的另一个实施例，其中只使用两个输入/输出腿而不象图1中要使用3个。这是如图中14和15所示的腿，通过它们把该装置和负载11串联连接在直流电压源和地之间。应当注意，图3的装置非常类似于图2的装置的一半，其中负载11同时和FET T1以及T2两者串联。

图3的装置也包括一对场效应晶体管T1和T2，它们被这样交叉耦合，使得每个的漏极和另一个的栅极相连。负载11直接连接于FET T2的漏极，并通过可变电阻VR1连接到FET T1的栅极，并且它还通过大电阻R1和连接FET T1的漏极和FET T2的栅极的连线相连。

FET T2处的RC时间常数比FET T1处的RC时间常数短(因为在FET T1的栅漏通路上跨接着电容C5)，因此，当接通电源时，FET T2在FET T1之前接通。这样，FET T2的漏极变为低电位，它通过电阻R3把FET T1的栅极拉到低电位，从而阻止FET T1导通。这是该装置的正常工作状态，这时FET T2导通，从而形成使电流通过负载11到地的通路，而FET T1保持截止。在故障状态例如负载电阻11有短路的情况下，FET T2的漏极电压升高，当达到FET T1的门限电压时(如由VR1的值所确定的)，FET T1导通。这时FET T1的漏极电位变低，并且因为FET T1的漏极和FET T2的栅极相连，所以FET T2截止。选择电容C5和电阻R3的RC时间常数，为FET T1提供合适的导通时间，从而实现了不会由开关瞬变电流之类无意中触发该装置。

在图3的实施例中，FET T2的导通时间由

(1.1)×R1×C6给出，其中

R1＝10kΩ，

C6＝0.0000001μF，是FET T2的栅极氧化层的电容。并且，在故障电流的情况下装置的切断时间由

(1.1)×(VR1/RC3)× C5给出，

其中R3＝30KΩ，C5＝1μF。

和以前一样，可以通过在每一个FET T1和T2的源-栅通路之间跨接相当于图1中C2和C3所示电容来修正电路特性。此外，电阻R2和LED1可以和电阻R1并联，用以提供故障的可见指示。

本发明的第4实施例(图4)除了(a)其中的FET T1用双极NPN晶体管代替、(b)可变电阻VR1被省略、(c)电容C5被省略以及(d)电阻R3被可变电阻VR3代替之外，类似于图3所示的电路。不过，除了晶体管N的门限由VR3的值确定之外，电路的工作基本上和图3所示的电路相同。

在所有实施例中，齐纳二极管和电阻可以跨接在直流或交流电源上，使得该装置可用作过压保护器，这种过压在尖峰电压或在故障状态下可能会出现。

在上述电路中使用的场效应晶体管可以是JFET，MOSFET，NMOSFET，DMOSFET或任何其它类型的场效应晶体管。这些电路可通过使用半导体工艺被制造在硅或砷化镓的晶片上，或被制成混合电路。也可以利用具有碳化硅衬底的FET，以便元件能承受高的工作电压、电流和温度条件。

Claims (9)

1.一种电源切断装置，包括第一和第二电子开关器件，它们以这样的方式被交叉耦合，使得当一个开关器件导通时，另一个开关器件截止，反之亦然，其中要被保护的负载和第一开关器件是可串联连接的，并且其中如果当第一开关器件导通，通过的电流超过一个定值时，则第二开关器件导通而把第一开关器件截止。

2.如权利要求1所述的电源切断装置，其特征在于，其中第一开关器件是FET，并且如果负载被短路，则基本上全部电源电压将加在FET的源极和漏极之间。

3.如权利要求2所述的电源切断装置，其特征在于，其中FET在电源电压加在其源极和漏极之间时就进入饱和状态，从而使通过FET的电流限制在其饱和电流上。

4.如权利要求3所述的电源切断装置，其特征在于，其中FET具有从0.42到0.48的β值。

5.如前面任一项权利要求所述的电源切断装置，其特征在于，其中有一个阻抗和第二开关器件串联，当第二开关器件导通时电流通过所述阻抗。

6.如权利要求5所述的电源切断装置，其特征在于，其中的负载也和所述阻抗串联。

7.如前面任一项权利要求所述的电源切断装置，其特征在于，其中有一个器件和第二开关器件串联，以便当第二开关器件导通时提供可见的指示。

8.如前面任一项权利要求所述的电源切断装置，其特征在于，还包括一个电容器，其设置是用来延迟第二开关器件的导通，以便阻止所述装置由于开关瞬变电流和其类似现象而触发。

9.一种用于交流电源的电源切断装置，包括如前面任一权利要求所要求的两个装置，它们通过反向连接的单向电流器件分别和负载相连。

Images