CN116613720A - 一种浪涌保护器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浪涌保护器，属于雷电浪涌防护技术领域，包括第一开关管、第二开关管、第一稳压二极管与第一电阻，所述第一稳压二极管的阴极连接所述第一开关管的栅极，所述第一开关管的源极连接第二开关管的集电极，所述第一开关管的漏极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第一端连接所述第二开关管的门极，所述第一电阻的第二端连接所述第二开关管的发射极与所述第一稳压二极管的阳极。本发明一种浪涌保护器以及一种浪涌保护模块的钳位电压几乎不随电流变化；电路结构简单，易于实现与应用。
Description
技术领域
本发明涉及雷电浪涌防护技术领域，且特别是有关于一种浪涌保护器。
背景技术
在RTCA/DO-160G机载设备环境条件和试验程序第22章雷电感应瞬态敏感度中描述了对设备进行针脚注入试验，针脚注入试验是将选定的瞬态波形直接施加到 EUT 连接器指定针脚上的试验技术，通常施加在针脚和设备外壳地之间。该试验方法用于评价设备接口电路的绝缘耐压或破坏性容差。
进行针脚注入试验的瞬态波形的开路电压波形如图1所示，短路电流波形如图2所示，开路电压峰值为1600V，短路电流峰值为320A，即可认为瞬态波形的内阻为5Ω。尖峰电压从0上升到峰值的时间为6.4us，下降到0.5倍的峰值电压为69us。
在对设备进行针脚注入试验时，需要将电压钳位到50-60V，以保护后级电路不受尖峰电压的影响。因此需要采用浪涌保护器来确保提供给受保护电子设备的电压不超过其耐压值。
常用的浪涌保护器是采用瞬变电压抑制二极管（TVS）并联在输入端，抑制电压尖峰，将电压尖峰钳位在设定值。瞬变电压抑制二极管的等效模型如图3所示，其中，VBR为击穿电压，VCLAMP为钳位电压，RDYN为瞬变电压抑制二极管的等效动态电阻，IPP为流过瞬变电压抑制二极管的的额定峰值电流，则瞬变电压抑制二极管的钳位电压表达式为：
VCLAMP=VBR+IPP*RDYN。
由于瞬变电压抑制二极管内部硅和结的面积限制了其等效动态电阻RDYN，即使具有非常大的二极管面积，等效动态电阻RDYN可以是数百毫欧姆。因此，瞬变电压抑制二极管通常具有相对于其反向截止电压VRWM的高钳位电压VCLAMP，且随着流过二极管的电流越大，钳位电压VCLAMP越高，必须采取额外的步骤进行稳健的系统设计，以使在输入端有尖峰电压时，瞬变电压抑制二极管的钳位电压不超过后级系统的耐压。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种浪涌保护器，其具有钳位电压不随电流变化的特点。
为达到上述目的，本发明技术方案是：
一种浪涌保护器，包括第一开关管、第二开关管、第一稳压二极管与第一电阻，所述第一稳压二极管的阴极连接所述第一开关管的栅极，所述第一开关管的源极连接第二开关管的集电极，所述第一开关管的漏极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第一端连接所述第二开关管的门极，所述第一电阻的第二端连接所述第二开关管的发射极与所述第一稳压二极管的阳极。
本发明的一优选实施例中，上述一种浪涌保护器还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述第一开关管的漏极，所述第二电阻的第二端连接所述第一电阻的第一端。
本发明的一优选实施例中，上述一种浪涌保护器还包括第三电阻，所述第三电阻的第一端连接所述第一开关管的源极，所述第三电阻的第二端连接所述第一开关管的栅极。
本发明的一优选实施例中，上述第一开关管为一P型MOSFET。
本发明的一优选实施例中，上述第二开关管为一IGBT。
本发明的一优选实施例中，上述第一开关管与上述第二开关管均工作在线性区。
本发明还提供一种浪涌保护模块，包括上述一种浪涌保护器和瞬态波形发生器，所述瞬态波形发生器输出第一电压，所述第一电压的正极连接所述第一开关管的源极，所述第一电压的负极连接所述第一稳压二极管的阳极并接地，所述第二开关管的集电极为第一端，所述第二开关管的发射极为第二端。
当所述第一电压低于所述第一稳压二极管的击穿电压时，所述第一端与所述第二端之间的电压等于所述第一电压。
当所述第一电压高于所述第一稳压二极管的击穿电压时，所述第一端与所述第二端之间的电压VKA的表达式为
VKA=VBR-VGS，
其中，VGS为所述第一开关管的驱动电压，VBR为所述第一稳压二极管的击穿电压。
有益效果，本发明一种浪涌保护器以及一种浪涌保护模块的钳位电压几乎不随电流变化；电路结构简单，易于实现与应用；尤其适合浪涌电流较大的应用场景。
为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为进行针脚注入试验的瞬态波形的开路电压波形示意图。
图2为进行针脚注入试验的瞬态波形的短路电流波形示意图。
图3为瞬变电压抑制二极管的等效模型示意图。
图4为本发明一种浪涌保护器的电路示意图。
图5为本发明一种浪涌保护模块的电路示意图。
图6为驱动电压VGE随电流IC变化的示意图。
图7为图5中浪涌保护模块的仿真波形示意图。
在附图中，类似的附图标号是指相同的附图元件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图4为本发明一种浪涌保护器41的电路示意图。如图4所示，稳压二极管的D1的阴极连接开关管Q1的栅极，所述开关管Q1的漏极连接电阻R1的第一端，所述电阻R1的第二端连接所述稳压二极管D1的阳极，所述电阻R1的第一端连接开关管Q2的门极，所述开关管Q2的集电极连接所述开关管Q1的源极，所述开关管Q2的发射极连接所述电阻R1的第二端，所述开关管Q2的集电极为第一端K，所述开关管Q2的发射极为第二端A。
更具体地，所述开关管Q1为一P型MOSFET。
更具体地，所述开关管Q2为一IGBT。
进一步地，所述开关管Q1与所述开关管Q2均工作在线性区。
图5为本发明一种浪涌保护模块50的电路示意图，如图5所示，浪涌保护器51并联在瞬态波形发生器52的两端，更具体地，所述第一端K连接瞬态波形发生器52的内阻R4的第一端，所述内阻R4的第二端连接瞬态波形发生器52的电压VIN的正极，所述电压VIN的负极连接所述第二端A并接地。
如图5所示，稳压二极管的D1的阴极连接电阻R3的第一端，所述电阻R3的第二端连接开关管Q1的源极，所述开关管Q1的栅极连接所述电阻R3的第一端，所述开关管Q1的漏极连接电阻R2的第一端，所述电阻R2的第二端连接电阻R1的第一端，所述电阻R1的第二端连接所述稳压二极管D1的阳极，所述电阻R1的第一端连接开关管Q2的门极，所述开关管Q2的集电极连接所述开关管Q1的源极，所述开关管Q2的发射极连接所述电阻R1的第二端，所述开关管Q2的集电极为第一端K，所述开关管Q2的发射极为第二端A。
下面继续结合图5介绍本发明的工作原理。当电压VIN低于稳压二极管D1的击穿电压VBR时，稳压二极管D1的支路为断路，开关管Q1的驱动电压VGS为0，开关管Q1关断，开关管Q2的驱动电压VGE为0，开关管Q2关断，钳位电压VKA等于电压VIN。
当电压VIN超过稳压二极管D1的击穿电压VBR，稳压二极管D1的支路导通，开关管Q1导通，开关管Q2导通，此时，几乎所有的电流从开关管Q2流过。钳位电压VKA为
VKA=VBR-VGS，
其中，VGS为开关管Q1的驱动电压。
开关管Q1工作在线性区，流过开关管Q1的电流ISD=VGE/R1，开关管Q1的漏源极电压VSD=VKA-VGE-VGE/R1*R2，开关管Q1的驱动电压VGS随电流ISD变化而变化，由于几乎全部的电流都从开关管Q2流过，流过开关管Q1的电流ISD很小且变化也很小，开关管Q1的导纳较大，开关管Q1的驱动电压VGS几乎不变。因此，钳位电压VKA几乎不随电流ISD改变。
开关管Q2两端的电压VCE等于钳位电压VKA，因此其两端电压基本不变，但流过开关管Q2的电流IC随电压VIN的变化而变化，即先增大后减小，其表达式为
IC=(VIN-VKA)/R4。
由于开关管Q2工作在线性区，驱动电压VGE随电流IC变化而变化，关系式为IC=f(VGE)，如图6所示。
图7示出了图5中电路的仿真波形示意图，VIN为瞬态波形电压，峰值电压1600V，上升时间6.4us，下降到峰值电压一半的时间为69us；IC为流过开关管Q2的电流，峰值电流为309A；VGE为开关管Q2的门极电压，随着流过开关管Q2的电流IC先升高后降低；VSD为开关管Q1的漏源极电压，先减小后增大； VGS为开关管Q1的驱动电压，保持基本不变；VKA为钳位电压，保持基本不变。
此外，由于VKA=VBR-VGS，击穿电压VBR为49.3V，开关管Q1的驱动电压VGS为-2.08V，钳位电压VKA=51.38V，与图7中的波形对应。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (9)
1.一种浪涌保护器，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、第一稳压二极管与第一电阻，所述第一稳压二极管的阴极连接所述第一开关管的栅极，所述第一开关管的源极连接所述第二开关管的集电极，所述第一开关管的漏极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第一端连接所述第二开关管的门极，所述第一电阻的第二端连接所述第二开关管的发射极与所述第一稳压二极管的阳极。
2.如权利要求1所述一种浪涌保护器，其特征在于，还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述第一开关管的漏极，所述第二电阻的第二端连接所述第一电阻的第一端。
3.如权利要求2所述一种浪涌保护器，其特征在于，还包括第三电阻，所述第三电阻的第一端连接所述第一开关管的源极，所述第三电阻的第二端连接所述第一开关管的栅极。
4.如权利要求1所述一种浪涌保护器，其特征在于，所述第一开关管为一P型MOSFET。
5.如权利要求1所述一种浪涌保护器，其特征在于，所述第二开关管为一IGBT。
6.如权利要求1所述一种浪涌保护器，其特征在于，所述第一开关管与所述第二开关管均工作在线性区。
7.一种浪涌保护模块，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述一种浪涌保护器和瞬态波形发生器，所述瞬态波形发生器输出第一电压，所述第一电压的正极连接所述第一开关管的源极，所述第一电压的负极连接所述第一稳压二极管的阳极并接地，所述第二开关管的集电极为第一端，所述第二开关管的发射极为第二端。
8.如权利要求7所述一种浪涌保护模块，其特征在于，当所述第一电压低于所述第一稳压二极管的击穿电压时，所述第一端与所述第二端之间的电压等于所述第一电压。
9.如权利要求7所述一种浪涌保护模块，其特征在于，当所述第一电压高于所述第一稳压二极管的击穿电压时，所述第一端与所述第二端之间的电压VKA的表达式为
VKA=VBR-VGS，
其中，VGS为所述第一开关管的驱动电压，VBR为所述第一稳压二极管的击穿电压。
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