專利名稱：電路的過電壓保護裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種保護電子裝置免受供電干線上發(fā)生的過電壓損害的裝置。
背景技術：
文檔WO 2006/129005揭示了一種抵抗供電干線產生的過電壓的保護裝置。該裝置包括，特別地，兩個串聯(lián)連接的場效應晶體管(FET)，當電流超過它們的電流限制時能起到限流作用。但是，當供電干線上由于電感性或電容性負載的切換而產生過電壓時，每次切換4喿作都可能出現巨大的電壓變化。既然現有技術中該裝置的輸出電壓由transil 二極管類型的并聯(lián)限制方法確定，所有其余的過電壓將應用于結型場效應晶體管(JFET)。在切換過電壓期間產生的電感性電流可能比JFET的電流限制高很多。在此情況下，穿過系統(tǒng)端子的電壓增加得很快，直至一晶體管達到雪崩才莫式而由此不再限制電流。那么晶體管中耗散的能量是相當大的，并且可能導致元件的損壞。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種電子系統(tǒng)的保護裝置，能夠有效抵抗供電干線上出現的不同類型的過電壓，而不論其由主干線上的雷擊或是負載切換操作而產生，并且允許達到過電壓期間的非破壞性的能量耗散以及標稱操作期間很少的能量耗散。
上述目標由一種過電壓保護裝置來實現，其包括一意欲連接至電源干線的輸入，和一意欲連接至被保護的電子系統(tǒng)的輸出，其特征在于包括
-兩個常接通型雙向場效應半導體晶體管，在輸入和輸出之間串聯(lián)連接，由寬帶隙材料制造，并能在限流模式下運行；和
- 一電阻器，與所述兩個晶體管并聯(lián)連接。本發(fā)明的裝置特別適用于保護連接至配電干線的任何電子系統(tǒng)。本發(fā)明的裝置特別適用于為電容性電源系統(tǒng)提供有效保護。這是因為，這種特定類型的裝置從供電干線上汲取很少的電量，本發(fā)明不僅使過電壓保護最小化成為可能，而且使相當大地改善能量效率并由此降低熱量耗散成為可能。
根據一個特征，所述裝置的兩個半導體晶體管是JFET晶體管。根據另一個特征，所述裝置的半導體晶體管背對背連接，由此，第一半導體晶體管的漏極連接至供電干線，第二半導體晶體管的漏極連接至被保護
的電子系統(tǒng)，位于下游，所述半導體晶體管的源極連接在一起，并且所述兩個半導體晶體管的柵極也連接在一起且每一個都環(huán)繞接回至源極的公用電位端。
根據另 一個特征，所述裝置的兩個半導體晶體管由碳化硅或氮化鎵制造。
根據另一個特征，所述裝置包括一雙向transil 二極管或一變阻器，與輸出并聯(lián)連接至所述兩個半導體晶體管的下游。
本發(fā)明還涉及一種被保護的電子系統(tǒng)，具有意欲連接至電源干線的正端子和負端子，該系統(tǒng)包括如下所述的保護裝置作為輸入，所述裝置串聯(lián)接連至其正端子或其負端子。
根據一個特征，所述系統(tǒng)由一電源系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)包括一整流器模塊，用于在直流總線上產生直流電壓，和一總線電容器，連接在直流總線的正線和負線之間。
根據另一個特征，所述電源系統(tǒng)包括一輸入電容器，在正端子或負端子之間串聯(lián)連接，保護裝置的下游。


其它的特征和優(yōu)點將在隨后的詳細描述中，參照經由示例給出的實施例及由附加的附圖描述來展現
-圖1示出本發(fā)明的一保護裝置，適合于任何連接至配電干線的電子系統(tǒng)；和
-圖2示出本發(fā)明的一保護裝置，.適合于一電容性電源系統(tǒng)。
具體實施方式
在闡述的其余部分，可了解到所述保護裝置2適合于保護與交流電源干線A連接的任何類型的電子系統(tǒng)3,從而能夠經受來自該干線A的不同類型的干擾。例如，所述凈皮保護的電子系統(tǒng)3可以是電容性的電源系統(tǒng)30。
圖1所示的本發(fā)明的保護裝置2包括一意欲連接至電源干線A的正端子或負端子的輸入20，和一意欲連接至被保護的電子系統(tǒng)3的輸出21。在輸入20和輸出21之間，保護裝置2包括兩個，例如相同的雙向場效應半導體晶體管Tl和T2。所述兩個半導體晶體管Tl、 T2串聯(lián)連接并作為限流器連接起來。這些半導體晶體管T1、 T2由寬帶隙材料制造，諸如碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)，因此可以提供給它們一低的導通狀態(tài)電阻器&s，。"，并且能夠經
受住高壓(大約1000 V)。
這些場效應半導體晶體管Tl、 T2優(yōu)選是JFET晶體管。JFET晶體管是公知的半導體元件，包括一控制柵極(G)，其功能在于允許或阻止電流在漏極(D)和源極(S)之間的流動。當缺少柵極和源極之間的控制電壓^時，如果漏極-源極路徑是導通的，這種晶體管被稱為常接通型。相反的，當缺少柵極和源極之間的電壓^s時，如果漏極-源極路徑是非導通的，這種晶體管被稱為常斷開型。在本發(fā)明中，所述半導體晶體管T1、 T2(此后稱為晶體管)屬于常接通型。
如圖l所示，晶體管T1、 T2作為限流器連接，并和被保護的電子系統(tǒng)3串聯(lián)連接，位于下游。它們背對背連接，以這種方式，晶體管T1的漏極(D)連接至供電干線A，晶體管T2的漏極(D)連接至被保護的電子系統(tǒng)3，位于下游，晶體管T1、 T2的源極(S)連接在一起，并且兩個晶體管的柵極(G)也連接在一起且每一個都環(huán)繞接回至源極(S)的公用電位端。
才艮據本發(fā)明，為保護位于下游的電子系統(tǒng)3免受供電干線上因雷擊而產生的過電壓，本發(fā)明的保護裝置2包括一變阻器型的限幅器(clipper)或者一雙向transil二極管Dl，與輸出21并聯(lián)連接在晶體管T2的下游。兩個晶體管T1、 T2和如圖1中所示由二極管D1形成的限幅器的組合，使得位于下游的電路3不受高能量過電壓的損害，而不會使裝置的體積過大。transil二極管Dl的目的是固定裝置輸出的電壓最大值，并在過電壓期間提供電流的優(yōu)先路徑。可以想象的是，如果總線電容器Cb具有這樣的電容量，使得在過電壓期間其端子間產生的電壓增量不超過連接在下游的電子系統(tǒng)3所允許的最大電壓，則可以省略該transil 二極管D1 。較之傳統(tǒng)的裝置，通過其原理，JFET晶體管在限流沖莫式下的運行大幅減少了由過電壓引起的電流，并由此減少保護裝置吸收的能量。借助于過電壓的幅值，將要耗散的剩余能量分布在transil 二極管Dl和兩個串連連接的晶體管T1、 T2之間。直到過電壓達到接近transil 二極管Dl的斷開電壓時，絕大部分能量在該tranil中耗散。對于過電壓較高時，晶體管Tl和T2接替耗散額外的能量。
每個晶體管Tl、 T2的電流限制由如下方法選擇，即能夠為電子系統(tǒng)3的負荷傳遞足夠的起動電流。為優(yōu)化防雷過電壓保護，降低電流限制至負荷正常運行所需的最小值，使得降低在過電壓的情況下耗散的能量，不論該耗散是每個晶體管T1、 T2中的或transil二極管Dl中的。但是，當過電壓由供電千線A上的電感性或電容性負載切換造成時，每次切換操作都會產生巨大的電壓變化。既然本發(fā)明的裝置的輸出電壓由transil 二極管Dl確定，所有其余的過電壓都施加于晶體管T1、 T2。在切換過電壓期間產生的電感性電流可能遠遠高于晶體管Tl、 T2的電流限制。在此情況下，裝置2端子之間的電壓急劇增加直至晶體管Tl、 T2到達雪崩模式而由此不再限流。因此晶體管中壽毛散的能量相當大，而且可能導致其元件的損壞。
為解決切換過電壓的問題，將晶體管Tl、 T2設計為能夠承受最大能量是可能的。但是，該解決方法是相當昂貴的?？梢赃x擇地，可以與兩個JFET晶體管并^i文置一適合規(guī)格的電阻器Rl，由此能夠在其中耗散由切換過電壓造成的所有能量。在該選擇中，每個晶體管Tl、 T2由此可以保持適度的大小和合理價格。因此，并聯(lián)連接的電阻器R1的規(guī)格必須選擇在能夠限制電壓至晶體管T1、 T2能承受的最大電壓以下。
需要注意的是，JFET晶體管的限流特征取決于溫度。在過電壓期間電壓增大，首先在transil 二極管Dl中觀察到耗散，然后是在晶體管T1、 T2中，這導致晶體管逐步受熱，因此降低了限流水平。當發(fā)生雷擊感應過電壓時，熱效應則是受歡迎的，因為其可能限制要耗散的能量，既然JFET和tmnsil二極管本身的電流受限。相反地，當出現切換過電壓和感應電流時，電流不再流經JFET,導致電壓迅速上升至JFET的雪崩閾值，在該閾值之上，電流可以不受任何限制地流經JFET晶體管。依照本發(fā)明，電阻器Rl并聯(lián)連接至JFET,由此一旦下面的公式得到滿足時，就建立起感應電流的一條通路
<formula>formula see original document page 6</formula>由此，借助Imax(電感性電流)的最大值，可以限定一電阻器Rl使得〃-小于"w ，以避免jfeT進入雪崩模式。由此JFET的溫度靈敏性可促進傳遞至電阻器R1的能量耗散，因此改善裝置的魯棒性。
設計示例
300VA干線上的電感性負載= 1.8A;JFET晶體管的限流7"^服=0.1 A;JFET晶體管的最大耐受電壓= 2000V;給定值Rl = "wrar/(7, -Aim/rer) =1176 ohms.
參照圖2，被保護的電子系統(tǒng)3，諸如一供電系統(tǒng)30，其目的為提供一電氣負載C。這樣的電源系統(tǒng)30包括兩個輸入端子-一正端子和一負端子-設定其連接至采用交流電壓的供電干線A，例如相當于230 VAC或400 VAC，產生于諸如50Hz的頻率。該系統(tǒng)還包括，作為輸入， 一整流器模塊33，例如由二極管橋路組成，其在直流總線上從供電干線A的交流電壓產生直流電壓； 一總線電容器Cb,連接在總線的正線31和負線32之間，整流器模塊33的下游； 一輸入電容器Cl,其一端連接至正端子，并且另一端連接至二極管橋路的一個分支。系統(tǒng)30也可以包括限制從電源系統(tǒng)傳遞來的電壓的裝置，包括例如一齊納二極管Dz,連接在總線的正線31和負線32之間，總線電容器Cb的下游。
在圖2中，本發(fā)明的保護裝置2由此設置在前述的電容性電源系統(tǒng)的上游。所述裝置2針對供電系統(tǒng)可能經受的不同類型的過電壓提供保護，特別
還具有通過限制起動電流而保護電源系統(tǒng)30免受當施加電壓時出現的過電流的優(yōu)點。情況是這樣的，當起動電源系統(tǒng)時，輸入電容器C1所經歷的劇烈電壓變化導致一大電流涌入通過兩個晶體管T1、 T2。當電流增大且超過晶體管T1的電流限制時，晶體管Tl切換到其限制模式，造成其內阻增加。隨著晶體管阻值增加，其端子間的電壓也增加。同樣的情形也發(fā)生在晶體管T2上。由此，在起動時發(fā)生的大電壓變化被晶體管所吸收。在常態(tài)運行中，兩個晶體管T1、 T2的接通狀態(tài)電阻很低，因此僅產生很少的耗散損失。
當然，在不偏離本發(fā)明的范圍內其他不同的實施例和詳細的改進是可以想象的，并且等同手段的應用是可以設想的。
權利要求
1、一種過電壓保護裝置(2)，包括一意欲連接至電源干線(A)的輸入(20)，和一意欲連接至被保護的電子系統(tǒng)(3)的輸出(21)，其特征在于包括-兩個常接通型雙向場效應半導體晶體管(T1，T2)，在輸入(20)和輸出(21)之間串聯(lián)連接，它們由寬帶隙材料制造，并能在限流模式下運行；和-一電阻器(R1)，與所述兩個晶體管(T1，T2)并聯(lián)連接。
2、 如權利要求l所述的裝置，其特征在于所述兩個半導體晶體管(T1, T2)是JFET晶體管。
3、 如權利要求2所述的裝置，其特征在于所述半導體晶體管(Tl， T2) 背對背連接，以這種方式，第一半導體晶體管(Tl)的漏極(D)連接至供 電干線(A)，第二半導體晶體管(T2)的漏極(D)連接至被保護的電子系 統(tǒng)(3)，位于下游，所述半導體晶體管(Tl， T2)的源極(S)連接在一起， 并且所述兩個半導體晶體管(Tl, T2)的柵極(G)也連接在一起且每一個 都環(huán)繞接回至源極(S)的公用電位端。
4、 如權利要求2或3所述的裝置，其特征在于所述兩個半導體晶體管 (Tl, T2)由碳化硅或氮化鎵制造。
5、 如權利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于它包括一雙向transil 二極管(Dl)或一變阻器，與輸出(21)并聯(lián)連接至所述兩個半導體晶體管 (Tl, T2)的下游。
6、 一種被保護的電子系統(tǒng)(3)，具有意欲連接至電源干線(A)的正端 子和負端子，其特征在于它包括如權利要求1至5之一所述的保護裝置(2 ) 作為輸入，所述裝置串聯(lián)接連至其正端子或其負端子。
7、 如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于它由一電源系統(tǒng)組成，包括一 整流器模塊(33)，用于在直流總線上產生直流電壓，和一總線電容器(Cb)， 連接在直流總線的正線(31)和負線(32)之間。
8、 如權利要求6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于電源系統(tǒng)包括一輸入電容 器(Cl)，在正端子或負端子之間串聯(lián)連接，保護裝置(2)的下游。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種過電壓保護裝置(2)，包括一意欲連接至電源干線(A)的輸入(20)，和一意欲連接至被保護的電子系統(tǒng)(3)的輸出(21)，所述裝置包括-兩個常接通型雙向場效應半導體晶體管(T1，T2)，在輸入(20)和輸出(21)之間串聯(lián)連接，它們由寬帶隙材料制造，并能在限流模式下運行；和-一電阻器(R1)，與所述兩個晶體管(T1，T2)并聯(lián)連接。
文檔編號H02H9/04GK101626157SQ200910163968
公開日2010年1月13日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權日2008年5月20日
發(fā)明者塞巴斯蒂恩·卡庫特, 迪迪爾·倫納德 申請人:施耐德電器工業(yè)公司