专利名称：用于限制跨开关的电压的系统、方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明的实施例大体上涉及电子电路，并且更具体地涉及用于限制跨开关的电压的系统、方法和设备。
背景技术：
当开关对电感负载关闭交流(AC)或直流(DC)电力时，没有电流流过该开关并且由于由该电感负载产生的电压的结果造成跨该开关的电压可以升高到相当大的水平。因此，如果不被保护免遭过电压，电路部件可易受损伤。因此提供用于限制跨开关的电压的系统、方法和设备是可取的。
发明内容
本发明的实施例可以解决上文提出的需要中的一些或全部。根据一个实施例，提供电压钳位电子电路装置。该装置可包括能操作成用于选择性地开关从电力供应到电感负载的电流的开关电路和与该开关电路并联连接的电压钳位电路。该电压钳位电路可包括整流器电路，其包括输入和输出，这些输入跨该开关电路并联连接；与该整流器电路的这些输出并联连接的电子有源开关装置；以及至少一个与该电子有源开关装置并联连接的齐纳二极管。当该开关电路处于开路连接并且跨该开关电路、该电子有源开关装置和该齐纳二极管的电压满足或超过预定值时，电流将流过该电子有源开关装置并且限制跨该开关电路的电压在电压钳位电路电压极限内。根据本发明的另一个实施例，提供用于限制跨开关的电压的方法。该方法可包括 提供能操作成用于选择性地开关从电力供应到电感负载的电流的开关电路；提供与该开关电路并联连接的电压钳位电路；断开该开关电路防止该电流从该电力供应流到该电感负载；用整流器电路整流该电流；并且用与该整流器电路的输出并联连接的电子有源开关装置和至少一个与该电子有源开关装置并联连接的齐纳二极管限制跨该开关电路的电压在电压钳位电路极限内。当该开关电路处于开路连接并且跨该开关电路、该电子有源开关装置和该齐纳二极管的电压满足或超过预定值时，电流将流过该电子有源开关装置并且限制跨该开关电路的电压在该电压钳位极限内。根据再另一个实施例，提供电压钳位电路。该电压钳位电路可包括整流器电路，其包括输入和输出，这些输入跨操作电路并联连接；与该整流器电路的这些输出并联连接的电子有源开关装置；以及至少一个与该电子有源开关装置并联连接的齐纳二极管。当跨该电子有源开关装置和该齐纳二极管的电压满足或超过预定值时，电流将流过该电子有源开关装置并且限制跨该操作电路的电压在电压钳位电路电压极限内。其他实施例、方面和特征将从下列详细说明、附图和附上的权利要求变成对本领域内技术人员明显的。
现在将参照附图，其不必须按比例绘制，并且其中图1是根据一个示例实施例的开关电路和电压钳位电路的功能图表示。图2是根据一个示例实施例的开关电路和电压钳位电路的示意表示。图3是根据一个示例实施例的开关电路和电压钳位电路的示意表示。图4是根据一个示例实施例的开关电路和电压钳位电路的示意表示。图5是根据一个示例实施例的开关电路和电压钳位电路的示意表示。图6是根据一个示例实施例的开关电路和电压钳位电路的示意表示。图7是根据一个示例实施例的开关电路和电压钳位电路的示意表示。图8是根据一个示例实施例的开关电路和电压钳位电路的示意表示。
具体实施例方式现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明的说明性实施例，其中示出本发明的一些而不是所有实施例。实际上，本发明可采用许多不同的形式体现并且不应该解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将满足适用的法律要求。类似的数字始终指类似的元件。本文描述的系统和方法的实施例提供用于限制跨开关、特别地开关电路的电压的系统、方法和设备(利用电压钳位电路)。为了避免当断开输送电力到电感负载的开关时损伤电路部件，将电压钳位来避免或抑制在该开关断开后产生于该电感负载中积累的电感电压的电压尖峰。电压钳位电路实施例提供用于与DC或AC电源一起使用的双向电压钳位。常规钳位电路利用金属氧化物变阻器(MOV)装置、仅齐纳二极管的电路或缓冲器电路。MOV装置在许多实例中可不是可取的，因为该MOV的工作电压和钳位电压在二者之间具有足够大的缺口。因为工作电压和大钳位电压之间的该典型的大缺口，MOV装置将典型地还需要处理高电压的开关装置，其是不可取地昂贵的。另外，MOV装置典型地要求在耗散一定量的能量后更换。例如分流调整器等仅齐纳二极管的电路典型地不能处理像可以由本文描述的电压钳位电路实施例处理并且像开关电路和要供电的电感负载需要的这样的高能量。相似地，除不可取的电路复杂性之外，缓冲器电路或装置典型地具有与它们关联的高成本。此外，当开关处于开路状态时，缓冲器电路常常产生小漏电。因此，本文描述的本发明的各种实施例包括与开关电路并联连接的电压钳位电路。根据一个实施例，该电压钳位电路包括整流器电路、与该整流器电路并联连接的电子有源开关装置，和至少一个与该电子有源开关装置连接的例如但不限于齐纳二极管等的二极管。该整流器电路允许用单个钳位电路处理双向电流。该电子有源开关装置可以以期望水平选择性地耗散能量。根据各种实施例，该电子有源开关装置可以是但不限于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结晶体管(BJT)、达林顿对晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。如本文更详细描述的，可包括另外的电路部件。例如，例如齐纳二极管等一个或多个另外的二极管可用于改变电子有源开关装置被激活并且开始耗散能量时的电压。可以与该一个或多个另外的二极管并联利用开关，这是可能的，其允许通过开关通过相应被开关的二极管的电流选择性地调节钳位电压。另外，可包括一个或多个可变电阻装置来选择性地调节或限制流过电子有源开关装置的电流。
图1图示根据一个示例实施例的简化的开关电路和电压钳位电路的功能图表示。 根据该实施例，示例系统100(例如，组合电路部件)包括开关电路105、电力供应110和电感负载115。该开关电路105可由开关控制120根据任何手段(例如，电子、机械、电动机械、基于处理器的控制器等)控制。该开关电路105进一步与电压钳位电路125并联连接， 电压钳位电路125包括电子有源开关装置130、钳位检测和激活电路135和可选地整流器电路140。关于这些部件中的每个的另外的细节参照由图2-8图示的示例实施例提供。进一步意识到，根据其他实施例，代替或除开关电路、电力供应和/或电感负载外，各种其他操作电路可利用电压钳位电路125来采用如本文通过示例描述的相同或相似方式限制该操作电路处的过电压或电压尖峰。图2图示根据一个示例实施例的包括开关电路和电压钳位电路的电路200的示意表示。根据该实施例，该电压钳位电路125包括体现为MOSFET器件205的电子有源开关装置。另外，钳位检测和激活电路可包括跨MOSFET 205的栅极和漏极与该MOSFET 205 连接并且与整流器电路的输出连接的第一齐纳二极管210。该第一齐纳二极管210的齐纳电压(或击穿电压)便于控制该MOSFET 205将被激活时的电压点(在本文中也可交换地称为“激活电压”)。因此，该第一齐纳二极管210影响钳位电路125的期望钳位电压，其也受产生于该MOSFET 205阈值电压(例如，栅极到源极阈值电压)和该整流器电路的任何电压差的影响。意识到这里为了简明而说明该第一齐纳二极管210，但根据其他实施例，可提供多个二极管和/或可向该钳位检测和激活电路提供不限于齐纳二极管的其他二极管或分流部件。例如，图3-5图示可代替单个第一齐纳二极管210应用的各种其他电路配置。同样在该实施例中说明的是跨MOSFET 205的栅极和源极并联连接的第一电阻器 215和第二齐纳二极管220。选择该第二齐纳二极管220来保护MOSFET 205免于超过最大栅极到源极电压。选择该第一电阻器215来提供任何必需的偏压或栅极电压(其一般由 M0SFET205的设计规定)给MOSFET 205的栅极。根据该实施例的整流器电路包括能够将AC整流成DC的二极管桥式整流器电路 225。因此，该二极管桥式整流器电路225包括输入227和输出229。这些输入与开关电路 105并联连接，开关电路105能操作成开关从电力供应110输送到电感负载115的电流。另外，由于该二极管桥式整流器电路225的配置，钳位电路能够独立于电流的方向而处理AC 电流。意识到，根据一些实施例该整流器电路可不同于本文通过示例说明的整流器电路。例如，在其中电力供应110是DC电力供应的实施例中，该整流器电路可不同于由图2图示的整流器电路，或可根本不包括该整流器电路，因为它将不需要整流电压。另外，钳位电路125独立于开关电路105操作，其中二极管电桥225齐纳电压和第一齐纳二极管210齐纳电压影响该钳位电路125的剩余部分的激活。为了选择该钳位电路 125部件的值，第一齐纳二极管210的齐纳电压要大于由开关电路105控制的操作电路的操作或工作电压。MOSFET 205值或任何其他电子有源开关电路值应该基于电感负载115的行为以及由开关电路105控制的电路的操作或工作电压选择。MOSFET 205(或任何其他电子有源开关电路)选择成具有安全操作区，其满足预期的大能量耗散。意识到这些实际值的选择将取决于其中要提供开关电路105和钳位电路125的环境，以及权利要求的范围不取决于电路部件值。
因此，现在将描述参照图2说明的电路200的说明性操作。开关电路105能操作成接通和切断到电感负载115的电力供应110。在一个示例中，开关控制120可用来控制开关电路105。当开关电路105断开时，电流不从电力供应110流到电感负载115。然而，当开关电路105断开时，能量将由电感负载115产生，引起跨开关电路105的电压。例如，在开关电路105中连接到中性AC或DC地线的点将关于连接到地线的相反点变负。因此，跨开关电路105(这两个点)的电压将增加到DC电压加上由电感负载115产生的电压。该电压中的增加可超过开关电路105的最大额定电压是可能的，本文也可交换地称为“电压尖峰”或“过电压”。从而，上文描述的钳位电路125用于保护在开关电路105(或在操作电路中的任何其他点)的任何过电压或电压尖峰。在其中电力供应110是AC电力供应的实施例中，二极管桥式整流器电路225将跨开关电路105(以及同样跨二极管桥式整流器电路225的输入227)产生的AC过电压转换成 DC。当跨开关电路105产生的过电压跨二极管桥式整流器电路225增加时，它将达到将激活MOSFET 205的某个电压水平。根据该实施例，该激活电压水平取决于跨二极管电桥225 的任何电压降、第一齐纳二极管210的齐纳电压和MOSFET 205的栅极到源极电压阈值。在该激活电压水平，M0SFET205将激活并且电流将从中流过。当MOSFET 205(或任何其他电子有源开关装置)工作时，电流从电力供应110流过钳位电路(通过MOSFET 205)，并且然后通过电感负载115到地线。因此，表示由电压钳位电路125提供的电压极限的钳位电压 (Vclampl)取决于整流器电路(如果提供的话)的设计和值、第一齐纳二极管210 (或二极管)的设计和值，以及MOSFET 205的设计和值。作为说明示例，具有200伏特的最大操作电压的开关电路105可以被提供以与具有标称操作电压125伏特的电路一起使用。如果第一齐纳二极管210具有近似160伏特的齐纳电压，并且MOSFET 205的栅极到源极电压阈值是大约4伏特，那么钳位电压将在或靠近164伏特(加上由二极管桥式整流器电路225(如果利用的话)引起的任何另外的电压降)。意识到，前面提到的值仅提供用于说明目的，并且不意为限制性的。可根据期望选择任何部件设计和值，其可部分取决于电力供应、负载、开关电路和/或应用电压钳位电路 125的任何其他操作电路或负载。图3图示根据另一个示例实施例的包括开关电路和电压钳位电路的电路300的示意表示。根据该实施例，该电压钳位电路125还包括如参照图2描述的体现为MOSFET器件 205的电子有源开关装置和二极管桥式整流器电路225(尽管，意识到参照图3描述的特征可同样应用于本文描述的任何其他实施例)。然而，根据该实施例，钳位检测和激活电路包括至少两个串联连接并且跨MOSFET 205的栅极和漏极连接的齐纳二极管305、310。另外， 开关315、320与每个齐纳二极管305、310并联连接。通过包括串联的齐纳二极管305、310，激活MOSFET 205 (或其他电子有源开关装置)的钳位电路125的钳位电压可以通过调节齐纳二极管305、310的齐纳电压值来调节。由于它们的串联关系，齐纳二极管305、310的齐纳电压加在一起影响激活电压来激活 M0SFET205和从而影响电压钳位电路125的钳位电压。通过包括与相应齐纳二极管305、310并联的开关315、320，可以控制相应齐纳电压的相加效应。例如，在两个二极管305、310和两个开关315、320的情况下，可提供下列状态。在第一状态中，两个开关315、320开路将引起电流流过两个齐纳二极管305、310，引起两个二极管的齐纳电压的相加效应以贡献钳位电压使得除非至少达到两个二极管的齐纳电压的总和否则MOSFET将不激活。在第二状态中，第一开关315开路并且第二开关320闭合将引起电流流过第一齐纳二极管305但通过第二开关320代替第二齐纳二极管310，其进而导致钳位电压仅取决于第一齐纳二极管305的齐纳电压。相似地，在第三态中，其中仅第二开关320开路，钳位电压将仅取决于第二齐纳二极管310。在第四状态中，其中两个开关 315,320都闭合，钳位电压根本不取决于齐纳二极管305、310，因为电流将反而流过两个开关到MOSFET 205的栅极。在该第四状态中，钳位电压取决于栅极到源极阈值电压和在二极管电桥225的任何压降。因此，齐纳二极管305、310值可以选择使得相应开关315、320的选择性操作将引起钳位电路125的钳位电压中的期望变化。意识到，这些齐纳电压值可根据期望是相同或不同的齐纳电压。此外，进一步意识到，尽管图3图示两个齐纳二极管305、310和开关315、 320，可以根据期望利用任何数目的部件来允许钳位电压的更灵敏和/或更宽范围的选择。根据各种实施例，开关315、320可人工操作(例如，机械开关)，是电子开关或电动机械开关。例如，电子或电动机械开关315、320可由基于计算机处理器的装置控制，基于计算机处理器的装置包含在一些实施例中可利用用户设置或命令、环境状况和/或电路状况来选择性地控制开关315、320的操作逻辑。图4图示根据另一个示例实施例的包括开关电路和电压钳位电路的电路400的示意表示。根据该实施例，该电压钳位电路125还包括如参照图2描述的体现为MOSFET器件205的电子有源开关装置和二极管桥式整流器电路225 (尽管，意识到参照图4描述的特征可同样应用于本文描述的任何其他实施例)。然而，根据该实施例，另外的可变电阻装置 405与该二极管桥式整流器电路225的输出和该MOSFET 205的源极连接。该另外的可变电阻装置405可以是但不限于变阻器、电势计等。然而，在一些实施例中，代替可变电阻装置，可提供固定电阻器。由该可变电阻装置405形成的另外的电阻操作成限制流过钳位电路125到MOSFET 205 (或任何其他电子有源开关装置)的电流。例如， 当过电压超过第一齐纳二极管210的齐纳电压时，电流将流过该可变电阻装置405(或任何其他电阻器)。电压将增加直到近似为第一齐纳二极管210的齐纳电压和第二齐纳二极管 220的齐纳电压的总和。当通过该可变电阻装置405的电流达到它的阈值时，跨该可变电阻装置405的电压降和MOSFET 205的栅极到源极阈值电压达到第二齐纳二极管220的齐纳电压，其导致通过钳位电路125的电流达到最大电流水平。如果电流试图增加超出该最大水平，MOSFET 205没有获得足够的栅极到源极电压阈值并且试图去激活或切断。在试图去激活时，通过该可变电阻装置405的电流减少并且电压钳位行为继续进行，同时电流水平受控。在其中代替可变电阻装置405利用固定电阻器的实施例中，电流保护极限将基于该固定电阻、MOSFET 205的栅极到源极阈值电压和第二齐纳二极管220的齐纳电压而固定。然而，通过使用可变电阻装置405(例如，但不限于电势计)，可以调节电流保护水平(假定该可变电阻装置405可以耐受在钳位电路125中经历的功率水平)。像参照图3描述的开关，可变电阻装置405可人工控制(例如，机械地)或可电子控制，例如由基于计算机处理器的装置，其包含在一些实施例中可利用用户设置或命令、环境状况和/或电路状况来控制电阻的操作逻辑。
图5图示根据另一个示例实施例的包括开关电路和电压钳位电路的电路500的示意表示。根据该实施例，除参照图4描述的可变电阻装置405之外，该电压钳位电路125还包括如参照图3描述的串联齐纳二极管305、310和并联开关315、320，从而允许可调节的钳位电压和可调节的电流保护极限。图6图示根据另一个示例实施例的包括开关电路和电压钳位电路的电路600的示意表示。根据该实施例，电压钳位电路125包括体现为绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件605 的电子有源开关装置。根据该实施例，整流器电路与钳位检测和激活电路可提供为参照本文其他实施例描述的那样。另外，可可选地包括例如参照图3描述的等可调节钳位电压电路和/或例如参照图4描述的等可调节电流保护电路。图7图示根据另一个示例实施例的包括开关电路和电压钳位电路的电路700的示意表示。根据该实施例，电压钳位电路125包括体现为双极结晶体管(BJT)器件705的电子有源开关装置。除之前描述的整流器电路与钳位检测和激活电路之外，可提供与该BJT 器件705串联的一个或多个另外的电阻器来限制流过基极和/或发射极的电流。例如，根据该实施例，至少一个第二电阻器710提供成与基极串联，并且至少一个第三电阻器715提供成与发射极串联。提供该第二电阻器710和第三电阻器715的电阻值和/或部件的选择将取决于开关电路105和钳位电路125要提供在其中的环境。进一步意识到，可可选地与该BJT器件705 —起包括例如参照图3描述的等可调节钳位电压电路和/或例如参照图4 描述的等可调节电流保护电路。图8图示根据另一个示例实施例的包括开关电路和电压钳位电路的电路800的示意表示。根据该实施例，电压钳位电路125包括体现为达林顿对晶体管器件805的电子有源开关装置。像参照图7描述的BJT装置，该达林顿对晶体管器件805可进一步包括一个或多个另外的串联连接的电阻器来限制流过基极和/或发射极的电流。例如，根据该实施例，至少一个第二电阻器810提供成与基极串联，并且至少一个第三电阻器815提供成与发射极串联。提供该第二电阻器810和第三电阻器815的电阻值和/或部件的选择将取决于开关电路105和钳位电路125要提供在其中的环境。进一步意识到，可可选地与该达林顿对晶体管器件805 —起包括例如参照图3描述的等可调节钳位电压电路和/或例如参照图 4描述的等可调节电流保护电路。意识到，参照图1-8图示和描述的系统和对应电路配置仅提供成用于说明性目的，并且许多其他系统、电路配置和/或系统部件的数目可以采用类似的方式提供。例如， 除了限制跨开关电路(其能操作成开关电感负载)的电压之外，本文描述的钳位电路实施例可同样作为瞬态抑制器电路使用来对其他操作电路快速限制电压尖峰或过电压和/或当限制对应瞬态能量时来使用。意识到不是必须用于开关保护而相反用于其他操作电路或电子设备的本文描述的电压钳位电路的其他使用将通过前述说明是明显的。因此，本文描述的各种实施例提供电压钳位电路，其包括电子有源开关装置、钳位检测和激活电路以及可选地还包括整流器电路来整流AC电流并且处理双向电流。这些实施例提供通过该电子有源开关装置与钳位检测和激活电路的选择和设计限制电压尖峰或过电压的技术效果。可以获得另外的技术效果，例如利用多个二极管和开关对获得选择的或可调节的钳位电压，以及利用可调节的电阻装置(或固定电阻器)获得选择的或可调节的电流极限保护等。
包含这些说明的对本文阐述的示范性说明的许多修改和其他实施例将被得益于在前述说明和关联的图中提出的教导的技术人员想到。从而，将意识到本发明可采用许多形式体现并且不应该限制于上文描述的示范性实施例。因此，要理解本发明不限于公开的特定实施例并且修改和其他实施例意在包括在附上的权利要求的范围内。尽管本文采用特定术语，它们仅在一般和描述意义上使用并且不是为了限制的目的。部件列表
权利要求
1.一种电压钳位电子电路装置，其包括能操作成用于选择性地开关从电力供应(110)到电感负载(115)的电流的开关电路 (105)；以及与开关电路(10 并联连接的电压钳位电路(125)，所述电压钳位电路(12 包括整流器电路025)，其包括输入(227)和输出0四)，所述输入(227)跨所述开关电路 (105)并联连接；与所述整流器电路025)的所述输出(229)并联连接的电子有源开关装置(130)；以及至少一个与所述电子有源开关装置(130)并联连接的齐纳二极管O10)；其中当所述开关电路(105)处于开路连接并且跨所述开关电路(105)、所述电子有源开关装置(130)和所述至少一个齐纳二极管O10)的电压满足或超过预定值时，电流将流过所述电子有源开关装置(130)并且将跨所述开关电路(105)的电压限制在电压钳位电路电压极限(Vclamp)内。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述电子有源开关装置(130)包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) (205)。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述至少一个齐纳二极管O10)跨所述 MOSFET (205)的漏极和栅极与所述MOSFET (205)连接。
4.如权利要求2所述的装置，进一步包括至少一个电阻器015)，其与所述整流器电路025)的一个输出(229)连接并且跨所述M0SFET(205)的栅极和源极与所述MOSFET(205)连接，所述至少一个电阻器(215)能操作成供应偏压给所述MOSFET (20 的栅极；以及至少一个保护齐纳二极管020)，其与所述整流器电路(225)的一个输出(229)连接并且跨所述MOSFET (205)的栅极和源极与所述MOSFET (205)连接，所述至少一个保护齐纳二极管(220)能操作成限制跨所述MOSFET (205)的栅极和源极的电压。
5.如权利要求2所述的装置，其中所述Vclamp取决于所述至少一个齐纳二极管(210) 的齐纳电压和所述MOSFET (205)的栅极到源极电压的总和。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述Vclamp取决于所述至少一个齐纳二极管(210) 的齐纳电压和所述电子有源开关装置(130)的电压极限的总和。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个齐纳二极管(210)包括至少两个串联连接的齐纳二极管(305、310)。
8.如权利要求7所述的装置，进一步包括至少两个开关(315、320)，所述至少两个开关 (315,320)中的每个与所述至少两个齐纳二极管(305、310)中的相应一个并联连接。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述至少两个齐纳二极管(305、310)中的每个具有贡献所述Vclamp的相应齐纳电压，并且其中断开所述至少两个开关(315、320)中的每个将所述Vclamp增加与所述断开的开关并联连接的相应齐纳二极管的齐纳电压。
10.如权利要求1所述的装置，进一步包括至少一个与所述整流器电路(22 的一个输出(229)并联连接并且与所述电子有源开关装置(130)的源极串联连接的电阻器005)，其中所述至少一个电阻器G05)能操作成限制流入所述电子有源开关装置(130)的电流。
全文摘要
本发明涉及用于限制跨开关的电压的系统、方法和设备。提供用于利用电压钳位电路(125)限制跨开关(105)的电压的系统、方法和设备。该电压钳位电路(125)可包括整流器电路(225)，其包括输入(227)和输出(229)，这些输入(227)跨操作电路并联连接；与该整流器电路(225)的这些输出(229)并联连接的电子有源开关装置(130)；以及至少一个与该电子有源开关装置(130)并联连接的齐纳二极管(210)。当跨该电子有源开关装置(130)和该齐纳二极管(210)的电压满足或超过预定值时，电流将流过该电子有源开关装置(130)并且将跨该操作电路的电压限制在电压钳位电路(125)电压极限内。
文档编号H03K17/08GK102347752SQ20111022196
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者P·V·阿查亚, V·S·马格杜姆 申请人:通用电气公司