专利名称：电路的过电压保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种保护电子装置免受供电干线上发生的过电压损害的装置。
背景技术：
文档WO 2006/129005揭示了一种抵抗供电干线产生的过电压的保护装置。该装置包括，特别地，两个串联连接的场效应晶体管(FET)，当电流超过它们的电流限制时能起到限流作用。但是，当供电干线上由于电感性或电容性负载的切换而产生过电压时，每次切换4喿作都可能出现巨大的电压变化。既然现有技术中该装置的输出电压由transil 二极管类型的并联限制方法确定，所有其余的过电压将应用于结型场效应晶体管(JFET)。在切换过电压期间产生的电感性电流可能比JFET的电流限制高很多。在此情况下，穿过系统端子的电压增加得很快，直至一晶体管达到雪崩才莫式而由此不再限制电流。那么晶体管中耗散的能量是相当大的，并且可能导致元件的损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子系统的保护装置，能够有效抵抗供电干线上出现的不同类型的过电压，而不论其由主干线上的雷击或是负载切换操作而产生，并且允许达到过电压期间的非破坏性的能量耗散以及标称操作期间很少的能量耗散。
上述目标由一种过电压保护装置来实现，其包括一意欲连接至电源干线的输入，和一意欲连接至被保护的电子系统的输出，其特征在于包括
-两个常接通型双向场效应半导体晶体管，在输入和输出之间串联连接，由宽带隙材料制造，并能在限流模式下运行；和
- 一电阻器，与所述两个晶体管并联连接。本发明的装置特别适用于保护连接至配电干线的任何电子系统。本发明的装置特别适用于为电容性电源系统提供有效保护。这是因为，这种特定类型的装置从供电干线上汲取很少的电量，本发明不仅使过电压保护最小化成为可能，而且使相当大地改善能量效率并由此降低热量耗散成为可能。
根据一个特征，所述装置的两个半导体晶体管是JFET晶体管。根据另一个特征，所述装置的半导体晶体管背对背连接，由此，第一半导体晶体管的漏极连接至供电干线，第二半导体晶体管的漏极连接至被保护
的电子系统，位于下游，所述半导体晶体管的源极连接在一起，并且所述两个半导体晶体管的栅极也连接在一起且每一个都环绕接回至源极的公用电位端。
根据另 一个特征，所述装置的两个半导体晶体管由碳化硅或氮化镓制造。
根据另一个特征，所述装置包括一双向transil 二极管或一变阻器，与输出并联连接至所述两个半导体晶体管的下游。
本发明还涉及一种被保护的电子系统，具有意欲连接至电源干线的正端子和负端子，该系统包括如下所述的保护装置作为输入，所述装置串联接连至其正端子或其负端子。
根据一个特征，所述系统由一电源系统组成，该系统包括一整流器模块，用于在直流总线上产生直流电压，和一总线电容器，连接在直流总线的正线和负线之间。
根据另一个特征，所述电源系统包括一输入电容器，在正端子或负端子之间串联连接，保护装置的下游。
其它的特征和优点将在随后的详细描述中，参照经由示例给出的实施例及由附加的附图描述来展现
-图1示出本发明的一保护装置，适合于任何连接至配电干线的电子系统；和
-图2示出本发明的一保护装置，.适合于一电容性电源系统。
具体实施方式
在阐述的其余部分，可了解到所述保护装置2适合于保护与交流电源干线A连接的任何类型的电子系统3,从而能够经受来自该干线A的不同类型的干扰。例如，所述净皮保护的电子系统3可以是电容性的电源系统30。
图1所示的本发明的保护装置2包括一意欲连接至电源干线A的正端子或负端子的输入20，和一意欲连接至被保护的电子系统3的输出21。在输入20和输出21之间，保护装置2包括两个，例如相同的双向场效应半导体晶体管Tl和T2。所述两个半导体晶体管Tl、 T2串联连接并作为限流器连接起来。这些半导体晶体管T1、 T2由宽带隙材料制造，诸如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)，因此可以提供给它们一低的导通状态电阻器&s，。"，并且能够经
受住高压(大约1000 V)。
这些场效应半导体晶体管Tl、 T2优选是JFET晶体管。JFET晶体管是公知的半导体元件，包括一控制栅极(G)，其功能在于允许或阻止电流在漏极(D)和源极(S)之间的流动。当缺少栅极和源极之间的控制电压^时，如果漏极-源极路径是导通的，这种晶体管被称为常接通型。相反的，当缺少栅极和源极之间的电压^s时，如果漏极-源极路径是非导通的，这种晶体管被称为常断开型。在本发明中，所述半导体晶体管T1、 T2(此后称为晶体管)属于常接通型。
如图l所示，晶体管T1、 T2作为限流器连接，并和被保护的电子系统3串联连接，位于下游。它们背对背连接，以这种方式，晶体管T1的漏极(D)连接至供电干线A，晶体管T2的漏极(D)连接至被保护的电子系统3，位于下游，晶体管T1、 T2的源极(S)连接在一起，并且两个晶体管的栅极(G)也连接在一起且每一个都环绕接回至源极(S)的公用电位端。
才艮据本发明，为保护位于下游的电子系统3免受供电干线上因雷击而产生的过电压，本发明的保护装置2包括一变阻器型的限幅器(clipper)或者一双向transil二极管Dl，与输出21并联连接在晶体管T2的下游。两个晶体管T1、 T2和如图1中所示由二极管D1形成的限幅器的组合，使得位于下游的电路3不受高能量过电压的损害，而不会使装置的体积过大。transil二极管Dl的目的是固定装置输出的电压最大值，并在过电压期间提供电流的优先路径。可以想象的是，如果总线电容器Cb具有这样的电容量，使得在过电压期间其端子间产生的电压增量不超过连接在下游的电子系统3所允许的最大电压，则可以省略该transil 二极管D1 。较之传统的装置，通过其原理，JFET晶体管在限流冲莫式下的运行大幅减少了由过电压引起的电流，并由此减少保护装置吸收的能量。借助于过电压的幅值，将要耗散的剩余能量分布在transil 二极管Dl和两个串连连接的晶体管T1、 T2之间。直到过电压达到接近transil 二极管Dl的断开电压时，绝大部分能量在该tranil中耗散。对于过电压较高时，晶体管Tl和T2接替耗散额外的能量。
每个晶体管Tl、 T2的电流限制由如下方法选择，即能够为电子系统3的负荷传递足够的起动电流。为优化防雷过电压保护，降低电流限制至负荷正常运行所需的最小值，使得降低在过电压的情况下耗散的能量，不论该耗散是每个晶体管T1、 T2中的或transil二极管Dl中的。但是，当过电压由供电千线A上的电感性或电容性负载切换造成时，每次切换操作都会产生巨大的电压变化。既然本发明的装置的输出电压由transil 二极管Dl确定，所有其余的过电压都施加于晶体管T1、 T2。在切换过电压期间产生的电感性电流可能远远高于晶体管Tl、 T2的电流限制。在此情况下，装置2端子之间的电压急剧增加直至晶体管Tl、 T2到达雪崩模式而由此不再限流。因此晶体管中寿毛散的能量相当大，而且可能导致其元件的损坏。
为解决切换过电压的问题，将晶体管Tl、 T2设计为能够承受最大能量是可能的。但是，该解决方法是相当昂贵的。可以选择地，可以与两个JFET晶体管并^i文置一适合规格的电阻器Rl，由此能够在其中耗散由切换过电压造成的所有能量。在该选择中，每个晶体管Tl、 T2由此可以保持适度的大小和合理价格。因此，并联连接的电阻器R1的规格必须选择在能够限制电压至晶体管T1、 T2能承受的最大电压以下。
需要注意的是，JFET晶体管的限流特征取决于温度。在过电压期间电压增大，首先在transil 二极管Dl中观察到耗散，然后是在晶体管T1、 T2中，这导致晶体管逐步受热，因此降低了限流水平。当发生雷击感应过电压时，热效应则是受欢迎的，因为其可能限制要耗散的能量，既然JFET和tmnsil二极管本身的电流受限。相反地，当出现切换过电压和感应电流时，电流不再流经JFET,导致电压迅速上升至JFET的雪崩阈值，在该阈值之上，电流可以不受任何限制地流经JFET晶体管。依照本发明，电阻器Rl并联连接至JFET,由此一旦下面的公式得到满足时，就建立起感应电流的一条通路
<formula>formula see original document page 6</formula>由此，借助Imax(电感性电流)的最大值，可以限定一电阻器Rl使得〃-小于"w ，以避免jfeT进入雪崩模式。由此JFET的温度灵敏性可促进传递至电阻器R1的能量耗散，因此改善装置的鲁棒性。
设计示例
300VA干线上的电感性负载= 1.8A;JFET晶体管的限流7"^服=0.1 A;JFET晶体管的最大耐受电压= 2000V;给定值Rl = "wrar/(7, -Aim/rer) =1176 ohms.
参照图2，被保护的电子系统3，诸如一供电系统30，其目的为提供一电气负载C。这样的电源系统30包括两个输入端子-一正端子和一负端子-设定其连接至采用交流电压的供电干线A，例如相当于230 VAC或400 VAC，产生于诸如50Hz的频率。该系统还包括，作为输入， 一整流器模块33，例如由二极管桥路组成，其在直流总线上从供电干线A的交流电压产生直流电压； 一总线电容器Cb,连接在总线的正线31和负线32之间，整流器模块33的下游； 一输入电容器Cl,其一端连接至正端子，并且另一端连接至二极管桥路的一个分支。系统30也可以包括限制从电源系统传递来的电压的装置，包括例如一齐纳二极管Dz,连接在总线的正线31和负线32之间，总线电容器Cb的下游。
在图2中，本发明的保护装置2由此设置在前述的电容性电源系统的上游。所述装置2针对供电系统可能经受的不同类型的过电压提供保护，特别
还具有通过限制起动电流而保护电源系统30免受当施加电压时出现的过电流的优点。情况是这样的，当起动电源系统时，输入电容器C1所经历的剧烈电压变化导致一大电流涌入通过两个晶体管T1、 T2。当电流增大且超过晶体管T1的电流限制时，晶体管Tl切换到其限制模式，造成其内阻增加。随着晶体管阻值增加，其端子间的电压也增加。同样的情形也发生在晶体管T2上。由此，在起动时发生的大电压变化被晶体管所吸收。在常态运行中，两个晶体管T1、 T2的接通状态电阻很低，因此仅产生很少的耗散损失。
当然，在不偏离本发明的范围内其他不同的实施例和详细的改进是可以想象的，并且等同手段的应用是可以设想的。
权利要求
1、一种过电压保护装置(2)，包括一意欲连接至电源干线(A)的输入(20)，和一意欲连接至被保护的电子系统(3)的输出(21)，其特征在于包括-两个常接通型双向场效应半导体晶体管(T1，T2)，在输入(20)和输出(21)之间串联连接，它们由宽带隙材料制造，并能在限流模式下运行；和-一电阻器(R1)，与所述两个晶体管(T1，T2)并联连接。
2、 如权利要求l所述的装置，其特征在于所述两个半导体晶体管(T1, T2)是JFET晶体管。
3、 如权利要求2所述的装置，其特征在于所述半导体晶体管(Tl， T2) 背对背连接，以这种方式，第一半导体晶体管(Tl)的漏极(D)连接至供 电干线(A)，第二半导体晶体管(T2)的漏极(D)连接至被保护的电子系 统(3)，位于下游，所述半导体晶体管(Tl， T2)的源极(S)连接在一起， 并且所述两个半导体晶体管(Tl, T2)的栅极(G)也连接在一起且每一个 都环绕接回至源极(S)的公用电位端。
4、 如权利要求2或3所述的装置，其特征在于所述两个半导体晶体管 (Tl, T2)由碳化硅或氮化镓制造。
5、 如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于它包括一双向transil 二极管(Dl)或一变阻器，与输出(21)并联连接至所述两个半导体晶体管 (Tl, T2)的下游。
6、 一种被保护的电子系统(3)，具有意欲连接至电源干线(A)的正端 子和负端子，其特征在于它包括如权利要求1至5之一所述的保护装置(2 ) 作为输入，所述装置串联接连至其正端子或其负端子。
7、 如权利要求6所述的系统，其特征在于它由一电源系统组成，包括一 整流器模块(33)，用于在直流总线上产生直流电压，和一总线电容器(Cb)， 连接在直流总线的正线(31)和负线(32)之间。
8、 如权利要求6或7所述的系统，其特征在于电源系统包括一输入电容 器(Cl)，在正端子或负端子之间串联连接，保护装置(2)的下游。
全文摘要
本发明涉及一种过电压保护装置(2)，包括一意欲连接至电源干线(A)的输入(20)，和一意欲连接至被保护的电子系统(3)的输出(21)，所述装置包括-两个常接通型双向场效应半导体晶体管(T1，T2)，在输入(20)和输出(21)之间串联连接，它们由宽带隙材料制造，并能在限流模式下运行；和-一电阻器(R1)，与所述两个晶体管(T1，T2)并联连接。
文档编号H02H9/04GK101626157SQ200910163968
公开日2010年1月13日 申请日期2009年5月20日 优先权日2008年5月20日
发明者塞巴斯蒂恩·卡库特, 迪迪尔·伦纳德 申请人:施耐德电器工业公司