CN102668292A - 用于提供浪涌保护的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于提供浪涌保护的系统和方法。该系统包括用于保护耦合到电源（102）的负载（104）的浪涌保护器（100）。浪涌保护器（100）包括：输入端，其具有分别耦合到电源（102）的火线、中性线和地线连接线的第一节点、第二节点和第三节点；输出端，其具有分别耦合到负载（104）的火线、中性线和地线连接线的第四节点、第五节点和第六节点；第一电压限制电路（110），其耦合在第四节点和第五节点之间；第一电感器（116），其耦合在第一节点和第四节点之间；以及第二电压限制电路（106），其耦合在第一节点和第二节点之间。该系统和方法保护敏感电路免受电力线上的电力浪涌。

Description

用于提供浪涌保护的系统和方法

背景

发明领域

根据本发明的至少一些实施方式通常涉及对在耦合到敏感负载的电力线上的电力浪涌提供防护的配电产品和方法。

相关技术的讨论

在电力线中的电力浪涌可能永久地损坏计算机、电视机以及在家里和在办公室或工业环境中使用的其它敏感设备。具有浪涌保护以向敏感部件提供电力的电源板是已知的，并且对可能出现的一些但不是所有电力浪涌事件是有效的。虽然额外的部件可被添加到现有的设备以提供额外保护，额外的成本和尺寸的增加常常不能证明所产生的额外保护是合理的。

发明概述

本发明的第一方面目的在于用于保护耦合到电源的负载的浪涌保护器。浪涌保护器包括：输入端，其具有分别耦合到电源的火线、中性线和地线连接线的第一节点、第二节点和第三节点；输出端，其具有分别耦合到负载的火线、中性线和地线连接线的第四节点、第五节点和第六节点；第一电压限制电路，其耦合在第四节点和第五节点之间；第一电感器，其耦合在第一节点和第四节点之间；以及第二电压限制电路，其耦合在第一节点和第二节点之间。

浪涌保护器可包括耦合在第五节点和第六节点之间的第三电压限制电路、耦合在第二节点和第五节点之间的第二电感器、以及耦合在第二节点和第三节点之间的第四电压限制电路。浪涌保护器还可包括耦合在第四节点和第六节点之间的第五电压限制电路。第二电压限制电路可包括第一气体放电管，并可包括与第一气体放电管串联地耦合的电阻设备，且电阻设备可包括正温度系数电阻器。第一、第三和第五电压限制电路中的每个可包括金属氧化物变阻器，而第四电压限制电路可包括气体放电管。第一、第二、第三、第四和第五电压限制电路中的每个具有触发电压，且第二和第四电压限制电路的触发电压可大于第一、第三和第五电压限制电路的触发电压。

本发明的第二方面目的在于保护负载免受电力浪涌的方法，负载具有电力输入端，该电力输入端具有分别耦合到电源的火线、中性线和地线连接线的第一节点、第二节点和第三节点。该方法包括响应于横跨火线和中性线连接线的电力电压浪涌使用耦合在第一节点和第二节点之间的第一电压限制电路来限制横跨第一节点和第二节点的电压，使用耦合在火线连接线和第一节点之间的串联电感来限制穿过第一电压限制电路的来自横跨火线和中性线连接线的电力浪涌的电流，以及响应于横跨火线和中性线连接线的电力电压浪涌使用耦合在电源的火线连接线和中性线连接线之间的第二电压限制电路来限制横跨火线连接线和中性线连接线的电压。

该方法还可包括响应于横跨中性线和地线连接线的电力电压浪涌使用耦合在第二节点和第三节点之间的第三电压限制电路来限制横跨第二节点和第三节点的电压，使用耦合在中性线连接线和第二节点之间的串联电感来限制穿过第三电压限制电路的来自横跨中性线和地线连接线的电力浪涌的电流，以及响应于横跨中性线和地线连接线的电力电压浪涌使用耦合在电源的中性线连接线和地线连接线之间的第四电压限制电路来限制横跨中性线连接线和地线连接线的电压。该方法还可包括响应于横跨火线和地线连接线的电力电压浪涌使用耦合在第一节点和第三节点之间的第五电压限制电路来限制横跨第一节点和第三节点的电压。第一电压限制电路可具有比第二电压限制电路低的触发电压，且该方法还可包括在接通第二电压限制电路之前接通第一电压限制电路。第三电压限制电路可具有比第四电压限制电路低的触发电压，且该方法还可包括在接通第四电压限制电路之前接通第三电压限制电路。该方法还可包括在第一电压限制电路中使用金属氧化物变阻器和在第二电压限制电路中使用气体放电管，在第三电压限制电路中使用金属氧化物变阻器，以及在第五电压限制电路中使用金属氧化物变阻器。

附图的简要说明

附图没有被规定为按比例绘制。在附图中，在不同图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相似的数字表示。为了清楚的目的，不是每个部件可都在每个附图中标出。在附图中：

图1是根据一个实施方式的浪涌保护器的功能方框图；以及

图2是根据一个实施方式的浪涌保护器的电路图。

详细描述

本文所述的系统和方法在其应用中不限于在描述中阐述和在附图中示出的部件的结构和布置的细节。本发明能够有其它实施方式，并且以各种方式被实践或实现。此外，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被视为限制性的。“including（包括）”、“comprising（包括）”、“having（具有）”、“containing（包含）”、“involving（包括）”及其变形的使用意指包括其后列出的项目及其等效形式以及额外的项目。

本文公开的至少一个实施方式目的在于用于保护敏感设备的、具有提高的性能的浪涌保护设备。浪涌保护设备可合并在配电盘例如从本申请的受让人——MA的West Kingston的American Power Conversion（APC）公司可得到的配电盘。通常，浪涌保护设备设计成满足一个或多个工业标准，包括由Underwriters Laboratories（UL）发布的那些标准。更具体地，标题为“Standards for Safety for Surge Protective Devices”的UL 1449提供了浪涌保护设备的标准，且UL 1449的最近发行的第三版提供了用于测量浪涌保护器的限制电压（VPR）的测试脉冲的测试电流的增加。UL 1449第二版要求6kV/0.5kA的测试脉冲，而UL 1449第三版要求6kV/3kA的测试脉冲。当以UL 1449第三版水平测试时，本文公开的至少一些实施方式提供了小于330伏的VPR。

现在将参考图1描述浪涌保护器100的一个实施方式，图1示出浪涌保护器的方框图。浪涌保护器100被示为耦合到输入供电网102以接收电力，并耦合到受保护的负载104。浪涌保护器和供电网之间的接口可使用标准三线电源线和连接器来实现，且在浪涌保护器的输出端处设置的接口可以是合并到电源板中的一个或多个标准电源插座。如图1所示，来自供电网的输入端包括三个导体，导体包括火线导体、中性线导体和地线导体，且类似地，从浪涌保护器100到负载的接口包括火线导体、中性线导体和地线导体。

浪涌保护器100包括五个电压限制电路106、108、110、112和114以及两个去耦电路116和118。第一去耦电路116串联耦合在浪涌保护器的火线输入端和火线输出端之间，而第二去耦电路串联耦合在浪涌保护器的中性线输入端和中性线输出端之间。这五个电压限制电路中的每个横跨两个输入导体或两个输出导体而并联耦合。电压限制电路106横跨输入火线导体和中性线导体而耦合，电压限制电路108横跨输入中性线导体和地线导体而耦合，电压限制电路110横跨输出火线导体和中性线导体而耦合，电压限制电路112横跨输出中性线导体和地线导体而耦合，以及电压限制电路114横跨输出火线导体和地线导体而耦合。

在一个实施方式中，使用非线性部件例如MOV、GDT、TVS和类似部件或部件的组合来实现电压限制电路。在这个实施方式中的去耦电路包括具有随着输入信号频率而增加的串行阻抗并可经得起高电压的设备，且在一个实施方式中，如下所述，使用电感器来实现去耦电路。通常，后端电压限制电路110、112和114设计成具有比前端电压限制电路106和108低的触发电压，而前端电压限制电路106和108设计成具有比后端电压限制电路110、112和114高的电流能力。此外，前端电压电路的残余电压特征设计成比后端电压限制电路的残余电压特征低。

浪涌保护器100提供对出现在输入火线和中性线之间、在输入火线和地线之间以及在输入中性线和地线之间的电压的对负载的防护。现在将对这三个浪涌条件的每个讨论浪涌保护器100的操作。

浪涌保护器100响应于在火线和中性线之间的供电网输入处的浪涌（例如，UL 1449第三版的6kV/3kA浪涌）如下操作。首先，一旦电压限制电路110的触发电压被达到，则电压限制电路110就将接通，且穿过该电路的电流将增加。电流是脉冲电流，且一旦电压限制电路110被触发，横跨去耦电路116和118的电压就将开始升高。横跨去耦电路的电压的升高使横跨电压限制电路106的电压增加。一旦横跨电压限制电路106的电压达到其触发电压，则电压限制电路106就将接通。如上所述，电压限制电路106具有比电压限制电路110低的残余电压和高的电流能力，且一旦电压限制电路106被触发，则来自浪涌的大部分电流就将穿过电压限制电路106。浪涌保护器100的设计允许穿过电压限制电路110的最大电流被控制，且因此允许横跨电路110的电压被控制。横跨电压限制电路110的电压是出现在负载两端的电压VPR火线到中性线。在一个实施方式中，VPR火线到中性线设计成小于330伏。

对于在火线和地线之间的供电网输入处出现的浪涌，浪涌保护器100如下操作。首先，一旦电压限制电路114的触发电压被达到，则电压限制电路114就接通且穿过该电路的电流将增加。电流是脉冲电流，且一旦电压限制电路114被触发，横跨去耦电路116的电压就将开始升高。横跨去耦电路116的电压的升高使横跨电压限制电路106和108的电压增加。一旦横跨电压限制电路106和108的电压达到对这些电路的触发电压，则电压限制电路106和108就将接通。如上所述，电压限制电路106和108具有比电压限制电路114低的残余电压和高的电流能力，且一旦电压限制电路106和108被触发，则来自浪涌的大部分电流就将穿过电压限制电路106和108。浪涌保护器100的设计允许穿过电压限制电路114的最大电流被控制，且因此允许横跨电路114的电压被控制。横跨电压限制电路114的电压是出现在负载两端的电压VPR火线到地线。在一个实施方式中，VPR火线到地线设计成小于330伏。

对于在中性线和地线之间的供电网输入处出现的浪涌，浪涌保护器100如下操作。首先，一旦电压限制电路112的触发电压被达到，则电压限制电路112就接通且穿过电路的电流将增加。电流是脉冲电流，且一旦电压限制电路112被触发，横跨去耦电路118的电压就将开始升高。横跨去耦电路118的电压的升高使横跨电压限制电路108的电压增加。一旦横跨电压限制电路108的电压达到对电压限制电路108的触发电压，则电压限制电路108就将接通。如上所述，电压限制电路108具有比电压限制电路112低的残余电压和高的电流能力，且一旦电压限制电路108被触发，则来自浪涌的大部分电流就将穿过电压限制电路108。浪涌保护器100的设计允许穿过电压限制电路112的最大电流被控制，且因此允许横跨电路112的电压被控制。横跨电压限制电路112的电压是出现在负载两端的电压VPR中性线到地线。在一个实施方式中，VPR中性线到地线设计成小于330伏。

图2示出浪涌保护器200的示意图。浪涌保护器200是以图1中的方框图形式示出的浪涌保护器100的一个电路实现。浪涌保护器200包括三个金属氧化物变阻器210、212和214、两个电感器214和218、两个气体放电管206和208以及正温度系数（PTC）电阻器207。在浪涌保护器200中，金属氧化物变阻器210、212和214分别起电压限制电路110、112和114的作用。电感器214和218起去耦电路114和118的作用。气体放电管208起电压限制设备108的作用，而气体放电管206与PTC电阻器207结合起电压限制设备106的作用。在本发明的实施方式中，PTC电阻器与气体放电管206串联连接，以在浪涌通过之后降低穿过气体放电管206的电流，以关掉气体放电管206。

在根据图2的电路图实现的实施方式中，使用具有400V的DC跳火电压的设备例如被标识为GD82R400的设备来实现气体放电管206和208中的每个，使用130V MOV例如被标识为GNR20D201K的MOV来实现MOV 210、212和214中的每个，以及使用LVR200S PTC设备来实现PTC电阻器207。此外，使用具有铁粉芯的10到100微亨电感器来实现电感器214和218。

在其它实施方式中，其它设备可用于实现根据本发明的具有结合图1的功能方框图描述的功能的电路。

在上面参考图1和图2描述的实施方式中，输入电压是单相120VAC。在其它实施方式中，如本领域的普通技术人员基于本公开容易理解的，浪涌保护器可设计成用于其它电压和多相输入。在具有多于一个输入相的实施方式中，额外的部件将添加到用于每个输入相线的浪涌保护器。

在不同的实施方式中，本文所述的浪涌保护器可用在具有用于提供电力的多个插座的电源板中或可在设备的电力输入点处用在敏感电子设备中，并且可也用在不间断电源（UPS）中以提供对UPS和对耦合到UPS的设备的保护。

上面描述的至少一个实施方式通过对出现在火线到中性线以及火线到地线和中性线到地线之间的浪涌提供保护而提供了优于一般浪涌保护器的优点。

至少一个实施方式提供了优于使用电容器的现有技术设备的优点，因为电容器一般在尺寸上相对大，并可能具有不希望有的泄露电流。此外，在本文所述的浪涌保护器的至少一些实施方式中使用的电感器对与浪涌保护器一起使用的负载提供额外的电力线滤波。

上面对前和后、左和右、顶和底、或上和下等的任何提及都是为了描述的方便而设计，而不是将当前的系统和方法或其部件限制到任一个位置或空间方向。

对在本文以单数表示的系统和方法的实施方式或元件或行动的任何提及也可包含包括多个这些元件的实施方式，且对本文的任何实施方式或元件或行动的任何复数提及也可包含只包括单个元件的实施方式。以单数或复数形式的提及并不是用来将当前公开的系统或方法、其部件、行动、或元件限制到单数或复数配置。

本文公开的任何实施方式可与任何其它实施方式组合，且对“实施方式”、“一些实施方式”、“可选的实施方式”、“各种实施方式”、“一个实施方式”等的提及不一定是相互排他的，而是用来指示结合实施方式描述的特定的特征、结构或特点可包括在至少一个实施方式中。如在本文使用的这样的项目不一定都指同一实施方式。任何实施方式可用与本文公开的方面和实施方式一致的方式与任何其它实施方式组合。

对“或”的提及可被解释为包括的，使得使用“或”描述的任何项目可指示所述项目中的单个、多于一个和全部。

在附图、详细描述或任何权利要求中的技术特征跟随有参考符号的场合，参考符号为了增加附图、详细描述和权利要求的可理解性的唯一目的而被包括。因此，参考符号和它们的缺乏都没有对任何权利要求要素的范围有任何限制性影响。

因此描述了本发明的至少一个实施方式的几个方面后，应认识到，本领域技术人员将容易想到各种更改、修改和改进。这样的更改、修改和改进被规定为本公开的部分，且被规定为在本发明的精神和范围内。因此，前述描述和附图仅作为例子。

Claims (18)

1.一种用于保护耦合到电源的负载的浪涌保护器，所述浪涌保护器包括：

输入端，其具有分别耦合到电源的火线连接线、中性线连接线和地线连接线的第一节点、第二节点和第三节点；

输出端，其具有分别耦合到所述负载的火线连接线、中性线连接线和地线连接线的第四节点、第五节点和第六节点；

第一电压限制电路，其耦合在所述第四节点和所述第五节点之间；

第一电感器，其耦合在所述第一节点和所述第四节点之间；以及

第二电压限制电路，其耦合在所述第一节点和所述第二节点之间。

2.如权利要求1所述的浪涌保护器，还包括：

第三电压限制电路，其耦合在所述第五节点和所述第六节点之间；

第二电感器，其耦合在所述第二节点和所述第五节点之间；以及

第四电压限制电路，其耦合在所述第二节点和所述第三节点之间。

3.如权利要求2所述的浪涌保护器，还包括耦合在所述第四节点和所述第六节点之间的第五电压限制电路。

4.如权利要求3所述的浪涌保护器，其中所述第二电压限制电路包括第一气体放电管。

5.如权利要求4所述的浪涌保护器，其中所述第二电压限制电路包括与所述第一气体放电管串联地耦合的电阻设备。

6.如权利要求5所述的浪涌保护器，其中所述电阻设备包括正温度系数电阻器。

7.如权利要求5所述的浪涌保护器，其中所述第一电压限制电路、所述第三电压限制电路和所述第五电压限制电路中的每个包括金属氧化物变阻器。

8.如权利要求7所述的浪涌保护器，其中所述第四电压限制电路包括气体放电管。

9.如权利要求3所述的浪涌保护器，其中所述第一电压限制电路、所述第二电压限制电路、所述第三电压限制电路、所述第四电压限制电路和所述第五电压限制电路中的每个具有触发电压，且其中所述第二电压限制电路和所述第四电压限制电路的触发电压大于所述第一电压限制电路、所述第三电压限制电路和所述第五电压限制电路的触发电压。

10.一种保护负载免受电力浪涌的方法，所述负载具有电力输入端，所述电力输入端具有分别耦合到电源的火线连接线、中性线连接线和地线连接线的第一节点、第二节点和第三节点，所述方法包括：

响应于横跨所述火线连接线和所述中性线连接线的电力电压浪涌使用耦合在所述第一节点和所述第二节点之间的第一电压限制电路来限制横跨所述第一节点和所述第二节点的电压；

使用耦合在所述火线连接线和所述第一节点之间的串联电感来限制穿过第一电压限制电路的来自横跨所述火线连接线和所述中性线连接线的电力浪涌的电流；以及

响应于横跨所述火线连接线和所述中性线连接线的电力电压浪涌使用耦合在所述电源的所述火线连接线和所述中性线连接线之间的第二电压限制电路来限制横跨所述火线连接线和所述中性线连接线的电压。

11.如权利要求9所述的方法，还包括：

响应于横跨所述中性线连接线和所述地线连接线的电力电压浪涌使用耦合在所述第二节点和所述第三节点之间的第三电压限制电路来限制横跨所述第二节点和所述第三节点的电压；

使用耦合在所述中性线连接线和所述第二节点之间的串联电感来限制穿过所述第三电压限制电路的来自横跨所述中性线连接线和所述地线连接线的电力浪涌的电流；以及

响应于横跨所述中性线连接线和所述地线连接线的电力电压浪涌使用耦合在所述电源的所述中性线连接线和所述地线连接线之间的第四电压限制电路来限制横跨所述中性线连接线和所述地线连接线的电压。

12.如权利要求11所述的方法，还包括：

响应于横跨所述火线连接线和所述地线连接线的电力电压浪涌使用耦合在所述第一节点和所述第三节点之间的第五电压限制电路来限制横跨所述第一节点和所述第三节点的电压。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述第一电压限制电路具有比所述第二电压限制电路低的触发电压，且其中所述方法还包括在接通所述第二电压限制电路之前接通所述第一电压限制电路。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述第三电压限制电路具有比所述第四电压限制电路低的触发电压，且其中所述方法还包括在接通所述第四电压限制电路之前接通所述第三电压限制电路。

15.如权利要求10所述的方法，还包括在所述第一电压限制电路中使用金属氧化物变阻器和在所述第二电压限制电路中使用气体放电管。

16.如权利要求15所述的方法，还包括在所述第二电压限制电路中使用与所述气体放电管串联的正热系数电阻器。

17.如权利要求16所述的方法，还包括在所述第三电压限制电路中使用金属氧化物变阻器。

18.如权利要求17所述的方法，还包括在所述第五电压限制电路中使用金属氧化物变阻器。

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