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CN1084071C - 过电流保护电路 - Google Patents

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Abstract

可以对过电流作出快速响应的一种过电流保护系统，该过电流可以降低负载上的电压，例如由于负载部分或完全短路，并且特别适合在过电流比较小时为电路提供保护。如图1和图2中所示，该系统包括： 一个断路元件(108，2)，它在工作电路中被串联连接在电源(102，12)和电气负载(112，8)之间，并且具有一种闭合状态，允许正常的电流INORMAL流过断路元件，以及一种打开状态，只允许一个明显小于INORMAL的小电流流过断路元件；一个控制元件(104，6)在工作电路中与负载并联连接，当控制元件两端的电压是正常电压VNORMAL时，它处在开状态，当控制元件两端的电压下降到一个值VFAULT或以下时，它就转变成关状态，并且被功能性地连接到断路元件，使得，当控制元件处在接通状态时，断路元件就处在闭合状态，而当控制元件处在断开状态时，断路元件处在打开状态；以及一个与断路元件并联连接的旁路元件(106，4)，它具有一种起动状态，即如果断路元件处在故障状态，并且在旁路元件中通过一个电流INORMAL，控制元件两端的电压就会大于VFAULT，或以及一种停止状态，即如果断路元件由于控制元件两端的电压降到了一个值VFAULT或以下而进入故障状态，通过旁路元件的电流就会使控制元件两端的电压保持在VFAULT或以下的值。

Description

过电流保护电路
本发明涉及到电路的过电流保护。PTC电路保护器件是公知的器件。这种器件和负载是串联布置的，在正常操作状态下处在一种低温、低电阻的状态。然而，如果通过PTC器件的电流急剧增加，以及/或者PTC器件周围的环境温度急剧地上升，以及/或是正常操作电流的维持时间超过了正常操作时间，PTC器件就会被“断路(trip)”，即转换到一种高温、高电阻状态，从而使电流明显地下降。即使是电流和/或温度恢复到其正常的水平，这种PTC器件通常仍会维持在断路状态，直到PTC器件从电源上断开并且冷却时为止。实用的PTC器件包含一个由PTC导电聚合物构成的PTC元件，它是一种由(1)有机聚合物和(2)分散或是分布在聚合物中的一种颗粒状导电填料最好是碳黑构成的合成物。例如，在美国专利US4237441，4238812，4315237，4317027，4426633，4545926，4689475，4724417，4774024，4780598，4800253，4845838，4857880，4859836，4907340，4924074，4935156，4967176，5049850，5089801以及5378407号中说明了这种PTC导电聚合物以及包含这种聚合物的PTC器件。
通常使用的PTC保护器件受到一种限制，如果过电流比较小，例如仅有正常电路电流的几倍，PTC器件有可能需要较长的时间才能转变到断路状态。
我们已经发现了一种新式的过电流保护系统，它可以对造成负载上电压降低的过电流作出快速响应等，例如使负载部分或是完全短路，并且特别适合在过电流比较小时为电路提供保护。在这种新式系统中，控制元件与负载是并联布置的。因此，当负载两端的电压下降时，控制元件两端的电压也会下降。控制元件被功能性地连接到一个与负载串联的断路元件，当控制元件两端的电压下降时使断路元件从一种相对导电的状态转变到一种相对不导电的状态(包括完全打开的状态)。该系统还包括一个与断路元件并联的旁路元件。在电路刚刚接通时需要这一旁路元件，电流可以通过它流入电路并且激励控制元件，然后由控制元件将断路元件转换到相对导电状态。然而，旁路元件必须是这样的，当断路元件由于故障而被转换到相对不导电状态时，通过旁路元件的电流可以改变旁路元件，在控制元件两端保持足够低的电压，以便将断路元件维持在相对不导电状态。
因此，本发明的目的是提供一种过电流保护系统，其可以对造成负载上电压降低的过电流作出快速响应，为电路提供保护。
按照一种较佳方案，本发明提供了一种电气系统，它可以连接在电源和电气负载之间构成一个工作电路，这种连接方式可以保护电路防止过电流，该系统包括：
a.在工作电路中串联连接在电源和电气负载之间的一个断路元件，它具有
(1)一种闭合状态，允许一个正常电流INORMAL流过断路元件，以及
(2)一种打开状态，只允许一个明显小于1NORMAL的小电流流过断路元件；
b.在工作电路中与负载并联连接的一个控制元件，该控制元件
(1)(i)当控制元件两端的电压是正常电压VNORMAL时，它处在接通状态，并且
  (ii)当控制元件两端的电压下降到一个值VFAULT或以下时，就转变成断开状态；并且
(2)被功能性地连接到断路元件，因此，当控制元件处在开状态时，断路元件就处在闭合状态，而当控制元件处在关状态时，断路元件处在打开状态；以及
c.一个旁路元件，该元件
(1)与断路元件并联连接，并且
(2)具有
(i)一种起动状态，即如果断路元件处在故障状态，并且在旁路元件中通过一个电流INORMAL，控制元件两端的电压就会大于VFAULT，以及
(ii)一种停止状态，即如果断路元件由于控制元件两端的电压降到了一个值VFAULT以下而进入故障状态，通过旁路元件的电流就会使控制元件两端的电压保持在VFAULT以下的值。
在本发明的较佳实施例中；
1.断路元件是继电器的一组常开接点，而控制元件是一个继电器线圈，在受到激励时，使继电器的接点闭合，并且在去除激励时使接点打开。
2.断路元件是一个场效应晶体管(FET)，它
(i)包括栅极，源极和漏极，
(ii)当FET的栅极电压是正常栅极电压时，允许通过正常的电路电流INORMAL，并且
(iii)当FET的栅极电压下降到正常栅极电压以下的一个预定的栅极电压值时，就切换到最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过。
3.旁路元件是一个PTC器件，最好是一个聚合物PTC器件。
在综合了上述特征(1)和(3)的系统中，在电路正常工作期间，继电器线圈受到激励，其接点闭合。在欠电压的情况下，继电器线圈释放，其接点打开。电流被分流到PTC器件，使其跳到高电阻状态。在PTC器件和机械式接点的组合中允许使用其额定值是断开过电流的接点，但是其额定电压远远小于正常电路电压。这种组合还允许使用断路电流的额定值远远小于正常电路电流的PTC器件。
在综合了上述特征(2)和(3)的系统中，一个场效应晶体管(FET)或是其他固体开关与PTC器件并联连接，并且将这种并联组合串联连接在被保护电路的线路中。一个分压电路或是其他电压检测器件被跨接在负载两端。分压电路控制FET的栅极电压。在电路正常工作时，FET的栅极电压将FET偏置到导通状态。在欠电压的情况下，FET关断，将电流分流到PTC。这样就会使PTC跳到高电阻状态。固体开关的结构与继电器结构相比有一个优点，那就是可以选择比继电器线圈的阻抗高得多的分压器，它消耗的功率远远小于继电器线圈所消耗的功率。固体开关的其他优点是寿命长，价格低，并且尺寸小。
图1是一个普通电路的示意图；
图2是一个根据本发明的包括一个过电流保护系统的电路的示意图；
图3是根据本发明的包括一个过电流保护系统的另一个电路的示意图；
图4是根据本发明的包括一个过电流保护系统的另一个电路的示意图。
图1中表示的五个功能性元件是电源102，控制元件104，旁路元件106，遮断元件108，以及负载112。电源102向电路提供电源，负载112执行电路的具体功能。控制元件，旁路元件和遮断元件协同完成过电流保护的工作。
图2表示一个电路20，它包括电源12，电源阻抗13，开关15，负载8，以及一个过电流保护系统10。过电流保护系统10包括由继电器的一组常开接点2构成的遮断元件，与继电器接点并联连接的PTC器件4，以及并联连接在负载8两端的一个电压检测继电器线圈6。在正常工作中，开关15闭合，连接电源12，继电器接点2最初是打开的，但是继电器线圈6被通过PTC器件4的电流激励，从而使继电器接点2闭合。当继电器接点2闭合时，PTC器件4不再通过正常的电路电流。如果在负载8内发生短路，电路20中的电流就会增大，而负载8和继电器线圈6两端的电压会下降，使释放继电器线圈6，并且打开继电器接点2。这样，过电流就会通过PTC器件4，使其跳到高电阻状态，并且使电流下降到安全的水平。
PTC器件4的保持电流与电路中的正常电流相比通常是比较低的。例如在所述的电路20中，在90伏时的正常负载电流是15安培；继电器线圈6在60伏时被激励，在40伏时释放，而PTC器件4的保持电流是1安培。在刚刚接通电源时，PTC器件4在几毫秒内通过15安培电流，直到继电器线圈6被激励。PTC器件4在这样短的时间内不会断路。当继电器线圈6受到激励时，继电器接点2闭合，“从电路中去掉”PTC器件。如果在负载8上出现短路，并且电流达到30安培左右，继电器线圈6两端的电压就会接近零，而继电器接点就会打开，将1安培的PTC器件4接入30安培的电路。此时，PTC器件4会跳到高电阻状态，并且使电流降到一个很小的值。
由于与继电器接点2并联的PTC器件4的存在，可以使用额定值是正常电路电流的继电器接点2，并且可以在低于正常供电电压的电压下遮断最大过电流。如果PTC器件4在低电阻状态下的电阻是RPTCLOW，负载8短路时在电路20中出现的最大过电流是IMAX OVERCURRENT，继电器接头2的额定就是在小于RPTC LOW×IMAX OVERCURRENT的电压下遮断IMAX OVERCURRENT。
图3表示一个与图2的电路20相似的电路20′，其区别是保护系统10′中包括连接在继电器线圈6的连线和负载8的连线之间的第二组继电器接点3。与接点2一样，继电器接点3是一个由继电器线圈6来控制的常开接点。本实施例具有以下的优点。优点之一是第二组接点3可以在过电流时将负载8与电源12隔离。另一个优点是，在刚刚接通电源时，负载8没有接在电路中，通过PTC器件4的电流仅是继电器线圈6吸收的电流。此外，第二组接点3不需要在提供电路电压时遮断最大过电流。因此，如果PTC器件4具有高电阻状态的电阻RPTC HIGH，电路20′的供电电压是VAPPLIED，第二组继电器接点3的额定仅仅需要能够在VAPPLIED下遮断一个小于VAPPLIED/RPTC HIGH的电流IINTERRUPT。在继电器线圈6被释放时，可以令两组继电器接点2，3同时动作，或是让第二组继电器接点3延迟动作。
在图2和3所示的过电流保护结构10和10′中，继电器线圈6在正常工作期间是受到持续激励的，因而会不断地从电源12吸收功率。在图5的电路40中用固体器件代替了继电器。由例如场效应晶体管(FET)14的一个固体开关构成的这一固体系统30连接在电路40的线路中，代替了继电器线圈6和继电器接头2，FET14的栅极被连接到一个分压器22。分压器22包括与负载8并联连接的串联连接的电阻16，18。这一固体结构30的基本功能与图1中的过电流保护结构10是相同的。在接通电源时，FET14最初是关断的，直到通过PTC器件4的电流在负载8和分压器22两端形成电压时为止。出现在FET14栅极上的电压使FET14导通，从而使电流在电路40中流动。如果负载8发生短路，在分压器22两端的欠电压就会使FET14关断。然后，电流被分流到PTC器件4，使其跳到高电阻状态。在FET14和PTC器件4的这种组合中，允许使用额定在一个明显小于正常电路电压的电压下切断过电流的FET14。
与继电器过电流保护结构10相比，固体结构30的优点是可以选择两个电阻16，18的电阻值，使其远远大于继电器线圈6的阻抗，这样，其功率消耗就会比继电器线圈6小得多。固体结构30的其他优点是寿命长，价格低，并且尺寸小。其他的固体开关器件，例如双极晶体管，三端双向可控硅开关元件，以及可控硅整流器也可以用来代替这种FET。

Claims (5)

1.一种电气保护系统，它可以连接在电源和电气负载之间构成一个工作电路，这种连接方式可以保护电路防止过电流，该系统包括：
a.在工作电路中串联连接在电源和电气负载之间的一个断路元件，它具有
(1)一种闭合状态，允许一个正常电流INORMAL流过该断路元件，以及
(2)一种打开状态，最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流流过该断路元件；
b.在工作电路中与该负载并联连接的一个控制元件，该控制元件具有
(1)(i)当控制元件两端的电压是正常电压VNORMAL时，它处在接通状态，并且
   (ii)当控制元件两端的电压下降到一个值VFAULT或以下时，就转变成断开状态；并且
(2)被功能性地连接到断路元件，因此，当控制元件处在接通状态时，断路元件就处在闭合状态，而当控制元件处在断开状态时，断路元件处在打开状态；以及
c.一个旁路元件，该元件是一个聚合物PTC器件，它
(1)与该断路元件并联连接，并且
(2)具有
(i)一种起动状态，使得如果该断路元件处在故障状态，并且在旁路元件中通过一个电流INORMAL，控制元件两端的电压就会大于VFAULT，以及
(ii)一种停止状态，使得如果该断路元件由于控制元件两端的电压降到了一个值VFAULT或以下而进入故障状态，通过旁路元件的电流就会使控制元件两端的电压保持在VFAULT或以下的值。
2.按照权利要求1的系统，其特征在于
a.该控制元件包括一个继电器线圈，该线圈
(1)当该继电器线圈两端的电压是VNORMAL时被激励，并且
(2)当该继电器线圈两端的电压降到一个值VFAULT或以下时被释放；并且
b.该断路元件包括一组与该继电器线圈耦合的继电器接点，并且
(1)在该继电器线圈被激励时被闭合，并且
(2)在该继电器线圈释放时被打开。
3.按照权利要求1的系统，其特征在于
a.该断路元件包括一个场效应晶体管(FET)，它
(1)包括栅极，源板和漏极，
(2)当该FET的栅极电压是正常栅极电压时，允许通过正常的电路电流INORMAL，并且
(3)当该FET的栅极电压下降到正常栅极电压以下一个预定的栅极电压值时，就切换成最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过；以及
b.该控制元件包括一个分压器，用来确定该FET的栅极电压。
4.按照权利要求1至3之一的系统，其特征是包括一个第二断路元件，它在工作电路中与负载串联连接在该负载和该控制元件之间，并且
a.具有
(1)一种闭合状态，允许一个正常电流INORMAL流过该负载，以及
(2)一种打开状态，最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流流过负载；并且
b.当该控制元件处在接通状态时，它处在上述闭合状态，并且，在该控制元件处于断开状态时，它处在上述打开状态。
5.一种电路，其特征在于包括一个电源，一个负载，以及 1至4之一所述的一个电气保护系统。
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