CN110235327A - 用于保护电气设备的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于保护电气设备(23)的装置，其包括：‑第一限流支路(21)，其包括电流源；‑第二导电支路(22)，其与限流支路(21)并联安装，所述导电支路(22)的阻抗小于或等于限流支路(21)的阻抗的10％；‑控制单元(3)，其用于在以下工作模式之间对装置的工作模式进行切换：第一工作模式，其中，电流通过限流支路(21)循环而不在导电支路(22)中循环；以及第二工作模式，其中，电流通过限流支路(21)和导电支路(22)循环。

Description

用于保护电气设备的装置

技术领域

本发明涉及电气设备保护电路领域，具体涉及直流电或交流电类型的电源和/或电能分配系统。

背景技术

在(直流电或交流电)电气应用中，电流过载可能导致过电压，从而损坏电气设备。

电流过载，更一般的，过电流可能具有多个起因：

-过电流可能是由短路、过电压或雷电引起的，

-在启动阶段或电气设备连接到电网时也可能发生过电流。

已知用于减小这些电流过载的影响，特别是降低电气设备性能下降的风险的不同类型的保护装置。

这种保护装置可以用在例如与要保护的电气设备并联安装的存储电容器的上游。

1.限流电阻器

降低电气设备性能下降风险的第一种解决方案在于电连接要保护的设备的串联限流电阻器。

该限流电阻器可用于限制在要保护的设备启动时，更准确地说，在存储电容器的预充电期间的强电流消耗。

然而，该解决方案的缺点在于，一旦启动阶段结束，该限流电阻器(其不再有用)加热并且有耗散大量能量的趋势。

2.带开关的限流电阻器

为了克服这个缺点，已经提出了图1所示的组件，其中，限流电阻器17位于与导电支路12(例如电线)并联电连接的限流支路11上。在文献EP 2 653 950中具体描述了类似的组件。

在这种情况下，限流支路11与导电支路12之间的切换由电开关13监测。

这种组件的工作原理如下。

在启动时，电开关13连接至限流支路11，使得源自电源14的电流流过限流支路11。电流通过电阻器17使得可以限制在要保护的设备15启动时的强电流消耗。存储电容器16充电。

在给定时间(根据应用，给定时间可以在几毫秒至几秒之间变化)之后，电开关13将电流的循环从限流支路11切换到导电支路12。这样可以限制与限流电阻器17的使用相关的能量损耗。

然而，图1所示的组件的缺点在于，其不允许在切换电开关13时将电气设备15保持处于欠压状态。

除了上述问题之外，上述使用限流电阻器17的保护装置的另一个缺点是，这些保护装置不允许对恒流存储电容器16充电，限流电阻器17与构成RC电路的存储电容器16结合。这导致存储电容器加速老化。此外，这不能预测异常工作情况下的故障电流的值，后者可能根据电路的等效电阻(考虑到保护装置的上游和下游组件的可选电阻)而变化，这种关于故障电流的不确定性可能引起保护装置下游的电气设备保护的风险的其中一种风险。

本发明的目的是提出一种用于保护电气设备的装置，其能够克服上述缺点中的至少一个。

发明内容

为此，本发明提出一种用于保护电气设备的装置，其包括：

-输入端子，其用于电连接到电源，

-输出端子，其用于电连接到电气设备，

值得注意的是，所述保护装置包括：

-第一限流支路，所述第一限流支路包括在给定电压范围内产生(即维持)恒定电流的电流源，

-第二导电支路，所述第二导电支路与限流支路并联安装，

-控制单元，所述控制单元用于在以下工作模式之间对装置的工作模式进行切换：

·第一工作模式，其中，源自电源的电流流过限流支路而不流入导电支路，以及

·第二工作模式，其中，源自电源的电流流过限流支路和导电支路，在第二工作模式中，导电支路的阻抗小于或等于限流支路的阻抗的10％。

根据本发明的系统的优选但非限制性方面如下：

-控制单元可以电连接到导电支路，以便监测所述导电支路的启用和停用，从而在第一工作模式和第二工作模式之间对装置进行切换，限流支路不受控制单元监测；

-电流源可以包括晶体管，例如JFET晶体管或MOSFET晶体管：

·晶体管的漏极连接到输入端子，并且

·晶体管的栅极和源极连接到输出端子；

-电流源可以包括两端限流半导体元件，例如由诸如硅或碳化硅或任何其它半导体材料等制成的限流二极管；

-限流支路还可以包括与电流源串联安装的电阻器；

-导电支路可以包括如晶体管的可控开关，例如JFET晶体管、MOSFET晶体管(或双极晶体管)：

·晶体管的漏极(或集电极)连接到输入端子，

·晶体管的源极(或发射极)连接到输出端子，

·晶体管的栅极(或基极)连接到控制单元；

-控制单元可以包括：

·用于检测电气设备保护装置的输出端的电压变化的电路，和/或

·用于检测电气设备保护装置的输出端的电流变化的电路；

-控制单元可以包括自偏置电路，以使导电支路的启用延迟；

-控制单元包括控制电路，所述控制电路用于在保护装置的输出端的电压和/或强度大于阈值时，生成用于阻断导电支路的信号；

-限流支路和导电支路可以集成到例如JFET晶体管或MOSFET晶体管的单片组件中。

附图说明

根据本发明的系统的其它优点和特征将通过以下根据附图通过非限制性示例给出的多个变体的描述而变得更加明显，在附图中：

图1为用于负载保护的现有技术的装置的示意图，

图2为根据本发明的负载保护装置的框图，

图3为根据本发明的负载保护装置的第一变体的框图，

图4为根据本发明的负载保护装置的第二变体的框图，

图5为根据本发明的负载保护装置的第三变体的框图，

图6为示出根据限流支路两端处的电压的电流曲线的曲线图，该限流支路：

·一方面包括电阻(曲线80)，

·另一方面包括电流源(曲线81)，

图7为示出在以下两种工作模式下，根据保护装置两端处的电压的电流曲线的曲线图：

·第一工作模式，其中电流流过限流支路(曲线82)，

·第二工作模式，其中电流同时流过限流支路和导电支路(曲线

83)。

具体实施方式

现在将参照图2至图5描述根据本发明的负载保护装置的各种示例。在这些各个附图中，等同的元件由相同的附图标记表示。

1.关于保护装置的基本信息

参照图2，用于保护电负载的装置包括：输入端子31和输出端子32，所述输入端子31用于串联地电连接到电源；所述输出端子32用于电连接到要保护的电负载23。

在输入端子31和输出端子32之间，该装置包括两条支路，每条支路具有相应的功能：

-第一支路21(称为“限流支路”)，当检测到工作异常(例如，电气故障(例如短路))时，其可以限制流过负载23的电流，

-第二支路22(称为“导电支路”)，其具有弱阻抗，从而当源自电源25的电流流过所述导电支路22时，限制负载23两端的压降。

该装置还包括控制单元24，以允许电流：

-或者根据第一工作模式仅流过限流支路21，

-或者根据第二工作模式同时流过限流支路21和导电支路22。

从而，无论装置的工作模式如何，限流支路21始终是导电的，使得即使在第一工作模式和第二工作模式的转换期间，始终对要保护的负载23供电。导电支路22本身仅在第二工作模式下导电。

当检测到异常(例如，电压或电流过载)时，有利地启用第一工作模式。

在图2所示的变体中，控制单元24仅监测导电支路22的启用和停用，限流支路21不受控制单元24监测。这可以简化负载保护装置的组装。

图2所示的装置通过在检测到工作异常时限制流过其中的电流，可以有效地保护电路的负载23。

实际上，当检测到异常(过电流和/或过电压)时，控制单元24监测导电支路22的停用以引起电流(在输入端子上游产生的电流)流过限流支路21。

通过在检测到异常时限制在负载23中流过的电流，图2所示的保护装置使得位于输出端子下游的电气组件性能下降的风险降低。

2.限流支路

限流支路21可以在装置的第二工作模式启用时将流入负载23的电流限制为目标强度值。预计该目标值足以确保负载23的正确工作。

有利地，限流支路21包括一个(或多个)、特别是单向的电流源，以允许电流从输入端子31流向输出端子32。在本发明的范围内，“电流源”是指设置为在给定的电压范围内产生恒定电流的一个(或多个)电气组件。

更精确地，并且如图6中的曲线81所示，当限流支路21的端子处的电压V包括在给定电压范围内时(具体是，当电压V大于“+V_LIM”时，或者当电压V小于“-V_LIM”时)，电流源通过动态地改变其阻抗将电流的强度I保持在恒定值(具体是，当V≥+V_LIM时，恒定值等于“+I_LIM”，或者当V≤-V_LIM时，恒定值等于“-I_LIM”)。

在由JFET型常开型晶体管组成的电流源的情况下，电流源阻抗的动态变化对应于从线性导电模式到饱和状态的导电模式的过渡。当形成电流源的晶体管的端子处的电压变得大于所述晶体管的饱和电压V_sat时，会发生这种情况。在饱和状态下，阻抗随电压动态变化，使电流保持恒定。于是，该工作原理类似于电流源的工作原理，无论电流源的端子处的电压如何，该电流源都产生并保持恒定电流。

限流支路21包括电流源的情况可以利用恒定电流对存储电容器26(其与要保护的负载23并联安装)充电。这在包括电阻的限流支路的情况下是不可能的，如图6中的曲线80所示。实际上，如果限流支路包括电阻，那么限流支路端子处的电流I根据在其端子处施加的电压V线性地变化，使得设置在限流支路的输出端的存储电容器不是以恒定电流充电。

在图3所示的变体中，电流源包括晶体管，例如JFET晶体管或MOSFET晶体管。晶体管漏极电连接到装置的输入端子31，而晶体管的栅极和源极电连接到装置的输出端子32。使用JFET或MOSFET晶体管具有便于实现装置的优点。

或者，电流源可以包括由碳化硅制成的限流二极管。使用限流二极管可以避免存在控制电子器件。此外，二极管由碳化硅制成的情况可以实现能够承受高能量水平(大约0.1J至50J)的组件。

有利地，限流支路21可以包括与电流源串联安装的一个(或多个)散热电阻元件。这可以在电源25和负载23之间的电流过载的情况下，通过焦耳效应耗散更大的电功率。

3.导电支路

导电支路22可以确保电流在稳定状态下循环。导电支路22优选地具有低阻抗以限制负载23两端的压降。例如，导电支路22的阻抗可以小于1欧姆，优选地，小于0.1欧姆，甚至更优选地，小于0.01欧姆。

导电支路22可以包括可以由控制单元24控制的开关。该开关可以是本领域技术人员已知的任何类型。具体地，该开关例如是机械开关或混合开关。

然而，在检测到异常(过电流和/或过电压)之后，导电支路22的开关必须能够非常快速地从闭合状态切换到断开状态。

这就是导电支路22的开关优选地是静态开关的原因。这具有在闭合状态和断开状态之间非常快速地切换(切换时间小于或等于百微秒)的优点。使用静态开关的另一个优点是可以承受高电压和强电流。

在图3所示的变体中，导电支路的开关由晶体管组成，例如JFET晶体管或MOSFET晶体管(或双极晶体管)：

-晶体管的漏极(或集电极)连接到输入端子，

-晶体管的源极(或发射极)连接到输出端子，

-晶体管的栅极(或基极)连接到控制单元。

4.控制单元

控制单元24可以控制导电支路22的启用和停用。

更确切地说，控制单元24可以断开或闭合导电支路22，使得在保护装置中流动的电流：

-或者根据图7的曲线82所示的第一工作模式仅流过限流支路。

-或者根据图7的曲线83所示的第二工作模式同时流过限流和导电支路。

优选地，导电支路22的阻抗选择为低于或等于第二工作模式下限流支路21的阻抗的10％。从而，在第二工作模式中有利于电流流过导电支路22。这可以在保护装置的第二工作模式启用时限制焦耳效应引起的损耗。

在图3所示的变体中，控制单元24包括用于检测负载保护装置的输出端的电压变化的电路242。可替代地或组合地，控制单元可以包括用于检测保护装置的输出端的电流变化的电路。该(或这些)检测电路能够识别可能损坏负载23的异常(过电压和/或过电流)。

当检测电路242检测到的电压变化超过由诸如齐纳二极管的雪崩组件D4限定的阈值电压时，控制单元24的控制电路243向导电支路22的可控开关的栅极发送阻断信号。

该阻断信号引起可控开关的断开，从而使导电支路22停用。于是，电流仅流过限流支路21。

当检测电路242检测到的电压变化变得低于阈值电压时，控制电路243不再发出阻断信号。可控开关返回到接通状态，以便启用导电支路22。于是，电流既流过限流支路21又流过导电支路22。

有利地，控制单元24可以在检测电路242与可控开关的栅极之间包括自偏置电路241。自偏置电路241可以使可控开关的重启延迟。更确切地说，自偏置电路241可以使可控开关的闭合延迟非零延迟，该非零延迟与自偏置电路241的电容器C1的放电时间对应。这可以限制负载性能下降的风险，特别是在脉冲类型的电流过载的情况下。

现在将描述在如图2所示的包括存储电容器26的电气组件的情况下，图3所示的控制单元24的工作原理。在这种情况下，在存储电容器的预充电期间可能引起电流过载。

在要保护的电气设备23启动时，存储电容器26引起强电流消耗。这导致电路中发生电流过载。检测电路242检测负载保护装置的输出端子处的电压变化。当该电压变化变得大于由齐纳二极管D4限定的阈值电压时，控制电路243将阻断信号发送到导电支路22的可控开关的栅极。

阻断信号通过自偏置电路241。自偏置电路241的电容器C1处于充电状态。在对电容器C1充电的同时，将阻断信号施加到栅极引起可控开关的断开：导电支路22停用。

然后负载保护装置根据第一工作模式工作：源自电源25的全部电流经由限流支路21传输到负载23，使得负载23接收到的电流限制为目标强度值以保护负载23。

当存储电容器26处于充电状态时，电路的稳定状态得以建立。保护装置输出端的电压变化减小，检测电路242检测到这种减小。当输出端的电压差低于由雪崩组件D4限定的阈值电压时，阻断信号中断。

自偏置电路241的电容器C1向可控开关的栅极放电，以便将可控开关保持在阻断状态一段时间。这可以使可控开关的闭合延迟。当电容器C1放电时，可控开关的栅极不再被供电。然后可控开关从阻断(即断开)状态切换到接通状态(即闭合状态)。

导电支路22重启。然后，负载保护装置根据第二工作模式工作：源自电源25的电流一方面通过限流支路21传输到负载23，另一方面通过导电支路22传输到负载23。

在稳定状态下的电流过载的情况下(例如，如果雷电冲击击中电路)，检测电路242检测出输出端的电压变化大于由齐纳二极管D4限定的阈值电压。控制电路243通过自偏置电路241向可控开关的栅极发送阻断信号。该阻断信号使可控开关断开以停用导电支路22。

实施第一工作模式。当保护装置的输出端的电压变得低于阈值电压时，控制单元24如上所述控制导电支路22的重启。

5.单片组件

在一个变体中，限流支路21和导电支路22可以集成在由硅或碳化硅(或另一种材料，优选为宽带隙、半导体材料)制成的整体单片组件上，例如JFET晶体管或MOSFET晶体管或双极晶体管。

这可以限制第二支路占据的空间，因此，限制了保护装置的空间需求。

图4和图5示出了在同一基底上集成限流支路21和导电支路22的单片组件的两个示例性实施方案。

参照图4，单片组件具有JFET型结构。该单片组件包括限流支路21和导电支路22共用的基底61。N型掺杂基底61的背面包括更重N掺杂的下层62，下层62覆盖有形成漏极的金属层63。基底61的正面包括P掺杂的掩埋区域64，在掩埋区域64上设置N型上层70，该N型上层70形成限流支路21和导电支路22的横向沟道。P型上部区域68布置在该上层70上。这些区域部分地覆盖上层70。

在上部区域68和上层70上方，设置有第一金属电极65a和第二金属电极65b。这些第一电极65a和第二电极65b形成支路22的控制栅极并限定限流支路21的特性。

单片组件包括第一分离沟槽以限定限流支路21和导电支路22。该第一沟槽穿过组件的上层70延伸直到掩埋区域64以使它们连接。

更确切地说，第一分离沟槽延伸的深度至少等于上层70的深度。

电绝缘材料层66覆盖形成支路21的栅极的第一金属电极65a，但没有电绝缘材料层覆盖形成栅极的第二电极65b。

形成源极的金属层67覆盖单片组件的整个表面。因此：

-形成栅极的第一电极65a与形成源极的金属层67电绝缘：该单片组件的第一叠层构成导电支路22，导电支路22的栅极(第一电极)旨在电连接到控制单元24，而漏极63和源极67旨在分别连接到负载保护装置的输入端子31和输出端子32；

-形成栅极的第二电极65b与形成源极的金属层67电接触：该单片组件的第二叠层构成限流支路21，限流支路21的栅极65b和源极67旨在连接到负载保护装置的输出端子32，而漏极63旨在连接到装置的输入端子31。

图4所示的单片JFET结构的组件的特性在于，除非向栅极电极施加电压(称为“常开”的)导电支路22才启用，而限流支路则永久启用。

图5所示的单片组件与图4所示的组件的不同之处在于其结构是MOSFET型。图5所示的单片MOSFET结构的组件的特性在于，除非向栅极电极施加电压，导电支路22才停用，而限流支路则永久启用。

该单片MOSFET结构的组件包括限流支路21和导电支路22共用的基底73。N型掺杂基底73的背面包括更重N掺杂的下层72，下层72覆盖有形成漏极的金属层71。基底73在其上表面包括第一P掺杂掩埋区域74。基底73的正面覆盖有N型上层82。

导电支路22的上层82包括：

-纵深上掩埋的第二更轻P掺杂区域75，以及

-第三重掺杂N型表面掩埋区域76。

单片组件包括MOSFET的第一沟槽，其穿过上层82延伸直到基底73。该单片组件还包括在沟槽底部的第四P型掩埋区域83，第四掩埋区域83和第一掩埋区域74在基底73中限定出N型沟道。

单片组件包括第二分离沟槽以限定限流支路21和导电支路22。该第二沟槽穿过组件的第二中心区域76延伸直到第一掩埋区域74以使它们连接。

更确切地说，第二分离沟槽延伸的深度至少等于上层82的深度。

限定MOSFET的栅极氧化物的第一氧化物薄层78a和第二氧化物薄层78b部分地覆盖第一掩埋区域74的上表面、第二区域76的上表面、第四掩埋区域83的上表面以及上层82的上表面。

该组件包括第一金属电极79，其在第一层78a上形成支路22的控制栅极。

电绝缘材料层80覆盖形成支路21的栅极的第一金属电极79。而没有电绝缘材料层覆盖形成限流支路的MOSFET的栅极的第二层78b。

金属层77接触限流支路21和导电支路22的第一掩埋区域74和第二区域76。

形成源极的金属层81覆盖单片组件的整个表面。因此：

-形成栅极的第一电极79与形成源极的金属层81电绝缘：该单片组件的第一叠层构成导电支路22，该导电支路22的栅极(第一电极)旨在电连接到控制单元24，而漏极71和源极81旨在分别连接到负载保护装置的输入端子31和输出端子32；

-覆盖形成栅极的区域78b的层81与形成源极的金属层77电接触：该单片组件的第二叠层构成限流支路21，该限流支路21的源极81旨在连接到负载保护装置的输出端子32，而漏极71旨在连接到装置的输入端子31。

6.结论

上述电路适用于直流或交流电网。所述电路可以保护电气设备在要保护的设备的启动阶段、存储电容器的预充电或雷电冲击时，免受电网中可能出现的电流过载的影响。

上述电路可用作电流调节器功能，从而为任何交流或直流负载提供恒定电流，或用于检测和限制过电压时交流或直流电网上的任何电流消耗。

读者将会理解，在不实质脱离本文所述的新教导和优点的情况下，可以对上述发明作出很多改变。

因此，这种类型的所有修改都旨在包含在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于保护电气设备(23)的保护装置，其包括：

-输入端子(31)，其用于电连接到电源(25)，

-输出端子(32)，其用于电连接到电气设备(23)，

其特征在于，所述保护装置包括：

-第一限流支路(21)，其包括在给定电压范围内产生恒定电流的电流源，

-第二导电支路(22)，其与限流支路(21)并联安装，

-控制单元(24)，其用于在以下工作模式之间对装置的工作模式进行切换：

·第一工作模式，其中，源自电源(25)的电流流过限流支路(21)而不流入导电支路(22)，以及

·第二工作模式，其中，源自电源(25)的电流流过限流支路(21)和导电支路(22)，在所述第二工作模式中，导电支路(22)的阻抗小于或等于限流支路(21)的阻抗的10％。

2.根据权利要求1所述的保护装置，其中，所述控制单元(24)电连接到所述导电支路(22)，以便监测所述导电支路(22)的启用和停用，从而在第一工作模式和第二工作模式之间对装置进行切换，限流支路(21)不受控制单元(24)监测。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的保护装置，其中，所述电流源包括晶体管，例如JFET晶体管或MOSFET晶体管：

-晶体管的漏极连接到输入端子(31)，并且

-晶体管的栅极和源极连接到输出端子(32)。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的保护装置，其中，所述电流源包括例如由硅或碳化硅、或任何其它半导体材料制成的限流二极管。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的保护装置，其中，所述限流支路(21)还包括与电流源串联安装的电阻器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的保护装置，其中，所述导电支路(22)包括晶体管，例如JFET晶体管或MOSFET晶体管：

-晶体管的漏极连接到输入端子(31)，

-晶体管的源极连接到输出端子(32)，

-晶体管的栅极连接到控制单元(24)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的保护装置，其中，所述控制单元(24)包括：

-用于检测电气设备保护装置的输出端的电压变化的电路(242)，和/或

-用于检测电气设备保护装置的输出端的电流变化的电路。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的保护装置，其中，所述控制单元(24)包括自偏置电路(241)，以使导电支路(22)的启用延迟。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的保护装置，其中，所述控制单元(24)包括控制电路(243)，所述控制电路(243)用于在保护装置的输出端的电压和/或强度大于阈值时，生成用于阻断导电支路(22)的信号。

10.根据前述权利要求中任一项所述的保护装置，其中，所述限流支路(21)和导电支路(22)集成到诸如JFET晶体管或MOSFET晶体管的单片组件中。