過壓保護設備的制作方法
【專利摘要】一種過壓保護設備，能夠保護電源線，并且包括并聯(lián)的穿通二極管、受控開關以及用于控制開關的電路。
【專利說明】過壓保護設備

【技術領域】
[0001]本公開涉及一種過壓保護設備，并且更具體地涉及一種能夠保護電源線的過壓保護設備。

【背景技術】
[0002]過壓保護設備是當其兩端的電壓超過給定閾值時接通的部件或電路，給定閾值稱作擊穿電壓并且通常標記為VBK。
[0003]第一類型保護部件是雪崩二極管類型，具有如圖1所示的電流-電壓特性曲線。當跨該部件的電壓超過擊穿電壓Vbk時，部件接通。理想地，跨部件的電壓保持等于Vbk而電流增大。實際上，如圖1所示，特性曲線并非是垂直的，并且跨部件的電壓超過值Vbk而過壓被吸收，也即大值的電流I流過部件。
[0004]該類型部件的缺點在于，在過壓吸收階段期間，跨部件的電壓保持大于或等于擊穿電壓Vbk，也即在該階段期間，部件必需吸收大于VbkX I的電能。這導致必需形成具有足夠大尺寸以能夠吸收該電能而不會受損的部件。當前，對于大于100伏的電壓Vbk而言，例如在300伏的量級，這導致部件尺寸大于若干cm2，例如在IOcm2的量級。然而該部件制作為二極管芯片堆疊的形式，例如每一個具有8.6X8.6mm2表面面積的十四個基本部件的堆疊以達到430V擊穿電壓。這些部件因此是昂貴和大型的。
[0005]第二類型的保護部件是穿通(break-over)類型、肖特基二極管類型、或無柵極晶閘管類型。穿通部件的電流-電壓特性曲線示出在圖2中。當跨部件的電壓超過擊穿電壓Vbe時，該電壓急速下降并且隨后跟隨基本垂直的特性曲線I。
[0006]該第二類型部件的優(yōu)點在于部件中過壓所耗散的能量與雪崩二極管類型設備中耗散的能量相比較低，假設跨部件的電壓在過強流動期間非常低。該第二類型部件的缺點在于，只要部件兩端存在電壓，所述部件就保持接通，僅在其兩端的電壓使得該部件中電流變得小于保持電流Ih時，保護部件返回至斷開。對于具有近似范圍從50至1000伏的擊穿電壓Vbk的保護部件而言，根據(jù)部件的擊穿電壓，該保持電流當前具有近似范圍從IOOmA至IA的值。
[0007]因此，穿通類型保護部件用于其中這些部件意在保護具有越過零值操作電壓的線路的電路-這對于數(shù)據(jù)傳輸線而言特別適用。
[0008]如圖3所示，如圖需要保護形成了連接至諸如太陽能發(fā)電設施10之類的電源設備的輸出的電源線(例如連接至逆變器12)的線路LI，可以通常不使用穿通保護部件，這是因為在過壓發(fā)生之后，例如對應于對線路LI的雷電電涌，線路LI上的電壓保持為正并且保護部件保持導電。
[0009]如圖4A所示，在施加了過壓之后，電源10的輸出處的電壓Vdc被短路，并且短路電流Isc流過其中。電源看到跨其端子的內(nèi)部電阻Ri和保護二極管的接通狀態(tài)電阻Rd。電壓Vd = VDC(RD/(Ri+RD))繼而存在于保護二極管兩端。
[0010]圖4B示出了對應于該具體情形的二極管的特性曲線的一部分。在大多數(shù)實際配置中，對應于短路電流Isc的電勢Vd遠大于對應于穿通部件的保持電流Ih的電壓Vh。作為示例，對于150mA保持電流Ih，電壓Vh可以是2V的量級。因此現(xiàn)有技術無法使用穿通部件以保護DC電源線。因此使用雪崩二極管類型的保護設備，其具有巨大表面積以及因此具有高成本。
[0011]此處需要克服該缺點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，一個實施例提供了一種過壓保護設備，其能夠保護包括并聯(lián)的穿通二極管、受控開關、和用于控制開關的電路的電源線。
[0013]根據(jù)一個實施例，穿通二極管與雪崩二極管串聯(lián)，雪崩二極管具有的擊穿電壓至少十倍低于穿通二極管的穿通電壓。
[0014]根據(jù)一個實施例，保護設備具有范圍在50至1000伏的擊穿電壓。
[0015]根據(jù)一個實施例，控制電路包括過壓檢測器并且能夠在已經(jīng)檢測到過壓一段時間之后使得開關接通確定的時間段，并且隨后能夠在確定的時間之后斷開開關。
[0016]根據(jù)一個實施例，控制電路包括對于二極管兩端的電壓檢測的檢測器，并且當跨二極管的電壓在給定范圍內(nèi)時能夠接通開關，并且在確定時間之后斷開開關，給定范圍對應于當所述二極管短路時跨二極管的電壓的值。
[0017]結(jié)合附圖在以下具體實施例的非限定性說明中將詳細討論前述和其他特征和優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]如前所述，圖1示出了雪崩二極管類型的保護設備的電流-電壓特性；
[0019]如前所述，圖2示出了穿通類型的保護設備的電流-電壓特性；
[0020]如前所述，圖3示出了連接至DC電源線的穿通類型的保護二極管；
[0021]如前所述，圖4A示出了處于短路的圖3的組件的等效示意圖；
[0022]如前所述，圖4B示出了在圖4A的情形下穿通設備的特性；
[0023]圖5示出了保護設備的第一實施例；
[0024]圖5A示出了第一實施例的實施方式；
[0025]圖5B示出了第一實施例的另一實施方式；
[0026]圖6示出了保護設備的第二實施例；以及
[0027]圖7示出了用于控制圖5和圖6中類型的保護設備的電路的示例。

【具體實施方式】
[0028]圖5示出了保護設備的第一實施例。該保護設備在兩個端子A和B之間包括并聯(lián)的如下組件:
[0029]-穿通類型保護二極管D，
[0030]-開關SW，以及
[0031 ]-用于控制開關SW的電路(CONTROL)。
[0032]如下操作圖5的保護設備。
[0033]在理想狀態(tài)下，開關SW斷開?？鏒C電源線連接端子A和B，從而例如如圖3的二極管D那樣連接保護設備。只要端子AB之間的電壓保持低于穿通二極管D的擊穿電壓，保護設備就是非接通的。當出現(xiàn)過壓時，保護二極管變得接通，這導致圖4A的配置，也即連接在端子AB之間的電源線短路。一旦過壓已經(jīng)過去，二極管D傳導了短路電流Idc，諸如參照圖4A所限定。此時，開關SW接通，從而端子A和B之間的電流由開關SW分流。如果開關Sff的接通狀態(tài)電阻Rm足夠低，則端子AB之間的電壓變得低于參照圖4B所限定的電壓Vh。
[0034]可以使用多種類型控制電路(CONTROL)以控制對開關SW的接通和斷開。這些控制電路可以包括處理器或其他定時器。
[0035]根據(jù)圖5A所示的實施例，控制電路CONTROL由控制電路20A實現(xiàn)，其包括配置用于檢測端子A處過壓的過壓檢測器22?？刂齐娐?0A在過壓檢測器22檢測到過壓一段時間之后自動地使得開關SW接通確定的時間段，并且隨后在時間段的結(jié)束處斷開開關SW。
[0036]根據(jù)圖5B所示的實施例，控制電路CONTROL由控制電路20B實現(xiàn)，其包括用于檢測跨二極管D的電壓的電壓檢測器24。只要該電壓低于Vbk并且高于VD，則控制電路20B將保持無效。隨后，在第一電壓降之后，控制電路將確定跨二極管D的電壓是否在給定范圍內(nèi)，對應于值Vdc (Rd/(Ri+Rd))?？刂齐娐冯S后確定開關SW的接通和斷開。
[0037]圖5、圖5A、圖5B的電路的操作是基于如下事實:當開關SW處于接通狀態(tài)時，跨開關SW的電壓大大降低至變得低于之前限定的值Vh。這意味著開關SW的接通狀態(tài)電阻Rm必需遠低于當設備短路時二極管D的表觀電阻Rd。應該理解，這建議使用具有非常低Rm的開關，這與使用例如小型MOS晶體管的低成本開關的期望并非總是相兼容。如果條件RmXIse< Vh太難以實現(xiàn)，可以提供諸如圖6中所示的備選實施例。
[0038]圖6的變形例包括與圖5的實施例相同的元件，但是進一步包括擊穿電壓Vfc的雪崩二極管d，從而與穿通二極管D的擊穿電壓Vbk相比具有較低的擊穿電壓Vfc。例如，Vfc低于VBK/10。穿通二極管D和雪崩二極管d的串聯(lián)組裝的操作將稍微不同于來自單個二極管D的操作的過壓吸收。此時，當過壓已經(jīng)過去并且線路短路時，條件RmX Isc < Vh+Vbr將滿足，這使得能夠使用比在圖5的組件的情形中具有更高Rm的開關。
[0039]圖7示出了控制電路CONTROL的實施例。第一比較器C0MP1將二極管D的陽極上的電壓與接地作比較并且當電壓為正時輸送邏輯I。第二比較器C0MP2將二極管陽極上的電壓與基本上對應于短路的二極管兩端的電壓的閾值電壓Vd作比較，并且當二極管上電壓變得低于稍大于該短路電壓的值時輸送邏輯I。兩個比較器的輸出發(fā)送至AND門，AND門輸出經(jīng)由緩沖放大器AMP控制了開關SW。放大器AMP例如由串聯(lián)的反相器鏈形成。
[0040]因此，當?shù)谝槐容^器C0MP1已經(jīng)驗證了跨保護二極管D的電壓為正時以及當該電壓變得接近預定值Vd時，開關SW接通短的時間。應該注意，比較器C0MP2在緊隨過壓到達的短的時間期間并未啟動，在該時間期間在過壓的吸收期間在增大之前電壓短暫地降低低于VD。這導致了這樣的事實:比較器不夠快速以檢測該短暫轉(zhuǎn)變，或者由與分流了快速轉(zhuǎn)變的電容器并聯(lián)的參考二極管而遞送接近于Vd的參考電壓。
[0041]因此，參照圖5和圖6所述類型的保護設備具有穿通保護設備的優(yōu)點，這是它們能夠使用具有相對小的表面積(例如50_2)的穿通二極管，而同時如前所述對于大于從基本上50至1000伏的保護電壓而言，保護雪崩二極管應該具有基本上范圍從I至IOcm2的表面積。例如MOS晶體管的開關設備SW以及控制電路的組件可以例如具有基本上范圍僅在10和15mm2之間的表面積。因此，保護設備的總表面積小于65mm2，并且可以實現(xiàn)由具有范圍從I至IOcm2表面積的雪崩二極管部件所確保的功能。設備例如包括兩個芯片，一個對應于保護二極管，另一個對應于開關及其控制電路。這兩個芯片可以組裝在單個支撐上并且形成簡單偶極子。
[0042]已經(jīng)描述了具體實施例。各種改變、修改和改進對于本領域技術人員是易于想到的。例如，在此僅已經(jīng)描述了單向保護二極管。自然，也可以提供雙向保護二極管(具有圖1和圖2所示的特性，盡管它們并未描述)。
[0043]此外，僅已經(jīng)描述了與偏置至DC電壓的線路所關聯(lián)的保護部件的用途。該部件也可以用于其中線路是例如50或60Hz的AC電源線的情形。實際上，如果過壓發(fā)生在半波的開始處，其可以期望保護二極管在過壓發(fā)生之后快速停止接通，而不等待半波的結(jié)束，在50Hz的電源的情形中半波的持續(xù)時間是10ms。
[0044]這些改變、修改和改進意在作為本公開的一部分，并且意在落入本公開的精神和范圍內(nèi)。因此，前述說明書僅是作為示例并且并非意在限定。
[0045]如上所述的各個實施例可以組合以提供其他實施例。在以上詳述說明書的教導下可以對實施例做出這些和其他改變。通常，在以下權(quán)利要求中，所使用的術語不應構(gòu)造為將權(quán)利要求限定至說明書和權(quán)利要求書中所述的具體實施例，而是應該構(gòu)造為包括所有可能的實施例以及這些權(quán)利要求所賦予的等價方式的所有范圍。因此，權(quán)利要求不由公開所限定。
【權(quán)利要求】
1.一種能夠保護電源線的過壓保護設備，包括: 二極管部件，包括穿通二極管， 受控的開關，與所述二極管部件并聯(lián)，以及 電路，耦合至所述穿通二極管并且配置成控制所述開關。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過壓保護設備，其中，所述二極管部件包括雪崩二極管，所述雪崩二極管與所述穿通二極管串聯(lián)并且具有比所述穿通二極管的穿通電壓低至少十倍的擊穿電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過壓保護設備，其中，所述二極管部件具有范圍在50至1000伏之間的擊穿電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過壓保護設備，其中，所述控制電路包括配置成檢測過壓的過壓檢測器，并且所述控制電路被配置成響應于所述過壓檢測器檢測到過壓而將所述開關接通一時間段，并且當所述時間段逝去時斷開所述開關。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保護部件，其中，所述控制電路包括電壓檢測器，所述電壓檢測器被配置為檢測跨所述二極管部件的電壓，并且所述控制電路被配置成響應于所述電壓檢測器檢測到跨所述二極管的電壓在給定范圍內(nèi)接通所述開關，并且在預定時間之后斷開所述開關，其中所述給定范圍對應于當所述二極管部件短路時跨所述二極管部件的電壓的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保護部件，其中，所述控制電路包括: 第一比較器，被配置成將所述二極管部件的陽極上的電壓與參考電壓作比較； 第二比較器，被配置成將所述陽極上的電壓與基本上對應于當所述二極管被短路時跨所述二極管的電壓的閾值電壓進行比較； AND門，具有分別耦合至所述第一比較器和所述第二比較器的輸出的第一輸入和第二輸入；以及 緩沖放大器，耦合在所述AND門的輸出與所述開關的控制端子之間。
7.一種裝置，包括: 電源線；以及 過壓保護設備，被配置成保護所述電源線，所述過壓保護設備包括: 二極管部件，包括耦合至所述電源線的穿通二極管， 受控的開關，與所述二極管部件并聯(lián)，以及 電路，耦合至所述穿通二極管并且被配置成控制所述開關。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述二極管部件包括雪崩二極管，所述雪崩二極管與所述穿通二極管串聯(lián)并且具有比所述穿通二極管的穿通電壓低至少十倍的擊穿電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述二極管部件具有范圍在50至1000伏之間的擊穿電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述控制電路包括過壓檢測器，所述過壓檢測器被配置成檢測過壓，并且所述控制電路被配置成響應于所述過壓檢測器檢測到過壓將所述開關接通一時間段，并且當所述時間段逝去時斷開所述開關。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述控制電路包括電壓檢測器，所述電壓檢測器被配置成檢測跨所述二極管部件的電壓，并且所述控制電路被配置成響應于所述電壓檢測器檢測到跨所述二極管的電壓在給定范圍內(nèi)接通所述開關，以及在預定時間之后斷開所述開關，其中所述給定范圍對應于當所述二極管部件短路時跨所述二極管部件的電壓的值。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述控制電路包括: 第一比較器，被配置成將所述二極管部件的陽極上的電壓與參考電壓進行比較； 第二比較器，被配置成將所述陽極上的電壓與基本上對應于當所述二極管被短路時跨所述二極管的電壓的閾值的電壓進行比較； AND門，具有分別耦合至所述第一比較器和所述第二比較器的輸出的第一輸入和第二輸入；以及 緩沖放大器，耦合在所述AND門的輸出與所述開關的控制端子之間。
13.一種裝置，包括: 電子部件，被配置成耦合至電源線；以及 過壓保護設備，被配置成保護所述電子部件避免來自所述電源線的過壓的損害，所述過壓保護設備包括: 二極管部件，包括穿通二極管， 受控的開關，與 所述二極管部件并聯(lián)，以及 電路，耦合至所述穿通二極管并且被配置成控制所述開關。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述二極管部件包括雪崩二極管，與所述穿通二極管串聯(lián)并且具有比所述穿通二極管的穿通電壓低至少十倍的擊穿電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述二極管部件具有范圍在50至1000伏之間的擊穿電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述控制電路包括過壓檢測器，所述過壓檢測器被配置成檢測過壓，并且所述控制電路被配置成響應于所述過壓檢測器檢測到過壓將所述開關接通一時間段，并且當所述時間段過去時斷開所述開關。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述控制電路包括電壓檢測器，所述電壓檢測器被配置成檢測跨所述二極管部件的電壓，所述控制電路被配置成響應于所述電壓檢測器檢測到跨所述二極管的電壓在給定范圍內(nèi)接通所述開關，并且在確定時間之后斷開所述開關，其中所述給定范圍對應于當所述二極管部件短路時跨所述二極管部件的電壓的值。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述控制電路包括: 第一比較器，被配置成將所述二極管部件的陽極上的電壓與參考電壓進行比較； 第二比較器，被配置成將所述陽極上的電壓與基本上對應于當所述二極管短路時跨所述二極管的電壓的閾值進行比較； AND門，具有分別耦合至所述第一比較器和所述第二比較器的輸出的第一輸入和所述第二輸入；以及 緩沖放大器，耦合在所述AND門的輸出與所述開關的控制端子之間。
【文檔編號】H02H3/20GK104078925SQ201410127548
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月29日
【發(fā)明者】J·厄爾捷, G·布格里納, A·弗洛朗斯 申請人:意法半導體(圖爾)公司