防冲击电压保护电路装置

技术领域

本发明涉及保护至少一个由电网供电的单元不受冲击电压危害的 一种电路装置，该电路装置有一个带有第一和第二输入连接的输入 端，在该输入端上可耦连一个承受一个冲击电压的电压，此电压与电 网电压一致或由电网电压导出；有一个带有第一和第二输出连接的输 出端，在该输出端上可耦连要保护的单元；有一个保护电路，它耦连 在第一和第二输入-或输出端之间，保护电路有一个限制装置，是为了 将其上的电压限制到一个可预先规定的数值而设计的。

背景技术

一般地说本发明要解决的疑难问题在于，使保护设备不受冲击电压 的危害，这种冲击电压例如在启动电动机时、由于雷击或类似的冲击 时发生。这种冲击电压也以所谓的电涌脉冲(Surge-Impulse)闻名， 能达到3000V，对敏感的电子设备或带有敏感输入级的电子设备构成 潜在的危害，例如对于用在照明技术上的镇流器。有关该课题的细节， 能从EN61547的节5.7得知。

已知在电子镇流器时使用升压变换器(Boost-Konverter)，不需 要附加的保护措施就可保护不受直至约1500V冲击电压的危害。此 外，运用压敏电阻来保护。然而，压敏电阻提供不了令人满意的解决， 因为，其特性曲线“太软”，虽然已经投入运行，但在网络不平衡负 载时能产生可观地损失，与图2联系一起还要详细说明。

此外，从电话通信领域还知道，为了防护冲击电压应用硅对称二端 开关(Sidac)，它们的电流电压特性曲线原则上与图3中的相同，在 下面同样要详细深入说明。在电话通信领域，这种解决办法提供一个 足够的保护，因为为了在一个硅对称二端开关接通状态时，即导电状 态时，对短路电流有足够的限制，输入电压源的阻抗足够大。对于通 常电网供电、不是电话网络供电的所有其它用途，由于阻抗太小，这 没有提供实际的解决办法：如果在那里为了保护应用一个硅对称二端 开关，由于阻抗太小通常的熔断器要动作，然后就必须用手将其复位 或必须用其它熔断器来替代。

发明内容

因此本发明的任务在于，将开始时提到的电路装置进一步发展，达 到可靠防护冲击电压的目的，使不需要在出现冲击电压后用手工操作 就给受电单元重新供电。

该任务通过具有权利要求1特征的一种电路装置来解决。

本发明的知识基础在于，可将上述任务如下解决，即保护电路除了 限制装置还有一个开关装置。其中开关装置包括一个开关元件和一个 开关元件的控制电路，为了确保有足够精确的确定尺度，开关元件是 作为半导体器件设计的。一个以半导体器件实现的开关元件还有个优 点，即由电压振幅或一个电压在时间上的变化来看的敏感性，能是互 不相关的并能精确地在预先规定的公差内调准。

开关装置和限制装置要串联布置，且要设计的使开关装置在一个可 预先规定的第一触发判据时接通，在可预先规定的第二触发判据时阻 断。

通过开关-和限制装置的串联布置，只要开关不作用，就是说没有 导电连接或接通，就没有电流通过保护电路。从而，像现有技术那样， 能将一个压敏电阻作为限制装置使用，然而压敏电阻-从现在起跟现 有技术相反-在正常运行时根本没有产生损耗，因为由于开关电路的 阻塞没有电流通过保护电路。在与限制装置串联布置时，例如从现在 起将一个硅对称二端开关作为开关装置使用，硅对称二端开关从现在 起-跟现有技术相反-不再产生短路，因为限制装置的阻抗阻止短 路。复位，即断开保护装置是自动进行，因为如果冲击电压降低，则 流经保护装置的电流例如低于一个可预先规定的极限时，这样开关元 件又过渡到阻断状态。上述知识，在将限制装置作为压敏电阻实现的 例子中和将开关装置作为硅对称二端开关实现的例子中有描述。但 是，本发明包括大量其它实施的可能性，下面还要详细阐述。

一个优选实施形式的出之处在于，第一触发判据是一个电压的上 升，尤其是在开关装置(10)上施加的电压上升超过第一可预先规定 的电压值；和/或是一个电压上升速度，尤其是在开关装置(10)上施 加的电压上升速度超过第一可预先规定的数值。后者提供有可能性， 已经在识别出一个可疑的上升边时，就是说在有害的高电压值到达之 前，可以启动保护电路。

第二触发判据能是通过开关装置(10)的电流降到低于第二可预先 规定的电流值；和/或是一个电压下降速度，尤其是在开关装置(10) 上施加的电压下降速度低于第二可预先规定的数值；和/或是一个可预 先规定的时间已运行完。

控制电路一方面要能设计的，使开关元件相应于在开关装置上有效 作用的电气量，尤其是电压、电流、电压变化速度、电流变化速度来 进行控制。

可选择的是，能由开关元件自己形成控制电路。这有个优点，就是 能省去控制电路。

限制装置优先作为已经介绍过的压敏电阻和/或一个欧姆电阻和/ 或一个稳压二极管来实现。开关元件优先作为三端双向可控硅开关 (Triac)和/或作为二端交流开关(Diac)和/或作为硅对称二端开关和 /或作为TSPD(Thyristor Surge Protection Device)和/或作为闸流晶体 管(Thyristor)和/或作为IGBT(Insolated Gate Bipolar Transistor) 和/或作为抑制栅二极管(Supressordiode)和/或作为Transildiode来实 现。一种气体放电器(Gasableiter)是不适合的，因为这由于功能原因 就其接通-和断开的判据而言不能足够准确确定尺寸。结果是保护不 足。

优选的是，限制装置是为在一个电压值上的连续工作而设计的，该 电压值处于保护装置上最高电压的运行状态没有冲击电压。因为限制 装置面临的是短时间的负荷，尤其是开关元件在导电连接或接通的时 间，在连续工作状态则相反几乎没有负荷，产生了这种往下确定尺寸 的有利的降低成本的方法。优选的是，将本发明的电路装置应用到电 互感器中，尤其是应用到照明技术的镇流器中。

其它有利的实施形式由从属权利要求给出。

附图简述

下面详细阐述涉及附图的本发明实施例。示出的有：

图1本发明电路装置的示意图；

图2可在一个本发明电路装置中应用的限制装置的电流电压特 性曲线原理图；

图3可在一个本发明电路装置中应用的开关元件的电流电压特 性曲线原理图；

图4本发明电路装置的第一实施例；

图5本发明电路装置的第二实施例；

图6a在本发明电路装置上用冲击电压加载电网电压的时间分 布；

图6b本发明电路装置输出电压Uout在控制时与按照图6a的一个 本发明电路装置和三个由现有技术已知电路装置的电网电压时间分布 的比较；和

图7一个实现了的实施例，其测量到的流经保护电路电流的时间 分布、保护电路的输出电压和限制装置上的电压。

具体实施例

图1例如以示意图示出一个本发明电路装置的结构。它在串联的布 置中包括有一个开关装置10和一个限制装置12，它们与一个没有示出 的控制电路一起构成保护电路14。当在限制装置12上电压UBE下降 时，在开关装置10上电压USE下降。流经保护电路14的电流用I表示。 在本发明电路装置的保护电路14上，输出电压Uout下降，它对以下布 置的要保护的单元是作为输入电压来用。此外，电压Ust用于开关装置 10的控制。

图2示出的是要在一个本发明电路装置中应用的限制装置12例如 一个压敏电阻的电流与电压的关系。Us表示保护电压，通过本发明电 路装置要阻止它超过。如果如在现有技术中那样，一个这类的限制装 置12没有应用串联布置的开关装置10，在正常运行状态的电压UN时 已经有一个可观的电流IN流过。电压UN和电流IN的乘积相当于一个 这类限制装置的损耗，这些损耗是不希望有的。因为在面对本发明时 只要没有电流通过保护电路14，只要开关装置10阻断着，在正常运行 状态的本发明电路装置通过限制装置12根本没有损耗出现。

图3示出的是在一个开关装置10上，尤其是在一个开关元件上电 流电压特性曲线的一个典型分布，在开关元件时由开关元件自己例如 一个硅对称二端开关来实现控制功能。箭头表示在上升的电压时的分 布。如果电压USE超过一个阈制UGr，开关元件就接通，即是导电的且 电压USE要回到数值USel。随后电流上升，由于开关元件的内阻，电压 USE又开始上升。正像对专家来说很明显的那样，为本发明所必须的开 关装置10的功能，也能通过一个开关元件，例如一个要相应地被控制 的晶体管来达到。所属的控制电路评价电网电压的量或上升速度或与 此有关联的量，以便使开关元件接通，或是评价通过开关元件的电流 或其变化速度或一个与此关联量的相应参数，以便开关元件再接到阻 断状态。已经直接对在其上的电气量作出反应的开关元件，例如三端 双向可控硅开关、二端交流开关、硅对称二端开关，有个优点，即能 省去控制电路，因为这个电路通过开关元件自己来实现。如果在图3 的开关元件保持电流回到一个一定的数值以下，开关元件自己又接到 阻断状态。

图4示出的是本发明电路装置的第一实施例，此时限制装置12作 为压敏电阻，开关装置10作为三端双向可控硅开关用控制电压Ust实 现的。

在图5中示出的实施例时，限制装置12又是作为压敏电阻实现的， 而开关装置转换为带有控制电路(未示出)的闸流晶体管。

图6a示出的是电网电压(例如取230V)的时间分布，在时间t1 至t2期间冲击电压主宰电源电压，冲击电压的最大值在时间点tmax达 到。

图6b示意示出输出电压Uout的四个时间分布，其中三个来自从现 有技术已知的措施，一个来自本发明电路装置。曲线段a)示出的是， 如果根本没有采取保护措施时输出电压Uout的分布。曲线段b)示出的 是，如果只应用一个确定在800V的压敏电阻时Uout的分布。虽然因 此有个优点，即在正常运行时在压敏电阻中转变成的损耗功率相当 小，但是这种解决办法显然提供不了足够的保护。曲线段c)示出的是 只应用一个确定在400V的压敏电阻时输出电压Uout的分布。虽然这 提供一个适当的保护，然而在正常运行状态由于高损耗功率转换，对 特性有干扰。曲线段d)示出的是在本发明电路装置时输出电压的分 布：一个硅对称二端开关作为开关装置10应用，一个确定在400V的 压敏电阻作为限制装置12。容易看出，开关装置10导电连接之前和随 后振幅通过限制装置12上下降的电压主宰，电压先上升到数值UGr。 因此，曲线段c)和d)在分布图的第二和第三个三分之一处重合。然而， 对于本发明的电路装置，在400V主宰的压敏电阻不干扰后面电路的 正常运行，因为由于正常状态阻断连接的开关装置10，没有电流通过 该压敏电阻。

图7示出的是，(按照EN61547的5.7节)在电网电压最大值中 一个1000V的冲击电压低欧姆耦合输入时，通过保护装置14的电流I 的时间分布、保护装置的输出电压Uout以及限制网络12上的电压UBE。 因此，图7证实了上面根据图6绘出的趋势。为了建立一个时间基准， 在图7中围绕冲击电压标明一个5μs的时间窗口。对于电流I、输出 电压Uout和电压UBE的分布，在图7中标出各基准线Uout0，UBE0和I0。 此外，为UBE标明有峰值620V，为Uout0标明有峰值790V。

为了完成其功能，本发明的电路装置能用在要保护电路的输入端、 在电网整流器前、在电网整流器后要保护的组件或部件上或在一个电 路技术上其它适合的位置。在布置和尺寸确定都适当时，本发明的电 路装置能保证电涌脉冲电压大于3000V时也提供保护。