CN1998121B - 电涌保护方法和电涌抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一个具有热截断的电涌抑制电路，包括与相导体以及中性导体之间的第一热截断器件(22)串联的第一电涌抑制器(图1，24)。与第二热截断器件(42)串联的第二电涌抑制器(44)在相导体和地导体之间。与低温热截断器件(12)串联的第三电涌抑制器(34)在中性导体和地导体之间。该低温热截断器件的热截断温度比该第一热截断器件的热截断温度要低。

Description

电涌保护方法和电涌抑制电路

本申请要求2004年5月25日申请的序号为60/574，243的临时申请的优先权。 

技术领域

本公开涉及电涌保护器件。 

背景技术

过度电压会破坏半导体器件。当受到仅仅持续几微秒的瞬态过电压时半导体器件中可能发生破坏性的击穿或损坏。周知瞬态电压电涌抑制(TVSS)器件(本文中可互换地称为“电涌抑制器”和“电压箝位器件”)用于抑制这种过电压瞬态，以保护不可耐受涌浪电压的电路。TVSS器件包括非线性的、与电压相关的阻抗元件，这种元件展示出与一对串联连接、背对背的齐纳二极管展示的性能相类似的性能。在低于TVSS箝位电压电平以下的额定电压，TVSS器件展示出漏电流小的高阻抗特性。当经受高瞬态电压(高于TVSS器件的箝位电压)时，TVSS器件可在低阻抗区中工作，这增加流过该器件的电流。当电压增加时，由于其特性，TVSS对电流提供阻抗较低的路径，以便从与TVSS连接的电路转移掉大部分电流。可从通过电压箝位(TVSS)器件耗散或者通过潜在的破坏性电涌能量。 

雪崩二极管抑制器、金属氧化物变阻器(MDV)以及硒电涌抑制器可以充当具有不同优缺点的TVSS器件，例如基于MOV的TVSS在某些条件下固有的易感性失灵。当长时间对升高的电压暴露时，MOV器件趋于击穿。这种击穿可能导致一些漏电流通过MOV。另外，MOV元件过热时可能具有爆炸的趋势，这常常具有使其所驻留的塑料外壳和金属板外壳破裂的爆炸能量。这种爆炸可能破坏TVSS外壳 内的任何东西，并且可能通过外壳上的小开口射出热的黑色粉末。已经开发出各种技术以使MOV免遭导致这种爆炸状态的诱发因素。 

一种保护金属氧化物变阻器(MOV)的技术要求添加一个与MOV串联的电流熔丝，当检测到特定的瞬态过电压时其跳成断开状态以保护MOV。大于熔丝额定值但是正好低于MOV额定值的瞬态I2t额定值会熔化该熔丝，从而电气上使MOV从过电压状态移开。在熔丝呈现出通常发生的瞬态不足以熔化熔丝(即从几安到10,000安)但是其幅值又不足以迫使MOV进入其低阻抗状态的I2t额定值的情况下，MOV可能经受过热，这可能导致热破坏。稳态，低于熔丝熔化的异常过电压状态也可能产生通过MOV的足够高的电流，从而导致危险的过热。 

防止MOV由于异常稳态或者瞬态过电压状态而过热的第二种常用技术使用与MOV串联连接的热截断(thermal cutoff)器件(TCO)。TCO是一种电子器件，其感测对象例如电路的表面温度，并且在特定的最高额定温度下跳到高阻抗状态(开路)。当TCO和MOV串联连接时，TCO感测MOV的表面温度，并且在特定的最高额定温度下跳到开路，以截断到MOV的电压。但是，类似于电流熔丝，当在MOV保护电路中使用时热截断器件不是没有问题的。尤其是，要达到MOV的表面和热截断器件之间良好的热接触是特别困难的并且有时是不可能的。从而，在检测到临界温度并且通过TCO对MOV截断过电压之前，MOV可能过热而达到热破坏点。另外，即使良好的温度检测是可能的，也可能出现热截断的时间常数(即，断开时间)与MOV的加热/时间特性之间的不匹配问题，从而使精确的MOV保护不可靠。一旦出现事件，电流熔丝和热截断器件都永久性地断开，从而在发生这样的事件之后必须更换。 

包含有MOV保护电路的瞬态电压抑制器可能经受过电压条件以便判定MOV电路是否能以安全方式(即不损坏设备或不伤害人)出现故障。特别地，“限定电流异常过电压”测试包括在供电线上施加二倍的额定工作电压但把电流限制在比任何过电流保护器件的跳点 (trip point)都低的值。这种测试可能造成MOV的非极端加热。 

电涌抑制电路可包括三个MOV保护电路，各用于每一对电力端子：相端子和中性端子对，相端子和地端子对，以及中性端子和地端子对。作为测试过程的一部分，电涌电路可能经受“限定电流异常过电压”。例如，在相端子和地端子对(以及中性端子和地端子对)上进行过电压测试。由于MOV的内部电容，这种测试产生流过MOV的漏电流。为了防止漏电流流到地端子，对MOV物理邻近地串联电连接一个TCO，以便检测漏电流以及断开电路。当在相端子和中性端子对上进行过电压测试时，漏电流从与该相端子和中性端子对关联的MOV流过。在此情况下，漏电流还流到在中性端子和地端子对之间连接的MOV。 

发明内容

本发明公开了一种电涌保护电路，其具有检测AC动力源的相端子和中性端子对上的过电压状态的热截断器件，以在出现过电压状态时断开连接在中性端子和地端子对之间上的MOV。该电路可以防止过电压状态所产生的漏电流流过在AC动力源的从中性端子和地端子对之间连接的MOV。 

上面概括地而不是广泛地描述了本发明的优选特征，从而本领域技术人员能更好的理解本发明以下的详细说明。后面会说明形成本发明的权利要求的主题的本发明的其它特征。本领域技术人员应理解，他们可以方便地把所公开的概念和特定实施例用作为设计或者修改其它结构的基础，以便实现和本发明相同的目的，并且这些其它结构在其最广义的意义上来说不背离本发明的精神和范围。 

附图说明

从下面的详细说明、附后的权利要求书以及其中对类似的元件赋予类似附图标记的附图，本发明的其它方面、特征和优点会变得更清楚。 

图1是配电盘中使用的电涌抑制电路的示意图；以及 

图2是配电盘中使用的电涌抑制电路的另一示意图。 

具体实施方式

图1是具有热截断器件(TCO)12的电涌抑制器件电路10的方块图，该TCO具有防止漏电流从第一电涌保护电路20流到第二电涌保护电路30的低热截断。抑制电路10把通过具有标准相端子、中性端子和地端子的插头202提供的AC电力源连接到配电盘204。配电盘204包含插座引出端，以对电负载的插头提供AC电力。在该示出的实现中，该配电盘包括九个插座引出端。电涌保护电路20连接在相端子和中性端子对(第一电气路径)上，并且可包括与第一电涌抑制器24串联连接的第一TCO 22，以对该第一电气路径提供过电压保护。TCO 22和电涌抑制器24热耦合以检测电涌抑制器24的温度何时超过TCO 22的热截断温度。TCO 12和电涌保护电路30电气上串联连接并且物理上靠近(热耦合)电涌抑制器24。TCO 12的热截断温度比TCO 22的热截断温度低。这种安排允许TCO 12检测电涌抑制器24的温度何时超过由相端子和中性端子对之间施加的过电压状态导致的TCO 12的热截断温度。TCO 12的断开造成与过电压电路30断开连接，从而使电涌抑制器电路免遭破坏。 

类似地，在中性端子和地端子对(第二电气路径)之间电气连接第二电涌保护电路30。电路30可包括与对第二电气路径提供过电压保护的第二电涌抑制器34串联连接的第二TCO 32。TCO 32物理邻近(热耦合)电涌抑制器34，以便检测电涌抑制器34的温度何时超过由中性端子和地端子对之间的过电压状态导致的TCO 32的热截断温度。当检测到该状态时，TCO 32使电涌抑制器34与第二电气路径断开，以使抑制器免遭破坏。 

第三电涌保护电路40可电气连接在相端子和地端子对(第二电气路径)之间并且可包括与第三TCO 42串联连接的第三电涌抑制器44。相端子通过第一TCO 22与第三电涌保护电路40耦接。电涌抑制器 44对第三电气路径提供过电压保护。TCO 42物理邻近(热耦合)电涌抑制器44，从而TCO 42能检测电涌抑制器44的温度何时超过由于相端子和地端子对之间的过电压状态而引起的TCO 42的热截断温度。当TCO 42检测到该过温度状态时，TCO 42停止导通，从而断开电涌抑制器44以防止损坏该抑制器。在一个实施例中，电涌抑制器24、34和44可以是金属氧化物变阻器(MOV)。在另一个实施例中，TCO 22、32和42的热截断温度约为102℃，而TCO 12的热截断温度约为77℃。 

电涌抑制器电路10还可包括印制电路板上的可以对电涌抑制器电路的状态提供指示的电气元件(未示出)。例如，可使得可听器件212在TCO之一断开时发出声音。另外，可使得诸如发光二极管(LED)的指示器214当相端子正在通过TCO 22对电涌抑制器电路提供电力时发光。电涌抑制器电路可包括通/断开关206，以便可选择地对电涌抑制器器件和配电盘204提供AC线相。断路器208例如熔丝(当通过该断路器的电流超过预定量时其断开)可以和相线串联连接，以使该电涌抑制器电路免遭插入到配电盘204的电气负载所提取的过度电流的损害。另一个熔丝210可以和中性-地电涌保护电路30串联连接，以在地端子上对电涌保护电路提供过电流保护。 

在正常操作中(即，非暂时的或非瞬时的过电压状态)，电涌抑制电路10通过插头202从相端子和中性端子之间的AC电压(例如对住宅设定为120伏)接收电力，并且把该电压提供到配电盘204。在第一过电压电路20中，抑制器24在其高阻抗状态(断开状态)下工作，从而不明显地产生热。由于不明显地产生热，所以对应的TCO 22不跳开且处于导通状态。类似地，第二和第三过电压电路30、40中的这些元件处于断开状态，并且低热截断器件TCO 12处于导通状态。 

在异常过电压操作条件下，电涌保护电路20、30、40以及TCO 12中的一个或多个被触发成断开，以防止过电压电路中的电涌抑制器因有害状态而受损。当在相端子和中性端子对之间应用过电压测试时，电涌抑制器24检测到该状态并且导通，从而进入它的低阻抗状态。该导通状态提高可由TCO 22检测的电涌抑制器24的温度。当电涌抑制器24的温度超过TCO 22的热截断温度时，该TCO断开，导致该TCO和抑制器24电气断开，从而防止该抑制器因过电压状态而受损。 

另外，由于TCO 12和电涌抑制器24热耦合，所以低热截断器件TCO 12也可以检测TCO 22的温度变化。TCO 12的热截断温度可以比TCO 22的热截断温度低。例如，在一种实现中，TCO 12的热截断温度为77℃，而TCO 22的热截断温度为102℃。如果电涌抑制器24的温度超过TCO 12的热截断温度，则TCO 12在TCO 22断开之前断开。结果，TCO 12电气断开抑制器34，从而使该抑制器免遭由抑制器24产生的漏电流而导致的损坏。 

这样，TCO 12能检测何时在相端子和中性端子对之间出现过电压状态，并且接着断开在中性端子和地端子对之间连接的电涌抑制器34。作为这种断开的后果，TCO 12防止由过电压状态产生的漏电流流过在中性端子和地端子对之间连接的电涌抑制器34。尽管TCO 12断开电涌抑制器34，它不断开插头202和配电盘204之间的电气路径。即，TCO 12在不中断对负载的电力分配的情况下防止漏电流损坏电涌抑制器34。 

当在中性端子和地端子对之间出现过电压状态时，电涌抑制器34导通。该导通提高由TCO 32检测的电涌抑制器34的温度。当电涌抑制器34的温度超过TCO 32的热截断温度时，TCO 32断开导致该TCO与电涌抑制器34电气断开，从而防止该抑制器受到过电压状态的损坏。 

类似地，当在相端子和地端子对之间出现过电压状态时，电涌抑制器44导通。该导通提高由TCO 42检测的抑制器44的温度。当抑制器44的温度超过TCO 42的热截断温度时，TCO 42断开，这导致该TCO与抑制器44电气断开，从而使该抑制器免遭过电压状态的损坏。 

过电压电路20、30和40各可包括多个用于电涌抑制器的MOV。例如，第一过电压电路20可包括五个MOV(例如，MV1-MV5)， 第二过电压电路30可包括二个MOV(例如，MV11-MV12)，第三过电压电路40可包括五个MOV(例如，MV6-MV10)。TCO 12可以设置成与对PCB 54上的电子电路馈电的中性导体串联(图1)。TCO 12还可以与一个MOV串联。TCO 12设置成物理上靠近该MOV，从而它会在由于MOV的过热而导致的过电压事件期间断开。这样使用的TCO 12具有与电路中的其它TCO不同的较低的工作温度。尽管通过TCO 12断开至PCB的中性引线，但从AC电力源到电涌抑制器的中性导体不断开。 

电涌保护电路20、30、40也可以安装在印制电路板(PCB)(未示出)上。插头202和插座部分204可以通过跳线J1-J11与PCB电气连接。 

图2是依据本公开的另一实施例，在配电盘300中使用的电涌抑制电路的示意图。除了配电盘300具有一个带有十个插座而不是图1中所示的九个插座的插座部分之外，配电盘300类似于图1的配电盘200。 

尽管已经示出、说明并指出应用到各实施例的本公开的基本新颖性特征，但是正如当前进行考虑以实现它们那样，应当理解，在不背离本公开的精神下，本领域技术人员可以对示出的器件的形式和细节及其操作做出各种省略、替代和改变。 

Claims (24)

1.一种用于电源线的电涌保护方法，包括：

利用第一电涌保护器件耦合电源线的相导体和中性导体；

利用第二电涌保护器件耦合电源线的中性导体和地导体；以及

设置与第二电涌保护器件串联的低温热截断器件，

其中该低温热截断器件的热截断温度低于该第一电涌保护器件的第一热截断器件的热截断温度。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括利用第三电涌保护器件耦合相导体和地导体。

3.根据权利要求2所述的方法，其中第一电涌保护器件包括第一电涌抑制器，第二电涌保护器件包括第二电涌抑制器，并且第三电涌保护器件包括第三电涌抑制器。

4.根据权利要求3所述的方法，其中第一、第二和第三电涌抑制器包括金属氧化物变阻器。

5.根据权利要求1所述的方法，其中该低温热截断器件的热截断温度小于摄氏77度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中该第一热截断器件的热截断温度小于摄氏102度。

7.一种具有热截断的电涌抑制电路，包括：

用于在电源和负载之间提供电气路径的相端子、中性端子和地端子；

在相端子和中性端子之间电气连接以提供第一电气路径的第一电涌保护电路，该第一电涌保护电路包括与第一热截断器件串联连接的第一电涌抑制器；

在中性端子和地端子之间电气连接以提供第二电气路径的第二电涌保护电路，该第二电涌保护电路包括与第二热截断器件串联连接的第二电涌抑制器；以及

与该第二电涌保护电路串联电气连接的低热截断器件，

其中该低热截断器件的热截断温度低于该第一热截断器件的热截断温度，该低热截断器件检测何时由相端子和中性端子之间的过电压状态引起的流过第一电气路径的漏电流导致第一电涌抑制器的温度超过该低热截断器件的热截断温度，并且该低热截断器件断开该第二电气路径，以防止该漏电流流过该第二电气路径，同时仍提供电源和负载之间的电气路径。

8.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，其中该第一热截断器件和第一电涌抑制器热耦合，以检测该第一电涌抑制器的温度何时超过该第一热截断器件的第一热截断温度。

9.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，其中该低热截断器件和该第一电涌抑制器热耦合，从而能检测该第一电涌抑制器的温度何时超过该低热截断器件的热截断温度。

10.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，其中该第一电涌抑制器是金属氧化物变阻器。

11.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，其中该第二电涌抑制器是金属氧化物变阻器。

12.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，还包括：

在相端子和地端子之间电气连接从而提供第三电气路径的第三电涌保护电路，该第三电涌保护电路包括与具有第三热截断温度的第三热截断器件串联连接的第三电涌抑制器，其中该第三热截断器件检测何时由于该第三电气路径上的过电压状态引起的流过该第三电气路径的漏电流导致该第三电涌抑制器的温度超过该第三热截断温度。

13.根据权利要求12所述的电涌抑制电路，其中该第三电涌抑制器是金属氧化物变阻器。

14.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，还包括一个电气上与相端子串联连接的断路器，以对该相端子提供过电流保护。

15.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，还包括一个电气上与地端子串联连接的熔丝，以对该地端子提供过电流保护。

16.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，还包括一个状态指示器，用以提供该电涌抑制电路的状态的指示。

17.根据权利要求16所述的电涌抑制电路，其中该状态指示器是蜂鸣器，以对该电涌抑制电路的状态提供音频指示。

18.根据权利要求16所述的电涌抑制电路，其中该状态指示器是发光二极管，以对该电涌抑制电路的状态提供可视指示。

19.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，还包括一个用于与电源连接的具有相插脚、中性插脚和地插脚的电气插头。

20.根据权利要求7所述的电涌抑制电路，还包括一个或多个用于与负载连接的具有相端子、中性端子和地端子的插座。

21.一种具有热截断的电涌抑制电路，包括：

耦接在相导体和中性导体之间的第一电涌保护器；

耦接在相导体和地导体之间的第二电涌保护器；以及

与低温热截断器件串联的第三电涌保护器，其中第三电涌保护器和低温热截断器件的所述串联组合耦接在中性导体和地导体之间，并且其中

第一电涌保护器包括与第一热截断器件串联的第一电涌抑制器；

第二电涌保护器包括与第二热截断器件串联的第二电涌抑制器；以及

第三电涌保护器包括第三电涌抑制器和第三热截断器件，

其中低温热截断器件的热截断温度低于第一热截断器件的热截断温度。

22.根据权利要求21所述的电涌抑制电路，其中所述第一、第二和第三电涌抑制器包括金属氧化物变阻器。

23.根据权利要求21所述的电涌抑制电路，其中所述第一、第二和第三热截断器件包括热熔丝。

24.根据权利要求21所述的电涌抑制电路，其中低温热截断器件的热截断温度为摄氏77度。

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