CN102986107A

CN102986107A - 使用金属氧化物压敏电阻器（mov）作为主动能量控制多间隙放电链的浪涌保护装置

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Publication number: CN102986107A
Application number: CN2011800233379A
Authority: CN
Inventors: 康国耀; 郭会平; 石兵雨; 石文湖; 黄荣; 郭亚平
Original assignee: Shenzhen Dowin Lighting Tech Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Dowin Lighting Tech Co Ltd
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-11-08
Also published as: WO2012064729A3; CN102986107B; US20120112872A1; WO2012064729A2; US8508326B2

Abstract

本发明可以提供一种浪涌保护装置，该浪涌保护装置可以包括参考节点、第一节点、第二节点和第三节点、耦合在第一节点与第二节点之间并被配置成接收来自第一节点的浪涌电压的第一电弧放电部分（GAP）、耦合在第二节点与参考节点之间并被配置成将浪涌电压减小到第二节点处的第一子浪涌电压的第一金属氧化物压敏电阻器（MOV）、耦合在第二节点与第三节点之间并被配置成接收来自第二节点的第一子浪涌电压的第二电弧放电部分（GAP）、以及耦合在第三节点与参考节点之间并被配置成将第一子浪涌电压减小到第三节点处的第二子浪涌电压的第二金属氧化物压敏电阻器（MOV）。

Description

使用金属氧化物压敏电阻器(MOV)作为主动能量控制多间隙放电链的浪涌保护装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年11月8日递交的标题为“Surge Protection Device Using MetalOxide Varistors as Auxiliary Discharge Device”的美国临时专利申请第61/411,041号的权益和优先权，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及应用于电源***或在电源***中使用的浪涌保护装置（surge protectiondevice，SPD），特别是用于火花间隙浪涌保护装置（spark gap surge protection device，SG SPD）。该浪涌保护装置主要应用于诸如功率分配器、电池部位和功率传输站之类的电源***的I类和∏类浪涌保护。浪涌保护装置提供对行进到电子设备和***的浪涌电流和电压的防护。浪涌电流和电压是由闪电、瞬时过电压和工作过电压导致的，其均可导致电子设备和***的故障。

背景技术

若干不同类型的浪涌保护装置已被用于保护电子部件免受由闪电或其它源导致的突然的浪涌电流或电压。

第一类型的浪涌保护装置是金属氧化物压敏电阻器浪涌保护装置（MOV SPD）。MOV SPD已被广泛应用于多种领域或在多种领域中使用，以免受浪涌电流和电压。当MOV SPD遭受到高浪涌能量时，容易由于热击穿或电流脉冲冲击而发生故障。根据IEC61643-1（2005）（低压浪涌保护装置——与低压功率分配***相连接的浪涌保护装置——需求和测试），I类电流脉冲SPD的承受能力不大于20kA（10/350us）。为了保持良好的应用结果，MOV SPD包括具有适当的电源引线的涂覆的或密封的MOV。

第二类型的浪涌保护装置是具有辅助放电触发器的火花间隙浪涌保护装置（SGSPD）。SG SPD已被广泛应用于多种领域或在多种领域中使用，以免受浪涌电流和电压。例如，当火花间隙浪涌保护装置被应用于电源***时，主要关注续流的问题。即，当火花间隙浪涌保护装置被浪涌电流和过电压导通时，浪涌电流经由SG SPD被放电到接地；然而，SG SPD并未处理如何熄灭电弧或如何以安全的方式关断续流，本发明将处理或解决该问题。

对于单个SG SPD，当所述间隙中存在放电电流时，瞬时高温电弧在该间隙中产生或存在，并使得被称为放气绝缘材料的绝缘材料之一释放特殊气体。该特殊气体压力快速升高以在该间隙中产生突发气流。该气流产生SG的电极之间的气流电弧电压。当该气流电弧电压值大于电源的电压值时，该电弧被熄灭。这描述了作为SPD的单个SG如何工作。

存在两种不同类型的SG SPD。第一种在大于3000v的较高的住宅电压的情况下具有较高的电弧触发电压，并具有较低的保护水平。第一种不能保护***和设备免受浪涌阱（surge well）。第二种具有瞬时高温电弧和高压气流。第二种包括放气绝缘材料和机械腔的强度，并具有复杂的制造过程。

第三种类型的浪涌保护装置是具有作为分压放电链的多个带有电容器的串联间隙的浪涌保护装置。由于存在多个串联间隙，因此整个电弧电压是单个间隙电弧相加作为串联链，因此整个电弧电压高于单个火花间隙电弧的电压。当整个电弧电压高于电源电压（峰值）时，电弧被及时熄灭。目前在中国市场中存在两种类型的多火花间隙SPD。第一种是高效率重叠石墨间隙SPD（中国专利号CN101090197A）。第二种是闪电放电火花间隙SPD（中国专利号CN1377108A）。这两种SPD具有至少两个显著的缺点。第一个缺点是放电电压不稳定并且住宅电压高于2500V（如果根据IEC 61643-1（2005）测试是1.2/50us6kV）。第二个缺点是难以控制放电能量，当通过I类电流波10/350us冲击来测试时，并且电容器容易损坏，最坏的情况下其易于***。

因此，需要提供具有改善的质量和功能的浪涌保护装置。

发明内容

本发明提供一种使用金属氧化物压敏电阻器（MOV）作为主动能量控制多间隙放电链的浪涌保护装置（SPD）。存在若干要解决的技术，但是目前存在至少两种关键的技术。第一种是较低的住宅电压。利用本发明，SPD的住宅电压可以处于低于2000V的电平，并且通过好的调整和设计，住宅电压可以处于低于1500V的电平这允许保护***和装备免受浪涌电流和电压损坏的更好的方式。第二种是主动放电能量控制。通过调节间隙距离和MOV放电电流来主动地控制经由MOV的能量。在该放电电流低于SPD的最大放电电流（Imax）的条件下，要控制经由MOV的能量低于间隙被导通前的最大承受能量，以在触发MOV安全工作的情况下实现放电能量主动控制。因此，实现了间隙穿通更高的浪涌电流和辅助的触发MOV安全工作。

在一个实施例中，本发明可以提供一种浪涌保护装置，其可以包括参考节点、第一节点、第二节点和第三节点、耦合在第一节点和第二节点之间并被配置成接收来自第一节点的浪涌电压的第一电弧放电部分（GAP）、耦合在第二节点和参考节点之间并被配置成将浪涌电压在第二节点处减小到第一子浪涌电压的第一金属氧化物压敏电阻器（MOV）、耦合在第二节点和第三节点之间并被配置成接收来自第二节点的第一子浪涌电压的第二电弧放电部分（GAP）、以及耦合在第三节点和参考节点之间并被配置成将第一子浪涌电压在第三节点处减小到第二子浪涌电压的第二金属氧化物压敏电阻器（MOV）。

附图说明

对于本领域的技术人员而言，在检验以下附图和详细描述的情况下，本发明的其他***、方法、特征和优点将成为或将变得明显的。预期所有这种附加的***、方法、特征和优点包括在本描述中，在本发明的范围之内，并且被所附的权利要求所保护。在附图中示出的组成部分不一定是按比例的，而可以被夸大以更好地示出本发明的重要特征。在附图中，在不同的示图中相似的附图标记表明相似的部分，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的使用MOV作为主动能量控制多间隙放电链的总体浪涌保护装置的示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的图1的浪涌保护装置100的示例性实现的示意图，该浪涌保护装置具有12个GAP并使用11个MOV作为主动能量控制多间隙放电链。

图3示出了作为用于实现图2所示的电路图的一种方式的浪涌保护装置的拆卸后的物理结构。

图4示出了图3所示的浪涌保护装置的组装后的物理结构。

具体实施方式

现在将参考附图来描述实现本发明的各种特征的实施例的设备、***和方法。提供附图及相关描述以说明本发明的一些实施例，而不是限定本发明的范围。在附图中，重复使用附图标记以表示参考元件之间的对应关系。此外，各个附图标记的第一位表示该元件首先出现在其中的该图。

本文描述的浪涌保护装置（SPD）使用金属氧化物压敏电阻器（MOV）作为主动能量控制多间隙放电链。该浪涌保护装置主要应用于交流电源***中，例如在火线-中性线（L-N）和中性线-地线（N-PE）的线路之间。一般地，SPD包括作为间隙（或产生间隙）的（n+1）个耐较高温导体、用于填充间隙的n个绝缘的框或滑片或薄片、以及用于形成放电触发链的（n-1）个MOV，并带有用于集成完整的浪涌保护装置的其他部分，例如连接器、塑料封装、熔断器（可选）、指示器（可选）和端子等。下面是对用于该电路和结构的工作原理和概念的说明。

在图1中，示出了根据本发明的一个实施例的浪涌保护装置100的示意图。浪涌保护装置100使用两个或更多个金属氧化物压敏电阻器（MOV）作为主动能量控制多间隙放电链。一般地，浪涌保护装置100可以具有可彼此串联耦合的两个或更多个电弧放电部分（例如GAP）和可彼此并联耦接的两个或等多个辅助放电装置（例如MOV）。可以使用电弧放电部分以形成用于对浪涌电压进行放电的放电路径，而多个辅助放电装置可以用于在浪涌电压正经由电弧放电部分被放电时减小浪涌电压的频率和/或幅度。如本文所讨论的那样，辅助放电装置可以是能够抑制和/或消耗由浪涌电压所产生的能量的任何装置。例如，每个辅助放电装置可以是电容器、电阻器、电感器、MOV或其组合。在一个实施例中，浪涌保护装置100仅包括用于辅助放电装置的MOV，而不包括任何电容器、电阻器和电感器。

根据本发明的一个实施例，可以仅由一个或更多个金属氧化物压敏电阻器（也称为可变电阻器）来形成辅助放电装置，其每个可以具有非线性的电压-电流特性。如图1所示，浪涌保护装置100可以具有包括一个或更多个电弧放电部分（GAP）的放电路径110、以及具有包括一个或更多个金属氧化物压敏电阻器（MOV）的抑制网络120。

更具体地，放电路径110可以包括可耦合在第一节点101（或输入节点101）与第二节点102之间的第一电弧放电部分（GAP1）131、可耦合在第二节点102与第三节点103之间的第二电弧放电部分（GAP2）132、以及可耦合在第三节点103与第四节点104之间的第三电弧放电部分（GAP3）133。放电路径110可以包括如所期望地多的电弧放电部分。例如，假设n是随机数，则放电路径110可以包括可耦合在第（n+1）个节点106与第（n+2）个节点107之间的第（n+1）个电弧放电部分（GAP_n+1）134。

抑制网络120可以包括可耦合在第二节点102与参考节点121之间的第一金属氧化物压敏电阻器（MOV1）141、可耦合在第三节点103与参考节点121之间的第二金属氧化物压敏电阻器（MOV2）、可耦合在第四节点104与参考节点121之间的第三金属氧化物压敏电阻器（MOV3）、以及直至可耦合在第（n+2）个节点107与参考节点121之间的第（n+1）个金属氧化物压敏电阻器（MOV_n+1）146。

在一个实施例中，电弧放电部分131可以接收来自第一节点101的浪涌电压，并且电弧放电部分131可以在第一电弧放电部分131两端至第二节点102对该浪涌电压进行放电。MOV1 141可以将所接收的浪涌电压的能量减少预定的幅度，使得第三节点103可以接收可小于浪涌电压的第一子浪涌电压。类似地，MOV2 142可以将所接收的子浪涌电压的能量减少另一预定的幅度，使得第四节点104可以接收可小于第一子浪涌电压的第二子浪涌电压。该能量减少过程的效果可以被存在于抑制网络120中的多个MOV重复、级联和放大。因此，也可以是参考节点121和/或输出节点108的第（n+2）个节点107可以接收与第一节点相比被良好地抑制的电压。

由于MOV的电压-电流（V-I）特性，抑制网络120能够以稳定、高效和有效的方式来抑制浪涌电压。与基于直流电容器的辅助放电装置相比，MOV提供了在振荡减少和峰值电流浪涌控制方面的显著的改进。有益地，浪涌保护装置100可以产生具有微小波动和平滑的瞬态轮廓的剩余电压。

总之，这是链放电过程，当第一节点101与参考节点121或输出节点108之间的过电压达到GAP1 131的击穿电压时，通过MOV1 141和参考节点121的环路触发GAP1131，并因此，电流流经该环路以形成MOV1 141的剩余电压。对于整个放电过程，如果该剩余电压达到GAP2 132的击穿电压，则通过MOV2 142和参考节点121的环路触发GAP2 132，该放电过程持续直到第（n+1）个MOV的剩余电压导致GAP（n+2）工作。对于这种产品的电压保护电平可以被限定为在MOV1 141的剩余电压和GAP1 131的电弧电压之下。此外，第一节点101与第（n+2）节点107之间的电弧电压的累积可以帮助该产品解决后续的电流中断问题。MOV和火花间隙的数量取决于需要什么电源电压。在一个实施例中，GAP的总数比MOV的总数大一。

浪涌保护装置100使用MOV作为主动能量控制多间隙放电链。浪涌保护装置100包括一起作为所述链的n个串联的隙以及与（n-1）个GAP连接的、逐一分流到一个端部的（n-1）个MOV。浪涌保护装置100的电源端，即，n个GAP的链之中的第一GAP的电子端101与主电力线相连接，第一GAP的另一端（节点102）则与（n-1）个MOV的链之中的第一MOV 141的一端相连接。浪涌保护装置100的另一电源端，即，第n GAP的一个电子端（节点（n+1））则连同（n-1）个MOV分流点一起与另一电力线环路相连接。（n-1）个MOV的一端按顺序与（n-1）个GAP的一端连接，并且（n-1）个MOV的另一端以分流接头与第n GAP的一端连接，即，与浪涌保护装置100的另一电源端相同的点，其中所述分流接头作为所述接头而连接到电力线。对于图1所示的浪涌保护装置100，出于示意性的目的，将其示出为（n+2）个GAP和（n+1）个MOV。

每个放电的单独间隙由耐高温导体和绝缘电介质构成，其中每个间隙的距离或宽度约0.15毫米（mm）到约1mm。在一个实施例中，每个间隙之间（例如从第一间隙到第二间隙）的距离约0.15mm到约1mm。每个MOV的导通电压从约300V到约1500V。在一个实施例中，所有MOV的导通电压是相同的或基本上相同的。在另一实施例中，每个MOV的导通电压不同的。在一个实施例中，基数n大于自然数3。连接类型包括用于电源连接的金属导体，还包括过电流熔断器和超温熔断器。高温导体可以由诸如石墨、黄铜、铜和青铜及其合金金属导电材料等的一种或更多种导电材料制成。

图2示出图1的浪涌保护装置100的示例性实现的示意图，该浪涌保护装置100具有12个GAP并使用11个MOV作为主动能量控制多间隙放电链。如图2所示，浪涌保护装置200可以具有包括12个电弧放电部分（GAP）的放电路径210以及包括11个MOV的抑制网络220。图2是示例实施例，并且可以使用任意数目个电弧放电部分（GAP）和MOV。

图3示出了作为图2所示的示意性电路的一个示例性实现的浪涌保护装置300的拆卸后的物理结构。浪涌保护装置300可以包括上部印刷电路板（PCB）单元305、安装到上部PCB单元305的第一多个MOV 306、上部柔性杆单元310、上部塑料支架315、多个绝缘框、薄片或板320（例如聚四氟乙烯（PTFE）层或绝缘体）、多个耐高温导体325（例如石墨层或导体）、右电极板330、左电极板335、金属支架340、下部塑料支架345、下部柔性杆单元350、下部PCB单元355以及安装到下部PCB单元355的第二多个MOV 356。多个绝缘框320被定位成基本上相互平行并与多个耐高温导体325相交替，该多个耐高温导体325也被定位成基本上相互平行。上部塑料支架315和下部塑料支架345每个具有12个通道、槽或缺口316和346，所述12个通道、槽或缺口316和346从前侧延伸或通过到后侧，并适合或容纳所述多个绝缘框320和/或所述多个耐高温导体325。在一个实施例中，槽或缺口316和346将所述多个绝缘框320和/或所述多个耐高温导体325保持在适当的位置，使得所述多个绝缘框320和/或所述多个耐高温导体325均基本上相互平行。所述第一多个MOV 306和第二多个MOV 356分别经由上部柔性杆单元310和下部柔性杆单元350与所述多个耐高温导体325相耦合。

图4示出了作为图2所示的示意性电路的一个示例性实现的浪涌保护装置300的组装的物理结构400。

已经以示意性的形式公开了本发明的示例性实施例。相应地，应当以非限定性的方式理解始终使用的术语。尽管本领域的熟练技术人员将想到对本文教导的较小变型，但是应当理解，旨在将所有这种可能落在由此向本领域贡献的发展的范围内的实施方式包括在基于此授权的专利的范围之内，并且除了根据所附的权利要求及其等同内容之外，该领域不应是限制性的。

Claims

1.一种浪涌保护装置，包括：

参考节点；

第一节点、第二节点和第三节点；

第一电弧放电部分，所述第一电弧放电部分耦合在所述第一节点与所述第二节点之间，并被配置成接收来自所述第一节点的浪涌电压；

第一金属氧化物压敏电阻器，所述第一金属氧化物压敏电阻器耦合在所述第二节点与所述参考节点之间，并被配置成将所述浪涌电压在所述第二节点处减少到第一子浪涌电压；

第二电弧放电部分，所述第二电弧放电部分耦合在所述第二节点和所述第三节点之间，并被配置成接收来自所述第二节点的所述第一子浪涌电压；以及

第二金属氧化物压敏电阻器，所述第二金属氧化物压敏电阻器耦合在所述第三节点与所述参考节点之间，并被配置成将所述第一子浪涌电压在所述第三节点处减少到第二子浪涌电压。

2.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述第一电弧放电部分具有介于约0.15毫米（mm）到约1 mm之间的间隙。

3.根据权利要求2所述的浪涌保护装置，其中，所述第二电弧放电部分具有介于约0.15 mm到约1 mm之间的间隙。

4.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述第一金属氧化物压敏电阻器具有介于约300V到约1500V之间的导通电压。

5.根据权利要求4所述的浪涌保护装置，其中，所述第二金属氧化物压敏电阻器具有介于约300V到约1500V之间的导通电压。

6.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述第一电弧放电部分和所述第二电弧放电部分被布置成串联电路配置。

7.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述第一金属氧化物压敏电阻器和所述第二金属氧化物压敏电阻器被布置成并联电路配置。

8.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述第一金属氧化物压敏电阻器具有非线性的电压-电流特性。

9.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述第二金属氧化物压敏电阻器具有非线性的电压-电流特性。

10.根据权利要求1所述的浪涌保护装置，其中，所述第一电弧放电部分和所述第二电弧放电部分形成用于对所述浪涌电压进行放电的放电路径，并且所述第一金属氧化物压敏电阻器和所述第二金属氧化物压敏电阻器用于在所述浪涌电压正在经由所述第一电弧放电部分和所述第二电弧放电部分而被放电的同时，减小所述浪涌电压的频率或幅度。

11.一种浪涌保护装置，所述浪涌保护装置减少振荡并实现更好的峰值电流浪涌控制，所述浪涌保护装置包括：

输出节点；

第一节点、第二节点和第三节点；

第一金属氧化物压敏电阻器，所述第一金属氧化物压敏电阻器耦合在所述第二节点与所述输出节点之间，并被配置成将所述浪涌电压在所述第二节点处减少到第一子浪涌电压；

第二电弧放电部分，所述第二电弧放电部分耦合在所述第二节点与所述第三节点之间，并被配置成接收来自所述第二节点的所述第一子浪涌电压；以及

第二金属氧化物压敏电阻器，所述第二金属氧化物压敏电阻器耦合在所述第三节点与所述输出节点之间，并被配置成将所述第一子浪涌电压在所述第三节点处减少到第二子浪涌电压，

其中，所述第一电弧放电部分和所述第二电弧放电部分形成用于对所述浪涌电压进行放电的放电路径，并且所述第一金属氧化物压敏电阻器和所述第二金属氧化物压敏电阻器用于在所述浪涌电压正在经由所述第一电弧放电部分和所述第二电弧放电部分而被放电的同时，减小所述浪涌电压的频率或幅度。

12.根据权利要求11所述的浪涌保护装置，其中，所述第一电弧放电部分具有介于约0.15毫米（mm）到约1mm之间的间隙。

13.根据权利要求12所述的浪涌保护装置，其中，所述第二电弧放电部分具有介于约0.15mm到约1mm之间的间隙。

14.根据权利要求11所述的浪涌保护装置，其中，所述第一金属氧化物压敏电阻器具有介于约300V到约1500V之间的导通电压。

15.根据权利要求14所述的浪涌保护装置，其中，所述第二金属氧化物压敏电阻器具有介于约300V到约1500V之间的导通电压。

16.根据权利要求11所述的浪涌保护装置，其中，所述第一电弧放电部分和所述第二电弧放电部分被布置成串联电路配置。

17.根据权利要求11所述的浪涌保护装置，其中所述第一金属氧化物压敏电阻器和所述第二金属氧化物压敏电阻器被布置成并联电路配置。

18.一种浪涌保护装置，包括：

上部塑料支架，所述上部塑料支架具有从前侧延伸到后侧的多个槽；

下部塑料支架，所述下部塑料支架具有从前侧延伸到后侧的多个槽；

多个绝缘体，其中，每个绝缘***于所述上部塑料支架的所述多个槽中的一个内和所述下部塑料支架的所述多个槽中的一个内；

多个导体，其中，每个导体与每个绝缘体相交替，并且所述多个导体被定位成基本上相互平行；以及

多个金属氧化物压敏电阻器，其中，每个金属氧化物压敏电阻器与所述多个导体中的一个连接。

19.根据权利要求18所述的浪涌保护装置，其中，所述多个绝缘体的每个都由聚四氟乙烯材料制成。

20.根据权利要求18所述的浪涌保护装置，其中，所述多个导体的每个都由石墨材料制成。