CN104283190A - 用于防止漏电流的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于防止漏电流的装置，所述装置要连接在第一电气连接(2)和第二电气连接(3)之间。所述装置包括：开关(5)，所述开关(5)被配置为至少部分地转移在所述第一电气连接中流动的电流并由所述第一电气连接的电压控制。

Description

用于防止漏电流的装置和方法

技术领域

本发明涉及漏电流防护，尤其涉及用于防止漏电流的装置，所述装置可被连接到在功率断路器(power breaker)的输出处的电气线路上。

背景技术

通常，断路器被用于允许或中断电源和供电负载之间的电流通路。在断开状态下，当限制漏电流发生时，断路器旨在支持如大约几百伏的高电压。在激活状态下，当在断路器两端呈现低电压时，断路器旨在允许如大约几百安培的高电流通过。另外，为了减少开关损耗，选取断路器以提供快速开关。

具体地，使用包括半导体功率组件的断路器，例如绝缘栅极晶体管(“IGBTs”)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET transistors)、门极可关断晶闸管(“GTO thyristors”)、双极型晶体管、三端双向可控硅元件、晶体闸流管或二极管。这些断路器的使用可产生杂散电容。因此，在断开状态下，这些断路器可允许残余的漏电流通过。在这些断路器的输出处，漏电流可导致具有高值的所谓的接触电压。用户和传导部之间的接触与断路器的输出电通信的情况下，接触电压可能是危险的。

因此，限制接触电压并因此限制断路器输出处的漏电流是合适的。可参考下面标准，所述标准定义接触电压以及漏电流的允许范围：国际电工技术委员会/试验装置(IEC/TS)60479-1、国际电工技术委员会/试验装置(IEC/TS)60479-2以及国际电工技术委员会(IEC)60990版本(Rev)2。在这些范围之下，用户得到很好的保护免受电击危险。

已经提出使用用于防止漏电流的装置，因此所述装置也防止接触电压。

例如已经提出在断路器的输出和电气接地之间使用电容器以限制交流电(AC)漏电流。这种被动的方案具有需要大面积的缺陷，并且尤其具有需要电容器的值适应每种类型的断路器以及每个应用(application)的缺陷。

也已经提出使用机电继电器与半导体断路器串联，所述机电继电器由半导体断路器控制电路控制。尽管这种方案使获得完美的电流隔离以及防护成为可能，即使断路器的控制电路和机电继电器的控制电路不再为断路器供电(“故障-安全”)(“Fail-safe”)，所述电流隔离以及防护也可起作用。这种方案具有需要大面积、大重量、很不可靠以及具有大成本的缺陷。

最后，可参考文件WO2007/006021。该文件描述了二级断路器的使用，所述二级断路器配置在所谓的初级断路器的输出和地之间。所述二级断路器被控制以便当初级断路器打开时形成短路。所述二级断路器由初级断路器控制电路控制。该方案的缺陷尤其在于，产生破坏与两个断路器同时闭合相关的组件的风险。该方案也具有需要二级断路器的缺陷，该二级断路器的大小设置为能够承受由于电击(lightning)的电压上升，还具有需要供电以便运行的缺陷。换句话说，该装置不是本领域技术人员所熟知的术语：尽管一个部件故障仍有保证操作的“故障-安全”。

因此，本发明的目的为改进对漏电流的防护并且获取更紧凑且更可靠的装置。

发明内容

根据本发明的一个方面，提出了一种用于防止漏电流的装置，所述装置要(being intended to)连接在第一电气连接(electrical connection)和第二电气连接之间。

所述装置包括开关，所述开关被配置为至少部分地转移在所述第一电气连接中流动的电流并且由所述第一电气连接的电压控制。

具体地，将所述装置连接到断路器的输出是可能的，例如可能允许漏电流通过的断路器。于是所述第一电气连接相当于配置在所述断路器之后的电气线路，所述第二电气连接能够相当于电气中性点(electrical neutral)。

然而，在现有技术中使用的装置由电压控制，所述电压源于其他的自供电的电子电路，这里，所述第一电气连接的电压水平控制所述开关的打开和闭合。更准确地说，如果在所述第一电气连接上出现电压，那么使用该电压来闭合所述开关并允许电流的至少部分转移(diversion)是可能的。与现有技术相比，不使用机电继电器或电容器是可能的，从而获得紧凑装置。

所以，通过至少部分地转移电流，有可能得到防护装置，所述防护装置运行条件是在所述第一电气连接上出现电压，该电压可能是由于配置在所述第一电气连接上游的断路器的闭合或者漏电流引起的电压。事实上，由于转移的电流被限制，可能获得可被连接至电气连接(electrical connections)的负载的正常运行。

电流的部分转移与现有技术的方案不同，在现有技术的方案中电气连接直接接地。

所述开关可被配置为当所述第一电气连接的电压超过阈值时闭合。

具体地，确定该阈值为5伏是可能的，以便能够符合上述的与接触电压相关的标准。通过部分地转移一些电流，如果电压超过5V，降低在所述第一电气连接上的电压并得到一个对用户没有危险的电压成为可能。

所述开关可以为MOSFET晶体管，例如具有N型传导通道的MOSFET，该晶体管的栅极通过电阻器连接到所述第一电器连接，并且所述晶体管的漏极连接到所述第一连接。

这样，所述晶体管的漏极和栅极通过该电阻器连接，并且通过同时施加栅极电压和漏源电压，所述第一电气连接的电压使控制所述晶体管以及允许电流通过成为可能。

所述装置可包括用于限制在所述开关中流动的电流的电路。

因此，得到始终开启(always-on)的装置是可能的，并且得到例如小于6毫安rms的通过所述晶体管的电流是可能的。从而符合标准IEC/TS60479-1以及IEC/TS60479-2。由于流过装置的电流被限制，于是可得到对电击的防护。

所述用于限制电流的电路可包括双极型晶体管和限流电阻器，所述双极型晶体管的集电极连接到所述MOSFET晶体管的栅极，并且所述双极型晶体管的基极为所述限制电阻器以及所述MOSFET晶体管的源极共有。

这样，所述第一电气连接的电压将直接驱动所述开关，这里为MOSFET晶体管，并因此也驱动所述双极型晶体管，之后限制流过所述开关的电流。如果所述开关为晶体管，限制电流使降低所述晶体管的栅极电压成为可能，并因此通过负反馈来限制流过该晶体管的电流。

举例来说，电流可由限制电阻器的比值限制到所述双极型晶体管的饱和基极-发射极电压。

所述开关可在所述装置的第一控制模式中被配置为闭合并至少部分地转移在所述第一电气连接中流动的电流，在所述装置的第二控制模式中配置为打开。此外，所述装置包括在所述第二控制模式中形成所述装置的输入阻抗的电阻器。

所述形成所述装置的输入阻抗的电阻器例如可以为配置在形成所述开关的晶体管的栅极以及所述第一电气连接之间的电阻器。

然而，在现有技术中，有一种在其中所述装置形成短路的控制模式，以及在其中所述装置形成开路的另一种控制模式，在这里，使用电阻器大大地限制电流分流并允许电源施加到连接至电气连接的负载。举例来说，使用具有大约为几百千欧(kilo-ohms)电阻值的电阻器是可能的，例如大于500千欧。

所述装置可包括被配置为接收控制信号的输入，当控制信号的电压为零时所述装置被配置为在所述第一控制模式中。

除了由所述第一电气连接的电压控制外，所述装置可通过使用具有电压等于零的控制信号自动地处于第一控制模式中。例如如果使用微控制器来选择控制模式，那么即使该微控制器有缺陷或者没有上电也得到对漏电流的防护，从而得到“故障-安全”操作。

所述装置可包括光耦合器，所述光耦合器连接到配置为接收控制信号的所述输入。然后所述光耦合器可配置为在所述第一控制模式中断开(off)并在所述第二控制模式中导通(on)。

当激活时，所述光耦合器例如可短路所述开关的控制。事实上如果所述开关为晶体管，如果在所述第一电气连接上出现电压，短路所述晶体管的栅极以防止其打开是可能的，然后所述装置表现出所述电阻作为输入阻抗，从而使为下游连接到电气连接的负载供电成为可能。

所述装置可包括配置在所述装置的输入处并连接到所述第一和第二电气连接的整流电路。

因此，处理AC漏电流成为可能。

根据本发明的另一个方面，提出一种用如上文中限定的装置来防止漏电流的方法，在该方法中负载被连接到所述第一和第二电气连接。

根据所述方法的一般特征，所述装置被控制以便当所述负载不得运行时所述装置在所述第一控制模式中运行，当所述负载必须运行时所述装置在所述第二控制模式中运行。

附图说明

本发明的其他优势和特征将通过研究下面的描述变得明显，采取非限制性实施例的方式，并通过附图示出，其中：

图1和图2示出本发明的实施例的两种变形。

具体实施方式

图1中已经示意性地示出用于防止漏电流的装置1，从而使防止发生接触电压成为可能。装置1被连接到第一电气连接2以及第二电气连接3，所述第一电气连接2连接到断路器4的输出。所述第一电气连接2可相当于电气相中(electrical phase)，所述第二电气连接3可相当于电气中性点。断路器4可以为包括半导体组件的断路器，因为所述半导体组件的杂散电容，因此半导体组件允许漏电流通过。因此装置1被用于降低断路器4的输出电压以便得到对用户无危险的电压。

通过指示，使用装置1用于防止在负载布线中的漏电流是可能的，所述负载例如可以为在飞机内被供电的电气设备。

装置1具体包括晶体管5，晶体管5被控制为转移在所述第一连接2中流动的电流，例如具有N型传导通道的MOSFET晶体管。晶体管5的漏极和栅极通过电阻器6连接到节点A。这样，在第一电气连接2上的电压出现期间，同时晶体管5的漏源电压以及该晶体管的栅极电压有一个上升。于是晶体管5被控制为从所述第一电气连接2转移电流。

为了转移电流，假如在所述第一电气连接2上的电压超过阈值例如5伏，选择具有小于5伏的阈值电压的晶体管5是可能的。事实上，将接触电压限制到5伏大大减少对可引起与电气连接2和3接触的任何人的人身危险是可能的。

装置1也包括整流桥7，配置在装置1的输入处并通过它的一个端子直接连接到第一电气连接2和电气连接3，并通过它的另外一个端子连接到节点A。该整流桥使控制晶体管以转移AC漏电流成为可能。整流桥7包括形成一个整流桥的四个二极管7'。要注意的是由晶体管5转移的漏电流通过整流桥7重定向到第二电气连接3，所述第二电气连接3可以为中性点。

为了保护晶体管5的栅极，可将二极管8连接到该栅极。

装置1包括电路9，电路9用于限制在晶体管5中流动的电流。该限制电路包括双极型晶体管10以及电阻器11。通过限制经过晶体管5的电流，得到持久运行的装置1是可能的，尤其是当断路器4闭合并且负载由所述第一和第二电气连接2和3供电时。例如，通过限制在所述装置中转移的电流，所述装置在电击期间受到非常低的电应力(electrical stresses)。

电路9得到的限制(limitation)通过控制晶体管10从而降低晶体管5的栅极电压来实施。当晶体管10的基极从晶体管5接收电流时，该限制自动实施。因此，除了由所述第一电气连接的电压调整之外，还得到由转移的电流的调整。

尽管使用持久转移电流的装置1是可能的，所述电流例如来自所述第一电气连接2的漏电流，但控制装置1使得该转移只在断路器4闭合且因此激活时实施也是可能的。

图2中已经以原理图的方式示出根据本发明的变形，其中装置1是可控制的。该控制例如可来自微控制器，该图未示出，所述微控制器也控制断路器4。

在该变形中，装置1包括配有输入13的控制电路12，所述输入13被配置为接收控制信号。控制电路12具体包括光耦合器14以及用于适应电压的电阻器15，所述光耦合器14由经过所述光耦合器的电气连接连接到装置1的电路的其余部分，一方面连接到晶体管5的栅极，另一方面连接到整流电路7的一个节点上，目的是允许电流流向所述第二电气连接3。

当由控制电路12接收的控制信号电压为零时，光耦合器14未被激活，更确切地说，所述光耦合器14的输出未被激活，装置1像参考图1时描述的装置那样运行：漏电流通过晶体管5被转移，所述晶体管5由所述第一电气连接2的电压控制，并且经过该晶体管5的电流由限制电路9限制。

当由控制电路12接收的控制信号电压为正时，经过所述光耦合器14的电气连接被激活，并且晶体管5的栅极被短路。从第一电气连接2的角度考虑，则装置1表现出相应于电阻器6的输入阻抗，并且认为装置1是不起作用的：没有电流转移。选择具有阻抗值大约为几百千欧，例如值大于500千欧的电阻器将是可能的。

如上文所述，当控制信号为零时装置1被认为是起作用的，并且获得漏电流防护。“故障-安全”操作被获得，并且即使在产生控制信号的微控制器故障的情况下，故障-安全”操作将保护用户免受漏电流。

当断路器4闭合时，装置1可通过向控制电路12发送一个非零的信号表现为不起作用的。

然而，当所谓的初级断路器被闭合的同时所谓的二级断路器想要转移漏电流时，现有技术中这种控制可存在危险，在这里，当负载必须由电气连接2和3供电时，限制电路9的使用使防止通过装置1的短路的发生成为可能。

借助于本发明，对防止漏电流从而防止接触电压的发生获得更好的保护，并获得更可靠的装置，尤其防止由于电击出现的电压，并且也在一个实施例中防止控制该保护装置的外部设备的故障发生。

还可注意的是，借助于本发明，获得无需机电继电器且无需电容器可运行的紧凑装置。

最后，本发明可适应于任何类型的电气连接，例如组件大小的制定对应于用于保护用户的标准，所述保护用户的标准与在连接(connections)中流动的电流以及位于下游的负载无关。

Claims (10)

1.用于防止漏电流的装置，所述装置要连接在第一电气连接(2)和第二电气连接(3)之间，其特征在于，所述装置包括开关(5)，所述开关(5)被配置为至少部分地转移在所述第一电气连接中流动的电流并由所述第一电气连接的电压控制。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述开关(5)被配置为当所述第一电气连接的电压超过阈值时闭合。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关(5)为金属氧化物半导体场效应MOSFET晶体管，所述晶体管的栅极通过电阻器(6)连接到所述第一电气连接，并且所述晶体管的漏极连接到所述第一连接。

4.根据前述权利要求任一项所述的装置，包括电路(9)，所述电路(9)用于限制在所述开关中流动的电流。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，用于限制电流的电路(9)包括双极型晶体管(10)和限制电阻器(11)，所述双极型晶体管的集电极连接到所述MOSFET晶体管的栅极，并且所述双极型晶体管的基极为所述限制电阻器和所述MOSFET晶体管的源极共有。

6.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中，所述开关(5)被配置为在所述装置的第一控制模式中闭合并至少部分地转移在所述第一电气连接中流动的电流，并且在所述装置的第二控制模式中配置为打开，所述装置还包括在所述第二控制模式中形成所述装置的输入阻抗的电阻器(6)。

7.根据权利要求6所述的装置，包括配置为接收控制信号(13)的输入，所述装置被配置为当所述控制信号的电压为零时，处于所述第一控制模式。

8.根据权利要求7所述的装置，包括光耦合器(14)，所述光耦合器连接到配置为接收控制信号(13)的所述输入，并配置为在所述第一控制模式中断开，以及在所述第二控制模式中导通。

9.根据前述权利要求任一项所述的装置，包括整流电路(7)，所述整流电路配置在所述装置的输入处，并连接到所述第一电气连接(2)和所述第二电气连接(3)。

10.通过根据权利要求6-9任一项所述的装置防止漏电流的方法，其中，负载连接到所述第一电气连接(2)和所述第二电气连接(3)，其特征在于，所述装置被控制使得当所述负载不得运行时所述装置在所述第一控制模式中运行，并且所述装置被控制使得当所述负载必须运行时所述装置在所述第二控制模式中运行。