CN212277910U - 用于负载的过电压保护的设备 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及一种用于负载的过电压保护的设备。所述设备包括电源(U)、齐纳二极管(Z1、Z2)、场效应管(Q1、Q2)和开关电路(10)。所述齐纳二极管耦接至所述电源(U)并且耦接至光耦合器(OPTO)，并且被配置为当所述电源(U)的瞬时电压的绝对值超过阈值时导通所述光耦合器(OPTO)。所述场效应管(Q1、Q2)耦接至负载(R)。所述开关电路(10)耦接在所述光耦合器(OPTO)和所述场效应管(Q1、Q2)之间，并且被配置为基于跨过所述光耦合器(OPTO)的电压来控制所述场效应管(Q1、Q2)的断开和闭合。根据本公开的实施例，可以实现对正向过电压以及负向过电压的实时保护。

Description

用于负载的过电压保护的设备

技术领域

本公开的实施例总体上涉及电气领域，更具体地涉及一种用于负载的过电压保护的设备。

背景技术

在工业应用中，对于许多电气装置，常常使用220V的交流电作为其电源输入。然而在某些场合下，由于现场的工业用电大多为380V的交流电，因此一旦操作不慎，这些电气装置存在被接入380V的交流电的风险，这样的过电压有可能烧毁电气装置，更严重地可能会导致人员的伤亡。因此，急需一种有效的方案来对负载进行过电压的检测和控制。

实用新型内容

现有技术中存在一些可以用来对负载进行过电压保护的方法。图1和图2分别示出了现有的方法。在图1中，采用晶闸管Triac对过电压状态进行关断保护。然而，由于晶闸管Triac的特性，需要在电压经过零点时才可以有效地进行关断，这会导致对负载的保护不及时。也就是说，当电压经过零点时，可能过电压状态已经持续了一段时间并且对负载造成了损害。这种方案的实时性不佳。另外，在这种方案中，由于需要将交流电转换成直流电，这样会导致短暂的过电压被过滤掉，无法对负载提供全面的保护。

在图2中，采用继电器Relay对过电压状态进行关断保护。由于继电器Relay的特性，其对过电压的响应有大约10ms的延时，这对于频率为50Hz的交流电而言是显著的。也就是说，在频率为50Hz的交流电中，周期为20ms，继电器Relay延时达到了半个周期。因此，继电器Relay对过电压状态的关断也不及时。此外，如图2所示，由于在电路中还需要提供ADC器件，这种方案的成本也相对较高，其推广受到限制。

本公开的实施例提供了一种设备，用来对负载进行过电压保护，这种设备旨在至少部分地解决现有的方案中存在的上述和/或其他潜在问题。

本公开的实施例提供了一种用于负载的过电压保护的设备。所述设备包括：电源；齐纳二极管，耦接至所述电源并且耦接至光耦合器，并且所述齐纳二极管被配置为当所述电源的瞬时电压的绝对值超过阈值时导通所述光耦合器；场效应管，耦接至负载；开关电路，耦接在所述光耦合器和所述场效应管之间，并且被配置为基于跨过所述光耦合器的电压来控制所述场效应管的断开和闭合。

根据本公开的实施例，通过设置齐纳二极管，可以利用一种成本可控的方案实时地对过电压进行检测和关断，从而防止检测和关断不及时对负载造成损坏。

在一些实施例中，所述光耦合器包括第一发光二极管和第二发光二极管，所述第一发光二极管和所述第二发光二极管并联设置，并且所述第一发光二极管的正极耦接至所述第二发光二极管的负极。

在一些实施例中，所述齐纳二极管包括第一齐纳二极管和第二齐纳二极管，所述第一齐纳二极管的负极与所述第二齐纳二极管的负极耦接。

在一些实施例中，所述开关电路包括：第一反相器和第二反相器；以及连接电路，耦接在所述第一反相器和所述第二反相器之间。

在一些实施例中，所述连接电路包括：第一二极管和第二二极管；第一电阻和第二电阻；以及电容器，耦接至所述第二反相器和基准电压节点之间；其中所述第一二极管和所述第一电阻串联，所述第二二极管和所述第二电阻串联，并且所述第一二极管的正极耦接至所述第二二极管的负极。

在一些实施例中，所述第二电阻的阻值超过所述第一电阻的阻值的400倍。

在一些实施例中，所述场效应管包括并联设置的第一场效应管和第二场效应管，并且所述负载耦接在所述第一场效应管和所述第二场效应管与基准电压节点之间。

附图说明

通过参照附图的以下详细描述，本公开实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本公开的多个实施例进行说明，其中：

图1示出了一种常规的利用晶闸管对负载进行过电压保护的电路图；

图2示出了另一种常规的利用继电器对负载进行过电压保护的电路图；

图3示出了根据本公开的一个实施例的原理的示意性图示；

图4示出了根据图3的电路结构图；以及

图5至图7示出了根据本公开的实施例的电压波形图。

具体实施方式

现在将参照附图中所示的各种示例性实施例对本公开的原理进行说明。应当理解，这些实施例的描述仅仅为了使得本领域的技术人员能够更好地理解并进一步实现本公开，而并不意在以任何方式限制本公开的范围。应当注意的是，在可行情况下可以在图中使用类似或相同的附图标记，并且类似或相同的附图标记可以表示类似或相同的功能。本领域的技术人员将容易地认识到，从下面的描述中，本文中所说明的结构和方法的替代实施例可以被采用而不脱离通过本文描述的本实用新型的原理。

在本公开内容的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如上所述，在现有的过电压保护的方案中，由于实时性较差，因此无法实现对负载的有效保护。

现在将参照图3至图4来描述一些根据本公开的示例实施例。如图3所示，用于负载的过电压保护的设备总体上包括电源U、齐纳二极管Z1、Z2、场效应管Q1、Q2和开关电路10。齐纳二极管Z1、Z2耦接至电源U并且耦接至光耦合器OPTO。齐纳二极管Z1、Z2被配置为当电源U的瞬时电压的绝对值超过阈值时导通光耦合器OPTO，使得光耦合器OPTO能够工作。场效应管Q1、Q2耦接至负载R，并且适于实时地控制负载R的导通和关断。开关电路10被耦接在光耦合器OPTO和场效应管Q1、Q2之间，并且被配置为基于跨过光耦合器OPTO的电压来控制场效应管Q1、Q2的断开和闭合。

根据本公开的实施例，使用齐纳二极管Z1、Z2来检测过电压，其比传统的RC检测电路的精度更高，同时也无需复杂的ADC采样电路。此外，由于齐纳二极管Z1、Z2无需整流和滤波电路，可以直接对交流电压输入进行检测，而不会导致瞬时的过电压被过滤掉。以此方式，当电源U的瞬时电压过大时(无论是正向还是负向)，都能够被齐纳二极管Z1、Z2实时地感测到，从而有效地实现对负载R的开关控制。

在一些实施例中，如图3所示，光耦合器OPTO可以包括第一发光二极管LED1和第二发光二极管LED2，第一发光二极管LED1和第二发光二极管LED2并联设置，并且第一发光二极管LED1的正极耦接至第二发光二极管LED2的负极。通过反向并联设置的两个发光二极管LED1、LED2，光耦合器OPTO可以在双方向上对交流电压输入的整个波形进行检测，无论是正向过电压还是负向过电压都可以被检测到，从而保证检测的完整性。

在一些实施例中，齐纳二极管Z1、Z2可以包括第一齐纳二极管Z1和第二齐纳二极管Z2，第一齐纳二极管Z1的负极与第二齐纳二极管Z2的负极耦接。通过反向设置的第一齐纳二极管Z1和第二齐纳二极管Z2，在交流电发生正向过电压或者负向过电压的情况下，都可以确保完成对过电压的检测。通过使用第一齐纳二极管Z1和第二齐纳二极管Z2进行实时检测，可以有效地控制二极管的成本。此外，由于无需将交流转成直流，因此不会过滤掉瞬时的过电压。

图4示出了图3中的开关电路10的一种实现方式。在一些实施例中，如图4所示，开关电路10可以包括第一反相器NG1和第二反相器NG2、以及耦接在第一反相器NG1和第二反相器NG2之间的连接电路12。反相器又称作非门电路，开关电路10又称作非对称开关电路，可以用来实现快速断开和慢速导通。

继续参考图4，在一些实施例中，连接电路12可以包括：第一二极管D1和第二二极管D2；第一电阻R3和第二电阻R4；以及电容器C9。如所示出，电容器C9被耦接至第二反相器NG2和基准电压节点之间；其中第一二极管D1和第一电阻R3串联，第二二极管D2和第二电阻R4串联，并且第一二极管D1的正极耦接至第二二极管D2的负极。以此方式，第一齐纳二极管Z1和第二齐纳二极管Z2和光耦合器OPTO检测出来的电压V_out经过功能块处理后，可以输出对场效应管Q1和Q2进行开关动作的信号V_drv，从而实现对负载R的导通和断开的控制。

在一些实施例中，可以根据预设的电压门限值来进行对第一齐纳二极管Z1、第二齐纳二极管Z2的选择。例如，可以根据公式(1)来计算齐纳二极管Z1、Z2的齐纳电压：

V_z＝V_threshold (1)

其中，V_z表示齐纳二极管Z1、Z2的齐纳电压，V_threshold表示预设的电压门限值。

在一些实施例中，齐纳二极管Z1、Z2的齐纳电压V_z可以在预设的电压门限值V_threshold的附近范围中取值，例如V_threshold的95％至105％。在其他实施例中，V_z可以是V_threshold的98％至102％。当然，这里列出的数值仅仅是示意性的，V_z的取值可以根据不同的使用环境和用户要求来选择，具体的数值不受到本公开的实施例的限制。

在一些实施例中，可以根据公式(2)来获取电阻R1的阻值：

其中，I_OPTO表示流过光耦合器OPTO的电流，其应该尽可能小但是应该确保光耦合器OPTO能够正常工作，一旦选择了适当的光耦合器OPTO确定之后，I_OPTO即可被用户确定下来。V_in表示交流输入电压，V_z表示根据公式(1)计算得到的齐纳二极管Z1、Z2的齐纳电压。

在一些实施例中，可以根据公式(3)来获取齐纳二极管Z1、Z2的功率：

P＝I_OPTO×V_Z (3)

其中，P表示第一齐纳二极管Z1和第二齐纳二极管Z2的功耗，V_z表示根据公式(1)计算得到的齐纳二极管Z1、Z2的齐纳电压。根据齐纳电压V_z和功耗，可以确定第一齐纳二极管Z1和第二齐纳二极管Z2的型号。

在一些实施例中，可以根据公式(4)来获取电阻R2的阻值：

V_out＝V_cc-I_OPTO×R2×CTR×η (4)

其中，参考图4，V_cc表示在电阻R2一侧的电压；CTR为光耦合器OPTO的电流传输比，其表示是光耦合器OPTO的输出电流与输入电流的比值。η表示光耦合器OPTO的老化比例，这是由光耦合器OPTO的特性所确定的。在某些光耦合器OPTO中，CTR可以超过400，而η可以是50％。当然，这里列出的数值仅仅是示意性的，CTR和η的取值可以根据不同光耦合器OPTO而变化，具体的数值不受到本公开的实施例的限制

在一些实施例中，可以根据公式(5)来获取断开时间常数τ_off：

τ_off＝R₃×C₉ (5)

其中，R₃表示电阻R3的阻值，C₉表示电容器C9的电容。一旦发生过电压，由于需要尽快地断开负载R的连接，因此断开时间常数τ_off应该尽可能小。由公式(5)可知，电阻R3的阻值R₃应该尽可能小。

在一些实施例中，可以根据公式(6)来获取导通时间常数τ_on：

τ_on＝R₄×C₉ (6)

其中，R₄表示电阻R4的阻值，C₉表示电容器C9的电容。由于期望实现慢速导通，因此导通时间常数τ_on应该比断开时间常数τ_off更大。结合公式(5)和公式(6)可知，电阻R4的阻值R₄应该比电阻R3的阻值R₃更大。

在一些实施例中，电阻R4的阻值R₄可以超过电阻R3的阻值R₃的400倍。例如，电阻R4的阻值R₄可以是240kΩ。电阻R3的阻值R₃可以是470Ω。在备选的实施例中，电容器C9的电容C₉可以是220nf。当然，这里列出的数值仅仅是示意性的，电阻R4的阻值R₄、电阻R3的阻值R₃和电容器C9的电容C₉的取值可以根据不同的使用环境和用户要求来选择，只要由这些参数计算得到的导通时间常数τ_on与断开时间常数τ_off可以实现慢速导通和快速断开即可。

如上所述，对电阻R4的阻值R₄与电阻R3的阻值R₃的选择，可以实现快速断开和慢速导通。也就是说，在检测到发生过电压时，负载R可以被快速断开，而避免过电压造成的对负载R的影响。在需要导通负载R是，需要等待波形在一个周期后，只有当交流电压U的正半轴和负半轴的电压都低于预设的电压门限值(即确保在至少一个周期内没有出现过电压)后，才会闭合相应的场效应管Q1、Q2，从而导通负载R。以此方式，可以防止反复导通或者断开负载R，从而起到稳定保护的作用。

在一些实施例中，场效应管可以包括并联设置的第一场效应管Q1和第二场效应管Q2，并且负载R耦接在第一场效应管Q1和第二场效应管Q2与基准电压节点之间。

通过设置第一场效应管Q1和第二场效应管Q2，确保交流电发生正向过电压和负向过电压，都可以实现对负载R的保护。

对于第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的选择，主要应该考虑以下三个参数。漏极到源极的击穿电压V_DSS、导通电阻R_DS(ON)以及连续的漏极电流I_D。对于漏极到源极的击穿电压V_DSS，应该确保其比交流输入电压U的峰值电压更大。对于导通电阻R_DS(ON)，应该确保其尽可能地小，从而使第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的消耗最小化。对于连续的漏极电流I_D，应该确保其比流经负载R的电流更大。

根据本公开的实施例，使用第一场效应管Q1和第二场效应管Q2来替代传统的继电器Relay或者晶闸管Triac，可以实现对负载R的实时闭合或断开。

图5至图7示出了根据本公开的实施例的电压波形图。参照图5可以看到，采用了根据本公开的实施例的电路，无论在输入电压的正半轴还是负半轴，都没有发生过电压。参照图6和图7，在用户将电压门限值设定为300V的情况下，当正半轴和负半轴分别出现过电压时，过电压都可以被有效地检测到并且被截断，从而防止负载R受到过电压的损害。

根据本公开的实施例的对负载R进行过电压保护的方法，无论是正向过电压，还是负向过电压，可以被实时地检测到，并且负载R能够得到实时地保护。此外，在对负载R的开关控制时，由于采用了非对称的开关电路10，可以实现慢速导通和快速断开。此外，由于电路中各个器件的成本可控，因此可以得到广泛地运用。

虽然在本申请中权利要求书已针对特征的特定组合而制定，但是应当理解，本公开的范围还包括本文所公开的明确或隐含或对其任何概括的任何新颖特征或特征的任何新颖的组合，不论它是否涉及目前所要求保护的任何权利要求中的相同方案。

Claims (7)

1.一种用于负载的过电压保护的设备，其特征在于，包括：

电源(U)；

齐纳二极管(Z1、Z2)，耦接至所述电源(U)并且耦接至光耦合器(OPTO)，并且所述齐纳二极管(Z1、Z2)被配置为当所述电源(U)的瞬时电压的绝对值超过阈值时导通所述光耦合器(OPTO)；

场效应管(Q1、Q2)，耦接至负载(R)；

开关电路(10)，耦接在所述光耦合器(OPTO)和所述场效应管(Q1、Q2)之间，并且被配置为基于跨过所述光耦合器(OPTO)的电压来控制所述场效应管(Q1、Q2)的断开和闭合。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光耦合器(OPTO)包括第一发光二极管(LED1)和第二发光二极管(LED2)，所述第一发光二极管(LED1)和所述第二发光二极管(LED2)并联设置，并且所述第一发光二极管(LED1)的正极耦接至所述第二发光二极管(LED2)的负极。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述齐纳二极管(Z1、Z2)包括第一齐纳二极管(Z1)和第二齐纳二极管(Z2)，所述第一齐纳二极管(Z1)的负极与所述第二齐纳二极管(Z2)的负极耦接。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述开关电路(10)包括：

第一反相器(NG1)和第二反相器(NG2)；以及

连接电路(12)，耦接在所述第一反相器(NG1)和所述第二反相器(NG2)之间。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，

所述连接电路(12)包括：

第一二极管(D1)和第二二极管(D2)；

第一电阻(R3)和第二电阻(R4)；以及

电容器(C9)，耦接至所述第二反相器(NG2)和基准电压节点之间；

其中所述第一二极管(D1)和所述第一电阻(R3)串联，所述第二二极管(D2)和所述第二电阻(R4)串联，并且所述第一二极管(D1)的正极耦接至所述第二二极管(D2)的负极。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，

所述第二电阻(R4)的阻值超过所述第一电阻(R3)的阻值的400倍。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述场效应管(Q1、Q2)包括并联设置的第一场效应管(Q1)和第二场效应管(Q2)，并且所述负载(R)耦接在所述第一场效应管(Q1)和所述第二场效应管(Q2)与基准电压节点之间。

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