消弧装置和多级消弧设备

摘要

提供了一种消弧装置。该消弧装置具有第一端子(1)和第二端子(2)，该端子(1，2)能够连接到中至高阻抗交流电压源(AV)，该消弧装置包括：触发电路(B)，该触发电路连接在第一端子(1)和第二端子(2)之间并且构造成响应于超过触发电路(B)的至少一个触发元件两端的阈值电压而输出触发信号；正极侧信号电路(C)和负极侧信号电路(D)，该正极侧信号电路和该负极侧信号电路构造成分别根据从触发电路(B)输入的正电压信号或负电压信号输出正箝位信号或负箝位信号；正极侧过电压箝位电路(E)和负极侧过电压箝位电路(F)，该正极侧过电压箝位电路和该负极侧过电压箝位电路各自包括连接在第一端子(1)和第二端子(2)之间的可控半导体元件(ES，FS)，该过电压箝位电路(E，F)构造成当存在来自对应信号电路(C，D)的箝位信号时控制它们各自的半导体元件(ES，FS)处于导通状态，并构造成当预定时间段内不存在相应箝位信号时控制它们的半导体元件(ES，FS)处于非导通状态。

说明书

技术领域

本公开涉及可连接到中至高阻抗交流电压源的消弧(crowbar)装置和多级消弧设备。

消弧电路通常用于保护连接到电源的技术设备免受因过电压(例如由瞬态效应(如网络中的开关操作)引起的过电压)造成的损坏。连接到诸如交流高压套管等的高压电源部件的一种设备类型是测量电路。例如，在交流高压套管中，高压分压器用于连接这种测量电路。在高压套管中，高压分压器可以包括例如布置在套管的外层(例如套管的第二最外层)中的套管部件的等电位表面。

在这种示例性应用中的高压分压器使得由测量电路感测到的电压源成为中至高阻抗交流电压源。如本文中所使用，中至高阻抗交流电压源是指具有显著且不可忽略的阻抗(例如显著的内部电容)的非理想交流电压源。可以将不可忽略的阻抗假定为具有这样值的阻抗，在该值条件下，负载(负载吸收器，例如常规过电压保护电路)经受诸如热过载的过载条件。

测量电路可以包括例如电压测量电路。当阻抗为已知量时，可以将由测量电路(电压测量电路)测得的测量值(测量电压)称为已知阻抗，并且可以确定高压装置(例如，电压套管)中的实际高压。

背景技术

例如因交流电压源的瞬变或高压分压器的内部故障在高压套管上可能会发生过电压。交流电压源中的瞬变发生的时间相对较短，而高压分压器的内部故障可能会导致永久性的过电压，必须对该永久性的过电压加以处理。

为了保护将要连接到中至高阻抗电压源(高压分压器)的设备(测量设备)免受那些过电压的影响，众所周知的是在该设备和中至高阻抗电压源之间连接消弧电路或箝位电路。

一种常规消弧电路包括用作保护装置的例如电涌放电器或可变电阻。在此，放电损耗很小，但是传导损耗很大。因此，这些类型的消弧电路有效地消散瞬态电压。但是，这些类型的常规消弧电路在永久性过电压故障的情况下遭受高传导损耗，这可能导致损坏消弧电路的保护装置。

另一方面，另一种常规消弧电路包括可以将消弧电路两端的电压降低到接近零的装置。这种装置的示例包括火花隙或火花放电器、晶闸管、DIAC或SIDAC。这些装置可用于低阻抗交流电压源，即，具有低内部电阻或内部阻抗的接近理想的交流电压源。

用于直流应用的另一种常规消弧电路使用连接在要保护的设备的端子之间的半导体元件。可在导通状态和非导通状态之间控制诸如晶体管的半导体元件。在常规直流应用中，必须将故障信号输入直流消弧电路，从而触发电涌箝位操作。

发明内容

本公开解决的问题

在中至高阻抗交流电压源应用中，交流电压源的阻抗过高，使得无法将上述类型的装置保持处于导通状态。换句话说：在装置旨在消散永久性过电压的整个时间段内都没有达到使这些类型的装置保持处于导通状态的阈值，例如电压阈值。在这种示例性情况下，可能发生装置的交替运行，其中装置以交替方式打开和关闭。这种多次触发可能导致高放电损耗，该高放电损耗与使用例如电涌放电器或可变电阻同一量级。

常规交流装置不适用于长时间的电涌箝位，例如那些在高阻抗电压源的永久故障状态下发生的电涌箝位。常规直流装置无法应用于交流电并且无法依靠外部故障信号来触发电涌箝位。

对于将消弧电路两端的电压降至接近零的装置，高阻抗电压源可能无法为这些装置提供必要的保持电流，这会导致保护装置的意外关断和电压源处的过电压条件的再充电操作。随后的触发导致保护装置中的高功率损耗，这可能导致该保护装置被损坏。

因此，需要一种可以在交流应用中使用的消弧装置，该消弧装置可靠并且还可以长时间执行安全的功率箝位操作。

问题的解决方案

根据本公开的方面，一种消弧装置具有第一端子和第二端子。端子能够连接到中至高阻抗交流电压源。消弧装置包括触发电路、正极侧信号电路、正极侧过电压箝位电路、负极侧信号电路和负极侧过电压箝位电路。

触发电路是连接在第一端子和第二端子之间并且构造成响应于超过触发电路的至少一个触发元件两端的阈值电压而输出触发信号的电路。

正极侧信号电路构造成根据从触发电路输入的正电压信号输出正箝位信号。负极侧信号电路构造成根据从触发电路输入的负电压信号输出负箝位信号。

正极侧过电压箝位电路包括连接在第一端子和第二端子之间的可控半导体元件。正极侧过电压箝位电路构造成当存在来自正极侧信号电路的正箝位信号时控制半导体元件处于导通状态，并且构造成当预定时间段内不存在正箝位信号时控制半导体元件处于非导通状态。

负极侧过电压箝位电路包括连接在第一端子和第二端子之间的可控半导体元件。负极侧过电压箝位电路构造成当存在来自负极侧信号电路的负箝位信号时控制半导体元件处于导通状态，并且构造成当预定时间段内不存在负箝位信号时控制半导体元件处于非导通状态。

中至高阻抗交流电压源通常是具有显著且不可忽略的阻抗(例如显著的内部电容)的非理想交流电压源。可以将不可忽略的阻抗假定为具有这样值的阻抗，在该值条件下，负载(负载吸收器，例如常规过电压保护电路)承受诸如热过载的过载条件。中至高阻抗交流电压源通常是具有有限存储能量和有限功率的交流电压源。

正极侧过电压箝位电路中的可控半导体元件可以被称为正极侧半导体元件。负极侧过电压箝位电路中的可控半导体元件可以被称为负极侧半导体元件。

正极侧半导体元件以其主路径连接在第一端子和第二端子之间。同样，负极侧半导体元件以其主路径连接在第一端子和第二端子之间。主路径是各个半导体元件的主载流路径，例如FET的源极-漏极路径。

消弧装置的通用之处在于它箝位或分流来自交流电压源的任何种类的周期性交流信号，该交流电压源具有有限的存储能量和有限的功率(即，中至高阻抗交流电压源)。

消弧装置实际上对保持电流没有最低要求。换句话说：消弧装置一旦被触发，就不需要阈值电流来维持箝位功能，并且消弧装置具有保持功能(即，构造成维持箝位功能)，该箝位功能将箝位保持至少预定时间段。

消弧装置可以箝位或分流任一极性的过电压，例如接地。该消弧装置将在箝位状态下保持预定时间。随后，消弧装置恢复为非箝位状态，即，将相应的正极侧或负极侧箝位电路中的半导体元件恢复到非导通状态。

另外，与使用诸如电涌放电器或可变电阻的传统箝位装置的应用不同，消弧装置在箝位状态期间展现出非常低的传导损耗。跨过各个半导体元件的传导损耗明显低于处于箝位状态的电涌放电器或可变电阻上的损耗。

对于正极性和负极性过电压，本公开的技术可以有助于获得具有中至高阻抗的交流电压源的自维持和自复位过电压保护功能。限压运行期间的功率损耗相对较低，装置的部件数也是如此。功能的原理相对简单，同时在发生故障(例如，由于温度过高)时允许连续安全运行。

利用本文公开的技术，提供了一种不需要任何辅助或次级电源的消弧装置。该消弧装置被设计为仅经由从中至高阻抗电压源供应的电压运行，该中至高阻抗电压源也是消弧装置旨在针对其提供保护功能的可能瞬态或永久性过电压的来源。

在本公开的一些实施例中，消弧装置可连接到包括高压套管和高压分压器的交流电压源。

根据本公开的另一方面，提供了一种多级消弧设备。多级消弧设备包括在此描述为串接构造的多个消弧装置。利用本文描述的多级消弧设备，可以将消弧装置串接成多级以增加阈值电压，这可以帮助克服在过电压箝位电路中使用的单个半导体装置的额定电压。

当串接消弧装置时，每个触发电路均限制各个过电压箝位电路中的半导体元件所承受的电压，这意味着串接的消弧装置不需要额外的平衡。这可有助于简化设计和构造。

附图说明

在下文中，将参考附图描述本公开的示例性实施例，其中：

图1示出描绘根据本公开的实施例的消弧装置的示例性构造的电路图；

图2示出描绘根据本公开的另一实施例的消弧装置的示例性构造的电路图；

图3示出了具有消弧装置和与其连接的设备的高阻抗电压源的示例性构造；和

图4示出了出于说明的目的的永久失效的电压源的波形。

具体实施方式

下文参考附图描述的实施例在每个方面都是示例性，并且可以适当地彼此组合和/或修改和/或缩写和/或省略。

图1和图2各自图示了示出根据本公开的实施例的消弧装置的示例性构造的电路图。

图3示出了高阻抗电压源U的示例性构造，该高阻抗电压源U具有消弧装置100和与其连接的设备200。电压源U对应于图1和图2中的电压源AV。在图3中，电容器C1和C2示出了电压源U的高阻抗特性。例如，电压源U在信号和地之间具有电容C2。过电压保护电路或消弧装置100连接在电容C2的端子之间。在消弧装置运行的情况下，它将使信号和地之间的电容C2放电。在消弧装置长时间运行的情况下，附加电容C1有助于电路的传导损耗。

对于常规箝位过电压保护装置(电涌放电器、可变电阻等)，放电损耗很小，但传导损耗高于可以长时间(例如超过交流电压频率的数十到数百个周期)维持的常规保护装置。

再次参考图1，元件框A包括电压源AV和限定电压源AV的内部电阻的串联电阻器AR1。在本申请中，内部电阻AR1为中至高并且足以将传导损耗限制在可管理的程度。元件框A对应于图3的电压源U。元件框G包括诸如测量设备之类的设备并且对应于图3中的设备200。保护框G中的设备免受电压源的瞬态或永久性过电压的影响。

元件框B，C，D，E，F构成根据本公开的实施例的消弧装置100。元件框B对应于权利要求中的触发电路。元件框C对应于权利要求中的正极侧信号电路。元件框D对应于权利要求中的负极侧信号电路。元件框E对应于权利要求中的正极侧过电压箝位电路。元件框F对应于权利要求中的负极侧过电压箝位电路。

元件框B包括多个串联(串接)触发元件BT1，BT2，...BTn，其包括但不限于DIACs(交流电的二极管)、SIDACs(交流电的硅晶闸管)或火花隙。n为正整数并且例如可以但不限于n＝6或n＝8或n＝10。触发元件BT1，BT2...BTn的串的总阈值电压限定触发电路B的触发电压。通常，触发元件BT1，BT2...BTn是半导体元件，这是因为火花隙表现出磨损并且可能经过一段时间运行后失效。

选择触发元件BT1，BT2...BTn，使得它们不是限制类型(上限)，而是针对任何大小的过电压强制触发。

元件框C包括连接在框A的端子2与二极管CD的阳极侧之间的电阻器CR1。触发框B时，电阻器CR1出现电流剧增(dl/dt)。使用二极管CD将得到的电压转移到框C的输出装置。针对正极性过电压触发框C。二极管CD阻止反极性电压并确保框C仅发出正极性电压信号。

当从框B的触发电路输入正电压信号时，作为正极侧信号电路的元件框C输出正箝位信号。该箝位信号输出到框E中对应的正极侧过电压箝位电路。在本实施例中，电流剧增(dl/dt)使箝位信号成为正电压信号的电流的时间导数。

元件框D包括连接在框A的端子1和二极管DD的阳极侧之间的电阻器DR1。当触发框B时，电阻器DR1出现电流剧增(dl/dt)。使用二极管DD将得到的电压转移到框D的输出装置。针对负极性过电压触发框D。像这样，框D是框C的负极性配对件。二极管DD阻止反极性电压并确保框D仅发出负极性电压信号。

当从框B的触发电路输入负电压信号时，作为负极侧信号电路的元件框D输出负箝位信号。在框F中，该箝位信号输出到对应的负极侧过电压箝位电路。在本实施例中，电流剧增(dl/dt)使箝位信号成为负电压信号的电流的时间导数。

元件框E包括齐纳二极管EDI，该齐纳二极管EDI限制MOSFET ES栅极处的电压。MOSFET ES的漏极和源极通过反向阻流二极管ED2和电阻器ER2连接在框A的端子1和2之间。注意的是二极管ED1的齐纳型仅是示例性，可以采用不同种的限压二极管(例如TVS二极管)，只要其在反向过电压的情况下操作时间(触发时间)足够短。电阻器ER2是可选的，该电阻器ER2用于在MOSFET ES和带有散热片的可能更大的电阻器之间分配传导损耗。反向阻流二极管ED2阻止框E的反向极性分流相反的(负极)极性电压。MOSFET ES的栅极由从框C输出的输出信号触发。只要MOSFET ES的栅极被从框C输出的输出信号充分充电，则MOSFET ES的源极-漏极路径便处于导通状态，从而通过电阻器ER2、二极管ED2和MOSFET ES的电流路径实现箝位功能。该箝位功能限定了正过电压的主要消弧功能。

电阻器ER1和电容器EC确定时间常数，在该时间常数期间，来自框C的输出信号保持在这样的电平上，该电平使MOSFET ES的栅极保持充电。一旦触发，只要来自框C的输出信号在持续时间长于时间常数的时间段内不消失，MOSFET ES就会保持导通状态。触发框B在导通状态下基本上被MOSFET ES旁路，并且来自电压源AV的电压保持处于低电平。换句话说：功能框E将MOSFET ES保持在自保持或自维持导通状态，除非来自框C的输出信号存在的时间不长于由时间常数确定的持续时间。

元件框F是框E的负极配对件。元件框F包括齐纳二极管FD1，该齐纳二极管FD1限制MOSFET FS栅极处的电压。请注意，二极管FD1的齐纳型仅是示例性，可以采用不同种的限压二极管(例如TVS二极管)，只要其在反向过电压的情况下操作时间(触发时间)足够短。MOSFET FS的漏极和源极通过反向阻流二极管FD2和电阻器FR2连接在框A的端子1和2之间。电阻器FR2是可选的并且用于在MOSFET FS和带有散热片的可能更大的电阻器之间分配传导损耗。反向阻流二极管FD2阻止框F的反向极性分流相反的(正)极性电压。MOSFET FS的栅极由框D的输出信号触发。只要MOSFET FS的栅极被框D的输出信号充分充电，MOSFET FS的源极-漏极路径便处于导通状态，从而通过电阻器FR2、二极管FD2和MOSFET FS的电流路径建立箝位功能。该箝位功能限定了负过电压的主要消弧功能。

电阻器FR1和电容器FC确定时间常数，在该时间常数期间，来自框D的输出信号保持在使MOSFET FS的栅极充电的电平。一旦触发，只要来自框D的输出信号在持续时间长于时间常数的时间段内不消失，MOSFET FS就保持在导通状态。触发框B在导通状态下基本上被MOSFET FS旁路，并且来自电压源AV的电压保持在低电平。换句话说：功能框F将MOSFETFS保持在自保持或自维持导通状态，除非来自框D的输出信号存在的时间不长于由时间常数确定的持续时间。

框B中的并联电阻BR1，BR2...BRn用作MOSFET ES、FS栅极的电容的放电电阻器。电阻器BR1，BR2...BRn的数量级为1MOhm。在实施例中，选择电阻器BR1，BR2...BRn，使得它们尽可能大但同时又足够小以在电压源AV的频率的大约四分之一周期中对MOSFET ES、FS的栅极放电。

通常，在框E和F中，选择由电阻器ER1/FR1和电容器EC/FC确定的时间常数，使得该时间常数至少与由交流电压源的频率确定的周期一样长。例如，如果本文所述的消弧装置被设计为连接到以50Hz的频率运行的中至高阻抗交流电压源，则时间常数至少为0.02s，并且根据使用场景该时间常数可以更长。通常选择电容器EC/FC的电容，以使该电容器在由消弧装置设计为连接到的电压源AV确定的频率的大约四分之一周期内可放电。

在框E和F中，半导体元件不限于MOSFET ES，FS，而是可以使用任何适当的可控半导体元件，在控制信号的帮助下将该半导体元件从非导通状态切换到导通状态并且反之亦然。选择任何半导体装置，使该半导体装置额定电压至少达到触发电压(触发元件BT1，BT2...BTn的总阈值电压)。

MOSFET的有利之处在于适当选择的功率MOSFET具有相对较低的传导损耗。当在框E和F中使用MOSFET时，选择导通状态中的源极和漏极之间的电阻(R

在框E和F中，电阻器ER2，FR2通常具有低寄生电感，以允许快速开关操作。二极管ED2，FD2被选择为具有至少触发电压的额定电压(触发元件BT1，BT2...BTn的总阈值电压)。

选择二极管ED1，FD1以具有足够快的反向传导时间(击穿传导时间)，例如几纳秒。通常，二极管ED1，FD1的反向传导时间分别明显快于框C和D中二极管CD，DD的正向开关时间(正向传导时间)。

在用于正极性过电压的信号框C和过电压箝位框E的对应关系中，齐纳二极管ED1被选择为比信号二极管CD操作得更快，从而有效保护MOSFET ES的栅极免受过电压影响。

类似地，在用于正极性过电压的信号框D和过电压箝位框F的对应关系中，齐纳二极管FD1被选择为比信号二极管FD操作得更快，从而有效地保护MOSFET FS的栅极免受过电压影响。

在图4中，示出了永久失效的电压源U的波形。U

当采用如本文所述的消弧电路时，该波形看起来类似于图4中的粗实线所示的波形。电压极限阈值U

图2示出了电路图，该电路图示出了根据本公开的另一实施例的消弧装置的示例性构造。具有与图1相同或类似的功能的元件和部件用相同的附图标记表示。在下文中将不再重复其解释。

在图2中，已经移除了框E中的时间常数限定电阻器ER1和框F中的时间常数限定电阻器FR1。在框E中，附加的二极管ED3当从端子2看时沿其反向并经由电阻器ER4连接到框B的第一触发器BTn元件和第二触发元件BTn-1之间的连接点和MOSFET ES的栅极。类似地，在框F中，附加的二极管FD3当从端子1看时沿其反向并经由电阻器FR4连接到框B的第一触发元件BT1和第二触发元件BT2之间的连接点和MOSFET FS的栅极。

在图2的实施例中，分别由附加的二极管ED3或FD3确定框E和F的保持时间，即，MOSFET ES，FS的栅极保持充电并且对应MOSFET处于导通状态以提供箝位操作的时间。通过这样的构造，将MOSFET ES，FS保持在导通状态并将MOSFET ES，FS重置为非导通状态是由触发框B而不是(固定的)时间常数来限定，这可导致改进消弧装置的箝位性能。