способ и контур защиты от перенапряжений, вызванных переходными процессами

Формула изобретения

1. Способ защиты устройства на полевых транзисторах (1; 5), используемого в качестве ключа, от перенапряжения, вызванного переходными процессами, согласно которому для обнаружения любых выбросов напряжения (U_trа), вызванных переходными процессами, контролируют на устройстве на полевых транзисторах (1; 5), в частности, когда устройство на полевых транзисторах (1; 5) находится в непроводящем состоянии, отличающийся тем, что, когда напряжение (U_F) на устройстве на полевых транзисторах (1; 5) превышает заданное пороговое значение (u_k), устройство на полевых транзисторах (1; 5) переключают в состояние, по меньшей мере, частичной проводимости так, что напряжение (U_F) на устройстве на полевых транзисторах (1; 5) ограничивается, ток (I_F) становится управляемым, а энергия выброса напряжения (U_trа), вызванного переходным процессом, гасится при протекании через устройство на полевых транзисторах (1; 5), не повреждая его.

2. Контур защиты устройства на полевых транзисторах (1; 5), используемого в качестве ключа, от перенапряжения, вызванного переходными процессами, содержащий устройство (3; 7) контроля напряжения для контроля напряжения (U_F) на устройстве на полевых транзисторах (1; 5) с целью обнаружения любых выбросов напряжения (U_trа), вызванных переходными процессами, отличающийся тем, что указанный контур дополнительно содержит устройство (4; 8) понижения напряжения для уменьшения напряжения, вызванного выбросом напряжения (U_trа), до уровня управляющего напряжения (U_go), пригодного для открывания устройства на полевых транзисторах (1; 5), вслед за выбросом напряжения (U_tra), до состояния, по меньшей мере, частичной проводимости так, что напряжение (U_F) на устройстве на полевых транзисторах (1; 5), ограничивается, ток (I_F) становится управляемым, а энергия выброса напряжения (U_trа), вызванного переходным процессом, в виде тока гасится в устройстве на полевых транзисторах (1; 5), не повреждая его.

3. Контур по п.2, отличающийся тем, что устройство (7) контроля напряжения содержит два диода (7а, 7b), соединенных последовательно так, что они проводят ток в противоположных направлениях, при этом контроль напряжения на устройстве на полевых транзисторах (1; 5) производится в точке между диодами (7а, 7b).

4. Контур по п.2 или 3, отличающийся тем, что устройство (8) понижения напряжения содержит стабилитрон (9).

5. Контур по п.2 или 3, отличающийся тем, что устройство (8) понижения напряжения содержит стабилитрон (9) с последующей ступенью усилителя (11) для управления устройством на полевых транзисторах (5).

6. Контур по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что содержит устройство (13) управления для отключения устройства (15, 16) защиты от короткого замыкания до того, как устройство на полевых транзисторах (5) переключится в проводящее состояние.

7. Контур по п.6, отличающийся тем, что устройство (13) управления содержит ключ, такой как полевой транзистор (14), который управляется напряжением с выхода устройства (8) понижения напряжения, в частности, от стабилитрона (9).

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение касается защиты от перенапряжений, вызванных переходными процессами, в частности способа защиты устройства на полевых транзисторах от выбросов напряжения при переходных процессах, в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения. Настоящее изобретение также касается контура защиты устройства на полевых транзисторах от выбросов напряжения при переходных процессах в соответствии с ограничительной частью пункта 2 формулы изобретения.

Уровень техники

Выброс представляет собой перенапряжение и/или бросок тока, пиковое значение которого может превосходить 500 В и/или 200 А. В наихудшем случае выброс напряжения при переходном процессе может длиться в течение нескольких микросекунд. Высокая энергия, содержащаяся в таком выбросе, может легко вывести полевой транзистор из строя.

Вышеупомянутая проблема, в частности, характерна для полевых транзисторов, используемых в ключах регуляторов освещения. В этих случаях, напряжение сети или напряжение иного источника переменного тока подают на одну сторону устройства на полевых транзисторах, а нагрузку соответственно подключают к другой стороне такого устройства. В этом отношении в качестве ближайшего аналога можно выбрать, например, патентную заявку Финляндии 945095. Ток нагрузки протекает в канале между коллектором (стоком) и эмиттером (истоком) одного или большего числа полевых транзисторов, причем в течение полупериода переменного напряжения этот канал последовательно переключается в проводящее/непроводящее (т. е. открытое/закрытое) состояние посредством напряжения, которое создается на затворе полевого транзистора. Выбросы напряжения, вызванные переходными процессами, могут время от времени попадать в регулятор освещения из сети. Выключение люминесцентной лампы может также вызывать перенапряжение. Выбросы от переходных процессов достаточной амплитуды могут вывести устройство на полевых транзисторах из строя.

Полевые транзисторы (ПТ) в настоящее время повсеместно используются в различных переключающих схемах. Обычно полевой транзистор содержит большое число небольших элементарных полевых транзисторов (чипов), выполненных на едином кристалле полупроводника и соединенных так, чтобы работать вместе по параллельной схеме. За счет такого построения коммутирующие свойства и предельно допустимый ток полевого транзистора были значительно улучшены по сравнению с предшествующими одноэлементными полевыми транзисторами.

Тем не менее, для этих полевых транзисторов являются проблемой внезапные мощные выбросы напряжения при переходных процессах, которые могут вывести транзистор из строя, если они воздействуют на транзистор, когда он находится в закрытом (т.е. в непроводящем) состоянии. В основном, процесс разрушения начинается при лавинном пробое в одном из элементарных полевых транзисторов, от которого он распространяется на другие элементарные транзисторы. Таким образом, разрушению подвергается данная локальная область полевого транзистора, после чего его нормальная работа нарушается.

Существуют известные элементы и схемные решения для защиты электронных цепей и компонентов от выбросов напряжения при переходных процессах. Одним из таких элементов защиты является гасящий диод Зенера (стабилитрон), который подключается параллельно защищаемой цепи или компоненту. Тем не менее, и в этом случае остается проблема, заключающаяся в том, что рост кривой изменения напряжения на стабилитроне происходит относительно медленно, в силу чего стабилитрон не успевает отреагировать на быстрый выброс напряжения при переходном процессе. Это означает, что стабилитрон не работает надлежащим образом, в частности, при подключении к полевому транзистору. Полевой транзистор выходит из строя, прежде чем стабилитрон успевает перейти в проводящее состояние и пропустить через себя ток переходного процесса.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание нового, усовершенствованного способа и нового, усовершенствованного контура защиты полевого транзистора от выбросов напряжения при переходных процессах, в частности, в переключающих схемах. Вышеупомянутые проблемы могут быть решены посредством настоящего изобретения.

В соответствии с изобретением предлагается способ защиты устройства на полевых транзисторах, используемого в качестве ключа, от перенапряжения, вызванного переходными процессами, согласно которому для обнаружения любых выбросов напряжения, вызванных переходными процессами, контролируют напряжение на устройстве на полевых транзисторах. Этот контроль осуществляют, в частности, когда устройство на полевых транзисторах находится в непроводящем состоянии. Когда напряжение на устройстве на полевых транзисторах превышает заданное пороговое значение, это устройство переключают, согласно способу по настоящему изобретению, в состояние, по меньшей мере, частичной проводимости. Благодаря этому напряжение на устройстве ограничивается, ток становится управляемым, а энергия выброса напряжения, вызванного переходным процессом, гасится при протекании через устройство на полевых транзисторах, не повреждая его.

Предлагается также соответствующий контур защиты устройства на полевых транзисторах от перенапряжения, вызванного переходными процессами. Контур по изобретению содержит устройство контроля напряжения на устройстве на полевых транзисторах с целью обнаружения любых выбросов напряжения, вызванных переходными процессами. Контур по изобретению характеризуется тем, что дополнительно содержит устройство понижения напряжения для уменьшения напряжения, вызванного выбросом напряжения. Такое понижение осуществляется до уровня управляющего напряжения, пригодного для открывания устройства на полевых транзисторах, вслед за выбросом напряжения, до состояния, по меньшей мере, частичной проводимости. Как уже было отмечено, напряжение на устройстве на полевых транзисторах ограничивается, ток становится управляемым, а энергия выброса напряжения гасится в устройстве на полевых транзисторах, не повреждая его.

В предпочтительном варианте выполнения контура по изобретению устройство контроля напряжения содержит два диода, соединенных последовательно, так, что они проводят ток в противоположных направлениях. В этом случае контроль напряжения на устройстве на полевых транзисторах производится в точке между диодами. Кроме того, устройство понижения напряжения содержит стабилитрон, предпочтительно с последующей ступенью усилителя для управления устройством на полевых транзисторах.

Еще одно предпочтительное усовершенствование контура, вносимое изобретением, заключается в том, что он содержит устройство управления для отключения устройства защиты от короткого замыкания до того, как устройство на полевых транзисторах переключится в проводящее состояние. Устройство управления содержит ключ, такой как полевой транзистор, который управляется напряжением с выхода устройства понижения напряжения, в частности, от стабилитрона.

Преимуществом настоящего изобретения является то, что защита полевого транзистора от переходных процессов может быть выполнена просто и эффективно.

Настоящее изобретение позволяет надежно защитить устройство на полевых транзисторах от выбросов напряжения при переходных процессах так, что выбросы не будут выводить из строя ключ на полевых транзисторах, используемый, например, в схемах регуляторов освещения. Защита, в соответствии с настоящим изобретением, дает возможность устройству на полевых транзисторах противостоять сотням и даже тысячам случайных выбросов напряжения, вызванных переходными процессами.

Преимуществом контура, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, является то, что он требует всего лишь нескольких дополнительных электронных компонентов. Дальнейшим преимуществом является то, что для размещения контура защиты требуется мало места, в силу чего он, в частности, пригоден для использования совместно с полевыми транзисторами в схемах электрического управления мощностью переменного тока в регуляторах освещения.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на чертежи, на которых

фиг.1 изображает блок-схему контура, построенного в регуляторе освещения в соответствии с настоящим изобретением, для защиты устройства на полевых транзисторах от выбросов напряжения при переходных процессах;

фиг. 2а изображает выброс в выпрямленном сетевом напряжении, вызванный переходными процессами;

фиг.2b изображает форму напряжения на нагрузке регулятора освещения;

фиг.3 изображает контур защиты пары полевых транзисторов от выбросов напряжения при переходных процессах, при этом данный контур встроен в регулятор освещения;

фиг.4 изображает другой контур, встроенный в регулятор освещения для защиты пары полевых транзисторов от выбросов напряжения при переходных процессах, при этом данный контур имеет также цепь защиты от короткого замыкания; и

фиг.5 изображает формы напряжений в контуре, соответствующем фиг.4.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 представлена блок-схема контура в соответствии с настоящим изобретением для защиты устройства на полевых транзисторах, в частности устройства на полевых транзисторах, работающего в качестве ключа (полевой ключ), от выбросов напряжения при переходных процессах. В данном случае защита от выбросов при переходных процессах построена применительно к регулятору освещения, который используется как устройство управления освещением. Полевой ключ 1 содержит один или большее число полевых транзисторов. Выпрямленное переменное напряжение U_v (фиг.2а) от сети или другого источника переменного тока через ключ 1 подают на нагрузку L осветителя. Ключ 1 используют для управления мощностью переменного тока на нагрузке L. Нагрузку L подключают к сети в момент t (от начала полупериода) полупериода Т/2 сетевого напряжения U_v посредством устройства управления (УПР) 2 ключом 1 так, что выходную электрическую мощность, поступающую в нагрузку L, увеличивают, вводя фазовое опережение момента t, т. е. сдвигая его ближе к началу полупериода. Соответственно нагрузку L отключают от сети, когда t находится в конце полупериода, когда напряжение в сети равно 0. На фиг.2 показана форма напряжения U_L на нагрузке L. Таким образом, ключ 1 находится в закрытом (запертом) состоянии в интервалах 0, t и Т/2, T/2+t, тогда как в проводящем состоянии ключ находится соответственно в остальное время полупериодов, т.е. в 20 интервалах t, Т/2 и T/2+t, Т.

Если в то время, когда полевой ключ 1 находится в запертом состоянии (т. е. в интервалах 0, t и Т/2, T/2+t), возникает бросок сетевого напряжения U_v, вызванный переходными процессами, то этот бросок выведет из строя ключ 1. Чтобы предотвратить это, схема на фиг.1, в соответствии с настоящим изобретением, снабжена контуром защиты от переходных процессов. Контур защиты содержит устройство контроля напряжения (УКН) 3 для измерения напряжения U_F на ключе 1 и обнаружения быстро нарастающего броска напряжения (фиг.2а), устройство понижения напряжения (УПН)4 для уменьшения быстро нарастающего броска напряжения U_tra и использования его в качестве напряжения управления полевым транзистором U_go. Это управляющее напряжение используют для перевода полевого транзистора, вслед за выбросом напряжения, в состояние, по меньшей мере, частичной проводимости. Когда из-за выброса, вызванного переходным процессом, напряжение _F на полевом ключе 1 возрастает выше заданного порогового значения U_К, полевой ключ 1 переключается в проводящее состояние, вследствие чего ток переходного процесса вынужден протекать через полевой ключ 1. При таком способе напряжение U_F на полевом транзисторе ограничивается и контролируется ток _F через ключ 1. Таким образом, выброс перенапряжения не вызывает выхода из строя полевого транзистора или ряда полевых транзисторов ключа 1, а большая доля энергии переходного процесса в виде контролируемого тока пропускается через полевые транзисторы ключа 1. Пороговое значение U_К определяется в соответствии со свойствами полевых транзисторов ключа 1, в основном в зависимости от допустимого предельного напряжения полевых транзисторов ключа 1, которое установлено производителем.

На фиг. 3 приведен пример предпочтительного варианта контура защиты от переходных процессов, соответствующего настоящему изобретению, для защиты устройства (полевого ключа) 5 на полевых транзисторах от выбросов, вызванных переходными процессами. В данном случае полевой ключ 5 содержит два полевых транзистора 5а, 5b, стоковый (D) и истоковый (S) каналы которых соединены последовательно известным способом. Стандартное переключательное управление полевым ключом 5 выполняют посредством устройства управления 6 путем подачи управляющих сигналов на затворы полевых транзисторов 5а, 5b (см. фиг.2а, 2b).

Напряжение U_v сети или иного источника переменного тока подано к входному контакту полевого ключа 5, а нагрузка L подключена соответственно к выходному контакту ключа 5. Устройство 7 контроля напряжения подключено параллельно полевому ключу 5, между его входным и выходным контактами, обычно между стоками (D) полевых транзисторов 5а, 5b.

Устройство 7 контроля напряжения на фиг. 3 содержит два диода 7а, 7b, соединенных последовательно так, что они проводят ток в противоположных направлениях. Контроль напряжения U_F на полевом ключе 5 производится в средней точке между диодами. В этой схеме устройство 8 понижения напряжения содержит стабилитрон 9. Стабилитрон включен между средней точкой диодов 7а, 7b устройства 7 контроля напряжения и общей точкой затворов G полевых транзисторов 5а, 5b полевого ключа 5. Кроме того, стабилитрон 9 вместе с общей точкой затворов G полевых транзисторов 5а, 5b подключен к земле через резистор 10.

Контур защиты от переходных процессов, приведенный на фиг.3 и служащий для защиты пары полевых транзисторов 5а, 5b полевого ключа 5, действует следующим образом.

Когда возникает значительный бросок сетевого напряжения U, совпадающий с интервалом полупериода, в котором полевые транзисторы 5а, 5b, используемые в качестве ключей, находятся в запертом состоянии, этот бросок напряжения приводит к сильному возрастанию напряжения и на ключе 5, и на устройстве 7 контроля напряжения. Это означает, что напряжение U_tra (см. фиг.2а) в промежуточной точке, в месте соединения катодов диодов 7а, 7b, быстро возрастает и становится больше заданного значения порога U_К, например, 400 В. Устройство 8 понижения напряжения, т.е. стабилитрон 9, реагирует и уменьшает избыточное напряжение _tra, обнаруженное устройством 7 контроля, предпочтительно, примерно до одной сотой исходного значения, до низкого напряжения величиной, например, 4 В. Это напряжение U_go с выхода стабилитрона 9 вполне пригодно для прямого управления полевыми транзисторами 5а, 5b полевого ключа 5, так что оба полевых транзистора переключаются в проводящее состояние этим низким напряжением, поступающим с анода стабилитрона 9. Управляющее напряжение, поступающее из устройства 8 понижения напряжения, в данном случае от стабилитрона 9, выбирается так, что, когда выброс напряжения превосходит определенное граничное значение, управляющее напряжение, достаточное для открывания обоих полевых ключей, подводится к затворам полевых транзисторов 5а, 5b полевого ключа 5. В такой схеме значение порога U_К задается путем выбора подходящего порогового напряжения стабилитрона 9.

Следует отметить, что устройство 7 контроля напряжения реагирует очень быстро. Это устройство может отслеживать резкие броски напряжения, вызванные переходными процессами, таким образом, что когда выброс превышает пороговое значение напряжения U_К, полевые транзисторы 5а, 5b полевого ключа 5 могут быть немедленно переведены в проводящее состояние путем подачи управляющего импульса через устройство 8 понижения напряжения на затворы G полевых транзисторов 5а, 5b. Таким образом, энергия переходного процесса может быть погашена в полевом ключе 5 без разрушения полевых транзисторов, в частности, элементарных полевых транзисторов.

Когда полевые транзисторы используются в качестве ключей, желательно снабжать их устройством защиты от короткого замыкания. Это, в частности, касается схем регуляторов освещения. На фиг.4 показан еще один контур, соответствующий настоящему изобретению, для защиты ключевого устройства на полевых транзисторах от выбросов, вызванных переходными процессами. Контур на фиг.4 содержит также устройство защиты от короткого замыкания.

В схеме, приведенной на фиг. 4, элементы, соответствующие элементам, представленным на фиг.3, обозначены теми же самыми номерами. Ключ 5 содержит пару полевых транзисторов 5а, 5b. В данной конфигурации контур защиты от переходных процессов содержит, кроме устройства 7 контроля и устройства 8 понижения напряжения, усилитель 11, на вход которого поступает напряжение от стабилитрона 9 устройства 8 понижения напряжения. Усилитель 11, далее, через диодный мост 12 подключен к общему выводу G полевых транзисторов 5а, 5b полевого ключа 5.

Устройство защиты от короткого замыкания содержит ключ 15 защиты от короткого замыкания, устройство 16 управления этим ключом и цепь 17 измерения тока нагрузки. Цепь 17 используется для измерения тока нагрузки, а устройство 16 управления используется для обнаружения короткого замыкания (внезапного значительного увеличения тока нагрузки L, которое превышает заданное предельное значение тока). Ключ 15 защиты от короткого замыкания открывается на основе информации о короткозамкнутом состоянии, поступающей из устройства 16 управления. Это, в свою очередь, обеспечивает управление затвором G полевого ключа 5 и закрывает полевой ключ 5, вследствие чего ток в нагрузке L прекращается. Ключ 15 защиты от короткого замыкания в данной схеме является полевым транзистором. Диодный мост 12 используется для передачи управляющих воздействий защиты от перенапряжения и защиты от короткого замыкания на вход управления G полевого ключа 5.

Контур защиты от переходных процессов, приведенный на фиг.4, также содержит устройство 13 управления для отключения устройства защиты от короткого замыкания. Это устройство 13 управляется напряжением с выхода устройства 8 понижения напряжения, т.е. от стабилитрона 9, которое представляет собой то же самое напряжение, которое подается на вход усилителя 11. В данной схеме устройство 13 управления содержит ключ, такой как полевой транзистор 14, который управляется посредством низкого напряжения от стабилитрона 9 устройства 8 понижения напряжения. Устройство 13 управления и переключающий транзистор 14 в приведенной схеме установлены на управляющем входе ключа 15 защиты от короткого замыкания, к которому также подключен выход самого устройства 16 защиты от короткого замыкания. Задержка, возникающая в усилителе 11, используется для отключения устройства защиты от короткого замыкания до того, как устройство 5 на полевых транзисторах переключится в проводящее состояние.

Работа контура во время броска перенапряжения в соответствии с настоящим изобретением иллюстрируется графиками напряжений и токов на фиг.5. На фиг.5 использованы следующие аббревиатуры: по ординате отложено U (напряжение), а по абсциссе t (время); U_G - управляющее напряжение на затворе полевого ключа 5; U_F - напряжение на полевом ключе 5, в то время как I_F - ток через полевой ключ 5. В рассматриваемом примере полевой ключ 5 находится в закрытом состоянии в момент 0 (та же самая фаза, как и в интервалах Т/2, T/2+t на фиг. 1). Когда возникает внезапный бросок перенапряжения, напряжение U_F на полевом ключе 5 начинает возрастать, так же как и ток I_F; устройство 16 управления защитой от короткого замыкания в момент t₁ обнаруживает, что ток I_F становится больше заданного предельного значения для короткого замыкания и переводит ключ 15 защиты от короткого замыкания в проводящее состояние. Это приводит к тому, что управляющее напряжение U_G на затворе падает почти до нуля, а полевой ключ 5 переключается в запертое состояние, вследствие чего ток I_F через полевой ключ 5 прекращается. Тем не менее, бросок перенапряжения, вызванный переходным процессом, приводит к нарастанию напряжения U_F. Когда напряжение U_F в момент t₂ достигает заданного предельного значения U_Foik (например, 400 В), напряжение на выходе устройства 8 понижения напряжения, т.е. на стабилитроне 9, вырастает в достаточной степени, чтобы заставить устройство 13 управления открыть ключ 14. В результате этого устройство защиты от короткого замыкания выводится из работы: управляющее напряжение на ключе 15 уменьшается, например, до потенциала Земли, вследствие чего ключ 15 закрывается. Напряжение U_F будет все также продолжать нарастать, и в момент t₃ достигнет другого предельного значения, заданного порогового значения U_К (например, 450 В), что вызовет переключение полевого ключа 5 посредством устройства 8 понижения напряжения и усилителя 11 в состояние, по меньшей мере, частичной проводимости: управляющее напряжение затворов U_G увеличивается до низкого напряжения, составляющего 2-5 В. Ток I_F через полевой ключ 5 в интервале t₂-t₃ быстро нарастает из-за того, что устройство защиты от короткого замыкания было выведено из работы. Нарастание тока тем не менее вблизи момента t₃ заканчивается, после чего через полевой ключ 5 протекает только управляемый ток I_F относительно постоянной величины. Напряжение U_F одновременно нарастает, но рост его замедляется, как показано на фиг.5, и оно достигает заданного пикового значения U_Fmax, порядка 500 В, которое соответствует пиковому значению выброса напряжения, вызванного переходным процессом, но имеет величину, заметно меньше, чем выброс.

После этого напряжение U_F начинает уменьшаться. Когда в момент t₄ напряжение U_F упадет ниже предельного значения U_Foik, выходное напряжение устройства 8 понижения напряжения, т.е. стабилитрона 9, понизится до величины, достаточной для управления устройством 13 управления. В результате ключ 14 закрывается. Это вновь вводит в действие схему защиты от короткого замыкания: ключ 15 получает свое управляющее напряжение от устройства 16 управления, и ключ 15 открывается. Напряжение U_G управления затворами падает до нуля, и ключ 5 переключается в запертое состояние. Ключ 5 на полевых транзисторах остается в запертом состоянии, а напряжение U_F не возвращается к низкому значению, но продолжает (в момент t₅) следовать за входным напряжением, т.е. за выпрямленным сетевым напряжением U_v ключевого устройства 5.

Хотя настоящее изобретение было выше описано, в основном, на примере одного предпочтительного варианта, очевидно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения, каковые определяются в пунктах прилагаемой формулы изобретения.