專利名稱：一種低殘壓電源防雷保護裝置的制作方法
一種低殘壓電源防雷保護裝置技術領域
本發(fā)明涉電子及電器設備技術領域，更具體地說，涉及一種低殘壓電源防雷保護>J-U ρ α裝直。
背景技術：
防雷擊、防浪涌是目前電子電器設備安全應用領域的一個重點技術方向。特別是對于電子電器設備本身的電源系統(tǒng)的防雷擊和防浪涌要求，在相關設備領域已經(jīng)建立了相關的國際和國家標準。如何滿足這些標準，成為了這些設備領域內(nèi)的設計、生產(chǎn)、裝配、應用的重要課題。
雷擊和浪涌的主要表現(xiàn)就是在極短的時間內(nèi)，在傳輸導體上出現(xiàn)一個快速變化的高電壓、大電流能量沖擊，其瞬時功率可以達到數(shù)百到數(shù)千千瓦，甚至數(shù)十兆瓦的水平。當這些能量沖擊直接作用于電子電器設備內(nèi)的元件上的時候，相關元件無法承受這樣大的能量沖擊而出項損毀，從而導致設備損壞，甚至出現(xiàn)連鎖事故，例如擊穿設備絕緣保護，出現(xiàn)漏電人身傷害事故等。
雷擊和浪涌的表現(xiàn)方法又有共模沖擊和差模沖擊兩種模式。所謂差模沖擊，是指在傳輸導體回路上產(chǎn)生的沖擊，其典型表現(xiàn)就是在電力輸入和火線和零線之間產(chǎn)生的高電壓、大電流沖擊；而共模沖擊則是在傳輸導體回路和某個公共基準參考點之間的沖擊，例如在火零線和公共保護地之間產(chǎn)生的高電壓、大電流沖擊。差模沖擊主要對設備輸入級產(chǎn)生嚴重威脅，而共模沖擊則可能擊穿設備絕緣保護，導致設備內(nèi)部漏電或外殼漏電。為此，人們研究了很多雷擊和浪涌防護方案來避免其危害，目前最為常見的電源輸入防雷單元是采用壓敏電阻和氣體放電管組成的防護單元，對共模雷擊和差模雷擊進行防護。圖1所示即為最常見的電路方案。
在圖1所示方案中，壓敏電阻M0V1、M0V2和氣體放電管GDT構成共模防護單元，壓敏電阻M0V3則承擔差模防護功能。該方案的優(yōu)點是電路簡單，易于實現(xiàn)，成本低。
但該方案同時也存在相當明顯的缺點M0V3直接并聯(lián)在火線和零線之間，在正常交流輸入下會產(chǎn)生漏電流，導致器件發(fā)熱，加速其老化失效，甚至引起短路事故；為了盡可能壓低其正常輸入下的漏電流，就不得不提高其耐壓參數(shù)，這樣一來，當雷擊和浪涌沖擊來臨的時候，其兩端電壓就會被抬到比較高的程度，也就是說會留下比較高的“殘壓”。一般來說，目前最常見方案的這個殘壓在1000V以上，有些甚至可以達到1500V以上，對于后級設備的威脅依然很大。
針對上述缺點，人們又提出了如圖2所示的改進方案在圖2所示改進方案中， M0V3支路串進了一個氣體放電管GDT2，火線上串進了一個電感LI，輸出端并聯(lián)了一個瞬態(tài)抑制二極管(TVS)、或半導體放電管(TSS)、或玻璃放電管。
其改進原理如下正常工作時，GDT2處于開路狀態(tài)，使得M0V3與火/零線回路分斷，這就解決了壓敏電阻的漏電和老化問題；但由于⑶T2的串入，更加抬高了 M0V3 /⑶T2支路的保護啟動電壓，因此，后級采用TVS等單元作為鉗位控制，進一步泄放電流，避免后級設備面臨高殘壓危險；電感LI則主要用來隔離沖擊期間M0V3支路和TVS支路的壓差，同時 限制其輸出電流增長率。
圖2所示方案原理上與圖1方案相比有明顯改善，但實際應用卻比較少，主要是由 于以下原因
其一，GDT2的串入，抬高了前級保護的啟動電壓，延緩了沖擊時的啟動時刻，導致 更多的能量沖入后級。這是由于為了保證⑶T在正常輸入電壓下不被擊穿，其擊穿電壓必 須選得比較高，而且氣體放電管的一個特性是電壓變化越快，所需要的擊穿電壓就越高，瞬 態(tài)沖擊擊穿電壓要遠遠高于其直流擊穿電壓，針對雷擊浪涌沖擊保護功能所要求的擊穿電 壓，一般都會達到1000V以上，對于保護啟動時刻的延遲比較嚴重；另外就是⑶T本身的動 作時間也比較長，二者的綜合作用使得保護效果受到很大影響；
其二，TVS本身的電流容量比較小，功率容量也偏小，在鉗位電壓比較高的時候，能 量消耗能力不足是個很大的缺陷。如果采用TSS作為后級保護，可以實現(xiàn)比較低的導通鉗 位電壓，能量消耗能力不足的缺陷得到緩解，但又存在沖擊過后的續(xù)流問題，而且有可能導 致后級設備缺失半個交流周波，引發(fā)其它異常；
其三，為了適應后級保護單元的功率容量限制，不得不將絕大部分沖擊能量限制 在前級消耗或泄放，因此就不得不將LI的電感值做到比較大，工藝和成本上存在困難不 說，還可能引發(fā)比較大的阻抗特性變化，對后級設備產(chǎn)生影響，引入其它方面的問題。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種低殘壓電源防雷保護裝置，以實現(xiàn)可以直接與設備的 交流或直流電源模塊、或電源接口、甚至是設備電源線等組合在一起，構成具備防雷擊、防 浪涌功能的電源輸入系統(tǒng)。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為一種低殘壓電源防雷保護裝置， 包括初級差模保護單元、次級差模保護單元和觸發(fā)單元；其中
所述初級差模保護單元通過所述觸發(fā)單元與所述次級差模保護單元電連接，所述 初級差模保護單元實現(xiàn)浪涌電流泄放、輸入過電壓觸發(fā)保護和浪涌功率消耗；
所述次級差模保護單元對殘余的浪涌電流進行泄放并消耗殘余功率；
所述觸發(fā)單元對所述初級差模保護單元和所述次級差模保護單元啟動所需的觸 發(fā)電壓進行放大，加速并實現(xiàn)所述輸入觸發(fā)模塊和輸出過壓觸發(fā)模塊的觸發(fā)啟動。
優(yōu)選地，所述裝置還包括共模沖擊保護單元，所述共模沖擊保護單元與所述初級 差模保護單元電連接，提供共模沖擊保護。
優(yōu)選地，所述共模沖擊保護單元包括第一功率耗散模塊、第二功率耗散模塊和共 模觸發(fā)模塊；其中
所述第一功率耗散模塊和所述第二功率耗散模塊串聯(lián)后連接在電源兩端；
所述共模觸發(fā)模塊一端與所述第一功率耗散模塊和所述第二功率耗散模塊串聯(lián) 的中點連接，另一端與地連接。
優(yōu)選地，所述第一功率耗散模塊和所述第二功率耗散模塊由壓敏電阻或瞬態(tài)抑制 二極管構成。
優(yōu)選地，所述共模觸發(fā)模塊由氣體放電管、固體放電管、玻璃放電管或空氣放電間隙構成。
優(yōu)選地，所述初級差模保護單元包括第三功率耗散模塊和輸入觸發(fā)模塊；其中
所述第三功率耗散模塊和所述輸入觸發(fā)模塊串聯(lián)后連接在電源輸入兩端；
所述輸入觸發(fā)模塊實現(xiàn)浪涌電流泄放和輸入過電壓觸發(fā)保護；
所述第三功率耗散模塊實現(xiàn)初級浪涌電壓鉗制和浪涌功率消耗。
優(yōu)選地，所述第三功率耗散模塊由壓敏電阻或瞬態(tài)抑制二極管構成。
優(yōu)選地，所述輸入觸發(fā)模塊由氣體放電管、固體放電管、玻璃放電管或空氣放電間 隙構成。
優(yōu)選地，所述次級差模保護單元包括第四功率耗散模塊和輸出過壓觸發(fā)模塊； 其中
所述第四功率耗散模塊和所述輸出過壓觸發(fā)模塊串聯(lián)后連接在電源輸出兩端；
所述輸出過壓觸發(fā)模塊還與所述輸入觸發(fā)模塊電連接；
所述輸出過壓觸發(fā)模塊實現(xiàn)當輸出電壓超過觸發(fā)門限時觸發(fā)次級保護、或者根據(jù) 所述觸發(fā)單元輸出信號以及輸入觸發(fā)模塊的狀態(tài)觸發(fā)啟動次級保護。
優(yōu)選地，所述第四功率耗散模塊由電阻、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管或穩(wěn)壓二極管 構成。
優(yōu)選地,所述輸出過壓觸發(fā)模塊由固體放電管、氣體放電管或雙向可控娃放電兀 件構成。
優(yōu)選地，所述觸發(fā)單元包括隔離觸發(fā)變壓器和限流模塊；其中
所述隔離觸發(fā)變壓器的原邊分別與所述第三功率耗散模塊的輸入端和第四功率 耗散模塊的輸入端連接，次邊分別與所述第三功率耗散模塊的輸入端和限流模塊連接；
所述限流模塊分別與所述輸入觸發(fā)模塊和所述輸出過壓觸發(fā)模塊連接；
所述隔離觸發(fā)變壓器對所述初級差模保護單元和次級差模保護單元啟動所需的 觸發(fā)電壓進行放大，加速并實現(xiàn)所述初級差模保護單元和次級差模保護單元的觸發(fā)啟動過 程，且根據(jù)所述隔離觸發(fā)變壓器原邊線圈的電感效應對輸出電流的增長率進行限制；
所述限流模塊在所述輸入觸發(fā)模塊和所述輸出過壓觸發(fā)模塊被觸發(fā)后，實現(xiàn)對所 述隔離觸發(fā)變壓器副邊線圈的續(xù)流限制。
優(yōu)選地，所述限流模塊由電阻、壓敏電阻、穩(wěn)壓二極管、瞬態(tài)抑制二極管、固體放電 管、玻璃放電管或氣體放電管構成。
從上述的技術方案可以看出，本發(fā)明公開的一種低殘壓電源防雷保護裝置，分成 共模防護和差模防護兩個部分，其中差模防護部分是由兩級防護系統(tǒng)構成，在面臨差模雷 擊和浪涌沖擊時，兩級防護系統(tǒng)協(xié)調動作，使得最終輸出的沖擊電壓和沖擊電流都被大大 削弱，并能夠可靠限制在后級設備所能承受的水平之下。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為現(xiàn)有技術中的電源防雷保護裝置的結構示意圖；圖2為現(xiàn)有技術中的另一電源防雷保護裝置的結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例公開的一種低殘壓電源防雷保護裝置的結構示意圖；圖4為本發(fā)明另一實施例公開的一種低殘壓電源防雷保護裝置的結構示意圖；圖5為本發(fā)明另一實施例公開的一種低殘壓電源防雷保護裝置的結構示意圖；圖6為本發(fā)明另一實施例公開的一種低殘壓電源防雷保護裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基 于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其 他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例公開了一種低殘壓電源防雷保護裝置，以實現(xiàn)可以直接與設備的交 流或直流電源模塊、或電源接口、甚至是設備電源線等組合在一起，構成具備防雷擊、防浪 涌功能的電源輸入系統(tǒng)。如圖3所示，一種低殘壓電源防雷保護裝置，包括初級差模保護單元11、次級差 模保護單元12和觸發(fā)單元13 ;其中初級差模保護單元11通過觸發(fā)單元13與次級差模保護單元12電連接，初級差模 保護單元11實現(xiàn)電流泄放、輸入過電壓觸發(fā)保護和功率消耗；次級差模保護單元12對殘余的電流進行泄放和殘余功率消耗；觸發(fā)單元13對初級差模保護單元11和次級差模保護單元12的觸發(fā)電壓進行放 大。在上述實施例中，差模防護部分是由兩級防護系統(tǒng)構成，在面臨差模雷擊和浪涌 沖擊時，兩級防護系統(tǒng)協(xié)調動作，使得最終輸出的沖擊電壓和沖擊電流都被大大削弱，并能 夠可靠限制在后級設備所能承受的水平之下。在上述實施例的基礎上，本發(fā)明的另一實施例還公開了一種低殘壓電源防雷保護 裝置，如圖4所示，包括共模沖擊保護單元21、初級差模保護單元22、次級差模保護單元 23和觸發(fā)單元24 ;其中共模沖擊保護單元21與初級差模保護單元22電連接，提供共模沖擊保護；初級差模保護單元22通過觸發(fā)單元24與次級差模保護單元23電連接，初級差模 保護單元22實現(xiàn)電流泄放、輸入過電壓觸發(fā)保護和功率消耗；次級差模保護單元23對殘余的電流進行泄放和殘余功率消耗；觸發(fā)單元24對初級差模保護單元22和次級差模保護單元23的觸發(fā)電壓進行放 大。具體的，在上述實施例的基礎上增加了共模沖擊保護單元，提供了共模沖擊保護。本發(fā)明的另一實施例還公開了一種低殘壓電源防雷保護裝置，如圖5所示，共模 沖擊保護單元包括第一功率耗散模塊roi、第二功率耗散模塊PD2和共模觸發(fā)模塊CMT ;其 中第一功率耗散模塊PD1和第二功率耗散模塊TO2串聯(lián)后連接在電源(L、N)兩端；
共模觸發(fā)模塊CMT —端與第一功率耗散模塊PDl和第二功率耗散模塊PD2串聯(lián)的 中點連接，另一端與地PE連接；
具體的，第一功率耗散模塊PDl和第二功率耗散模塊PD2為壓敏電阻或瞬態(tài)抑制 二極管，共模觸發(fā)模塊CMT為氣體放電管或固體放電管；
初級差模保護單元包括第三功率耗散模PD3塊和輸入觸發(fā)模塊IVT ;其中
第三功率耗散模塊PD3和輸入觸發(fā)模塊IVT串聯(lián)后連接在電源(L、N)兩端；
輸入觸發(fā)模塊IVT實現(xiàn)電流泄放和輸入過電壓觸發(fā)保護；
第三功率耗散模塊PD3實現(xiàn)初級電壓鉗制和功率消耗；
具體的，第三功率耗散模塊PD3為壓敏電阻或瞬態(tài)抑制二極管，輸入觸發(fā)模塊IVT 為氣體放電管、固體放電管或玻璃放電管；
次級差模保護單元包括第四功率耗散模塊PD4和輸出過壓觸發(fā)模塊OVT ;其中
第四功率耗散模塊PD4和輸出過壓觸發(fā)模塊OVT串聯(lián)后連接在電源(L、N)兩端；
輸出過壓觸發(fā)模塊OVT還與輸入觸發(fā)模塊IVT電連接；
輸出過壓觸發(fā)模塊OVT實現(xiàn)當輸出電壓超過觸發(fā)門限時觸發(fā)次級保護和根據(jù)輸 入觸發(fā)模塊IVT的狀態(tài)進行觸發(fā)；
觸發(fā)單元包括隔離觸發(fā)變壓器Tl和限流模塊CLU ;其中
隔離觸發(fā)變壓器Tl的原邊分別與第三功率耗散模塊PD3的輸入端和第四功率耗 散模塊PD4的輸入端連接，次邊分別與第三功率耗散模塊TO3的輸入端和限流模塊CLU連 接;
限流模塊CLU分別與輸入觸發(fā)模塊IVT和輸出過壓觸發(fā)模塊OVT連接；
隔離觸發(fā)變壓器Tl對初級差模保護單元22和次級差模保護單元23的觸發(fā)電壓 進行放大，且根據(jù)隔離觸發(fā)變壓器Tl原邊線圈的電感效應對輸出電流的增長率進行限制；
限流模塊CLU實現(xiàn)對輸入觸發(fā)模塊IVT觸發(fā)后隔離觸發(fā)變壓器Tl副邊線圈的續(xù) 流限制；
具體的，限流模塊CLU為電阻、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管、固體放電管、玻璃放電 管或氣體放電管。
上述實施例的工作原理為
1、對于共模沖擊當輸入端L、N出現(xiàn)對PE (保護地線)的高電壓沖擊時，只要沖 擊電壓高于(PDl + CMT)或(PD2 + CMT)兩個支路中任一路的擊穿電壓，共模觸發(fā)模塊CMT 即可觸發(fā)導通，并進入大電流放電狀態(tài)，此時共模觸發(fā)模塊CMT兩端電壓很低，絕大部分沖 擊電壓都分別加載在第一功率耗散模塊PDl和第二功率耗散模塊PD2上，并出現(xiàn)大電流放 電，消耗大部分沖擊功率，并將兩個輸入端L、N對保護地的電壓鉗制在其導通電壓上，避免 后級設備的輸入端出現(xiàn)對保護地的高壓沖擊，從而實現(xiàn)保護效果。
2、對于差模沖擊，情況要復雜一些，是由初級保護單元、次級保護單元和初/次級 啟動觸發(fā)單元三個單元協(xié)同動作，實現(xiàn)其保護功能，具體過程如下
當輸入端L、N之間出現(xiàn)沖擊電壓(或沖擊電流)時，隔離觸發(fā)變壓器Tl的原邊線 圈表現(xiàn)出電感效應，壓制電流增長，并在其上產(chǎn)生感生壓降；其后有兩種途徑導致初/次級 觸發(fā)啟動單元動作
途徑一輸入沖擊幅度足夠高，直接在隔離觸發(fā)變壓器Tl原邊線圈電感上產(chǎn)生足夠高的電壓沖擊，經(jīng)變壓器副邊放大后足以啟動輸入觸發(fā)模塊IVT ；
途經(jīng)二 輸入沖擊幅度比較低時，隔離觸發(fā)變壓器Tl原邊線圈感生電壓幅度也比較低，副邊輸出不足以直接啟動輸入觸發(fā)模塊IVT。但當隔離觸發(fā)變壓器Tl副邊輸出幅度達到啟動輸出過壓觸發(fā)模塊OVT的門限，或者是隨著沖擊持續(xù)將輸出端(Output)電壓抬高至輸出過壓觸發(fā)模塊OVT的觸發(fā)值時，輸出過壓觸發(fā)模塊OVT導通，第四功率耗散模塊PD4 承受輸出電壓，并開始泄放沖擊電流。由于輸出過壓觸發(fā)模塊OVT由關斷到導通，其兩端電壓陡降，使得Output節(jié)點電壓被拉低，從而導致隔離觸發(fā)變壓器Tl原邊線圈兩端出現(xiàn)一個比較大的壓差沖擊脈沖；
隔離觸發(fā)變壓器Tl原邊線圈的壓差沖擊在副邊放大，通過限流模塊CLU施加到輸入觸發(fā)模塊IVT上，此時輸入觸發(fā)模塊IVT所承受的電壓為輸入端(Input)節(jié)點電壓加上隔離觸發(fā)變壓器Tl副邊感生電壓的觸發(fā)分量，可以大大高于輸入端電壓，很容易即可達到輸入觸發(fā)模塊IVT觸發(fā)導通所需要的電壓和電流門限；
輸入觸發(fā)模塊IVT觸發(fā)啟動后，進入低端壓大電流放電狀態(tài)，此時輸入端壓主要加載在第三功率耗散模塊PD3兩端，因此第三功率耗散模塊PD3開始泄放沖擊電流，并將初級電壓鉗位；
輸入觸發(fā)模塊IVT啟動后，其輸出施加到輸出過壓觸發(fā)模塊OVT觸發(fā)端，若輸出過壓觸發(fā)模塊OVT此前未被啟動，此時也將被啟動，輸出電壓加載在第四功率耗散模塊PD4兩端，因此第四功率耗散模塊PD4開始泄放沖擊電流，并將輸出電壓鉗位；輸入觸發(fā)模塊IVT及輸出過壓觸發(fā)模塊OVT都啟動后，隔離觸發(fā)變壓器Tl原邊線圈壓差為第三功率耗散模塊PD3和第四功率耗散模塊PD4的鉗位電壓之差(也可稱為“殘壓差”)，這個差值相對來說比較小而且相對穩(wěn)定，此時副邊電流在限流模塊CLU作用下飽和， 隔離觸發(fā)變壓器Tl原邊又體現(xiàn)出電感效應，因此其輸出電流的增長率在較低的“殘壓差” 的制約下，也被限制在較低水平；
對于輸出端(Output)來說，兩級保護啟動后，隔離觸發(fā)變壓器Tl輸出的電流增長率降低，第三功率耗散模塊Η)3、第四功率耗散模塊PD4啟動泄流又分流了隔離觸發(fā)變壓器 Tl原邊輸出電流，二者共同作用的效果是對后級設備的輸出電流不再增長，甚至下降。
最終后級設備輸入端承受的電壓為第四功率耗散模塊PD4的鉗位電壓，輸入電流不再增長，二者共同作用的效果是其沖擊饋入能量不再增長，后級設備得到有效保護。
3、目標設備異常時的保護當目標負載設備異常，在其電源輸入端產(chǎn)生高壓沖擊輸出時，如果沖擊幅度達到輸出過壓觸發(fā)模塊OVT的觸發(fā)值，輸出過壓觸發(fā)模塊OVT導通， 第四功率耗散模塊PD4承受該沖擊電壓，并開始泄放沖擊電流，最后將其鉗制在第四功率耗散模塊HM的鉗位電壓下。這樣可以對目標設備輸入級實現(xiàn)保護，并防止該沖擊通過電源線對臨近設備產(chǎn)生影響。
本發(fā)明的基本原理是對饋入的過剩浪涌沖擊能量進行旁路泄放和功率消耗，保護動作過程中電源輸出不出現(xiàn)中斷的情況，負載設備可以維持正常的工作狀態(tài)；
在差模保護部分，輸入觸發(fā)模塊IVT和輸出過壓觸發(fā)模塊OVT分別將主要保護元件功率耗散及第三功率耗散模塊PD3和第四功率耗散模塊PD4從電源輸入線之間隔離開， 避免其漏電流產(chǎn)生不良影響。因為這兩個模塊最常用的元件是壓敏電阻，而壓敏電阻在正常工作條件下的漏電流是個影響器件可靠性的嚴重問題，本方案有效地避免了正常工作時的漏電流現(xiàn)象，同時避免了因漏電流引發(fā)的壓敏電阻發(fā)熱老化現(xiàn)象，使得整個單元的可靠 性和壽命大幅度提聞;
在采用壓敏電阻作為功率消耗和電壓鉗位模塊時，本方案很好地解決了輸出殘壓 值和漏電流之間的矛盾。一般說來，壓敏電阻耐壓參數(shù)越低，輸出殘壓參數(shù)就越低，對后級 設備的保護效果就越好。但耐壓參數(shù)選得比較低時，正常工作條件下的漏電流又會比較大， 從而帶來器件發(fā)熱，最終影響產(chǎn)品的可靠性和壽命。在本方案中，因為第三功率耗散模塊 PD3和第四功率耗散模塊PD4在正常工作狀態(tài)下被隔離，不必考慮其漏電流影響，其耐壓參 數(shù)就可以大幅度放寬，可以完全根據(jù)設計目標要求的泄放電流容量參數(shù)和允許殘壓參數(shù)進 行選擇，從而實現(xiàn)大電流容量、低殘壓的設計目標。這個改善在面臨大能量、高強度的浪涌 沖擊時優(yōu)勢更加明顯。
當采用氣體放電管作為輸入觸發(fā)單元時，本方案中因為隔離觸發(fā)變壓器Tl的存 在，使得輸入端電壓在遠低于氣體放電管沖擊擊穿電壓的時刻即可啟動泄流保護。保護啟 動得越早，輸出的電壓和電流增長時間越短，后級設備承受的沖擊能量就越小，保護效果就 越好。由于雷擊和浪涌沖擊一般都是一個瞬態(tài)過程，因此對于傳統(tǒng)的氣體放電管加壓敏電 阻的方案，輸入端電壓必須高于氣體放電管的沖擊擊穿電壓后，才可能發(fā)生氣體放電管的 擊穿，實現(xiàn)保護效果。對于氣體放電管來說，沖擊擊穿電壓要遠遠高于其直流擊穿電壓，而 其直流擊穿電壓參數(shù)受到正常工作電壓參數(shù)限制，不可能設置得很低。這就導致對比的傳 統(tǒng)方案在雷擊浪涌輸入條件下的氣體放電管擊穿電壓門限會比較高，輸入端電壓達到保護 啟動之前，仍然會有比較大的能量傳輸?shù)胶蠹壴O備，影響了保護的效果。在本方案中，作為 輸入觸發(fā)模塊IVT的氣體放電管在沖擊條件下，所承受的是輸入電壓和隔離觸發(fā)變壓器Tl 副邊反饋電壓之和，因此可以在輸入電壓比較低的時刻即發(fā)生擊穿，加速了保護單元的啟 動；
對于標準的電源輸入端浪涌測試波形來說，其電壓沖擊為1. 2/50us波形，電流沖 擊為8/20US，其上升和下降時間寬度相對來說都有一定的限制。而實際應用環(huán)境下的雷擊 和浪涌波形千變?nèi)f化，沖擊幅度、沖擊時間、上升斜率等參數(shù)可能與測試波形存在比較大的 差異。如此一來，傳統(tǒng)的氣體放電管加壓敏電阻的方案因為保護啟動電壓門限比較高，就可 能會在某些特殊條件無法啟動保護功能，例如對于輸入沖擊幅度略低于啟動門限，但沖擊 時間比較長的情況，就有可能無法觸發(fā)保護動作，導致沖擊能量饋入后級設備，產(chǎn)生嚴重威 脅。而本方案則在此方面有比較明顯的改善，只要輸出端電壓達到觸發(fā)門限，次級保護單元 就會先觸發(fā)，實現(xiàn)保護功能，然后由次級保護單元啟動所產(chǎn)生的下拉脈沖可以反饋到輸入 觸發(fā)單元，啟動初級保護單元，以達到更好的保護效果。并且次級保護單元的輸出端觸發(fā)門 限值可以根據(jù)后級設備的要求靈活設定，這樣一來，可以保證輸出端電壓始終保持在后級 設備的安全門限以下，從而達到最佳的保護效果。
在本方案中，差模沖擊能量的泄放和消耗主要靠初級保護單元完成，次級保護單 元主要負責初級保護單元的啟動和殘余能量的泄放消耗，因此，次級保護單元的參數(shù)選擇 可以放寬，有利于整個方案的成本控制；
在本方案中，輸入的沖擊能量主要是通過單元內(nèi)部的電壓鉗位及功率耗散模塊主 動消耗，對于沖擊源的輸出阻抗特性適應能力強。而某些傳統(tǒng)的防雷方案只考慮電壓鉗位 和電流泄放，需要依靠沖擊源本身、或傳輸線路的輸出阻抗消耗能量，這在某些情況下就無法達到預期的保護效果；
在本方案中，兩級保護單元設計以及變壓器原邊電感效果的存在，使得兩級保護 啟動后的電流增長率受到兩級泄放回路殘壓之差和變壓器原邊電感量的限制，也就是說輸 出的沖擊殘余電壓和殘余電流都可以通過設計參數(shù)選擇進行主動控制，而不需要依賴后級 設備輸入端的阻抗特性。對于后級設備的適應性大幅度提高。傳統(tǒng)的防雷保護方案只注重 輸出殘壓控制，但相同的殘壓對于容性負載或感性負載所表現(xiàn)的殘余沖擊能量是完全不同 的。因此，傳統(tǒng)的防雷保護往往必須根據(jù)負載特性進行綁定設計才能達到預期效果，本方案 就無需進行類似的綁定；
在本方案中，防雷防浪涌單元有可能獨立于沖擊源和負載進行設計，將其做成獨 立模塊。作為安全防護易損件來說，獨立模塊可以使得系統(tǒng)設計更加靈活，維護管理更為方 便。例如，當防雷單元與后級設計集成在一起的時候，一旦沖擊超出保護能力，防雷單元損 毀的時候，就必須對整個設備進行維修；而當防雷單元采用獨立防雷模塊的時候，模塊損毀 時，只需更換即可；
該保護方案不僅可以防止外部饋入的浪涌對負載設備產(chǎn)生威脅，而且在負載設備 異常并在其電源輸入產(chǎn)生沖擊時，該保護方案還可以限制負載設備所產(chǎn)生的沖擊電壓幅 度，實現(xiàn)對負載設備輸入級的保護，并避免沖擊反饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)對鄰近設備的保護。
如圖6所示，為應用于大功率設備的防雷電源輸入單元，具體的以金屬氧化物壓 敏電阻M0V1、M0V2和氣體放電管GDTl構成共模保護單元；
以金屬氧化物壓敏電阻M0V3和氣體放電管GDT2構成初級差模保護單元；
以金屬氧化物壓敏電阻M0V4構成次級差模保護單元；
以雙向可控硅構成輸出過壓觸發(fā)單元；
金屬氧化物壓敏電阻M0V5及電阻RT構成技術方案中的變壓器副邊限流單元；
從產(chǎn)品安全性角度考慮，在火線L輸入端增加了慢熔保險絲FUSEl ；
從產(chǎn)品安全性角度考慮，保護地PE接到后級設備端。
共模保護單元中氣體放電管GDTl直流耐壓參數(shù)需參考設備絕緣要求，瞬態(tài)擊穿 電壓參數(shù)需參考防雷等級要求確定，沖擊電流容量參考防雷等級參數(shù)確定；
壓敏電阻MOVl和M0V2，其耐壓參數(shù)必須保證在正常工作輸入電壓時的最大漏電 流低于允許的安全值，沖擊電流容量參考防雷等級要求參數(shù)確定；參數(shù)選擇時，必須考慮實 際應用時該元件的散熱條件。
差模保護單元中隔離觸發(fā)變壓器Tl原邊電感量在IuH至IOOuH量級，必須保證 在設定的沖擊電流變化率下能夠產(chǎn)生足夠的原邊壓差，同時在最大輸出沖擊電流條件下不 至于出現(xiàn)磁飽和情況，副邊匝比可以根據(jù)觸發(fā)初級氣體放電管所需脈沖電壓值確定；
氣體放電管⑶T2直流擊穿電壓必須大于正常輸入電壓并保留一定裕量，瞬態(tài)擊 穿電壓根據(jù)需要選擇，放電電流容量必須大于設計目標所定義的防雷等級要求；
壓敏電阻M0V3放電電流容量必須大于設計目標所定義的防雷等級要求，最大放 電電流所對應的鉗位電壓滿足設計要求，直流耐壓應保證在GDT2導通后由電源正常輸入 引發(fā)的最大續(xù)流處于安全范圍之內(nèi)；
壓敏電阻M0V4放電電流容量必須大于最大可耐受沖擊時，隔離觸發(fā)變壓器Tl原 邊線圈的最大輸出電流，最大放電電流所對應的鉗位電壓滿足設計要求中的輸出電壓殘值，直流耐壓應保證在可控硅SCRl導通后由電源正常輸入所產(chǎn)生的最大續(xù)流處于安全范 圍之內(nèi)；
壓敏電阻M0V5直流耐壓應保證在⑶T2導通后，隔離觸發(fā)變壓器Tl副邊線圈所產(chǎn) 生的最大續(xù)流處于安全范圍之內(nèi)；
可控硅SCRl的擊穿電壓參數(shù)與輸出觸發(fā)電壓門限相適應，同時應保證盡可能高 的通態(tài)dl/dt限制值，并保證其熔絲容量滿足最大泄放電流和脈沖寬度要求；
經(jīng)過合理參數(shù)選擇，上述實施方案可實現(xiàn)在常規(guī)的220VAC電源下，負載正常工作 電流30A，6KW輸出功率；并實現(xiàn)可承受4KA@8/20us電流等級的差模浪涌沖擊的防護能力， 輸出殘壓峰值小于900V(tp〈2. 5us)，輸出殘壓鉗位值小于600V。
本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他 實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
權利要求
1.一種低殘壓電源防雷保護裝置，其特征在于，包括初級差模保護單元、次級差模保護單元和觸發(fā)單元；其中所述初級差模保護單元通過所述觸發(fā)單元與所述次級差模保護單元電連接，所述初級差模保護單元實現(xiàn)浪涌電流泄放、輸入過電壓觸發(fā)保護和浪涌功率消耗；所述次級差模保護單元對殘余的浪涌電流進行泄放并消耗殘余功率；所述觸發(fā)單元對所述初級差模保護單元和所述次級差模保護單元啟動所需的觸發(fā)電壓進行放大，加速并實現(xiàn)兩級保護單元的觸發(fā)啟動。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括共模沖擊保護單元，所述共模沖擊保護單元與所述初級差模保護單元電連接，提供共模沖擊保護。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述共模沖擊保護單元包括第一功率耗散模塊、第二功率耗散模塊和共模觸發(fā)模塊；其中所述第一功率耗散模塊和所述第二功率耗散模塊串聯(lián)后連接在電源兩端；所述共模觸發(fā)模塊一端與所述第一功率耗散模塊和所述第二功率耗散模塊串聯(lián)的中點連接，另一端與負載設備或系統(tǒng)的保護地連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述第一功率耗散模塊和所述第二功率耗散模塊由壓敏電阻或瞬態(tài)抑制二極管構成。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述共模觸發(fā)模塊由氣體放電管、固體放電管、玻璃放電管或空氣放電間隙構成。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述初級差模保護單元包括第三功率耗散模塊和輸入觸發(fā)模塊；其中所述第三功率耗散模塊和所述輸入觸發(fā)模塊串聯(lián)后連接在電源輸入兩端；所述輸入觸發(fā)模塊實現(xiàn)浪涌電流泄放和輸入過電壓觸發(fā)保護；所述輸入觸發(fā)模塊與觸發(fā)單元連接，由觸發(fā)單元輸出信號觸發(fā)啟動；所述第三功率耗散模塊實現(xiàn)初級浪涌電壓鉗制和功率消耗。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第三功率耗散模塊由壓敏電阻或瞬態(tài)抑制二極管構成。
8.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述輸入觸發(fā)模塊由氣體放電管、固體放電管、玻璃放電管或空氣放電間隙構成。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述次級差模保護單元包括第四功率耗散模塊和輸出過壓觸發(fā)模塊；其中所述第四功率耗散模塊和所述輸出過壓觸發(fā)模塊串聯(lián)后連接在電源輸出兩端；所述輸出過壓觸發(fā)模塊還與所述觸發(fā)單元以及輸入觸發(fā)模塊電連接；所述輸出過壓觸發(fā)模塊實現(xiàn)當輸出電壓超過觸發(fā)門限時觸發(fā)啟動次級保護、或根據(jù)所述觸發(fā)單元輸出信號或輸入觸發(fā)模塊的狀態(tài)觸發(fā)啟動次級保護。
10.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述第四功率耗散模塊由電阻、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管或穩(wěn)壓二極管構成。
11.根據(jù)權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述輸出過壓觸發(fā)模塊由固體放電管、 氣體放電管、玻璃放電管或雙向可控硅放電元件構成。
12.根據(jù)權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述觸發(fā)單元包括隔離觸發(fā)變壓器和限流模塊；其中所述隔離觸發(fā)變壓器的原邊分別與所述第三功率耗散模塊的輸入端和第四功率耗散模塊的輸入端連接，次邊分別與所述第三功率耗散模塊的輸入端和限流模塊連接；所述限流模塊分別與所述輸入觸發(fā)模塊和所述輸出過壓觸發(fā)模塊連接；所述隔離觸發(fā)變壓器對所述初級差模保護單元和次級差模保護單元啟動所需要的觸發(fā)電壓進行放大，加速并實現(xiàn)所述初級差模保護單元和次級差模保護單元的觸發(fā)啟動過程，且根據(jù)所述隔離觸發(fā)變壓器原邊線圈的電感效應對輸出電流的增長率進行限制；所述限流模塊在所述輸入觸發(fā)模塊和所訴輸出過壓觸發(fā)模塊被觸發(fā)后，實現(xiàn)對所述隔離觸發(fā)變壓器副邊線圈的續(xù)流限制。
13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述限流模塊由電阻、壓敏電阻、穩(wěn)壓二極管、瞬態(tài)抑制二極管、固體放電管、玻璃放電管或氣體放電管構成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低殘壓電源防雷保護裝置，包括初級差模保護單元、次級差模保護單元和觸發(fā)單元；其中初級差模保護單元通過觸發(fā)單元與次級差模保護單元電連接，初級差模保護單元實現(xiàn)浪涌電流泄放、輸入過電壓觸發(fā)保護和浪涌功率消耗；次級差模保護單元對殘余的浪涌電流進行泄放并消耗殘余功率；觸發(fā)單元對初級差模保護單元和次級差模保護單元所需的觸發(fā)電壓進行放大，加速并實現(xiàn)兩級保護單元的觸發(fā)啟動。本發(fā)明可以直接與設備的交流或直流電源模塊、或電源接口、甚至是設備電源線等組合在一起，構成具備防雷擊、防浪涌功能的電源輸入系統(tǒng)。
文檔編號H02H9/04GK103036224SQ20121057914
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權日2012年12月27日
發(fā)明者徐大鵬 申請人:徐大鵬