專利名稱：兩端激活抑弧器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般說來涉及用于電氣觸頭的抑弧電路，更具體地說涉及這樣一種電路，它包括一個(gè)功率晶體管，例如IGBT，與受保護(hù)電氣觸頭并聯(lián)連接，其中該保護(hù)電路可以與各種各樣的電氣觸頭布置一起使用。
如待審專利申請(qǐng)No.08/527,185所指出，對(duì)于電氣觸頭，即在觸頭閉合時(shí)電流流過其中的電氣或電動(dòng)機(jī)械電路所使用的機(jī)械觸頭，其一個(gè)共同問題是在它們從閉合位置開始打開時(shí)在觸頭之間產(chǎn)生電弧。不論觸頭是常閉或是常開，這種情況在觸頭打開時(shí)會(huì)發(fā)生。如果在它們打開時(shí)觸頭兩端之間電壓達(dá)到一個(gè)足夠水平，就將在觸頭之間形成電弧。此外，這個(gè)電弧甚至在觸頭充分打開之后可能持續(xù)。這種燃弧眾所周知是不希望有的，因?yàn)樗鼘?duì)觸頭產(chǎn)生磨損，以及產(chǎn)生其它因電弧可能引起的電路效應(yīng)。
除觸頭自身設(shè)計(jì)在某些情況下提供固有抑弧能力外，分開的抑弧電路已用來防止電氣觸頭兩端之間燃弧。這些電路典型包括具有特定操作特性的功率晶體管。在觸頭打開時(shí)電氣觸頭兩端之間電壓的初始增加用作一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，以便接通功率晶體管，在觸頭正在打開期間瞬時(shí)分路觸頭周圍的負(fù)載電流。典型地，這是通過使用連接在晶體管的米勒電容，使流過米勒電容的電流足夠大以便接通功率晶體管而完成。
一個(gè)這樣電路在屬于Woodworth的美國(guó)專利No.4,438,472中展示。Woodworth教導(dǎo)與一個(gè)雙極結(jié)晶體管組合使用一個(gè)分路電容器的基本思想。在這種特定設(shè)備中，附加米勒電容必須相對(duì)大。但是，這個(gè)大電容即使在被保護(hù)觸頭完全打開時(shí)也保持與它們并聯(lián)，相對(duì)任何可能施加在觸頭兩端之間的暫態(tài)現(xiàn)象實(shí)際上起短路作用。這當(dāng)然在許多情況下是不希望有的。此外，雙極結(jié)晶體管在其(晶體管)逐漸切斷負(fù)載電流時(shí)，必須能夠處理來自電感性負(fù)載的能量。
另一種設(shè)備在屬于Hongel的美國(guó)專利No.4,658,320中展示。在Hongel設(shè)備中，雙極結(jié)晶體管用一個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)代替。這樣對(duì)減小Woodworth設(shè)備所要求的大電容的尺寸來說確實(shí)具有效果。但是，正如Woodworth設(shè)備一樣，逐漸電感性負(fù)載切斷實(shí)際上要求所有負(fù)載能量消耗在FET自身中。一個(gè)能夠處理這種情況的FET價(jià)格昂貴，并且尺寸相當(dāng)大。另外，在Hongel設(shè)備中電容器仍然與打開的觸頭并聯(lián)，因此它對(duì)暫態(tài)電壓敏感。
本發(fā)明受認(rèn)人所擁有的’185專利申請(qǐng)所述的設(shè)備解決了上述兩種電路的許多缺點(diǎn)。它減少了所需要的米勒電容，并且設(shè)計(jì)為在電壓暫態(tài)期間通過保護(hù)電路來防止導(dǎo)電。但是，那種設(shè)備設(shè)計(jì)成與一種通常稱為C形觸頭的特定電氣觸頭布置一起使用。在’185電路中，甚至在有大電壓暫態(tài)存在時(shí)，C形觸頭未使用部分用來對(duì)分路功率晶體管發(fā)信號(hào)以通知何時(shí)截止并保持晶體管截止。
本發(fā)明具有’185電路的所有優(yōu)點(diǎn)，但是不局限于某種特定觸頭布置。實(shí)際上，它基本能與燃弧是一個(gè)問題的任何類型的電氣觸頭一起使用，并且能容易設(shè)計(jì)成操作于若干不同的電路布置。不僅能覆蓋各種各樣的電氣觸頭，而且還能適應(yīng)各種各樣的觸頭分開速率。因此，本發(fā)明在其適用性方面相當(dāng)普遍。
因此，本發(fā)明是一種用于抑制電氣觸頭兩端之間燃弧的電路，包括一個(gè)功率晶體管，例如一個(gè)IGBT，連接在觸頭兩端之間；電容裝置，連接在觸頭與功率晶體管之間，但是不直接在觸頭兩端之間，在觸頭開始打開時(shí)其足以使功率晶體管快速接通，在觸頭周圍提供一個(gè)電流通路，由此防止觸頭兩端之間燃?。辉谟|頭足夠分開之后用于截止功率晶體管，以便防止觸頭兩端之間燃弧的裝置；以及電壓限制裝置，以便把因功率晶體管截止所引起的任何回掃電壓限制在一個(gè)選擇水平。


圖1是表示本發(fā)明抑弧電路一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖2是本發(fā)明抑弧電路的一個(gè)替換實(shí)施例。
圖3是表示電壓暫態(tài)一例的示意圖。
圖4是表示關(guān)于本發(fā)明電路的暫態(tài)源的一個(gè)簡(jiǎn)化電路圖。
本發(fā)明的抑弧電路設(shè)計(jì)成與各種各樣的電氣和/或電動(dòng)機(jī)械觸頭一起操作，其一個(gè)實(shí)施例示于圖1。為了說明，電氣觸頭一般表示為10。電池12表示通過負(fù)載14操作的電壓源，其在所示實(shí)施例中為電感和電阻的組合。電源電壓通過負(fù)載14和通過觸頭10產(chǎn)生一個(gè)電流。本發(fā)明的抑弧(保護(hù))電路一般表示為16，在連接點(diǎn)17-17處連接到觸頭10。抑弧電路16在所示實(shí)施例中包括一個(gè)功率晶體管18，其在所示實(shí)施例中是一個(gè)絕緣柵雙極結(jié)晶體管(IGBT)。一個(gè)IGBT是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和一個(gè)雙極結(jié)晶體管(BJT)的達(dá)林頓式組合，能夠處理高功率水平。
一般地，抑弧電路16與觸頭10并聯(lián)連接，以便IGBT 18分路電氣觸頭。在觸頭打開時(shí)負(fù)載電流通過保護(hù)電路在觸頭周圍簡(jiǎn)單分路，直到觸頭足夠分開以便它們能承受電源電壓，典型為幾百伏為止。在觸頭10已經(jīng)分開之后，IGBT 18快速并突然截止；保證電感性電壓反沖或回掃由一個(gè)電壓限制裝置，例如圖1以20表示的金屬氧化物變阻器(MOV)所限制或箝位。在圖1實(shí)施例中，電壓限制裝置20在電路內(nèi)部，然而在一個(gè)替換實(shí)施例中，電壓限制裝置在外部，并且可以由電路的用戶來提供。在那個(gè)實(shí)施例中，用戶可以使電壓箝位特性適應(yīng)于所使用的特定負(fù)載和特定觸頭。
如上簡(jiǎn)單指出，抑弧電路16可以與常閉或常開電氣觸頭一起使用。在任一種情況下，當(dāng)觸頭在已經(jīng)閉合之后有電流流過其中時(shí)打開時(shí)，抑弧電路16操作以防止電氣觸頭兩端之間出現(xiàn)燃弧。為了說明電路16的操作，將假定觸頭10常閉，以及負(fù)載電流從電壓源12正端流出，通過負(fù)載14，通過觸頭10，并且返回電源12。
在觸頭10響應(yīng)電氣控制信號(hào)或開關(guān)手動(dòng)操作而開始打開時(shí)，通過觸頭的負(fù)載電流將終止，并且電流將開始在抑弧電路中流動(dòng)。IGBT 18將不會(huì)即刻導(dǎo)通電流，因?yàn)樗鼮榻刂範(fàn)顟B(tài)。此外，觸頭10兩端之間電壓不足以破壞電壓限制元件20，將沒有足夠電流流過組合電阻22。另外，因?yàn)橛卸O管24，所以將無電流流過組合電阻26。這樣引起電流最終通過為米勒電容的電容器28，并且然后通過柵極電阻器30，IGBT 18的柵極-發(fā)射極電容，然后返回電壓源12。
通過電容器28和電阻器30和IGBT 18的柵極-發(fā)射極電容這個(gè)通路所建立的電流引起兩個(gè)電容都開始充電。當(dāng)其柵極-發(fā)射極電容充電超過其閾值電壓時(shí)，IGBT 18將開始導(dǎo)通。電容器28具有這樣尺寸(例如，2.2毫微法)，以便為使其接通而在IGBT柵極所必須有的充電結(jié)果在電容器28上產(chǎn)生一個(gè)電壓，其與IGBT上電壓比較要小。
這時(shí)，消弧電路16(即連接點(diǎn)17-17兩端之間)和電氣觸頭10兩端之間電壓限制為接近IGBT 18的閾值電壓。在電壓進(jìn)一步增加時(shí)，更多電流流過電容器28和IGBT 18的柵極-發(fā)射極部分，更激烈地接通IGBT，這樣限制電壓增加。這時(shí)，整個(gè)電路將呈現(xiàn)為平衡；IGBT柵極的進(jìn)一步電壓增加由這個(gè)電流平衡條件限制。但是，IGBT 18接通的任何延遲會(huì)導(dǎo)致IGBT柵極產(chǎn)生破壞性高電壓，這個(gè)電壓典型可能為20伏。齊納二極管32保證IGBT柵極上電壓限制在危險(xiǎn)水平之下一個(gè)值，而電阻30趨于防止IGBT操作時(shí)的振蕩。
當(dāng)IGBT 18開始導(dǎo)通時(shí)，抑弧電路16兩端之間產(chǎn)生的電壓結(jié)果通過電阻22產(chǎn)生一個(gè)電流，使電容器36充電。當(dāng)電容器36上電壓超過齊納二極管38的反向擊穿電壓時(shí)，二極管38開始導(dǎo)通，接通晶體管40，其在所示實(shí)施例中為一個(gè)FET。保護(hù)電路16兩端之間電壓水平由IGBT 18的特性和米勒電容器28的值來建立。
FET 40的接通時(shí)間由電阻22和電容器36所建立的時(shí)間常數(shù)控制。電阻22的值還控制抑弧電路泄漏電流大小，其例如可能為150微安。
確定從觸頭10初始分開到齊納二極管38導(dǎo)通的時(shí)間，然后通過對(duì)電容器36選擇適當(dāng)值來加以建立。對(duì)所保護(hù)的特定觸頭這個(gè)時(shí)間延遲能容易地與分開速率配合。作為一個(gè)例子，一毫秒將典型是一個(gè)安全值，因?yàn)榇蠖鄶?shù)觸頭在不到一毫秒內(nèi)就分開足夠距離以承受電源電壓。
當(dāng)FET 40接通時(shí)，為IGBT 18柵極-發(fā)射極電容放電提供了一個(gè)通路。這個(gè)放電通路包括電阻器30，F(xiàn)ET 40，然后返回IGBT 18的發(fā)射極。一旦電容通過這個(gè)通路放電，IGBT 18就截止。IGBT 18在其已經(jīng)接通之后的這種及早突然截止保護(hù)或防護(hù)了IGBT。
由于觸頭10仍正在打開(或在某些情況下完全打開)，并且IGBT被截止，所以電感性負(fù)載電流被強(qiáng)制流過電壓限制裝置，例如一個(gè)MOV，用20一般表示。
MOV 20，抑弧電路16以及觸頭10兩端之間電壓增加到MOV 20的箝位電壓水平，典型為幾百伏。電壓增加導(dǎo)致從電源電壓12通過米勒電容36和FET 40產(chǎn)生附加電流。但是，因?yàn)镕ET 40導(dǎo)通，所以該附加電流不會(huì)引起IGBT 18又回到接通。此外，因?yàn)镸OV 20的箝位電壓比電源電壓12高，所以在負(fù)載14兩端之間產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓。這個(gè)負(fù)電壓引起電感性負(fù)載電流降低；此后不久，電感性負(fù)載電流降低到零。
由于電流現(xiàn)在還流過電阻器22，所以電容器36將繼續(xù)充電。當(dāng)電容器36已經(jīng)充電時(shí)，這樣通過齊納二極管38將引起FET 40的柵極-源極電容充電。當(dāng)這個(gè)充電達(dá)到齊納二極管44的擊穿電壓時(shí)，齊納二極管44開始導(dǎo)通，把FET 40的柵極-源極電壓限制在一個(gè)安全(非破壞性)水平。
由于FET 40不要求傳載相當(dāng)大直流電流或隔開充分大電壓水平，所以能這樣選擇它，即為接通FET 40而在其柵極-源極電容上所必須有的充電量相對(duì)少。因此，為了使FET 40接通，抑弧電路16只需要通過齊納38僅在短時(shí)間內(nèi)供給相對(duì)少量電流。因此，在電流開始流入電路16之后，F(xiàn)ET 40相當(dāng)快速接通；因此，由于FET 40控制IGBT 18的截止，所以IGBT18也快速截止。IGBT 18的這種快速和突然截止基本上引起所有負(fù)載電流流過MOV 20。
因此，由于負(fù)載電流實(shí)際上僅在相對(duì)短時(shí)間流過IGBT 18，并且相當(dāng)快速和突然地中斷，所以與成功斷開負(fù)載電流所必須消耗的總能量比較，IGBT 18所必須消耗的能量相對(duì)少。相對(duì)如以上討論的原有電路來說，這樣引起IGBT尺寸和費(fèi)用充分降低。從另一方面來說，MOV 20消耗大量能量，但這是可以接受的，因?yàn)榫哂羞@樣能力的MOV仍然相對(duì)便宜。
過了一段時(shí)間，由于手動(dòng)操作或電氣控制信號(hào)所引起，觸頭10可能再次閉合。當(dāng)觸頭10閉合時(shí)，重要的是那時(shí)使抑弧電路盡可能快速返回其原始操作狀態(tài)(即重新裝備)，以便它能適應(yīng)及早重新打開。對(duì)觸頭可能在初始閉合之后不久馬上又無意識(shí)地打開情形，例如在“觸頭跳動(dòng)”情況下所發(fā)生情形，這種要求特別必要。
當(dāng)觸頭10閉合時(shí)，保護(hù)電路16兩端之間電壓降到零，引起電容器36通過二極管24和電阻26放電。發(fā)生這種情況是因?yàn)殡娮?6選擇得比電阻22充分小。這個(gè)放電電流通過觸頭10流回電容器36。FET 40的柵極-源極電容還將通過齊納二極管38，二極管24，電阻26和觸頭10，返回FET40來放電。這樣引起FET 40截止。
此外，米勒電容28將通過觸頭10和齊納二極管32放電。齊納二極管32防止這個(gè)放電電流在IGBT 18的柵極-發(fā)射極部分兩端之間產(chǎn)生一個(gè)破壞性負(fù)電壓。更進(jìn)一步，IGBT 18的柵極對(duì)發(fā)射極電容將通過二極管50和觸頭10放電。
電容器36和28，以及FET 40和IGBT 18內(nèi)部電容的快速放電因此將使抑弧電路16快速返回其原始條件。這個(gè)動(dòng)作實(shí)際上“重新裝備”了保護(hù)電路，因此它準(zhǔn)備好下次觸頭10打開。因?yàn)檫@些電容以及電阻器26能夠使保護(hù)電路的電容快速放電，所以電路將非?？焖俚胤祷仄湓紶顟B(tài)。如上簡(jiǎn)單指出，這種快速重新裝備在觸頭閉合之后“觸頭跳動(dòng)”期間保護(hù)了觸頭10免受破壞性燃弧。
即使抑弧電路16不當(dāng)心反向連接在17-17，二極管52也將限制施加在抑弧電路的負(fù)電壓，保護(hù)電路中半導(dǎo)體免受破壞性電壓水平，直到認(rèn)識(shí)到連接錯(cuò)誤為止。
如上所指出，本發(fā)明電路的優(yōu)點(diǎn)之一是其保護(hù)免受電壓暫態(tài)。在觸頭10已經(jīng)打開并且通過觸頭的負(fù)載電流為零時(shí)，保護(hù)電路16兩端之間電壓等于電源電壓，即，如果用于負(fù)載的電源電壓為125伏電池，觸頭10和保護(hù)電路16兩端之間電壓也為125伏直流。如上所討論，存在這個(gè)電壓引起電流流過電阻22，齊納二極管38以及齊納二極管44，這樣保持FET 40接通，這樣又保持IGBT 18截止。在觸頭已經(jīng)打開小段時(shí)間之后，這是電路的“平衡”條件。此后在打開的觸頭10兩端之間可能產(chǎn)生的正電壓暫態(tài)將在所示電路中引起電流流過米勒電容28，至FET 40的漏極連接端。但是，選擇電阻器30的值和FET 40的接通電阻，以便大部分電流將流過FET接通電阻。因此，正電壓暫態(tài)將不會(huì)引起IGBT接通。這樣對(duì)IGBT提供保護(hù)免受因該正電壓暫態(tài)所引起的錯(cuò)誤觸發(fā)。
圖1電路還保護(hù)免受振蕩暫態(tài)，即那些包括交變正和負(fù)偏移，其振幅或快速或在幾個(gè)振蕩周期減小的暫態(tài)。保護(hù)電路16隔開這樣暫態(tài)而不使負(fù)載電流從電源電壓流過負(fù)載很重要。振蕩暫態(tài)引起某些困難，因?yàn)樨?fù)向偏移可能難以和實(shí)際觸頭10的閉合區(qū)別開，這是由于兩個(gè)事件都引起抑弧電路16兩端之間電壓快速下降。
如果抑弧電路16誤以為振蕩暫態(tài)的負(fù)部分為觸頭閉合，那么隨后正偏移將很可能激活保護(hù)電路16，并且允許電流從電壓源流過負(fù)載。振蕩暫態(tài)59的一個(gè)例子示于圖3。如圖4所示，暫態(tài)源是一個(gè)具有電源阻抗62，施加在抑弧(保護(hù))電路16兩端之間的暫態(tài)發(fā)生器60。電源電壓，負(fù)載及觸頭分別以12，14及10表示。
在振蕩暫態(tài)59的負(fù)部分期間，二極管52(圖1)對(duì)所引起的電流提供低阻抗通路，把電壓暫態(tài)的負(fù)部分有效地限幅到大約為零伏；整個(gè)暫態(tài)電壓(負(fù)部分)因此在暫態(tài)電源阻抗62兩端之間下降。
在電壓暫態(tài)59的正部分期間，二極管52對(duì)正電壓呈現(xiàn)高阻抗。在電壓暫態(tài)這個(gè)部分期間流過米勒電容36的任何電流如上所說明那樣，由FET40從IGBT 18轉(zhuǎn)變方向。因此，IGBT保持截止。觸頭10兩端之間任何電壓允許增加，直到那個(gè)電壓達(dá)到MOV 20的擊穿電壓為止。當(dāng)MOV 20開始導(dǎo)通時(shí)，它對(duì)暫態(tài)電流呈現(xiàn)低阻抗通路，因?yàn)榇蟛糠蛛妷涸陔娫醋杩?2兩端之間再次下降，所以高電壓暫態(tài)被限幅。
因此，二極管59的動(dòng)作把電壓暫態(tài)的負(fù)部分限幅到大致為零伏，而MOV 20把電壓暫態(tài)的正部分限幅到接近其擊穿電壓，該擊穿電壓例如可能為幾百伏。結(jié)果是振蕩波形不對(duì)稱，產(chǎn)生一個(gè)平均直流偏移或偏置。與負(fù)部分期間使電容器36放電比較，這個(gè)偏移直流電壓在暫態(tài)正部分期間趨于使電容器36充電更多。因此，與負(fù)部分趨于使其截止比較，正部分更趨于保持FET 40接通。因此在整個(gè)暫態(tài)期間FET 40保持接通，這樣在同樣暫態(tài)期間引起IGBT 18截止，由此防止IGBT 18錯(cuò)誤觸發(fā)。
FET 40響應(yīng)振蕩暫態(tài)的特定操作結(jié)果引起這個(gè)事實(shí)，即與正常操作期間允許接通比較，F(xiàn)ET 40允許更快截止。這樣在觸頭初始閉合之后在非?？斓挠|頭跳動(dòng)期間，提供附加保護(hù)免受燃弧。選擇二極管24和38及電阻26，以便與電阻22和齊納38的值允許電容器36和FET 40的柵極-源極電容充電比較，F(xiàn)ET 40的柵極-源極電容40和電容器28放電更快?；旧?，這是由于電阻26選擇得比電阻22小得多。由于FET 40快速截止，所以在跳動(dòng)期間電容器28和IGBT 18保護(hù)觸頭10免受燃弧。
即使具有上述保護(hù)免受各種暫態(tài)，IGBT 18仍有可能會(huì)響應(yīng)因各種未確定原因直接在IGBT 18柵極-發(fā)射極電容上發(fā)生的充電而接通。此外，充電足以引起IGBT 18接通至完全導(dǎo)通，并且另外在保護(hù)電路16兩端之間有不充足電壓，以便適當(dāng)而又快速操作IGBT截止由電阻22，電容器36，齊納二極管38和FET 40所組成的電路。因此，可能IGBT 18會(huì)繼續(xù)完全導(dǎo)通，只由泄漏電流和/或寄生電容的動(dòng)作所限制；這是不希望有的條件。但是，這種可能性由連接在IGBT 18的柵極與集電極之間的二極管50得到有效防止。
由于IGBT 18有一個(gè)固有柵極-發(fā)射極閾值電壓，在該電壓之下它將不會(huì)導(dǎo)通，并且由于二極管50使其集電極有效地箝位到一個(gè)該閾值電壓之下至少為一個(gè)二極管壓降的電壓，所以二極管50有效地防止IGBT 18的集電極-發(fā)射極電壓免于下降到IGBT 18的柵極閾值電壓之下。這樣保證不論IGBT 18怎樣接通，在保護(hù)電路16兩端之間都保持足夠電壓，以便操作IGBT截止由電阻器22，電容器36，二極管38和FET 40所組成的電路。
如上指出，在圖1電路中，元件18是一個(gè)功率晶體管。一個(gè)IGBT滿足電路及上述的操作要求。這樣IGBT的一個(gè)例子是IRGB30S，由International Rectifier制造。除IGBT外其它可能情況也許包括一個(gè)功率FET。晶體管40在本優(yōu)選實(shí)施例中以場(chǎng)效應(yīng)晶體管識(shí)別，引起IGBT 18的快速截止，這樣使IGBT 18的尺寸和費(fèi)用最小化。元件40可以是各種各樣快速動(dòng)作裝置，包括各種各樣FET，硅雙向開關(guān)，單結(jié)晶體管，或由齊納二極管觸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)可控硅。此外，保護(hù)電路16自身的固有正反饋可以用于截止IGBT 18。圖2表示這樣一種替換電路。
在圖2布置中，二極管70是一個(gè)齊納二極管。取消了圖1電路中的電阻22和齊納二極管38。一個(gè)電阻器72與齊納二極管74并聯(lián)。在操作時(shí)，當(dāng)觸頭76打開時(shí)，負(fù)載電流在觸頭周圍分路，在抑弧(保護(hù))電路75兩端之間產(chǎn)生一個(gè)電壓。這基本上與圖1電路類似。由于電阻器72中電流所引起，保護(hù)電路75兩端之間電壓緩慢增加，這樣使電容器80可以充電，這樣又引起功率晶體管(IGBT)82的集電極-柵極電壓增加。
觸頭76兩端之間電壓還將逐步增加，直到該電壓達(dá)到二極管70的擊穿電壓為止。這時(shí)，二極管70和電阻器84維持電流，并且電容器86充電。電容器86可以是一個(gè)實(shí)際元件，或可以是晶體管88(FET)的柵極-源極電容。在電容器86充電時(shí)，晶體管88稍微接通，以便IGBT 82柵極-發(fā)射極電容上的充電通過晶體管88并返回IGBT 82導(dǎo)通，以便IGBT 82開始截止。
這樣引起保護(hù)電路75兩端之間電壓增加，這樣又引起齊納二極管70和電阻器84把更多電流導(dǎo)向晶體管88的柵極，使它更激烈接通。這樣引起晶體管82更激烈截止，這樣進(jìn)一步增加保護(hù)電路兩端之間電壓。因此，一個(gè)正反饋布置提供希望的快速電路響應(yīng)，其中晶體管88的初始接通起先開始截止IGBT 82，這樣又引起晶體管88更激烈接通，結(jié)果引起晶體管82更激烈截止。IGBT 82快速截止，并且存儲(chǔ)在負(fù)載中的能量如上參考圖1所討論那樣由MOV 90消耗。齊納二極管92把晶體管88柵極電壓限制在一個(gè)安全水平。
除MOV部分外，本發(fā)明電路可以或以一個(gè)集成半導(dǎo)體，或以一個(gè)混合半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)。對(duì)兩種情況都可能允許用戶提供可以與特定負(fù)載和觸頭條件匹配的MOV，并且在某些情況下是希望的。
雖然在圖1和圖2實(shí)施例中已敘述負(fù)載為電感性負(fù)載，但是應(yīng)該理解，各種各樣能夠在電氣觸頭打開之間產(chǎn)生電弧的負(fù)載組合適合與本發(fā)明抑弧(保護(hù))電路一起使用；即在觸頭打開之后各種各樣負(fù)載可以接通保護(hù)電路。通過適當(dāng)選擇元件值，起燃觸頭之間電弧所要求的電流和電壓還將足以操作該保護(hù)電路，而與負(fù)載電壓和電流無關(guān)。
因此，已經(jīng)敘述了一種抑弧電路，它在觸頭打開時(shí)提供保護(hù)以免于在觸頭兩端之間燃弧，不會(huì)對(duì)因暫態(tài)電壓引起的錯(cuò)誤觸發(fā)或其它不希望有的動(dòng)作敏感。更進(jìn)一步，該電路在它可以與各種各樣電氣觸頭布置和結(jié)構(gòu)一起使用方面優(yōu)越。此外，單個(gè)元件值，特別是其電壓限制部分的特性，可以適應(yīng)于用戶應(yīng)用的特指電壓和電流條件。
雖然這里為了說明已經(jīng)公開了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)該理解，在不違反以下權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神下，可以對(duì)這樣實(shí)施例結(jié)合各種各樣改變，變更和替換。
權(quán)利要求
1.一種用于抑制電氣觸頭兩端之間燃弧的電路，包括一個(gè)功率晶體管，連接在觸頭兩端之間；電容裝置，連接在觸頭與功率晶體管之間，但是不直接連接在觸頭兩端之間，當(dāng)觸頭開始打開時(shí)其足以使功率晶體管快速接通，在觸頭周圍提供一個(gè)電流通路，由此防止觸頭兩端之間燃??；在觸頭足夠分開之后用于截止功率晶體管以便防止燃弧的裝置；以及電壓限制裝置，把由功率晶體管截止所引起的任何回掃電壓限制在一個(gè)選擇水平。
2.權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其中功率晶體管是一個(gè)絕緣柵雙極結(jié)晶體管。
3.權(quán)利要求1的一種設(shè)備，包括一個(gè)第二晶體管，以這樣方式連接在功率晶體管上，即在觸頭打開之后在抑弧電路兩端之間電壓增加時(shí)，該第二晶體管接通，引起功率晶體管快速截止，以便在觸頭打開之后只有相對(duì)少部分負(fù)載能量由功率晶體管消耗。
4.權(quán)利要求1的一種設(shè)備，包括用來把功率晶體管柵極部分上電壓限制在一個(gè)安全水平的裝置。
5.權(quán)利要求4的一種設(shè)備，其中所述限制裝置是一個(gè)齊納二極管，連接在功率晶體管柵極部分與其發(fā)射極部分之間。
6.權(quán)利要求3的一種設(shè)備，包括電阻裝置，連接在功率晶體管柵極部分與第二晶體管之間，用于防止功率晶體管的振蕩。
7.權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其中電壓限制裝置包括一個(gè)電壓箝位元件，與觸頭并聯(lián)連接在抑弧電路兩端之間。
8.權(quán)利要求7的一種設(shè)備，其中電壓箝位元件是一個(gè)金屬氧化物可變電阻。
9.權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其中電容裝置包括一個(gè)連接在功率晶體管集電極部分與柵極部分之間的電容器，其中功率晶體管的集電極部分連接在一個(gè)觸頭上，并且其中通過所述電容器和功率晶體管柵極-發(fā)射極電容的總充電足以接通功率晶體管，而充電所產(chǎn)生的電壓增加不足以起燃觸頭兩端之間電弧。
10.權(quán)利要求9的一種設(shè)備，包括用于使所述電容裝置放電的裝置，以便電路在觸頭閉合然后又打開之后準(zhǔn)備好再次操作。
11.權(quán)利要求6的一種設(shè)備，其中第二晶體管和電阻裝置的所述電阻限定一個(gè)分流器，以便在功率晶體管已經(jīng)截止之后只有極少量電流傳到它的柵極部分，由此防止功率晶體管的錯(cuò)誤觸發(fā)。
12.權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其中負(fù)載主要為電感性。
13.權(quán)利要求1的一種設(shè)備，包括一個(gè)二極管，連接在抑弧電路與觸頭兩端之間，以對(duì)施加在觸頭兩端之間的負(fù)電壓提供一個(gè)低阻抗通路。
14.權(quán)利要求1的一種設(shè)備，包括齊納二極管裝置，連接在第二晶體管柵極部分與其源極部分之間。
15.權(quán)利要求1的一種設(shè)備，包括一個(gè)二極管，連接在功率晶體管柵極部分與集電極部分之間，以便防止其集電極-發(fā)射極電壓免于降低到一個(gè)柵極閾值電壓水平之下。
16.權(quán)利要求3的一種設(shè)備，包括一個(gè)齊納二極管和一個(gè)電容器的串聯(lián)連接，連接在第二晶體管與一個(gè)觸頭之間，一個(gè)第一電阻裝置，連接在(1)齊納二極管和電容器的連接點(diǎn)與(2)另一個(gè)觸頭之間，以及一個(gè)二極管和一個(gè)第二電阻裝置的串聯(lián)連接，連接在所述連接點(diǎn)與所述另一個(gè)觸頭之間，其中所述第二電阻裝置比所述第一電阻裝置充分小。
17.一種用于抑制電氣觸頭兩端之間燃弧的電路，包括一個(gè)功率晶體管，連接在觸頭兩端之間；電容裝置，連接在觸頭與功率晶體管之間，但是不直接連接在觸頭兩端之間，當(dāng)觸頭開始打開時(shí)其足以使功率晶體管快速接通，在觸頭周圍提供一個(gè)電流通路，由此防止觸頭兩端之間燃??；以及在觸頭足夠分開之后用于截止功率晶體管以便防止燃弧的裝置，其中該電路與一個(gè)電壓限制裝置一起使用，以便把由功率晶體管截止所引起的任何回掃電壓限制在一個(gè)選擇水平。
18.權(quán)利要求17的一種設(shè)備，包括一個(gè)第二晶體管，以這樣方式連接在功率晶體管上，即在觸頭打開之后在抑弧電路兩端之間電壓增加時(shí)，該第二晶體管接通，引起功率晶體管快速截止，以便在觸頭打開之后只有相對(duì)少部分負(fù)載能量由功率晶體管消耗。
19.權(quán)利要求17的一種設(shè)備，包括用來把功率晶體管柵極部分上電壓限制在一個(gè)安全水平的裝置，其中所述限制裝置是一個(gè)齊納二極管，連接在功率晶體管上柵極部分與其發(fā)射極部分之間。
20.權(quán)利要求18的一種設(shè)備，包括電阻裝置，連接在功率晶體管柵極部分與第二電阻器之間，用于防止功率晶體管的振蕩。
21.權(quán)利要求17的一種設(shè)備，其中電容裝置包括一個(gè)連接在功率晶體管集電極部分與柵極部分之間的電容器，其中功率晶體管的集電極部分連接在一個(gè)觸頭上，并且其中通過所述電容器和功率晶體管柵極-發(fā)射極結(jié)的電容的總充電足以接通功率晶體管，而充電所產(chǎn)生的電壓增加不足以起燃觸頭兩端之間的電弧。
22.權(quán)利要求21的一種設(shè)備，包括用于使所述電容裝置放電的裝置，以便電路在觸頭閉合然后又打開之后準(zhǔn)備好再次操作。
23.權(quán)利要求20的一種設(shè)備，其中第二晶體管和電阻裝置的所述電阻限定一個(gè)分流器，以便在功率晶體管已經(jīng)截止之后只有極少量電流傳到其柵極部分，由此防止功率晶體管的錯(cuò)誤觸發(fā)。
24.權(quán)利要求17的一種設(shè)備，包括一個(gè)二極管，連接在抑弧電路與觸頭之間，以便對(duì)施加在觸頭兩端之間的負(fù)電壓提供一個(gè)低阻抗通路。
25.權(quán)利要求17的一種設(shè)備，包括一個(gè)二極管，連接在功率晶體管柵極部分與集電極部分之間，以便防止其集電極-發(fā)射極電壓免于降低到一個(gè)柵極閾值電壓水平之下。
全文摘要
本抑弧電路包括一個(gè)絕緣柵雙極結(jié)晶體管(IGBT),連接在待保護(hù)電氣開關(guān)觸頭兩端之間。當(dāng)觸頭打開時(shí),附加的米勒電容和IGBT柵極-發(fā)射極電容的組合引起IGBT接通。此后IGBT由一個(gè)第二晶體管快速截止,在IGBT截止之后在抑弧電路兩端之間電壓增加時(shí)該第二晶體管接通。第二晶體管接通引起第一功率晶體管快速和突然截止,以便相對(duì)少量負(fù)載能量消耗在功率晶體管中。
文檔編號(hào)H01H9/54GK1170214SQ9711099
公開日1998年1月14日 申請(qǐng)日期1997年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月29日
發(fā)明者托尼·J·李 申請(qǐng)人:斯維則工程實(shí)驗(yàn)室公司