專利名稱：過電流保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到電路的過電流保護(hù)。PTC電路保護(hù)器件是公知的器件。這種器件和負(fù)載是串聯(lián)布置的，在正常操作狀態(tài)下處在一種低溫、低電阻的狀態(tài)。然而，如果通過PTC器件的電流急劇增加，以及/或者PTC器件周圍的環(huán)境溫度急劇地上升，以及/或是正常操作電流的維持時間超過了正常操作時間，PTC器件就會被“斷路(trip)”，即轉(zhuǎn)換到一種高溫、高電阻狀態(tài)，從而使電流明顯地下降。即使是電流和/或溫度恢復(fù)到其正常的水平，這種PTC器件通常仍會維持在斷路狀態(tài)，直到PTC器件從電源上斷開并且冷卻時為止。實(shí)用的PTC器件包含一個由PTC導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的PTC元件，它是一種由(1)有機(jī)聚合物和(2)分散或是分布在聚合物中的一種顆粒狀導(dǎo)電填料最好是碳黑構(gòu)成的合成物。例如，在美國專利US4237441，4238812，4315237，4317027，4426633，4545926，4689475，4724417，4774024，4780598，4800253，4845838，4857880，4859836，4907340，4924074，4935156，4967176，5049850，5089801以及5378407號中說明了這種PTC導(dǎo)電聚合物以及包含這種聚合物的PTC器件。
通常使用的PTC保護(hù)器件受到一種限制，如果過電流比較小，例如僅有正常電路電流的幾倍，PTC器件有可能需要較長的時間才能轉(zhuǎn)變到斷路狀態(tài)。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新式的過電流保護(hù)系統(tǒng)，它可以對造成負(fù)載上電壓降低的過電流作出快速響應(yīng)等，例如使負(fù)載部分或是完全短路，并且特別適合在過電流比較小時為電路提供保護(hù)。在這種新式系統(tǒng)中，控制元件與負(fù)載是并聯(lián)布置的。因此，當(dāng)負(fù)載兩端的電壓下降時，控制元件兩端的電壓也會下降。控制元件被功能性地連接到一個與負(fù)載串聯(lián)的斷路元件，當(dāng)控制元件兩端的電壓下降時使斷路元件從一種相對導(dǎo)電的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到一種相對不導(dǎo)電的狀態(tài)(包括完全打開的狀態(tài))。該系統(tǒng)還包括一個與斷路元件并聯(lián)的旁路元件。在電路剛剛接通時需要這一旁路元件，電流可以通過它流入電路并且激勵控制元件，然后由控制元件將斷路元件轉(zhuǎn)換到相對導(dǎo)電狀態(tài)。然而，旁路元件必須是這樣的，當(dāng)斷路元件由于故障而被轉(zhuǎn)換到相對不導(dǎo)電狀態(tài)時，通過旁路元件的電流可以改變旁路元件，在控制元件兩端保持足夠低的電壓，以便將斷路元件維持在相對不導(dǎo)電狀態(tài)。
按照一種較佳方案，本發(fā)明提供了一種電氣系統(tǒng)，它可以連接在電源和電氣負(fù)載之間構(gòu)成一個工作電路，這種連接方式可以保護(hù)電路防止過電流，該系統(tǒng)包括a.在工作電路中串聯(lián)連接在電源和電氣負(fù)載之間的一個斷路元件，它具有(1)一種閉合狀態(tài)，允許一個正常電流INORMAL流過斷路元件，以及(2)一種打開狀態(tài)，只允許一個明顯小于INORMAL的小電流流過斷路元件；b.在工作電路中與負(fù)載并聯(lián)連接的一個控制元件，該控制元件(1)(i)當(dāng)控制元件兩端的電壓是正常電壓VNORMAL時，它處在接通狀態(tài)，并且(ii)當(dāng)控制元件兩端的電壓下降到一個值VFAULT或以下時，就轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)；并且(2)被功能性地連接到斷路元件，因此，當(dāng)控制元件處在開狀態(tài)時，斷路元件就處在閉合狀態(tài)，而當(dāng)控制元件處在關(guān)狀態(tài)時，斷路元件處在打開狀態(tài)；以及c.一個旁路元件，該元件(1)與斷路元件并聯(lián)連接，并且(2)具有(i)一種起動狀態(tài)，即如果斷路元件處在故障狀態(tài)，并且在旁路元件中通過一個電流INORMAL，控制元件兩端的電壓就會大于VFAULT，以及(ii)一種停止?fàn)顟B(tài)，即如果斷路元件由于控制元件兩端的電壓降到了一個值VFAULT以下而進(jìn)入故障狀態(tài)，通過旁路元件的電流就會使控制元件兩端的電壓保持在VFAULT以下的值。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中1.斷路元件是繼電器的一組常開接點(diǎn)，而控制元件是一個繼電器線圈，在受到激勵時，使繼電器的接點(diǎn)閉合，并且在去除激勵時使接點(diǎn)打開。
2.斷路元件是一個場效應(yīng)晶體管(FET)，它(i)包括柵極，源極和漏極，(ii)當(dāng)FET的柵極電壓是正常柵極電壓時，允許通過正常的電路電流INORMAL，并且(iii)當(dāng)FET的柵極電壓下降到正常柵極電壓以下的一個預(yù)定的柵極電壓值時，就切換到最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流通過。
3.旁路元件是一個PTC器件，最好是一個聚合物PTC器件。
在綜合了上述特征(1)和(3)的系統(tǒng)中，在電路正常工作期間，繼電器線圈受到激勵，其接點(diǎn)閉合。在欠電壓的情況下，繼電器線圈釋放，其接點(diǎn)打開。電流被分流到PTC器件，使其跳到高電阻狀態(tài)。在PTC器件和機(jī)械式接點(diǎn)的組合中允許使用其額定值是斷開過電流的接點(diǎn)，但是其額定電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常電路電壓。這種組合還允許使用斷路電流的額定值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常電路電流的PTC器件。
在綜合了上述特征(2)和(3)的系統(tǒng)中，一個場效應(yīng)晶體管(FET)或是其他固體開關(guān)與PTC器件并聯(lián)連接，并且將這種并聯(lián)組合串聯(lián)連接在被保護(hù)電路的線路中。一個分壓電路或是其他電壓檢測器件被跨接在負(fù)載兩端。分壓電路控制FET的柵極電壓。在電路正常工作時，F(xiàn)ET的柵極電壓將FET偏置到導(dǎo)通狀態(tài)。在欠電壓的情況下，F(xiàn)ET關(guān)斷，將電流分流到PTC。這樣就會使PTC跳到高電阻狀態(tài)。固體開關(guān)的結(jié)構(gòu)與繼電器結(jié)構(gòu)相比有一個優(yōu)點(diǎn)，那就是可以選擇比繼電器線圈的阻抗高得多的分壓器，它消耗的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于繼電器線圈所消耗的功率。固體開關(guān)的其他優(yōu)點(diǎn)是壽命長，價格低，并且尺寸小。


圖1中表示的五個功能性元件是電源102，控制元件104，旁路元件106，遮斷元件108，以及負(fù)載112。電源102向電路提供電源，負(fù)載112執(zhí)行電路的具體功能?？刂圃?，旁路元件和遮斷元件協(xié)同完成過電流保護(hù)的工作。
圖2表示一個電路20，它包括電源12，電源阻抗13，開關(guān)15，負(fù)載8，以及一個過電流保護(hù)系統(tǒng)10。過電流保護(hù)系統(tǒng)10包括由繼電器的一組常開接點(diǎn)2構(gòu)成的遮斷元件，與繼電器接點(diǎn)并聯(lián)連接的PTC器件4，以及并聯(lián)連接在負(fù)載8兩端的一個電壓檢測繼電器線圈6。在正常工作中，開關(guān)15閉合，連接電源12，繼電器接點(diǎn)2最初是打開的，但是繼電器線圈6被通過PTC器件4的電流激勵，從而使繼電器接點(diǎn)2閉合。當(dāng)繼電器接點(diǎn)2閉合時，PTC器件4不再通過正常的電路電流。如果在負(fù)載8內(nèi)發(fā)生短路，電路20中的電流就會增大，而負(fù)載8和繼電器線圈6兩端的電壓會下降，使釋放繼電器線圈6，并且打開繼電器接點(diǎn)2。這樣，過電流就會通過PTC器件4，使其跳到高電阻狀態(tài)，并且使電流下降到安全的水平。
PTC器件4的保持電流與電路中的正常電流相比通常是比較低的。例如在所述的電路20中，在90伏時的正常負(fù)載電流是15安培；繼電器線圈6在60伏時被激勵，在40伏時釋放，而PTC器件4的保持電流是1安培。在剛剛接通電源時，PTC器件4在幾毫秒內(nèi)通過15安培電流，直到繼電器線圈6被激勵。PTC器件4在這樣短的時間內(nèi)不會斷路。當(dāng)繼電器線圈6受到激勵時，繼電器接點(diǎn)2閉合，“從電路中去掉”PTC器件。如果在負(fù)載8上出現(xiàn)短路，并且電流達(dá)到30安培左右，繼電器線圈6兩端的電壓就會接近零，而繼電器接點(diǎn)就會打開，將1安培的PTC器件4接入30安培的電路。此時，PTC器件4會跳到高電阻狀態(tài)，并且使電流降到一個很小的值。
由于與繼電器接點(diǎn)2并聯(lián)的PTC器件4的存在，可以使用額定值是正常電路電流的繼電器接點(diǎn)2，并且可以在低于正常供電電壓的電壓下遮斷最大過電流。如果PTC器件4在低電阻狀態(tài)下的電阻是RPTCLOW，負(fù)載8短路時在電路20中出現(xiàn)的最大過電流是IMAX OVERCURRENT，繼電器接頭2的額定就是在小于RPTC LOW×IMAX OVERCURRENT的電壓下遮斷IMAX OVERCURRENT。
圖3表示一個與圖2的電路20相似的電路20′，其區(qū)別是保護(hù)系統(tǒng)10′中包括連接在繼電器線圈6的連線和負(fù)載8的連線之間的第二組繼電器接點(diǎn)3。與接點(diǎn)2一樣，繼電器接點(diǎn)3是一個由繼電器線圈6來控制的常開接點(diǎn)。本實(shí)施例具有以下的優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)之一是第二組接點(diǎn)3可以在過電流時將負(fù)載8與電源12隔離。另一個優(yōu)點(diǎn)是，在剛剛接通電源時，負(fù)載8沒有接在電路中，通過PTC器件4的電流僅是繼電器線圈6吸收的電流。此外，第二組接點(diǎn)3不需要在提供電路電壓時遮斷最大過電流。因此，如果PTC器件4具有高電阻狀態(tài)的電阻RPTC HIGH，電路20′的供電電壓是VAPPLIED，第二組繼電器接點(diǎn)3的額定僅僅需要能夠在VAPPLIED下遮斷一個小于VAPPLIED/RPTC HIGH的電流IINTERRUPT。在繼電器線圈6被釋放時，可以令兩組繼電器接點(diǎn)2，3同時動作，或是讓第二組繼電器接點(diǎn)3延遲動作。
在圖2和3所示的過電流保護(hù)結(jié)構(gòu)10和10′中，繼電器線圈6在正常工作期間是受到持續(xù)激勵的，因而會不斷地從電源12吸收功率。在圖5的電路40中用固體器件代替了繼電器。由例如場效應(yīng)晶體管(FET)14的一個固體開關(guān)構(gòu)成的這一固體系統(tǒng)30連接在電路40的線路中，代替了繼電器線圈6和繼電器接頭2，F(xiàn)ET14的柵極被連接到一個分壓器22。分壓器22包括與負(fù)載8并聯(lián)連接的串聯(lián)連接的電阻16，18。這一固體結(jié)構(gòu)30的基本功能與圖1中的過電流保護(hù)結(jié)構(gòu)10是相同的。在接通電源時，F(xiàn)ET14最初是關(guān)斷的，直到通過PTC器件4的電流在負(fù)載8和分壓器22兩端形成電壓時為止。出現(xiàn)在FET14柵極上的電壓使FET14導(dǎo)通，從而使電流在電路40中流動。如果負(fù)載8發(fā)生短路，在分壓器22兩端的欠電壓就會使FET14關(guān)斷。然后，電流被分流到PTC器件4，使其跳到高電阻狀態(tài)。在FET14和PTC器件4的這種組合中，允許使用額定在一個明顯小于正常電路電壓的電壓下切斷過電流的FET14。
與繼電器過電流保護(hù)結(jié)構(gòu)10相比，固體結(jié)構(gòu)30的優(yōu)點(diǎn)是可以選擇兩個電阻16，18的電阻值，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于繼電器線圈6的阻抗，這樣，其功率消耗就會比繼電器線圈6小得多。固體結(jié)構(gòu)30的其他優(yōu)點(diǎn)是壽命長，價格低，并且尺寸小。其他的固體開關(guān)器件，例如雙極晶體管，三端雙向可控硅開關(guān)元件，以及可控硅整流器也可以用來代替這種FET。
權(quán)利要求
1.一種電氣保護(hù)系統(tǒng)，它可以連接在電源和電氣負(fù)載之間構(gòu)成一個工作電路，這種連接方式可以保護(hù)電路防止過電流，該系統(tǒng)包括a.在工作電路中串聯(lián)連接在電源和電氣負(fù)載之間的一個斷路元件，它具有(1)一種閉合狀態(tài)，允許一個正常電流INORMAL流過該斷路元件，以及(2)一種打開狀態(tài)，只允許一個明顯小于INORMAL的小電流流過該斷路元件；b.在工作電路中與該負(fù)載并聯(lián)連接的一個控制元件，該控制元件(1)(i)當(dāng)控制元件兩端的電壓是正常電壓VNORMAL時，它處在接通狀態(tài)，并且(ii)當(dāng)控制元件兩端的電壓下降到一個值VFAULT或以下時，就轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)；并且(2)被功能性地連接到斷路元件，因此，當(dāng)控制元件處在接通狀態(tài)時，斷路元件就處在閉合狀態(tài)，而當(dāng)控制元件處在斷開狀態(tài)時，斷路元件處在打開狀態(tài)；以及c.一個旁路元件，該元件(1)與該斷路元件并聯(lián)連接，并且(2)具有(i)一種起動狀態(tài)，使得如果該斷路元件處在故障狀態(tài)，并且在旁路元件中通過一個電流INORMAL，控制元件兩端的電壓就會大于VFAULT，以及(ii)一種停止?fàn)顟B(tài)，使得如果該斷路元件由于控制元件兩端的電壓降到了一個值VFAULT或以下而進(jìn)入故障狀態(tài)，通過旁路元件的電流就會使控制元件兩端的電壓保持在VFAULT或以下的值。
2.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是a.該控制元件包括一個繼電器線圈，該線圈(1)在該繼電器線圈兩端的電壓是VNORMAL時被激勵，并且(2)當(dāng)該繼電器線圈兩端的電壓降到一個值VFAULT或以下時被釋放；并且b.該斷路元件包括一組與該繼電器線圈耦合的繼電器接點(diǎn)，并且(1)在該繼電器線圈被激勵時被閉合，并且(2)在該繼電器線圈釋放時被打開。
3.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征是a.該斷路元件包括一個場效應(yīng)晶體管(FET)，它(1)包括柵極，源極和漏極，(2)當(dāng)該FET的柵極電壓是正常柵極電壓時，允許通過正常的電路電流INORMAL，并且(3)當(dāng)該FET的柵極電壓下降到正常柵極電壓以下的一個預(yù)定的柵極電壓值時，就切換成最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流通過；以及b.該控制元件包括一個分壓器，用來確定該FET的柵極電壓。
4.按照權(quán)利要求1至3之一的系統(tǒng)，其特征是該旁路元件是一個PTC器件。
5.按照權(quán)利要求1至4之一的系統(tǒng)，其特征是該旁路元件是一個聚合物PTC器件。
6.按照權(quán)利要求1至5之一的系統(tǒng)，其特征是包括一個第二斷路元件，它在工作電路中與負(fù)載串聯(lián)連接在該負(fù)載和該控制元件之間，并且a.具有(1)一種閉合狀態(tài)，允許一個正常電流INORMAL流過該負(fù)載，以及(2)一種打開狀態(tài)，最多只允許一個明顯小于INORMAL的小電流流過負(fù)載；并且b.當(dāng)該控制元件處在接通狀態(tài)時，它處在上述閉合狀態(tài)，并且，在該控制元件處于斷開狀態(tài)時，它處在上述打開狀態(tài)。
7.一種電路，其特征是包括一個電源，一個負(fù)載，以及權(quán)利要求1至6之一所述的電氣保護(hù)系統(tǒng)。
全文摘要
可以對過電流作出快速響應(yīng)的一種過電流保護(hù)系統(tǒng),該過電流可以降低負(fù)載上的電壓,例如由于負(fù)載部分或完全短路,并且特別適合在過電流比較小時為電路提供保護(hù)。如圖1和圖2中所示,該系統(tǒng)包括:一個斷路元件(108,2),它在工作電路中被串聯(lián)連接在電源(102,12)和電氣負(fù)載(112,8)之間,并且具有一種閉合狀態(tài),允許正常的電流I
文檔編號H02H9/02GK1201561SQ96197969
公開日1998年12月9日 申請日期1996年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月14日
發(fā)明者H·達(dá)菲, B·湯馬斯 申請人:雷伊化學(xué)公司