用于保护多条直流或交流电源线的浪涌保护装置的制作方法

用于保护多条直流或交流电源线的浪涌保护装置
相关申请
1.本技术主张2019年5月13日提交的临时申请号为62/847,005的美国临时申请的利益，通过引用将其完全并入本技术。
技术领域
2.本发明一般涉及直流和交流电力系统中的电压浪涌保护领域，更具体地，涉及用于保护多条直流(dc)或交流(ac)电源线的浪涌保护装置的电路布置。


背景技术：

3.随着低压直流(dc)在太阳能、数据中心、电动汽车充电站、供暖和空调系统以及许多住宅电力系统等应用中的普及，对电涌保护的需求日益增加，以适当保护此类设备免受电涌的影响。电涌(也称为“电压浪涌”或“瞬态电压”)是一种电瞬态，是指当有突然的电荷耦合到电路中时，施加在正常电力系统上的短时间高能脉冲。无论是住宅、商业建筑、太阳能电池板还是工业设施，电涌都可能来自包括安装位置的内部和外部的各种来源。
4.提供浪涌保护的装置是浪涌保护装置(surge protection device)或更通常称为spd。spd通常是为交流或直流应用而设计的。
5.吸收和传递spd内部电压浪涌的部件通常称为浪涌元件。浪涌元件包括但不限于金属氧化物压敏电阻器(mov)、瞬态电压抑制器(tvs)二极管、晶闸管浪涌保护装置(tspd)、气体放电管(gdt)和火花隙过电压抑制器。每个spd可包括以串联、并联或串联/并联组合的方式连接的多个浪涌元件，以实现spd的特定浪涌额定值。
6.图1是电路图，示出了设计用于保护具有多条直流电源线的直流电源系统的示例性现有技术spd10。在该现有技术spd的示意性实施例中，浪涌元件14采用mov(金属氧化物压敏电阻器)的形式。然而，应当理解，现有技术spd的浪涌元件可以采取其他形式。五条直流电源线(l1-l5)之间共用负电位(n)。五条直流电源线与接地(g)绝缘。五个浪涌元件14中的每一个都有各自的状态输出16，用于指示各自的浪涌元件是否发生故障。spd10还包括用于输出指示spd10状态的外部报警信号的报警电路25。五个浪涌元件14的状态输出16由报警电路25相加。如果状态输出16的总和指示一个或多个浪涌元件14发生故障(即发生浪涌情况)，则报警电路25通过切换报警输出提供报警信号。在所示示例中，报警电路25具有常开(no)端子、常闭(nc)端子和用于与外部电路连接的公共(com)端子。
7.现有技术spd的缺点之一是在每个直流电源线(l1-l5)和负电位(n)之间分别需要单独的浪涌元件，并且在负电位(n)和接地电位(g)之间需要单独的浪涌元件。因此，spd10总共需要六个浪涌元件14，以保护具有5条直流电源线的直流电源系统。由于需要大量浪涌元件，因此spd的制造成本很高，并且用于spd的外壳内部需要大量空间。
8.针对设计成用于多线、多相交流电力系统保护的交流应用的现有spd，设计用于直流应用的spd也存在上述缺陷。
9.本发明克服了现有技术spd的这些和其他缺点，提供了一种spd，该spd具有数量较
少的浪涌元件，用于保护多线直流和交流电力系统。


技术实现要素：

10.根据本发明，提供了一种浪涌保护装置，包括：多个电源线输入；负电位或中性点输入；接地电位输入；具有一个或多个浪涌元件的浪涌保护部件；一种整流电路，包括多个二极管，其中所述整流电路连接在所述输入和浪涌保护部件之间。
11.根据本发明的另一方面，提供了一种浪涌保护装置，包括：多个交流多相线输入；中性点输入；接地电位输入；多个浪涌保护部件，每个浪涌保护部件具有一个或多个浪涌元件；以及包括多个二极管的整流电路，其中所述整流电路连接在所述线路输入和浪涌保护部件之间。
12.本发明的优点是提供了一种spd，该spd需要较少的浪涌元件来保护多条直流或交流电源线。
13.本发明的另一个优点是提供了一种能够以较低成本制造的spd。
14.本发明的另一个优点是提供了一种可最小化spd外壳空间需求的spd。
15.本发明的另一个优点是提供了一种spd，该spd可以用较少的电路来实现，以指示spd的状态状况。
16.从以下结合附图对所示实施例和所附权利要求的描述中，这些和其他优点将变得显而易见。
附图说明
17.本发明可以在某些部分和部分的布置中采用物理形式，其实施例将在说明书中详细描述，并在构成本发明一部分的附图中说明，其中：
18.图1是示出用于保护具有五条直流电源线的直流电源系统的示例性现有技术spd的电路图；
19.图2是示出根据本发明第一实施例的spd的电路图，其被配置用于保护直流电源系统免受正电压浪涌的影响，其中直流电源系统由多条直流电源线组成；
20.图3示出了图2所示的直流电源线和负电位n之间的正电压浪涌的spd的电流流动；
21.图4示出了图2所示的直流电源线和接地电位g之间的正电压浪涌的spd的电流流动；
22.图5是示出根据本发明第二实施例的spd的电路图，其被配置用于保护直流电源系统免受负电压浪涌的影响，其中直流电源系统由多条直流电源线组成；
23.图6示出了图5所示的直流电源线和负电位n之间的负电压浪涌的spd的电流流动；
24.图7示出了图5所示的直流电源线和接地电位g之间的负电压浪涌的spd的电流流动；
25.图8是示出根据本发明第三实施例的spd的电路图，其被配置用于保护直流电源系统免受正电压浪涌和负电压浪涌的影响，其中直流电源系统由多条直流电源线组成；
26.图9示出了图8所示的直流电源线和负电位n之间的正电压浪涌的spd的电流流动；
27.图10示出了图8所示的直流电源线和接地电位g之间的正电压浪涌的spd的电流流动；
28.图11示出了图8所示的直流电源线和负电位n之间的负电压浪涌的spd的电流流动；
29.图12示出了图8所示的直流电源线和接地电位g之间的负电压浪涌的spd的电流流动；
30.图13是示出根据本发明第四实施例的spd的电路图，其配置用于保护交流电源系统免受正电压浪涌和负电压浪涌的影响，其中交流电源系统由多条交流电源线组成，其中显示了交流电源线和中性点n之间正电压浪涌的电流流动；
31.图14示出了图13所示的交流电源线和中性点n之间的负电压浪涌的spd的电流流动；
32.图15示出了图13所示的两条交流电源线之间的正电压浪涌的spd的电流流动；和
33.图16示出了图13所示的交流电源线和接地之间的负电压浪涌的spd的电流流动。
具体实施方式
34.现在参考附图，其中展示仅用于说明本发明实施例而非限制本发明实施例，图2是说明根据本发明第一实施例的spd30a的电路图，配置为保护具有多条dc电源线的dc电源系统。在本发明的图示实施例中，spd30a配置为保护具有多达五条dc电源线的dc电源系统。应当理解，本发明的spd30a可替代地配置为保护大于或小于五条dc电源线。
35.如图所示，spd30a通常由以下组成：用于(i)dc电源线l1-l5、(ii)负电位n和(iii)接地电位g的输入；整流电路40；具有状态输出36的浪涌保护部件34；以及报警电路45。spd30a适于处理正电压浪涌。
36.整流电路40由与spd30a的输入相关联的多个二极管组成。二极管的阳极和阴极端子的定向使得spd30a适于提供正电压浪涌保护。
37.浪涌保护部件34由一个或多个浪涌元件组成。在所示实施例中，浪涌元件采用单个金属氧化物压敏电阻器(mov)的形式。然而，应当理解，浪涌保护部件34的浪涌元件可以采取其他形式，包括但不限于瞬态电压抑制器(tvs)二极管、晶闸管浪涌保护装置(tspd)、气体放电管(gdt)、火花隙过电压抑制器等。应当理解，浪涌保护部件34可以由以串联、并联或串联/并联组合的方式连接的多个浪涌元件组成，以实现特定的浪涌额定值。
38.在spd30a的操作中，整流电路40的二极管将高于浪涌保护部件34的开启阈值的过压电流引导至其一个或多个浪涌元件。
39.在所示实施例中，报警电路45配置有常闭(nc)、公共和常开(no)输出，用于与远程状态指示器连接，远程状态指示器用于提供视觉和/或声音报警，以提醒用户浪涌事件。
40.现在参考图3，显示了响应于第一dc电源线(l1)和负电位n之间的正电压浪涌的spd30a中的电流流动。沿路径a-b-c-d的电流流动如箭头所示。类似地，图4显示了响应于第一dc电源线(l1)和接地电位g之间的正电压浪涌的spd30a中的电流流动。沿路径a-b-c-d的电流流动如箭头所示。
41.图5示出了根据本发明第二实施例的spd30b。如图所示，spd30b通常由以下组成：用于dc电源线l1-l5、负电位n和接地电位g的输入；整流电路50；具有状态输出36的浪涌保护部件34；以及报警电路45。
42.整流电路50由与spd30b的输入相关联的多个二极管组成。整流电路50的二极管的
阳极和阴极端子的方向相对于整流电路40的二极管的阳极和阴极端子的方向相反，使得spd30b适于提供免受负电压浪涌影响的保护。spd30b的其余元件与上述spd30a的元件相同，因此具有相同的附图标记。
43.在spd30b的操作中，整流电路50的二极管将高于浪涌保护部件34的开启阈值的过压电流引导至其一个或多个浪涌元件。
44.现在参考图6，显示了响应于第一dc电源线(l1)和负电位n之间的负电压浪涌的spd30b中的电流流动。沿路径a-b-c-d的电流流动如箭头所示。类似地，图7示出了响应于第一dc电源线(l1)和接地电位g之间的负电压浪涌的spd30b中的电流流动。沿路径a-b-c-d的电流流动如箭头所示。
45.图8示出了根据本发明第三实施例的spd30c。如图所示，spd30c通常由以下组成：用于dc电源线l1-l5、负电位n和接地电位g的输入；整流电路60；具有状态输出36的浪涌保护部件34；以及报警电路45。
46.整流电路60由与spd30c的输入相关联的多个二极管组成。整流电路60的二极管的布置使得spd30b适于提供免受正电压浪涌和负电压浪涌影响的保护。spd30c的其余元件与上述spd30a和30b的元件相同，因此具有相同的附图标记。
47.在spd30c的操作中，整流电路60的二极管将高于浪涌保护部件34的开启阈值的过压电流引导至其一个或多个浪涌元件。
48.现在参考图9，示出了响应于第一dc电源线(l1)和负电位n之间的正电压浪涌的spd30c中的电流流动。沿路径a-b-c-d-e的电流流动如箭头所示。类似地，图10示出了响应于第一dc电源线(l1)和接地电位g之间的正电压浪涌的spd30c中的电流流动。沿路径a-b-c-d的电流流动如箭头所示。
49.现在参考图11，示出了响应于第一dc电源线(l1)和负电位n之间的负电压浪涌的spd30c中的电流流动。沿路径a-b-c-d-e-f的电流流动如箭头所示。类似地，图12示出了响应于第一dc电源线(l1)和接地电位g之间的负电压浪涌的spd30c中的电流流动。沿路径a-b-c-d-e-f的电流流动用箭头表示。
50.尽管本发明已在上文中结合多条dc电源线的保护进行了描述，但本发明也适用于ac电源系统的保护。在图13-16所示的本发明实施例中，示出了ac多线、多相系统。
51.图13是示出根据本发明第四实施例的spd130的电路图，其配置用于保护具有多条ac电源线的多线ac电源系统。在本发明的图示实施例中，spd130配置为保护具有三条ac电源线的多相ac电源系统。应了解，本发明的spd130可替代地配置为保护大于或小于三条ac电源线。
52.如图所示，spd130通常由以下组成：用于(i)ac电源线l1-l3、(ii)接地电位g和(iii)中性点n的输入；整流电路70；具有各自的状态输出36的浪涌保护部件34a、34b和34c；以及报警电路45。spd130适于处理正电压浪涌和负电压浪涌。
53.整流电路70由与spd130的l1、l2、l3和g相关联的多个二极管组成。二极管的阳极和阴极端子被定向，使得spd130适于提供免受正电压浪涌和负电压浪涌影响的保护。
54.每个浪涌保护部件34a、34b、34c由一个或多个浪涌元件组成。在所示实施例中，浪涌元件采用单个金属氧化物压敏电阻器(mov)的形式。然而，应当理解，浪涌保护部件34a、34b、34c的浪涌元件可以采取其他形式，包括但不限于瞬态电压抑制器(tvs)二极管、晶闸
管浪涌保护装置(tspd)、气体放电管(gdt)、火花隙过电压抑制器等。应当理解，每个浪涌保护部件34a、34b、34c可以由以串联、并联或串联/并联组合的方式连接的多个浪涌元件组成，以实现特定的浪涌额定值。
55.在spd130的操作中，整流电路70的二极管将高于浪涌保护部件34a、34b、34c的开启阈值的过压电流引导至其一个或多个浪涌元件。
56.在所示实施例中，报警电路45配置有常闭(nc)、公共和常开(no)输出，用于与远程状态指示器连接，远程状态指示器用于提供视觉和/或声音报警，以提醒用户浪涌事件。
57.图13示出了响应于第一ac电源线(l1)和中性点n之间的正电压浪涌的spd130中的电流。箭头所示为电流流动路径。类似地，图14示出了响应于第一ac电源线(l1)和中性点n之间的负电压浪涌的spd130中的电流流动。
58.图15示出了响应于第一ac电源线(l1)和第二ac电源线(l2)之间的正电压浪涌的spd130中的电流流动。
59.图16示出了响应于第一ac电源线(l1)和接地电位g之间的负电压浪涌的spd130中的电流流动。
60.从图示的spd130正电压浪涌和负电压浪涌条件示例中应了解，浪涌保护部件34a用于在(i)l1、l2、l3或g和(ii)n之间存在正电压浪涌时进行保护；浪涌保护部件34c用于在(i)l1、l2、l3或g和(ii)n之间存在负电压浪涌时进行保护；浪涌保护部件34b用于在任何一对输入l1、l2、l3和g之间存在负电压浪涌或正电压浪涌时进行保护。
61.前面描述了本发明的具体实施例。应当理解，这些实施例仅为说明的目的而描述，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下实施多种改变和修改。例如，可以设想，由本文公开的spd保护的电源线的数量可以不同于所示实施例的电源线的数量。还可以设想，对于所公开的浪涌保护部件，可以有多个浪涌元件。其意图是，只要这些修改和改变在如权利要求所述的本发明或其等效物的范围内，就将其包括在内。