对于开关泄漏电流的被动泄漏管理电路的制作方法

电路可以配置具有用于控制电气操作，例如启用或禁用电气负载的开关。例如，开关可以可控制成在第一操作模式与第二操作模式之间切换，在第一操作模式中，开关是“闭合的”，并且电流从开关输入传输至开关输出，在第二操作模式中，开关是“打开的”，并且阻止电流在开关输入与开关输出之间传输。

在诸如开关的一些电气装置中，在由于开关的电气特性或物理限制而导致在开关是打开的时，电流可能在开关输入与开关输出之间泄漏。在某些环境下，可期望对于泄漏电流而计划并且对泄漏电流进行控制，这可以包含用于传输泄漏电流的特定的泄漏电流路径。

技术实现要素：

在一个方面中，本发明涉及对于开关泄漏电流的被动泄漏管理电路，该电路包括：开关，具有开关输入和与电气负载电耦合的开关输出，并且，可在第一操作模式和第二操作模式中操作，在第一操作模式中，开关输出供应提供给输入并且具有第一预定的电压的输出电流，在第二操作模式中，开关输出供应来自输入并且具有比第一电压更低的第二电压的泄漏电流；第一电流路径，包含至少第一晶体管，其中，第一晶体管基于开关输出而沿着第一电流路径传导电流；以及泄漏电流路径，包含至少第二晶体管，其中，第二晶体管基于传导电流的第一晶体管而沿着泄漏电流路径传导电流。第一电流路径或泄漏电流路径中的至少一个独立于开关的状态而基于开关输出而自动地传导电流。

附图说明

在附图中：

图1是具有泄漏电流路径的电路的现有技术的简图。

图2是根据本发明的实施例的被动泄漏管理电路的简图。

具体实施方式

如本文中所使用的，开关是可以可控制成切换和/或处于第一操作模式与第二操作模式之间的电气装置，在第一操作模式中，开关是“闭合的”并且电流从开关输入传输至开关输出，在第二操作模式中，开关是“打开的”并且阻止电流在开关输入与开关输出之间传输。可以在具有开关的任何电路环境中实现本发明，其中，在开关处于打开状态中时，存在泄漏电流。可以包括本发明的实施例的电路环境的非限制的示例可以包括飞行器功率系统体系结构，其实现从涡轮机引擎，优选地，燃气涡轮机引擎的至少一个卷轴产生电功率，并且，经由至少一个诸如固态功率控制器（SSPC）切换装置的固态开关而将电功率输送至多个电气负载。

另外，虽然可以在本文中使用诸如“电压”、“电流”以及“功率”的术语，但对本领域技术人员将是显而易见的是，在描述电路或电路操作的方面时，这些术语可以是可互换的。

图1图示泄漏管理电路10的现有技术的简图。泄漏管理电路10包括与切换组件14（在下文中，称为“开关”）串联的电压源12，切换组件14具有与电压源12耦合的开关输入16和进一步与泄漏电阻器20耦合的开关输出18。泄漏电阻器20可以与电压输出22并联配置，电压输出22可以例如与示为单个负载24的一个或更多个电气负载电耦合。在该示例中，开关14控制电路10和/或负载24的“接通”和“关闭”操作，但在开关14是打开的时，将供应泄漏电流。

电路10被配置，使得在开关14是闭合的时，电流从电压源12通过开关14而行进至电气负载24。当开关14是闭合的时，一部分的电流还可以跨泄漏电阻器20而行进，然而，选择泄漏电阻器20，使得电路10中的大量的功率供应至电气负载24。电路10还被配置，使得在开关14如图所示地那样是打开的时，将跨电阻器20而耗散由开关14所供应的大量的泄漏电流26，并且因而将跨电阻器20而耗散大量的泄漏功率。在这个意义上，即使电路10是“关闭的”，也供应少量的泄漏电流26，并且必须在电路10中被计及(account for)。

然而，在开关14是闭合的时，该配置还将通过电阻器20而传导大量的电流，并且因而，耗散大量的功率。为了计及这个另外浪费的功率耗散，备选的现有技术的实施例已知为包括第二开关，该第二开关可控制成启用或禁用泄漏电流26的路径，以便分别与打开或闭合的开关14相对应。然而，这些现有技术的实施例要求开关14的状态，即，开关是打开还是闭合的“意识”或“认识”。在这个意义上，这类实施例基于开关14的状态而主动地控制。

图2图示根据本发明的实施例的被动泄漏管理电路40。泄漏管理电路40包含电压源，例如，与示为SSPC 44的固态开关和非线性电压控制的电流吸收器（VCCS）46串联的270伏的直流（DC）电压源42。VCCS 46可以与电压输出47并联配置，电压输出47可以例如与示为单个负载24的一个或更多个电气负载电耦合。

SSPC 44可以进一步包含切换组件48，切换组件48经由SSPC输入50而与电压源42电耦合，并且，经由SSPC输出52而与VCCS 46电耦合。切换组件48可在第一操作模式和第二操作模式中操作，在第一操作模式中，切换组件48是闭合的，并且SSPC输出52将由电压源42提供的输出电流供应至SSPC输入50（“闭合状态”），在第二操作模式中，切换组件48是打开的， SSPC输出52仍然供应来自SSPC输入50的泄漏电流（“打开状态”）。SSPC 44 可以进一步包括控制器54，控制器54配置成将控制信号56提供给切换组件48，以使开关在打开状态和闭合状态中操作。

处于闭合状态中的切换组件48配置成将诸如270 VDC的来自电压源42的预定的电压供应至VCCS 46，然而，处于打开状态中的切换组件48将供应泄漏电流，从而具有比预定的电压更低或更小的泄漏电压。泄漏电压的一个非限制的示例可以包括25 VDC。SSPC 44的一个非限制的示例可以包括基于碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）的高功率开关。SiC或GaN可以基于它们的固态材料构造、它们用来以较小并且较轻的形状因数处理高电压和大功率电平的能力以及它们用来非常迅速地执行电气操作的高速切换能力来选择。可以包括附加的切换装置和附加的硅基的功率开关。

VCCS 46进一步包含电压控制电路部分58和电流吸收器电路部分60，这两个部分彼此并联并且与电气负载24并联配置。电压控制电路部分58可以包含示为2兆欧姆的电阻器的第一电阻器62、示为15千欧姆的电阻器的第二电阻器64以及第一晶体管，例如具有栅极端子68、源极端子70以及漏极端子72的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）66。第一电阻器62和第二电阻器64串联配置，在电压输出47与公共接地74之间运行，其中第一节点76位于电阻器62、64之间，并且，与MOSFET 66的栅极端子68电耦合。MOSFET 66的漏极端子72进一步与电压控制电路输出78电耦合，并且MOSFET 66的源极端子70与公共接地74电耦合。

VCCS 46的电流吸收器电路部分60包含示为1兆欧姆的电阻器的第三电阻器80、示为同样的双二极管82的至少一个二极管、诸如具有基极端子86、集电极端子88以及发射极端子90的双极晶体管84的第二晶体管以及示为680欧姆的电阻器的泄漏电阻器92。第三电阻器80与每个二极管82串联配置，在电压输出47与公共接地74之间运行，其中二极管82向前面向公共接地74。第二节点94位于第三电阻器80与二极管82之间，并且，与双极晶体管84的基极端子86和电压控制电路输出78两者电耦合。双极晶体管84的集电极端子88进一步与电压输出47耦合，并且，双极晶体管84的发射极端子90进一步经由泄漏电阻器92而与公共接地74耦合。虽然描述泄漏电阻器92，但泄漏电阻器92可以进一步包含例如一个或更多个分流电阻器、可变电阻器或齐纳二极管。可以包括附加的泄漏电阻器92。

电压控制电路部分58的第一电阻器62和第二电阻器64选择为给第一节点76提供足以使MOSFET 66的栅极端子68在不同的SSPC输出52的期间操作的电压和电流。另外地和/或备选地， MOSFET 66可以选择成操作在特定的配置中，例如选择具有特定的栅极阈值电压的MOSFET 66，以便允许源极端子70和漏极端子72传导电流。本发明的实施例可以包括配置第一电阻器62、第二电阻器64和/或MOSFET 66，使得在SSPC输出52提供某一电流,从而具有指示切换组件48是闭合的预定的电压时，第一节点76将提供足以启用或“导通”MOSFET 66的电压，使得MOSFET 66将在源极端子70与漏极端子72之间传导电流，从而有效地给电压控制电路输出78提供“低”电压信号（例如零伏）。

另外，本发明的实施例可以包括配置第一电阻器62、第二电阻器64和/或MOSFET 66，使得在SSPC输出52提供某一泄漏电流,从而具有指示切换组件48是打开的泄漏电压时，第一节点76将提供不足以使MOSFET 66导通（即，MOSFET 66“关断”）的电压，使得MOSFET 66将不在源极端子70与漏极端子72之间传导电流，从而有效地给电压控制电路输出78提供“高”电压信号（例如，大于1.2 V）。

VCCS 46的电流吸收器电路部分60被操作，使得响应于与电压控制电路输出78电耦合的基极端子86上的“低”电压信号，将双极晶体管84禁用或“关断”，使得晶体管84不在集电极端子88与发射极端子90之间传导电流。相反地，VCCS 46的电流吸收器电路部分60被操作，使得响应于基极端子86上的“高”电压信号，将双极晶体管84启用或“导通”，使得晶体管84在集电极端子88与发射极端子90之间传导电流。可以选择第三电阻器80和/或双极晶体管84,从而与二极管82和/或MOSFET 66组合以便基于双极晶体管84的阈值电压和/或第二节点处的预期的电压而提供充分的接通/关闭操作。

因而，泄漏管理电路40在两个截然不同的模式中操作。在第一闭合模式中，具有闭合的切换组件48，使得SSPC输出52供应提供给SSPC输入50的输出电流，具有诸如270 VDC的预定的电压，以便给电气负载24供电和/或使电气负载24操作。在该闭合模式期间，电压控制电路部分58、第一电阻器62、第二电阻器64和/或MOSFET 66的选择和/或配置将MOSFET 66导通，使得它经由电压控制电路输出78而将“低”电压信号提供给电流吸收器电路部分60的第三端子94。响应于来自电压控制电路输出78的“低”电压信号，VCCS 46的电流吸收器电路部分60将双极晶体管84关断。该操作转而限定第一电流路径，该第一电流路径起源于SSPC输出52，并且经过至少通过第三电阻器80、第二节点94以及MOSFET 66的源极端子70与漏极端子72之间，到达公共接地74。

泄漏管理电路40进一步在第二泄漏模式中操作，从而具有打开的切换组件48，使得SSPC输出供应某一泄漏电流，从而具有诸如25 VDC的最大泄漏电压，其中，经由将通过开关48的泄漏电流乘以泄漏电阻器92的电阻而根据欧姆定律来确定泄漏电压。虽然作为非限制的示例，给定25 VDC，但理解到，泄漏电阻器92的选择不是泄漏本身的参数，而是由选择为影响受控制的泄漏电流量的电阻器92确定。在该泄漏模式期间，电压控制电路部分58、第一电阻器62、第二电阻器64和/或MOSFET 66的选择和/或配置将MOSFET 66关断，使得它经由电压控制电路输出78而将“高”电压信号提供给电流吸收器电路部分60的第三端子94。响应于来自电压控制电路输出78的“高”电压信号，VCCS 46的电流吸收器电路部分60将双极晶体管84导通。该操作转而限定泄漏电流路径，该泄漏电流路径起源于SSPC输出52，并且经过至少双极晶体管84的集电极端子88与发射极端子90之间,通过泄漏电阻器92，到达公共接地74。本发明的实施例可以在任何给定的时刻启用第一电流路径或泄漏电流路径中的唯一路径。

在这个意义上，泄漏管理电路40基于SSPC输出52而沿着第一电流路径传导电流，并且，电路40基于传导电流的MOSFET 66而沿着泄漏电流路径传导电流。因而，泄漏管理电路40为被动的或不受管理的，并且，将基于SSPC输出52而单独地、独立地和/或在未意识到切换组件48的状态的情况下操作。

因此，可以选择第三电阻器80，以便在SSPC输出52给电气负载24供电时，沿着第一电流路径提供低功率耗散，并且，可以选择泄漏电阻器92，以便在SSPC输出52提供泄漏电流时，沿着泄漏电流路径提供不同的低功率耗散。可以进一步选择泄漏电阻器92，以便当切换组件48是打开的时，为了给定的泄漏电流量而提供给定的泄漏电压。在具有示例的电阻器62、64、80、92以及所示的组件的情况下，在切换组件48是闭合的时，通过第一及第二电流路径的组合的电流可以为大约0.4 mA，而在随后切换组件48是打开的时，通过泄漏电流路径的电流可以为大约0.6 mA。这分别等同于大约109 mW和 23 mW的泄漏管理电路40的功率耗散，并且因此，与基本的单个泄漏电阻器20相比较，在切换组件48是闭合的时比在切换组件48是打开的时浪费更少的功率。该示例假定泄漏电阻器92为680欧姆，并且，两个二极管的正向电压和双极晶体管84的基极-发射极电压各自为0.6 V。

通过本公开预期除了上面的附图中所示的实施例和配置之外的许多其他可能的实施例和配置。例如，虽然MOSFET 66示为第一晶体管，并且，双极晶体管84示为第二晶体管，但将对本领域技术人员显而易见的是，这些装置可以与备选的晶体管类型和/或配置是可互换的，以响应于所选择的电路操作而提供受控制的操作。此外，虽然示例，例如，MOSFET 66和/或双极晶体管84生成“低”或“高”电压信号，并且对应地，“接通”或“关闭”操作，但对本领域技术人员将是显而易见的是，备选的晶体管和/或电路配置可以使高/低或接通/关闭操作反转，仍然提供用于基本上类似的泄漏管理电路40的操作。另外，本发明的实施例可以包括可以不一定以严格的“接通”或“关闭”操作模式操作，而是可以根据一个或更多个非线性的操作模式而操作的晶体管。在这些实施例中，非线性的操作模式可以生成电路40上的过渡的电气特性，直到它们习惯于稳态操作模式，其可以被认为是如上所述的“接通”或“关闭”操作模式。

在本发明的甚至又一实施例中，泄漏电流可由除了仅仅切换组件48之外的组件引起。例如，SSPC 44中或SSPC 44周围的输入和/或输出电压监测器可以有助于总体泄漏电流。可以包括附加的泄漏电流源。在本发明的又一实施例中，通过提供第二或更多的冗余泄漏电流电路40，以避免VCCS 46中的可能的组件失效，从而可以进一步改进泄漏电流耗散。另外，可以重新布置各种组件的设计和放置，使得能够实现许多不同的串联(in-line)配置。

本文中所公开的实施例通过独立于开关状态或在未意识到开关状态的情况下启用泄漏电流路径，从而提供用于泄漏开关的泄漏管理电路。可以在上述的实施例中实现的一个优点是，上述的实施例提供用于泄漏电流路径(其用于耗散泄漏功率),降低危险电压或不受管理的电流将对电路有包括造成短路、电压尖峰、电击危险的诸如火灾的热的后果的未预计的后果的可能性。此外，通过包括冗余泄漏管理电路，从而在组件失效的场景下，进一步降低未预计的后果的可能性。降低未预计的后果的可能性提高电气系统的总体安全。

可以在上述的实施例中实现的另一优点是，启用不同的电流路径提供用于泄漏管理电路,其通过当开关是闭合的时，提供第一电流路径用于低功率耗散，并且，当开关是打开的时，提供泄漏电流路径用于低功率耗散，从而避免不必要的功率耗散。低功率耗散导致在电路中更少的浪费的功率。

可以在上述的实施例中实现的又一优点是，泄漏管理电路有效地操作而不需要意识或认识到开关状态以便维持泄漏管理功能性。这消除对于监测开关状态用于泄漏管理的需要，并且，可以进一步消除对于与基于状态的泄漏管理电路相关联的任何附加的控制器、第二开关以及附加的功率和/或电路要求的需要。减少的组件导致总体泄漏管理电路的改进的可靠性。

在尚未描述的程度上，按照需要可以将各种实施例的不同的特征和结构彼此组合而使用。一个特征可以未在所有的实施例中图示,这不意味着被解释为它可能不是本发明的特征，而是为了描述的简洁而进行。因而，按照需要可以使不同的实施例的各种特征混合并匹配，以便无论是否清楚地描述新的实施例，都形成新的实施例。通过本公开涵盖本文中所描述的特征的所有的组合或排列。

本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且，还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作并使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的可取得的专利范围由权利要求书定义，并且，可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有没有不同于权利要求的文字语言的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的无实质差异的等效结构元件，则它们意图处于权利要求书的范围之内。