专利名称：带故障保护的双向直流电力控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及直流电力控制器，更具体地，涉及包含故障测定与保护电路的双向直流电力控制器。
现在正在研制用于飞机及空间应用的高压直流配电系统。这些电力系统对将要用于控制和保护载荷和载荷总线的固态电力控制器提出了超过现有技术的固态或机电开关装置所能提供的更复杂的要求。这种电力控制器必须为双向直流电路提供电流而同时维持低的开关电压降和低的能耗。与控制和限制电流的同时必须包括在控制和保护特性。
本发明提供了一种符合上述要求的用于高压直流电力系统的电力控制器并且包含了独一无二的故障保护电路，这种电路容易地将高压直流输电线电力与低压控制电路进行接口。
根据本发明所构成的双向直流电力控制器包括连接在一对接线端之间的一个双向直流电力开关，这两个接线端是用于将控制器连接到直流电力系统的。连接了一对差分放大器以监视这些接线端上的电压。放大器之一当接线端中的第一个上的电压超过第二个接线端上的电压时生成一个与两个接线端上的电压差成正比的输出信号，而当第二接线端上的电压大于第一接线端上的电压时则为低电平。另一个差分放大器当第二接线端上的电压超过第一接线端上的电压时生成一个与接线端之间的电压差成正比的输出信号，而当第一接线端上的电压超过第二接线端上的电压时则为低电平。合併差分放大器的输出信号以生成一个与接线端间的电压差的绝对值成正的控制信号。这一控制信号被电力控制器中的一个控制电路用以控制双向直流开关的操作。
差分放大器电路提供独有的内在电压远距离发送能力能使简单的信号传输跨越高压电位。这些放大器同时提供容易合併生成开关电压极性信号的输出信号。
一个分路器策略地放置在电力开关中以提供一个与开关中的电流成正比的电压信号，从而提供了电流检测。将这一电压信号送到一个受电压控制的电流源，该电流源包括一个高压接口并向一固定电阻供应电流以生成一个附加的控制信号，该信号与双向直流开关中的电流成正比。
单张附图
是根据本发明的优选实施例所构成的一种双向直流电力控制器的示意图。
参见附图，本发明的优选实施例包括一个电气地连接在一对接线端12和14之间的双向直流开关10。接线端12连接在一个第一输电导线16上，它接收来自电源线18的相对高压的直流电，例如150至200伏直流电。接线端14连接在一个第二输电线20上，它在开关10接通时向负载22发送输电线上电力。在难于预测的时刻，电源18和负载22的地位可能转换。例如，如果电源18是蓄电池，则在充电时它就成了负载。
双向直流电力开关10包括一对晶体管Q1与Q2，每个有一条主导电通路和一个控制电极，即基极。晶体管Q1和Q2的主导电通路在一个具有位于晶体管之间的一个第一连接点24的第一电路分支中互相电气地串联。第二分支电路包括一对二极管D1和D2以位于它们之间的第二连接点26的反向串联。在两个连接点之间连有一个电阻分路R1，使得流经开关10的电流生成一个表示在导线28与30上跨越分路R1的指示电流的直流电压信号。这一指示电流的电压信号被送至一受电压控制的电流源32，该电流源包括操作放大器U1，电阻R2，R3，R4和R5，稳压二极管CR1′和CR2，以及晶体管Q3。恒定电流电路32由输电源(连接到接线端12或14)供电，恒定电流电路32的操作电压受稳压二极管CR2的调整，使之产生一个与电源电压变化无关的恒定电流，该恒定电流是与跨越分路R1所发生的电压成正比的，这一恒定电流被送至一个负载电阻R6，使在导线34和36上产生一个与双向直流开关中的电流成正比的电压信号。可以根据已知技术构成的控制，保护与监视电路38接受这一电压控制信号并以它为依据通过驱动电路40控制双向直流电力开关的操作。电阻R4和R5是作为受电压控制的电流源12和低压控制保护与监视电路38之间的高压接口。电阻分路R1的关键位置有效地校正了双向直流负载电流，使在导线28与30上的电流指示电压信号是一个与两个方向上的负载电流成正比的直流电压。电阻分路的位置同时允许电压控制的电流源从输电源供应得到电力，以此消除了为电流检测控制电路供电而需要独立的电力供应。
电流源32从晶体管Q3的集电极到地产生一个输出电流Is，它非常接近地等于电流指示电压信号Vs除以R2，即，Is＝Vs/R2＝(R1×I)/R2，这里I为流经开关10的负载电流。这一输出电流Is用于生成一个跨越电阻R6的地电平电位的检测电压Vo，它等于Vo＝R6×(Is)＝(R1×I)×(R6/R2)＝KI，这里K是一个常数。电压Vo用于在地电平电位进行控制保护和监视。
电压检测电路42包括一对差分放大器44和46，它们生成输出信号，它们被电阻R7与R8进行“或”运算，在导线48上生成一个大小与接线端12与14间的电压差成正比的控制信号。差分放大器44包括操作放大器U2和电阻R9，R10，R11，R12和R13，其连接方式如图所示。电阻R9的一端是作为这一差分放大器的第一输入的，它与接线端14电气地相连，而电阻R10的一端是作为放大器的第二输入，它与接线端12相连接。差分放大器部件之间是这样连接的当接线端12上的电压大于接线端18上的电压时，放大器在导线50上产生一个输出电压信号，该信号与接线端12与14之间的电压差成正比;而当接线端14上的电压大于接线端12上的电压时，该电压信号为常量(零)。
差分放大器46包括操作放大器U2与电阻R14，R15，R16，R17和R18。电阻R14的一端是作为差分放大器46的第一输入并与接线端14电气地相连接。电阻R15的一端是作为放大器46的第二输入并与接线端12电气地相连接。差分放大器46的部件的电连接方式是当接线端14上的电压大于接线端12上的电压时，在导线52上生成一个与接线端12与14之间的电压差成正比的输出电压信号;而当接线端12上的电压大于接线端14上的电压时，该电压信号为常量(零)。接线端50和52上的电压信号被电阻R7和R8进行“或”运算在导线48上生成一个控制信号，该信号与接线端12和14上的电压差的绝对值成正比。
极性指示器电路54包括一个比较器U4，它具有接收导线50与52上的电压信号的输入端并在导线56上生成一个极性指示逻辑信号。导线48上的控制信号与导线56上的极性指示信号都送至现有技术的控制，保护与监视电路38用于控制开关10的操作。
在本发明的一个实施例中，其中电阻R9，R10，R14与R15有相等的电阻值;电阻R7，R8，R11，R12，R16与R17有相等的电阻值;而且电阻R13与R18有相等电阻值，导线50上的电压信号Vs1等于当V12＞V14时，Vs1＝(R11/R9)×(V12-V14)，这里V12是接线端12上的电压而V14是接线端14上的电压。当V12V14时，Vs1＝0。同样，导线52上的电压，V52等于当V14＞V12时，Vs2＝(R16/R14)×(V14-V12)，而当V14V12时Vs2＝0。这使得在导线48上的一个控制电压Vc的结果等于一个常数乘V12-V14的绝对值。电阻R9，R10，R14和R15是作为导线16与20上的高压和低压控制电路38之间的一个高压接口。
由此可见，本发明提供了一种具有独一无二的故障保护电路的双向直流电力控制器。这些电路包括双向电流与电压的单点检测以及与所测得的信号跨越高压电位进行接口。电压检测电路提供与开关电压的绝对值成正比的有效的电力开关电压检测。利用差分放大器电路的输出端所产生的电压提供了一种简单的开关电压极性装置。将所检测到的电压从高电压电平翻译成低电压控制电路电平是应用高电压接口电阻实现的。电流检测电路提供了双向电力开关电流的单点检测并且利用一个电压控制的电流源以提供将双向电流检测电压从高电平翻译到地电平电位的一种有效装置。
虽然本发明是以目前认为是它的最佳实施例的方式说明的，但对于精于此，者而言并不脱离本发明的范围可以作出种种改变是显而易见的。因而，附在后面的权利要求意在复盖这些改变。
权利要求
1.一种双向直流电水控制器包括一个双向直流开关(10)电气地连接在一个连接第一传输电力导线(16)的第一接线端(12)，和一个连接第二传输电力导线(20)的第二接线端(14)之间；以及一个用于根据控制信号控制所述开关的控制电路；其特征在于一个第一差分放大器(U2)，它具有一个正输入端连接到所述第一接线端，一个负输入端连接到所述第二接线端，和一个输出端，所述第一差分放大器产生一个第一输出电压信号，当在所述第一接线端上的电压大于所述第二接线端上的电压时，该输出电压信号与所述第一与第二接线端之间的电压差成正比，而当所述第二接线端上的电压大于所述第一接线端上的电压时则为一常量；一个第二差放大器(U3)，它具有一个正输入端连接到所述第二接线端，一个负输入端连接到所述第一接线端；和一个输出端，所述第二差分放大器产生一个第二输出电压信号，当所述第二接线端上的电压大于所述第一接线端上的电压时该信号与所述第一与第二接线端的电压差成正比，而当所述第一接线端上的电压大于所述第二接线端上的电压时该信号为一常量；以及装置(R7，R8)用于合
来自所述差分放大器的所述第一与第二输出电压信号以生成具有与所述第一与第二接线端上的电压差的绝对值成正比的值的所述控制信号。
2.权利要求1所描述的双向直流电力控制器，其进一步特征在于每一个所述放大器包括一个操作放大器具有一个正输入端，一个负输入端和一个输出端;一个第一电阻(R10)电气地连接在所述接线端中的一个第一接线端和所述操作放大器的正输入端之间;一个第二电阻(R9)电气地连接在所述接线端中的一个第二接线端和所述操作放大器的负输入端之间;一个第三电阻(R11)电气地连接在所述操作放大器的输出端和所述操作放大器的所述输入端之一之间;一个第四电阻(R12)电气地连接在所述操作放大器的正输入端与地之间;以及一个第五电阻(R13)电气地连接在所述操作放大器的输出端与地之间。
3.权利要求1中所述的双向直流电力控制器，其进一步特征在于一个比较器(54)，具有接收来自所述第一与第二差分放大器的输出电压信号的输入端，并响应所述第一与第二接线端上的相对极性产生一个极性指示逻辑信号。
4.权利要求1中所述的双向直流电力控制器，其进一步特征在于所述双向直流开关包括第一与第二晶体管(Q1，Q2)，各有一个主导电通路和一个控制电极，所述主导电通路在一个第一电路分支中互相电气地串联，该电路分支含有一个位于所述晶体管之间的第一连接点(24);第一对二极管(D1，D2)在一个第二分支电路中电气地反向串联，该分支电路有一个位于所述二极管之间的第二连接点(26);所述第一与第二电路分支在所述第一与第二接线端之间电气地相互并联，以及一个电阻分路(R1)电气地连接在所述第一与第二连接点之间。
5.权利要求4中所述的双向直流电力控制器，其进一步特征在于连接了一个电压控制时电流源(32)以接受一个指示电流的电压信号，该信号是由流经所述双向直流开关的电流跨越所述电阻分路生成的，所述电流源生成一个与所述指示电流的电压信号成正比的输出电流;以及连接一个负载电阻(R6)以接收来自所述电流源的所述输出电流，便与所述双向直流开关中流过的所述电流成正比的一个第三电压信号得以跨越所述负载电阻而生成。
6.权利要求5所述的双向直流电力控制器，其进一步特征在于所述电压控制的电流源从连接到所述电阻分路的一端的连接点上接收电力;并且所述电压控制的电流源进一步包括一个电压校正设备(CR2)，电气地连接在所述电阻分路的所述一端与地之间。
全文摘要
为一种双向直流电力控制器提供了一个连接在一对接线端(12，14)之间的双向直流开关(10)，该一对接线端是用于连接输电导线(16，20)的。连接了一对差分放大器(U2，U3)用于接收这两个接线端上的电压。每一放大器生成一个输出电压信号，当一个接线端上的电压大于另一个接线端上的电压时，该电压信号与这两个接线端上的电压之差成正比，而当第二个接线端上的电压大于(或等于)第一个接线端上的电压时，该电压信号为常量。合并差分放大器的输出以生成一个与接线端上电压之差的绝对值成正比的控制电压信号。这一控制信号用于控制双向直流开关的操作。
文档编号H03G3/30GK1039665SQ89104469
公开日1990年2月14日 申请日期1989年7月5日 优先权日1988年7月6日
发明者威廉·W·比林斯, 大卫·A·福克斯 申请人:西屋电气公司